光纖基材的制造方法以及光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種通過在堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散工序中抑制玻璃管內(nèi)表面上異物的生成從而能夠制造高質(zhì)量光纖預(yù)制件的方法，該方法包括：(1)熱擴(kuò)散工序，其中，在將通過加熱堿金屬鹽原料而生成的堿金屬鹽蒸汽從石英玻璃管的一端供給至內(nèi)部的同時(shí)，用熱源加熱玻璃管外部，從而將堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散到玻璃管內(nèi)側(cè)；(2)在熱擴(kuò)散工序后，通過使玻璃管塌縮并固化而形成芯棒的工序；以及(3)用于在芯棒周圍附加包層部的工序。在熱擴(kuò)散開始時(shí)，將堿金屬鹽原料加熱到使堿金屬鹽的蒸汽壓為0.1kPa以下的溫度，之后將堿金屬鹽原料加熱到使堿金屬鹽的蒸汽壓高于0.1kPa的溫度。
【專利說明】光纖基材的制造方法以及光纖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖預(yù)制件的制造方法以及光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]具有包含堿金屬芯的石英玻璃光纖是已知的(參見專利文獻(xiàn)1-10)。據(jù)說當(dāng)光纖預(yù)制件被拉伸時(shí)，如果其芯部含有幾百ppm至幾萬ppm級(jí)的堿金屬，則能夠降低其芯部的粘度，因此石英玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的松弛得以進(jìn)行，從而能夠降低所得光纖的衰減。
[0003]擴(kuò)散法已知作為將堿金屬元素添加到石英玻璃內(nèi)的方法(參見專利文獻(xiàn)I和2)。擴(kuò)散法是這樣的方法，使得在通過外部熱源將玻璃管加熱到1500°C至2200°C范圍內(nèi)的溫度的同時(shí)，將用作原料的堿金屬或堿金屬鹽的原料蒸汽隨載氣引入到玻璃管內(nèi)，從而將堿金屬元素?cái)U(kuò)散摻雜到玻璃管的內(nèi)表面中。
[0004]在以這樣的方式將堿金屬元素添加到玻璃管的內(nèi)表面和鄰近部分之后，通過加熱使玻璃管縮徑?？s徑之后，將玻璃管的內(nèi)表面蝕刻適宜的厚度，從而除去在添加堿金屬元素時(shí)同時(shí)被添加的過渡金屬元素(諸如鎳、鐵等)。因?yàn)閴A金屬比過渡金屬元素的擴(kuò)散快，即使通過將玻璃表面蝕刻一定厚度來除去過渡金屬兀素，仍可能殘留堿金屬。
[0005]蝕刻之后，通過加熱使玻璃管塌縮來制造含有堿金屬元素的芯棒。然后通過在含堿金屬芯棒的外部形成包層部來制造光纖預(yù)制件。由此，通過拉伸該光纖預(yù)制件就能夠制造光纖。
[0006]在擴(kuò)散法中，通過將堿金屬鹽加熱至熔點(diǎn)(例如，溴化鉀的熔點(diǎn):734°C )或更高的溫度以得到足夠的蒸汽壓而產(chǎn)生的堿金屬鹽的蒸汽隨載氣從玻璃管的一端供給到玻璃管的內(nèi)部。然后借助于沿著玻璃管的縱向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的熱源對(duì)玻璃管加熱，使堿金屬元素被氧化，從而熱擴(kuò)散到玻璃管的內(nèi)側(cè)。由此，通過進(jìn)行兩次以上這樣的熱擴(kuò)散，即可制造含有堿金屬元素的玻璃管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的
[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種制造高質(zhì)量光纖預(yù)制件的方法，其中，在進(jìn)行堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散的工序中，能夠抑制玻璃管內(nèi)表面上異物的生成。
[0009]實(shí)現(xiàn)目的的手段
