可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖及其製法的製作方法

2023-06-10 11:35:11 2

專利名稱：可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖及其製法的製作方法
技術領域：
本發明涉及玻璃光纖，尤其涉及一種可與石英玻璃光纖熔接的摻稀土元素的玻璃光纖及其製法。
背景技術：
玻璃光纖已成為光通訊所不可或缺的組件，目前商業化的光通訊系統是以石英(氧化矽)玻璃光纖為主，光信號在石英玻璃光纖內傳遞一段距離後，信號強度會逐漸損耗，因此每隔一段距離就需要安裝光放大器(optical amplifier)以重新增強光信號強度。
目前商業化的光放大器是在石英玻璃光纖料內摻雜以氧化鉺為主的稀土元素，將此光放大用光纖熔接於石英玻璃光纖，一般而言，這種以摻鉺石英玻璃為主的光放大器，約需20m的長度才能達到商業規格的放大效果，但由於兩種光纖都是以石英玻璃為主要材質，在熔接光放大器光纖與一般光通訊用的石英玻璃光纖時，由於兩者熔點溫度與光學折射率幾乎一致，所以使用現有商業化的光纖熔接機進行熔接時，技術上沒有困難，可以達到低光損耗與低反射的目標。
由於石英玻璃是以氧化矽四面體的結構為主體構成，這種結構造成摻雜的稀土元素(例如鉺離子)的數量大約在3mol％以下，否則容易造成玻璃結晶而失去透光性。有鑑於此，於是經研究開發，磷酸鹽玻璃成為有潛力取代摻鉺的石英玻璃光纖放大器的材料；因為磷酸鹽玻璃的組成結構較石英玻璃結構鬆散，也就是說，磷酸鹽玻璃的材料本性是可以容納較多的稀土離子進入其玻璃構造中，目前已有多篇文獻與專利述及高稀土摻雜量的磷酸鹽玻璃的化學組成與製造方法，請參閱相關文獻數據，不在此贅述。
由於磷酸鹽具有高稀土離子摻雜能力(10mol％以上)，且熔煉溫度(約600℃至1400℃的間)比石英玻璃(1700℃至2000℃的間)低許多，所以，無論在光放大強度或是生產成本上都比以石英玻璃為主的光放大器具有發展優勢。有關磷酸鹽玻璃光放大器的優點請參閱相關文獻，不在此贅述。
儘管磷酸鹽玻璃光放大器具有上述優異的性能與潛力，但由其所製作的光放大器光纖仍然必須與現有的光通訊系統整合才能得到應用，也就是說，磷酸鹽玻璃光纖與一般通訊用的石英玻璃光纖必須能熔接，才能成為具有實用能力的光放大器。但是，因為磷酸鹽玻璃光纖的熔點遠低於石英玻璃光纖的熔點，在進行熔接時，光纖熔接機若以石英玻璃光纖的熔點溫度為熔接溫度，其瞬間所產生的熱量雖可熔接石英玻璃光纖，但對於磷酸鹽玻璃而言，這一溫度過高，會將磷酸鹽玻璃光纖融化變形、甚至流失；若熔接機的溫度調整到低熔點的磷酸鹽玻璃光纖的熔接溫度，則該溫度不足以熔接石英玻璃光纖，因此仍然無法將兩者熔接在一起。因此，無論何種操作溫度都無法將高熔點的石英玻璃與低熔點的磷酸鹽玻璃兩種光纖熔接。
另外一種低熔點玻璃，就是硼酸鹽玻璃，也發生了相同的情況。目前也有人開發以低熔點摻稀土離子的硼酸鹽玻璃為主體的光放大器，雖然尚未取得像摻稀土離子的磷酸鹽玻璃那樣的成果，但將來當低熔點硼酸鹽玻璃光纖要與石英玻璃光纖熔接時，也一樣會面臨兩種玻璃間的高低熔點溫度的差異性，所以如何解決低熔點玻璃與高熔點石英玻璃光纖間的熔接問題，就成為低熔點玻璃商業化的一個瓶頸。
有鑑於此，近來提出了幾種可以解決高熔點石英玻璃光纖與低熔點玻璃光纖熔接問題的方法，例如美國康寧公司(Corning Lasertron)於2001年首先提出一種熔接分別具有800℃熔點與1800℃熔點的兩種玻璃光纖的方法，其方法主要是使用CO2雷射，加熱時先將低熔點玻璃以屏幕遮蔽，使得大部分的雷射能量集中到高熔點玻璃光纖的熔接端面，當高熔點玻璃光纖端面受高熱而融化時，會有一部份的熱量傳導到低熔點玻璃光纖端面，利用這種不對稱加熱方式所獲得的熱量將低熔點玻璃光纖融化，此時再將兩熔融端面接合。這一方法的缺點在於(1)必須使用CO2雷射，而石英玻璃光纖對於CO2雷射的輻射波長的能量吸收有限，能源使用效益不佳，(2)這種CO2熔接方式非規格品，造價昂貴，(3)先加熱高熔點端，再經由熱擴散至低熔點端的方式不易控制輸入的熱量與熱流，可靠度較差。
