含碱金属氧化物的光纤的制作方法

专利名称：含碱金属氧化物的光纤的制作方法
技术领域：
本发明一般性涉及掺杂有碱金属氧化物的光纤以及制造该光纤的方法和设备。
背景技术：
衰减是光纤的主要极限属性。例如，光纤损耗在设定光纤放大器之间的极限 距离时起到重要的作用。这一点在此类放大器主要占系统的显著成本并且是影响系 统可靠性的主要因素的远距离和超远距离的网络，例如海底应用中特别重要。因此， 商业上对将衰减尽可能降至最低水平极有兴趣。
发明概述
本发明的一个广义方面涉及光纤，该光纤具有基于二氧化硅的芯体，该芯体 包含氟、氯，以及选自下组的碱金属氧化物K20、 Na20、 Li02、 Rb20、 Cs20以及它 们的混合物。芯体中存在的碱金属氧化物在所述芯体中的平均浓度优选为约 50-500重量ppm，更优选为约100-300重量ppm。所述芯体中的氟的平均浓度优选
大于所述芯体中碱金属氧化物的平均浓度，所述芯体中氯的平均浓度同样优选大于 所述芯体中碱金属氧化物的平均浓度。本文中所用的平均浓度表示在整个芯体上的 平均浓度。因此，例如，如果芯体的内50X具有300重量ppm的K20，并且芯体的 外50%具有400重量ppm的K20，则芯体中K20的平均浓度为350ppm。所述光纤的芯体包含的氯在所述芯体中的平均浓度优选大于约750重量ppm。 覆层是基于二氧化硅的覆层，该覆层包围所述芯体，并优选与所述芯体直接相邻。 覆层优选含有大于10000 ppm的氟。较好地，所述芯体基本不含锗，更优选所述芯 体不含锗。
在一个优选的实施方式中，所述光纤的芯体包含沿芯体的中心线设置的第一 区域，该区域中的氯含量小于100 ppm，以及包围所述第一区域的第二芯体区域， 该区域中的氯含量大于100 ppm。第一区域的最大氟含量还优选大于在所述第二区 域中的最小氟含量。
所述芯体中的平均氯浓度优选大于500ppm，更优选大于750ppm，甚至更优选 大于1000ppm，最优选大于约1500ppm。所述芯体中的平均氟浓度优选大于500ppm， 更优选大于750ppra，甚至更优选大于1000ppm，最优选大于约1500ppm。
采用本文公开的碱金属氧化物掺杂技术制造的光纤呈现，在1310纳米处的衰 减小于约0. 30 dB/km，在1550纳米处的衰减小于约0. 175 dB/km;优选在1550 纳米处的衰减小于约O. 170 dB/km，更优选在1550纳米处的衰减小于约0. 16 dB/km。
较好地，光纤的芯体和覆层都含有碱金属氧化物掺杂剂。光纤的覆层玻璃可 包含氟(F)。所述光纤具有至少一个芯体段；在一些优选实施方式中，光纤包括多 个芯体段。在半径等于光纤模场半径处的碱金属氧化物浓度优选至少约为0.001 重量％。
本发明提出的一种具有芯体的光纤，所述芯体包含选自下组的碱金属氧化物
K20、 Na20、 Li02、歸、Cs20以及它们的混合物，其中，所述芯体包含小于20 ppb 的OH。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优 点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细 描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来提 供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本 发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附示 说明了本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。在 适当之处，类似的特征注以同样的编号。附图简述


图1是阶跃率光纤折射率分布的一部分的图示说明，该光纤的碱金属氧化物 浓度随该光纤的半径而变化。
