专利名称：可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及玻璃光纤，尤其涉及一种可与石英玻璃光纤熔接的掺稀土元素的玻璃光纤及其制法。
背景技术：
玻璃光纤已成为光通讯所不可或缺的组件，目前商业化的光通讯系统是以石英(氧化硅)玻璃光纤为主，光信号在石英玻璃光纤内传递一段距离后，信号强度会逐渐损耗，因此每隔一段距离就需要安装光放大器(optical amplifier)以重新增强光信号强度。
目前商业化的光放大器是在石英玻璃光纤料内掺杂以氧化铒为主的稀土元素，将此光放大用光纤熔接于石英玻璃光纤，一般而言，这种以掺铒石英玻璃为主的光放大器，约需20m的长度才能达到商业规格的放大效果，但由于两种光纤都是以石英玻璃为主要材质，在熔接光放大器光纤与一般光通讯用的石英玻璃光纤时，由于两者熔点温度与光学折射率几乎一致，所以使用现有商业化的光纤熔接机进行熔接时，技术上没有困难，可以达到低光损耗与低反射的目标。
由于石英玻璃是以氧化硅四面体的结构为主体构成，这种结构造成掺杂的稀土元素(例如铒离子)的数量大约在3mol％以下，否则容易造成玻璃结晶而失去透光性。有鉴于此，于是经研究开发，磷酸盐玻璃成为有潜力取代掺铒的石英玻璃光纤放大器的材料；因为磷酸盐玻璃的组成结构较石英玻璃结构松散，也就是说，磷酸盐玻璃的材料本性是可以容纳较多的稀土离子进入其玻璃构造中，目前已有多篇文献与专利述及高稀土掺杂量的磷酸盐玻璃的化学组成与制造方法，请参阅相关文献数据，不在此赘述。
由于磷酸盐具有高稀土离子掺杂能力(10mol％以上)，且熔炼温度(约600℃至1400℃的间)比石英玻璃(1700℃至2000℃的间)低许多，所以，无论在光放大强度或是生产成本上都比以石英玻璃为主的光放大器具有发展优势。有关磷酸盐玻璃光放大器的优点请参阅相关文献，不在此赘述。
尽管磷酸盐玻璃光放大器具有上述优异的性能与潜力，但由其所制作的光放大器光纤仍然必须与现有的光通讯系统整合才能得到应用，也就是说，磷酸盐玻璃光纤与一般通讯用的石英玻璃光纤必须能熔接，才能成为具有实用能力的光放大器。但是，因为磷酸盐玻璃光纤的熔点远低于石英玻璃光纤的熔点，在进行熔接时，光纤熔接机若以石英玻璃光纤的熔点温度为熔接温度，其瞬间所产生的热量虽可熔接石英玻璃光纤，但对于磷酸盐玻璃而言，这一温度过高，会将磷酸盐玻璃光纤融化变形、甚至流失；若熔接机的温度调整到低熔点的磷酸盐玻璃光纤的熔接温度，则该温度不足以熔接石英玻璃光纤，因此仍然无法将两者熔接在一起。因此，无论何种操作温度都无法将高熔点的石英玻璃与低熔点的磷酸盐玻璃两种光纤熔接。
另外一种低熔点玻璃，就是硼酸盐玻璃，也发生了相同的情况。目前也有人开发以低熔点掺稀土离子的硼酸盐玻璃为主体的光放大器，虽然尚未取得像掺稀土离子的磷酸盐玻璃那样的成果，但将来当低熔点硼酸盐玻璃光纤要与石英玻璃光纤熔接时，也一样会面临两种玻璃间的高低熔点温度的差异性，所以如何解决低熔点玻璃与高熔点石英玻璃光纤间的熔接问题，就成为低熔点玻璃商业化的一个瓶颈。
有鉴于此，近来提出了几种可以解决高熔点石英玻璃光纤与低熔点玻璃光纤熔接问题的方法，例如美国康宁公司(Corning Lasertron)于2001年首先提出一种熔接分别具有800℃熔点与1800℃熔点的两种玻璃光纤的方法，其方法主要是使用CO2雷射，加热时先将低熔点玻璃以屏幕遮蔽，使得大部分的雷射能量集中到高熔点玻璃光纤的熔接端面，当高熔点玻璃光纤端面受高热而融化时，会有一部份的热量传导到低熔点玻璃光纤端面，利用这种不对称加热方式所获得的热量将低熔点玻璃光纤融化，此时再将两熔融端面接合。这一方法的缺点在于(1)必须使用CO2雷射，而石英玻璃光纤对于CO2雷射的辐射波长的能量吸收有限，能源使用效益不佳，(2)这种CO2熔接方式非规格品，造价昂贵，(3)先加热高熔点端，再经由热扩散至低熔点端的方式不易控制输入的热量与热流，可靠度较差。
