專利名稱:生產(chǎn)含氟覆層光導(dǎo)纖維玻璃坯的方法
本發(fā)明關(guān)于生產(chǎn)含氟覆層光導(dǎo)纖維玻璃的方法。
圖1示出一種單一模式光導(dǎo)纖維具有的折射率分布，迄今為止，主要利用填加添加劑來獲得這種折射率分布，添加劑可增加玻璃對光導(dǎo)纖維芯的折射率。通常所用的添加劑如GeO2，P2O5和Al2O3一類的氧化物。然而，這種添加劑會(huì)帶來一系列問題，如(1)由于雷利散射的增加而增加光導(dǎo)纖維的光傳遞衰減，(2)添加劑導(dǎo)致玻璃坯內(nèi)產(chǎn)生氣泡或晶粒集聚，和(3)由于玻璃熱膨脹系數(shù)的增加，玻璃坯會(huì)趨于破裂。因此，愈降低玻璃坯內(nèi)的添加劑含量則愈好。
由于這種原因，提出了利用填加一種添加劑來提高芯子和覆層之間的折射率差，而這種添加劑可降低玻璃對覆層的折射率。這種添加劑的實(shí)例是B2O3和氟以及它們的組合物。然而，B2O3有不足之處，它增加了硅玻璃的熱膨脹系數(shù)，并且在較長的波長范圍內(nèi)它具有吸收損失。因此，最好用氟作為降低折射率的添加劑。
在VAD法或OVPO法中，利用火焰水解玻璃原料生產(chǎn)多孔炭黑坯(porous soot preform)是眾所周知的一種經(jīng)濟(jì)和高產(chǎn)額生產(chǎn)光導(dǎo)纖維的方法。然而，利用這種水焰水解法是很難填加足夠量的氟，以降低覆層的折射率。例如，日本公開專利(未審查)№15682/1980透露了一種向玻璃坯中填加氟的方法。利用此法，折射率只降低0.2-0.3%。這就意味著在這種方法中所填加氟的量有它的極限。
日本公開專利(未審查)№67533/1980揭示一種在含氟化合物的氣氛中，加熱細(xì)玻璃顆粒沉積，有效地向玻璃坯中填加氟的方法。然而，這種方法難以適當(dāng)?shù)胤植疾Ａ髦械姆?，因此，難以單獨(dú)使用氟而獲得圖1所示的折射率分布，這種方法基本上可生產(chǎn)一種切實(shí)有效的光導(dǎo)纖維。
圖2中圖示說明的方法是生產(chǎn)含氟光導(dǎo)纖維的一種可行性方法，利用火焰水解法使形成細(xì)玻璃顆粒沉積，而且有切實(shí)有效地折射率分布。
圖2所示，當(dāng)逐漸旋轉(zhuǎn)提升構(gòu)成芯子并觸到提升裝置2的玻璃棒1時(shí)，借助燃燒器3產(chǎn)生的細(xì)玻璃顆粒沉積在玻璃棒1的表面上，形成相當(dāng)于覆層的多孔玻璃層4。將氫，氧和玻璃原料如Sicl4同時(shí)供應(yīng)燃燒器3，并進(jìn)行其火焰水解而產(chǎn)生細(xì)玻璃顆粒。圖2中標(biāo)號5和6分別表示反應(yīng)器和出口。將這樣形成的玻璃棒和多孔玻璃層的復(fù)合物置于含氟的氣氛中加熱以向多孔玻璃層中填加氟。同時(shí)使它透明以形成一種具有圖1所示折射率分布的透明玻璃坯。如果在這一步覆層厚度不夠，透明玻璃坯將被拉長，細(xì)玻璃顆粒再一次沉積在拉長玻璃坯的表面上，并在含氟氣氛中加烈。這種工藝可以重復(fù)操作以獲得具有所要厚度的覆層。