日商朝日玻璃公司(Asahi Glass Co.)也於2001年提出類似康寧公司的方法，但是以放電加熱的方式提供熱源，即將尖端放電的電極置於距離高熔點玻璃光纖端面至少1m以上的距離，這時由於高熔點與低熔點兩種玻璃光纖的端面先以機械力量推緊靠在一起，所以當加熱點是設定在位於高熔點玻璃光纖且距離兩光纖的接觸面至少1m以上的距離時，熱量達到可將高熔點玻璃融化溫度時，其熱傳導至低熔點玻璃光纖端面的熱量也剛好將其融化，也就是通過不對稱加熱方式達到高低溫熔點玻璃分別被熔化與接合。這一設計已有效改進前述使用CO2雷射的缺點，且可以使用目前商業化的光纖熔接機，但缺點為，其必須用嘗試錯誤的方法來找出加熱電極的位置，且由於加熱點不在熔接端面上，所以由加熱點至兩光纖接觸點的光纖表面容易變形或是形成弧面，破壞光纖原有的圓柱面。
其次，也有發明者通過調整磷酸鹽玻璃光纖化學成份使其成為高熔點玻璃的方式，使製得的磷酸鹽玻璃光纖的熔點可達到與石英玻璃光纖順利熔接的溫度。但是，這種方式卻犧牲了磷酸鹽玻璃的一項重要優點低熔點熔煉所衍生的優勢。

發明內容
本發明的主要目的在於克服現有技術中存在的上述缺陷，提供一種可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖及其製法。
為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案本發明提供一種可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖的製法，其步驟至少包含有a)備置含稀土元素的矽酸鹽玻璃材料；b)將矽酸鹽玻璃材料予以熔融、製備組成光纖所需的芯材與包層管；c)將芯材加熱使其產生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔點玻璃分散相與高熔點玻璃連續相，該高熔點玻璃連續相的熔點系與石英玻璃熔點相近；d)將分相處理後的芯材與包層管予以抽絲，就獲得可與石英玻璃光纖熔接的摻稀土元素的玻璃光纖。
此外，本發明還提供另一種可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖的製法，其步驟至少包含有a)備置含稀土元素的矽酸鹽玻璃材料；b)將矽酸鹽玻璃材料予以熔融、製備組成光纖所需的芯材與包層管；c)將芯材與包層管予以抽絲成光纖；d)將光纖加熱使其產生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔點玻璃分散相與高熔點玻璃連續相，該高熔點玻璃連續相的熔點與石英玻璃熔點相近，就獲得可與石英玻璃光纖熔接的摻稀土元素的玻璃光纖。
另外，本發明進一步提供一種可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖，其是由含稀土元素的玻璃材料製成的分相玻璃光纖，包含有高熔點玻璃及分散於該高熔點玻璃中的若干低熔點玻璃，該高熔點玻璃的熔點與石英玻璃熔點相近。
由於採用了上述技術方案，本發明所提供的可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖及其製法，其所製成的玻璃光纖不僅可直接與石英玻璃光纖熔接，而且，可避免高低溫差異、折射率差異等問題，具有實用價值。