图2图示说明本发明的光纤的例子，示出该光纤的芯体和一部分覆层中的K、
C1和F的浓度。
图3图示说明根据本发明制造掺杂碱金属氧化物的光纤的方法。 图4示出沉积玻璃烟炱(glass soot)的方法。 图5示出用碱金属氧化物对玻璃管掺杂的方法。 图6示出拉制玻璃棒的工艺。
发明详述
本发明涉及低损耗光纤以及该光纤的制造方法。更具体地，本发明涉及掺杂 有碱金属氧化物掺杂剂的光纤及其制造方法和相关的预制件。本文中使用的以下术 语具有以下含义
-模场直径是对单模光纤的端面上光功率的度量，可表示为下式-
sin O cos
式中，2co。是模场直径(因此0)。是模场半径)，X是光的平均波长，O是相对 于辐射方向图的中心的角度，这些积分优选从0°至90°进行。例如，可按照 ANSI/TIA/EIA-455-191-A-2001的测试程序来测量模场直径。
_有效面积如下
Aeff = 2兀(JE2 r dr)7(jE4 r dr) (2)
式中，积分限为O至oo， E是与所传播的光相关的电场。
-相对折射率八由等式Ai = (ni2- n。/2ni2定义，式中，rii是该率分布段 i的最大折射率，n。是通常取作覆层的最小折射率的参照区中的折射率。相对 折射率一般表示为百分率，并且在本文中以术语y。A表示。除非另外指出，否则 。/。A表示芯体相对于覆层的最小折射率而言的最大相对折射率。
术语折射率分布或简称为率分布是在光纤的选定部分，通常是芯体上呢A 与半径之间的关系。
术语a分布指遵照以下等式的芯体折射率分布，
n(r) = n。 (1-[r/a]a) (3)
式中，r是芯体半径，a是该分布中的末点，在该分布的首点选择r为零，n。是关注的芯体区域的最大折射率，oc是定义芯体分布形状的指数(exponent)。 其他常见的芯体折射率分布的形状包括阶跃率，梯形率和圆化的阶跃率 (rounded st印index),其中，圆化的原因是在折射率快速变化的区域中掺杂 剂的扩散。
-芯体指光纤中折射率普遍高于覆层的部分，因此传输的光功率主要通过 芯体传播。芯体可包含一个或多个段。单独芯体段的折射率可大于纯的二氧化 硅、等于纯的二氧化或小于纯的二氧化硅的折射率。
除非另外说明，否则"PPm"指每百万的重量份，或"重量百万分率"， 或"重量ppm"，按照重量％的测量值乘以10,000的因子可转化为ppm。
本文揭示的光纤包括芯体和包围芯体并与之直接相邻的覆层。较好地，所述 芯体基本上不含氧化锗(germania)，更优选不含氧化锗。
在一些优选的实施方式中，芯体包括单一的芯体段即中心芯体段，覆层包围 该中心芯体段并与之直接相邻，如图1以及图1的说明性分布的变异一一如上面讨 论的具有阶跃、圆化、a或三角形形状的分布所代表的那样，其中，中心芯体段相
对于覆层具有正的折射率A, (r)。在其他优选的实施方式中，芯体包括多个芯体段， 如中心芯体段和包围中心芯体段并与之直接相邻的第一环形芯体段，以及包围第一 环形芯体段并与之直接相邻的覆层，其中，所述中心芯体段相对于覆层具有非负的， 优选正的相对折射率AA(r)，第一环形芯体段的纯二氧化硅相对于覆层具有非负 的，优选正的相对折射率A2。/。(r)。
图2图示说明根据本发明的光纤的一个示例的实施方式。图2所示的光纤包 括基于二氧化硅的芯体区，该区域从0微米延伸至约4微米，还有包围所述芯体区 的掺杂氟的二氧化硅覆层。芯体区包含选自下组的碱金属氧化物K20、 Na20、 Li02、 Rb20、 Cs20以及它们的混合物，这些碱金属氧化物在所述芯体中的平均浓度约为 50-500重量ppm。芯体还包含氯和氟。较好地，所述芯体中的氟的平均浓度大于所 述芯体中碱金属氧化物的平均量，所述芯体中氯的平均浓度大于所述芯体中碱金属 氧化物的平均量。该光纤还包括基于二氧化硅的覆层，该覆层包围所述芯体，在图 2所示的实施方式中还与芯体直接相邻。
