专利名称：石英管内表面的处理方法、光纤预制件的制造方法以及光纤的制造方法
技术领域：
本发明涉及石英管内表面的处理方法、光纤预制件的制造方法和光纤的制造方法。
背景技术：
为了生产光纤预制件，将多个玻璃件组合在一起。为了获得损耗低的光纤，在生产光纤预制件的过程中，必须减少处于光波导区内的玻璃件之间的界面内所存在的杂质。位于玻璃件之间的界面内的气孔及异物会导致光纤的可靠性降低，即使该界面并不处于光波导区内。
因此，为了获得可靠性高、损耗低的光纤，要对制造光纤预制件所使用的石英管的内表面进行处理。过去，在这种石英管的内表面处理中采用的是使用CF4气体或SF6气体的气相蚀刻法(例如，参见日本专利申请公开No.S56-73637或日本专利申请公开No.S55-90430)。
然而，在这种气相蚀刻法中，不能完全消耗掉CF4气体和SF6气体，因此这些气体中的一部分作为未反应气体被排出。这种CF4气体和SF6气体被指出是使全球变暖的气体，因此需要减少它们的用量。
发明内容
本发明的目的是提供石英管内表面的处理方法、光纤预制件的制造方法以及光纤制造方法，其中使全球变暖的气体的排放量少于使用传统方法时的情况。
为了达到该目的，石英管内表面的处理方法包括以下步骤对石英管进行加热，使其温度达到1800℃或更高，同时向石英管的内部供入含氯的气体，从而用氯来处理石英管的内表面。
在石英管的内表面处理步骤中，优选的是，使用电阻炉或感应电炉作为热源对石英管进行加热，并且在石英管的内部被控制为正压的状态下加热石英管。并且，优选的是，在实施内表面处理之前，先进行预处理，其中在低于1800℃的温度下加热石英管的同时，向石英管的内部供入含氯的气体。
为了达到所述目的，本发明所提供的另一个方面是制造光纤预制件的方法，该方法包括处理石英管内表面的步骤以及将石英管加工成棒的步骤，所述的处理石英管内表面的步骤是通过将石英管加热到1800℃或更高的温度，同时向石英管的内部供入含氯的气体而进行的。本发明的又一个方面是光纤的制造方法，其中通过对采用本发明的光纤预制件制造方法所制备的光纤预制件进行拉丝而制成光纤。
通过以下说明、所附的权利要求以及附图将会更好地理解本发明的上述这些方面、特征和优点。在
中，相同的标记表示相同的元件并且省去重复说明。
图1是示出根据本发明的光纤制造方法的第一实施方案的流程图。
图2是示出第一实施方案的内表面处理过程的示意图。
图3是光纤拉丝过程的示意图。
图4是示出在氯气气氛中，由SiO2形成的气相化合物的量与温度的关系的计算结果的图。
图5是示出根据本发明的光纤制造方法的第二实施方案的流程图。
图6是示出第二实施方案的内表面处理过程的示意图。
图7是示出根据本发明的光纤制造方法的第一实施方案的变形例的流程图。
具体实施例方式
本发明者针对氯具有能够除去存在于玻璃表面上的杂质和水分的功能，发现在氯气气氛下使玻璃达到1800℃或更高的高温，能够除去玻璃表面的一部分，并且完成了本发明。
(第一实施方案)图1是示出根据本发明的光纤制造方法的第一实施方案的流程图。第一实施方案是通过将管棒(rod-in-tube)法制备的光纤预制件进行拉丝而制造光纤的方法，该实施方案包括内表面处理步骤S10，预制件形成步骤(将石英管加工成棒的过程)S11，以及光纤拉丝步骤S12。
图2是示出第一实施方案的内表面处理步骤的示意图。在内表面处理步骤S10中，清理将要在管棒法中使用的石英管的内表面。首先，将石英管10(将被加工为包层区)安装于机床(图中没有示出)上。在这种情况下，将支撑管(图中没有示出)与石英管10的两端连接，并且通过支撑管将石英管10安装在机床上，安装方式为使得石英管10能够绕其中心轴旋转。石英管10的材料是例如纯石英玻璃、掺氟石英玻璃、或者掺氯石英玻璃等。为了对高温加热石英管10所引起的石英管10变形进行抑制，石英管10的壁厚优选为不小于15mm。
