專利名稱：采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積制備大容量光纖預(yù)制件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用MCVD(改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積)工藝制備大容量光纖預(yù)制件的方法。
光纖預(yù)制件可采用CVD方法制得，比如采用MCVD(是英文“modified chemical vapor deposition”的縮寫，即，改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積)或者采用VAD(英文“vapor axial diposition”的縮寫)方法。
在采用MCVD沉積的情況下，在稱為沉積管的二氧化硅管內(nèi)部借助吹管沉積氧化化合物然后是玻璃化化合物的連續(xù)層。這些連續(xù)層對(duì)應(yīng)于預(yù)制件的芯材及光學(xué)包層內(nèi)部部分。它們具有與所希望的光纖特性相一致的可變指數(shù)。
由于制備方法的經(jīng)濟(jì)原因都希望制取大容量的光纖預(yù)制件。還希望使用(配置)大長(zhǎng)度的光纖以便避免連接損耗。
一種預(yù)制件的容量與內(nèi)包層外半徑及芯材半徑之間的比值有關(guān)，該比值也用b∶a比表示。對(duì)于拉制的光纖的指定芯材直徑來說，預(yù)制件的容量是b∶a比值越小越容易實(shí)現(xiàn)。
因而預(yù)制件的容量與芯材量有關(guān)，此芯材可沉積在沉積管的內(nèi)部。然而當(dāng)芯材靠近沉積管時(shí)對(duì)于沉積管的材料來說純度的要求就更加嚴(yán)格了。它應(yīng)該純度很高，為的是避免朝向參與光傳播的光纖部分有雜質(zhì)遷移。反之，就可看到光傳播特性的減弱。因此，通常都必需在進(jìn)行芯材沉積之前在沉積管內(nèi)部沉積一種稱作內(nèi)包層的沉積層。
但是，如果使用高純度沉積管，這種沉積層的厚度可以更薄一些。
對(duì)應(yīng)芯材及內(nèi)包層的沉積層沉積以后，該沉積管本身就被收口了，即是稱為縮徑的操作。制得了稱作原(初始)預(yù)制件的預(yù)制件。
對(duì)應(yīng)芯材及內(nèi)包層的沉積層的折射率受化學(xué)摻雜成分的濃度偏差的控制。
因此，往往都使用鍺以便提高折射率。至于摻雜氟化衍生物或硼化合物則可以降低折射率。
折射率也可以利用現(xiàn)有的其它一些化合物加以調(diào)節(jié)。因此，為了改善光纖的光學(xué)質(zhì)量而添加的磷也可稍稍提高折射率。
采用MCVD方法的沉積速度受通過沉積管的熱傳導(dǎo)限制。為了使MCVD沉積條件最佳化，沉積管的厚度要相對(duì)薄一些。在管子縮徑成初始預(yù)制件以后，通過沉積外包層而增強(qiáng)厚度。
尤其是人們都了解兩種不同的外包層沉積方法。根據(jù)第一種方法原(初始)預(yù)制件在進(jìn)行第二次縮徑之前放入到直徑稍大一點(diǎn)的二氧化硅套管中。該方法也稱為套管法。
第二種辦法主要是在初預(yù)制件上從外部沉積二氧化硅。該補(bǔ)充性的外沉積也稱為再沉積(recharge)，這種外部沉積可利用不同的方法進(jìn)行。一種有利的方法是等離子體輔助沉積。
當(dāng)前，采用MCVD方法所制取的預(yù)制件可以得到每一米長(zhǎng)預(yù)制件約為250km的光纖。然而采用VAD法所制得的預(yù)制件可以得到每米預(yù)制件為400km以上的光纖。
從專利EP-A-O972 752可以了解到一種采用MCVD法所制得的大尺寸預(yù)制件?？墒牵鈱W(xué)包層的外部是用套管法制成的。這種方法的缺點(diǎn)是合成二氧化硅包層費(fèi)用很高。
人們都希望采納一種費(fèi)用較低的方法，它可以利用MCVD制得大容量光纖預(yù)制件。
最好是，摻雜沉積管的指數(shù)低于天然二氧化硅的其值為0.25×10-3-1.5×10-3之間的指數(shù)。
最好是，沉積管的摻雜具有總份數(shù)為0.25XCl＜XF＜4XCl的氟。
有利地是，所制得的預(yù)制件b∶a比大于2。所用天然二氧化硅最好是α石英。
根據(jù)該方法的一種實(shí)施方式，外包層的沉積是采用等離子體輔助沉積法進(jìn)行的。
本發(fā)明還涉及一種制備光纖的方法，它包括根據(jù)本發(fā)明制得的預(yù)制件熱拉伸工藝步驟。
