专利名称：低损耗玻璃光纤及光纤前体的制造方法
技术领域：
本发明总的的涉及一种制造低损耗光纤的方法，更具体的说，涉及用于生产掺入碱金属氧化物的光纤。
背景技术：
衰减是光纤的一个主要的限制属性。光纤损耗例如在设置光纤放大器之间的限制距离方面起到一重要作用。这在诸如海底应用之类的长途和超长途的网络中尤为重要，在这些网络中，这样的放大器是一重要的系统成本，并是系统可靠性方面的一主要的因素。因此，在将衰减减小到最低的可能水平方面存在着极大的商业利益。
对于用在长途电信传输网络中的硅基光纤，衰减损耗已被减少到大多数剩余的衰减是由于玻璃材料内的固有散射所引起的程度。一般为人们所接受的是，固有散热是与密度和掺入物浓度的起伏相关的损耗的组合结果。密度的起伏变化与玻璃的转变温度Tg紧密相关，该转变温度Tg定义为熔解粘度为1013泊时的温度，并且密度的起伏变化可能会导致大角度或小角度的散射损耗。
降低Tg、从而减少衰减的一种方法是向芯玻璃中添加改良剂。如果适当地选用这样的改良剂，则它们能明显地减少纤芯中的散射损耗，并从而减少光纤的衰减。碱金属氧化物可用作有效的改良剂-大致0.5摩尔百分比浓度的碱金属氧化物能将石英玻璃的衰减减少25％之多。
最为普通的可购得的光纤是基于SiO2的，并且通常为人们所接受的这种光纤中的衰减理论下限值是约0.15dB/km。在本技术领域中已知，一些非SiO2玻璃、诸如高碱性铝硅酸盐和氟化物玻璃能实现比基于SiO2的光纤更低的损耗，不过，这些方法还没有在商业上实用于长途传输光纤中。
人们已提出使用单独或者与诸如CaO、Al2O3或F之类的其它化合物组合的含有碱金属氧化物掺入物的硅基玻璃来作为光纤的芯材料，这样的光纤具有比纯玻璃质的SiO2低的固有散热损耗。不过，尝试制造这种光纤的结果却是得到比理论下限高出许多的衰减水平。在多种掺入物的玻璃的情况中，已经证明很难克服掺入物浓度起伏变化和晶化的问题。对于单种和多种掺入物的玻璃，高浓度诸如过渡金属和-OH之类的杂质使得实现所想要的低衰减变得困难。通常，这些杂质是在掺入过程中被无意地引入的。
诸如外部汽相沉积(OVD)或汽相轴向沉积(VAD)之类的传统的粉尘至玻璃的光纤制作工艺并不很适合碱金属氧化物的掺入。其之所以不适合，一个原因是不能获得简单、易于展开的高蒸汽压碱金属源化合物。此外，从这些工艺所得的微粉体预制棒通常含有H2O，这是在粉尘沉积过程中所产生的燃烧副产物。这些H2O可在对微粉体预制棒的进一步处理的过程中分解，以形成-OH。-OH对光纤衰减产生有害的作用，特别是在存在于光纤芯部中时。通常，通过在升高的温度下使氯气流过预制棒来去除这些-OH。不幸的是，该干燥步骤通过形成碱金属氯化物同样会去除在OVD或VAD过程中所沉积的任何碱金属氧化物。此外，在氯气干燥步骤之后仍残留在预制棒中的任何碱金属氯化物一旦冷却就会形成碱金属氯化物晶体。这样的晶体使玻璃变得模糊不清，使其不适于传输光线。此外，碱金属还增加了硅自身的结晶速率，以致在OVD或VAD过程中所沉积的掺入碱金属氧化物的硅粉尘也会有在它能被烧结成致密、无缺陷的玻璃之前发生晶化的趋向。
一种将碱金属氧化物结合到石英玻璃中的技术是将碱金属直接扩散到固结的玻璃中。不过，将碱金属扩散到石英玻璃中的努力遇到了也同时扩散杂质、包括过渡金属和水的问题，致使损耗远高于理论的最小值。人们希望能开发出一种将碱金属掺入石英玻璃光纤前体、以使从其拉制出的光纤具有低损耗的方法。
发明内容
