製造玻璃材料的方法和製造光纖的方法

2024-03-04 13:52:15

專利名稱：製造玻璃材料的方法和製造光纖的方法
技術領域：
本發明涉及一種含鉍玻璃體的製造方法，該含鉍玻璃體適用於 光纖預製件，本發明還涉及一種包括玻璃體製造方法在內的光纖製造 方法。
背景技術：
摻鉍石英玻璃具有例如峰值波長為1250nm並且半值寬度為大 約300nm的較寬螢光光譜，這已為人們所熟知。人們期望將這樣的 玻璃應用在用於1300nm波帶的放大光纖中。作為摻鉍玻璃的製造方法，已知的有利用溶膠-凝膠工藝的方法 (例如Y. Fujimoto and M. Nakatsuka: Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp. L279-L281和未經審査的日本專利申請公開No.l 1-29334) 以及熔融淬火工藝(即通過混合粉末材料、在坩鍋中熔化該材料並快 速冷卻該材料以得到玻璃的方法(例如未經審査的日本專利申請公開 No.2002-252397))。然而，當通過溶膠-凝膠工藝或熔融淬火工藝 製造玻璃時，在對玻璃摻鉍的過程中雜質將混入玻璃中。因此，難於 製造出適用於光纖預製件的玻璃體。如果由這樣的玻璃體製成光纖， 則由於該光纖的高背景損耗使該光纖無法用作放大光纖。已知改進的化學汽相沉積(MCVD)法是用於製造具有低背景 損耗的光纖的方法。當應用MCVD法時，如下所述製造摻金屬元素 光纖。首先，在玻璃管的內壁上形成Si02微粒粉末層(玻璃微粒層)， 利用含有金屬元素的溶液浸漬Si02微粒粉末層，並燒結(固結)Si02 微粒粉末層以形成玻璃層。然後，對包括玻璃層的玻璃管縮減直徑並 進行塌縮以形成光纖預製件，拉伸該光纖預製件從而形成摻金屬元素 光纖。非專禾U文獻1: Y. Fujimoto and M. Nakatsuka: Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40 (2001) pp. L279-L281專利文獻1:未經審查的日本專利申請公開No.l 1-29334 專利文獻2:未經審查的日本專利申請公開No.2002-252397發明內容要解決的技術問題本發明的目的在於提供一種含鉍玻璃體的製造方法，所述含鉍 玻璃體適用於製造具有低背景損耗的光纖，並且提供一種包括玻璃體 製造方法在內的光纖製造方法。技術方案為了解決上述問題，提供了一種用於製造玻璃體的方法，該方法包括下述步驟(1)沉積步驟，在玻璃管的內壁上沉積玻璃微粒 層；(2)燒結步驟，燒結所述玻璃微粒層以形成玻璃層；(3)直徑 縮減步驟，縮減在其內壁上具有所述玻璃層的所述玻璃管的直徑；以 及(4)塌縮步驟，使直徑已經在所述直徑縮減步驟中被縮減的所述 玻璃管塌縮以形成所述玻璃體。在這種方法中，在所述沉積步驟中， 在將有機鉍化合物供應至所述玻璃管內的同時形成所述玻璃微粒層， 並且在所述燒結步驟中，在將有機鉍化合物供應至所述玻璃管內的同 時燒結所述玻璃層。在所述沉積步驟中，可在90(TC到130(TC之間的溫度範圍內加 熱所述玻璃管，而在所述燒結步驟中，可在125(TC到150(TC之間的 溫度範圍內加熱所述玻璃管(在本說明書中，除非另作說明，否則"玻 璃管的溫度"是指在玻璃管的外表面測量的溫度)。