[0010]為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明的方法包括:(I)在將通過加熱堿金屬鹽而生成的堿金屬鹽的蒸汽隨載氣從玻璃管的一端供給至其內(nèi)部的同時(shí)，借助于沿所述玻璃管的縱向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的熱源對(duì)所述玻璃管加熱，由此將堿金屬元素氧化并熱擴(kuò)散到石英玻璃管內(nèi)側(cè)的熱擴(kuò)散工序；(2)在所述熱擴(kuò)散工序后，通過使所述玻璃管塌縮而形成芯棒的塌縮工序；以及(3)用于在所述芯棒周圍增加包層部的包覆工序，其中，在所述熱擴(kuò)散工序中，在開始將所述堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散到所述玻璃管內(nèi)側(cè)時(shí)，在使該堿金屬鹽的蒸汽壓為0.1kPa以下的溫度下加熱所述堿金屬鹽，之后，在通過熱源加熱所述玻璃管的過程中，將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓高于0.1kPa的溫度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的光纖預(yù)制件的制造方法，在所述熱擴(kuò)散工序中，在開始將所述堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時(shí)，可使該堿金屬鹽的蒸汽壓為0.05kPa以下。在將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓為高于0.1kPa的溫度時(shí)，升溫速度可為5°C /分鐘以上15°C /分鐘以下，并且將該加熱溫度在中間溫度下維持給定的時(shí)間。在開始將所述堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時(shí)，所述堿金屬鹽的加熱溫度可為該堿金屬鹽的熔點(diǎn)以下，或者可為734°C以下。所述堿金屬鹽的例子為溴化鉀或碘化鉀。所述載氣可含有氧。
[0012]根據(jù)本發(fā)明另一方面的光纖是由本發(fā)明的光纖預(yù)制件制造方法制造的光纖預(yù)制件而制得的光纖，并且在1550nm波長下，所述光纖的衰減率為0.170dB/km以下。在1550nm波長下，所述光纖的衰減率可為0.165dB/km以下。
[0013]本發(fā)明的效果
[0014]根據(jù)本發(fā)明，在進(jìn)行堿金屬元素的熱擴(kuò)散的工序中，通過抑制玻璃管內(nèi)表面上異物的生成，能夠制造高質(zhì)量的光纖預(yù)制件。
[0015]附圖簡要說明
[0016]圖1為示出在開始加熱玻璃管時(shí)溴化鉀的晶體生成頻率與蒸汽壓之間的關(guān)系的圖。
[0017]圖2為示出在開始加熱玻璃管時(shí)碘化鉀的晶體生成頻率與蒸汽壓之間的關(guān)系的圖。
[0018]圖3為示出堿金屬鹽的升溫速率與晶體生成頻率之間的關(guān)系的圖。
[0019]圖4為示出堿金屬鹽的升溫速率與沿玻璃管縱向上的堿金屬濃度變化量之間的關(guān)系的圖。
[0020]圖5為示出制造實(shí)施例1的光纖的工序的概念圖。
[0021]圖6為示出實(shí)施例1中堿金屬升溫的溫度曲線和堿金屬鹽的蒸汽壓曲線的圖。
[0022]圖7為示出實(shí)施例1中制造的光纖的折射率曲線的圖。
[0023]圖8為示出制造實(shí)施例2的光纖的工序的概念圖。
[0024]圖9為示出實(shí)施例2中堿金屬升溫的溫度曲線和堿金屬鹽的蒸汽壓曲線的圖。
[0025]圖10為示出實(shí)施例2中制造的光纖的折射率曲線的圖。
[0026]圖11為示出光纖的折射率曲線的其他例子的概念圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行說明。提供這些附圖僅僅為了解釋的目的，而非意在限制本發(fā)明的范圍。在這些附圖中，相同的標(biāo)記代表相同的元素，從而可省去重復(fù)說明。附圖中的尺寸比例未必精確。
[0028]已出現(xiàn)這種情況:在熱擴(kuò)散工序中，在玻璃管內(nèi)表面上產(chǎn)生異物，導(dǎo)致在含有堿金屬的玻璃中產(chǎn)生裂紋，從而無法通過拉伸來制造光纖。另外，即使制造了光纖，也會(huì)出現(xiàn)諸多問題的情況:光纖的衰減率增加；光纖強(qiáng)度降低等等。
