CN101156097A - 掺杂碱和氟的光纤 - Google Patents

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Abstract

公开了具有掺杂了氟和碱金属氧化物掺杂剂的SiO2的芯的光纤。所述碱金属氧化物选自K、Na、Li、Cs和Rb，其含量至少为20ppm重量％。所述光纤具有包围该芯的内部包层，该内部包层也包括氟。所述内部包层的相对折射率(Δ2％)，以纯二氧化硅为基准测定，较佳的是－0.39％至－0.7％。较佳地，所述光纤在1550nm处显示小于或等于0.178dB/km的衰减。

Description

掺杂碱和氟的光纤
技术领域
本发明一般涉及光纤，更具体地说，涉及掺杂了碱金属氧化物的、低损耗的、含二氧化硅的光纤。
背景技术
衰减是光纤的主要限制因素。例如，光纤损耗在限制光纤放大器之间的距离方面起重要的作用。这对于长距离和超长距离网络如海底用途(在那里所述放大器意味着巨大的系统成本)，以及系统可靠性中的主要因素来说特别重要。因此，对于将衰减减少到最低可能的水平有着巨大的商业需求。
发明内容
根据一个宽泛的方面，本发明是一种光纤，它包括：芯，所述芯包括SiO2、氟和选自K、Na、Li、Cs和Rb的碱金属的氧化物。该碱金属氧化物在芯中的含量宜至少为20ppm重量％，并且所述芯具有在距离光纤中心线2微米偏差处测得的相对折射率(Δ1％)。K2O是最优选的碱金属氧化物。包括内部包层的包层包围着所述芯，并且还较佳地包括氟。较佳地，所述内部包层的内部包层相对折射率(Δ2％)，以纯二氧化硅为基准测定，是-0.39％至-0.7％。理想地，该光纤的组成和结构可实现非常低的衰减。
根据本发明的其它方面，芯的相对折射率(Δ1％)宜为0或更小，更好是0.0％至-0.12％。在一些实施方式中，芯的相对折射率(Δ1％)为0或更小，更好是0.0至-0.15％。在其它实施方式中，芯的相对折射率(Δ1％)为负的，较佳的是-0.02％至-0.12％。较佳地，所述光纤在1550nm处是单模的。在另一个优选的方面，Δ2％-Δ1％为-0.7％至-0.38％，更好是-0.42％至-0.38％。较佳地，所述芯在其外缘上具有α折射率分布(alpha profile)，其α值为12-20，更好是14-16。
在一些实施方式中，所述光纤包括突起的中心部分，其中心相对折射率(Δ0％)大于(以纯二氧化硅为基准计，高于)(Δ1％)，更好是-0.15％至0.20％。所述中心部分的外侧半径(R0)较佳地位于距离光纤的中心线CL 0.2-1.5μm的位置。较佳地，芯的外侧半径(R1)距离中心线3.9-6.0μm，更好是3.9-5.0μm。
较佳地，所述芯包括以大于1000ppm重量％(0.1重量％)，更好是大于2000ppm重量％(0.2重量％)，最好是0.1-0.4重量％的最大含量掺杂的氟。氯可以小于500ppm重量％，更好是小于200ppm重量％的含量存在。掺杂的碱金属氧化物的最大含量宜为20-1000ppm重量％，更好是50-500ppm重量％，最好是50-300ppm重量％，并且在一些实施方式中为50-200ppm重量％。更好的是，所述芯基本上不含GeO2。
本发明的光纤可显示非常低的衰减。在1550nm处的光纤衰减宜小于0.178dB/km，或者甚至小于0.175dB/km，并且在一些实施方式中为0.173dB/km或更小。较佳地，所述光纤还显示在1550nm处为15-25ps/nm/km的总色散率(totaldispersion)，并且较佳地，还显示在1550nm处小于0.07ps/nm/km2的色散斜率。较佳地，λ0位于1275-1325nm之间。在1550nm处，光纤的有效面积宜大于60μm2，更好是60-100μm2。较佳地，所述光纤还显示良好的弯曲性能，对于在20mm直径的心轴上转20圈，其宏弯损耗(macro-bend loss)小于25dB/m，更好是小于1dB/m。
本发明的其它特征和优点将在以下具体描述中阐述，并且部分地将在本领域技术人员阅读了说明书之后变得显而易见或者在实施了本文中描述的发明之后理解，其包括以下具体描述部分、权利要求书和附图。要理解的是，前述概述部分和以下的具体描述部分表示了本发明的实施方式，是用于提供理解所要求保护的发明的性质和特征的总揽或框架。在适合时，相同的特征以相同的数字表示。
附图说明
图1是本发明第一个实施方式的光纤的相对折射率图。
图2-20是本发明其它实施方式的光纤的相对折射率图。
图21-22是本发明制备例实施方式的光纤的相对折射率图。
图23是本发明代表性实施方式的光纤的掺杂剂浓度与半径的关系图。
具体实施方式
