光纤母材以及光纤母材的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤母材以及光纤母材的制造方法。
【背景技术】
[0002] 专利文献 JP 2005-37210A(专利文献 1)、US 2006/0130530A(专利文献 2)、JP 2007-504080A,JP 2008-536190A,JP 2010-501894A,JP 2009-541796A,JP 2010-526749A, WO 98/002389和US 5146534B描述了这样的石英系光纤，其中芯被碱金属元素掺杂。据称 在光纤母材的芯部被碱金属元素掺杂的情况下，拉伸光纤母材时可降低芯部的粘度，会发 生石英玻璃的网状结构的松弛，由此可减少光纤的衰减。
[0003] 作为用碱金属元素掺杂石英玻璃的方法，专利文献1和专利文献2描述了一种扩 散方法。该扩散方法在将原料蒸气导入石英玻璃管内的同时，通过利用外部热源加热管或 者在管内产生等离子体，从而通过扩散用碱金属元素掺杂石英玻璃管的内表面，其中所述 原料蒸气是通过加热作为原料的碱金属或碱金属盐而获得的。
[0004] 如上所述，在石英玻璃管的内表面附近被碱金属元素掺杂之后，通过加热减小所 得石英玻璃管的直径。在使直径减小之后，为了除去诸如Ni和Fe之类的与碱金属元素同 时添加的过渡金属元素，对石英玻璃管的内表面的部分厚度进行蚀刻。碱金属元素的扩散 快于过渡金属元素。因此，即使在对玻璃表面的部分厚度进行蚀刻以除去过渡金属元素时， 也可保留碱金属元素。
[0005] 在蚀刻之后，加热玻璃管并使其实心化，从而制得碱金属元素掺杂棒（光纤母材 的芯部）。围绕芯部的外周施加作为包层部的玻璃，该包层部的折射率小于芯部的折射率， 由此制得光纤母材。然后，通过已知方法拉伸所得光纤母材，从而可制造光纤。
【发明内容】
[0006] 技术问题
[0007] 本发明的目的是提供光纤母材以及能够制造这种光纤母材的方法，其中该光纤母 材能够被拉伸为低衰减光纤。
[0008] 解决问题的手段
[0009] 提供了 一种光纤母材。该光纤母材包括芯部和包层部，该芯部含有碱金属元素，在 碱金属原子浓度为100原子ppm以上的部分或全部区域内，玻璃中所含的氧分子的浓度为 30摩尔ppb以上200摩尔ppb以下；并且在碱金属原子浓度为50原子ppm以下的区域内， 玻璃中所含的氧分子的浓度为10摩尔PPb以下。
[0010] 在根据本发明的光纤母材中，优选的是，碱金属原子浓度的最大值为500原子ppm 以上，并且在碱金属原子浓度为500原子ppm以上的部分或全部区域内，玻璃中所含的氧分 子的浓度为30摩尔ppb以上200摩尔ppb以下。优选地，芯部由无 Ge玻璃形成，并且相对 于纯石英玻璃的相对折射率差在-0. 1 %以上+1. 0%以下的范围内。
[0011] 在根据本发明的光纤母材中，碱金属原子浓度优选为4, 000原子ppm以下。芯部 中的Cl浓度优选为500原子ppm以下。优选的是，芯部包括：掺杂有碱金属元素的第一芯 部；以及围绕所述第一芯部的外周设置的、并且Cl浓度为10, OOOppm以上的第二芯部。此 外，整个芯部中的平均钾（K)浓度优选为5原子ppm至100原子ppm，最优选为10原子ppm 至30原子ppm。
[0012] 作为本发明的另一方面，提供了一种制造根据本发明的光纤母材的方法。包括芯 部和包层部的光纤母材的制造方法包括如下步骤：在将含有平均浓度为5原子ppm以上的 碱金属原子的石英玻璃管内部的氧气分压维持在IkPa以上80kPa以下的同时，利用外部热 源将该石英玻璃管加热至1，600°C以上的温度以引发实心化，从而形成实心的芯部；以及 在所述芯部的周围施加包层部，其中该包层部的折射率小于芯部的折射率。