[0029]根據(jù)專利文獻(xiàn)10，據(jù)推測，通過降低玻璃管的氯(Cl)濃度能夠抑制結(jié)晶化，從而能解決以上問題。但是，根據(jù)本發(fā)明人所知，即使玻璃管的Cl濃度為50ppm以下，也會(huì)有在玻璃管的內(nèi)表面上出現(xiàn)異物的情況。[0030]本發(fā)明人分析了熱擴(kuò)散工序中在玻璃管的內(nèi)表面上產(chǎn)生的異物，并且還研究了熱擴(kuò)散工序中出現(xiàn)異物時(shí)的狀態(tài)。從而證實(shí)了，異物是由于石英玻璃結(jié)晶而產(chǎn)生的方石英。發(fā)現(xiàn)異物大都是在玻璃管進(jìn)行多次加熱的第一次加熱時(shí)出現(xiàn)的。從這些發(fā)現(xiàn)可以推測，產(chǎn)生這樣的異物是因?yàn)?由于在堿金屬開始熱擴(kuò)散到玻璃管內(nèi)時(shí)堿金屬鹽已經(jīng)過量地累積在玻璃管的內(nèi)表面上，因此當(dāng)開始加熱玻璃管時(shí)，堿金屬以過高的濃度擴(kuò)散到玻璃管內(nèi)。
[0031]此外據(jù)推測，如果溴化鉀(KBr)用作堿金屬鹽，由于KBr的熔點(diǎn)相對(duì)較高，為734°C，需要相對(duì)較長的時(shí)間才能把KBr加熱到750°C以上的溫度以獲得足夠的用于擴(kuò)散的蒸汽壓，因此當(dāng)加熱溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，堿金屬鹽已經(jīng)過量地累積在玻璃管內(nèi)表面上了。
[0032]因此可取的是，為了抑制在熱擴(kuò)散工序中在玻璃管的內(nèi)表面上產(chǎn)生異物，當(dāng)堿金屬鹽的加熱溫度和堿金屬鹽的蒸汽壓都低時(shí)，將玻璃管加熱至1500°C以上2200°C以下的溫度，在此溫度下，堿金屬能夠熱擴(kuò)散。并且，在玻璃管被加熱的同時(shí)，優(yōu)選地，將堿金屬鹽的加熱溫度逐漸升高到用于達(dá)到目標(biāo)蒸汽壓的所需溫度，然后在維持該溫度的同時(shí)進(jìn)行多次熱擴(kuò)散。這樣的做法使得能夠在熱擴(kuò)散開始之前防止堿金屬鹽過量沉積在玻璃管的內(nèi)表面上，并且抑制在玻璃管的內(nèi)表面上發(fā)生結(jié)晶化。
[0033]圖1和圖2為示出在開始加熱玻璃管時(shí)，晶體生成頻率與堿金屬鹽的蒸汽壓之間的關(guān)系的圖。在圖1中，堿金屬鹽是溴化鉀(KBr)，而在圖2中是碘化鉀(KI)。在這種情況下，用氧氫燃燒器來加熱玻璃管，使得石英玻璃管外表面的溫度可達(dá)2150°C。用O2氣作為載氣，并將O2氣的流速設(shè)定為lOOOsccm。該玻璃管的外徑為25mm,內(nèi)徑為IOmm,長度為550mm,而氯(Cl)和氟的濃度分別為25原子ppm和5000原子ppm。通過沿著玻璃管總共移動(dòng)5次氧氫燃燒器來進(jìn)行熱擴(kuò)散。熱擴(kuò)散在設(shè)定溫度下開始，在第一次移動(dòng)氧氫燃燒器的過程中，將堿金屬源的加熱溫度升高至820°C，在隨后的第二次到第五次移動(dòng)氧氫燃燒器的過程中，在保持820°C溫度的同時(shí)進(jìn)行熱擴(kuò)散。
[0034]如圖1和2所示，可發(fā) 現(xiàn)對(duì)于KBr和KI 二者，在開始加熱玻璃管時(shí)，當(dāng)堿金屬鹽被加熱到堿金屬鹽的蒸汽壓變得高于0.1kPa的溫度時(shí)，結(jié)晶化更容易發(fā)生。另外，為了抑制關(guān)于KBr和KI 二者的結(jié)晶化，優(yōu)選使蒸汽壓為0.05kPa以下。發(fā)現(xiàn)在蒸汽壓為0.05kPa以下時(shí)的溫度低于各自的熔點(diǎn)(KBr的熔點(diǎn)734°C ；KI的熔點(diǎn)681 °C )。
[0035]從制造再現(xiàn)性方面考慮，優(yōu)選的是在開始加熱玻璃管時(shí)，堿金屬鹽的蒸汽壓為0.02kPa以上。在這種情況下，對(duì)于KBr而言，堿金屬鹽的加熱溫度等于或高于700°C，對(duì)于KI而言，則等于或高于653°C。
[0036]圖3為示出堿金屬鹽的升溫速率與晶體生成頻率之間的關(guān)系的圖。圖4為示出堿金屬鹽的升溫速率與沿玻璃管縱向上的堿金屬濃度變化量之間的關(guān)系的圖。如圖3所示，通過將堿金屬鹽的升溫速率設(shè)定為15°C/分鐘以下，能夠抑制結(jié)晶的生成。如圖4所示，通過使堿金屬鹽的升溫速率為5°C /分鐘以上，能夠使沿著玻璃管縱向上的堿金屬濃度的變化量低至100原子ppm以下。因此，優(yōu)選地，升溫速率為5°C /分鐘以上15°C /分鐘以下。
