專利名稱：一種在光纖上施用非晶態(tài)硼基保護(hù)層的方法和包括這種涂層的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將非晶硼基保護(hù)層應(yīng)用到光纖和包含這種涂層的光纖。
眾所周知，常規(guī)的光纖結(jié)構(gòu)是光纖包括一個封于光纖包層中的光纖纖芯，用于引導(dǎo)大部分的光波，纖芯和包層是由基于氧化硅材料摻雜到纖芯和包層區(qū)或多或少不同的程度而構(gòu)成?！肮饫w包層”在此廣義的定義即光纖包層包括所有包圍著纖芯的基于氧化硅的，層，不管包層是通過何種方法得到。
在某些已知的光纖中，光纖包層直接由樹脂涂層覆蓋，此設(shè)計是為了部分地避免光纖遭受微彎帶來的后果，尤其是當(dāng)光纖被安裝到光纜中時帶來的后果。在安裝和使用過程中，光纖受到折彎和牽引應(yīng)力，導(dǎo)致長時間的機械疲勞，即會損害它的機械性能，以致于破壞它的傳遞性能。
在別的已知光纖中，設(shè)計成主要用于潮濕環(huán)境中的光纖(尤其是在水下的應(yīng)用)，在那兒光纖易于受到水和氫氧根離子(OH-)的作用，因此光纖保護(hù)層直接淀積在光纖包層上，樹脂涂層下。當(dāng)光纖受到導(dǎo)致機械疲勞的應(yīng)力并因而在其表面引起微裂時，由潮濕或OH-離子的侵蝕造成它表面微裂的加深使其破裂，損害光纖。
在周知的方法中，提供到上述光纖上的保護(hù)涂層一般是由非晶體的或湍層的碳組成(即有一種提供的密封優(yōu)于石墨碳的密封性的結(jié)構(gòu))，例如，碳可通過化學(xué)的方法從汽相淀積到光纖上。
然而，這種碳保護(hù)層并不是完全令人滿意的雖然它對光纖提供充分地密封，但因為它的硬度不夠高，因而呈現(xiàn)較差的抗磨蝕性。對當(dāng)大量光纖安裝進(jìn)光纜時彼此之間的磨擦或與光纜內(nèi)壁間的磨擦造成的光纖長期的磨損保護(hù)不足。不幸的是磨損在光纖表面造成的微裂會導(dǎo)致光纖破裂的危險。
為避免光纖的磨損，光纖的樹脂涂層必須非常厚，尤其不能薄于60μm。遺憾的是，在現(xiàn)今的情況下，這對提高光纖光纜的容量又是非常不利的，因此光纜最多可容納50～100根光纖。所以很厚的樹脂涂層妨礙光纜的緊湊性，而緊湊性在將光纜應(yīng)用到小空間處又是必需的。
美國專利US-4 319 803中提供一種由各種材料制成的保護(hù)層，材料包括非晶硼，涂層被認(rèn)為能夠克服上述的缺點。
然而，該專利沒有提出任何將上述非晶硼保護(hù)層應(yīng)用到光纖上的方法。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種方法將非晶硼基保護(hù)層施加到光纖上。
為此目的，在本發(fā)明提供的一種將非晶硼基保護(hù)層施加到光纖上的方法中，光纖包括封閉于光纖包層中的光纖纖芯，二者均由基于氧化硅的，材料制成，上述方法的特征在于硼用化學(xué)方法在1050℃～1250℃的范圍內(nèi)從汽相淀積到光纖的表面，通過氫氣H2來減少氯化硼B(yǎng)Cl3。
在此非常顯著的方式中，觀察到在1050℃～1250℃的溫度范圍內(nèi)，通過氫G2而使得BCl3的減少伴隨著光纖的硼和二氧化硅之間有限的固相反應(yīng)，引致硼淀積層優(yōu)良的粘固性。這里在低溫環(huán)境中，觀察到包含氯化硼的汽相和固態(tài)二氧化硅表面之間發(fā)生反應(yīng)，這導(dǎo)致光纖表面的高腐蝕和非晶硼層與光纖之間的低粘固性。
在較高溫度下，硼和二氧化硅之間的固相反應(yīng)非常強烈，導(dǎo)致光纖表面形成很厚的氧化硼B(yǎng)2O3層。
因此，本發(fā)明根據(jù)上述顯著的觀察現(xiàn)象，使溫度范圍確定在硼和二氧化硅之間存在限定的反應(yīng)的范圍內(nèi)，這使得在硼和二氧化硅之間形成很薄的反應(yīng)層，增強了非晶硼對光纖的粘接性。
另外，在顯著的方式中還觀察到淀積的非晶硼層比非晶硼淀積到相對于硼不活潑的襯底上形成的非晶硼層堅硬許多。相對于硼不活潑即不與硼發(fā)生作用、不象二氧化硅。因此，不活潑襯底上的非晶硼的Vickers硬度在3000kg/mm2～4000kg/mm2的范圍內(nèi)，此處淀積的硼與本發(fā)明關(guān)于在4700kg/mm2～7800kg/mm2范圍內(nèi)的石英光纖一致(在此指出，自然金剛石的維氏硬度為9000kg/mm2)。這是因為這一事實在1050℃～1250℃的溫度范圍內(nèi)，硼與二氧化硅間的反應(yīng)雖然受到限制，但它是非常有利的，因為在預(yù)想不到的方法中，它導(dǎo)致非晶硼層被來自二氧化硅的硅摻雜。這種現(xiàn)象似乎是淀積的硼層高硬度的起源。