[0013] 优选地，在将石英玻璃管的内部压力维持在IOkPa以上SOkPa以下的同时引发实 心化。同时，优选的是，在将气体供入所述石英玻璃管内的同时引发实心化，在所述气体中， 惰性气体与氧气混合，并且惰性气体的流速为氧气的流速的0. 25倍以上100倍以下。
[0014] 发明的有益效果
[0015] 可将本发明的光纤母材拉伸为低衰减光纤。此外，根据本发明的光纤母材制造方 法能够制造这样的光纤母材。
[0016] 附图简要说明
[0017] 图1为根据本发明实施方案的光纤母材的截面图。
[0018] 图2为示出了根据本发明实施方案的光纤母材制造方法的流程图。
[0019] 图3为示出了图2中所示光纤母材制造方法中的实心化步骤的概念图。
[0020] 图4为示出了光纤母材的芯部的中心部分中氧分子浓度与光纤在l，550nm波长处 的衰减之间的关系的图。
[0021] 图5为不出了距离光纤母材的中心4mm的位置处的氧分子浓度与光纤在1，550nm 波长处的衰减之间的关系的图。
[0022] 图6为示出了实心化步骤中的氧气分压与实心化之后芯棒的中心部分中氧分子 浓度之间的关系的图。
【具体实施方式】
[0023] 下面将参照附图对本发明的实施方案进行详细说明。本发明人对利用扩散方法的 光纤制造方法进行了研宄并发现，在该方法中，通过该方法制得的光纤的衰减并非总会降 低。随后，本发明人研宄了妨碍光纤衰减降低的原因，并完成了本发明。
[0024] 图1为根据本发明实施方案的光纤母材1的截面图。光纤母材1由石英玻璃形 成，并且具有芯部10以及包围芯部10的包层部20。芯部10的折射率高于包层部20的折 射率。芯部10包括第一芯部11以及包围第一芯部11的第二芯部12。包层部20包括包围 第二芯部12的第一包层部（光学包层部）21、以及包围第一包层部21的第二包层部（物理 包层部）22。第一芯部11含有碱金属元素。该碱金属元素优选为钾元素。
[0025] 图2为示出了根据本发明实施方案的光纤母材制造方法的流程图。在根据本发明 实施方案的光纤母材制造方法中，通过依次进行准备步骤（步骤S1)、添加步骤（步骤S2)、 缩径步骤（步骤S3)、蚀刻步骤（步骤S4)、实心化步骤（步骤S5)、第一延伸磨削步骤（步 骤S6)、第一插棒实心化（rod-in-collapsing)步骤（步骤S7)、第二延伸磨削步骤（步骤 S8)、第二插棒实心化步骤（步骤S9)、和OVD步骤（步骤S10)，从而制造光纤母材1。在这 方面，将在后面描述制造条件的例子。
[0026] 在准备步骤（步骤SI)中，准备将向其中扩散碱金属元素的石英玻璃管。该石英 玻璃管含有100原子ppm的氯（Cl)以及6, 000原子ppm的氟，并且其他掺杂剂和杂质的浓 度为10摩尔ppm以下。该石英玻璃管的外径为35mm、内径为约20mm。
[0027] 在添加步骤（步骤S2)中，向石英玻璃管的内表面添加作为碱金属元素的钾。使 用溴化钾（KBr)作为原料。通过利用外部热源将KBr加热至840°C的温度从而产生KBr蒸 气。在利用由ISLM(换算为标准状态为1升/分钟）的氧气构成的载气将KBr蒸气引入石 英玻璃管内的同时，以使该石英玻璃管的外表面温度达到2, 150°C的方式，利用氢氧燃烧器 从外部加热石英玻璃管。此时，该燃烧器以40_/分钟的速率往复运动总共15次来进行加 热，由此，使钾金属元素经扩散添加至石英玻璃管的内表面。在该碱金属掺杂管中，钾浓度 的最大值为1，〇〇〇原子ppm。