在石英管10被安装于机床上之后，使氯气从石英管10的一端流向另一端，同时使用感应电炉21作为热源来加热石英管，使石英管10的温度达到1800℃或更高。本文所述的石英管10的温度是指石英管10外表面的温度。在此过程中，在使石英管10绕其中心轴旋转的同时，使感应电炉21在石英管10的纵向(平行于氯气流动方向的方向)上移动。
在内表面处理步骤S10中，通过在使氯气流过的同时将石英管10加热到1800℃或更高的温度，来实施石英管10的内表面处理。更具体地说，内表面10a的一部分被蒸发除去。并且，在不低于1800℃的高温下处理的结果是玻璃表面因发生粘性流动而变光滑，因而形成这样的表面该表面在随后的处理过程中能够抑制气孔的产生。为了便于实施这种光滑化操作，优选的是石英管10中掺杂有氟和氯中的至少任一种。加入氟或氯的结果是使玻璃的粘度降低。因此，可以降低使石英管10变光滑所需的温度，并且可以容易地产生光滑效果。
优选的是，在实施加热步骤使得石英管10的温度不低于1800℃之前，先在一定温度(低于1800℃的温度)下加热石英管10，同时使氯气流入石英管10的内部(预处理)(见图7)，在该温度下，既没有产生石英管内表面被除去的现象，也没有产生表面变光滑的现象。当在低于1800℃的温度(例如500℃)下实施该热处理时，既没有产生内表面10a被蒸发的现象，也没有产生粘性流动的现象；但是氯气除去了内表面10a上的一部分杂质。因此，即使在随后的处理过程中，在不低于1800℃的高温下实施热处理而导致发生粘性流动时，杂质也很难被带进石英管10的内表面10a中，这是因为先前已经除去了内表面10a上的一部分杂质。结果，使用石英管10制成的光纤中的杂质含量被降低得更多，因此可以达到使传输损耗减少以及使可靠性提高的效果。
在内表面处理步骤S10之后的预制件形成步骤S11中(将石英管转变成棒的过程)，使用经内表面处理后的石英管10来生产光纤预制件。光纤预制件形成步骤S11包括棒插入过程S11A、氯处理过程S11B以及塌缩过程S11C。
首先，在棒插入过程S11A中，将其外径小于石英管10的内径的石英玻璃棒插入经内表面处理后的石英管10中。将成为芯区的石英玻璃棒中掺杂有氯。
随后，在氯处理过程S11B中，使氯气流入介于石英玻璃棒和石英管10之间的间隙中，并且在低于内表面处理步骤S10所采用的温度(1800℃)下实施热处理。因此，可以除去将成为芯区的石英玻璃棒表面上的杂质。随后，在塌缩过程S11C中，通过熔化使其中插有石英玻璃棒的石英管10的一端完全密封，然后通过在减压条件下在氧气气氛中加热而使石英管10和石英玻璃棒一体化(塌缩)，由此形成光纤预制件11。
图3是示出光纤拉丝操作的示意图。随后，在光纤拉丝步骤S12中，在预制件形成步骤S11中制成的光纤预制件11被放进拉丝炉30中进行光纤拉丝，由此制成光纤12。
在第一实施方案的光纤制造方法中，重要的是在向石英管10的内部供入氯气的同时，通过加热使石英管10达到1800℃的高温，由此来清理内表面10a。图4是示出在氯气气氛中，由SiO2形成的气相化合物的量与温度的关系的计算结果的图。更具体地说，它示出了含Si化合物的量的计算结果，这是通过在1个大气压下、在1摩尔的SiO2和1摩尔的Cl2共存的情况下，在达到平衡时进行化学平衡计算而获得的。