因此，所提出的問題由于使用沉積管制備大容量預(yù)制件而得到了解決，該沉積管純度高同時(shí)還可與天然二氧化硅外包層兼容。
摻雜氯可以減少出現(xiàn)OH基，這些OH基是造成光纖傳輸大大減衰的原因。這種摻雜可從兩方面來改變折射率，一方面是由于化學(xué)作用”，另一方面是由于“物理作用”。在“化學(xué)作用”下就是由于存在氯而使折射率增加。“物理作用”是當(dāng)拉制光纖時(shí)由于出現(xiàn)局部應(yīng)力而提高了折射率。這些應(yīng)力與由于存在氯而使軟化溫度降低有關(guān)。沉積管的粘度沒有純二氧化硅的粘度高。
利用天然二氧化硅再沉積可以明顯地降低預(yù)制件的制備成本。“天然二氧化硅”一詞可理解為是一種不用合成法制取的二氧化硅，例如用分解硅的鹵化物制取的。天然二氧化硅也可參照α石英而被定為石英，α石英是二氧化硅最普通的晶相。天然二氧化硅成本較低但是也具有與用于制備沉積管的合成二氧化硅稍有不同的成分。按此來說，其折射率、其粘度及其膨脹系數(shù)都與當(dāng)前可使用的沉積管不同。
因此，利用普通沉積管制得的并且用天然二氧化硅再沉積的預(yù)制件一般都將會(huì)在沉積管與外包層之間出現(xiàn)折射率的突變。在預(yù)制件中的這種指數(shù)突變可轉(zhuǎn)移到光纖甚至被擴(kuò)大，在那種情況下會(huì)導(dǎo)致一些所不希望的光學(xué)效應(yīng)。在這些效應(yīng)中，例如可觀察到這些光纖由于微曲率而對(duì)損耗更加敏感。也可以使截止波長(zhǎng)受到影響。
沉積管折射率與再沉積折射率的單一匹配不能解決問題。事實(shí)證明摻雜還具有降低軟化溫度的作用。在拉制光纖的溫度下，沉積管的粘度比未摻雜的二氧化硅低，這就產(chǎn)生了一些應(yīng)力。這些應(yīng)力引起了在光纖中對(duì)應(yīng)沉積管的那一部分中折射率增加。
為了解決問題，因而摻雜氟要同時(shí)考慮氯濃度及用于再沉積的天然二氧化硅的折射率。
所用沉積管的OH基濃度低于100ppb。因此它們可以制備b∶a比值低的預(yù)制件。該比值最好小于2.5。
為了使沉積管的折射率與天然二氧化硅相匹配，沉積管摻雜氟的總份數(shù)XF與存在于沉積管的氯濃度成比例。根據(jù)一種實(shí)施方式，氟的總份數(shù)XF對(duì)應(yīng)的公式為0.25*XCl＜XF＜4*XCl，其中XCl是氯的總份數(shù)。在管中存在有其它一些附加元素(Na，Li，Ge……)的情況下，F(xiàn)摻雜濃度也可因此而適合。
由于存在氯而提高了折射率可有意地通過摻雜氟進(jìn)行過度補(bǔ)償，為的是考慮到以后在拉制光纖時(shí)折射率的增加。
利用由這類沉積管制成的預(yù)制件而得到的光纖就不存在人們所不希望的折射率突變并且對(duì)微曲率損耗也不敏感。截止波長(zhǎng)的測(cè)量未受到外包層使用天然二氧化硅的影響。


圖1表示的是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式制備的光纖預(yù)制件剖面示意圖。
圖2表示的是利用根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例制備的預(yù)制件而得到的光纖剖面示意圖。
事實(shí)上早已證明，存在氟可通過兩種不同的機(jī)理影響光纖中的折射率。第一種由于摻雜氟而減少折射率的機(jī)理是純物理性的并且與材料的改變有關(guān)。光與摻雜材料之間的相互作用被改變了。例如對(duì)于帶有凹陷內(nèi)包層的光纖來說，人們希望低折射率時(shí)，就可利用這種特性。
不過折射率也可受其它一些機(jī)理的影響。事實(shí)上，存在氟可降低二氧化硅玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度。由此而造成當(dāng)拉制光纖時(shí)沉積管受壓縮，氟含量越高越明顯。在那種情況下沉積管折射率有助于提高徑向光偏振。徑向光偏振對(duì)于在圓形截面光纖中軸向傳播的光來說是正常偏振。隨著氟濃度越高以及拉制光纖的張力越大，這種折射率的增加越明顯。
上面提到的兩種影響是針對(duì)通常的拉纖張力(125um直徑的玻璃纖維小于250克)來說的，占主導(dǎo)的還是由于存在氟而降低了折射率。適當(dāng)?shù)姆靠梢灾频眠@樣一種沉積管，其折射率允許使用天然二氧化硅作外包層而且它的OH基濃度較低。
沉積管是由按照一種工藝本身為公知的方法摻雜氟的二氧化硅組成的。這種沉積管通常都是由很純的二氧化硅組成的，但是可以含有除了二氧化硅及氟之外的其它一些有用化合物比如氧化硼、氧化鋁、堿性氧化物或堿土氧化物。
