專利名稱：制造光學(xué)纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在基體管內(nèi)通過一步或多步化學(xué)汽相沉積反應(yīng)制備光學(xué)纖維的方法，該方法包括如下步驟i)向基體管提供一種或多種摻雜的或未摻雜的形成玻璃的前體；ii)向基體管提供化學(xué)計(jì)量過量的氧氣；iii)在基體管內(nèi)，使步驟i)和ii)中提供的反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)在基體管內(nèi)部沉積一層或多層玻璃層；iv)將步驟iii)中這樣涂覆的基體管進(jìn)行塌縮處理以便形成預(yù)制坯，并且最后；v)當(dāng)加熱預(yù)制坯時(shí)，將預(yù)制坯拉制成光學(xué)纖維，然后冷卻所述光學(xué)纖維。
背景技術(shù)：
美國(guó)專利US4,314,833的這種方法本身是已知的，其中沉積速度加快而在氣相中未形成玻璃細(xì)顆粒，并且在沉積過程后，為確保無缺陷塌縮，基體管的內(nèi)徑應(yīng)盡可能小。根據(jù)所述的美國(guó)專利，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，沉積過程中，基體管內(nèi)徑與在氣相中無精細(xì)玻璃顆粒形成的最大沉積速度之間存在一種簡(jiǎn)單的關(guān)系。存在與沉積過程有關(guān)的三個(gè)有明顯區(qū)別的區(qū)域，即，第一區(qū)域，氣相中形成玻璃細(xì)顆粒，第二區(qū)域，顯示出在指定的沉積速度下基體管內(nèi)徑的下限，最后，在所述的第一和第二區(qū)域之間的第三區(qū)域，該第三區(qū)域確定了優(yōu)選的加工條件。與此有關(guān)的是，應(yīng)該注意到必須選擇涂覆玻璃層的基體管和通過沉積法進(jìn)行沉積的層厚度，以便后續(xù)的塌縮處理中不會(huì)帶來其他任何問題。事實(shí)上，如果在沉積過程結(jié)束時(shí)基體管的內(nèi)徑太大，則在塌縮處理中可能存在一些問題，可能形成橢圓型的預(yù)制坯，例如，或具有陷坑或其它幾何缺陷的預(yù)制坯，與此有關(guān)的是，表明塌縮處理的持續(xù)時(shí)間越短，在預(yù)制坯中獲得某些程度的軸對(duì)稱的機(jī)會(huì)就越大。從所述的美國(guó)專利說明書給出的實(shí)施例中表明雷諾數(shù)值范圍均在約30到約90之間。
正本發(fā)明人指出的，上述美國(guó)專利說明書存在的一個(gè)缺點(diǎn)是它僅僅顯示了沉積速度從0.08g/min改變到0.45g/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些數(shù)值在目前還不夠高。除此之外，上述美國(guó)專利說明書中的圖表沒有提供任何關(guān)于更高沉積速度的信息，如大于2.0g/min的沉積速度。因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，上述美國(guó)專利說明書提出的加工條件在大于2g/min的沉積速度下不再能應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種制造光學(xué)纖維的方法，該方法精確地確定了高沉積速度下所要求的加工條件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制造光學(xué)纖維的方法，該方法確定了加工條件以便通過利用高沉積速度來防止氣相中形成玻璃細(xì)顆粒。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種制造光學(xué)纖維的方法，該方法在向基體管內(nèi)沉積一層或多層玻璃層后確定了基體管的幾何形狀，以便在后續(xù)塌縮步驟中形成軸對(duì)稱的預(yù)制坯。
正如描述中涉及的，方法的特征在于在根據(jù)步驟iii)的沉積過程中雷諾數(shù)符合式120＜Re＜285，其中雷諾數(shù)是在步驟iii)中基體管內(nèi)部的溫度和壓力條件下根據(jù)步驟i)和ii)提供到向基體管中的反應(yīng)物計(jì)算的。
本發(fā)明的目的是通過上述方法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，雷諾數(shù)(Re)是無量綱的參數(shù)，它是由密度、氣體流速和基體管內(nèi)徑的乘積除以粘度算出的，其中該數(shù)值是根據(jù)提供給基體管內(nèi)部的氣體，特別是與氣體混合物有關(guān)的物理參數(shù)確定的。本發(fā)明重要的雷諾數(shù)的數(shù)值列于本文所給出的實(shí)施例和比較例中。
在本發(fā)明的方法中，特別優(yōu)選的是，步驟iii)中壓力為4-35mbar。
另外，優(yōu)選的是，步驟iii)中基體管溫度為1000-1150℃。
同樣，還要求，步驟ii)中使用化學(xué)計(jì)量過量的氧量達(dá)1.8-5.0倍。
優(yōu)選的是，在基體管的內(nèi)部產(chǎn)生等離子體引發(fā)步驟i)和ii)中提供的反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，以便在基體管內(nèi)沉積一層或多層玻璃層；其中優(yōu)選的是根據(jù)步驟iii)中基體管移動(dòng)等離子體區(qū)域。因此，優(yōu)選的是根據(jù)等離子體化學(xué)汽相沉積法(Plasma Chemical Vapour Deposition，簡(jiǎn)稱PCVD)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。
令人驚訝的是，本發(fā)明人實(shí)現(xiàn)了那些不是特別適用于典型加工條件所要求的沉積速度，如上述美國(guó)專利說明書US 4314833所提出的，該參數(shù)事實(shí)上是一個(gè)推導(dǎo)量，而不是總的氣體流速，即，向基體管內(nèi)部提供的形成玻璃的氣體。
如果在步驟iii)中使用溫度小于1000℃的基體管，在沉積玻璃層上將發(fā)生不希望有的與氯化物的結(jié)合。更確切地說，溫度低于1000℃將導(dǎo)致在沉積步驟之后的收縮或塌縮處理中在沉積層中形成含氯化物的氣泡，其中在收縮或塌縮步驟中涂覆了沉積層的基體管經(jīng)受高于1800℃的溫度。沉積層中有氣泡存在的預(yù)制坯不適用于拉制光學(xué)纖維。另一方面，如果基體管溫度高于1150℃的，將導(dǎo)致基體管變形，特別是所謂的非圓度。雖然，石英基體管通常在約1800℃的溫度開始變形，在這種情況下應(yīng)用的低壓條件，與超過4小時(shí)的長(zhǎng)沉積時(shí)間相結(jié)合，可導(dǎo)致基體管的輕微的變形。這樣的變形將導(dǎo)致最終的光學(xué)纖維的非圓度和/或偏心，結(jié)果是這些特殊的性能，如單模纖維的偏振模式的色散和多模纖維的帶寬，將變得無法控制并導(dǎo)致失效。考慮到本發(fā)明步驟iii)中基體管內(nèi)的壓力，當(dāng)壓力數(shù)值大于35mbar時(shí)沉積層中將摻入大量雜質(zhì)，這是不希望發(fā)生的。特別是，氯化物的摻雜將導(dǎo)致問題，尤其是因?yàn)槠莸男纬?。另外一方面，如果本發(fā)明步驟iii)中基體管內(nèi)的壓力小于4mbar，那么在恒定的高頻電容下將使等離子體變長(zhǎng)并且降低等離子體強(qiáng)度，這將導(dǎo)致氯化物不能完全轉(zhuǎn)化為氧化物。至于本發(fā)明方法中使用的化學(xué)計(jì)量過量的氧氣是，氧的過量量小于1.8倍將導(dǎo)致與等離子體穩(wěn)定性有關(guān)的問題，導(dǎo)致在沉積層中出現(xiàn)不希望有的氯化物摻雜。另一方面，如果使用氧的化學(xué)計(jì)量過量量大于5.0倍，等離子體中氣體流速太高，以致反應(yīng)氣體在反應(yīng)區(qū)中停留時(shí)間太短并且轉(zhuǎn)化率減少。而且，將形成不希望有的玻璃細(xì)顆粒。針對(duì)這一方面，應(yīng)該格外注意沉積過程中所需要耦合的等離子體電容直接與向基體管內(nèi)部提供的形成玻璃的分子的量有關(guān)。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了獲得結(jié)合率高于90％的SiO2(和任何摻雜物)，雷諾數(shù)必須不超過285，以防止形成玻璃細(xì)顆粒，特別是在氧的化學(xué)計(jì)量過量最大的情況下。本發(fā)明人還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)必須至少為120，因?yàn)槿绻鰯?shù)值小，特別是在氧的化學(xué)計(jì)量過量最小的情況下，則等離子體顯示相當(dāng)程度的不穩(wěn)定性。
