光纤制造技术

技术编号:19072770 阅读:18 留言:0更新日期:2018-09-29 16:35
本申请提供了一种可以使瑞利散射损耗降低的、含有碱金属元素等的光纤。光纤包括:包含石英玻璃的芯部;以及包围芯部的包层,包层的折射率低于芯部的折射率,并且该包层由含氟石英玻璃构成。芯部包含第一组掺杂剂和第二组掺杂剂,第二组掺杂剂的扩散系数低于第一组掺杂剂的扩散系数。光纤中的残留应力的最大值与最小值之间的差值为150MPa以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光纤
本专利技术涉及一种光纤。
技术介绍
作为瑞利散射损耗低且传输损耗低的光纤,已知有芯部含有碱金属元素或碱土金属元素的石英玻璃系光纤(例如,参考US2005/0129376A1和US7,088,900B1)。这种光纤是通过对芯部含有碱金属元素或碱土金属元素的光纤预制棒进行拉丝来制造的。当光纤预制棒的芯部含有碱金属元素或碱土金属元素时,在光纤预制棒的拉丝过程中,可以降低芯部的粘度,并且可以使石英玻璃的网络结构均匀。因此,可以降低由结构的不均匀性造成的瑞利散射损耗。在本说明书中,除非另有说明,否则碱金属元素或碱土金属元素将统称为“碱金属元素等”。扩散法为用于将碱金属元素等添加到石英玻璃中的已知技术。在扩散法中,将碱金属元素等或碱金属元素等的盐的原料蒸气作为原料引入石英玻璃系玻璃管的同时,通过外部热源加热玻璃管,或者通过在玻璃管内产生等离子,从而将碱金属元素等扩散并添加到玻璃管的内表面。在将碱金属元素等添加到玻璃管的内表面及其附近后,通过加热使玻璃管缩径。缩径后,为了除去诸如Ni和Fe之类的过渡金属元素(其为添加碱金属元素等的同时而添加的杂质),因而将玻璃管的内表面蚀刻至一定厚度。由于碱金属元素等扩散得比过渡金属元素快,因而即使当通过将玻璃表面蚀刻至一定厚度来除去过渡金属元素时,也能够使碱金属元素等保留。在蚀刻后,通过加热使玻璃管实心化,由此制造中心部分含有碱金属元素等的芯棒。可以将用作芯部的外周部的玻璃加至含有碱金属元素等的芯棒的外侧,并且可将该整体看作是光纤预制棒的芯部。在芯部的外侧合成折射率低于芯部的包层部分,并由此制造光纤预制棒,其中该芯部包括含有碱金属元素等的芯棒。可以通过在高温炉中熔化光纤预制棒,随后用已知方法进行拉丝来制造光纤。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的为提供一种含有碱金属元素等的光纤,在该光纤中可以使瑞利散射损耗降低。问题的解决方法根据本专利技术的光纤包括:包含石英玻璃的芯部,该芯部包含第一组掺杂剂和第二组掺杂剂,所述第一组掺杂剂由碱金属元素或碱土金属元素构成,并且在2,000℃至2,300℃的温度下在二氧化硅气体中的扩散系数为1×10-12cm2/s以上,所述第二组掺杂剂由碱金属元素或碱土金属元素构成,并且所述第二组掺杂剂的扩散系数小于所述第一组掺杂剂在石英玻璃中的扩散系数;以及包围所述芯部的包层,该包层的折射率低于所述芯部的折射率,并且该包层由含氟石英玻璃构成。所述光纤中残留应力的最大值和最小值之间的差值为150MPa以下。可以基于穿过光纤的光的相位变化来测量残留应力,例如在P.L.Chu和T.Whitbread的“Measurementofstressesinopticalfiberandpreform”Appl.Opt.21,4241(1982)中对此进行了描述。该文献通过引用并入本文。在根据本专利技术的光纤中,比值C2/C1优选为5以上,并且比值C2/C1优选为30以下,其中C1为芯部中的第一组掺杂剂的平均浓度,并且C2为芯部中的第二组掺杂剂的平均浓度。在根据本专利技术的光纤中,优选地,平均浓度C1为1重量ppm至20重量ppm,并且平均浓度C2为20重量ppm至300重量ppm。表述“1重量ppm”表示在1,000g的SiO2中包含0.001g的原子。此外,优选地,芯部包含Na或K作为第一组掺杂剂,并且包含Rb、Cs、Mg、Ca和Sr中的任意一者作为第二组掺杂剂。专利技术的有益效果在根据本专利技术的光纤中,可以使瑞利散射损耗降低。附图简要说明图1示出了根据本专利技术实施方案的光纤的透视图。图2示意性地示出了光纤预制棒和光纤各自的K浓度的径向分布的曲线图。图3示意性地示出了光纤预制棒和光纤各自的Cs浓度的径向分布的曲线图。图4示出了比值C2/C1与残留应力的最大值和最小值之间的差值之间的关系的曲线图。图5示出了比值C2/C1与传输损耗之间的关系的曲线图。图6为总结Na、K、Cs和Ca的扩散系数的表格。图7示出了根据实施方案的光纤的制造步骤的流程图。具体实施方式将参照附图详细描述用于实施本专利技术的实施方案。在附图中,由相同的附图标记表示相同的部件,并且省略重复的描述。本专利技术不限于这些实施方案,而是由所附的权利要求所限定,并且旨在包括与权利要求等同的含义和范围内的所有修改。关于制造含有碱金属元素等并且传输损耗低的光纤,本专利技术人得到了以下发现。在将扩散速度比较快的元素(如Na和K)作为碱金属元素等添加到光纤预制棒的芯部中心及其附近的情况下,在拉丝步骤中碱金属元素等扩散到芯部的外部。因此,不能充分降低芯部玻璃的粘度,并且不能充分降低瑞利散射损耗。另一方面,在将扩散速度比较慢的元素(如Cs和Ca)作为碱金属元素等添加到光纤预制棒的芯部中心及其附近的情况下,碱金属元素等保留在芯部中心及其附近,并且不会在拉丝步骤中扩散到芯部的外部。其结果是,芯部外周和包层部分的粘度没有降低,由于拉丝期间的拉丝张力和冷却过程中的热收缩,从而在玻璃内部造成很大的应变。因此,不能充分降低瑞利散射损耗。作为解决上述问题的手段,可以考虑优化条件,如拉丝步骤中的温度和炉内停留时间。然而,诸如拉丝步骤中的温度和炉内停留时间之类的条件取决于光纤预制棒的尺寸和拉丝速度。因此,通过使用这些条件来控制元素的扩散状态限制了光纤预制棒的尺寸和拉丝速度,由此限制了制造成本和生产率,这是不理想的。图1示出了根据本专利技术实施方案的光纤1的透视图。光纤1包括各自包含石英玻璃的芯部11和包层12。包层12包围芯部11,包层12的折射率低于芯部11的折射率,并且由纯石英玻璃、或者含有氯或氟的石英玻璃构成。光纤1的物理性质在其纵向方向上是一致的。芯部11含有K作为第一掺杂剂并且含有Cs作为第二掺杂剂,其中K在2,000℃至2,300℃的温度下在石英玻璃中的扩散系数为4×10-6cm2/s以上,Cs的扩散系数为4×10-6cm2/s以下。需要注意的是,第一掺杂剂不限于K并且可以为Na,而第二掺杂剂不限于Cs并且可以为Rb、Mg、Ca或Sr。图2示意性地示出了光纤预制棒和光纤各自的K浓度的径向分布的曲线图。图3示意性地示出了光纤预制棒和光纤各自的Cs浓度的径向分布的曲线图。在这些曲线图中,横轴表示光纤中距芯部中心的距离。在预制棒状态下的浓度分布本来为预制棒中距芯部中心的距离的函数,当将预制棒拉丝成光纤时,则将其转换为光纤中距芯部中心的距离来表示。如图2所示,在将第一组掺杂剂(Na或K)添加到光纤预制棒的芯部中心的情况下,由于第一组掺杂剂的扩散系数高,因而在拉丝期间当加热到2,000℃至2,300℃的温度时,第一组掺杂剂扩散并蔓延到光纤的整个芯部(并进一步扩散并蔓延到包层)。光纤芯部中第一组掺杂剂的芯部平均浓度降低到光纤预制棒状态的约1/10,并且不可能充分降低芯部的瑞利散射损耗。然而,由于第一组掺杂剂扩散到包层,因而包层的粘度降低,使得在拉丝期间由于芯部和包层之间的粘度差异而产生的应变减小,并且能够预期在芯部外周和包层中降低瑞利散射损耗的效果。当包含第一组掺杂剂并且不包含第二组掺杂剂的光纤(包括包层)中的瑞利散射损耗降低时,(例如)在包含K的情况下,在波长为1,550nm处的传输损耗为0.154dB/km以下。在这种情况下,第一掺杂剂扩散而引起压缩应力的区域为半径本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种光纤,包括:包含石英玻璃的芯部,该芯部包含第一组掺杂剂和第二组掺杂剂,所述第一组掺杂剂由碱金属元素或碱土金属元素构成,并且在2,000℃至2,300℃的温度下在二氧化硅气体中的扩散系数为1×10‑12cm2/s以上,所述第二组掺杂剂由碱金属元素或碱土金属元素构成,并且所述第二组掺杂剂的扩散系数小于所述第一组掺杂剂在石英玻璃中的扩散系数;以及包围所述芯部的包层,该包层的折射率低于所述芯部的折射率,并且该包层由含氟石英玻璃构成,其中所述光纤中残留应力的最大值和最小值之间的差值为150MPa以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.26 JP 2016-0352021.一种光纤,包括:包含石英玻璃的芯部,该芯部包含第一组掺杂剂和第二组掺杂剂,所述第一组掺杂剂由碱金属元素或碱土金属元素构成,并且在2,000℃至2,300℃的温度下在二氧化硅气体中的扩散系数为1×10-12cm2/s以上,所述第二组掺杂剂由碱金属元素或碱土金属元素构成,并且所述第二组掺杂剂的扩散系数小于所述第一组掺杂剂在石英玻璃中的扩散系数;以及包围所述芯部的包层,该包层的折射率低于所述芯部的折射率,并且该包层由含氟石英玻璃构成,其中所述光纤中残留...

【专利技术属性】
技术研发人员:佐久间洋宇田村欣章森田圭省
申请(专利权)人:住友电气工业株式会社
类型:发明
国别省市:日本,JP

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