本发明涉及掺有足够纯度的合适材料的光纤的制造，所得的光纤能实现低光损耗。我们所称的低损耗是指在1550nm的波长处光学衰减较佳的是低于约0.18dB/km，更佳的是在1550nm的波长处低于约0.17dB/km，以及最佳的是在1550nm的波长处低于约0.16dB/km。更具体地说，本发明涉及一种方法，该方法使碱金属扩散穿过石英玻璃物件表面(下文称为扩散表面)，并将扩散表面蚀刻到足以去除可能已在扩散过程中无意地被引入玻璃的杂质的深度。我们所称的扩散表面是指碱金属扩散穿过其发生的玻璃物件表面。石英玻璃物件可呈管子、杆或者管子或杆的集合的形式，或者可呈适于用作光纤前体的其它玻璃物件的形式。当与典型的杂质、诸如过渡金属相比，碱金属在石英玻璃中表现出较高的扩散速率，所述的典型杂质可能以极小的量存在于碱金属源化合物或存在于石英玻璃周围的环境中。鉴于碱金属表现出较高的扩散率，并因而能更深地移动到石英玻璃中，而过渡金属的扩散率则明显要低，因此过渡金属杂质仅能扩散到离开玻璃扩散表面较浅的深度处。我们已经发现，想要的碱金属掺入剂和不想要的杂质之间的相对扩散深度方面的这种差异能允许在扩散过程之后通过传统的蚀刻技术去除这些杂质，从而有效地净化碱金属掺入剂，且对玻璃中的碱金属氧化物浓度的影响最小。
较佳的是，石英玻璃物件基本上无氯和水。碱金属在石英玻璃内或石英玻璃外会与氯激烈地结合，从而形成碱金属氯化物。这样的氯化物如果形成在石英玻璃外部，则会抑制碱金属扩散到玻璃物件中。如果碱金属氯化物形成在石英玻璃物件内部，则会使玻璃变得模糊不清，并因而对光线的传输不利。
碱金属选自包括K、Na、Li、Cs及Rb的组。当碱金属扩散到石英玻璃网络中时，它们与玻璃网络中内的氧气化合，以形成X2O形式的碱金属氧化物，在X2O中，X是先前材料组中的一个成分。我们已经发现，当使用本制造工艺，掺入K或Na产生比掺入Li、Cs或Rb更佳的光损耗特性，因此较佳的碱金属是K和Na。不过，随着制造工艺地不断发展，在将来这可能会发生变化。处于先前叙述的理由，较佳的是，碱金属源化合物不含有氯，但另外的任何碱金属源化合物是合适的。
在下面的详细描述中，将举出本发明的其它特征和优点，这些特征和优点一部分将从那些描述中对本技术领域的人们变得很明白，或者通过如这里所描述(包括下面的详细描述、权利要求书以及附图)的那样来实现本发明而被认识到。
应予理解的是，前面的总体描述和下面的详细描述都是本发明目前的实施例，并用来提供一个综述或框架，以便理解所要求保护的本发明的本质和特性。包括有附图，以供更好地理解本发明，并且这些附图包括在本说明书中并构成其一部分。附图示出了本发明的各种实施例，并与描述一起用来说明本发明的原理和工作情况。在合适之处，用相同的标号标示相同的特征。
图1示出通过测量K2O和FeO的浓度所确定的K和Fe的扩散深度，并示出K的扩散明显大于Fe的扩散。
图2示出将碱金属扩散到石英玻璃管中的一布置，并示出了喷灯与碱金属源结合位置之间的关系。
图3是-OH和K的扩散深度之间的比较，示出了-OH和K的类似的扩散深度。K的扩散深度是通过测量K2O的浓度来确定的。
图4示出了利用等离子喷灯将碱金属扩散到石英玻璃杆的一布置。
图5示出用于将碱金属扩散到石英玻璃管中的一较佳的布置。
具体实施例方式
本发明涉及一种制造低损耗光纤的工艺。更具体地说，本发明涉及通过将碱金属扩散到石英玻璃物件、并且在扩散过程之后蚀刻石英玻璃物件以去除可能在无意中已扩散到玻璃中的所不想要的杂质来制备光纤前体。我们所称的光纤前体是指一完整的光纤预制棒，或者诸如一芯茎或沉积管之类的一完整的光纤预制棒的前体。我们所称的芯茎是指光纤预制棒的一固结的玻璃前体，它不是一完整的光纤预制棒，但包括至少一部分的芯部。我们所称的光纤预制棒是指准备好以拉制成光纤的一固结的玻璃物件。
