專利名稱：制造光學(xué)纖維及其預(yù)制棒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造光學(xué)纖維用預(yù)制棒的方法，其中發(fā)生形成玻璃的化合物沉積在襯底上。本發(fā)明還涉及一種制造光學(xué)纖維的方法，其中加熱固體預(yù)制棒的一端，此后從所述加熱端拉制光學(xué)纖維。
將玻璃層沉積在襯管的內(nèi)部上本身是已知的，例如，以本申請(qǐng)人的名義申請(qǐng)的美國(guó)專利US 6,260,510，其中向所述襯管提供一種或多種反應(yīng)性氣體和含氧氣體。根據(jù)從其中知道的方法，將摻雜或不摻雜的二氧化硅(例如，摻鍺的二氧化硅)層涂覆到由例如石英玻璃組成的襯管的內(nèi)表面上。例如，可以通過沿著諧振腔的柱面軸(cylindricalaxis)放置襯管，并隨后用含氧、氯化硅和氯化鍺的氣體混合物沖洗該管的內(nèi)部來進(jìn)行這種沉積反應(yīng)。此后，在該腔內(nèi)引發(fā)局部等離子體以使摻鍺的二氧化硅直接沉積在襯管的內(nèi)表面上。由于這種沉積只發(fā)生在局部等離子體的附近，所以必須沿著襯管的柱面軸吹掃諧振腔(并因此，吹掃等離子體)以沿襯菅的整個(gè)長(zhǎng)度對(duì)其進(jìn)行均勻涂覆。當(dāng)層的沉積完成時(shí)，以使該襯管收縮成棒的方式對(duì)其進(jìn)行熱處理，該棒也稱為光學(xué)預(yù)制棒。如果以該光學(xué)預(yù)制棒的一端開始熔融的方式加熱所述端，則可以由該棒拉制光學(xué)纖維并卷到卷軸上。因此，這種光學(xué)纖維具有相應(yīng)于光學(xué)預(yù)制棒的芯-包層的芯-包層部分。因?yàn)閾芥N的芯具有比未摻雜包層更高的折射率，所以，例如該纖維可以作為波導(dǎo)，即供光通信信號(hào)傳播之用。然而，應(yīng)當(dāng)指出的是，吹過襯管內(nèi)部的氣體混合物還可能包含其它組分；可以加入含氟的化合物，造成摻雜二氧化硅的折射率下降。
歐洲專利申請(qǐng)EP 0401742涉及OVD工藝，其中將沒有氫氧離子的二氧化硅沉積在襯底上，而該襯底定位在與周圍大氣隔開的空間中。
美國(guó)專利US 4,162,908涉及一種制造預(yù)制棒的方法，其中將二氯二氟甲烷引入到等離子噴燈的火焰中；然而，不能由所述出版物得到關(guān)于調(diào)節(jié)氣氛的進(jìn)一步情況。
德國(guó)專利GE 10155134涉及一種制造預(yù)制棒的方法，其中使OH含量最?。凰龀霭嫖镂刺峒霸谶@樣一種環(huán)境中進(jìn)行沉積工藝，其中襯底存在于調(diào)節(jié)的氣氛中，特別是含濕量低于未調(diào)節(jié)氣氛的含濕量。
將這種纖維用于通信目的需要該纖維基本上無污染，因?yàn)槿绻褂么蟮睦w維長(zhǎng)度，則這種污染可以導(dǎo)致輸送信號(hào)的嚴(yán)重衰減。因此，重要的是不僅上述PCVD工藝是非常均勻的，而且用于沉積的反應(yīng)性氣體也不包含任何不需要的雜質(zhì)。在上述化學(xué)汽相沉積的過程中，氫原子因此可以在已經(jīng)沉積于襯管內(nèi)部上的玻璃層中形成-OH-鍵，該-OH-鍵對(duì)由光學(xué)預(yù)制棒拉制的纖維的透射光譜具有強(qiáng)烈的負(fù)面影響，特別是由于其在1240nm和1385nm處的強(qiáng)吸收。這種由于在氣態(tài)起始物料中存在少量雜質(zhì)造成的吸收損失對(duì)于1385nm的波長(zhǎng)可以達(dá)到10-20dB/km。盡管存在用于防止將這種-OH-基團(tuán)引入到光學(xué)玻璃纖維中的現(xiàn)有技術(shù)方法，例如從美國(guó)專利US 4,675,038中知道的，在多孔玻璃結(jié)構(gòu)的情況下，通過在沉積步驟后實(shí)施氯化步驟，或例如從歐洲專利中請(qǐng)EP 0127227中知道的，通過在化學(xué)汽相沉積反應(yīng)的過程中加入氟，但是這兩種現(xiàn)有技術(shù)方法都具有此缺點(diǎn)，即額外量的氯或氟會(huì)分別在最終的玻璃結(jié)構(gòu)中找出通路(find its way)，而這導(dǎo)致由瑞利散射所引起的衰減損失增加。
光傳導(dǎo)發(fā)生在光學(xué)玻璃纖維的一小部分，即光學(xué)芯和圍繞所述芯的一小部分包層中。因此，重要的是拉制擔(dān)負(fù)光傳導(dǎo)的光學(xué)玻璃纖維的光學(xué)預(yù)制棒沒有雜質(zhì)，特別是羥基。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種制造基本上沒有羥基的預(yù)制棒的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種制造光學(xué)纖維的方法，該光學(xué)纖維顯示出小的由羥基所引起的衰減損失，而羥基在1240nm和1385nm處顯示強(qiáng)的吸收峰。