在所述直徑縮減 步驟中，可在將有機鉍化合物供應至所述玻璃管內的同時進行直徑縮 減。作為所述有機鉍化合物，可使用三叔戊氧基鉍(Bi(0tAm)3，其 也可表示為Bi(0-t-C5H )3)。可以提供光纖預製件或所述光纖預製 件的中間體作為所述玻璃體，所述光纖預製件和所述中間體均使用石 英玻璃作為基質材料。根據另一方面，提供了一種用於製造光纖的方法，該方法包括拉伸步驟，即拉伸根據本發明的玻璃體製造方法製造出的玻璃體。有益效果根據本發明的玻璃體製造方法，可以製造出含鉍並可用於製造 具有低背景損耗的光纖的玻璃體。同樣，根據本發明的光纖製造方法， 由於可降低背景損耗並可攙雜所需量的鉍，所以可以得到可用作在1300mn波帶中工作的放大光纖的光纖。


圖1是示出根據本發明實施例的用於製造玻璃體的方法的流程圖。圖2是示出圖1所示流程圖的各個步驟的示意性視圖。 圖3是示出從玻璃體形成光纖的拉伸步驟的示意性視圖。 圖4是光纖的折射率分布圖。圖5是示出在沉積步驟中玻璃體中的含鉍量與玻璃管的溫度之 間關係的曲線圖。圖6是示出在燒結步驟中玻璃體中的含鉍量與玻璃管的溫度之 間關係的曲線圖。圖7是示出在實例2中所製造的光纖的背景損耗的波長相關性 的曲線圖。附圖標記的說明 10:玻璃管， 10b:外表面，31:玻璃微粒層， 33:玻璃體，10a:內壁，20-氫氧燃燒器:32:玻璃層， 34:光纖具體實施方式
下面將參照附圖對本發明的實施例進行說明。附圖旨在說明實 施例而不限制本發明的範圍。在各圖中，相同的附圖標記將用於表示相同的部件以避免重複的說明。各圖中所示的部件並非必須按照比例 繪製。在以下說明中，將製造出包括石英玻璃作為基質材料的光纖預 製件作為玻璃體。圖1是示出根據本發明實施例的用於製造玻璃體的方法的流程圖。在該方法中，應用MCVD法來製造玻璃體，並且該方法包括沉 積步驟S1、燒結步驟S2、直徑縮減步驟S3以及塌縮步驟S4。在該 方法中，沉積步驟Sl與燒結步驟S2中的每一個步驟分別重複兩次， 然後按此順序進行直徑縮減步驟S3與塌縮步驟S4從而形成玻璃體。 下面將說明每個步驟。圖2 (a)至2 (d)是示出圖1所示流程圖的各個步驟的簡圖， 其中各圖分別示出了在各個步驟中沿玻璃管中心軸線截取的玻璃管 的橫截面視圖。在圖2(a)所示的沉積步驟Sl中，在將包括四氯化矽(SiCU)、 氯化鋁(A1C13)、三叔戊氧基鉍(Bi(OtAm)3)、氧氣(02)、氦氣 (He)等的混合氣體供應至玻璃管10內作為原料氣體的同時，利用 作為加熱源的氫氧燃燒器20加熱玻璃管10。在這些條件下，石英玻 璃微粒沉積在玻璃管10的內壁10a上並且形成包括鉍 (100wppm~lw%)和鋁(lw%~15w%)的玻璃微粒層31。玻璃管 10是包層區域(或包層區域的一部分)並由摻氟石英玻璃或不含氟 的純石英玻璃構成。玻璃微粒層31是芯層區域。氫氧燃燒器20的沿 著玻璃管10的縱向的移動速度(橫動速度)例如為60mm/min。氫 氧燃燒器20加熱玻璃管10從而使玻璃管10的外表面10b的溫度保 持在大約1100°C。在圖2 (b)所示的燒結步驟S2中，在將包括Bi(OtAm)3、氧氣 和氦氣的混合氣體供應至玻璃管10內的同時，利用氫氧燃燒器20 加熱玻璃管IO。在這些條件下，將玻璃微粒層31燒結成玻璃層32。 