专利名称：光纤和光纤预制件的制作方法在芯区域中含有碱金属元素的石英玻璃纤维在专利文献JP2005-537210A、US2006/0130530A, JP2007-504080A, JP2008-536190A、JP2010-501894A、JP2009-541796A、JP2010-526749A、W098/002389和US5，146，534中有所描述。据称如果光纤预制件的芯部分含有碱金属元素，则在将光纤预制件拉伸为光纤时，芯部分的粘度可降低，并且石英玻璃的网状结构的松弛得到增强，因此所得光纤的衰减会降低。专利文献JP2005-537210A和US2006/0130530A描述了一种作为扩散方法的向石英玻璃中添加碱金属元素的方法。该扩散方法为这样的方法:在将含有碱金属元素或碱金属盐的材料蒸气导入玻璃管的同时，通过用外部热源加热玻璃管或通过在玻璃管内部产生等离子体，从而向玻璃管的内表面中进行碱金属元素的扩散掺杂。在按照上述方式在玻璃管的内表面附近用碱金属元素掺杂玻璃管后，对玻璃管进行加热以减小其直径。在所述直径减小后，对玻璃管的内表面进行一定厚度的蚀刻，以除去包括水和过渡金属元素(例如Ni和Fe)的污染，所述过渡金属元素在添加碱金属元素的同时不可避免地被加入进来。由于碱金属元素的扩散比过渡金属元素的扩散更快，所以即使通过蚀刻一定厚度的玻璃表面来去除过渡金属元素时，也可保留碱金属元素。在这种蚀刻后，通过加热使玻璃管塌缩，从而制备含有碱金属元素的芯棒。在含有碱金属的芯棒的外部上形成包层，从而制造光纤预制件。可以通过将光纤预制件拉伸成纤维而制造光纤。
本发明的目的是提供一种光纤，并提供一种适于通过拉伸来制造这种光纤的光纤预制件，其中所述光纤的芯区域中含有碱金属元素，并且该光纤的衰减低且具有优异的耐辐射性。为实现上述目的，本发明的光纤具有芯区域和包围芯区域的包层区域，从而使芯区域含有平均浓度为0.2原子ppm以上的碱金属。与辐射暴露之前的衰减相比，在暴露在累积吸收剂量为0.1OGy的辐射后，光纤在1550nm波长处的衰减增量显示为0.02dB/km以下。此处所用的“原子ppm”是在I百万单位的SiO2中的掺杂原子的个数，此处所用的“吸收剂量”是用于液态水的值，其为用于石英玻璃的值的1.1倍。在本发明的光纤中，芯区域中碱金属的平均浓度可以为25原子ppm以下。芯区域中的碱金属可以为钾。在1550nm波长处的衰减可以为0.180dB/km以下。芯区域在径向坐标rl中具有最小折射率NI,所述径向坐标rl小于芯区域中具有最大折射率N2的径向坐标r2，并且在芯区域的中心轴处的折射率N3可以满足N1〈N3〈N2。此处，光纤中的位置通过圆柱坐标表示。本发明的光纤的芯区域可进一步含有最小浓度为300原子ppm以上的氯。在这种情况下，氯的平均浓度可以为13，OOO原子ppm以下且2，000原子ppm以上。在芯区域中，氯的最小浓度可以为2，000原子ppm以上，并且氯的平均浓度可以为4，000原子ppm以上且13，000原子ppm以下；碱金属的平均浓度可以为0.2原子ppm以上且10原子ppm以下；除碱金属和卤素之外的其他掺杂剂的浓度可以小于卤素的平均浓度；并且在1550nm波长处的衰减可以为0.180dB/km以下。本发明的另一个实施方案为一种光纤预制件，其具有将成为光纤的芯区域的芯部分和将成为光纤的包层区域的包层部分，其中芯部分包括第一芯部分，该第一芯部分包括中心轴；与第一芯部分外接的第二芯部分；以及与第二芯部分外接的第三芯部分，并且其中在第一芯部分中，碱金属的最小浓度为10原子ppm以上，并且氯的最大浓度为10原子ppm至600原子ppm ;在第二芯部分中，碱金属的最大浓度为10原子ppm以下,并且氯的最大浓度为10原子ppm至600原子ppm ;并且在第三芯部分中，碱金属的最大浓度为10原子ppm以下，并且氯的平均浓度为2，000原子ppm以上。在本发明的光纤预制件中，芯部分中的碱金属的平均浓度可以为1,000原子ppm以下，并且第三芯部分中的氟的最大浓度可以为200原子ppm以下。芯部分可以在径向坐标:Tl处具有最小折射率NI,所述径向坐标rI小于芯区域中具有最大折射率N2的径向坐标r2，并且在芯部分的中心轴处的折射率N3可以满足N1〈N3〈N2。本发明的效果本发明的光纤在芯区域中具有碱金属元素，并且显示出低衰减和优异的耐辐射性。