日商朝日玻璃公司(Asahi Glass Co.)也于2001年提出类似康宁公司的方法，但是以放电加热的方式提供热源，即将尖端放电的电极置于距离高熔点玻璃光纤端面至少1m以上的距离，这时由于高熔点与低熔点两种玻璃光纤的端面先以机械力量推紧靠在一起，所以当加热点是设定在位于高熔点玻璃光纤且距离两光纤的接触面至少1m以上的距离时，热量达到可将高熔点玻璃融化温度时，其热传导至低熔点玻璃光纤端面的热量也刚好将其融化，也就是通过不对称加热方式达到高低温熔点玻璃分别被熔化与接合。这一设计已有效改进前述使用CO2雷射的缺点，且可以使用目前商业化的光纤熔接机，但缺点为，其必须用尝试错误的方法来找出加热电极的位置，且由于加热点不在熔接端面上，所以由加热点至两光纤接触点的光纤表面容易变形或是形成弧面，破坏光纤原有的圆柱面。
其次，也有发明者通过调整磷酸盐玻璃光纤化学成份使其成为高熔点玻璃的方式，使制得的磷酸盐玻璃光纤的熔点可达到与石英玻璃光纤顺利熔接的温度。但是，这种方式却牺牲了磷酸盐玻璃的一项重要优点低熔点熔炼所衍生的优势。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤及其制法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案本发明提供一种可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤的制法，其步骤至少包含有a)备置含稀土元素的硅酸盐玻璃材料；b)将硅酸盐玻璃材料予以熔融、制备组成光纤所需的芯材与包层管；c)将芯材加热使其产生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔点玻璃分散相与高熔点玻璃连续相，该高熔点玻璃连续相的熔点系与石英玻璃熔点相近；d)将分相处理后的芯材与包层管予以抽丝，就获得可与石英玻璃光纤熔接的掺稀土元素的玻璃光纤。
此外，本发明还提供另一种可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤的制法，其步骤至少包含有a)备置含稀土元素的硅酸盐玻璃材料；b)将硅酸盐玻璃材料予以熔融、制备组成光纤所需的芯材与包层管；c)将芯材与包层管予以抽丝成光纤；d)将光纤加热使其产生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔点玻璃分散相与高熔点玻璃连续相，该高熔点玻璃连续相的熔点与石英玻璃熔点相近，就获得可与石英玻璃光纤熔接的掺稀土元素的玻璃光纤。
另外，本发明进一步提供一种可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤，其是由含稀土元素的玻璃材料制成的分相玻璃光纤，包含有高熔点玻璃及分散于该高熔点玻璃中的若干低熔点玻璃，该高熔点玻璃的熔点与石英玻璃熔点相近。
由于采用了上述技术方案，本发明所提供的可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤及其制法，其所制成的玻璃光纤不仅可直接与石英玻璃光纤熔接，而且，可避免高低温差异、折射率差异等问题，具有实用价值。