本发明是低衰减的光纤。更具体地说，本发明是具有中心芯和包围该芯的包层的光纤，其中，所述芯掺杂了碱金属氧化物和氟。较佳地，该包层还掺杂了氟，并且还可包括碱金属氧化物。所述包层包括内部包层，但是还可包括外部包层，它们都宜掺杂氟。包围芯并与芯邻接的内部包层的掺杂量足以提供比二氧化硅的相对折射率低的内部包层相对折射率，更好是-0.39％至-0.7％，该值以纯二氧化硅的参考折射率水平为基准测定。
本文中使用的以下术语具有以下确定的含义：
MFD-模场直径是穿过单模光纤的端面的光功率的度量，表述如下：
2ω0＝(λ/π)[2∫I(Φ)sinΦcosΦdΦ)/∫I(Φ)sin3ΦcosΦdΦ]1/2  (1)
式中，2ω0是模场直径(故ω0是模场半径)，λ是光的平均波长，Φ是与辐射图形的中心所成的角度，并且优选进行0°-90°的积分。模场直径例如可根据测试程序ANSI/TIA/EIA-455-191-A-2001测定。
Aeff-有效面积为：
Aeff＝2π(∫E2 r dr)2/(∫E4 r dr)         (2)
式中，积分上下限为0-∞，E为与在1550nm处传播的光相关的电场。
Δ-相对折射率，Δ由方程式Δi＝(ni 2-nc 2)/2ni 2限定，式中ni是折射率分布段i的最大折射率，nc是参照区域中的折射率，其通常用来表示包层的最小折射率。相对折射率通常以百分比表示，在本文中用术语Δ％表示。除非另有说明，Δ％表示所述段的最大(峰值)相对折射率，以二氧化硅的折射率为基准计。
折射率分布-术语折射率分布是光纤的Δ％和半径之间的关系。
α折射率分布-术语α折射率分布指芯的折射率分布，其按照以下方程式
n(r)＝n0(1-[r/a]α)                  (3)
式中，r是芯的半径，a是分布中最后的点，在分布的第一点处r选择为0，n0是所关注的芯区域的最大折射率，α是限定芯分布形状的指数。
芯-芯指光纤的一部分，该部分的折射率通常大于包层的折射率，使得发射的光强度主要通过芯传播。该芯可由一段或多段组成。单个的芯段可具有比纯二氧化硅大、与纯二氧化硅相同、或比纯二氧化硅小的折射率。
包层-包层或包层段指光纤的包围芯区域的那部分，定义为在相对折射率的绝对大小为最小并且保持低值(+/-0.05％)直至光纤的二氧化硅基部分的最外侧半径(即，直至包层的最外侧半径)处产生。芯末端和包层起始端的半径R1与包层末端的半径R3的关系为：R3＞＞R1。
ppm-除非另有具体说明，指百万分之重量份，或“ppm重量”，重量％(wt％)的测定可通过乘以因数10000转化为ppm。
针阵列测试-该测试用来测试比较光纤对宏弯的相对耐受性。为了进行该测试，当光纤排列使得没有感应的弯曲损耗发生时，在1550nm处测定衰减损耗。然后，围绕针阵列编织光纤并在相同波长下再次测定衰减。弯曲引起的损耗是两个衰减测定值之差(以dB表示)。针阵列是以单排排列的一组10个圆柱形针，在平面上保持在固定的垂直位置。针的中心至中心的间隔为5mm。针直径为0.67mm。使光纤通过相邻针的相对面。在测试过程中，将光纤置于足以使光纤与针的边缘部分贴合的张力下。
横向负载测试-横向负载测试提供光纤对宏弯耐受性的测定。在该测试中，规定长度的光纤置于两块平板之间。将No.70丝网附着在一块板上。将已知长度的光纤夹在板之间，测定参照衰减，同时用30牛顿的力将板压在一起。然后，向板施加70牛顿的力，测定衰减的增加(dB/m)。这一衰减的增加是光纤的横向负载衰减(dB/m)。
根据本发明，最好的是，仅有本发明的光纤10的芯含有碱金属氧化物掺杂剂和氟。如本文中所描述的，碱金属氧化物宜为K、Na、Li、Cs或Rb的氧化物，或者它们的混合物。最好的是，所述芯包括碱金属氧化物如K2O或Rb2O。根据制备光纤的优选方法，较佳的是使优选的单模光纤中碱金属氧化物的峰值浓度基本上与光纤的中心线CL一致。因此，较佳的是，碱金属氧化物在光纤的芯中具有峰值浓度。正如可以理解的，碱金属氧化物的浓度宜相对于光纤的半径呈放射状地改变，如图23所示。
通常，如图23最佳地示出的，在光纤的中心线CL处出现碱金属氧化物的峰值浓度，并且碱金属氧化物浓度的下降与沿至少一部分光纤半径的光纤中心线的半径增加呈函数关系(参见图标23，示出K2O的重量％与光纤半径的函数关系)。通常，超过距离光纤的中心线CL为10μm半径处存在小于50％的碱金属氧化物(如K2O)的峰值含量。
较佳地，光纤的芯中的碱金属氧化物的峰值浓度22为20-1000ppm重量％，更好是50-500ppm重量％，最好是50-300ppm重量％；并且在一些实施方式中为50-200ppm重量％。K2O的重量％显示在图23中最右边的垂直轴上。光纤的包层中的碱金属氧化物的峰值含量宜小于芯中的碱金属氧化物的峰值含量。较佳地，包层中的碱金属氧化物的峰值含量小于约100ppm重量％，更好是小于约60ppm重量％。