附图简要说明图1为示出伽玛射线的累积吸收剂量和1550nm波长处的衰减增加之间的关系的图。图2为示出在1550nm波长处的衰减增加和芯区域中的平均钾浓度之间的关系的图。图3 (a)部分为示出在光纤预制件中芯部分附近的钾浓度和氯浓度的径向分布的图，并且图3 (b)部分为示出在光纤的芯部分的附近氯浓度的径向分布的图。图4为示出光纤预制件的折射率曲线的图。图5示出了光纤预制件的示例性折射率曲线的概念图。图6为光纤预制件的折射率曲线的概念图。0.0dB/km以上至0.15dB/km以下；在97%的光纤中，衰减的增加为0.10dB/km以下；并且在50%的光纤中，衰减的增加为0.05dB/km以下。所有试样在1，530nm至1，61Onm的波长范围内都未发生显著的衰减增加，从而获得了令人满意的结果。另外，在0.1个大气压的氢分压下于40°C的温度下进行3个月的氢处理的过程中，在1420至1610nm的波长范围内未出现异常的衰减峰。关于强度特性，静态疲劳系数(Ns)和动态疲劳系数(Nd)(已知这两个参数通常为表示光纤断裂概率的参数)均在18至27的范围内，从而可获得满意的结果。在下文中，将对合适的光纤预制件进行阐述，可通过拉伸该光纤预制件从而制造上述这种光纤。如果在光纤预制件中生成了碱金属盐，则易于形成SiO2晶体(方英石)和气泡。因此，为了制造芯中同时含有碱金属和氯元素的光纤，如下设计是有利的:在含有高浓度碱金属的第一芯部分中，所含的氯的浓度较低。为了提高整个芯部分中的氯浓度，可行的方法是使第一芯部分被第三芯部分包围，其中该第三芯部分基本上不含碱金属，并且含有高浓度的氯元素。此外，可取的是，在第一芯部分和第三芯部分之间，设置具有低浓度的碱金属和氯的第二芯部分，从而可以防止碱金属元素和氯元素之间的相互扩散，因此在制造光纤预制件的过程中不会生成碱金属盐。S卩，光纤预制件的芯部分从其中心开始依次具有第一芯部分、第二芯部分和第三芯部分。在第一芯部分中，碱金属的浓度高并且氯的浓度低。第三芯部分基本上不含有碱金属元素，但是含有高浓度的氯。在存在于第一芯部分和第三芯部分之间的第二芯部分中，碱金属和氯的浓度均较低。如果在合适的条件下仅拉伸这样的光纤预制件即可获得所希望的光纤。具体而言，光纤预制件中芯部分内的碱金属的平均浓度优选为5原子ppm以上且150原子ppm以下；在第一芯部分中，碱金属的最小浓度为10原子ppm以上,并且氯的最大浓度为600原子ppm以下；在第二芯部分中，碱金属的最大浓度为10原子ppm以下,并且氯的最大浓度10原子ppm以上且600原子ppm以下；并且在第三芯部分中，优选的是，碱金属的最大浓度为10原子ppm以下,并且氯的平均浓度为2，000原子ppm以上。氯的平均浓度可以为13，000原子ppm以下。另外,第一芯部分中碱金属的峰浓度可以为500原子ppm以上且5，000原子ppm以下。更优选的是，第一芯部分中和第二芯部分中氯的最大浓度均为10原子ppm以上且200原子ppm以下。第一芯部分和第二芯部分所含的氟的最大浓度可均在3，000原子ppm至15，000原子ppm的范围内。为了保持芯部分的高折射率，优选的是，第三芯部分基本上不含有氟，第三芯部分中氟的最大浓度为200原子ppm以下。优选的是，芯部分基本上不含有杂质。例如，有利的是，在整个芯部分中，过渡金属(例 如Fe、Ni和Cu)平均浓度为IOppb以下。类似地，芯部分中OH基团的浓度优选为IOOppb以下。优选的是，芯部分不含有Ge、P等，并且芯部分中除了碱金属元素和卤族元素之外的其他掺杂剂的浓度小于芯部分中的卤素的平均浓度。优选的是，包层部分由含有氟元素的石英玻璃制成，并且其折射率低于第三芯部分的折射率。对于拉伸方式，如下条件是可取的:拉伸速度(加工成光纤的速度)为(例如)1，OOOm/分钟以上且3，OOOm/分钟以下；拉伸张力(施加至光纤的玻璃部分的张力)被设定为30gf以上且150gf以下(0.3N以上且1.5N以下);并且以直径为小于或等于200 μ m的玻璃纤维的形式在高温拉伸炉中停留0.01至0.3秒的时间。光纤预制件的外径可以为70_以上且180mm以下，并且光纤的玻璃部分的外径可以为100 μ m以上且150 μ m以下。图3 (a)部分为示出在光纤预制件中芯部分附近的钾浓度和氯浓度的径向分布的图。