氘处理光纤的制造方法和氘处理光纤.pdf

本发明提供了：一种具有优异的耐氢性的碱金属元素添加芯光纤；以及能够制造这种碱金属元素添加芯光纤的方法。本发明提供了一种制造本发明的氘处理光纤的方法，该方法通过如下步骤制造碱金属元素添加芯光纤，所述步骤包括：母材形成步骤，其中形成了石英玻璃系光纤母材，其具有添加了碱金属元素的芯；光纤拉伸步骤，其中通过对光纤母材进行拉伸从而形成光纤；以及暴露步骤，其中将光纤暴露于氘气氛中。在暴露步骤中，在(氘气分压)×(暴露时间)的值为50kPa·小时以上的条件下，将所述光纤暴露于温度为20℃以上的氘气氛中。

权利要求书
1.  一种制造氘处理光纤的方法，包括：
拉伸光纤母材以形成石英玻璃光纤，该石英玻璃光纤包括芯区域和包围该芯区域的包层区域，所述芯区域含有碱金属元素，该碱金属元素的平均浓度为0.5原子ppm以上；以及
在(氘气分压)×(暴露时间)为50kPa·小时以上的条件下，将所述光纤暴露于温度为20℃以上的含有氘气的气氛中。

2.  根据权利要求1所述的制造氘处理光纤的方法，其中
所述氘气分压为5kPa以下。

3.  根据权利要求1或2所述的制造氘处理光纤的方法，其中所述温度为80℃以下。

4.  根据权利要求1至3中任意一项所述的制造氘处理光纤的方法，其中
所述暴露时间为200小时以下。

5.  一种氘处理石英玻璃光纤，包括：
含有碱金属元素的芯区域，该碱金属元素的平均浓度为0.5原子ppm以上；以及
包围所述芯区域的包层区域，
其中所述氘处理光纤在(氘气分压)×(暴露时间)为50kPa·小时以上的条件下暴露于温度为20℃以上的含有氘气的气氛中，并且
当所述氘处理光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时后，其在1550nm波长处的衰减增量为0.003dB/km以下。

6.  根据权利要求5所述的氘处理光纤，其中
所述芯区域中氯的平均浓度为1,000原子ppm以上。

7.  根据权利要求5或6所述的氘处理光纤，其中
所述芯区域中氟的最大浓度为200原子ppm以上。

8.  根据权利要求5至7中任意一项所述的氘处理光纤，其中
所述芯区域中过渡金属元素和典型金属元素的浓度小于0.5原子ppm。

9.  根据权利要求5至8中任意一项所述的氘处理光纤，其中
所述碱金属元素为钾。

10.  根据权利要求5至9中任意一项所述的氘处理光纤，其中
在1550nm波长处的衰减为0.180dB/km以下。

11.  根据权利要求5至10中任意一项所述的氘处理光纤，其中
所述碱金属元素的平均浓度为100原子ppm以下。

12.  根据权利要求5至11中任意一项所述的氘处理光纤，其中
当所述氘处理光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时后，其在1530nm至1570nm波长范围内的衰减增量为0.003dB/km以下。

13.  根据权利要求5至12中任意一项所述的氘处理光纤，其中
当所述氘处理光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时后，其在1560nm至1620nm波长范围内的衰减增量为0.003dB/km以下。

14.  根据权利要求5至13中任意一项所述的氘处理光纤，其中
当所述氘处理光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气 的气氛中暴露720小时后，其在1380nm波长处的衰减增量为0.01dB/km以下。

15.  根据权利要求5至14中任意一项所述的氘处理光纤，其中
当所述氘处理光纤于80℃的温度下在含有分压为101kPa的氢气的气氛中暴露20小时后，其在1380nm波长处的衰减增量为0.2dB/km以下。

16.  一种氘处理石英玻璃光纤，包括：
含有碱金属元素的芯区域，该碱金属元素的平均浓度在0.5原子ppm至100原子ppm的范围内；以及
包围所述芯区域的包层区域，
其中所述芯区域中氯的平均浓度为1,000原子ppm以上，
所述芯区域中过渡金属元素和典型金属元素的浓度小于0.5原子ppm，
在40℃至80℃的温度范围内，所述氘处理光纤在含有分压为1kPa至5kPa范围内的氘气的气氛中暴露了20小时至200小时，
所述氘处理光纤在1550nm波长处的衰减为0.180dB/km以下，并且
当所述氘处理光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时后，其在1550nm波长处的衰减增量为0.003dB/km以下。

说明书氘处理光纤的制造方法和氘处理光纤
技术领域
本发明涉及一种制造氘处理光纤的方法以及一种氘处理光纤。
背景技术
在本说明书中，将包括含有GeO2的石英玻璃芯的光纤(例如，根据ITU-T G.652标准的光纤)称作“GeO2掺杂芯光纤”。GeO2为用于提高折射率的掺杂剂。对于所包括的芯基本上由纯石英玻璃构成、并且不含用于提高折射率的掺杂剂(例如GeO2或Al2O3)的光纤，将其称为“纯石英芯光纤”。纯石英芯光纤的衰减小于GeO2掺杂芯光纤，并且在耐氢性和耐辐射性方面具有较高的长期可靠性(参见专利文献1)。为了提高其耐氢性，有时在特定条件下将GeO2掺杂芯光纤暴露于氘气(D2)中(参见专利文献1)。相反，纯石英芯光纤具有高耐氢性，并且通常不需要暴露于氘气中。
有这样一种包括石英玻璃芯的光纤，该石英玻璃芯含有微量(500ppm以下)的碱金属元素(例如，钠(Na)或钾(K))，并且不含用于提高折射率的掺杂剂(专利文献2至10)。下文中，将这种光纤称为“碱金属掺杂芯光纤”。将碱金属元素掺杂至光纤母材的芯部可降低芯部的粘性，并促进光纤母材拉伸时石英玻璃的网络结构的松弛。由此，据认为向芯部掺杂碱金属元素可降低光纤的衰减。这种碱金属掺杂芯光纤的芯包括极少量的卤素(如Cl和F)以及碱金属。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种具有高耐氢性的碱金属掺杂芯光纤以及制造这种光纤的方法。
问题的解决方案
为了解决该问题，提供了一种制造氘处理光纤的方法，该方法包括：(1)拉伸光纤母材以形成石英玻璃光纤，该石英玻璃光纤包括芯区域和包围该芯区域的包层区域，所述芯区域含有碱金属元素，该碱金属元素的平均浓度为0.5原子ppm以上；以及(2)在(氘气分压)×(暴露时间)为50kPa·小时以上的条件下，将所述光纤暴露于温度为20℃以上的含有氘气的气氛中。
在根据本发明的氘处理光纤制造方法中，所述氘气分压可为5kPa以下，所述温度可为80℃以下，所述暴露时间可为200小时以下。
根据本发明第二方面，提供了一种氘处理石英玻璃光纤，其包括：含有碱金属元素的芯区域，该碱金属元素的平均浓度为0.5原子ppm以上；以及包围所述芯区域的包层区域。所述氘处理光纤在(氘气分压)×(暴露时间)为50kPa·小时以上的条件下暴露于温度为20℃以上的含有氘气的气氛中。当所述氘处理光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时(下文称为评价条件)后，其在1550nm波长处的衰减增量为0.003dB/km以下。
在根据本发明的氘处理光纤的芯区域中，氯的平均浓度可为1,000原子ppm以上，氟的最大浓度可为200原子ppm以上，过渡金属元素和典型金属元素的浓度可小于0.5原子ppm，所述碱金属元素可为钾，并且所述碱金属元素的平均浓度可为100原子ppm以下。所述氘处理光纤在1550nm波长处的衰减可为0.180dB/km以下。
在根据本发明的氘处理光纤中，所述评价条件可使在1530nm至1570nm的波长范围内的衰减增量为0.003dB/km以下；所述评价条件可使在1560nm至1620nm的波长范围内的衰减增量为0.003dB/km以下；所述评价条件可使在1380nm的波长处的衰减增量为0.01dB/km以下；并且当所述氘处理光纤于80℃的温度下在含有分压为101kPa的氢气的气氛中暴露20小时后，其在1380nm波长处的衰减增量可为0.2dB/km以下。
根据本发明的氘处理石英玻璃光纤包括：含有碱金属元素的芯区域，该碱金属元素的平均浓度在0.5原子ppm至100原子ppm的范围内；以及包围所述芯区域的包层区域，其中所述芯区域中氯的平均浓 度可为1,000原子ppm以上；所述芯区域中过渡金属元素和典型金属元素的浓度可小于0.5原子ppm；在40℃至80℃的温度范围内，所述氘处理光纤可在含有分压为1kPa至5kPa范围内的氘气的气氛中暴露了20小时至200小时；所述氘处理光纤在1550nm波长处的衰减可为0.180dB/km以下；并且当所述氘处理光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时后，其在1550nm波长处的衰减增量可为0.003dB/km以下。
发明效果
根据本发明，可制造具有高耐氢性的碱金属掺杂芯光纤。
附图说明
图1为示出了热扩散步骤的示意图。
具体实施方式
下文将参考附图阐述本发明的实施方案。提供附图是为了说明的目的，并非旨在限定本发明的范围。在附图中，为了避免重复描述，相同的符号表示相同的部分。在附图中，尺寸的比例不一定精确。
耐氢性表示了由氢分子造成的光纤衰减稳定性，并且其代表了光纤的长期可靠性的项目中的一个。在铺设光纤之后的若干年或者更长的长时间内，由光纤的玻璃部分周围的包覆材料或者由光纤中的金属所产生的氢气有时会逐渐渗透金属玻璃部分。氢气可能会造成反应并在玻璃中形成OH基团和缺陷中心，由此使衰减增加。可通过在加速试验中分别研究光纤中的氢反应性分别与温度、氢分压和时间之间的关系，从而推定所制造的光纤在其使用年限内在工作环境中由于与氢之间的反应而导致的衰减增量。
在碱金属掺杂芯光纤中，由于碱金属元素在主要由SiO2构成的石英玻璃网络中具有相对较高的迁移率，因此石英玻璃网络易于损坏，并且常常会形成诸如非桥氧中心之类的缺陷中心。因此，碱金属掺杂芯光纤的耐氢性可低于纯石英芯光纤。
本发明人还发现，在由1500nm至更长波长侧的波带中，碱金属 掺杂芯光纤会发生逐渐增加的另一种衰减。因此，碱金属掺杂芯光纤存在耐氢性可能劣化的问题，其中该耐氢性是长期可靠性项目中的一个。
根据本发明一个实施方案的氘处理光纤的制造方法包括母材形成步骤、拉伸步骤和暴露步骤。可使用该方法来制造碱金属掺杂芯光纤。母材形成步骤包括顺次进行的干燥步骤、热扩散步骤、缩径步骤、蚀刻步骤和实心化步骤。在所述母材形成步骤中形成了具有掺杂碱金属元素的芯的石英玻璃光纤母材。在所述拉伸步骤中，将光纤母材拉伸以形成光纤。在所述暴露步骤中，将所述光纤暴露于氘气氛中。
图1为示出了热扩散步骤的示意图。石英玻璃管1含有100原子ppm的Cl以及6,000原子ppm的氟。其他掺杂剂的浓度低于检测的下限(约1ppm)。石英玻璃管1的外径为32mm且内径为15mm。玻璃管1的一端与操作玻璃管(handling glass pipe)5相连。操作玻璃管5的一部分被用作原料储存器(raw material reservoir)。在该原料储存器中准备了碱金属盐原料(KBr)3。可将部分玻璃管1用作原料储存器。
在热扩散步骤之前的干燥步骤中，当将3SLM(标准条件下为3升/分钟)的干燥氮气(露点：-76℃以下)作为载气引入该原料储存器中的同时，利用外部热源(电炉)2将该原料储存器的外部加热至500℃的温度。将该状态保持30分钟以干燥原料储存器中的碱金属盐原料3。在干燥步骤中，原料储存器的外部温度为270℃以上且低于碱金属盐原料的熔点，优选为550℃以下。
在热扩散步骤中，将原料储存器的温度调节为860℃。当将1SLM的干燥氧气作为载气引入原料储存器和玻璃管1时，利用外部热源(氢氧燃烧器)4将玻璃管1的外表面加热至2000℃的温度。将氢氧燃烧器以300mm/分钟的速率移动15次，以使钾扩散并用钾掺杂玻璃管的内表面。此外，当用氢氧燃烧器4加热玻璃管1时，其内径降至约4mm(缩径步骤)。
在缩径步骤之后，在由气体供给单元向玻璃管1供给SF6和Cl2的同时，利用氢氧燃烧器4将玻璃管1加热至2000℃的温度(蚀刻步 骤)。由此，玻璃管1的内表面经气相蚀刻至内径为约5mm。
在蚀刻步骤之后，在将玻璃管1抽空至绝对内压为约100kPa的同时，利用氢氧燃烧器4将玻璃管1加热至约1400℃的温度(实心化步骤)。由此，玻璃管1发生实心化并形成外径为约25mm的碱金属掺杂玻璃棒。
在实心化步骤之后，将玻璃棒表面充分磨削以除去OH基团(更具体而言，将外径降至实心化玻璃棒的外径的约70％以下)，由此形成第一芯。随后用第二芯包覆第一芯。所述第二芯的直径约为第一芯的三倍。第二芯由掺杂了平均为6,000ppm的Cl和1ppm以下的其他掺杂剂的石英玻璃形成。
第一芯和第二芯构成了芯部。在该芯部的外侧合成掺杂有氟元素的石英玻璃。该石英玻璃形成为第一包层部。第二芯与第一包层部之间的相对折射率差((第二芯的折射率)-(第一包层部的折射率))/(第二芯的折射率)为约0.33％。随后在第一包层部上合成掺杂有氟元素的石英玻璃作为第二包层部。第二芯与第二包层部间的相对折射率差((第二芯的折射率)-(第二包层部的折射率))/(第二芯的折射率)为约0.23％。由此完成了光纤母材。
在光纤母材的芯中，所含的碱金属和氯的各自浓度平均为1000原子ppm以上，并且优选基本上不包含Ge、Al和P，以及过渡金属，如Fe、Ni和Cu。Ge、Al和P以及过渡金属的浓度为0.5原子ppm以下。光纤母材的芯可含有氟原子。芯中氟的最大浓度优选为200原子ppm以下。这使得光纤的衰减为0.18dB/km以下。
在这种情况中，优选的是，光纤母材的包层部分由掺杂有氟的石英玻璃形成，并且包层部分的折射率低于芯部的折射率。在光纤母材的芯中，碱金属元素的峰值浓度优选为500原子ppm以上。通过拉伸该光纤母材制得的光纤在1550nm波长处的衰减可为0.17dB/km。
在拉伸步骤中，将光纤母材拉伸以形成光纤。该光纤包括芯区域和包围该芯区域的包层区域。该芯区域平均含有0.5原子ppm以上的碱金属(钾)元素。该光纤在1550nm波长处的衰减较低，为0.180 dB/km以下、0.170dB/km以下、或者0.160dB/km以下。表I示出了该光纤的特性。这种光纤适合于长距离光传输系统。
[表I]