[0037]以下，將參照?qǐng)D5給出實(shí)施例1的說明，圖5為示出了制造實(shí)施例1的光纖的工序的概念圖。在實(shí)施例1中，KBr用作堿金屬源。
[0038]首先，為了提供原料供給部，減小放置于玻璃車床上的處理用玻璃管3的兩個(gè)部位的內(nèi)徑，在其中放入5g KBr作為堿金屬源5 (區(qū)域(a))。然后，將石英玻璃管I連接到處理用玻璃管3 (區(qū)域(b))。玻璃管I的尺寸為:外徑32mm ;內(nèi)徑15mm ;長度500mm,并且含有200原子ppm濃度的Cl和4000原子ppm濃度的氟。在用熱源(電爐)4在600°C溫度下將原料供給部加熱30分鐘的同時(shí)，通過流入干燥的N2來干燥堿金屬源5 (區(qū)域(c))。
[0039]在使載氣O2以ISLM流動(dòng)的同時(shí)，將原料供給部加熱到720V的溫度(低于KBr的熔點(diǎn)734°C)。此時(shí)，用于加熱原料的熱源4的溫度被設(shè)定至750°C。在確定熱源4升溫之后，用以40mm/分鐘的速度移動(dòng)的熱源2加熱玻璃管1，進(jìn)行鉀到玻璃管I內(nèi)表面的擴(kuò)散摻雜，從而使得玻璃管I的表面溫度為2200°C以上。另外，在開始鉀擴(kuò)散摻雜的同時(shí)，原料供給部上的原料的溫度以10°C /分鐘的加熱速率升高至750°C。此時(shí)熱源4的設(shè)定溫度為780。。。
[0040]保持這樣的溫度5分鐘之后，確定熱源4的溫度已經(jīng)升高至780°C，然后不管熱源
2的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步將原料溫度以10°C /分鐘的速率升高至820°C。此時(shí)熱源4的設(shè)定溫度為850°C。關(guān)于熱源4，確定其溫度已升至850°C之后，一邊調(diào)控電源以將溫度恒定保持在850°C，一邊進(jìn)行總共15次熱源2的往返移動(dòng)，由此將鉀擴(kuò)散到玻璃管I的內(nèi)表面中(區(qū)域(d))。
[0041]圖6為示出實(shí)施例1中用熱源4加熱的堿金屬5的升溫曲線和堿金屬鹽的蒸汽壓曲線的圖。當(dāng)將堿金屬源5加熱到使堿金屬鹽的蒸汽壓為高于0.1kPa的預(yù)期值的溫度時(shí)，優(yōu)選地在中間溫度下維持一定時(shí)間，因?yàn)榫w的產(chǎn)生由此能夠得以減弱，并且能夠制造含有堿金屬而不含結(jié)晶的玻璃體。
[0042]在后續(xù)工藝中，將含鉀的玻璃管I的內(nèi)壓設(shè)定至表壓為-0.05kPa以下，并按照與擴(kuò)散工序中相同的方式用熱源2的火焰繼續(xù)在2200°C以上的溫度下加熱玻璃管1，直到玻璃管I的內(nèi)徑變?yōu)?mm以下。玻璃管I的內(nèi)徑變?yōu)?mm之后，在使SF6 (0.1SLM)和氧(0.2SLM)流入玻璃管I內(nèi)部的同時(shí)，加熱玻璃管I`，并通過蝕刻約600 μ m的厚度，從玻璃管I的內(nèi)表面上除去含有已經(jīng)與鉀同時(shí)擴(kuò)散的過渡金屬雜質(zhì)的層。
[0043]當(dāng)這樣的蝕刻之后玻璃管I的內(nèi)部表壓降低到_2kPa以下時(shí)，使溫度為2200°C以上的熱源(氧氫燃燒器)2的火焰以30mm/分鐘的速率往復(fù)移動(dòng)，從而使玻璃管I塌縮，由此得到透明的芯棒。通過機(jī)械拋光，將由于氧氫燃燒器加熱而形成的OH基濃度高并且厚度為2_的外層從芯棒表面除去。
[0044]在由此獲得的芯棒的外周周圍，使含有13，OOOppm濃度Cl的石英玻璃管塌縮，從而得到具有直徑擴(kuò)大部的芯棒。這樣直徑擴(kuò)大了的芯棒的外徑是第一次制造的含鉀的芯棒的直徑的3.5倍大。通過使含有氟的用于制造包層部的玻璃管塌縮，在直徑擴(kuò)大了的芯棒周圍形成光學(xué)包層部，以使得相對(duì)于芯部的相對(duì)折射率差為0.34%。
[0045]將具有光學(xué)包層的這樣的芯棒拉長到預(yù)定的直徑，之后在芯棒外部周圍合成摻雜氟的石英玻璃，從而制造物理包層部，由此制備具有125_直徑的光纖預(yù)制件。在這種情況下，在整個(gè)長度上都沒有生成晶體。在2300m/分鐘的線速度下用50g的張力將光纖預(yù)制件拉伸成光纖。圖7為示出實(shí)施例1中制造的光纖的折射率曲線的圖。實(shí)施例1中制造的光纖的特性如表1所示。由此，得到了具有低衰減率的光纖。