在所示的实施方式中，芯体区包括沿芯体中心线设置的第一中心芯体区(延伸 至约1微米)，该中心芯体区中的平均氯浓度小于该芯体的外区(即，从约1微米延 伸至约4微米)中的平均氯浓度。具体地，中心芯体区中呈现的平均氯浓度可以小 于100ppra，更优选小于50ppm，而包围第一区的第二芯体区或即外芯体区中平均氯浓度可以大于500 ppm,更优选大于750 ppm，甚至更优选大于1000 ppm，最优 选大于1500ppm。芯体区中氯的峰值浓度优选大于500ppm，更优选大于1000ppm， 最优选大于1500ppm。
中心芯体区中呈现的平均氟浓度优选大于500ppm，更优选大于750ppm，最优 选大于1000ppm，而在包围第一区的第二芯体区或即外芯体区中平均氟浓度同样优 选大于500ppm，更优选大于750ppm，最优选大于1000ppra。
在整个芯体区上的平均氟浓度优选大于500ppm，更优选大于750ppm，最优选 大于1000ppm，并优选小于5000ppm，更优选小于4000ppm。在所示实施方式中， 在所述第二芯体区中氯的峰值浓度大于在所述第二区中的氟的峰值浓度，尽管这之 间的关系并不严格。较好地，在芯体区中氯和氟两者的平均浓度都大于约500ppra， 更优选大于约750ppm，最优选大于约1000ppm。
在一些优选的实施方式中，本文揭示的光纤包括单一芯体段，即中心芯体段， 以及包围该中心芯体段并与之相邻的覆层，其中，所述覆层具有相对纯二氧化硅为 负的折射率，且所述芯体包含氟和选自下组的碱金属氧化物K20、 Na20、 Li02、 Rb20、 Cs20以及它们的混合物，所述碱金属氧化物的峰值浓度为20-700 ppm，优选为 50-500 ppm，甚至更优选为100-400 ppm;所述芯体还包含峰值相对折射率(相对 于覆层)A,该峰值相对折射率为0. 2-0. 5%，优选为0.3-0.4%。光纤包含大于90 重量％的Si02，优选大于或等于95重量y。Si02。
较好地，光纤的芯体和覆层两者都含有碱金属氧化物掺杂剂。碱金属氧化物 优选是K、 Na、 Li、 Cs或Rb的氧化物，或它们的混合物；更优选碱金属氧化物是 K20、 Rb20、 Cs20，或它们的混合物；最优选碱金属氧化物是K20。较好地，碱金属 氧化物在光纤的芯体中具有峰值浓度。碱金属氧化物的浓度可在光纤的半径上径向 变化，在某些情况，沿光纤半径的至少一部分，该浓度作为自光纤中心线出发的半 径的函数，随半径增大而降低。
图1示出通过实施本发明可获得的示例的具有单一芯体段的单模光纤的折射 率分布10，以及示例的碱金属氧化物浓度分布12(碱金属氧化物浓度作为半径的函 数)。该光纤包括芯体段14以及包围该芯体段14的覆层段16。较好地，碱金属氧 化物浓度作为半径的函数发生变化。较好地，沿光纤半径的至少一部分，碱金属氧 化物的浓度作为自光纤中心线出发的半径的函数，随半径增大而总体趋于降低。该 光纤的芯体段14可具有图1所示的阶跃形状，或者芯体段14可具有圆化、a或三 角形形状。
8本发明的光纤优选在其芯体中基本上不包含锗。作为替代，光纤的覆层中包 含足够的降低折射率的掺杂剂，以形成如图1所示的折射率分布。在这种实施方式 中，覆层段16的折射率小于纯二氧化硅的折射率，当然也小于芯体14的折射率。 可供用在本文中揭示的光纤覆层中的降低折射率的优选掺杂剂是氟。
在本发明的一个实施方式中，可适应性修改诸如图1所示的分布那样的光纤