再次参看图1和23，较佳地，芯12还包括掺杂的氟。掺杂氟的图在图23中标记为23，其对应于最左边的垂直轴上的重量％的值。最好的是，芯12包括以第一含量24掺杂的氟，包层16包括以至少一个第二含量26掺杂的氟，该第二含量不同于，较佳的是高于第一含量。较佳地，第一含量24包括以大于1000ppm重量％(0.1重量％F)，更好是大于2000ppm重量％(0.2重量％F)，再好是大于3000ppm重量％(0.3重量％F)的含量掺杂的氟。最好的是，第一含量24为约1000ppm重量％(0.1重量％F)至5000(0.5重量％F)。同样地，包层16还宜包括掺杂的氟。包层16中的氟的峰值含量26大于芯中的氟的峰值含量，较佳的是峰值含量26为10000ppm重量％(1.0重量％)至30000ppm重量％(3.0重量％)，更好是10000ppm重量％(1.0重量％)至20000ppm重量％(2.0重量％)，再好是12500ppm重量％(1.25重量％)至17500ppm重量％(1.75重量％)。具体地说，包层16中掺杂的氟的峰值含量26足以在拉制光纤中提供相对折射率，其将在下文中作更详细的描述。
除了掺杂碱金属氧化物和氟之外，光纤10还宜包括掺杂在其各个部分中的氯。具体地说，氯宜存在于芯12中，也可存在于包层16中，较佳的是如图23中所示的以较小的峰值含量存在于包层中。较佳地，芯12包括以小于500ppm重量％(0.05重量％)，更好的是小于200ppm重量％(0.02重量％)的峰值含量28掺杂的氯。具体地说，芯12中掺杂的氯的峰值含量的位置宜偏离光纤的中心线CL，较佳的是偏离0.5μm或更大，最好是偏离大于1.0μm。应理解，仅有少量的氯(例如，小于500ppm的Cl)存在于大量碱金属氧化物存在的同样位置。包层16中的氯的峰值含量30宜为200ppm重量％或更小，更好的是小于100ppm重量％。
图1和4示例性地示出了本发明的包括掺杂碱金属氧化物和氟的光纤10的实施方式的折射率分布。这些图显示出了整篇说明书中采用的常规术语来限定光纤的结构，因此，它们将不在图2-3和5-22中所示的实施方式中重复。但是，应理解，这些术语同样可用于这些分布，只是为了清楚的目的而不做标记。
较佳地，光纤10在1550nm处为单模的，包括含有掺杂碱金属氧化物和氟的芯段12，较佳的是该芯段12还掺杂了氯，该分布如本文中示出和描述的。芯段12宜以光纤10的中心线CL为中心，并包围和接触所述中心线CL。光纤10还包括包围并接触芯段12的包层段16。较佳地，芯段12和包层段16都包括氟，以提供相对折射率(与纯二氧化硅相比)，该相对折射率至少对于包层而言是负的，并且较佳的是对于芯和包层而言是负的，这些将在本文中描述。包层16包括具有内部包层18的至少单层(single-level)的包层结构，但是可任选地包括双层的包层结构，该结构包括内部包层18和外部包层20，它们将在本文中详细描述(参见图5、12-14，示出了双层的包层结构)。包层16环绕芯12的最外面部分，并从该最外面部分辐射状伸向外侧半径约为62.5微米的光纤10的玻璃部分的最外边缘。在本文中的单层包层结构中，包层仅包括内部包层18，该内部包层从芯12延伸到光纤10的最外玻璃部分。如本文中所示，为了清楚起见，仅示出了一部分包层16。应理解，在所有附图中，未示出的部分继续延伸向约62.5微米处的玻璃纤维的外侧，其相对折射率的水平与图中最右边部分所示的相同。
根据另一个优选的特征，本发明光纤10的芯段12的最外边缘宜具有图1-22所示的具有芯折射率Δ1的圆形台阶形状，和具有限定圆形拐角形状的预定芯α的理想的α折射率分布。较佳地，光纤10的芯段12包括在其外缘15上的，α值为12-20，更好的是14-16的α折射率分布。
在距离光纤的中心线CL 2μm处测定的，并且在本文中定义的芯的相对折射率Δ1％宜为0或更小，芯的相对折射率Δ1％最好是0.0％至-0.15％。在一些实施方式中，芯的相对折射率Δ1％是负的，较佳的是-0.02％至-0.15％，以纯二氧化硅的水平(level)11为基准测定。芯中这一向下掺杂(down-doping)的水平通过在形成光纤预成形体(从中拉制光纤)时向芯段12中加入足量的氟来完成。还将氟加入包层16中来提供包层的相对折射率Δ2％，该相对折射率Δ2％是负的，最好是-0.39％至-0.70％，以纯二氧化硅的水平11为基准测定；更好是-0.40至-0.70％，再好是-0.40至-0.60％。应理解，芯宜基本上不含GeO2。
