光纤预制棒及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及用于制造单模光纤的光纤预制棒及该光纤预制棒的制造方法。具体地，本发明涉及一种光纤预制棒，其用于制造能够通过一宽波段进行波分多路传输的单模光纤，本发明还涉及制造这样一种光纤预制棒的方法。
本发明要求以下日本专利申请的优先权：于2003年5月9日提交的日本专利申请2003-131729，于2003年7月7日提交的日本专利申请2003-192934，及于2004年4月2日提交的日本专利申请2004-109698，这里参考引用上述申请的内容。
背景技术
近年来，由于国际互联网络和内部互联网络的快速普及，对电信的需求有了巨大的增长，亟需光纤网络能够具有更高地传输速度和更大的容量。在此情况之下，所谓的近似波分多路系统(以下简称为“CWDM系统)变得非常重要，且针对CWDM系统已提出了不同的建议，其中，在所述系统中，可通过光纤在一极宽的波段范围内，例如波长从1.3um到1.6um，传输具有不同波长的光信号。
由于在1.38um附近的波段传输具有较大的传输损耗，传统的单模光纤无法用于CWDM系统，所述传输损耗由羟基引起(以下可简单地将该传输损耗称为“由羟基引起的传输损耗”)；由此，迫切需求由羟基引起的传输损耗极小的单模光纤。
一般来讲，制作单模光纤等的光纤预制棒通过以下步骤来进行制造：使用汽相轴向沉积过程制作预制棒(其形成从光纤预制棒拉制成的光纤的纤芯和包层部分)，在含氯的气体中使该预制棒脱水，使经过脱水处理的预制棒玻璃化以便形成一中央玻璃棒，拉伸该中央玻璃棒使其达到预定的半径，在中央玻璃棒被拉伸之后在其外表面上沉积精细的玻璃粒，以及对其上沉积有精细玻璃粒的中央玻璃棒进行脱水和使其玻璃化。
为降低由羟基引起的传输损耗，提出以下三种方法：
(1)一种方法是降低中央玻璃棒中羟基的含量；
(2)一种方法是降低在中央玻璃棒和在该中央玻璃棒外表面上形成的外包层之间的边界附近的羟基的含量；以及
(3)一种方法是降低在该中央玻璃棒的外表面上形成的外包层中羟基的含量。这三种方法已经得到了综合应用。此外，对于这三种方法中的每一个也已提出了不同的建议。
针对降低中央玻璃棒中羟基含量的方法，已有若干不同的建议，其中的一个公开于日本未审查的专利申请，其公开号为Sho 57-17433。根据该所提出的方法，中央玻璃棒中羟基的浓度可降低至十亿分之几(ppb)以下。
由于在使用氢氧燃烧炉进行拉制处理期间或在火抛光处理期间，有羟基浸渗入中央玻璃棒，因此认为在中央玻璃棒和在其外表面上形成的外包层之间的边界附近含有羟基。由此，采用以下描述的方法来降低中央玻璃棒和在该中央玻璃棒的外表面上形成的外包层之间的边界附近的羟基的含量。
例如，公开号为Hei 11-171575的未审查的日本专利申请公开了一种使用等离子蚀刻法除去在中央玻璃棒的表面上捕获的羟基的含量。此外，公开号为2001-240424的未审查的日本专利申请公开了一种使用蚀刻处理除去在中央玻璃棒的表面上具有的羟基的方法，其中，使用了氢氟化物溶剂。此外，在公开号为2002-187733和2001-240424的日本未经审查的专利申请公开的方法中，在电炉中对中央玻璃棒进行拉伸，以使其上没有沉积精细玻璃粒的预制棒不暴露于氢氧焰中。此外，在公开号为2001-335339的日本未审查的专利申请公开的方法中，通过在向中央玻璃棒的外部表面上沉积精细玻璃粒时将中央玻璃棒的外表面附近的沉积温度设低，以防止羟基浸入中央玻璃棒中。