的折射率分布以产生如下的单模光纤，该光纤零色散波长人。在1280-1340纳米之 间；在1550纳米处的色散斜率(dispersion slope)小于约0. 07 ps/nm2/km，更优 选小于0. 06 ps/W/km;在1550纳米处的总色散大于约15 ps/nra/km，更优选为 约15-20 ps/mn/km。但是，可以采用其他折射率分布来同样实现这些性质。较好 地，该光纤的截止波长小于约1500纳米，更优选小于1400纳米，最优选小于1300 纳米。较好地，该光纤在1550纳米处的有效面积大于约70 pm2，更优选大于约80 pm2。光纤的芯体半径优选大于约3微米，更优选约3-5微米，在1550纳米处的模 场直径大于约9微米，更优选为约9.5-ll微米，最优选为约10-11微米。按照本 发明包含碱金属氧化物制造的光纤显示，在1310纳米处衰减小于约0. 30 dB/km，， 在1550纳米处衰减小于约0. 18 dB/km;更优选在1550纳米处衰减小于约0. 17 dB/km，最优选在1550纳米处衰减小于约0. 16 dB/km。
在拉制过程期间能有效控制碱金属氧化物的扩散。已经发现，按照规定方式 改变拉制条件，就可将碱金属氧化物掺杂剂按照要求的浓度分布分散在整个预制件 中。较好地，碱金属氧化物掺杂剂以相对于半径呈相对线性关系来扩散。由于碱金 属氧化物掺杂剂的扩散部分取决于进行掺杂的玻璃的温度、以及玻璃保持在该温度 的时间，因此这些因素同样对拉制工艺过程中控制碱金属氧化物扩散起到重要的作 用。光纤预制件(以及由预制件拉制的光纤)在拉制工艺过程中经历的时间和温度是 通过改变拉制速度、拉制(炉)温度以及光纤张力来控制的。例如，提高拉制速度可 减少光纤预制件的特定部分在拉制炉内的停留时间，因此减小了碱金属氧化物掺杂 剂在光纤预制件以及因此在拉制出的光纤中的扩散开去的距离。这能使较少的碱金 属氧化物扩散到覆层中，因此，在光纤的芯体中碱金属氧化物的浓度较高。相反， 降低拉制速度会增加停留时间，因此可以导致光纤芯体中的碱金属氧化物浓度因为 碱金属氧化物进一步扩散到光纤的覆层中而下降。以类似的方式升高炉温可以提高 碱金属氧化物的扩散速率，从而降低碱金属氧化物的浓度。因此，可以有效利用拉 制速度和炉温来控制扩散，以及由此控制制成的光纤内碱金属氧化物的分布。如图3所示，是根据本发明实施方式的第一方法402，该方法是通过将碱金属氧化物扩散到作为光纤前体的合适二氧化硅玻璃制品的方式制备掺杂碱金属的光纤。参考图3和图4，示出并描述该方法402的第一步骤401。参见图4，该示说明常规的外部气相沉积工艺，使用烟炱燃烧器156在心轴144上沉积多层二氧化硅烟炱162以形成烟炱预制件160。然后，采用标准氯干燥技术，对形成的烟炱预制件进行干燥(步骤403)。然后，通过使烟炱在一定温度下与含氟化合物(如SiF4)的气氛接触一定的时间对烟炱掺杂氟(步骤405)，所述温度和时间能足以除去干燥步骤残留的大部分或全部的氯。优选在低于IIO(TC的温度进行与含氟气氛的接触(氟吹扫)来避免以高氟浓度对玻璃掺杂。希望进行低氟浓度掺杂，即例如O. 1-0.4重量%氟。然后对制成的掺杂氟(还可能有氯)的烟炱管进行固化(步骤407)。
然后，将固化后的玻璃管掺杂碱金属(步骤404)。例如，参见图5，优选首先将制成的玻璃管106放置在车床IOI(如玻璃加工车床或常规改进的化学气相沉积(MCVD)玻璃成形车床)的夹具间。通过火焰加工在管106的壁上锻造两个环颈形变形112，从而在靠近该管106的一端形成较好是环形的储器108，或者以其他方式将储器焊到管上，该储器用于接受碱金属源的化合物110。也可以使用其他类型的储器。较好地，环颈形变形112彼此相隔约2厘米。较好地，为防止碱金属结晶，要求管106、以及沉积在管106内部的任何外加的玻璃基本上不含氯。基本上不含氯表示呈现足够低的氯含量，从而可以避免因碱金属氯化物结晶导致的光学损耗(optical loss)。为此目的，要求氯含量宜小于约500重量ppm;更优选小于约100重量ppm;最优选小于约50重量ppm。此外，二氧化硅玻璃管106以及沉积在该玻璃管内的任何外加的玻璃应基本上不含"水"。我们指"水"是羟基0H。水是1383纳米处或附近的吸收峰的原因所在，该吸收峰会延伸到光纤的工作波长区域内。该吸收峰对光纤衰减会产生有害的影响。因此，希望通过尽可能降低玻璃的OH含量来降低该吸收峰(也称作水峰)。较好地，玻璃管106的OH含量小于约100重量ppb;更优选小于约20重量ppb。为保证在扩散碱金属氧化物掺杂剂之前的起始玻璃制品基本上不含水，在制造二氧化硅玻璃管过程中可以采用常规的氯干燥技术。