參考引言，本發(fā)明的特征在于沉積步驟是在這樣一種環(huán)境中進(jìn)行的，其中襯底存在于調(diào)節(jié)的氣氛中，該調(diào)節(jié)的氣氛具有比未調(diào)節(jié)氣氛低的含濕量。
通過調(diào)節(jié)制造玻璃纖維制造用預(yù)制棒所處的環(huán)境看起來能夠?qū)崿F(xiàn)由羥基所引起的衰減損失明顯下降。術(shù)語(yǔ)“調(diào)節(jié)的氣氛”理解為含濕量顯著低于迄今為止通常所使用的氣氛的含濕量的氣氛。
對(duì)于內(nèi)部沉積工藝，其中將形成玻璃的化合物加入到襯管的內(nèi)部，而襯管將收縮成固體預(yù)制棒，理想的是收縮步驟在調(diào)節(jié)氣氛的環(huán)境中進(jìn)行，該調(diào)節(jié)的氣氛具有低于未調(diào)節(jié)氣氛的含濕量。在附加的權(quán)利要求書中限定了本發(fā)明其它的實(shí)施方案。
優(yōu)選地，調(diào)節(jié)的氣氛的含濕量低于5g/kg，調(diào)節(jié)的氣氛的含濕量特別是低于2g/kg。當(dāng)使用低于5g/kg的含濕量值時(shí)，與在未調(diào)節(jié)氣氛中使用正常含濕量值時(shí)出現(xiàn)的衰減量水平分布(spread)相比，衰減的下降顯著，其中正常含濕量通常為8-12g/kg。在約5g/kg含濕量下的這種強(qiáng)烈下降被認(rèn)為是由襯底表面上水分子的亞飽和所引起的，盡管本發(fā)明人不希望束縛在這種理論上。在高于5g/kg的值的情況下，衰減損失及其分布基本上與含濕量無關(guān)，在這種含量下，據(jù)認(rèn)為水分子完全吸附到襯底表面上，因此含濕量的進(jìn)一步增加將不會(huì)導(dǎo)致更高的衰減損失。例如，在20℃的環(huán)境溫度下，未調(diào)節(jié)氣氛中的含濕量為具有75％的相對(duì)濕度水平的10.1g/kg和具有40％濕度水平的5.8g/kg。


了按照本發(fā)明進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在其范圍內(nèi)檢驗(yàn)了PCVD和MCVD實(shí)驗(yàn)。
本發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過將其中發(fā)生沉積和/或收縮的機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間放置在含濕量低的環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的衰減下降。約10天后，通過這種方式獲得約0.01dB/km的額外下降。本發(fā)明人認(rèn)為，這與泄漏到該機(jī)器中的環(huán)境大氣和水分子吸附在反應(yīng)性氣體流經(jīng)的機(jī)器的內(nèi)部零件上有關(guān)。因此，重要的是在環(huán)境中保持低的含濕量至少7天。
與從現(xiàn)有技術(shù)-沉積步驟以及可能的收縮步驟是在環(huán)境空氣或未調(diào)節(jié)的環(huán)境中進(jìn)行而沒有降低含濕量-中知道的實(shí)施方案相比，這種含濕量的下降提供衰減損失的明顯下降。盡管在本文中使用術(shù)語(yǔ)“調(diào)節(jié)的氣氛”，但應(yīng)該理解除干燥空氣以外的氣體也可以用于調(diào)節(jié)環(huán)境，其中其含濕量特別低于5g/kg，更特別低于2g/kg。
通過使用PCVD工藝或MCVD工藝進(jìn)行本發(fā)明的沉積步驟，PCVD和MCVD是所謂的內(nèi)部沉積方法。
可以認(rèn)為管外汽相沉積(OVD)和汽相軸向沉積(VAD)是用于制造光學(xué)預(yù)制棒的外部氣相沉積方法。OVD工藝和VAD工藝都使用氫氣/氧氣燃燒器來沉積所謂“疏松體”(未燒結(jié))形式的、可被摻雜的二氧化硅。將形成玻璃的前體引入到火焰中，并在其中反應(yīng)，形成沉淀在襯底上的氧化物顆粒。使用圓筒形的襯底來制造OVD芯棒，將疏松體顆粒沉積在該襯底的外部上。沉積工藝后，除去該襯底，燒結(jié)中空的疏松體狀的管并密閉。OVD工藝也用于外包已經(jīng)通過使用OVD工藝或另一種方法制造的芯棒。在這種實(shí)施方案中，將疏松體顆粒沉積在已經(jīng)(部分)燒結(jié)的棒上，此后燒結(jié)該整體以獲得復(fù)合預(yù)制棒。用VAD工藝，在軸向發(fā)生“疏松體”狀棒的生長(zhǎng)，這意味著預(yù)制棒在沉積過程中變得越來越長(zhǎng)。在疏松體沉積后也燒結(jié)這種VAD棒以形成固體棒，此后，例如通過OVD工藝進(jìn)行該棒的外包。應(yīng)該理解，本發(fā)明不涉及在調(diào)節(jié)的環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)步驟，但是本發(fā)明明確地涉及將形成玻璃的化合物沉積在襯底上，后面可能進(jìn)行用于使襯底形成固體預(yù)制棒的收縮步驟，該沉積和收縮步驟優(yōu)選在調(diào)節(jié)的氣氛中進(jìn)行，該調(diào)節(jié)的氣氛具有的含濕量低于常規(guī)使用的未調(diào)節(jié)氣氛的含濕量。