可使用类似于降低中央玻璃棒中的羟基含量的方法来降低在该中央玻璃棒的外表面上形成的外包层中的羟基的含量。在由包含该中央玻璃棒和外包层的光纤预制棒形成的光纤中，光信号不经过外包层，因此，在中央玻璃棒的外表面上形成的外包层上可保留一定数量的羟基，这与中央玻璃棒相反。
在拉制光纤预制棒时，包含在中央玻璃棒和在该中央玻璃棒的外表面形成的外包层之间的边界附近的羟基扩散进入中央玻璃棒。如果扩散的羟基达到光信号传输穿过的区域，则在1.38um波段由于羟基引起的传输损耗会提高。
为降低光纤中的羟基的含量，优选降低中央玻璃棒的横截面积与整个光纤预制棒的横截面积的比率，其中，在所述中央玻璃棒中，羟基的含量被降低至十亿分之几或更小。然而，在此情况下，由于在中央玻璃棒中的羟基的含量必须降低至尽可能低，因此用于中央玻璃棒的脱水处理的费用提高，且由此也提高了光纤的制造费用。
在降低形成在中央玻璃棒的外表面上的外包层中的羟基含量的方法中，，会遇到的问题是处理次数的增加，例如将存在羟基的部分外包层除去的蚀刻处理。
此外，使用在电炉中拉伸中央玻璃棒的方法可能会遇到的问题是：中央玻璃棒中具有气泡或杂质粒子，除非在进一步的精细玻璃粒外部沉积处理之前对预制棒进行火抛光。
如上所述，在采用任何一种降低光纤预制棒中的羟基含量的传统方法时，所遇到的问题是由于处理次数的增加或生产能力的降低，光纤预制棒的制造成本会提高。
【发明内容】
针对上述的几种情况，本发明的目的是提供用于CWDM系统的光纤的光纤预制棒及其制造方法，更具体地，本发明的目的是以低成本提供一种羟基含量充分降低的光纤预制棒，且其适于制造能够在宽波段进行波分多路传输的光纤，并且提供一种制造此种光纤预制棒的方法。
为解决上述目的，发明人还对光纤预制棒及其制造方法进行了大量的研究，最后，通过参考中央玻璃棒的横截面积和整个光纤预制棒的横截面积的比率，以及参考在中央玻璃棒和在该中央玻璃棒的外表面上形成的外包层之间的边界处的最大羟基含量，发现将由羟基引起的传输损耗降低至一充分低的水平的最佳条件，最终获得本发明。
为实现上述目的，本发明提供了一种光纤预制棒，包括中央玻璃棒，半径ra，以毫米为单位表示，以及包围中央玻璃棒的外包层，其直径rb，以毫米为单位表示，从中央玻璃棒的中心轴开始测算，其中，半径ra和rb满足以下不等式：0.002＜ra/rb/c＜0.01，这里“c”以ppm为单位来表示，是在中央玻璃棒和外包层之间的边界附近的羟基含量的最大值。
本发明还提供了一种用于制造光纤预制棒的方法，该方法包括步骤A：对中央玻璃棒进行火抛光；步骤B：基于目标光纤预制棒的折射率分布，确定一个比率ra/rb，其为以毫米表示的中央玻璃棒的半径ra相对于以毫米表示的目标光纤预制棒的半径rb的比率；步骤C：确定需要在中央玻璃棒上沉积的精细玻璃粒的数量，使得比率ra/rb/c落入从0.002-0.01的范围，其中，比率ra/rb在步骤B中计算，并且“c”为在中央玻璃棒和外包层之间的边界附近以ppm为单位表示的羟基含量的最大值，其中所述外包层是在步骤A之后，通过在中央棒上沉积精细玻璃粒并对其进行玻璃化而形成。
在根据本发明的光纤预制棒中，在中央玻璃棒和在形成于该中央玻璃棒的外表面上的外包层中的羟基含量处于非常低的水平；由此，在通过拉伸光纤预制棒获得的光纤中，由羟基引起的在1.38um波段的传输损耗保持在一个非常低的水平。由此，由本发明的光纤预制棒制造的光纤能够在宽波段上进行波分多路传输。