对于本发明的一类光纤，较佳的是选择Δ2％和Δ1％，使得Δ2％-Δ1％为-0.7至-0.38％，更好的是-0.42至-0.38％。
光纤中的一些(实施例1-16、20-22)包括突起的中心部分17，其宜位于光纤的中心线CL处。中心部分17具有峰值相对折射率Δ0％，其中Δ0％相对于Δ1％而言是正的，零，或者负得较少，其以纯二氧化硅的水平11为基准测定。在各种情况下，Δ0％的折射率水平宜大于Δ1％的折射率水平(高于Δ1％的折射率水平)。最好的是，中心部分17的Δ0％为-0.15％至0.20％，以纯二氧化硅的水平11为基准测定。
更详细地说，本发明的一类光纤10宜具有下述相对折射率分布结构。较佳地，芯12具有距离光纤的中心线CL 3.9-6.0μm，更好是3.9-5.0μm的外侧半径R1。半径R1在本文中在(Δ2％-Δ1％)的一半处被定义和测定。换句话说，在芯12的高度(不包括突起的部分17)的一半处测定R1。对于本文中描述的包括突起的中心部分17的光纤10的实施方式，较佳的是位于中心线CL处及包围中心线CL。中心部分17包括外侧半径R0，其值为0.2-1.5μm，所述中心部分在芯体上突起，主要是因为芯中存在碱金属掺杂剂而导致折射率的稍稍增加。
在一些实施方式中，如图5和12-14所示，包层16包括包围内部包层18的外部包层20。较佳地，内部包层18具有等于Δ2％+/-0.05％的相对折射率Δ3％(图5)，以纯二氧化硅的水平11为基准测定。对于本发明的具有双层包层结构的光纤10，外部包层20和内部包层18之间的界面位于距离中心线13-29μm，更好是15-20μm的界面半径(R2)处。较佳地，R2/R1之比为2.5-6.0。
下表1-2示出了本发明的光纤的若干模型例的实施方式。具体地说，下表1示出了光纤的折射率结构，包括Δ0％、Δ1％、Δ2％、Δ3％、R0、R1、R2和α的值。
表1：模型例的折射率分布结构
  实施例   Δ0％(％)   Δ1％(％)   Δ2％(％)   Δ3％(％)   R0(μm)   R1(μm)   R2(μm) α
  1   0.00   -0.05   -0.468   没有得到   1.0   4.175   没有得到   14
  2   0.00   -0.10   -0.518   没有得到   1.0   4.175   没有得到   14
  3   0.015   -0.05   -0.468   没有得到   1.0   4.175   没有得到   14
  4   -0.05   -0.10   -0.518   没有得到   0.8   4.175   没有得到   14
  5   0.00   -0.10   -0.518   -0.488   1.0   4.175   26   14
  6   0.10   -0.10   -0.518   没有得到   1.8   4.328   没有得到   14
  7   0.06   -0.10   -0.518   没有得到   1.8   4.328   没有得到   14
  8   -0.03   -0.10   -0.518   没有得到   0.5   4.175   没有得到   14
  9   0.10   -0.10   -0.518   没有得到   0.6   4.175   没有得到   14
  10   0.10   -0.05   -0.468   没有得到   0.7   4.175   没有得到   14
  11   -0.10   -0.15   -0.568   没有得到   1.3   4.213   没有得到   14
  12   -0.05   -0.10   -0.518   -0.488   1.3   4.213   16   14
  13   -0.05   -0.10   -0.508   -0.468   1.5   5.713   15   14
  14   -0.05   -0.10   -0.528   -0.468   1.5   5.713   15   14
  15   -0.01   -0.05   -0.386   没有得到   1.0   4.513   没有得到   14
  16   -0.05   -0.10   -0.491   没有得到   1.0   3.910   没有得到   14
  17   没有得到   0.00   -0.418   没有得到   没有得到   4.160   没有得到   14
  18   没有得到   -0.05   -0.468   没有得到   没有得到   4.160   没有得到   14
