[发明专利]氧化物玻璃的硫属化物掺杂

说明书

                          发明背景

1.发明领域

本发明涉及用作光纤的玻璃制品，具体地说涉及其纤芯用硫族元素(即，硫，硒)掺杂以提高纤芯折射率的光纤。

现有技术

光波导是低损耗纤丝，近年已开发为高容量光通信系统的传输介质。为高效地获得这种结果，要求光波导具有由式NA＝(RT_core²-RI_clad²)^1/2定义的非零的数值孔径(NA)值，式中RT_core是所关心波长上的纤芯折射率，RI_clad是包层折射率。为得到这些值，上式要求纤芯折射率(RI)大于包层折射率。

而且，光波导通常被集束成光缆或束，以提供容量，每条纤维连结到各自的光源。还能将纤维集束以在断线情况下提供备用，以及用于传输由一个光源产生的更大量的光。

二氧化硅是电信和光学应用中最重要的氧化物材料，部分原因是通过化学汽相沉积法能获得特别高的纯度。现有技术的方法一般是在燃料空气或燃料氧气火焰中燃烧前质卤化物或有机金属化合物。所产生的细微粉体被置于基底上并熔凝成大块玻璃。硅中可加入其他成分，只要送入燃烧器的蒸汽压力足够高就可。已知的例子包括磷、硼、锗和钛。每一种情况中，金属与火焰中从氧化剂和周围大气获得的氧结合。也可加入有限量的氟，通常是在熔凝期间将氟吹到微粉体上。但要加入与氟不同的阴离子则极为困难。

二氧化硅中加入金属氧化物以获得新的光学性质。例如加入钛和锗以提高折射率和/或获得写入光栅需要的光折射效果。对掺杂了硅化锗基1.5微米铒的放大器玻璃加入铝，以获得更宽、更平坦的增益谱。

如电信光纤技术的技术人员所熟知的，纤芯材料的折射率必须高于包层材料的折射率，以支持光信号的传输。如上所述，一般通过掺杂钛和锗这样的材料来完成。已知这些和其他材料可以提高二氧化硅玻璃的折射率，但这些材料不利于其他特性，极难合成一体，或者在诸如电信传输等应用中成本高，尤其是对于不想有的信号吸收或信号固有散射。由于对有用金属掺杂剂和加入阴离子物质的方法有严格限制，所以妨碍了波导光纤对电信技术的推进。

高质量光波导在进入市场之前必须满足许多严格的要求。其中一些物理要求可包括：传输的光信号具有最小损耗；物理强度较高；以及膨胀系数较低。光波导的制造过程增加了可用材料类型的限制。这种限制包括：严格的粘度范围、掺杂剂挥发性最小、在预制棒和再拉丝操作中保持圆度、纤芯和包层具有相似的膨胀系数、纤芯软化温度低于或接近包层软化温度，以及再拉丝期间较高的抗张强度。

此外，根据对单模或多模波导的需要，针对一特定的纤芯半径，数值孔径(NA)必须具有规定的值。NA值由涉及纤芯和包层材料折射率的公式导出，所以对NA值的限制会限制为纤芯或包层成分选择材料。

对光通信系统中用作传输介质的严格光学要求否定了使用从熔融前质获得的玻璃，因为由散射和不纯度吸收两者引起的衰减显得太高。因此，有待开发独特的方法来制备纤丝形式的、纯度非常高的玻璃。

在理想情况下，熔凝的光纤预制件沿其长度应具有均匀的特性。但实际上发现，熔凝过程会使熔凝预制件沿其长度产生“轴向趋势”，以致从预制件尖端生产的光纤与由预制件中部生产的光纤具有不同的特性。类似地，由预制件中部生产的光纤与手柄端产生的光纤具有不同的特性。诸如锗等金属掺杂剂加剧了这一问题。因此，需要另外的掺杂剂。

从一些设计和工艺限制可见，光纤的成分受严格地限制。强烈希望能认识并利用新的成分和新的生产工艺。

                          发明内容

本发明的一个方面涉及含有充属化物(如硫)的百分比至少为0.01mol、较好是0.05mol以及最好为0.1mol的光波导。波导较好地还主要地由二氧化硅组成，例如大于85摩尔百分比。在较佳实施例中，光波导是含有纤芯和包层的光纤，纤芯和包层的折射率彼此被配置成使得纤芯能够导光。

被加到硅酸玻璃中的较佳的硫族元素包括硫和硒，最好是硫。在最佳的实施例中，波导或光纤至少包含0.5、较好地大于0.1摩尔％的硫。

光纤或其他波导还可包含选自磷、铝和硼以及它们的混合物的元素，以改变材料的折射率或光学特性。同样，波导还可包含选自锗、钛、锆、镧、砷和锑以及它们的混合物的金属离子。

光波导还可包含镧系金属以产生光学活性(如用作放大器或放大器玻璃)。