图1是本发明的制作流程图；图2是本发明所制成的玻璃光纤与石英玻璃光纤的熔接示意图；图3是本发明的熔炼温度图；图4是本发明中掺稀土元素Eu2O3的磷硅酸盐分相玻璃经热处理后再抽丝所得的线状分相使用电子显微镜观察所得的显微结构；图5是本发明中掺稀土元素Er2O3的磷硅酸盐分相玻璃经热处理后所得的球状分相使用电子显微镜观察所得的显微结构；图6是本发明中掺稀土元素Er2O3的磷硅酸盐分相玻璃经热处理后所得的线状分相使用电子显微镜观察所得的显微结构；图7是本发明中掺稀土元素Er2O3的硼硅酸盐分相玻璃经热处理后所得的球状分相使用电子显微镜观察所得的显微结构；图8是本发明中掺稀土元素Er2O3的硼硅酸盐分相玻璃经热处理后使用能谱仪扫瞄酸洗后的玻璃化学成份；图9是本发明中掺稀土元素Er2O3的硼硅酸盐分相玻璃光纤芯材经热处理后放大150倍所观察到的颗粒状分相；图10是本发明中掺稀土元素Er2O3的硼硅酸盐分相玻璃光纤芯材经热处理后放大600倍所观察到的颗粒状分相；图11是本发明中掺稀土元素Er2O3的硼硅酸盐分相玻璃光纤芯材经热处理后放大3000倍所观察到的颗粒状分相；图12是本发明中掺稀土元素Er2O3的硼硅酸盐分相玻璃光纤芯材经热处理后使用能谱仪扫瞄酸洗后的玻璃化学成份。
具体实施例方式如图1与图2所示，本发明一较佳实施例的玻璃光纤的制法，包含有以下步骤本发明第一步骤是先备置含稀土元素的硅酸盐玻璃材料含稀土元素的硅酸盐玻璃材料是硼硅酸盐玻璃或磷硅酸盐玻璃，硼硅酸盐玻璃的成份范围为
RE2O3-xB2O3-yP2O5-zSiO2-mR2O-nAl2O30＜x＜35，0＜y＜50，35＜z＜70，0＜m＜30，0＜n＜10其中符号RE代表稀土离子(Rare earth elements)，上述公式中的各项系数(x，y，z，m，n)应符合下列条件0＜x＜35，0＜y＜50，35＜z＜70，0＜m＜30，0＜n＜10，且x+y＜45，m+n＜25，如8Na2O-31B2O3-60SiO2-1Er2O3与8Na2O-30B2O3-60SiO2-1Al2O3-1Er2O3，而磷硅酸盐玻璃主要成分为40SiO2-35P2O5-15Na2O-6Al2O3-xEu2O3。
本发明第二步骤是将硅酸盐玻璃材料予以熔融、制备组成光纤所需的芯材与包层管玻璃熔制温度为1100-1670℃，制备组成光纤所需芯材与包层管的方法可以使用(1)双坩埚法(Double crucible Method)以双坩埚法直接由熔融的芯材玻璃与包层玻璃制作成光纤；或是(2)光棒法(Preform method)熔融的玻璃膏以急速冷却方式形成芯材用的玻璃棒(可分相的成份)与包层用的玻璃管(可以不需要分相)，或是以化学气象沉积法(MCVD，OVD，VAD，PlasmaCVD等)所制备的光棒材料。
本发明第三步骤是将芯材加热使其产生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔点玻璃分散相(phosphate-rich phase或是borate-rich phase)与高熔点玻璃连续相(silica-rich phase)玻璃分相的热处理温度区间为500-720℃，热处理时间可以是玻璃由熔融状态在急冷过程中同时发生分相，或是急冷至室温后另行加热，加热时间可以长达100小时，玻璃熔融的温度曲线如图3所示。这样，低熔点玻璃分散相是球状或线状分相，而高熔点玻璃连续相的熔点与石英玻璃熔点相近。
最后，再将分相处理后的芯材与包层管予以抽丝，就获得可与石英玻璃光纤熔接的掺稀土元素的玻璃光纤。
前述玻璃光纤可直接以扫瞄式电子显微镜进行玻璃分相的显微结构观察分析如图4所示，经0.1N的HCl于25℃下酸洗1小时后使用扫瞄式电子显微镜(SEM，JOEL 5600)观察所得的显微结构，显示掺稀土元素Eu2O3的磷硅酸盐分相玻璃经热处理后再抽丝所得的线状分相，为使分相结构容易观察，因此以缓慢速度抽丝，所以有一部分的线状分相得以朝球状分相变化；若以快速抽丝与急速冷却则会形成纳米尺寸的长线状分相。
图5显示掺稀土元素Er2O3的磷硅酸盐分相玻璃经热处理后呈现球状分相的显微结构。图6显示掺稀土元素Er2O3的磷硅酸盐分相玻璃经热处理后展现线状分相的显微结构。图5与图6中的分相玻璃结构均已经到达次微米(sub-micrometer)与纳米(nano meter)尺度，当玻璃分相的尺度越小，越接近纳米尺寸时，因为分相所造成的光散射所导致的光损耗就几乎可以忽略。