氫氧燃燒器20的沿著玻璃管10的縱向的移動速度例如為大約 60mm/min。氫氧燃燒器20加熱玻璃管10從而使玻璃管10的溫度例 如從600。C逐步地上升至大約1400'C的最大值。在再一次進行沉積步驟Sl和燒結步驟S2中的每一個步驟之後，進行直徑縮減步驟S3。在圖2 (c)所示的直徑縮減步驟S3中，在 將氧氣供應至玻璃管10內的同時，通過利用氫氧燃燒器20進行加熱 使具有玻璃層32的玻璃管10的直徑縮減。氫氧燃燒器20的沿著玻 璃管10的縱向的移動速度例如為大約20mm/min。在直徑縮減步驟 S3中，優選的是，在將包括Bi(0tAm)3、氧氣和氦氣的混合氣體供應 至玻璃管10內的同時對玻璃管IO進行加熱。在這些條件下，玻璃管 10中鉍的蒸汽壓力可以保持在高的水平，從而可以抑制玻璃層32中 的鉍發生蒸發。在圖2 (d)所示的塌縮步驟S4中，在將氧氣供應至直徑已被縮 減的玻璃管IO內的同時，利用氫氧燃燒器20加熱玻璃管10，從而 使玻璃管10塌縮成為玻璃體33。氫氧燃燒器20的沿著玻璃管10的 縱向的移動速度例如為5mm/min。玻璃體33用作光纖預製件。圖3是示出從玻璃體形成光纖的拉伸步驟的示意性視圖。通過 拉伸設置在拉絲爐40中的作為光纖預製件的玻璃體33得到光纖34。圖4是光纖34的折射率分布圖。由於在沉積步驟Sl中形成的 玻璃微粒層31構成光纖34的芯層區域34a，所以芯層區域34a含有 氧化鉍(Bi203)和氧化鋁(A1203)。芯層區域34a的折射率高於包 層區域34b的折射率從而在芯層區域34a內傳播光線。此外，由於含 鉍的石英玻璃具有擴展至長波長一側的峰值波長為1250nm的較寬熒 光光譜，所以光纖34可以在波分復用傳輸中適當地用作針對1300nm 波帶的放大光纖。根據現有的用於製造摻金屬元素光纖的方法，如果金屬元素是 具有高揮發性的鉍，則當對含鉍的玻璃微粒層進行燒結時鉍將蒸發。 結果，難以製造出具有所需量的鉍的光纖預製件或光纖。相反，根據本實施例的用於製造玻璃體的方法，由於在沉積步 驟S1中在將氣態有機鉍化合物Bi(0tAm)3供應至玻璃管IO內的同時 形成玻璃微粒層31，所以所形成的玻璃微粒層31包含鉍。因此，當 在燒結步驟S2中以高於沉積步驟Sl的溫度加熱玻璃管10時，包含 在玻璃微粒層31中的鉍不易蒸發。此外，在燒結步驟S2中，通過 將Bi(OtAm)3氣體供應至玻璃管IO從而使玻璃管10中鉍的蒸汽壓力保持在高的水平。因此，可以抑制玻璃微粒層31 (或玻璃層32)中 鉍的蒸發，從而形成含有所需量的鉍的玻璃體33和光纖34。此外， 在本實施例的用於製造玻璃體的方法中，由於根據MCVD法形成玻 璃體，所以可抑制引起光纖背景損耗的雜質的混入。結果，該玻璃體 可以適用於製造低背景損耗的光纖。通過使用本實施例的用於製造玻璃體的方法，可以製造出含鉍 的玻璃體33。可參照圖5和圖6對此進行更具體的說明。圖5是示 出在沉積步驟S1中玻璃體33中的含鉍量與玻璃管IO的溫度之間關 系實例的曲線圖。更具體而言，圖5用符號" "表示鉍在相應溫度 下的含量，其中鉍包含在以下述方式製造出的各個玻璃體33中玻 璃管10的溫度在800°C到1500。C之間的範圍內以100°C或50。C變化。 橫坐標是玻璃管10的溫度，縱坐標是鉍的添加量。