在上述的方法中，利用圖2的裝置，常常在含水蒸汽的氣氛中加熱拉制玻璃棒到所需要直徑，以此來制備構(gòu)成芯子的玻璃棒。這樣會(huì)產(chǎn)生烴基基團(tuán)對玻璃棒表面的污染，尤其是在含氫的燃燒氣體火焰中拉制玻璃棒時(shí)，玻璃棒表面受到氫基基團(tuán)嚴(yán)重的污染。此外，在形成相當(dāng)覆層的多孔玻璃層時(shí)，玻璃棒表面會(huì)受到在合成細(xì)玻璃顆粒由所用火焰中產(chǎn)生的水蒸汽引起的烴基基團(tuán)所污染。
當(dāng)用芯子表面受烴基基團(tuán)污染的透明玻璃坯拉制光導(dǎo)纖維時(shí)，光通過光導(dǎo)纖維傳播，由于烴基基團(tuán)會(huì)產(chǎn)生吸收損失，從而降低了光導(dǎo)纖維的光傳遞特性。尤其是，當(dāng)光導(dǎo)纖維被用作單一模式的光導(dǎo)纖維時(shí)，光傳遞會(huì)嚴(yán)重地受芯子和覆層之間烴基基團(tuán)所污染的內(nèi)表面層存在的影響，由于在單一模式光導(dǎo)纖維中的能的分布可達(dá)覆層，所以光傳遞特性顯著變壞。
例如，將很低烴基基團(tuán)含量(最多約10ppb)的純石英玻璃棒在氫氧火焰中拉制成直徑為12毫米石英棒，然后利用圖2裝置在拉成的石英棒表面上，形成純硅玻璃的多孔玻璃層，玻璃層的外徑為110毫米，將這種石英棒和多孔玻璃層構(gòu)成的復(fù)合物置于含氟的氣氛中加熱，得到外徑為45毫米的透明玻璃坯，具有如圖3所示的折射率分布。
然后，將該玻璃坯在氫氧火焰中拉制成直徑為12毫米的棒，利用圖2的裝置在其上面再次形成多孔玻璃層，玻璃層的外徑為110毫米。在含氟氣氛中加熱這樣生產(chǎn)的復(fù)合物得到透明的玻璃坯，具有如圖4所示的折射率分布。
將該玻璃坯拉制到予定直徑，嵌入市售的石英管中，然后一起拉制成能在1.3微米波長工作的單一模式的光導(dǎo)纖維，在1.3微米波長時(shí)光傳遞的衰減為4.0分貝/千米，由于烴基基團(tuán)的存在，對1.39微米波長的光傳遞衰減為150分貝/千米。這些結(jié)果說明在氫氧火焰中拉制時(shí)有烴基基團(tuán)形成。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新的生產(chǎn)光導(dǎo)纖維玻璃坯的方法，光導(dǎo)纖維包括以純石英制備的玻璃芯和含氟石英玻璃制備的覆層。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種光導(dǎo)纖維玻璃坯，尤其是一種單一模式光導(dǎo)纖維玻璃坯，它沒有烴基基團(tuán)的污染，而且改進(jìn)了光傳遞特性。
因此，本發(fā)明提供生產(chǎn)包括芯子和含氟覆層的光導(dǎo)纖維玻璃坯的方法，該方法包括在熔融玻璃棒的基體外表面上形成純石英的多孔玻璃層，熔融玻璃棒的中心部位為純石英，外圍部位為含氟的石英玻璃。在含氟氣氛中加熱熔融玻璃棒和多孔玻璃層的復(fù)合物，以使氟填加到多孔玻璃層內(nèi)并使它透明。
附圖的簡要描述圖1為一種典型單一模式光導(dǎo)纖維的折射率分布圖，圖2為在玻璃棒上合成多孔玻璃層的裝置實(shí)例圖示說明，圖3和圖4為普通透明玻璃坯的折射率分布圖，圖5到圖7為在實(shí)例1和2中所生產(chǎn)的透明玻璃坯的徑向上折射率分布圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述正像普通方法中描述的，當(dāng)在含氟氣氛中加熱細(xì)玻璃顆粒沉積時(shí)，氟均勻地填充在整個(gè)層內(nèi)，以至于難以獲得圖1的折射率分布。