另外，眾知為了使硼晶體化，需要將其在t期間內(nèi)保持在一個高溫下，所述的期間t隨溫度而減小。然而，觀察到1050℃～1250℃的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)光纖消耗硼以不小于100m/mim(對應(yīng)于常規(guī)的光纖拉制速度)的速度淀積其上的反應(yīng)物時，硼涂覆的光纖保留在反應(yīng)物中的時間不小于t，這使得在上述的溫度中，淀積的硼層是非晶化的，即是非結(jié)晶的。
光纖上的非晶硼層增長率至少為0.10μm/s最好在約0.25μm/s附近的范圍內(nèi)。通過設(shè)置這樣的下限，通過對與光纖的反應(yīng)速度給定的各種反應(yīng)劑流量的適當(dāng)選擇，將非晶淀積的操作時間限制起來，因而限制了硼與二氧化硅之間的反應(yīng)率，并達(dá)到令人滿意的粘接和硬度。另外，大于0.10μm/s的增長率保證淀積的硼在淀積反應(yīng)的溫度下沒有時間結(jié)晶。
在1100°～1200℃溫度范圍中，可得到本發(fā)明方法的最佳效果。
在有利的方式中，氯化硼的摩爾濃度與氫氣的摩爾濃度之比R的范圍在1/20～1/4。在這個范圍內(nèi)可觀察到淀積的硼層有特別高的維氏硬度，尤其是大于4700kg/mm2的強度(維氏硬度隨R增加)，還可觀察到硼與二氧化硅的反應(yīng)率水平低下(硼與二氧化硅的反應(yīng)率隨R增加)，使硼與二氧化硅間的反應(yīng)受到限制，以得到上述的薄反應(yīng)層。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，硼涂層的施加與光纖拉制一致，光纖的拉制速度不小于100m/min。
為得到無序的、即非晶體的硼層，需要補充的氣態(tài)反應(yīng)劑BCl3和H2在淀積反應(yīng)器中的比率很高。在本發(fā)明中，這可利用光纖以較高的速度通過反應(yīng)器，即以不低于100m/min的速度通過反應(yīng)器而得到。
另外，氣相的氣太在大氣壓值的附近是有利的，這使得硼保護(hù)層的施加與光纖拉制相一致。
最后，根據(jù)本發(fā)明的很有利的特點，可以給汽相反應(yīng)劑的初始混合物增加汽相混合劑這是硅的母體，如SiH4，SiH3Cl，SiH2Cl2，SiHCl3，或SiCl4這些化合物以反應(yīng)率下降的順序給出。加上這些化合物使得非晶硼層被硅摻雜，因而得到非常堅硬的淀積層。另外，汽相混合物中硅化合物的出現(xiàn)使汽相與光纖的二氧化硅間的初始反應(yīng)得到限制和控制。硼淀積到光纖上的粘固性達(dá)到最佳。
本發(fā)明還提供一種光纖它包括封閉于光纖包層中的光纖纖芯，包層和纖芯均由基于氧化硅的，材料制作，還包括一個淀積于上述光纖包層之上的非晶硼基保護(hù)層。
上述光纖的特征在于上述保護(hù)層包括一與上述光纖包層接觸的中間層，它來自于硼與二氧化硅的反應(yīng)；一位于上述中間層頂部的非晶硼層。
另外，硼層可被硅摻雜。
本發(fā)明的別的特點及優(yōu)點通過下列對本發(fā)明方法的描述、利用非限定的例子表現(xiàn)出來。
在下列圖中

圖1是本發(fā)明的帶有非晶硼基保護(hù)層的光纖的截面圖；圖2是包括用于執(zhí)行本發(fā)明方法的硼淀積反應(yīng)物的光纖拉制機簡圖。
在圖中，共同的部件用相同的標(biāo)號。
首先重提一下無序的硼是非晶體硼，特征在于在其結(jié)構(gòu)中不存在晶粒邊界，它有良好的密封性能和高的斷裂強度。因此它與非晶體碳在密封性具同樣的優(yōu)點。然而，它比非晶硼堅硬的多，因而給予光纖增強的抗磨損性，這樣的樹脂保護(hù)層厚度與構(gòu)造在碳基體上的保護(hù)層相比可被大體的減小，并且樹脂層甚至可以省去。
回想到非晶結(jié)構(gòu)的特征在于其結(jié)構(gòu)的無序性。1％含量的晶粒對應(yīng)于不能避免出現(xiàn)的結(jié)晶的痕跡，并且以非晶硼層結(jié)構(gòu)的缺陷表現(xiàn)出來，對保護(hù)層預(yù)期的性能沒有重大的影響。對于這種晶化的晶粒含量，可以說淀積的硼“基本”是非晶或無定形的。