在玻璃體33的制 造過程中的燒結步驟S2中，玻璃管10的最高溫度為大約1400°C。在直徑縮減步驟S3中沒有供應鉍的情況下，當以大約900°C至 1400°C特別是1100°C的溫度加熱玻璃管10時可以含有鉍。一般來說， 當溫度較低(例如圖5中的90(TC或更低)時不易形成玻璃微粒層31， 而當溫度較高時不易添加鉍。因此，在沉積步驟Sl中的上述溫度範 圍內，玻璃管10的溫度可優選為大約950°C至1300°C，更優選的是 大約1100°C。此外，在圖5所示的曲線圖上用符號"□"標示以下述方式制 造出的玻璃體33中的含鉍量在直徑縮減步驟S3中將鉍供應至玻 璃管10中。由於在直徑縮減步驟S3中供應鉍，所以玻璃體33中的 含鉍量進一步增加。圖6是示出在燒結步驟S2中玻璃體33中的含鉍量與玻璃管10 的溫度之間關係實例的曲線圖。更具體而言，圖6用符號"令"表示 鉍在相應溫度下的含量，其中鉍包含在以下述方式製造出的各個玻璃 體33中玻璃管10的溫度在800。C到1600。C之間的範圍內以100°C或500°C變化。橫坐標是玻璃管10的溫度，縱坐標是鉍的添加量。如 上所述，在燒結步驟S2中玻璃管10的溫度逐步升高。應當注意到， 在燒結步驟S2中玻璃管10的溫度是指溫度逐步升高的溫度分布圖中的最高溫度。在用於製造玻璃體33的沉積步驟Sl中，玻璃管10 的溫度為大約IIO(TC。在直徑縮減步驟S3中沒有供應鉍的情況下，當溫度大約為1200 'C至大約1500。C特別是大約140(TC時可以可靠地含有鉍。如果溫度 低於1250°C，則會不充分地進行燒結。如果溫度較高，則鉍蒸發的 可能性較高。在燒結步驟S2中，玻璃管10的溫度優選為大約1250 "C至大約140(TC，更優選的是大約1400°C。在上述方法中，在沉積 步驟中將玻璃管的溫度設定在從90(TC或更高至1300'C或更低，並且 在燒結步驟中將玻璃管的溫度設定在從125(TC或更高至1500'C或更 低，從而更可靠地形成含鉍的玻璃層。此外，測量玻璃體33中的含鉍量並用符號"□"在圖6所示的 曲線圖上標示出該測量值，在直徑縮減步驟S3中在將鉍供應至玻璃 管10內的同時製造出玻璃體33。由於在直徑縮減步驟S3中供應鉍， 所以玻璃體33中的含鉍量進一步增加。根據圖5和圖6，可以理解，使用本實施例的用於製造玻璃體的 方法可以可靠地製造出含鉍的玻璃體33。通過在直徑縮減步驟S3中 對玻璃管加熱會使玻璃層中所含的鉍蒸發。然而，由於在進行直徑縮 減的同時供應鉍，所以可抑制鉍從玻璃層中蒸發並且可以製造出具有 較大量鉍的玻璃體33。已經對本發明的優選實施例進行了說明，但本發明並不受上述 實施例的限制。在本實施例中，雖然在玻璃管10的內壁10a上形成 作為芯層區域的玻璃微粒層31，但也可在內壁10a上形成作為包層 區域的玻璃微粒層之後形成作為芯層區域的玻璃微粒層。在這種情況 下，玻璃管10用作包層區域或套層的一部分。玻璃體33用作光纖預 製件，然而玻璃體33也可用作中間體光纖預製件。在上述實施例中，氧化鋁(A1203)用作添加到玻璃微粒層31 (芯層區域34a)中的折射率調節劑的實例。折射率調節劑的實例可 包括氧化鍺、氧化磷、氯以及氟。此外，在上述實施例中，儘管沉積 步驟Sl和燒結步驟S2重複兩次，但每個步驟也可進行一次或者也 可進行三次或更多次。