  19   没有得到   -0.10   -0.518   没有得到   没有得到   4.150   没有得到   14
  20   0.00   -0.06   -0.450   没有得到   1.45   4.425   没有得到   14
表2：模型例的光学性能(在1550nm处)
实施例 色散率ps/nm/km 色散斜率ps/nm/km2 κnm   成缆截去nm   针阵列dB/m Aeffμm2 MFDμm λ0nm 衰减dB/km
  1   18.0   0.056   321   1413   0.85   71   9.6   1305   0.172
  2   18.0   0.056   321   1413   0.89   71   9.6   1305   0.172
  3   18.1   0.056   323   1412   0.91   71   9.6   1303   0.173
  4   18.2   0.056   325   1410   0.94   71   9.6   1301   0.177
  5   18.2   0.056   325   1269   2.91   71   9.6   1301   0.175
  6   17.2   0.057   302   1447   0.00   61   8.9   1320   0.174
  7   17.6   0.057   309   1444   0.11   63   9.1   1313   0.174
  8   18.2   0.056   325   1403   1.03   71   9.6   1302   0.175
  9   18.1   0.056   323   1403   0.97   71   9.6   1302   0.175
  10   18.0   0.056   321   1405   0.97   71   9.6   1304   0.175
  11   18.4   0.056   329   1421   0.71   71   9.6   1299   0.175
  12   18.3   0.056   327   1282   2.71   71   9.6   1301   0.175
  13   22.0   0.060   367   1663   0.21   95   10.8   1272   0.172
  14   21.2   0.059   359   1623   0.22   93   10.7   1271   0.172
  15   18.4   0.057   323   1367   8.21   87   10.6   1304   0.172
  16   16.8   0.055   305   1297   4.05   71   9.7   1316   0.175
  17   17.9   0.056   320   1401   1.07   71   9.6   1306   0.172
  18   18.0   0.056   321   1400   1.09   71   9.6   1304   0.174
  19   18.1   0.056   323   1399   1.12   71   9.6   1302   0.174
  20   18.9   0.057   334   1461   0.94   76   9.91   1280   0.174
上表2示出了本发明的各个模型光纤例的光学性能。较佳地，本发明的光纤10显示出可使它们用作光传输系统中的光传播介质的理想的光学性能。具体地说，这些光纤10宜具有约为1270-1325nm的零色散率波长λ0。对光纤10的折射率加以选择，使得其最理想地在1550nm处显示出约16-25ps/nm/km，更好是约17-19ps/nm/km的总色散率。
此外，它们还较佳地在1550nm处显示出小于0.07ps/nm2/km，更好是小于0.06ps/nm2/km的色散斜率。κ，其在本文中定义为在1550nm处的总色散率除以在1550nm处的色散斜率，其较佳的是275-375nm，更好是大于300nm，最好是300-375nm。成缆截去(cabled cutoff)波长宜小于约1530nm，更好是小于1500nm。估计的光纤截去宜小于约1880nm，更好是小于1850nm。较佳地，本发明的光纤10还在1550nm处显示出大于约8μm，更好是大于9.0μm，最好是9-12μm的模场直径。较佳地，光纤10还在1550nm处显示出大于60μm2，更好是大于65μm2，最好是60-100μm2的有效面积。较佳地，本发明的这些光纤10在1550nm处显示出小于0.178dB，更好是小于0.175dB，并且在一些实施方式中是0.173dB或更小的衰减。