已经表明，掺有碱金属氧化物的石英玻璃能产生低于纯石英玻璃的理论下限的损耗。我们所称的“掺入有”或“掺入”或等效的用语是指将一种材料或多种材料故意地添加到玻璃中，以在这样的玻璃中实现所要的特性(如这里所述)。产生低损耗光纤的一种方式是通过将碱金属扩散到为光纤的前体的一合适的石英玻璃物件中。传统的扩散技术可能会导致扩散入诸如过渡金属离子之类的所不想要的杂质。不过，对于给定的一组工艺条件、诸如以时间和温度为例，碱金属掺入剂的扩散深度与这样的杂质相差很大，碱金属所表现出的在石英玻璃中扩散深度比例如一过渡金属杂质要大很多。在图1中图形化地示出了这样的现象。在本例子中，钾和过渡金属离子在根据本发明的一方法中都穿过石英玻璃管的内表面扩散。然后管子没有蚀刻就崩溃。在玻璃内部，碱金属和过渡金属与可能的氧结合，以在石英玻璃网络内形成K2O和FeO。通过使用电子显微探针测量作为径向位置的函数的K2O和FeO的浓度，来确定碱金属和过渡金属两者的扩散深度。可注意到，在石英玻璃管崩溃之后，碱金属和过渡金属已扩散进入、且从石英玻璃的内表面向外延伸的玻璃层将成为由崩溃而产生的石英玻璃杆的中心区域。图1示出了由在与崩溃的石英玻璃管的中心线同心的半径上约500微米的一区域所示出的FeO的扩散深度，它比在与崩溃的石英玻璃管的中心线同心的半径上约3000微米的一区域所示出的K2O的扩散深度相对地浅。较佳的是在石英玻璃管崩溃之前，去除如图1中的小直径的FeO区域所示的FeO杂质在玻璃管内较浅的层，从而实现低损耗的光纤。根据本发明，制造低损耗光纤的工艺包括将碱金属扩散掺入固结的玻璃光纤，然后用一合适的蚀刻剂蚀刻扩散表面以去除所不想要的杂质。
本发明的一个实施例示于图2，在该实施例中，适于制造光纤的一石英玻璃管10安装在一玻璃加工车床上。合适的设备的一个例子是一台传统的改良的化学汽相沉积(MCVD)玻璃形成车床。通过在管子10的壁中锻造两个彼此间隔约2cm的颈状变形部分6和8，在管子10的一端附近形成一用于容纳KBr的贮槽16。管子10的精确组成成分取决于所要光纤的设计方案，不过，这样的管子一般包括约80摩尔百分比之多或更多的SiO2。为了制造许多光纤，管子10较佳的是包含至少约90摩尔百分比的SiO2。这样的管子还单独或组合地包括掺入剂。这样的掺入剂例如可包括F、Al2O3、CaO、GeO2、或P。在将碱金属扩散到管子10中之前，可以通过化学汽相沉积装置向玻璃管10的内表面添加附加的石英玻璃。这样的附加的玻璃可包含掺入剂，所述掺入剂例如包括F、Al2O3、CaO、GeO2、或P。不过，出于前面已述的原因，希望罐子10和沉积在管子10内侧上的任何附加的玻璃是基本上无氯的。我们所称的基本上无氯是指含氯量充分低，以致可避免由于碱金属晶化而产生的光学损耗。我们已经发现，为此，希望含氯量较佳的是低于约500ppm。更佳的是，含氯量低于约100ppm，最佳的是低于约50ppm。此外，石英玻璃管10和沉积在其中的任何附加的玻璃应基本上是无“水”的。我们所称的“水”是指羟基-OH。水是形成1383nm或该值左右的吸收峰值的原因，该吸收峰值可延伸到光纤的工作波长区域之中。该峰值对光纤衰减有负面的作用。因此，希望通过尽可能地减少玻璃的-OH含量来减小该吸收峰值(也称为水峰值)。这要求原材料基本上无水。我们所称的基本上无水是指-OH的含量较佳的是低于约100ppb、更佳的是低于约20ppb。举例来说，图3示出钾的扩散率和-OH的扩散率之间的比较，其由K2O与-OH的浓度之间的相对深度来表示。如图所示，假设无法通过从扩散表面蚀刻而从玻璃中去除-OH而又基本上不影响碱金属氧化物浓度，则如通过测量K2O的浓度所确定的钾的扩散深度是与-OH浓度的扩散深度相类似的。进一步假设，根据本发明的、最为可行的实现低损耗光纤的方式是，在扩散碱金属掺入剂之前保证原材料基本上无水。这例如可这样来实现通过在石英玻璃管的制造过程中使用传统的氯干燥技术，并在其制造好之后采取合适的预防措施来防止管子再次潮湿。不过，应将氯的使用减少到最少，以降低玻璃中的氯的浓度。在为多孔粉尘玻璃物件的情况下，较佳的是通过使该物件在氯干燥之后或者替用来代氯干燥而将其暴露于一含氟的大气中来实现干燥，所述含氟的大气诸如为CF4或SiF4。暴露于含氟大气的操作较佳的是在低于约1100℃的温度下进行，以避免将高水平的氟掺入玻璃。较佳的是，玻璃的含水量低于约100ppb，更佳的是低于20ppb。