附圖表示所謂的PCVD的工作范圍或處理窗，其中基體管的內(nèi)徑(mm)是為水平軸，向基體管內(nèi)部提供氣體的總流速為垂直軸。為了在大于2g/min的沉積速度下獲得大于90％沉積率，與上述要求適宜的工作范圍優(yōu)選的是位于相應(yīng)于雷諾數(shù)為285的上線和相應(yīng)于雷諾數(shù)為120的下線之間。附圖同樣表示了2g/min的最小沉積率。
下面通過一些實(shí)施例和比較例更詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中應(yīng)該注意的是，本發(fā)明不局限于這些具體的實(shí)施例。


圖1表示所謂的PCVD的工作范圍或處理窗，其中基體管的內(nèi)徑(mm)是為水平軸，向基體管內(nèi)部提供氣體的總流速為垂直軸。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1內(nèi)徑為26mm的玻璃基體管內(nèi)部涂覆SiO2和摻雜GeO2的SiO2層，所述涂層通過PCVD技術(shù)沉積，使用2.5g/min的總沉積速度。氧的過量量為3.5倍，并且通過基體管內(nèi)部的最大氣體流量設(shè)定在4196sccm。在涂層沉積過程中基體管內(nèi)最小壓力值維持在10mbar以上，并且在涂層沉積過程中基體管的最大壓力值維持在30mbar以下。在沉積過程的開始階段，此時(shí)基體管的內(nèi)徑為26mm，在基體管內(nèi)部溫度1100C下混合氣體的雷諾數(shù)為184。一旦基體管內(nèi)徑等于18mm時(shí)，停止涂層的沉積，此時(shí)的雷諾數(shù)為275。接下來，使該管收縮成實(shí)心的預(yù)制坯，從而獲得高質(zhì)量的光學(xué)纖維。
實(shí)施例2-4和比較例1-2采用PCVD技術(shù)對(duì)內(nèi)徑為20mm的基體管進(jìn)行內(nèi)部涂覆SiO21小時(shí)。加入的SiCl4的量每次等于933sccm(對(duì)至少為2.5g/min的沉積速度足以達(dá)到100％的沉積率)。氧的過量量在每次新的實(shí)驗(yàn)中都變化，以便總流量和雷諾數(shù)在每次新的實(shí)驗(yàn)中都變化。其它條件(壓力和溫度)維持在與上述實(shí)施例1中相同的數(shù)值。在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，根據(jù)測(cè)量基體管的重量增加量來計(jì)算沉積率。結(jié)果如下表所示。

從上述表中顯示如果雷諾數(shù)大于285，則沉積率小于90％，因此該數(shù)值是臨界值。
實(shí)施例5對(duì)內(nèi)徑為30mm的玻璃基體管內(nèi)部涂覆SiO2和摻雜GeO2的SiO2層，所述涂層通過PCVD技術(shù)沉積。SiCl4的流量在沉積過程開始時(shí)設(shè)定為750sccm，并逐漸下降到沉積過程結(jié)束時(shí)的660sccm。GeCl4的流量從0增加到沉積過程結(jié)束時(shí)的90sccm。氧氣的流量在沉積過程中保持在2500sccm的常量。在沉積過程中基體管的最小壓力值維持在10mbar以上，在沉積過程中基體管的最大壓力值維持在30mbar以下。在沉積過程開始時(shí)，此時(shí)基體管的內(nèi)徑是26mm，在基體管內(nèi)部的溫度為1100℃下混合氣體的雷諾數(shù)為126。一旦基體管的內(nèi)徑達(dá)到20mm時(shí)，停止涂層的沉積，此時(shí)雷諾數(shù)為192。接下來，使該管收縮成實(shí)心的預(yù)制坯，從而獲得高質(zhì)量的光學(xué)纖維。
比較例3-4采用PCVD技術(shù)和在SiCl4的流量為784sccm的條件下對(duì)內(nèi)徑為29mm的基體管涂覆玻璃層。與比較例3中，氧的過量量從5倍逐漸下降到1.5倍。當(dāng)氧的過量量等于1.8倍時(shí)，等離子體出現(xiàn)不穩(wěn)定性，此時(shí)雷諾數(shù)為119，該不穩(wěn)定性在基體管中以劇烈的壓力變化的形式表現(xiàn)出來。進(jìn)一步降低氧的過量量最終導(dǎo)致等離子體的熄滅。