光纤10还显示出极好的弯曲损耗性能，在1550nm处优选的针阵列弯曲损耗值小于10dB/m，更好是小于5dB/m。较佳地，对于在20mm直径的心轴上转20圈，在1550nm处的宏弯损耗值小于25dB/m，更好是小于10dB/m，并且在一些实施方式中小于1dB/m。在1550nm处的横向负载损耗宜小于5dB/m，更好的是小于2dB/m。
制备方法
较佳地，掺杂碱的光纤通过将碱金属氧化物扩散在作为光纤的前体的适宜的二氧化硅玻璃制品中来制备。例如，WO2005/021455公开了各种制备掺杂碱的预成形体和光纤的方法。根据目前优选的方法，在第一步中，将适于制备光纤的二氧化硅玻璃管安装在车床(例如玻璃加工车床或常规的改进的化学汽相沉积玻璃形成车床)中的夹盘之间。用于接收碱金属源化合物的优选的环形储槽形成在靠近管的一端。所述管可以是纯二氧化硅或者也可以包含掺杂剂如少量的氟。但是，为了防止碱金属的结晶，优选的是该管基本上不含氯。基本上不含氯意味着氯的含量足够低，从而避免了由于碱金属氯化物结晶而导致的光损耗。另外，二氧化硅玻璃管应基本上不含“水”。“水”是指羟基OH。水会造成在或约在1383nm处的吸收峰，该吸收峰延伸进入光纤的操作波长区域。较佳地，玻璃管含有小于约500ppb(重量)，更好是小于100ppb(重量)，再好是小于约20ppb(重量)的OH。为了确保在扩散碱金属氧化物掺杂剂之前起始玻璃制品基本上不含水，可在二氧化硅玻璃管的制备过程中使用常规的氯干燥技术。但是，应使用最少的氯以降低玻璃中的氯浓度。在多孔烟灰玻璃制品的情况下，较佳的是通过将制品暴露在含氟气氛(氟吹扫)如CF4或SiF4或者它们的组合下来完成干燥，其在氯干燥之后进行，或者代替氯干燥。暴露在含氟气氛(氟吹扫)下优选在小于约1100℃的温度下进行，以避免玻璃掺杂高含量的氟。低含量的氟掺杂是理想的，例如掺杂0.1-0.4重量％的氟。
一旦制备了二氧化硅玻璃管，就将碱源化合物从储槽引入管中。通过热源加热储槽中的碱源化合物以形成蒸汽，管同时旋转并加热。氧气或载气流过碱源化合物进入管中。将含碱气体流入管中，同时加热管，以促进碱金属氧化物扩散入管的内表面。较佳地，用热源将管加热到超过1500℃，更好是约1500-2000℃。较佳地，热源沿管的长度穿过。碱金属氧化物源化合物宜包括选自K、Na、Li、Cs和Rb的元素。较佳地，碱金属氧化物源化合物是溴化物、碘化物或氟化物。最好地，碱金属氧化物源化合物是KBr、KI或KNO3。碱金属氧化物(例如K2O、Na2O、LiO2、Rb2O、Cs2O、以及它们的混合物)宜在管崩塌之前从管的内部扩散表面扩散约100-500微米的深度，由此形成掺杂碱金属氧化物的玻璃管。
在扩散过程后可通过常规方法进行进一步加热管的步骤，以促进管的部分崩塌。一旦进行了扩散掺杂步骤，并且完成了管的任何部分崩塌，就可任选地用适于除去二氧化硅玻璃的蚀刻剂蚀刻管的扩散表面至一定的深度，该深度足以除去已扩散到管的扩散表面的不想要的杂质。例如，可使用HF水溶液作为蚀刻剂。更好的是，使用氟化物气体如CF4、SF6、NF3、C2F6、以及它们的混合物。从内表面除去的物质的量取决于扩散和任何部分管的崩塌过程中的工艺条件，但是蚀刻条件优选足以导致从表面除去玻璃至碱金属氧化物的总扩散深度的至少约5％的深度。一旦完成了任选的蚀刻，就进一步用热源加热二氧化硅玻璃管以使管崩塌，形成掺杂碱金属氧化物的固体玻璃杆。然后，较佳地，可用合适的蚀刻剂蚀刻掺杂碱金属氧化物的固体玻璃杆，以除去一些或者所有在管崩塌过程中由燃烧形成的水合玻璃。
任选地，掺杂碱的玻璃杆可在再拉炉中加热并拉伸成直径小于掺杂碱的玻璃杆的原始直径的更小的玻璃杆。由再拉工艺得到的小直径玻璃杆的外径较佳的是3-10mm，更好是小于6mm。根据这一方法，可得到小直径玻璃杆，其碱金属氧化物(例如K2O)的峰值浓度较佳的是约2-4重量％。具体地说，具有非常小直径的掺杂碱的杆是有利的，因为这将杆中存在的过渡金属杂质非常集中在靠近光纤的中心线处，从而使不利的影响最小。