再次参见图5，将碱金属源化合物110引入玻璃管106中位于储器108处，并通过热源114加热以随着玻璃管106旋转而形成蒸气。使氧气或载气经旋转密封118流入管106的进口 116，对在管106在碱金属源化合物源化合物110下游的部分120加热，以促进碱金属氧化物扩散进入管106的内表面122。较好地，在管106内不插入任何预成形部件，如另一个玻璃棒等。应将管106在碱金属氧化物源化合物110下游的部分120加热至一定温度，该温度足以促进碱金属氧化物源化合物快
速扩散进入表面122中并防止该玻璃的失透。较好地，玻璃管106在碱金属氧化物源化合物110下游的部分可被热源124加热至超过150(TC;更优选为1500-2000°C。较好地，热源124沿玻璃管106的部分120的长度方向移动。碱金属氧化物源化合物112优选包含选自下组的元素K、 Na、 Li、 Cs和Rb。较好地，碱金属氧化物源化合物110是溴化物、碘化物或氟化物。最优选碱金属氧化物源化合物110是KBr、 KI或KN03。碱金属氧化物(如1(20， Na20, Li02, Rb20， Cs20以及它们的混合物)坍塌在玻璃管收縮(collapse)之前优选扩散到自该玻璃管106的内部扩散表面122起有100-500微米的整个深度上。具体地，优选管中扩散的碱金属氧化物掺杂剂浓度(按重量y。计)径向变化。较好地，对玻璃制品(如玻璃管106)如此掺杂以使在内半部分107上的浓度最高，在外半部分109中的浓度较低，如图5的放大图所示。在内半部分和外半部分之间的划分点定义为该玻璃管106径向厚度的一半定义并位于该处(由虚线111表示)。例如，扩散宜使碱金属掺杂剂在外半部分109中的峰值浓度小于在内半部分107中的峰值浓度(按重量%计)的50%。
在此扩散过程之后，可接着进行通过本领域已知的常规方法(或通过本文所述的干燥方法)进一步加热管106以促进管106部分收縮的步骤，以同时减小碱金属氧化物经其散失的内部表面面积以及使已扩散有碱金属氧化物的玻璃层厚度增加。
一旦完成扩散掺杂步骤或者管106的任意部分收縮，管122的扩散表面即可任选用适合用于去除二氧化硅玻璃的蚀刻剂来蚀刻至一定深度，该深度足以去除可能扩散通过管的扩散表面122的不希望的杂质。可以使用例如HF水溶液作为蚀刻剂。更优选，使用氟化物气体，例如CF4， SF6， NF3， GF6或它们的混合物。从内表面122去除的材料量取决于扩散和任意部分管收縮过程的处理条件，但是蚀刻条件优选能足以从表面122去除玻璃至碱金属氧化物总扩散深度的至少约5%的深度。 一旦结束蚀刻，就用热源进一步加热二氧化硅玻璃管106，以使该玻璃管106在碱金属氧化物源化合物110下游的部分发生收縮并形成碱金属氧化物掺杂的实心玻璃棒132。按照本领域已知的常规方法实现管106的收縮，例如通过用适当热源(如，喷灯)加热。然后，从含碱金属源化合物储器108的玻璃部分切下掺杂碱金属的实心玻璃棒132。较好地，该掺杂碱金属氧化物的实心玻璃棒132用适当的蚀刻剂进行蚀刻，以除去在玻璃管106收縮过程中通过喷灯形成的部分或全部水合玻璃。如果使用干热源用于实现收縮，例如，电感加热器或电阻加热器，等离子体喷灯，或使用含非氢燃料如CO的干热源，则蚀刻可能不是必需的。相信使用干热源进行掺杂和/或收縮步骤能最大程度地使管外部的再润湿最小，即0H (水)从外部扩散进入
管中量最小，因此进一步降低光纤衰减。干热源是不会引起任何可观的0H(水)进