圖1是本發明的製作流程圖；圖2是本發明所製成的玻璃光纖與石英玻璃光纖的熔接示意圖；圖3是本發明的熔煉溫度圖；圖4是本發明中摻稀土元素Eu2O3的磷矽酸鹽分相玻璃經熱處理後再抽絲所得的線狀分相使用電子顯微鏡觀察所得的顯微結構；圖5是本發明中摻稀土元素Er2O3的磷矽酸鹽分相玻璃經熱處理後所得的球狀分相使用電子顯微鏡觀察所得的顯微結構；圖6是本發明中摻稀土元素Er2O3的磷矽酸鹽分相玻璃經熱處理後所得的線狀分相使用電子顯微鏡觀察所得的顯微結構；圖7是本發明中摻稀土元素Er2O3的硼矽酸鹽分相玻璃經熱處理後所得的球狀分相使用電子顯微鏡觀察所得的顯微結構；圖8是本發明中摻稀土元素Er2O3的硼矽酸鹽分相玻璃經熱處理後使用能譜儀掃瞄酸洗後的玻璃化學成份；圖9是本發明中摻稀土元素Er2O3的硼矽酸鹽分相玻璃光纖芯材經熱處理後放大150倍所觀察到的顆粒狀分相；圖10是本發明中摻稀土元素Er2O3的硼矽酸鹽分相玻璃光纖芯材經熱處理後放大600倍所觀察到的顆粒狀分相；圖11是本發明中摻稀土元素Er2O3的硼矽酸鹽分相玻璃光纖芯材經熱處理後放大3000倍所觀察到的顆粒狀分相；圖12是本發明中摻稀土元素Er2O3的硼矽酸鹽分相玻璃光纖芯材經熱處理後使用能譜儀掃瞄酸洗後的玻璃化學成份。
具體實施例方式如圖1與圖2所示，本發明一較佳實施例的玻璃光纖的製法，包含有以下步驟本發明第一步驟是先備置含稀土元素的矽酸鹽玻璃材料含稀土元素的矽酸鹽玻璃材料是硼矽酸鹽玻璃或磷矽酸鹽玻璃，硼矽酸鹽玻璃的成份範圍為
RE2O3-xB2O3-yP2O5-zSiO2-mR2O-nAl2O30＜x＜35，0＜y＜50，35＜z＜70，0＜m＜30，0＜n＜10其中符號RE代表稀土離子(Rare earth elements)，上述公式中的各項係數(x，y，z，m，n)應符合下列條件0＜x＜35，0＜y＜50，35＜z＜70，0＜m＜30，0＜n＜10，且x+y＜45，m+n＜25，如8Na2O-31B2O3-60SiO2-1Er2O3與8Na2O-30B2O3-60SiO2-1Al2O3-1Er2O3，而磷矽酸鹽玻璃主要成分為40SiO2-35P2O5-15Na2O-6Al2O3-xEu2O3。
本發明第二步驟是將矽酸鹽玻璃材料予以熔融、製備組成光纖所需的芯材與包層管玻璃熔制溫度為1100-1670℃，製備組成光纖所需芯材與包層管的方法可以使用(1)雙坩堝法(Double crucible Method)以雙坩堝法直接由熔融的芯材玻璃與包層玻璃製作成光纖；或是(2)光棒法(Preform method)熔融的玻璃膏以急速冷卻方式形成芯材用的玻璃棒(可分相的成份)與包層用的玻璃管(可以不需要分相)，或是以化學氣象沉積法(MCVD，OVD，VAD，PlasmaCVD等)所製備的光棒材料。
本發明第三步驟是將芯材加熱使其產生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔點玻璃分散相(phosphate-rich phase或是borate-rich phase)與高熔點玻璃連續相(silica-rich phase)玻璃分相的熱處理溫度區間為500-720℃，熱處理時間可以是玻璃由熔融狀態在急冷過程中同時發生分相，或是急冷至室溫後另行加熱，加熱時間可以長達100小時，玻璃熔融的溫度曲線如圖3所示。這樣，低熔點玻璃分散相是球狀或線狀分相，而高熔點玻璃連續相的熔點與石英玻璃熔點相近。
最後，再將分相處理後的芯材與包層管予以抽絲，就獲得可與石英玻璃光纖熔接的摻稀土元素的玻璃光纖。
前述玻璃光纖可直接以掃瞄式電子顯微鏡進行玻璃分相的顯微結構觀察分析如圖4所示，經0.1N的HCl於25℃下酸洗1小時後使用掃瞄式電子顯微鏡(SEM，JOEL 5600)觀察所得的顯微結構，顯示摻稀土元素Eu2O3的磷矽酸鹽分相玻璃經熱處理後再抽絲所得的線狀分相，為使分相結構容易觀察，因此以緩慢速度抽絲，所以有一部分的線狀分相得以朝球狀分相變化；若以快速抽絲與急速冷卻則會形成納米尺寸的長線狀分相。
圖5顯示摻稀土元素Er2O3的磷矽酸鹽分相玻璃經熱處理後呈現球狀分相的顯微結構。圖6顯示摻稀土元素Er2O3的磷矽酸鹽分相玻璃經熱處理後展現線狀分相的顯微結構。圖5與圖6中的分相玻璃結構均已經到達次微米(sub-micrometer)與納米(nano meter)尺度，當玻璃分相的尺度越小，越接近納米尺寸時，因為分相所造成的光散射所導致的光損耗就幾乎可以忽略。