如图7所示，显示掺稀土元素Er2O3的硼硅酸盐分相玻璃经热处理后所呈现的球状分相微结构，使用扫瞄式电子显微镜(SEM，JOEL 5600)将分相玻璃经0.1N的HCl于25℃下酸洗6小时后，使用能谱仪(Energy dispersive X-ray analysis，EDX)扫瞄酸洗后的玻璃化学成份，结果显示低熔点玻璃相被酸洗移除后所剩余的连续相玻璃为95wt％SiO2、2wt％Na2O与3wt％B2O3。
图9至图12为使用玻璃成份Na2O-30B2O3-60SiO2-1Al2O3-1Er2O3所制作的分相玻璃光纤(芯材)截面的电子显微镜微结构照片。芯材经560℃-640℃的热处理数分钟后即以电子显微镜观察，放大倍率分别为150x、600x、3000x。由图9(150x)中可以明显观察到光纤芯材截面上有颗粒分布，这些颗粒经600x放大后，可于图10中明显观察到颗粒大小约为0.5mm到15mm间，若再将倍率放大至3000x观察可以发现原球状颗粒分布于连续相玻璃中，若对连续相玻璃进行能谱分析，如图11中所示的白色框线区域，测得结果显示于图12的能谱分布图中，化学成份约为10.0Na2O-6.2Al2O3-82.8SiO2，由于Al2O3与SiO2两成份是高熔点化合物且两者合计的摩尔重量百分比高达90％以上，证明这一化学组份不但为分相后的连续相玻璃且为高熔点玻璃；分相后颗粒状玻璃的成份是以含有Er2O3的硼酸盐为主，由此可证明本发明中所述的含稀土离子的低熔点玻璃相散布于以高熔点氧化硅为主的连续玻璃相中的玻璃分相结构可以确实达成。
此外，如图1所示，本发明玻璃光纤制法中将硅酸盐玻璃材料予以制备成芯材与包层管后，也可先将芯材与包层管予以抽丝成光纤后再进行热处理产生分相作用，而获得可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤。
其次，本发明硅酸盐玻璃材料也可加入适量的碱金属氧化物(R2O，R＝Li，Na，K，Rb，Cs)与碱土金属氧化物(R’O，R’＝Mg，Ca，Sr，Ba)作为玻璃修饰体(glassmodifier)。
由上述可知，本发明将掺杂稀土离子的含碱磷硅酸盐玻璃与含碱硼硅酸盐玻璃经由玻璃分相作用，使得稀土离子扩散至低熔点的磷酸盐玻璃相与硼酸盐玻璃相内，同时使得高熔点硅酸盐玻璃相内的石英质成份提升，并形成低熔点玻璃以球状或线状分散于高熔点玻璃内，即低熔点玻璃形成分散相，高熔点玻璃形成连续相。以这种分相玻璃制成的光纤，因为连续相玻璃的熔点接近商用石英玻璃光纤的熔点，所以在进行光纤熔接时，高熔点玻璃相(连续相)可以与高熔点的石英玻璃光纤顺利熔接。
换言之，本发明将掺有稀土离子的硅酸盐玻璃材料加热产生分相作用，形成低熔点玻璃相(富含磷酸盐与稀土离子)与高熔点玻璃相(富含石英玻璃相，SiO2＞90mol％)的均匀复合玻璃光纤，其与石英玻璃光纤熔接时，由于熔接的两端均为石英玻璃为主的化学成份，其熔点接近，光学折射率也极为接近，避免了高低熔点差异与高低折射率差异的困扰，因此，可以使用目前已经商业化的光纤熔接机，以正常步骤即可进行熔接作业，不需改变生产作业流程与加工设备等，因此与现有技术相比，本发明确实具有进步性及实用价值。
综上所陈，本发明所提供的可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤及其制法，其所制成的玻璃光纤不仅可直接与石英玻璃光纤熔接，而且，可避免高低温差异、折射率差异等问题，具有实用价值。
权利要求
1.一种可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤的制法，其特征在于，其步骤至少包含有a)备置含稀土元素的硅酸盐玻璃材料；b)将硅酸盐玻璃材料予以熔融、制备组成光纤所需的芯材与包层管；c)将芯材加热使其产生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔点玻璃分散相与高熔点玻璃连续相，该高熔点玻璃连续相的熔点与石英玻璃熔点相近；d)将分相处理后的芯材与包层管予以抽丝，就获得可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤。