在比較例4中，使用內(nèi)徑為37mm的基體管和恒定流量為1005sccm的SiCl4重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。在該比較例中，當(dāng)氧的過量量等于1.8倍或更少時(shí)，等離子體也不穩(wěn)定，此時(shí)的雷諾數(shù)為120。
權(quán)利要求
1.一種在基體管內(nèi)通過一步或多步化學(xué)汽相沉積反應(yīng)制備光學(xué)纖維的方法，該方法包括如下步驟i)向基體管提供一種或多種摻雜的或未摻雜的形成玻璃的前體；ii)向基體管提供化學(xué)計(jì)量過量的氧氣；iii)在基體管內(nèi)，使步驟i)和ii)提供的反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，以便在基體管內(nèi)部沉積一層或多層玻璃層；iv)對(duì)步驟iii)中由此涂覆的基體管進(jìn)行塌縮處理以便形成預(yù)制坯，并且最后；v)當(dāng)加熱預(yù)制坯時(shí)，將預(yù)制坯拉制成光學(xué)纖維，然后冷卻所述光學(xué)纖維，其特征在于在步驟iii)的沉積過程中雷諾數(shù)符合式120＜Re＜285，其中雷諾數(shù)是在步驟iii)中基體管內(nèi)部的溫度和壓力條件下根據(jù)步驟i)和ii)提供到基體管的反應(yīng)物來計(jì)算的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于步驟iii)中使用的壓力為4-35mbar。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)或多項(xiàng)方法，其特征在于步驟iii)中的基體管溫度為1000-1150℃。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)或多項(xiàng)方法，其特征在于步驟ii)中使用的氧的化學(xué)計(jì)量過量量為1.8-5.0倍。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)或多項(xiàng)方法，其特征在于步驟iii)包括在基體管內(nèi)形成等離子體，以便沉積一層或多層玻璃層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于根據(jù)步驟iii)中的基體管移動(dòng)等離子體區(qū)域。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)或多項(xiàng)方法，其特征在于步驟iii)中沉積速度至少為2g/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在基體管內(nèi)通過一步或多步化學(xué)汽相沉積反應(yīng)制備光學(xué)纖維的方法，該方法包括如下步驟i)向基體管提供一種或多種摻雜的或未摻雜的形成玻璃的前體；ii)向基體管提供化學(xué)計(jì)量過量的氧氣；iii)在基體管內(nèi)，使步驟i)和ii)提供的反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，以便在基體管內(nèi)部沉積一層或多層玻璃層；iv)對(duì)步驟iii)中由此涂覆的基體管進(jìn)行塌縮處理以便形成預(yù)制坯，并且最后；v)當(dāng)加熱預(yù)制坯時(shí)，將預(yù)制坯拉制成光學(xué)纖維，然后冷卻所述光學(xué)纖維。
文檔編號(hào)C03B37/02GK1508085SQ20031012229
公開日2004年6月30日 申請(qǐng)日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者D·R·西蒙斯, H·L·M·詹森, G·J·A·伊普馬, R·H·M·德克斯, A 伊普馬, D R 西蒙斯, M 德克斯, M 詹森 申請(qǐng)人:德拉卡纖維技術(shù)有限公司