光缆截止波长优选为1530nm以下，更优选为1450nm以下，其为拉曼放大中的泵浦波长，并且在标准单模光纤中，光缆截止波长可以为1260nm以下。芯部的直径在约5μm至15μm的范围内。芯部与包层部之间的相对折射率差((芯部的折射率)–(包层部的折射率))/(芯部的折射率)在约0.1％至0.7％的范围内。光纤的玻璃部分的外径可在约110μm至150μm的范围内。被树脂包覆的光纤的外径可在约200μm至300μm的范围内。
在暴露步骤中，光纤暴露于氘气氛中。暴露步骤中的条件包括：含有20℃以上的氘气体的气氛，并且(氘气分压)×(暴露时间)为50kPa·小时以上。暴露步骤可分为两步或多步，并且(氘气分压)×(暴露时间)合计为50kPa·小时以上。更优选的条件为：氘气分压为5kPa以下，温度为80℃以下，或者暴露时间为200小时以下。当经过暴露步骤的光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时后，其在1550nm波长处的衰减增量为0.003dB/km以下。 通过这种方式，可制造具有高耐氢性的碱金属掺杂芯光纤。
下文中，将通过使光纤于25℃的温度下在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时(30天)而造成的衰减增量简称为“衰减增量”。下面将针对是否存在暴露步骤、暴露步骤中的氘气分压、暴露步骤中的处理温度和暴露步骤中的处理时间，来描述对具有含钾作为碱金属的芯的光纤的衰减增量进行测量的实验结果。
下面为针对是否存在暴露步骤进行的光纤衰减增量测量的步骤和结果。
(1)准备两根具有含2原子ppm的钾的芯、并且长度为7km的光纤。
(2)对其中一根光纤进行暴露步骤，在该暴露步骤中，在氘气分压为2kPa且处理温度为40℃的条件下处理96小时，然后将其于室温下在空气中放置2周以上，以除去未与玻璃反应并以分子形式残留在玻璃中的氘。另一根光纤未经过暴露处理。
(3)分别测量这两根光纤的衰减(初始衰减)。
(4)在25℃下，将这两根光纤在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时(30天)，然后将其于室温下在空气中放置2周以上，以除去未与玻璃反应并以分子形式残留在玻璃中的氢。
(5)分别测量这两根光纤的衰减(氢处理后的衰减)。
(6)通过从氢处理后的衰减中减去初始衰减来评价这两根光纤各自的衰减增量。
表II归纳了针对是否存在暴露步骤而进行的光纤衰减增量的测量。表II列出了在1550nm波长处的衰减增量、在1530nm至1570nm波长范围内的最大衰减增量、在1560nm至1620nm波长范围内的最大衰减增量、以及在1380nm波长处的衰减增量。经过暴露步骤的光纤在所有波长处的衰减增量均小于未经过暴露步骤的光纤。
[表II]