相反，當(dāng)在不含氟的氣氛中加熱細(xì)玻璃顆粒沉積并有些收縮時(shí)，然后在含氟氣氛中加熱以使它透明，氟僅僅填充到多孔玻璃層的外圍部位，而沒有進(jìn)到它的中心部位，這是由于多孔玻璃層部分收縮的緣故。在不含氟氣氛中加熱的一步可在1200°-1450℃下完成。在含氟氣氛中氣氛中加熱的一步可在1400°-1700℃下完成。加熱氣氛為惰性氣體(如，氦氣)，也可選用氯化合物(如，氯氣)。加熱氣氛中含氟化合物的特定實(shí)例為SF6，C2F6，Ccl2F2，CF4以及諸如此類的氣體。
如果在這一步的覆層厚度不夠時(shí)，必須再沉積含氟石英玻璃層。為此，要加熱并拉制上述步驟中生產(chǎn)的透明玻璃坯，并在它的表面上，利用圖2裝置沉積細(xì)玻璃顆粒。然后，將形成的透明玻璃棒和多孔玻璃層復(fù)合物置于含氟氣氛中加熱，使氟填充到多孔玻璃層內(nèi)，并使它透明，在這加熱步驟中，條件基本與上述的在含氟氣氛中加熱步驟條件相同。
根據(jù)本發(fā)明的方法，可以減少拉制玻璃棒時(shí)所形成的烴基基團(tuán)的影響。其理由解釋如下(1)芯子和覆層之間的內(nèi)表面部位沒有被烴基基團(tuán)所污染，但是內(nèi)表面部位的外層部位受到污染，以致于減少了烴基基團(tuán)吸收的光量。
(2)如果加熱氣氛中含氟的話，即使有水份透進(jìn)入到硅玻璃，并與玻璃結(jié)構(gòu)一起形成烴基基團(tuán)，按如下反應(yīng)式
反之，當(dāng)在加熱氣氛中含氟時(shí)，即使有水份進(jìn)入到硅玻璃內(nèi)，烴基基團(tuán)的形成可按下式受到抑制
(3)可以認(rèn)為烴基基團(tuán)能形成，并占據(jù)玻璃中氧氣不足的部位。然而，由于氧不足部位被氣氛中存在的氟所占據(jù)，所以烴基基團(tuán)難以與玻璃結(jié)構(gòu)相結(jié)合。
在下文中，利用如下實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)解釋本發(fā)明。
實(shí)例1用VAD法生產(chǎn)一種純硅的多孔炭黑坯，其外徑為100毫米，長600毫米。由多管燃燒器提供的氧氣為35升/分鐘，氫氣為30升/分鐘，Sicl41升/分鐘和氬氣為12升/分鐘，以70毫米/小時(shí)的速率拉制成坯。將這樣形成的多孔坯裝在1200℃的爐內(nèi)，保持90分鐘。并分別以5升/分鐘和100毫升/分鐘速率向爐內(nèi)輸送氦氣和氯氣，足以減少烴基基團(tuán)的量。
將這樣加熱的多孔炭黑(Soot)坯裝在1400℃的爐內(nèi)，保持30分鐘，使它收縮，只以5升/分鐘的速率向爐內(nèi)輸送氦氣。
然后，將收縮坯裝入1640℃的爐內(nèi)，使它透明。分別以5升/分鐘和100毫升/分鐘的速率向爐內(nèi)輸送氦氣和SF6。這樣生產(chǎn)的透明玻璃坯的折射率分布示于圖5。
在由多管燃燒器產(chǎn)生的氫氧火焰中，把透明玻璃坯拉成直徑為12毫米，利用圖2裝置，在如下條件下，在拉制坯的外表面上形成純硅的多孔玻璃層，多孔玻璃層的外徑為110毫米。