请再参见图2，一旦已制备好石英玻璃管10、包括任何的附加玻璃沉积，则将一碱金属源化合物12在贮槽16处引入管子10，并在管子10转动时用热源18进行加热以形成蒸汽。碱金属源化合物12可以液体或固体的状态引入贮槽16。氧气流入入口2并穿过转动密封件4流入管子10，并且对管子10的位于碱金属源化合物12下游的部分进行加热，以利于碱金属扩散到管子10的内表面。管子10的、位于碱金属源化合物12下游的部分应被加热到足以促进碱金属快速扩散并防止发生失透的温度。较佳的是，管子10的位于碱金属源化合物12下游的部分由热源20加热到至少约1500℃，更佳的是至少约1700℃，以及最佳的是加热到至少约2000℃。碱金属源化合物12是不含氯的化合物，它含有选自包括K、Na、Li、Cs及Rb的元素组的一元素来作为其成分。较佳的是，碱金属源化合物12是溴化物或碘化物。更佳的碱金属源化合物12是K或Na的溴化物或碘化物。扩散入管子、或沉积在其中的任何附加玻璃的碱金属峰值摩尔百分比应大于约0.035％。不过，超过约6摩尔百分比的碱金属浓度通常是不利的，并可能出现很大的加工处理困难。碱金属较佳的是在管子崩溃之前扩散穿过离开管子的扩散表面至少约100微米的一深度，更佳的是至少约300微米，以及最佳的是至少约500微米。
扩散过程之后是进一步加热管子10的步骤，以促进管子10的局部崩溃，从而既减小碱金属可能穿过其损失的内侧表面面积、又加厚碱金属已扩散入的玻璃层厚度。一旦完成了扩散掺入步骤或任何的管子局部崩溃后，用一适于去除石英玻璃的蚀刻剂将管子的扩散表面蚀刻到一足以去除可能已穿过管子10的扩散表面扩散的所不想要的杂质的深度。可使用水性HF溶液来作为蚀刻剂。不过，这可能导致管子10再次潮湿，从而要求随后干燥管子。较佳的是，采用诸如CF4、SF6、NF3、C2F6或它们的混合物之类的氟化物气体。所去除的材料的量取决于扩散和任何局部的管子崩溃过程中的处理条件，但蚀刻条件较佳的是足以去除直至至少约5百分比的碱金属扩散深度的一深度的玻璃。一旦结束了蚀刻，用热源20进一步加热石英玻璃管10，以在碱金属源化合物12的下游崩溃管子10，并形成一实心的玻璃杆。然后，切割实心玻璃杆，以去除包含贮槽16的玻璃部分。剩余的实心玻璃杆可构成整个的光纤预制棒，或者它可构成芯茎、亦即包括芯部的至少一部分的光纤预制棒的一部分，这样的部分可通过套上玻璃管、通过化学汽相沉积或通过其它的方式来添加玻璃材料而进一步加以处理，以形成整个的光纤预制棒。该添加的玻璃材料可构成芯材料、覆层材料或两者。完整的预制棒可把拉制成能表现出低损耗的光纤。根据本发明制成的光纤芯具有至少约0.035摩尔百分比的峰值碱金属氧化物浓度、低于约100ppb且较佳的是低于约20ppb的含水量，并具有低于约500ppm、较佳的是低于约100ppm和最佳的是低于约50ppm的含氯量。
在本发明的另一实施例中，如图4所示，在热源横越在转动的石英玻璃杆46之上的同时，将碱金属源化合物通过入口44引入到热源40中。碱金属源化合物在火焰42中蒸发，并通过火焰42传送到玻璃杆46，以使碱金属被扩散入玻璃杆46的外侧表面。碱金属较佳的是在进一步处理杆之前扩散穿过离开杆扩散表面至少约100微米的深度，更佳的是至少约300微米，以及最佳的是至少约600微米。碱金属源化合物可以液体、蒸汽或固定的状态引入热源40。较佳的是，碱金属源化合物以液体状态引入。石英玻璃杆46基本上无氯和水。石英玻璃杆46较佳的是至少包含约80摩尔百分比的SiO2，一些光纤设计则要求SiO2含量高达约90摩尔百分比或者高于90摩尔百分比。因为玻璃杆46的扩散表面直接暴露于热源40，所以，热源40较佳的是干燥的，我们在这里所称的干燥是指热源不含H2、-OH或H2O、或者产生的副产物H2、-OH或H2O。当例如使用一氧化碳作为燃料，并且其在喷灯火焰中与氧气化合，则唯一的副产物就是二氧化碳。该二氧化碳副产物是容易处置的，其有利的是，燃烧过程中没有产生水。因此，能产生基本上无水的硅粉尘、预制棒和玻璃。其结果是，热源40例如可以是一CO/O2燃烧器或等离子喷灯。不过，不应将此认为是对适合的热源加以限制。为了说明，在图4中绘出一等离子喷灯来作为火焰42的热源。
当完成了杆46的扩散掺入时，用一适于去除石英玻璃的蚀刻剂将杆46的扩散表面蚀刻到一足以去除可能已穿过杆46的扩散表面扩散的所不想要的杂质的深度。较佳的是，蚀刻步骤去除直至至少约5百分比的碱金属扩散深度的一深度的玻璃。例如可使用水性HF溶液来作为蚀刻剂。不过，这可能导致玻璃杆46再次潮湿，从而要求随后干燥杆。较佳的是，采用诸如CF4、SF6、NF3、C2F6或它们的混合物之类的氟化物气体。可通过套上玻璃管、通过化学汽相沉积或通过其它的方式来添加玻璃材料而进一步处理该杆，以形成整个的光纤预制棒。该添加的玻璃材料可构成芯材料、覆层材料或两者。完整的预制棒可把拉制成能表现出低损耗的光纤。光纤芯具有至少约0.035摩尔百分比的峰值碱金属氧化物浓度、低于约100ppb且较佳的是低于约20ppb的含水量，并具有低于约500ppm、较佳的是低于约100ppm和最佳的是低于约50ppm的含氯量。
在本发明的另一实施例中，如图2所示的一石英玻璃管10被安装在一传统的MVCD玻璃形成车床上。如用在任一前述实施例中那样，石英玻璃管10较佳的是包含至少80摩尔百分比的SiO2，并具有约90摩尔百分比之多或更多的SiO2。石英玻璃管10可有掺入剂。这样的掺入剂例如可包括F、Al2O3、CaO、GeO2、或P。较佳的是，石英玻璃管10含有低于约500ppm的氯，更佳的是低于约100ppm，以及最佳的是低于约50ppm。石英玻璃管10的含水量较佳的是低于约100ppb、更佳的是低于约20ppb。将一碱金属源化合物12在贮槽16处引入管子10，并用热源18进行加热以形成蒸汽。氧气流入入口2并穿过转动密封件4流入管子10，并且由热源20对管子10的位于碱金属源化合物12下游的部分进行加热，以利于碱金属扩散到管子10的内表面。碱金属较佳的是在管子崩溃之前扩散穿过离开管子的扩散表面至少约100微米的一深度，更佳的是至少约300微米，以及最佳的是至少约500微米。一旦完成了扩散掺入步骤，用一适于去除石英玻璃的蚀刻剂将管子的扩散表面蚀刻到一足以去除可能已穿过管子10的扩散表面扩散的所不想要的杂质的深度。较佳的是，蚀刻步骤去除直至至少约5百分比的碱金属扩散深度的一深度的玻璃。例如可使用水性HF溶液来作为蚀刻剂。不过，这可能导致管子10再次潮湿，从而要求随后干燥管子。较佳的是，采用诸如CF4、SF6、NF3、C2F6或它们的混合物之类的氟化物气体。在蚀刻之后，将一石英玻璃杆插入管子10。较佳的是，石英玻璃杆含有低于约100ppb的水、更佳的是低于约20ppb。此外，杆的含氯量较佳的是低于500ppm、更佳的是低于100ppm，以及最佳的是低于约50ppm。石英玻璃杆较佳的是包含至少80摩尔百分比的SiO2，并对于某些光纤设计，杆应具有约90摩尔百分比之多或更多的SiO2。石英玻璃杆可有掺入剂。这样的掺入剂例如可包括F、Al2O3、CaO、GeO2、或P。当石英玻璃杆已插入管子10时，然后由一热源加热管子10和石英玻璃杆的组件，该热源适于将管子10崩溃到石英玻璃杆上以形成光纤前体。所得到的光纤前体可构成整个的光纤预制棒，或者它可通过套上玻璃管、通过化学汽相沉积或通过其它的方式来添加玻璃材料而进一步加以处理，以形成整个的光纤预制棒。该添加的玻璃材料可构成芯材料、覆层材料或两者。完整的预制棒可把拉制成能表现出低损耗的光纤。在本实施例的一可选用的形式中，可如前述和如图4所示地通过使碱金属扩散到石英玻璃杆46的外表面来对石英玻璃杆46进行掺入。碱金属较佳的是在进一步处理杆之前扩散穿过离开杆的扩散表面至少约100微米的一深度，更佳的是至少约300微米，以及最佳的是至少约600微米。在前面的描述中，石英玻璃杆46基本上无水和氯，其含水量较佳的是低于约100ppb，较佳的是低于约20ppb。较佳的是石英玻璃杆46的含氯量低于500ppm，更佳的是低于100ppm，以及最佳的是低于约50ppm。如前所述，杆46包含至少约80摩尔百分比的SiO2，并且在一些情况下，根据光纤的设计要求，包含约90摩尔百分比之多或高于90摩尔百分比的SiO2。石英玻璃杆46可有掺入剂。这样的掺入剂例如可包括F、Al2O3、CaO、GeO2、或P。在以前述方式将碱金属扩散入杆46之后，将杆46的表面蚀刻到足以去除扩散入的杂质的深度，然后将杆46插入一石英玻璃管。较佳的是，蚀刻步骤去除直至至少约5百分比的碱金属扩散深度的一深度的玻璃。石英玻璃管较佳的是包含至少80摩尔百分比的SiO2，并具有约90摩尔百分比之多或更多的SiO2。石英玻璃管可有掺入剂。这样的掺入剂例如可包括F、Al2O3、CaO、GeO2、或P。较佳的是，石英玻璃管含有低于约500ppm的氯，更佳的是低于约100ppm，以及最佳的是低于约50ppm。石英玻璃管的含水量较佳的是低于约100ppb，更佳的是低于约20ppb。用一适于将管子崩溃到杆46上的热源来加热管子和杆46的组件。本发明的任一可选用形式的杆和管子组件可构成整个的光纤预制棒，或者它可通过套上玻璃管、通过化学汽相沉积或通过其它的方式来添加玻璃材料而进一步加工处理，以形成整个的光纤预制棒。该添加的玻璃材料可构成芯材料、覆层材料或两者。完整的预制棒可把拉制成能表现出低损耗的光纤。光纤芯具有至少约0.035摩尔百分比的峰值碱金属氧化物浓度、低于约100ppb且较佳的是低于约20ppb的含水量，并具有较佳的是低于约500ppm、更佳的是低于约100ppm和最佳的是低于约50ppm的含氯量。
例子通过以下的例子将进一步阐明本发明。
例1参见图5，合成硅管10的内径为19mm，外径为25mm，长约0.5m，包含低于20ppm的Cl，低于0.05重量百分比的F，低于10ppb的-OH，并基本上无过渡金属杂质，该合成硅管10通过分别位于端部14和24处的夹盘36和夹盘34安装在一传统的MCVD玻璃形成车床38上。氧气流入入口2，并穿过转动密封件4以2l/min的速率和0.75托的背压流入管子10，且管子10同时在2100℃的温度下烧边(fire polish)。通过在管子10的壁中锻造两个彼此间隔约2cm的颈状变形部分6和8，而在管子10的端部24附近形成一用于容纳KBr的贮槽16。在管子10的同时用一手持式喷灯在端部24附近将管子10加热到其软化点，并用玻璃吹制技术中常用的钳子夹捏软化的玻璃，从而形成变型部分6和8。在玻璃制作车床38中从端部24的相应的夹盘34中取出端部24，并且将一定量的KBr12放置在贮槽16内。然后，将管子10的端部24再次安装到夹盘34中，并用在管子10的外部且定位在贮槽16处的热源18将贮槽16加热到约1000℃，同时，使干燥的氮气流入入口2并转动管子10。KBr12熔化并脱水。然后冷却管子10，并从夹盘34中取出端部24。将在尺寸、含水量以及含氯量方面具有与管子10相同的特性、且已经以与管子10相似的方式进行了烧边的一第二石英玻璃杆22在其端部32处放置在夹盘3中，并且管子22的自由端26在界面28处与管子10的自由端24接触。