如圖7所示，顯示摻稀土元素Er2O3的硼矽酸鹽分相玻璃經熱處理後所呈現的球狀分相微結構，使用掃瞄式電子顯微鏡(SEM，JOEL 5600)將分相玻璃經0.1N的HCl於25℃下酸洗6小時後，使用能譜儀(Energy dispersive X-ray analysis，EDX)掃瞄酸洗後的玻璃化學成份，結果顯示低熔點玻璃相被酸洗移除後所剩餘的連續相玻璃為95wt％SiO2、2wt％Na2O與3wt％B2O3。
圖9至圖12為使用玻璃成份Na2O-30B2O3-60SiO2-1Al2O3-1Er2O3所製作的分相玻璃光纖(芯材)截面的電子顯微鏡微結構照片。芯材經560℃-640℃的熱處理數分鐘後即以電子顯微鏡觀察，放大倍率分別為150x、600x、3000x。由圖9(150x)中可以明顯觀察到光纖芯材截面上有顆粒分布，這些顆粒經600x放大後，可於圖10中明顯觀察到顆粒大小約為0.5mm到15mm間，若再將倍率放大至3000x觀察可以發現原球狀顆粒分布於連續相玻璃中，若對連續相玻璃進行能譜分析，如圖11中所示的白色框線區域，測得結果顯示於圖12的能譜分布圖中，化學成份約為10.0Na2O-6.2Al2O3-82.8SiO2，由於Al2O3與SiO2兩成份是高熔點化合物且兩者合計的摩爾重量百分比高達90％以上，證明這一化學組份不但為分相後的連續相玻璃且為高熔點玻璃；分相後顆粒狀玻璃的成份是以含有Er2O3的硼酸鹽為主，由此可證明本發明中所述的含稀土離子的低熔點玻璃相散布於以高熔點氧化矽為主的連續玻璃相中的玻璃分相結構可以確實達成。
此外，如圖1所示，本發明玻璃光纖製法中將矽酸鹽玻璃材料予以製備成芯材與包層管後，也可先將芯材與包層管予以抽絲成光纖後再進行熱處理產生分相作用，而獲得可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖。
其次，本發明矽酸鹽玻璃材料也可加入適量的鹼金屬氧化物(R2O，R＝Li，Na，K，Rb，Cs)與鹼土金屬氧化物(R』O，R』＝Mg，Ca，Sr，Ba)作為玻璃修飾體(glassmodifier)。
由上述可知，本發明將摻雜稀土離子的含鹼磷矽酸鹽玻璃與含鹼硼矽酸鹽玻璃經由玻璃分相作用，使得稀土離子擴散至低熔點的磷酸鹽玻璃相與硼酸鹽玻璃相內，同時使得高熔點矽酸鹽玻璃相內的石英質成份提升，並形成低熔點玻璃以球狀或線狀分散於高熔點玻璃內，即低熔點玻璃形成分散相，高熔點玻璃形成連續相。以這種分相玻璃製成的光纖，因為連續相玻璃的熔點接近商用石英玻璃光纖的熔點，所以在進行光纖熔接時，高熔點玻璃相(連續相)可以與高熔點的石英玻璃光纖順利熔接。
換言之，本發明將摻有稀土離子的矽酸鹽玻璃材料加熱產生分相作用，形成低熔點玻璃相(富含磷酸鹽與稀土離子)與高熔點玻璃相(富含石英玻璃相，SiO2＞90mol％)的均勻複合玻璃光纖，其與石英玻璃光纖熔接時，由於熔接的兩端均為石英玻璃為主的化學成份，其熔點接近，光學折射率也極為接近，避免了高低熔點差異與高低折射率差異的困擾，因此，可以使用目前已經商業化的光纖熔接機，以正常步驟即可進行熔接作業，不需改變生產作業流程與加工設備等，因此與現有技術相比，本發明確實具有進步性及實用價值。
綜上所陳，本發明所提供的可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖及其製法，其所製成的玻璃光纖不僅可直接與石英玻璃光纖熔接，而且，可避免高低溫差異、折射率差異等問題，具有實用價值。
權利要求