根据本发明用于制造光纤预制棒的方法，可以低成本地制造光纤预制棒，该光纤预制棒适于制造羟基含量被充分降低的光纤，且其允许在一宽波段上进行波分多路传输。
【附图说明】
图1示意性示出根据本发明的光纤预制棒的一个例子的横截面；
图2示意性示出沿光纤预制棒径向的羟基含量；
图3示出在例2中，在1.38um波段，比率ra/rb/c和由羟基引起的传输损耗的增加之间的关系；
图4示出在例3中，在1.38um波段，比率ra/rb/c和由羟基引起的传输损耗的增加之间的关系。
【具体实施方式】
以下详细解释本发明。
图1为根据本发明的光纤预制棒的实施例的示意性的横截面图。
该实施例中的光纤预制棒10的形状为圆柱形，包括中央玻璃棒11，外包层12，其通过使以硅玻璃为主要组分的精细玻璃粒脱水，玻璃化，并沉积于中央玻璃棒11的外表面而形成。将要形成光纤纤芯的中央玻璃棒11的中央区域，是由以硅玻璃为主要成分的玻璃和例如二氧化锗(GeO2)等的掺杂剂制成。
在图1中，ra指示中央玻璃棒的半径，rb指示光纤预制棒的半径。
图2示意性示出沿图1所示的光纤预制棒的径向的羟基含量。在本发明中，使用显微傅立叶变换红外波谱仪(显微FT-IR)来测量沿光纤预制棒的径向的羟基含量。
如图2所示，在从光纤预制棒的中心测量为ra mm的距离处，羟基含量急剧地增加，在该点羟基含量的最大值为“c”ppm。
在从光纤预制棒的中央测得的距离为ramm的位置处，该羟基的含量表现出最大值“c”，这里，ramm基本与中央玻璃棒的半径一致，因为在制造光纤预制棒的过程中，在火抛光处理期间，在中央玻璃棒的表面附近所包含的羟基处于高含量，所述火抛光处理用于从中央玻璃棒的表面除去杂质，并用于在中央玻璃棒表面沉积精细玻璃粒之前除去其上的痕瑕。
在该实施例中，在光纤预制棒10中，当中央玻璃棒11的半径表示为ramm，光纤预制棒10的半径表示为rbmm，且在距光纤预制棒10的中心距离为ramm(毫米)的位置处的最大羟基含量，即在中央玻璃棒11和外包层12之间的边界附近的最大羟基含量，表示为“c”ppm，比率ra/rb/c满足以下不等式：
0.002＜ra/rb/c＜0.01。
如果比率ra/rb/c小于或等于0.002，则包含在中央玻璃棒11和外包层12之间的边界附近的羟基在制作光纤的拉制处理期间扩散进入中央玻璃棒11，且羟基到达光信号传输穿过的区域，从而会使由羟基引起的在1.38um波段的传输损耗增加。
另一方面，如果比率ra/rb/c大于或等于0.01，则与比率ra/rb/c满足不等式0.002＜ra/rb/c＜0.01的情况相比，处理的次数会增加，这导致制造费用的增加。此外，会增加所制造的不良光纤预制棒的比例，且会提高光纤的制造费用，这是我们不期望的。然而，如果比率ra/rb/c等于0.01，则由于在中央玻璃棒和外包层之间边界附近包含的羟基引起的传输损耗的增加基本为0dB/km；由此，如果比率ra/rb/c大于或等于0.01，则由羟基引起的传输损耗不会提高。
比率ra/rb，即中央玻璃棒的半径ra(mm)和光纤预制棒的半径rb(mm)的比率指示出羟基在光纤预制棒中具有高含量的位置。
在拉伸过程中，包含在光纤预制棒内的羟基扩散进入光纤。当比率ra/rb低时，羟基进入光信号传输穿过的区域，由此使得由羟基引起的传输损耗增加。因此，希望比率ra/rb更大一些。另一方面，必须使中央玻璃棒中羟基的含量保持在低于十亿分之几的水平，以避免由羟基引起的传输损耗的增加。由此，在中央玻璃棒脱水处理期间，必须提高脱水剂的流量和脱水的时间。结果，就会增加光纤预制棒的制造费用。