入管的热源。
应理解，当收縮时掺杂碱金属的玻璃棒132的碱金属氧化物的浓度(与玻璃管106类似)优选在径向变化，并且使相应于内半部分107的部分具有碱金属掺杂剂的最高峰值浓度(按重量%计)，而相应于外半部分109的部分具有较低峰值浓度。最优选，碱金属掺杂剂的峰值浓度是在该棒的中心处，而在半径一半处的浓度小于峰值浓度的50%，更优选小于25%。
掺杂的玻璃棒132可以在再拉制炉(redraw furnace) 136内加热并拉制成更小直径的玻璃棒144。这种再拉制工艺示于图6中。在上面所述的收縮步骤形成的掺杂碱金属的玻璃棒132上附着玻璃把柄130，将该掺杂碱金属的玻璃棒132放置在一个移动下馈(downfeed)支承物134中，该支承物在常规再拉制炉136的上方。可以在掺杂碱金属的玻璃棒132的底部附着牺牲玻璃棒138，该牺牲玻璃棒通过马达驱动的牵引机140拉伸，因此以适当的速度牵拉掺杂碱金属的玻璃棒132。发现15-23厘米/分钟的速度较适当，该速度主要根据由传感器142测量到的直径来控制。该拉制过程制成的小直径玻璃棒144的外直径尺寸(dl)优选在3-10毫米范围；更优选在直径尺寸上小于6毫米。如果收縮步骤426形成的玻璃棒132的直径尺寸落在要求的范围之内，则可以使用收缩步骤126形成的玻璃棒132作为玻璃棒144。拉制光纤时，小直径的玻璃棒144的K20峰值浓度应为光纤芯体中所需K20峰值浓度的5-10倍，以抵消在拉制光纤过程中碱金属掺杂剂的显著迁移的影响。例如，如果要求光纤芯体中的K20峰值浓度为0. 4重量％，则小直径玻璃棒144优选其K20峰值浓度应约为2-4重量％。具体地，这种很小直径的掺杂碱金属的玻璃棒具有优势的原因是这样便使这种玻璃棒中存在的过渡金属杂质集中存在于该玻璃棒非常靠近光纤中心线之处，因而最大程度地减小杂质的负面影响。应理解，对于向掺杂的覆层中加入大量物质的情况而言，光纤中的峰值浓度可能会比小直径玻璃棒中的峰值浓度小100倍。如方法402的步骤429所示， 一旦按照该方法形成小直径玻璃棒144，便将其进一步包覆(overclad)。
例如，如图4所示，可使用掺杂碱金属的小直径玻璃棒144作为起始棒，采用本领域中已知的OVD方法在该起始棒上沉积外加的多孔玻璃烟炱162作为包覆，形成组合件160。图4示出常规外部气相沉积方法。如图4所示，在如前面所述的制造的掺杂碱金属的小直径玻璃棒144上附着玻璃把柄154，并使其成为制成的预
12制件的整体一部分。把柄154在以后的处理步骤中提供对沉积过程制成的二氧化硅
玻璃预制件的支承方式。将具有附着的把柄154的玻璃棒144安装在车床中，旋转 该玻璃棒并相对于燃烧器156移动，该燃烧器可以是例如美国专利第4， 165， 223 号中揭示的类型。将燃料气体和氧气或空气从源(未示出)供给燃烧器156。该混合 物燃烧产生从燃烧器156发射的火焰。二氧化硅前体气体-蒸气混合物在火焰中氧 化，形成含二氧化硅的烟炱物流158，将该流导向玻璃棒144。将该气体-蒸气混合 物传送到燃烧器156的适当装置为本领域皆知；例如可参考美国专利第3， 826， 560 号、第4， 148， 621号和第4, 173， 305号所示的装置。复合烟炱预制件160可通过以 下方式形成，使玻璃棒144相对于燃烧器156来回平移多次，构筑起多层含二氧化 硅的烟炱层，因而形成烟炱涂层162。该平移运动还可以通过沿旋转玻璃棒144来 回移动燃烧器156来实现，或者通过燃烧器156和玻璃棒144的组合平移运动来实 现。烟炱涂层162形成复合预制件160的芯体玻璃的至少一部分，所述预制件优选 由基本纯的二氧化硅构成。较好地，烟炱涂层的密度大于0.35g/cc，更优选约为 0.35-0.5 g/cc。然后，使复合预制件160与含氯气体接触进行干燥，同时在炉内 加热至约IOO(TC温度。