2.一种可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤的制法，其特征在于，其步骤至少包含有a)备置含稀土元素的硅酸盐玻璃材料；b)将硅酸盐玻璃材料予以熔融、制备组成光纤所需的芯材与包层管；c)将芯材与包层管予以抽丝成光纤；d)将光纤加热使其产生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔点玻璃分散相与高熔点玻璃连续相，该高熔点玻璃连续相的熔点与石英玻璃熔点相近，就获得可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤。
3.按照权利要求1或2所述的玻璃光纤的制法，其特征在于，其中所述含稀土元素的硅酸盐玻璃材料为硼硅酸盐玻璃或磷硅酸盐玻璃。
4.按照权利要求3所述的玻璃光纤的制法，其特征在于，其中所述硼硅酸盐玻璃材料的主要成分为RE2O3-xB2O3-yP2O5-zSiO2-mR2O-nAl2O3，其中符号RE代表稀土离子(RE＝Rare earth elements)，上述公式中的各项系数(x，y，z，m，n)应符合下列条件0＜x＜35，0＜y＜50，35＜z＜70，0＜m＜30，0＜n＜10且x+y＜45，m+n＜25。
5.按照权利要求1或2所述的玻璃光纤的制法，其特征在于，其中b)步骤中，所述硅酸盐玻璃材料制备组成光纤所需的芯材与包层管的方法是以双坩埚法(Double crucible Method)直接由熔融玻璃材料制成芯材玻璃与包层玻璃管。
6.按照权利要求1所述的玻璃光纤的制法，其特征在于，其中c)步骤中，将芯材于530℃～650℃保温数小时至数天，使其可分相成为高熔玻璃相(silica-rich phase)和低熔玻璃相(phosphate-rich phase或是borate-rich phase)。
7.按照权利要求1或2所述的玻璃光纤的制法，其特征在于，其中a)步骤中，硅酸盐玻璃材料中可以加入适量的碱金属氧化物与碱土金属氧化物作为玻璃修饰体。
8.一种可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤，其特征在于，其为含稀土元素的玻璃材料制成的分相玻璃光纤，包含有高熔点玻璃及分散于该高熔点玻璃中的若干低熔点玻璃，该高熔点玻璃的熔点与石英玻璃熔点相近。
9.按照权利要求8所述的玻璃光纤，其特征在于，其以硅酸盐玻璃材料制成。
10.按照权利要求9所述的玻璃光纤，其特征在于，其中所述硅酸盐玻璃材料是硼硅酸盐玻璃或磷硅酸盐玻璃。
全文摘要
本发明涉及玻璃光纤，尤其涉及一种可与石英玻璃光纤熔接的玻璃光纤及其制法。本发明为解决现有低熔点玻璃光纤与高熔点石英玻璃光纤熔接工艺较复杂的问题而发明。本发明应用玻璃分相技术将含有稀土元素的低温熔点玻璃形成一相，分散于高熔点的硅酸盐玻璃相中，由于低熔点的玻璃为分散相，且因为结构兼容性等因素，在分相过程中大部分稀土元素会聚集于低熔点玻璃相，因此可以将稀土元素浓缩于低熔点玻璃相内，同时使得连续相成为富含氧化硅的硅酸盐玻璃，并使得此连续玻璃相的熔点与石英玻璃熔点相近。本发明所制成的玻璃光纤不仅可直接与石英玻璃光纤熔接，而且，可避免高低温差异、折射率差异等问题，具有实用价值。
文档编号C03B37/014GK1919763SQ200510093038
公开日2007年2月28日 申请日期2005年8月25日 优先权日2005年8月25日
发明者丁原杰 申请人:联合大学, 丁原杰