下面为针对暴露步骤中的氘气分压进行的光纤衰减增量测量的方法和结果。
(1)准备五根具有含0.5原子ppm的钾的芯、并且长度为7km的光纤。
(2)对这五根光纤进行暴露步骤。暴露步骤中的氘气分压为1kPa、2kPa、4kPa、6kPa或10kPa。暴露步骤中的处理温度为40℃。暴露步骤中的处理时间为96小时。在暴露处理后，将这五根光纤于室温下在空气中放置2周以上，以除去未与玻璃反应并以分子形式残留在玻璃中的氘。
(3)分别测量这五根光纤的衰减(初始衰减)。
(4)在25℃下，将这五根光纤在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时(30天)，然后将其于室温下在空气中放置2周以上，以除去未与玻璃反应并以分子形式残留在玻璃中的氢。
(5)分别测量这五根光纤的衰减(氢处理后的衰减)。
(6)通过从氢处理后的衰减中减去初始衰减来评价这五根光纤各自的衰减增量。
表III归纳了针对暴露步骤中的氘气分压而进行的光纤衰减增量的测量。表III示出了当氘气分压为2kPa以上时可充分抑制衰减的增加。由于氘气的爆炸低限为5kPa，因此从这一角度来看，氘气分压优选为5kPa以下。
[表III]
D2分压[kPa]1550nm处的衰减增量[dB/km]10.002520.001540.001460.0015100.0012
下面为针对暴露步骤中的处理温度进行的光纤衰减增量测量的方法和结果。
(1)准备五根具有含20原子ppm的钾的芯、并且长度为7km的光纤。
(2)对这五根光纤进行暴露步骤。暴露步骤中的氘气分压为2kPa。暴露步骤中的处理温度为10℃、20℃、40℃、60℃、或80℃。暴露步骤中的处理时间为96小时。在暴露处理后，将这五根光纤于室温下在空气中放置2周以上，以除去未与玻璃反应并以分子形式残留在玻璃中的氘。
(3)分别测量这五根光纤的衰减(初始衰减)。
(4)在25℃下，将这五根光纤在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时(30天)，然后将其于室温下在空气中放置2周以上，以除去未与玻璃反应并以分子形式残留在玻璃中的氢。
(5)分别测量这五根光纤的衰减(氢处理后的衰减)。
(6)通过从氢处理后的衰减中减去初始衰减来评价这五根光纤各自的衰减增量。
表IV归纳了针对暴露步骤中的处理温度而进行的光纤衰减增量的测量。表IV示出了当处理温度为20℃以上(优选为40℃以上)时可充分抑制衰减的增加。当处理温度升至80℃时，光纤的包覆可能会劣化，并且光纤的弯曲损耗可能会增加。从这一角度来看，处理温度优选为80℃以下。
[表IV]
D2处理温度[℃]1550nm处的衰减增量[dB/km]100.0030200.0025400.0015600.0020800.0010
下面为针对暴露步骤中的处理时间进行的光纤衰减增量测量的方法和结果。
(1)准备六根具有含5原子ppm的钾的芯、并且长度为7km的光纤。
(2)对这六根光纤进行暴露步骤。暴露步骤中的氘气分压为2kPa。暴露步骤中的处理温度为40℃。暴露步骤中的处理时间为12小时、24小时、48小时、72小时、96小时或120小时。在暴露处理后，将这六根光纤于室温下在空气中放置2周以上，以除去未与玻璃反应并以分子形式残留在玻璃中的氘。
(3)分别测量这六根光纤的衰减(初始衰减)。
(4)在25℃下，将这六根光纤在含有分压为1kPa的氢气的气氛中暴露720小时(30天)，然后将其于室温下在空气中放置2周以上，以除去未与玻璃反应并以分子形式残留在玻璃中的氢。
(5)分别测量这六根光纤的衰减(氢处理后的衰减)。
(6)通过从氢处理后的衰减中减去初始衰减来评价这六根光纤各自的衰减增量。
表V归纳了针对暴露步骤中的处理时间而进行的光纤衰减增量的测量。表V示出了当处理时间为24小时以上(优选为72小时以上)时可充分抑制衰减的增加。由于暴露步骤的时间过长会降低光纤的产率，因此处理时间优选为200小时以下。
[表V]
D2处理时间[h]1550nm处的衰减增量[dB/km]120.0026240.0020480.0023720.0019960.00151200.0010
工业实用性
本发明的光纤适合用作海底光缆。
引用列表
专利文献
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