作为一种降低包含在中央玻璃棒和外包层之间边界附近的羟基含量的方法，火抛光处理通常用于除去保留在中央玻璃棒表面上的杂质粒子，以及消除中央玻璃棒表面上的痕瑕，在通过降低氧和氢的流量将中央玻璃棒的表面温度控制在相当低的情况下，应用火抛光处理。在此情况下，可降低中央玻璃棒中羟基的含量；然而，不可能完全除去杂质粒子，也不可能完全消除痕瑕。结果，在光纤预制棒的内部还会存在例如气泡、杂质粒子或痕瑕这样的缺陷。拉伸内部包含这些缺陷的光纤预制棒所获得的光纤不能用于光传输通道。由此，可能会降低光纤预制棒的产量，导致光纤制造成本的增加。
对于降低包含在中央玻璃棒和外包层之间的边界附近的羟基含量的方法，可采用等离子蚀刻的处理方法；然而，采用等离子蚀刻处理会增加处理的次数，由此会使光纤的制造成本提高。
如上所解释的，当光纤预制棒10中满足不等式0.002＜ra/rb/c＜0.01时，可避免在由光纤预制棒10拉制而成的光纤中由羟基引起的传输损耗的增加，而且可避免制造成本的提高。
传输损耗会根据拉制条件而改变，因为在拉制过程中，包含在中央玻璃棒和外包层之间的边界附近的羟基扩散到光纤中。然而，与比率ra/rb及最大值“c”的影响相比，拉制条件的影响通常是微不足道的。由此，在满足不等式0.002＜ra/rb/c＜0.01的情况下，可降低由于羟基引起的传输损耗，前提是拉伸速度控制在500m/min-2000m/min的范围内。
以下将说明制造如上述实施例所述的光纤预制棒的方法。
制造如上实施例所述光纤预制棒的方法的第一步是：夹持启动玻璃元件，即启动棒，并使其关于其中心轴旋转。
接着，使用用来合成玻璃的燃烧炉(未示出)，在该合成玻璃燃烧炉的火焰中进行的水解反应或氧化反应中合成第一精细玻璃粒，在玻璃元件旋转并垂直向上移动时，该第一精细玻璃粒沉积在该玻璃元件上，从而形成预制棒。
接下来，使该预制棒移动穿过容纳在电炉中包含氯气的氦气，该电炉中的温度被调节为大约1200℃，以便使预制棒脱水，然后，移动该预制棒使其穿过电炉中的另一个温度被调节为大约1500℃的另一区域，以便使该预制棒玻璃化，从而获得中央玻璃棒11。
接下来，当在电炉中加热该中央玻璃棒11并使其融化时，拉伸中央玻璃棒11直到其半径达到ra。
接下来，将使用氢氧焰的火抛光处理用于中央玻璃棒11，以使其表面温度超过1800℃(过程A)。
此外，基于所期望的光纤预制棒的折射率分布来计算比率ra/rb，即中央玻璃棒的半径ra(mm)和所期望的光纤预制棒的半径rb(mm)的比值(过程B)。
然后，夹持中央玻璃棒11使其关于其中心轴旋转。
然后，使用用于合成玻璃的燃烧器来合成精细玻璃粒，在合成玻璃燃烧器沿中央玻璃棒11的纵向移动时，该精细玻璃粒沿中央玻璃棒11的径向沉积在中央玻璃棒11上。
在此过程中，确定待沉积在中央玻璃棒11上的精细玻璃粒的数量(过程C)，使比率ra/rb/c落在从0.002-0.01的范围内，这里“c”(ppm)为在后续处理中玻璃化的中央玻璃棒11与外包层之间的边界附近包含的羟基的最大含量，比率ra/rb在过程B中获得。
接下来，使该中央玻璃棒11移动穿过容纳在电炉中包含氯气的氦气，在该电炉中，温度被调节为大约1200℃，以使该中央玻璃棒11脱水，然后，移动该中央玻璃棒11使其穿过电炉中的另一区域，在该区域温度被调节在大约1500℃，以便使该中央玻璃棒11玻璃化，从而获得外包层12，并获得半径为rb(mm)的光纤预制棒10。