內(nèi)部沉積之后緊接著就是利用縮徑方式把如此從內(nèi)部涂敷的管變成一種棒這就成了原(初始)預(yù)制件24。再沉積的預(yù)制件3是通過以天然二氧化硅為基的外部沉積而制成的，該外部沉積在初始預(yù)制件24上形成了外包層26。這種外部沉積可用不同方法，例如用等離子體沉積方法進(jìn)行。
等離子體法可以按如下方式進(jìn)行。利用重力由供料管道沉積天然二氧化硅晶粒并且該供料管道可平行于初始預(yù)制件24平移。在約2300℃的溫度下利用等離子體使二氧化硅晶粒熔化然后形成玻璃態(tài)。再沉積是在密封室中進(jìn)行的，以便保證防止電磁干擾以及防止等離子槍所發(fā)射的臭氧逸出。
這樣就可制成帶有外包層26的加厚預(yù)制件3。
對(duì)這種預(yù)制件進(jìn)行拉纖就可工業(yè)化制備長(zhǎng)度更長(zhǎng)的光纖15而且它具備良好的抗微曲率損耗并且不影響截止波的測(cè)量。
光纖15是用加厚的初始預(yù)制件3經(jīng)熱拉伸而成的。拉制光纖的張力最好調(diào)節(jié)在10-250g的值之間優(yōu)選地是在30-150g之間。圖2表示的是利用預(yù)制件3制得的光纖15剖面示意圖。
在圖上可分辨出光芯30及內(nèi)包層31，它們構(gòu)成了可傳輸絕大部分光的那一部分。關(guān)于預(yù)制件3，區(qū)域32對(duì)應(yīng)于沉積管22，區(qū)域36對(duì)應(yīng)外包層26而區(qū)域34則對(duì)應(yīng)于初始預(yù)制件24。
當(dāng)然，本發(fā)明的目的并未局限于上面所作的介紹。因此，預(yù)制件可帶有其它一些輔助層。也能使用其它方法沉積外包層，比如溶膠-凝膠法、浸漬法、氣相沉積法。
權(quán)利要求
1.一種制備光纖預(yù)制件(3)的方法，它包括以下幾個(gè)工藝步驟-制備二氧化硅沉積管(22)，此二氧化硅摻雜了足夠量的氯以便得到低于100ppb的OH基濃度，還摻雜了與足夠的氯摻雜量成比例的一定量的氟以便得到低于天然二氧化硅的折射率；-在沉積管內(nèi)部沉積內(nèi)包層(21)及光芯(20)；-使沉積管縮徑成初始預(yù)制件(24)；以及-在制得的初始預(yù)制件上沉積所述天然二氧化硅的外包層(26)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中沉積管摻雜氟的總份數(shù)為0.25XCl＜XF＜4XCl。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中制成的預(yù)制件b∶a比大于2。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中天然二氧化硅是α石英。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述摻雜沉積管的折射率小于其值在0.25×10-3-1.5×10-3之間的天然二氧化硅折射率。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中沉積外包層是利用等離子體輔助沉積法進(jìn)行的。
7.一種制備光纖(15)的方法，它包括根據(jù)上述權(quán)利中任一項(xiàng)制取的預(yù)制件(3)的熱拉伸工藝步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備大容量低費(fèi)用光纖預(yù)制件的方法。更具體地說,所述的這種制備光纖預(yù)制件(3)的方法包括制備二氧化硅沉積管(22)的步驟,其中摻雜了可得到低于100ppb OH基濃度的足夠量的氯并且摻雜了與足夠量氯的劑量成比例的一定量的氟以便得到低于天然二氧化硅的折射率,在沉積管內(nèi)沉積內(nèi)包層(21)及沉積光芯(20),按初始(原)預(yù)制件(24)縮徑沉積管以及在所得到的初始預(yù)制件上沉積所述天然二氧化硅材料的外包層(26)。在制備光纖方面的應(yīng)用。
文檔編號(hào)C03B37/018GK1380264SQ0210619
公開日2002年11月20日 申請(qǐng)日期2002年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月9日
發(fā)明者杰拉德·奧賽爾, 馬克·尼科拉多特, 讓－弗羅倫特·坎品 申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾公司