然后对该预制件160进行氟掺杂。在氟掺杂步骤中，预制 件160优选通过该预制件与含氟气体在适当温度(如约IOO(TC)接触来掺杂氟，这 样的温度适合使烟炱掺杂氟。这样，形成光纤的外芯体区。但是，氟掺杂步骤进行 的时间长度仅允许例如能掺杂相对少量的氟(O. 1-0. 4重量%)。然后通过加热预制 件160至能使该预制件固化的适当温度，将该预制件固化。然后，可以将形成的清 澈玻璃芯体预制件再拉制，形成二次芯体棒，即，含有由此拉制的光纤芯体的至少 一部分的玻璃棒。然后，该二次玻璃棒通过以下方式添加外加的玻璃来进一步处理 或者套以玻璃管(或玻璃管或烟炱管)，通过化学气相沉积来沉积玻璃烟炱，例如通 过既套以套管又化学沉积，或者通过本领域已知的其他方法，形成可用于拉制成光
纤的完整光纤预制件。所述外加的玻璃包括芯体玻璃、覆层玻璃，或者芯体和覆层 玻璃两者。此外，外加的玻璃可通过几个外加沉积步骤来实现要求的厚度，其中， 在每个步骤后，对烟炱进行干燥，掺杂氟、固化和再拉制成更小直径的棒。最外的 覆层优选是与芯体相邻的覆层，该覆层是二氧化硅，并且优选通过溢流掺杂(flood doping)以充分倒掺杂氟(参见美国专利4， 629， 485)，形成光纤的覆层区。掺杂宜 足以实现芯体和覆层之间例如大于0. 2%的相对折射率△%，更优选为0. 30-0. 40%。 具体地，对于每个通过沉积在二次棒上添加护渠(moat) 二氧化硅(相应于光纤覆 层的外加玻璃)的外加步骤，该护渠二氧化硅掺杂以氟。护渠烟炱首先通过与含氯气体接触进行干燥，然后与含氟气体(如SiK或CF》在1225'C接触60-120分钟， 之后，优选在含氟气体存在下，以7-10毫米/分钟速度向下驱动通过热区 (1450-150(TC)进行固化。对该预制件再拉制，形成三次棒，再重复这些步骤，艮卩， 沉积、干燥、氟掺杂和固化步骤，直到获得适当直径的最终预制件。较好地，在覆 层之中的各连续外加玻璃层中氟的重量%大约相同，更优选在最外覆层中略低(低约 0. 1-0. 5重量%)，以最大程度地减小应力影响。制成步骤467的完整光纤预制件后， 将该完成的光纤拉制预制件拉制成掺杂碱金属氧化物的光纤。本文所述的每一再拉 制步骤后，所述棒优选通过与氘气氛接触进行D2处理。氘处理见述于英国专利 2, 149， 392以及美国专利4， 515， 612和4, 504， 297。
制造光纤的其他制造方法披露于美国专利公报第2005/0063663号，其说明书 内容是本申请的依托并全文参考结合于本文中。
在本文揭示的所有实施方式中，光纤优选包含包围覆层的最外直径并与之直 接接触的初级涂层，以及包围初级涂层并与之直接接触的二次涂层。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行各种修改和 变动而不会偏离本发明的范围和精神。因此，本发明意在覆盖对本发明的修改 和变动，只要这些修改和变动在权利要求书和其等同项的范围之内。
权利要求
1.一种光纤，包括基于二氧化硅的芯体，所述芯体包含选自下组的碱金属氧化物K2O、Na2O、LiO2、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物，所述芯体中碱金属氧化物的平均浓度约为50-500重量ppm，所述芯体还包含氯和氟，其中，所述芯体中氟的平均浓度大于所述芯体中所述碱金属氧化物的平均浓度，所述芯体中氯的平均浓度大于所述芯体中所述碱金属氧化物的平均浓度；和基于二氧化硅的覆层，该覆层包围所述芯体并与芯体直接相邻。
2. 如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯体还基本上不含锗。
3. 如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述芯体中所述氯的平均浓度 大于约500重量ppra。