在本发明制造光纤预制棒的方法中，将使用氢氧焰的火抛光处理应用于中央玻璃棒11，使得其表面温度超出1800℃。当氢氧焰的温度低于1800℃时，就无法充分获得火抛光的效果。
以下对火抛光处理进行解释。
火抛光处理是：通过向玻璃施加火焰以提高其表面温度，使SiO2从玻璃表面汽化，从而对玻璃的表面部分进行抛光的一种抛光处理。通常，在火抛光处理中使用氢氧焰，因为使用氢氧焰容易获得高温条件，且可能不会产生额外的反应产物。
例如，当在玻璃表面上具有深度为0.05mm的痕瑕和气泡时，可通过使用火抛光对表面进行0.1mm的抛光来从玻璃表面除去这些痕瑕和气泡。此外，当在表面上嵌有杂质粒子时，通过对玻璃表面进行火抛光，这些杂质粒子将随着玻璃汽化。
此外，通过对中央玻璃棒11的表面进行等离子蚀刻处理，或通过降低中央处理棒11在电炉中被拉伸处理后进行表面抛光的温度(具体地，通过降低氧气和氢气量)，可降低中央玻璃棒11和外包层之间边界附近的最大羟基含量“c”。然而，如果过度降低中央玻璃棒11的表面温度，则抛光可能会无效，且由于在中央玻璃棒11表面上的缺陷或杂质粒子引起光纤预制棒的产量降低。
根据上述制造光纤预制棒的方法，可将光纤预制棒10制成为使得中央玻璃棒11的半径ra(mm)、光纤预制棒10的半径rb(mm)以及在中央玻璃棒11和外包层12之间边界附近的最大羟基含量“c”(ppm)满足以下不等式0.002＜ra/rb/c＜0.01。当中央玻璃棒11的半径ra(mm)，光纤预制棒10的半径rb(mm)，以及在中央玻璃棒11和外包层12之间的边界附近的最大羟基含量“c”(ppm)满足以下不等式0.002＜ra/rb/c＜0.01时，可在不增加制造成本的情况下制造光纤预制棒10，其中，从该光纤预制棒可获得由羟基引起的在1.38um波段的传输损耗足够小的光纤。
可通过实验确定最大羟基含量“c”(ppm)和火抛光处理条件之间的关系。
以下将参考不同的例子来更具体地解释本发明。
例1
使用VAD(汽相轴向沉积)方法形成包括纤芯和包层部分的玻璃棒，且拉伸玻璃棒得到直径在23-34mm之间的中央玻璃棒。
之后，使用同样的过程获得多个中央玻璃棒。
对每一个中央玻璃棒的表面进行火抛光处理，其中，从沿每个玻璃棒的纵向移动的燃烧器喷出氢氧焰。
将燃烧器的移动速度设为30mm/min。
如在表1中所示，对氢氧焰的温度，向燃烧器提供的氧的流量，以及向燃烧器提供的氢的流量设定几组不同的值(条件A-E)。
接下来，精细玻璃粒沉积在每个中央玻璃棒的外表面上，在电炉中使具有沉积了精细玻璃粒的每个中央玻璃棒脱水并玻璃化，以便形成外包层，从而获得具有圆柱形状的光纤预制棒。
沿垂直于纵向方向切割所获得的光纤预制棒，以便获得厚度为1mm的玻璃板。
通过抛光玻璃板直到获得用于每个玻璃板的镜像表面，得到测量羟基含量的若干采样。
使用显微FT-IR沿径向每30um从用于测量羟基含量的每个样本的中央测量羟基含量。结果获得如图2所示的羟基含量的分布图。
基于羟基含量的分布，可获得在中央玻璃棒和外包层之间的边界附近的羟基含量的最大值“c”(ppm)。结果如表1所示。
当氧和氢的流量被设定得较高时，火焰的温度，即中央玻璃棒的表面温度升高，则有更多数量的羟基迁入中央玻璃棒。