一旦形成了小直径的掺杂碱的玻璃杆，就可将其作为起始杆，使用OVD方法在其上沉积附加的多孔玻璃烟灰作为外包层(overclad)。具体地说，将玻璃手柄附接在前述制备的小直径的掺杂碱的玻璃杆上，成为最终预成形体的整体部分。手柄提供了在后续加工步骤中支撑得自沉积方法的二氧化硅玻璃预成形体的方法。附接了手柄的玻璃杆安装在车床上，并相对于火炉旋转和平移，该火炉可以是例如美国专利4,165,223中公开的类型。将来自源的燃料气体和氧气，或空气供给火炉。燃烧该混合物以产生火炉中射出的火焰。在火焰中氧化二氧化硅前体气体-蒸汽混合物以形成含二氧化硅的烟灰流，该烟灰流导向玻璃杆。用于将气体-蒸汽混合物输送到火炉中的合适的手段为本领域所熟知，为了说明可以参考美国专利3,826,560、4,148,621和4,173,305中的例子。火炉通常在提供可接受的高沉积率和效率，同时将其表面上的烟灰形成减至最少的条件下操作。在这些条件下，来自火炉口的气体和反应物的流率、所述火炉口的尺寸和位置、及其轴向取向，使得高浓缩的烟灰流从火炉流向玻璃杆。通过使玻璃杆穿过火炉多次以形成含二氧化硅烟灰的多层来形成烟灰涂层，从而形成复合烟灰预成形体。也可通过沿旋转玻璃杆来回移动火炉或者通过结合平移火炉和玻璃杆来实现平移。烟灰涂层形成复合预成形体的至少一部分芯玻璃，该部分较佳地由基本上纯的二氧化硅组成。较佳地，烟灰涂层的密度大于0.35g/cc，更好是约0.35-0.5g/cc。
然后，通过将复合预成形体暴露在含氯气体中并在炉中加热来干燥，以使复合预成形体玻璃化(consolidate)，形成方法的步骤中所述的透明的、固体玻璃化的光纤芯预成形体。在玻璃化步骤中，较佳的是对复合预成形体进行氟吹扫以除去初始干燥过程中形成的不理想的氯。这一吹扫包括暴露在含氟气体中，但是例如仅添加少量的氟(0.1-0.4重量％)。然后，透明的玻璃芯预成形体可在类似于上述方法的方法中再拉，形成第二芯杆。可通过加入附加的玻璃，如通过化学汽相沉积沉积玻璃烟灰进一步加工所述第二芯杆，以形成另一个光纤预成形体。对玻璃烟灰进行干燥，氟掺杂以达到本文中描述的理想的氟掺杂量，玻璃化，以及再拉成为更小直径的杆。通过灌注掺杂(flood doping)(参见US4,629,485)用氟对二氧化硅进行足够的向下掺杂。所述掺杂宜足以达到相对折射率Δ2％较佳的是-0.39％至-.70％，以纯二氧化硅为基准计。通过将包层烟灰置于温度约为1125-150℃的炉中的含氯气体中约60分钟来首先干燥包层烟灰。接着，将烟灰预成形体暴露在温度为1150-1225℃的含氟气体(例如SiF4或CF4)中约90-105分钟，然后较佳的是在含氟气体存在下以约6-10mm/分钟的速度向下通过热区(1390-1460℃)来玻璃化。该预成形体可被再拉以形成第三杆，并再次重复这样一些步骤，即沉积、干燥、氟掺杂和玻璃化，直至形成合适直径的最终预成形体。在制备了完整的光纤预成形体之后，将完整的光纤拉制预成形体拉成掺杂碱金属氧化物的光纤。
制备例
如上所述制备以下本发明实际例子的光纤。用于实施例A和B的所得的光纤折射率分布分别如图20-21所示。对光纤进行微探针分析，光纤中的掺杂剂浓度与半径的函数关系图示于图23，其中曲线21代表K2O的浓度(重量％)，曲线23代表F的浓度(重量％)，曲线25代表Cl的浓度(重量％)。制备的光纤的例子显示出如下所示的光学性能。
表3：制备的光纤的例子的光学性能(在1550nm处)
实施例   色散率ps/nm/km   色散斜率ps/nm/km2   κnm   MFDμm   Aeffμm2   宏弯dB/m   横向负载dB/m   衰减dB/km
  A   18.1   0.059   307   11.4   97.8   21.9   1.16   0.170
  B   18.1   0.055   328   9.8   73.3   0.01   0.20   0.173
在不偏离本发明的范围的前提下，本领域技术人员可以显而易见地对本发明进行各种修改和改变。因此，本发明意图覆盖所附权利要求书及其等价内容的范围所提供对本发明的修改和改变。

Claims (20)

1.一种光纤，它包括：
芯，所述芯包括SiO2、氟、以及选自K、Na、Li、Cs、Rb及其混合物的碱金属的氧化物，该碱金属氧化物的含量为至少20ppm重量％，并且所述芯具有在距离光纤中心线2微米偏差处测得的芯相对折射率(Δ1％)；以及
包层，所述包层包括包围所述芯的内部包层，所述内部包层包括氟，所述内部包层的内部包层相对折射率(Δ2％)，以纯二氧化硅为基准测定，是-0.39％至-0.7％。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯的相对折射率(Δ1％)为0.0％至-0.15％。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯的相对折射率(Δ1％)为-0.02％至-0.12％。
4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯还包括大于1000ppm重量％的氟和20-1000ppm重量％的碱金属氧化物。
5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，Δ2％-Δ1％为-0.42％至-0.38％。
6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯包括α值为12-20的α折射率分布。
7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯还包括中心部分，所述中心部分的中心相对折射率(Δ0％)相对于芯的相对折射率(Δ1％)而言是正的，或者负得较少。
8.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述中心相对折射率(Δ0％)为-0.15％至0.20％。
9.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述中心部分的外侧半径(R0)为0.2-1.5μm。
10.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯还具有3.9-6.0μm的外侧半径(R1)。
11.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述包层还包括包围所述内部包层的外部包层，所述外部包层的相对折射率(Δ3％)等于(Δ2％)+/-0.05％。
12.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，对所述折射率分布加以选择，以在1550nm处获得16-25ps/nm/km的色散率。
13.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，对所述折射率分布加以选择，以在1550nm处获得小于0.07ps/nm2/km的色散斜率。
14.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，对所述折射率分布加以选择，以在1550nm处获得大于60μm2的有效面积。
15.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，对所述折射率分布加以选择，以在1550nm处获得小于0.178dB/km的衰减。
16.如权利要求15所述的光纤，其特征在于，所述在1550nm处的衰减小于0.175dB。
17.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，对所述折射率分布加以选择，以获得对于在20mm直径的心轴上转20圈，在1550nm处的宏弯损耗小于1dB/m。
18.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，对所述折射率分布加以选择，以获得1275-1325nm的零色散波长。
19.一种光纤，它包括：
芯，所述芯包括
SiO2，
选自K、Na、Li、Cs、Rb及其混合物的碱金属的氧化物，
氟，其含量为0.1-0.4重量％，以及
氯，其含量小于500ppm重量％，
所述芯具有在距离光纤中心线2微米偏差处测得的0.0％至-0.15％的芯相对折射率(Δ1％)；以及
包层，所述包层包括包围所述芯的内部包层，所述内部包层包括氟，所述内部包层的包层相对折射率(Δ2％)，以纯二氧化硅为基准测定，是-0.39％至-0.7％。
20.一种光纤，它包括：
芯，所述芯包括SiO2、氟、氯、以及选自K、Na、Li、Cs、Rb及其混合物的碱金属的氧化物，所述芯具有在距离光纤中心线2微米偏差处测得的0.0％至-0.15％的芯相对折射率(Δ1％)、3.9-6.0μm的外侧半径(R1)、以及α值为12-20的的α折射率分布；以及
包层，所述包层包括包围所述芯的内部包层，所述内部包层包括氟，所述内部包层的包层相对折射率(Δ2％)，以纯二氧化硅为基准测定，是-0.39％至-0.7％，
其中，对所述光纤的折射率分布加以选择，以获得
在1550nm处为15-25ps/nm/km的色散率，
在1550nm处小于0.07ps/nm2/km的色散斜率，
在1550nm处大于60μm2的有效面积，以及
在1550nm处小于0.178dB/km的衰减。
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