實例參照實例1、實例2以及比較例更具體地說明本發明的玻璃體制 造方法和光纖製造方法。應當注意到，本發明並不局限於實例1和實 例2。如下所述對實例1進行說明。在沉積步驟S1中，在將包括AlCl3、 Bi(OtAm)3、氧氣以及氦氣的混合氣體供應至玻璃管10內的同時，利 用氫氧燃燒器20加熱玻璃管10以形成玻璃微粒層31。玻璃管10的 外徑為25mm，玻璃管10的內徑為16mm。在沉積步驟Sl中Bi(OtAm)3 的供給率為0.018標準立方釐米(sccm)，氦載體氣體的供給率為 45 sccm。利用氫氧燃燒器20使玻璃管10的溫度保持在大約1100°C。 氫氧燃燒器20的移動速度為大約60mm/min。在燒結步驟S2中，在將包括Bi(OtAm)3、氦氣和氧氣的混合氣 體供應至玻璃管10內的同時，通過利用氫氧燃燒器20將玻璃管10 加熱至60(TC至140(TC的溫度來將玻璃微粒層31燒結成玻璃層32， 其中，溫度是逐步升高的。Bi(OtAm)3氣體的供給率為0.018 sccm， 氦載體氣體的供給率為45 sccm。氫氧燃燒器20的移動速度為大約 60mm/min。再一次進行沉積步驟Sl和燒結步驟S2，然後在直徑縮減步驟 S3中縮減玻璃管10的直徑。在此步驟中，將氧氣供應至玻璃管10 中。在直徑縮減步驟S3中，氫氧燃燒器20的移動速度為大約 20mm/min，並且玻璃管10的溫度為從160(TC至180CTC。在塌縮步驟S4中，在將氧氣供應至直徑已被縮減的玻璃管10 內的同時，利用氫氧燃燒器20將玻璃管IO加熱至170(TC來塌縮玻 璃管10。氫氧燃燒器20的移動速度為5mm/min。通過塌縮得到的玻 璃體(光纖預製件)33中包含的鋁的濃度為大約3.8wt%，鉍的濃度 大約為100wt'ppm。這意味著在玻璃體33中可靠地含有鉍。如下所述對實例2進行說明。在實例2中，除了在直徑縮減步 驟S3中在將Bi(OtAm)3氣體供應至玻璃管10中的同時縮減玻璃管 IO的直徑以外，以與實例1相同的方式製造玻璃體33。在直徑縮減步驟S3中，Bi(OtAm)3氣體的供給率為0.018 sccm，並且氦載體氣體 的供給率為45 sccm。得到的玻璃體33中包含的鋁的濃度為大約 4.2wt%，並且鉍的濃度大約為370wt'ppm。此外，在實例2中，通過利用拉絲爐40拉伸作為光纖預製件的 玻璃體33來形成光纖34。在此步驟中，拉伸速度為50m/min並且拉 絲爐中的溫度為175(TC。利用回切法(cutback method)測量光纖34 的背景損耗。圖7是示出光纖34的背景損耗的波長相關性的曲線圖。如圖7 所示，背景損耗在1300nm的波長附近為大約48.4dB/km，並且在 1550nm的波長附近為大約34.6dB/km。也就是說，利用圖1所示的 製造玻璃體的方法可以製造出具有低背景損耗並可令人滿意地用作 放大光纖的光纖。如下所述對比較例進行說明。也就是說，除了在燒結步驟S2中 不供應Bi(0tAm)3氣體並且在燒結步驟S2中玻璃管10的溫度為大約 155CTC以外，以與實例1相同的方式製造玻璃體。儘管以此方式製造 出的玻璃體的芯層區域中包含的鋁的濃度為大約4.5wt%，但鉍幾乎 不包含在該區域中。實例1與比較例之間的比較表明通過在燒結步驟S2中在供應 Bi(OtAm)3氣體的同時對玻璃微粒層31進行脫水和燒結，可以更可 靠地含有鉍。