[0028] 在缩径步骤（步骤S3)中，将掺杂了钾的石英玻璃管的直径减小。此时，在使 0.5SLM的氧气从石英玻璃管内通过的同时，以使石英玻璃管的外表面达到2, 250°C的方 式，利用外部热源加热石英玻璃管。使外部热源往复运动总共6次来进行加热，从而使掺杂 了钾的玻璃管的直径减小，直至内径达到5_。
[0029] 在蚀刻步骤（步骤S4)中，石英玻璃管的内表面被蚀刻。此时，在向石英玻璃管内 部引入SF6(0. 2SLM)和氯（0. 5SLM)的混合气体的同时，用外部热源加热石英玻璃管，从而 进行气相蚀刻。由此，能够除去含有高浓度杂质（这些杂质与碱金属元素一同添加）的管 的内表面，从而可除去这些杂质。
[0030] 在实心化步骤（步骤S5)中，使石英玻璃管实心化。图3为示出了本发明的光 纤母材制造方法中的实心化步骤（步骤5)的概念图。在实心化步骤中，将氧气（0.1SLM) 和He(ISLM)的混合气体引入石英玻璃管30内的同时，将石英玻璃管中的绝对压力降低至 97kPa以下，从而将氧气分压限定为8kPa。在该状态下，通过利用外部热源40进行加热，以 使石英玻璃管的表面温度达到2, 150°C，从而使石英玻璃管30实心化。
[0031] 通过该实心化获得了含有碱金属元素的第一棒（外径为25mm)。第一棒中钾原子 浓度的最大值为600原子ppm，在中心轴处的钾原子浓度为550原子ppm。掺杂有50原子 ppm以上的钾的区域的直径为8mm。在施加波长为765nm的光时，可基于波长为1，272nm的 荧光的强度来测量第一棒中溶解的氧分子浓度（例如，参见K. Kajihara等人，J. Ceramic Soc. Japan 112 [10]，559-562页（2004))。在第一棒的中心轴部分附近，溶解氧分子浓度为 最大值，该浓度值为（例如）52摩尔ppb。
[0032] 在延伸磨削步骤（步骤S6)中，将通过实心化获得的第一棒延伸，以使其直径达到 20臟，随后磨削其外周部分，以使其直径变为13臟，由此制造第一芯部11。
[0033] 在插棒实心化步骤（步骤S7)中，围绕第一芯部11设置第二芯部12,由此获得第 二棒。此时，通过插棒实心化方法形成第二棒，其中，将第一芯部11插入石英玻璃管（第二 芯部12)内，并且利用外部热源对第一芯部和第二芯部二者进行加热并使之一体化，其中 该第二芯部12掺杂有5, 000原子ppm的Cl原子并且外径为65mm。
[0034] 在第二延伸磨削步骤（步骤S8)中，将第二棒延伸，以使其直径达到24mm，随后磨 削其外周部分，以使其直径达到20mm。由此，第二芯部的直径D2与第一芯部的直径Dl之比 D2/D1变为3。第一芯部11和第二芯部12合并为芯部10。
[0035] 在第二插棒实心化步骤（步骤S9)中，围绕芯部10设置第一包层部21。此时，使 用插棒实心化方法，其中，将芯部10插入掺杂有氟的石英玻璃管（第一包层部21)内，并且 利用外部热源对芯部10和第一包层部21二者进行加热并使之一体化。第二芯部12与第 一包层部21之间的最大相对折射率差为约0. 34%。通过该插棒实心化方法的合成结果，芯 部10和在其附近的第一包层部21中的水含量可降至足够低的水平。
[0036] 在OVD步骤（步骤S10)中，将通过使芯部10和第一包层部21 -体化而制得的棒 延伸至预定直径，随后通过OVD法在棒周围合成含有氟的第二包层部22,从而制造光纤母 材1。在所得光纤母材1中，第一包层部21的外径为36_，第二包层部22的外径为140_。 第二芯部12与第二包层部22间的最大相对折射率差的最大值为约0. 32%。同时，可通过 利用红外吸收光谱测量第一包层部21的外部的