干燥的氮气流入入口2并穿过转动密封件4流入管子10，在这个过程中，利用手持式喷灯在界面处28将管子10的端部24焊接到管子22的端部26上，以形成一合成管30。然后，连续地转动合成管30，并且热源18将贮槽16加热到产生KBr蒸汽。氧气流入入口2，并经过转动接头4流入合成管30，并在液体KBr12的贮槽之上穿过合成管30流动，以穿过合成管30输送KBr蒸汽。与此同时，热源20在贮槽16的下游横越过合成管30之上，将合成管30的位于贮槽16下游的部分加热到约2100℃。在这个阶段中，KBr蒸汽与合成管30的内表面接触，并且碱金属穿过合成管30的内壁扩散到玻璃中。热源20横跨过足够多的次数，以使在合成管30的内部区域中碱金属氧化物的深度达到约300um、且峰值碱金属氧化物浓度至少为0.035摩尔百分比。
接着，将合成管30的、位于贮槽16下游的部分加热，并且使其局部地崩溃到约2mm的孔径，之后，通过使C2F6和氧气的混合物流入入口2、并在约2100℃的温度和0.57托的背压下流过合成管，来蚀刻中心线以去除直至约5％的钾扩散深度的一深度的玻璃。
在蚀刻步骤之后，利用传统的技术使合成管30进一步崩溃成实心的玻璃杆。然后，在界面28的下游切割实心玻璃杆，以从其下游被切割的那部分实心玻璃杆形成一芯茎。所得的芯茎没有任何晶化的迹象，且峰值K2O浓度至少约0.035摩尔百分比。可通过蚀刻外表面来进一步处理该芯茎，以去除从热源20和外部环境沾染到的杂质。然后，将芯茎放置在一通过一外部汽相沉积工艺制成的合成硅管中，该合成硅管包含低于20ppm的Cl，低于10ppb的-OH，以及低于大致1.2重量百分比的F。净化芯茎和管子的组件，并在一干燥炉中使管子崩溃到芯茎上，然后再将该组件套上掺有F的硅管，并将其拉制成光纤，所制得光纤的光损耗比用其它的方式制作的、基本无碱金属的相同光纤要低。
那些熟悉本技术领域的人们显而易见的是，可不超出本发明的精神和保护范围而作出各种修改和变化。因此，本发明涵盖落入所附权利要求书及其等效的范围之内的这些修改和变型。
权利要求
1.一种形成光纤前体的方法，该方法包括使碱金属扩散穿过玻璃物件的表面，所述玻璃物件包括至少80摩尔百分比的SiO2；和蚀刻所述玻璃物件的扩散表面，并蚀刻到足以去除扩散入的杂质的一深度，从而形成光纤前体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中的所述玻璃物件含有低于约100ppm的氯。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中的所述玻璃物件含有低于约50ppm的氯。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中的所述玻璃物件含有低于约100ppb的-OH。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中的所述玻璃物件含有低于约20ppb的-OH。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中的所述碱金属是K、Na、Li、Cs及Rb。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述扩散步骤之前通过加热K、Na、Li、Cs及Rb的溴化物来获得所述碱金属。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述扩散步骤之前通过加热K、Na、Li、Cs及Rb的碘化物来获得所述碱金属。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中的所述玻璃物件是玻璃管，并且所述碱金属穿过所述玻璃管的内表面扩散。