4. 如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述芯体中所述氟的平均浓度 大于约500重量ppra。
5. 如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述芯体中所述氯的平均浓度 大于约500重量ppm，所述芯体中所述氟的平均浓度大于约500重量ppm。
6. 如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述光纤的芯体包含沿芯体的 中心线设置的第一区，该区的最小氯含量小于100 ppm，以及包围所述第一区 的第二芯体区，该第二区的氯峰值浓度大于500 ppm。
7. 如权利要求5所述的光纤，其特征在于，所述光纤的芯体包含沿芯体的 中心线设置的第一区，该区的最小氯含量小于100 ppm，以及包围所述第一区 的第二芯体区，该第二区的氯峰值浓度大于500 ppm。
8. 如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述第二芯体区中的氯峰值浓度大于所述第二区中的氟的峰值浓度。
9. 如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述光纤在其芯体中包含氯， 其峰值浓度大于约1000叩ra。
10. 如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述光纤在其芯体中包含氯， 其峰值浓度大于约1500卯m。
11. 如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述光纤在其芯体中包含氯， 其峰值浓度大于约1500卯m。
12. 如权利要求ll所述的光纤，其特征在于，所述芯体还包含氟，其峰值f农度小于约5000 ppra。
13. 如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米处的衰 减小于0. 18 dB/km。
14. 如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米处的衰 减小于0. 17 dB/km。
15. 如权利要求6所述的光纤；其特征在于，所述第一区的外半径小于2微米。
16. 如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述覆层中掺杂有氟，氟的 平均浓度大于10000 ppm。
17. 如权利要求16所述的光纤，其特征在于，所述覆层中掺杂有氯，氯的 量大于500 ppm。
如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述碱金属氧化物是1(20。
全文摘要
公开一种光纤，该光纤具有基于二氧化硅的芯体，所述芯体包含选自下组的碱金属氧化物K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O以及它们的混合物，所述芯体中碱金属氧化物的平均浓度约为50-500重量ppm，所述芯体还包含氯和氟，其中，所述芯体中氟的平均浓度大于所述芯体中所述碱金属氧化物的平均浓度，所述芯体中氯的平均浓度大于所述芯体所述碱金属氧化物的平均浓度；和基于二氧化硅的覆层，该覆层包围所述芯体并与芯体直接相邻。通过适当选择在芯体和覆层中的碱金属氧化物的浓度，可获得低损耗光纤。
文档编号G02B6/00GK101495893SQ200780028597
公开日2009年7月29日 申请日期2007年6月15日 优先权日2006年6月21日
发明者H·B·马修斯三世, R·R·赫拉帕孔 申请人:康宁股份有限公司