此外，当使用卤素灯使光从中央玻璃棒的一端射入该中央玻璃棒时，可视觉数出在该中央玻璃棒表面上的气泡和其他缺陷(该中央玻璃棒表面上的痕瑕和杂质粒子)。
计算长度为100mm的中央玻璃棒中的气泡和其他缺陷的数量。
表1 氧的流量 (L/min) 氢的流量 (L/min) 燃烧器的 移动速度 (mm/min) 最大羟基 含量c (ppm) 火焰的温度 (℃) 气泡和其 他缺陷的 数量条件A 230 115 30 130 1940 0条件B 260 130 30 180 2050 0条件C 110 55 30 50 1780 4条件D 90 45 30 35 1690 12条件E 70 35 30 20 1550 许多
如表1所示，当氧和氢的流量设定得较低时，在中央玻璃棒和外包层之间的边界附近的羟基含量的最大值“c”(ppm)降低，而另一方面，气泡和其他缺陷的数量会增加。具体说，在条件E的情况，气泡和其他缺陷的数量显著增加，而光纤预制棒的产量显著降低。
例2
使用VAD方法形成包括纤芯和包层部分的玻璃棒，拉伸该玻璃棒以获得直径为23-34mm的中央玻璃棒。
使用上述中央玻璃棒，按与例1相同的方式，在如表2所示的条件A-1至A-3，和B-1至B-3的条件下获得圆柱形状的光纤预制棒。在表2中，ra指示中央玻璃棒的半径，rb指示光纤预制棒的半径。
表2 最大羟基含量 c(ppm) ra/rb ra/rb/c条件A-1 130 0.248 0.0019条件A-2 130 0.352 0.0027条件A-3 130 0.416 0.0032条件B-1 180 0.320 0.0018条件B-2 180 0.368 0.0020条件B-3 180 0.496 0.0028
通过拉伸在表2所示的条件下制造的光纤预制棒形成光纤。拉伸速度设定在1000m/min。
测量光纤中由羟基引起的在1.38um波段的传输损耗，测量结果如图3中所示。
如图3所示，在比率ra/rb/c小于0.002时，由羟基引起的传输损耗大大提高。
例3
中央玻璃棒被采用与例2相同的方式制造，并且，使用这些中央玻璃棒，在表3所示的条件C，D-1，D-2和E下获得圆柱形的光纤预制棒。
表3 最大羟基含量c(ppm) ra/rb ra/rb/c 条件C 50 0.288 0.006 条件D-1 32 0.288 0.009 条件D-2 35 0.416 0.012 条件E 20 0.288 0.014
通过拉伸在表3所示的条件下所制成的光纤预制棒形成光纤。将拉伸速度设定在1000m/min。
测量光纤中由羟基引起的在1.38um波段的传输损失。测量结果如图4所示。
如图4所示，即使在将比率ra/rb/c设定为大于0.01时，也不可能降低由羟基引起的传输损耗。由此，当将比率ra/rb/c设定为大于0.01时，只是提高了制造成本。
尽管如上对本发明的优选实施例进行了描述和举例说明，应当理解的是这些实施例仅用于说明的目的，而不应被看作是一种限制。在不脱离本发明精神和范围的情况下，可进行增加、删除、替换或其他一些修改。
本发明可应用于任何光纤预制棒及其制造方法，其包括制造包括纤芯和包层部分的中央玻璃棒的步骤，及在中央玻璃棒的外表面上沉积包层的后续步骤。
使用CVD方法或OVD方法，而不一定使用VAD方法也可形成中央玻璃棒。
也可以通过将中央玻璃棒插入具有少量羟基的硅管中而将该包层加至该中央玻璃棒，然后通过对其加热合成，而不使用其中在中央玻璃棒上沉积精细玻璃粒后应用玻璃化处理的上述方法。