圖1表示的本發(fā)明光纖，包括從外到內(nèi)的共軸淀積基于氧化硅的光纖纖芯2，用于引導(dǎo)大部分的光波；也是基于氧化硅的光纖包層3；位于硼和二氧化硅之間的很薄的中間作用層4；非晶硼層4；厚度小于50μm、最好是10μm左右的可選樹脂保護(hù)層6。
本發(fā)明的光纖1的保護(hù)層7包括中間層4和層5。它的厚度范圍在10nm～200nm之間，最好在100nm左右。
如上的解釋，當(dāng)為施加涂層7而選擇的溫度使摻加增加時，可用硅摻雜層5。另外，通過在此方法中利用做為硅的母體的反應(yīng)劑，對層5的硅摻雜被增加。
自然地，纖芯2和光纖包層3可有一個常規(guī)的簡單結(jié)構(gòu)，即每個都有一個恒定折射的單一層，或它可有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，即每個都由大量的疊加層構(gòu)成，并且有不同的折射率。對纖芯的結(jié)構(gòu)和光纖包層均不做詳細(xì)的描述，因為這些結(jié)構(gòu)不是本發(fā)明的部分。然而容易理解，本發(fā)明可用到任何已知的光纖上。
非晶硼保護(hù)層7給予光纖機械保護(hù)，并且增強對磨蝕的抵抗，使光纖用于高容量的光纜中，并具有高密積性。樹脂涂層的厚度可為利用碳保護(hù)層時需要的一半，甚至可省去不用。涂層7還具有與碳涂層提供的同樣的密封性。
本發(fā)明的淀積方法現(xiàn)通過圖2加以描述。圖2是制造圖1所示的光纖的機器10的簡圖。
機器10，包括設(shè)置在豎直的光纖拉制裝置中一個接一個設(shè)置的一個光纖拉制烤爐11，在其中光纖以常規(guī)中已知的方法從預(yù)制件12中拉伸，預(yù)制件纖芯有著與纖芯2相同的光纖纖芯組成和大于纖芯2的直徑，封閉在組成同于光纖包層3、直徑大于包層3的光纖包層(未標(biāo))中。預(yù)制件12光纖包層的直徑與光纖纖芯的直徑之比等于光纖包層3的直徑與光纖纖芯2的直徑之比；用于涂層7的反應(yīng)器14；控制光纖離開反應(yīng)器14的距離的控制裝置15；任意選擇的樹脂涂層裝置16，用于制造位于硼涂層7之上的樹脂層；利用紫外線輻射聚合樹脂涂層6的裝置17；用于控制成品光纖1直徑的控制裝置18；用于繞起成品的光纖1的卷軸19。
只顯示了一個用于硼淀積的反應(yīng)器14。然而如果需要，硼淀積可在大量的沿光纖拉制線一個接一個設(shè)置的反應(yīng)器中進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明，為得到裸光纖13上的硼基涂層7，利用氫氣通過下列反應(yīng)減少氣態(tài)氯化硼
因而用化學(xué)的方法從汽相中得到硼涂層。
根據(jù)本發(fā)明，因為以上的原因，必須在1050℃-1250℃的溫度范圍內(nèi)，最好是1100℃～1200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行上述的BCl3減少，例如在1150℃。
反應(yīng)劑的汽相氣壓最好在大氣壓附近，尤其當(dāng)?shù)矸e是與光纖拉制一起進(jìn)行時，敞開的反應(yīng)器使光纖可進(jìn)可出?？衫脤饫w(未標(biāo))的引入引出氣塞簡單地將氣相保護(hù)防止外界空氣，其中用不活潑氣體以略高于大氣壓的壓強循環(huán)于氣塞中。
為得到非常堅固的硼涂層7，而避免與硼大程度的反應(yīng)導(dǎo)致氧化硼B(yǎng)2O3的形成，B2O3濃度的摩爾濃度與氫氣之比被選在1/20～1/4的范圍內(nèi)，即等于1/4。
為得到非晶態(tài)硼涂層5，最好使汽相硼到裸光纖13的傳遞速度很高。通過將硼快速地放在光纖表面來確保形成的硼涂層實質(zhì)上是非晶態(tài)。上述的快速可通過光纖表面反應(yīng)劑的迅速更新而實現(xiàn)。光纖表面反應(yīng)劑的迅速更新，伴隨著從淀積反應(yīng)產(chǎn)生的氣體物質(zhì)的迅速排出，即當(dāng)反應(yīng)劑是BCl3和H2時排出HCl，達(dá)到這些一是因為光纖從反應(yīng)器14中高速通過，還因為氣相物被反應(yīng)器14的引入口和引出口之間氣體的流動所更換。因此光纖在反應(yīng)器中的運行速度最好不小于100m/min，等同于常規(guī)的光纖拉制速度；光纖的制造不會因按照光纖的拉制來施用非晶硼涂層而減慢。
光纖13以200m/min的速度穿過反應(yīng)器14，使得利用硼涂層增長率為0.25μm/s(這樣的增長率可通過選擇BCl3的流速為0.5l/min和氫氣的流速為5l/min來達(dá)到)。這可在0.3S中淀積厚度大約等75nm。