[0046]表1
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種光纖預(yù)制件的制造方法，包括: 用于氧化并將堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散到石英玻璃管內(nèi)側(cè)的熱擴(kuò)散工序，其中，在將通過加熱堿金屬鹽而生成的堿金屬鹽的蒸汽隨載氣從所述玻璃管的一端供給至其內(nèi)部的同時(shí)，使用沿所述玻璃管的縱向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的熱源對(duì)所述玻璃管加熱； 在所述熱擴(kuò)散工序后，通過使所述玻璃管塌縮而形成芯棒的塌縮工序；以及 用于在所述芯棒周圍增加包層部的包覆工序，其中 在所述熱擴(kuò)散工序中，在開始將所述堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散到所述玻璃管內(nèi)側(cè)時(shí)，在使該堿金屬鹽的蒸汽壓為0.1kPa以下的溫度下加熱所述堿金屬鹽，之后，在通過熱源加熱所述玻璃管的過程中，將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓高于0.1kPa的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖預(yù)制件的制造方法，其中 在所述熱擴(kuò)散工序中，在開始將所述堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時(shí)，使該堿金屬鹽的蒸汽壓為0.05kPa以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖預(yù)制件的制造方法，其中 在將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓為高于0.1kPa的溫度時(shí)，升溫速度為5°C /分鐘以上15°C /分鐘以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光纖預(yù)制件的制造方法，其中 在將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓為高于0.1kPa的溫度時(shí)，將該加熱溫度在中間溫度下維持給定的時(shí)間。`
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的光纖預(yù)制件的制造方法，其中 在開始將所述堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時(shí)，所述堿金屬鹽的加熱溫度為該堿金屬鹽的熔點(diǎn)以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的光纖預(yù)制件的制造方法，其中 在開始將所述堿金屬元素?zé)釘U(kuò)散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時(shí)，所述堿金屬鹽的加熱溫度為734°C以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的光纖預(yù)制件的制造方法，其中 在所述熱擴(kuò)散工序中，所述堿金屬鹽為溴化鉀或碘化鉀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的光纖預(yù)制件的制造方法，其中 在所述熱擴(kuò)散工序中，所述載氣含有氧。
9.一種光纖，其由根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的制造方法所制造的光纖預(yù)制件制得，其中 在1550nm波長下，所述光纖的衰減率為0.170dB/km以下。
【文檔編號(hào)】C03B37/014GK103502164SQ201280021801
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月11日
【發(fā)明者】春名徹也, 平野正晃, 田村欣章 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社