條件氧氣35升/分鐘，氫氣35升/分鐘，Sicl41.1升/分鐘，氬氣12升/分鐘，拉制速率65毫米/分鐘，將透明玻璃坯和多孔玻璃層的復(fù)合物置于1200℃的含氟氣氛中脫水，然后在1640℃下制成透明。在脫水步驟中，分別以5升/分鐘，50毫升/分鐘和100毫升/分鐘的速率輸入氦氣，氯氣和SF6。在透明步驟中，分別以5升/分鐘和100毫升/分鐘的速率輸入氦氣和SF6。這樣制得的透明玻璃坯外徑為45毫米，折射率分布示于圖6。
在氫氧火焰中再把該玻璃坯拉成直徑為12毫米，然后在它的外表面上，利用圖2裝置在上述相同條件下形成純硅的多孔玻璃層。該多孔玻璃層的外徑為110毫米。在與上述相同條件下，將該透明玻璃坯和多孔玻璃層的復(fù)合物進(jìn)行脫水，并制成透明，所獲得的透明玻璃坯外徑為45毫米，折射率分布示于圖7。
將最后制得的透明玻璃坯拉成直徑為125微米，并裝嵌到市售石英管中，然后一起再拉制成直徑為1.3微米的光導(dǎo)纖維。對1.3微米波長的光傳遞衰減為1.0分貝/千米，對1.39微米波長的光傳遞衰減，由于烴基基團(tuán)的存在為10分貝/千米。
實(shí)例2以與實(shí)例1相同的方式，但在拉制玻璃坯，生產(chǎn)透明玻璃坯時(shí)，使用等離子體火焰，而不是氫氧火焰，最后制得的玻璃坯具有的折射率分布如圖7所示。
以與實(shí)例1相同的方式將該玻璃坯拉制成光導(dǎo)纖維。它對1.3微米波長的光傳遞衰減為0.6分貝/千米，對1.39微米波長的光傳遞衰減，由于烴基基團(tuán)的存在為6分貝/千米。
玻璃坯也可以在電阻加熱器或電感加熱器中拉制。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)包含芯子和含氟覆層的光導(dǎo)纖維玻璃坯的方法，該法包括在熔融玻璃基體的外表面上形成純石英的多孔玻璃層，該熔融棒的中間部位主要為純石英，外層部位為含氟石英玻璃，在含氟氣氛中加熱由熔融玻璃棒和多孔玻璃層構(gòu)成的復(fù)合物，使氟填加到多孔玻璃層內(nèi)，并使它透明。
2.按照權(quán)利要求
1的方法，基體由熔融玻璃棒構(gòu)成，該棒是用VAD法由加熱和收縮純石英多孔玻璃體而制成的，該玻璃體不是透明的，在含氟氣氛中加熱部分收縮玻璃體，以使氟至少填加到一部分多孔玻璃體內(nèi)，并使它透明，可任意地拉制成一定的直徑。
3.按照權(quán)利要求
2的方法，玻璃棒的拉制是在等離子體火焰中完成。
專利摘要
一種生產(chǎn)包括芯子和含氟覆層的光導(dǎo)纖維玻璃坯的方法，該法包括在熔融玻璃棒的外表面上形成純石英的多孔玻璃層，該熔融玻璃棒的中心部位主要是純石英，外部為含氟的石英，在含氟的氣氛中加熱熔融玻璃棒和多孔玻璃層構(gòu)成的復(fù)合物，將氟填加到多孔玻璃層內(nèi)并使它透明。為此防止了烴基基團(tuán)對玻璃的污染，并改進(jìn)了由玻璃坯制成的光導(dǎo)纖維的光傳遞特性。
文檔編號B66C11/02GK85104563SQ85104563
公開日1986年12月10日 申請日期1985年6月14日
發(fā)明者金森弘雄, 田中豪太郎, 京藤倫久, 吉岡直樹, 水谷太 申請人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan