光纤的制造方法 |
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| 申请号 | CN201280071132.2 | 申请日 | 2012-12-17 | 公开(公告)号 | CN104203850A | 公开(公告)日 | 2014-12-10 |
| 申请人 | 住友电气工业株式会社; | 发明人 | 春名彻也; 平野正晃; 田村欣章; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种可以制造这样的光纤的方法，该光纤在芯部含有 碱 金属元素，并且具有小的传输损耗。光纤(30)通过用 拉丝 装置(1)将 石英 类光纤预制件(20)拉丝而制备，该光纤(30)包括玻璃部和 树脂 包覆部，残留在玻璃部中的压缩应 力 的最大值为130MPa以下；该石英类光纤预制件(20)包括芯部和包层部，该芯部含有平均浓度为5 原子 ppm以上的碱金属，所述包层部含有氟和氯。在拉丝过程中，将该光纤预制件的各 位置 保持在1500℃以上的 温度 的持续时间为110分钟以下。拉丝速度优选为1,200m/min以上，甚至更优选为1,500至2,300m/min。光纤预制件(20)的直径优选为70至甚至更优选为90至 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种光纤的制造方法，包括： |
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| 说明书全文 | 光纤的制造方法技术领域[0001] 本发明涉及光纤的制造方法。 背景技术[0002] 包含含有碱金属元素的芯的光纤是已知的(参见日本未审查专利公开(PCT申请的译文)No.2005-537210、2007-504080、2008-536190、2009-541796、2010-501894以及2010-526749，美国专利申请公开No.2006/0130530，美国专利No.5146534以及国际公开No.98/002389)。据认为，在芯中掺入碱金属元素降低了拉丝光纤预制件以制造光纤的过程中的芯的粘度，并且使玻璃网络结构的松弛得以进行，从而减小了光纤的衰减。 发明内容[0004] 技术问题 [0005] 本发明的目的在于提供一种光纤的制造方法，所述光纤包括含有碱金属元素的芯，所述光纤的衰减低。 [0006] 问题的解决方案 [0007] 为了实现该目的，提供了一种光纤的制造方法，包括将石英类光纤预制件拉丝成光纤，所述光纤预制件包括芯部和包层部，所述芯部的碱金属元素的平均浓度为5原子ppm以上，所述包层部含有氟和氯，所述光纤包括玻璃部和树脂包覆部，并且所述玻璃部处于130MPa以下的残余应力之下，所述残余应力为压缩应力。 [0008] 在根据本发明的光纤的制造方法中，在光纤预制件的拉丝过程中，将光纤预制件的各位置保持在1500℃以上的时间可以为110分钟以下。光纤预制件的芯部中的碱金属元素的平均浓度可以为500原子ppm以下。光纤预制件的芯部可以含有卤素，并且芯部中除碱金属元素和卤原子以外的添加元素的平均浓度等于或低于该芯部中卤素的平均浓度。光纤预制件的芯部中卤素的平均浓度优选在1,000原子ppm至20,000原子ppm的范围内。 该碱金属元素可以是钾。 [0009] 在根据本发明的光纤的制造方法中，在光纤预制件的拉丝过程中的拉丝速度可以是1200m/min以上或2500m/min以下。光纤预制件的直径优选为70mm至170mm。在光纤预制件的拉丝过程中施加至玻璃部的力可以在0.29N至1.47N的范围内。 [0010] 在根据本发明的光纤的制造方法中，在光纤预制件的拉丝过程中，直径为200μm以下的经拉丝的玻璃纤维可以在1500℃以上加热0.3秒以下，并且光纤预制件在拉丝炉中被加热的停留时间为4小时以下。直径为200μm以下的经拉丝的玻璃纤维可以在1500℃以上加热0.01秒以上。在光纤预制件的拉丝过程中，光纤预制件的任意位置在拉丝炉中的停留时间可以是4小时以下。 [0011] 作为本发明的另一方面，提供了一种光纤的制造方法，该光纤包括玻璃部和树脂包覆部。所述玻璃部包括芯以及围绕该芯的包层。在该方法中，光纤预制件的芯部的碱金属的平均浓度为5原子ppm以上并且卤素的平均浓度为1000原子ppm以上，芯部中除碱金属或卤素以外的添加元素的浓度等于或低于该芯部中卤素的平均浓度，所述光纤预制件的直径为70至170mm，拉丝光纤时的光纤拉丝速度为600m/min以上，施加至玻璃部的力在0.29N至1.47N的范围内，并且玻璃部处于130MPa以下的残余应力之下，所述残余应力为压缩应力。 [0012] 光纤的拉丝速度可以在1200m/min至3000m/min的范围内。 [0013] 发明的有益效果 [0014] 根据本发明的实施方案，可以制造衰减低的光纤，所述光纤包括含有碱金属元素的芯。 [0016] 图1的区域(a)为示出光纤预制件的折射率曲线以及碱金属元素的浓度分布的图；并且图1的区域(b)为示出光纤的折射率曲线、碱金属元素的浓度分布以及光功率分布的图。 [0018] 图3为拉丝装置的概念图。 [0019] 图4为示出了在拉丝装置中将光纤预制件的各位置保持在1500℃以上的时间的概念图。 [0020] 图5为示出了在拉丝装置的拉丝炉中的停留时间的概念图。 [0021] 图6为示出拉丝速度与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。 [0022] 图7为示出拉丝速度与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。 [0023] 图8为示出光纤预制件的直径与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。 [0024] 图9为示出在拉丝炉中的停留时间与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。 [0025] 图10为示出光纤的折射率曲线的图。 [0026] 图11为示出光纤的折射率曲线的图。 [0027] 图12为示出光纤的折射率曲线的其他例子的概念图。 [0028] 图13为以拉丝过程中施加至玻璃的力为参数，示出光纤的玻璃部中的残余应力的图。 [0029] 图14为示出光纤的残余应力的概念图。 [0030] 图15为示出另一拉丝装置的概念图。 具体实施方式[0031] 以下将参考附图说明本发明的实施方案。提供附图是为了说明的目的，并非旨在限定发明的范围。在附图中，同一要素用同一参考符号指定，并不再赘述。附图中的尺寸比例并不总是与各附图中所述的实物的比例一致。 [0032] 根据发明人的发现，在制造包含含有碱金属元素的芯的光纤的情况中，当与制造包含由纯二氧化硅构成的芯的光纤一样通过在拉丝炉的下面布置退火炉以延长加热时间时，在某些情况下所得光纤的衰减增大。因此，在根据本发明的光纤的制造方法中，当拉丝包含含有碱金属元素的芯部的光纤预制件时，缩短在拉丝炉中加热光纤预制件的时间。 [0033] 图1的区域(a)为示出光纤预制件的折射率曲线以及碱金属元素的浓度分布的图。图1的区域(b)为示出光纤的折射率曲线、碱金属元素的浓度分布以及光功率分布的图。对于当拉丝过程中的加热时间短时光纤的衰减降低的机理尚不清楚，但认为如下：拉丝过程中加热时间延长使得掺入在芯部中的碱金属元素进行扩散，因此，碱金属元素广泛扩散从而向外延伸至三倍或更多倍于通信波段(1550nm带)的模场直径(MFD)的位置。因此，如图1的区域(b)所示，光纤的芯中的碱金属元素的有效浓度降低。由此，玻璃网络结构的松弛不会进行，从而不会减小光纤的衰减。 [0034] 在根据本发明的实施方案的光纤的制造方法中，为了适当地实现损耗的降低，光纤预制件的芯部中所含的碱金属元素(例如，钾)的平均浓度为5原子ppm以上，并优选为50原子ppm以下。钾浓度越高，由辐射暴露引起的损耗就越高。因此，芯部中的平均钾浓度的上限为500原子ppm。将光纤预制件的各位置在拉丝炉中保持在1500℃以上的时间为 110分钟以下。拉丝速度优选为1200m/min以上，更优选为1500m/min至2300m/min。光纤预制件的直径优选为70mm至170mm，更优选为90mm至150mm。 [0035] 图2为以光纤预制件的芯部中的平均钾浓度为参数，示出将光纤预制件的各位置在拉丝装置中保持在1500℃以上的时间T1与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。测量点处的衰减在表I中示出。 [0036] 表I [0037] [0038] 在该情况中，光纤预制件的直径为140mm。光纤预制件拉丝过程中的拉丝张力(施加于玻璃部)为30g(0.29N)至150g(1.47N)。将直径为200μm以下的玻璃纤维在1500℃以上加热0.01秒至0.3秒。 [0039] 经拉丝的光纤包括玻璃部和树脂包覆部(纤维包覆层)，并且该玻璃部包含由含有钾、氯(Cl)和氟的石英类玻璃构成的芯。包层部由含有氟和Cl的石英类玻璃构成。所述芯的平均钾浓度为0.1原子ppm至100原子ppm。经拉丝的光纤的芯的平均氯浓度为约10,000原子ppm。除钾、氯和氟以外，所述芯实质上不含诸如过渡金属和GeO2之类的掺杂物。芯部中除钾、氯和氟以外的其他掺杂物的浓度为1ppm以下。 [0040] 当光纤预制件拉丝过程中的拉丝张力为高于或低于30g(0.29N)至150g(1.47N)的范围时，光纤的衰减增大。图13以拉丝过程中施加至玻璃的力为参数，示出了从光纤预制件拉丝的光纤的玻璃部中的残余应力，其中所述光纤预制件包含平均钾浓度为5原子ppm的芯部。负应力值表示压缩残余应力。正应力值表示拉伸残余应力。如图14所示，当将光纤视为圆柱体时，应力残留在长度方向上。 [0041] 如图13所示，张力的增加导致光纤的芯和芯的周边部的压缩应力的增加。例如，在施加至玻璃部的力为30g(0.29N)时，芯的中心部处的压缩应力值为-4MPa，并且在200g(1.96N)时为-148MPa。同时，当施加至玻璃部的力降低至10g(0.098N)时，拉伸应力残留在引导光信号的芯中。因此，包括芯的周围玻璃部被拉伸从而增大了玻璃缺陷的量，由此不利地增大衰减。此外，从生产的观点出发，施加至玻璃的张力的降低易于导致光纤在拉丝炉下摇摆，从而易于使纤维断裂。因而，从产率的观点出发，在对玻璃的张力低的情况下拉丝是不适合的。 [0042] 施加至玻璃的张力的增加增大了芯附近的残余应力的变化量。例如，当施加至玻璃的力为150g(1.47N)时，在自芯的中心延伸至半径15μm的区域(直径为三倍于MFD的区域)内，每毫米的最大应力变化量为16MPa/μm。然而，在175g(1.72N)和200g(1.96N)下，每毫米的最大应力变化量分别为25和23MPa/μm。即，径向上的应力变化显著增大。这导致非均匀的玻璃结构，从而不利地增大衰减。因此，拉丝过程中施加至玻璃的理想的力是在30g(0.29N)至150g(1.47N)的范围内。此时，芯的周围部处于0MPa至130MPa的残余应力之下，该残余应力为压缩应力。 [0043] 图2说明将光纤预制件的各位置保持在1500℃以上的时间T1的减少导致波长为1.55μm波长处的光纤的衰减的降低。在光纤预制件的芯部的平均钾浓度为500原子ppm以下的情况下，通过拉丝该光纤预制件形成的光纤的设想假想温度为在1400℃至1550℃的范围内。在将玻璃保持在介于峰值温度(1500℃以上)和1500℃之间的时间内，在拉丝炉内进行钾的扩散。当钾过度扩散时，钾甚至广泛分布于通信波长带(1550-nm带)中光功率分布以外的区域。因此，有效钾浓度降低，因而玻璃网络结构的松弛不会进行，从而不能降低光纤的衰减。因此据认为，当缩短将玻璃温度保持在1500℃以上(在此温度下，钾的扩散更容易进行)的时间时，降低了光衰减。如图2及表I所示，为了获得小于0.170dB/km的衰减(其为纯石英芯光纤的衰减，该纯石英芯光纤包含无碱金属元素的芯部)，将光纤预制件的各位置保持在1500℃以上的时长需要在110分钟以下，并优选为70分钟以下。 [0044] 图3为拉丝装置1的概念图。拉丝装置1包括拉丝炉11和围绕该拉丝炉11布置的加热器13。在拉丝装置1中，通过加热将从顶部插入的光纤预制件20的下端熔融并拉丝，以制造光纤30。该拉丝炉11装满He气氛。长度L(从上法兰12至下端的长度)为(例如)1.8m。 [0045] 图4为示出了将光纤预制件的各位置在拉丝装置1中保持在1500℃以上的时间T1的概念图。相对于拉丝装置1中的玻璃温度分布，最高温度在布置有加热器13的位置处获得。温度随与该位置的距离的增加而降低。将光纤预制件的各位置保持在1500℃以上的时间T1定义为从光纤预制件20的位置A处的温度升高至达到1500℃的时间至位置A(通过拉丝)下降至位置B的时间的时长，其中在位置B处温度从最高温度降低至1500℃。 [0046] 图5为示出在拉丝装置1的拉丝炉中的停留时间T2的概念图。将拉丝装置1的拉丝炉中的停留时间T2定义为从光纤预制件20的一个位置穿过上法兰12的时间至该位置通过拉丝而穿过拉丝炉11的下端的时间的时长。 [0047] 图6为以光纤预制件的芯中的平均钾浓度为参数，示出拉丝速度与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。测量点处的衰减在表II中示出。 [0048] 表II [0049] [0050] 同样，在此情况中，光纤预制件的直径为140mm。 [0051] 如图6所示，为了获得小于0.170dB/km的衰减(其为纯石英芯光纤的衰减，该纯石英芯光纤包含无碱金属元素的芯)，在光纤预制件的芯部的平均钾浓度为5原子ppm的情况下，拉丝速度至少需要在1200m/min以上，更优选为1500m/min。 [0052] 用图3中所示的拉丝装置1拉丝光纤预制件。拉丝炉11的长度为1.8m。图7为以光纤预制件的直径为参数，示出拉丝速度与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。测量点处的衰减在表III中示出。 [0053] 表III [0054] [0055] 图8为示出当在拉丝速度为1700m/min并且拉丝张力为50gf(0.49N)下进行拉丝时，光纤预制件的直径与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。光纤的芯的平均钾浓度为5原子ppm。 [0056] 如图7与图8所示，在光纤预制件的直径小时，拉丝速度的增加增大了光纤的衰减。在光纤预制件具有200mm以上的大直径的情况下，光纤预制件在炉中的停留时间长，因此使得钾进行扩散，从而增大了光纤的衰减。然而，在所有情况中，所述衰减为0.18dB/km以下。 [0057] 拉丝速度的增大使得钾的扩散受到抑制。然而，从生产性以及拉丝炉的功率的观点出发，拉丝速度的上限为3000m/min。因此，光纤预制件的直径优选为70mm至170mm，并更优选为90mm至150mm。拉丝速度优选在1200m/min至2500m/min的范围内，并更优选为1500m/min至2300m/min。 [0058] 图9为以钾浓度为参数，示出在拉丝炉中的停留时间T2(其在图4中定义)与1.55μm波长处的光纤的衰减之间的关系的图。测量点处的衰减在表IV中示出。 [0059] 表IV [0060] [0061] 在该情况下，光纤预制件的直径为140mm。拉丝炉中的停留时间T2优选为4小时以下，更优选为3小时以下。 [0062] 实施例1 [0063] 用图15所示的拉丝装置拉丝光纤预制件，各光纤预制件均包含平均钾浓度为5原子ppm的芯部。拉丝炉11的长度为1.0m。在该情况下，具有不同尺寸(直径)的光纤预制件的衰减在表V中示出。 [0064] 表V [0065] [0066] 该拉丝炉的长度较短，因此所得光纤迅速暴露于空气。因此可推测将光纤保持在1500℃以上的时长缩短。因此，即使以低速度拉丝光纤预制件时，也可缩短在炉中的停留时间，从而减少衰减。 [0067] 实施例1中的各光纤具有图10所示的折射率曲线(纵轴表示相对于纯SiO2的折射率的相对折射率差)。所述光纤具有表VI所述的特性。 [0068] 表VI [0069]实施例1 实施例2 1550nm处的色散ps/nm/km +15.7-+16.0 +21.1 1550nm处的色散斜率ps/nm2/km +0.054-+0.056 +0.061 零色散波长d0nm 1308-1312 d0处的色散斜率ps/nm2/km +0.081-+0.084 1550nm处的有效截面积μm2 81-84 141 1550nm处的模场直径μm 10.0-10.4 12.8 1310nm处的模场直径μm 8.9-9.3 光纤截止波长(2m)nm 1290-1330 1580 光缆截止波长(22m)nm 1210-1250 1480 偏振模色散(C&L带)ps/√km 0.05-0.10 0.01 非线性系数(波长1550nm处、随机偏振状态)(W·km)-1 1.0-1.2 0.6 [0070] 如上所述，所得光纤的衰减低并且具有其他令人满意的特性。 [0071] 实施例2 [0072] 通过在1700m/min的拉丝速度以及50gf(0.49N)的拉丝张力下拉丝光纤预制件从而制造实施例2中的光纤，所述光纤预制件的直径为125mm，并且具有含有钾的芯部，以及不同于实施例1的折射率曲线。该光纤的折射率曲线(纵轴表示相对于纯SiO2的折射率的相对折射率差)如图11所示。该光纤的特性如表VI所示。芯的平均钾浓度为5原子ppm。衰减(波长1300nm处)为0.280dB/km。衰减(波长1380nm处)为0.320dB/km。衰减(波长1550nm处)为0.155dB/km。如上所述，所得光纤的衰减低并且具有其他令人满意的特性。 [0073] 芯的直径可以为6μm至20μm。芯与包层之间的相对折射率差可以在0.2％至0.5％的范围内。当包层含有氟、包层的平均折射率低于芯的折射率、芯由含有碱金属元素以及氯和氟元素(卤素)并且在芯中的所有添加元素中卤素浓度最高的石英类玻璃制成时，衰减降低。此外，在光纤预制件中，芯部和包层部可分别具有折射率结构。例如，虽然可以使用图12所示的折射率曲线，但本发明并不限于此。 |
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