1.一種可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖的製法，其特徵在於，其步驟至少包含有a)備置含稀土元素的矽酸鹽玻璃材料；b)將矽酸鹽玻璃材料予以熔融、製備組成光纖所需的芯材與包層管；c)將芯材加熱使其產生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔點玻璃分散相與高熔點玻璃連續相，該高熔點玻璃連續相的熔點與石英玻璃熔點相近；d)將分相處理後的芯材與包層管予以抽絲，就獲得可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖。
2.一種可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖的製法，其特徵在於，其步驟至少包含有a)備置含稀土元素的矽酸鹽玻璃材料；b)將矽酸鹽玻璃材料予以熔融、製備組成光纖所需的芯材與包層管；c)將芯材與包層管予以抽絲成光纖；d)將光纖加熱使其產生分相作用，用以形成含稀土元素的低熔點玻璃分散相與高熔點玻璃連續相，該高熔點玻璃連續相的熔點與石英玻璃熔點相近，就獲得可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖。
3.按照權利要求1或2所述的玻璃光纖的製法，其特徵在於，其中所述含稀土元素的矽酸鹽玻璃材料為硼矽酸鹽玻璃或磷矽酸鹽玻璃。
4.按照權利要求3所述的玻璃光纖的製法，其特徵在於，其中所述硼矽酸鹽玻璃材料的主要成分為RE2O3-xB2O3-yP2O5-zSiO2-mR2O-nAl2O3，其中符號RE代表稀土離子(RE＝Rare earth elements)，上述公式中的各項係數(x，y，z，m，n)應符合下列條件0＜x＜35，0＜y＜50，35＜z＜70，0＜m＜30，0＜n＜10且x+y＜45，m+n＜25。
5.按照權利要求1或2所述的玻璃光纖的製法，其特徵在於，其中b)步驟中，所述矽酸鹽玻璃材料製備組成光纖所需的芯材與包層管的方法是以雙坩堝法(Double crucible Method)直接由熔融玻璃材料製成芯材玻璃與包層玻璃管。
6.按照權利要求1所述的玻璃光纖的製法，其特徵在於，其中c)步驟中，將芯材於530℃～650℃保溫數小時至數天，使其可分相成為高熔玻璃相(silica-rich phase)和低熔玻璃相(phosphate-rich phase或是borate-rich phase)。
7.按照權利要求1或2所述的玻璃光纖的製法，其特徵在於，其中a)步驟中，矽酸鹽玻璃材料中可以加入適量的鹼金屬氧化物與鹼土金屬氧化物作為玻璃修飾體。
8.一種可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖，其特徵在於，其為含稀土元素的玻璃材料製成的分相玻璃光纖，包含有高熔點玻璃及分散於該高熔點玻璃中的若干低熔點玻璃，該高熔點玻璃的熔點與石英玻璃熔點相近。
9.按照權利要求8所述的玻璃光纖，其特徵在於，其以矽酸鹽玻璃材料製成。
10.按照權利要求9所述的玻璃光纖，其特徵在於，其中所述矽酸鹽玻璃材料是硼矽酸鹽玻璃或磷矽酸鹽玻璃。
全文摘要
本發明涉及玻璃光纖，尤其涉及一種可與石英玻璃光纖熔接的玻璃光纖及其製法。本發明為解決現有低熔點玻璃光纖與高熔點石英玻璃光纖熔接工藝較複雜的問題而發明。本發明應用玻璃分相技術將含有稀土元素的低溫熔點玻璃形成一相，分散於高熔點的矽酸鹽玻璃相中，由於低熔點的玻璃為分散相，且因為結構兼容性等因素，在分相過程中大部分稀土元素會聚集於低熔點玻璃相，因此可以將稀土元素濃縮於低熔點玻璃相內，同時使得連續相成為富含氧化矽的矽酸鹽玻璃，並使得此連續玻璃相的熔點與石英玻璃熔點相近。本發明所製成的玻璃光纖不僅可直接與石英玻璃光纖熔接，而且，可避免高低溫差異、折射率差異等問題，具有實用價值。
文檔編號C03B37/014GK1919763SQ200510093038
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月25日 優先權日2005年8月25日
發明者丁原傑 申請人:聯合大學, 丁原傑