實例1與實例2之間的比較表明通過在將Bi(OtAm)3 氣體供應至玻璃管10中的同時對玻璃管IO進行直徑縮減，可以含有 更大量的鉍。本申請要求2005年9月1日提交的日本專利申請 No.2005-253893的優先權，該申請的全部內容以引用的方式併入本 文。工業實用性根據本發明的製造玻璃體的方法和製造光纖的方法，可以得到 可用作應用於1300nm波帶的放大光纖的光纖。
權利要求
1.一種製造玻璃體的方法，包括下述步驟沉積步驟，在玻璃管的內壁上沉積玻璃微粒層；燒結步驟，燒結所述玻璃微粒層以形成玻璃層；直徑縮減步驟，縮減在其內壁上具有所述玻璃層的所述玻璃管的直徑；以及塌縮步驟，使直徑已經在所述直徑縮減步驟中被縮減的所述玻璃管塌縮以形成所述玻璃體，其中，在所述沉積步驟中，在將有機鉍化合物供應至所述玻璃管內的同時形成所述玻璃微粒層，並且在所述燒結步驟中，在將有機鉍化合物供應至所述玻璃管內的同時燒結所述玻璃層。
2. 根據權利要求l所述的製造玻璃體的方法，其中， 在所述沉積步驟中，在90(TC到130(TC之間的溫度範圍內加熱所述玻璃管，而在所述燒結步驟中，在125(TC到150(TC之間的溫度 範圍內加熱所述玻璃管。
3. 根據權利要求1所述的製造玻璃體的方法，其中， 在所述直徑縮減步驟中，在將所述有機鉍化合物供應至所述玻璃管內的同時進行所述直徑的縮減。
4. 根據權利要求1所述的製造玻璃體的方法，其中， 所述有機鉍化合物是三叔戊氧基鉍(Bi(0tAm)3)。
5. 根據權利要求l所述的製造玻璃體的方法，其中， 所述玻璃體是光纖預製件或所述光纖預製件的中間體，所述光纖預製件和所述中間體均使用石英玻璃作為基質材料。
6. —種製造光纖的方法，包括下述步驟沉積步驟，在玻璃管的內壁上沉積玻璃微粒層； 燒結步驟，燒結所述玻璃微粒層以形成玻璃層； 直徑縮減步驟，縮減在其內壁上具有所述玻璃層的所述玻璃管 的直徑；塌縮步驟，使直徑已經在所述直徑縮減步驟中被縮減的所述玻 璃管塌縮以形成所述玻璃體；以及 拉伸步驟，拉伸所述玻璃體，其中，在所述沉積步驟中，在將有機鉍化合物供應至所述玻璃 管內的同時形成所述玻璃微粒層，並且在所述燒結步驟中，在將有機 鉍化合物供應至所述玻璃管內的同時燒結所述玻璃層。
全文摘要
本發明提供一種含鉍玻璃體製造方法，含鉍玻璃體可以用於製造具有低背景損耗的光纖，並且本發明還提供一種包括該玻璃體製造方法在內的光纖製造方法。玻璃體製造方法包括在玻璃管的內壁上沉積玻璃微粒層的步驟；燒結所述玻璃微粒層以形成玻璃層的步驟；縮減其內壁上具有所述玻璃層的所述玻璃管的直徑的步驟；以及使直徑已經在所述直徑縮減步驟中被縮減的所述玻璃管塌縮以形成所述玻璃體的步驟。在所述沉積步驟中，在將有機鉍化合物供應至所述玻璃管內的同時形成玻璃微粒層。在所述燒結步驟中，在將有機鉍化合物供應至所述玻璃管內的同時燒結所述玻璃層。光纖製造方法包括拉伸玻璃體的步驟，所述玻璃體是通過本發明的所述玻璃體製造方法製造出的。
文檔編號C03B8/00GK101253126SQ200680032029
公開日2008年8月27日 申請日期2006年8月29日 優先權日2005年9月1日
發明者大西正志, 春名徹也, 樽稔樹, 角井素貴 申請人:住友電氣工業株式會社