做為硅產(chǎn)物的母體的反應(yīng)劑，如SiH4，SiH3Cl，SiH2Cl2，SiH-Cl3或SiHCl4可被有利地加到汽相物中。
聯(lián)系圖2描述的機器10是一種傳統(tǒng)的光纖拉制機器，用于淀積硼涂層7的淀積反應(yīng)器14加入其中。機器10的某些元件可任意選擇，如尺寸控制裝置15和18。
另外，樹脂涂層設(shè)備可是任何類型，樹脂涂層不需要同樣地執(zhí)行。
自然地，本發(fā)明不局限于上述實施例。
特別地，給予的關(guān)于硼涂層特性和淀積上述涂層方法的數(shù)值僅是一種指示方式。
另外，本發(fā)明的光纖可包括硼涂層的頂部，樹脂層之外的其它的層，尤其如彩色識別涂層。
最后，在不超出本發(fā)明的權(quán)利范圍下，任何裝置可用同等的裝置替換。
權(quán)利要求
1.一種將非晶態(tài)硼基保護(hù)膜應(yīng)用到光纖上的方法，其中的光纖包括封閉于光纖包層中的光纖纖芯，光纖包層和光纖纖芯均由硅基材料制成，所述的方法其特征在于硼從汽相在1050℃～1250℃的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)的方法被施加到所述光纖表面利用氫氣H2來減少氯化硼(BCl3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)硼被用以形成在所述光纖上時與光纖包層接觸的中間層，產(chǎn)生于硼和二氧化硅的反應(yīng)，非晶態(tài)硼層位于中間層的頂部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于溫度位于1100℃～1200℃的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意項所述的方法，其特征在于氯化硼的摩爾濃度與氫氣的摩爾濃度之比值在1/20-1/4的范圍之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意項所述的方法，其特征在于汽相的壓強值在大氣壓壓強值的左右。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意項所述的方法，其特征在于上述非晶態(tài)硼基涂層與光纖的拉制一起被施加，上述光纖的運行速度在上述淀積過程中不小于100m/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意項所述的方法，其特征在于上述光纖表面的非晶態(tài)硼基涂層的生長率不小于0.10μm/s。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意項所述的方法，其特征在于從SiH4，SiH3Cl，SiH2Cl2，SiHCl3和SiCl4中選出的硅的氣態(tài)母體被加入反應(yīng)劑的初始混合中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任意項所述的方法，其特征在于上述硼涂層的厚度范圍為10nm～200nm，并且最好約為100nm。
10.一種包括封閉于光纖包層中的光纖纖芯的光纖，光纖纖芯和光纖包層均由硅基材料制做，并有一非晶態(tài)硼基保護(hù)層淀積于上述光纖包層上，上述光纖的特征在于上述保護(hù)層包括一個產(chǎn)生于硼和二氧化硅反應(yīng)的、與光纖包層接觸的中間層；一個位于上述中間層頂部的非晶態(tài)硼層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光纖，其特征在于所述硼層用硅摻雜。
全文摘要
一種將非晶態(tài)硼基保護(hù)層應(yīng)用到光纖上的方法，其中的光纖包括均由基于氧化硅的，材料制成的封于光纖包層中的光纖纖芯，上述特征在于在1050℃-1250℃的溫度范圍內(nèi)用化學(xué)方式將汽相硼施用到上述光纖的表面，并利用氫氣H
文檔編號C03C25/12GK1134142SQ9519080
公開日1996年10月23日 申請日期1995年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月25日
發(fā)明者克勞德·布雷姆, 利奧奈爾·范德布魯克, 讓-伊維斯·伯尼奧爾特, 布魯諾·拉維格尼 申請人:阿爾卡塔爾光纖公司