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤包括将所述碱金属扩散到离开所述玻璃管的内表面至少约100微米的深度。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤包括将所述碱金属扩散到离开所述玻璃管的内表面至少约300微米的深度。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤包括将所述碱金属扩散到离开所述玻璃管的内表面至少约500微米的深度。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中的所述玻璃物件是玻璃杆，并且所述碱金属穿过所述玻璃杆的外表面扩散。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤包括将所述碱金属扩散到离开所述玻璃杆的外表面至少约100微米的深度。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤包括将所述碱金属扩散到离开所述玻璃杆的外表面至少约300微米的深度。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤包括将所述碱金属扩散到离开所述玻璃杆的外表面至少约600微米的深度。
17.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括使所述玻璃管崩溃，以形成中间玻璃物件；将附加的玻璃添加到所述中间玻璃物件，以形成完整的光纤预制棒；以及将所述光纤预制棒拉制成光纤。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将附加的玻璃添加到所述玻璃杆，以形成光纤预制棒；和将所述光纤预制棒拉制成光纤。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在所述崩溃步骤之前将玻璃杆插入所述玻璃管。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻步骤包括从所述玻璃物件的扩散表面蚀刻掉玻璃，且蚀刻到至少约5％的碱金属扩散深度的深度。
21.一种光纤，其中芯部包括SiO2和X2O形式的碱金属氧化物，其中X选自包括K、Na、Li、Cs及Rb的组，并且碱金属氧化物浓度为0.035≤X2O≤6摩尔百分比，并且所述芯部还包括低于约100ppm的氯。
22.如权利要求21所述的光纤，其特征在于，所述芯部包括低于约50ppm的Cl。
23.如权利要求21所述的光纤，其特征在于，所述光纤的所述芯部还包括低于约100ppb的-OH。
24.如权利要求21所述的光纤，其特征在于，所述光纤的所述芯部包括低于约20ppb的-OH。
全文摘要
一种形成掺有碱金属氧化物的光纤的方法，该方法通过使碱金属扩散穿过玻璃物件的暴露的表面来进行掺入。石英玻璃物件可以呈管子或杆的形式，或者管子或杆的集合的形式。将含有碱金属以及可能在无意中已扩散到玻璃物件中的杂质的石英玻璃物件蚀刻到一定的深度，以去除杂质。可进一步处理石英玻璃物件，以形成完整的光纤预制棒。该预制棒在拉制成光纤之后，表现出较低的衰减。
文档编号C03C3/06GK1692086SQ03823749
公开日2005年11月2日 申请日期2003年8月5日 优先权日2002年8月28日
发明者L·A·摩尔, D·C·布克班德, K·L·豪斯, S·L·希费尔贝因, L·J·鲍尔, B·P·M·巴内, R·R·赫拉帕孔 申请人:康宁股份有限公司