使用PCVD工藝，在襯管內(nèi)部盛行的低壓等離子體沿著襯管的縱軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于這樣，將層沉積在襯管的內(nèi)部上。在以此方式沉積層之后，通過對(duì)襯管進(jìn)行外部加熱處理而使其收縮成固體棒。通過空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)來降低發(fā)生所述固體棒形成的環(huán)境的含濕量，優(yōu)選在PCVD工藝和收縮工藝的過程中，其中從空氣中抽出水分以達(dá)到小于5g/kg的含濕量。使用不同的含濕量值制造許多固體棒，隨后將這些棒形成光學(xué)纖維。然后，測(cè)量所述光學(xué)纖維在1385nm波長(zhǎng)處的衰減損失。使用MCVD工藝和隨后的收縮步驟制造光學(xué)預(yù)制棒，用其拉制光學(xué)纖維，測(cè)量該光學(xué)纖維在上述波長(zhǎng)處的衰減損失；其中在MCVD工藝中，在襯管內(nèi)部上的沉積由安裝在襯管外部的熱源進(jìn)行，例如往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氫氣/氧氣燃燒器、爐子或等離子火焰。在沉積步驟和收縮步驟中都使用含濕量降低的調(diào)節(jié)氣氛。附圖對(duì)于PCVD和MCVD說明了作為含濕量函數(shù)的衰減損失。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，對(duì)于MCVD，在含濕量大于5g/kg下，衰減損失總計(jì)達(dá)約0.14dB/km，該損失隨著含濕量進(jìn)一步增加而稍有增減。當(dāng)將含濕量降低至低于5g/kg的值時(shí)，可以觀察到顯著的降低。對(duì)于PCVD，測(cè)量到相同的趨勢(shì)，其中用小于2g/kg的含濕量甚至將衰減損失降低到小于0.05dB/km的值。
權(quán)利要求
1.一種制造光學(xué)纖維用預(yù)制棒的方法，其中發(fā)生形成玻璃的化合物沉積在襯底上，特征在于沉積步驟是在這樣一種環(huán)境中進(jìn)行的，其中襯底存在于調(diào)節(jié)的氣氛中，該調(diào)節(jié)的氣氛具有比未調(diào)節(jié)氣氛低的含濕量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于所述沉積發(fā)生在玻璃襯管的內(nèi)部上，此后使該襯管收縮成厚重的預(yù)制棒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，特征在于所述收縮步驟是在調(diào)節(jié)了氣氛的環(huán)境中進(jìn)行的，該調(diào)節(jié)的氣氛具有低于未調(diào)節(jié)氣氛的含濕量。
4.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法，特征在于沉積步驟是PCVD沉積步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法，特征在于沉積步驟是MCVD沉積步驟。
6.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法，特征在于調(diào)節(jié)的氣氛的含濕量小于5g/kg。
7.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法，特征在于調(diào)節(jié)的氣氛的含濕量小于2g/kg。
8.一種制造光學(xué)纖維的方法，其中加熱厚重預(yù)制棒的一端，此后使用通過實(shí)施如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)或多項(xiàng)中限定的方法獲得的厚重預(yù)制棒拉制光學(xué)纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造光學(xué)纖維用預(yù)制棒的方法，其中發(fā)生形成玻璃的化合物沉積在襯底上。本發(fā)明還涉及一種制造光學(xué)纖維的方法，其中加熱固體預(yù)制棒的一端，此后從所述加熱端拉制光學(xué)纖維。預(yù)制棒基本上沒有羥基，并且用其拉制的纖維顯示小的衰減損失。
文檔編號(hào)C03B37/014GK1863742SQ200480029544
公開日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2004年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月8日
發(fā)明者D·R·西蒙斯, J·P·特普斯馬, F·古伊賈 申請(qǐng)人:德拉卡纖維技術(shù)有限公司