图3 (b)部分为示出在光纤的芯部分的附近氯浓度的径向分布的图，其中所述光纤通过拉伸图3中(a)部分的光纤预制件而形成。在此情况下，将作为碱金属元素的钾元素添加到光纤预制件的芯部分中，从而使最大浓度可为约800原子ppm，并且芯部分中的平均浓度可为约10原子ppm。用于将光纤预制件拉伸为光纤的条件设定如下:拉伸速度为1，300mm/分钟；拉伸张力为70gf ;并且以直径为小于或等于200 μ m的玻璃纤维的形式在拉伸炉中停留约0.05秒的时间。在具有这样的氯浓度径向分布和氟浓度径向分布的光纤预制件中，芯部分的中心轴附近的折射率较低，并且在中心轴的外周周围的折射率较高。即，芯部分在径向坐标rl处具有最小折射率NI，所述径向坐标rl小于芯部分中具有最大折射率N2的径向坐标r2。在碱金属元素的扩散掺杂时，碱金属与氟反应，因而产生碱金属氟化物盐。存在碱金属氟化物盐从玻璃管的内表面脱附的情况，这使玻璃管内表面的折射率增加。在通过使该玻璃管塌缩获得的含有碱金属元素的玻璃棒中，中心部分附近的折射率可高于最小值。即，光纤预制件可以满足N1〈N3〈N2，其中N3为芯部分的中心轴(r = O)处的折射率(图4)。通过加热过程(如拉伸过程)中光纤中的残余应力分布以及氯和氟的热扩散，光纤的径向折射率分布将不同于光纤预制件的折射率分布。然而如同在光纤预制件中的情形一样，关于光纤中的折射率分布，在径向坐标rl处具有最小折射率NI,所述径向坐标rl小于芯区域中具有最大折射率N2的径向坐标r2。芯区域可以满足N1〈N3〈N2，其中N3为芯区域的中心轴(r = O)处的折射率。在下文中，将对光纤预制件的组成以及所得光纤的特征进行解释。当用Dl表示光纤预制件的第一芯部分的直径，用D2表示第二芯部分的直径，并用D3表示第三芯部分的直径时，D3/D1的比值优选为2至10，并且D2/D1的比值为1.1至6。第三芯部分相对于包层部分的最小折射率的相对折射率差的最大值优选为0.15%至1.0%。本发明的光纤预制件可以为光纤预制件的中间产物，并且在该中间产物的外周上进一步设置石英系玻璃。该光纤预制件的芯部分和包层部分均可具有折射率的结构，并且其折射率分布可以具有(例如)图5中所示的多种形式，但不限于这些形式。在图6中所示的光纤预制件的折射率分布中，将径向坐标r处的折射率表示为N(r)。在径向坐标L处的折射率N (L)为最大值Nmax。此处，将其中径向坐标r小于R的区域定义为芯部分，其中
RI > I LI，并且(Nmax-N (R)) /Nmax 为 0.15%。光纤在1550nm波长处的衰减优选为0.180dB/km以下，更优选为0.170dB/km以下，并且最优选为0.160dB/km以下。波长1，550nm下的有效截面面积可为约70μηι2至160μηι2。在波长1，550nm下的色散可为+15ps/nm/km至+22ps/nm/km。零色散波长可以为1250nm以上且1350nm以下。在1550nm波长处的色散斜率可以为+0.05ps/nm2/km以上且+0.07ps/nm2/km以下。在1380nm波长处的衰减优选为0.8dB/km以下，更优选为0.4dB/km以下，并且最优选为0.3dB/km以下。 在1550nm波段下的偏振模色散可以为0.2ps/ V km以下。光缆截止波长可以为1530nm以下，并且更优选为1450nm以下(该波长为拉曼放大器中使用的泵浦波长)。另夕卜，与标准单模光纤的情况相同，光缆截止波长可以为1260nm以下。芯区域的直径可以为约5 μ m至15 μ m，并且芯区域和包层区域之间的相对折射率差值的最大值(芯区域的折射率-包层区域的折射率)/(芯区域的折射率)可以在0.15%以上且1.0%以下范围内。光纤的玻璃部分的外径可以为约ΙΙΟμπι至150μπι，并且树脂包覆的光纤的外径可以为约200μπι至 300 μ m。


本发明提供了一种光纤和光纤预制件，其中该光纤含有碱金属元素并且显示低衰减以及优异的耐辐射性的光纤。本发明的光纤具有芯区域和包围该芯区域的包层区域。该芯区域含有平均浓度为0.2原子ppm以上的碱金属元素。与辐射暴露之前所显示的衰减相比，在暴露在累积吸收剂量为0.10Gy的辐射后，所述光纤在1550nm波长处的衰减增量为0.02dB/km以下。