如图4所示，在温度达到1800℃或更高时，形成大量的气相的含Si化合物(SiClx(x为1、2、3或4)和SiO)。SiClx是通过氯的反应而生成的，并且其生成量在1800℃-2000℃的温度范围内达到最大。由升华反应产生的SiO与温度相关，并且在2200℃或更高的温度下作为气相产物来说变成主要物质。在对石英管实施塌缩后，SiO保留在光纤预制件中。
通过在氯气气氛中进行加热使石英管10的温度达到1800℃或更高，内表面10a的一部分就会借助于氯气而被蒸发除去。这样就使得在根本不使用SF6气体和CF4气体或减少其用量的条件下，对石英管10的内表面10a进行了清理，并且可以更可靠地除去存在于内表面10a上的杂质和水分等。因此可以制造出杂质等被减少的光纤预制件。并且，在使用经内表面处理后的石英管10制成的光纤12中，也降低了由于杂质和水分等而引起的传输损耗，从而使光纤12具有优异的可靠性。
过去，在制造光纤预制件时，由于采用了使用SF6气体或CF4气体的气相蚀刻法来实施石英管的内表面处理，所以排出了SF6气体或CF4气体，而这些气体被认为是使全球变暖的原因。与之形成对比的是，在第一实施方案的光纤制造方法中，因为石英管的内表面处理是使用氯气进行的，而根本没有使用SF6气体或CF4气体，所以没有排出使全球变暖的气体，因此该内表面处理方法是对地球环境友好的方法。
过去，通常认为如果石英管被加热到等于或大于1800℃的高温，石英管就会变形。但是在第一实施方案的光纤制造方法中，由于通过感应电炉21的辐射热对石英管10进行加热，所以能够抑制石英管10的变形。
(第二实施方案)图5是示出根据本发明的光纤制造方法的第二实施方案的流程图。第二实施方案的制造方法(其中通过使用改进的化学气相沉积(MCVD)法制备的光纤预制件进行拉丝而制成光纤)包括内表面处理步骤S20，预制件形成步骤(将石英管转变成棒的过程)S21，以及光纤拉丝步骤S22。
图6是示出第二实施方案的内表面处理步骤的示意图。在内表面处理步骤S20中，首先将石英管40安装在MCVD机床上(图中没有说明)，该石英管40由(例如)纯石英玻璃制成，并且其将成为包层区的一部分。之后，在使用氢氧燃烧器22作为热源对石英管40的外周进行加热以使石英管40的温度达到1800℃或更高的同时，使氯气流入石英管40的内部。在这种情况下，使石英管40以预定的转速绕其中心轴旋转，同时使氢氧燃烧器22以预定的速度在石英管40的纵向上移动。另外，为了防止石英管40变形，使用内压控制机构(通常被设置在MCVD机床中)来控制石英管40的内压，以使石英管40的内压可以达到比外压更高的正压。在石英管40的壁厚薄至(例如)6mm的情况下，使石英管40的内压为正压是非常有效的。
然后，在预制件形成步骤S21中，使用其内表面40a经过处理的石英管40来形成光纤预制件。预制件形成步骤S21包括玻璃层形成过程S21A和塌缩过程S21B。在玻璃层形成过程S21A中，将成为包层区的玻璃层和将成为芯区的掺Ge玻璃层被依次沉积在其内表面经过处理的石英管40的内表面上。然后，在随后的塌缩过程S21B中，实施塌缩操作，通过该塌缩操作制成具有外包层的棒，并由此获得光纤预制件41。在光纤拉丝步骤S22中，如图3所示，在预制件形成步骤S21中制备的光纤预制件41在拉丝炉30中被拉制成光纤42。
此外，在第二实施方案中，因为石英管40的内表面处理是使用氯气来实施的，而没有使用SF6气体和CF4气体(使全球变暖的气体)，所以可以在不排出任何使全球变暖的气体的情况下完成石英管的内表面处理，因此，这种光纤制造方法对地球环境友好。此外，由于在1800℃或更高的温度下加热石英管40的同时将氯气供入石英管40中，所以石英管40的部分内表面能够被蒸发除去。因此，可以制造出其中杂质等的含量被降低的光纤预制件。并且可以制成其包层区没有被杂质和水分等污染的光纤42，结果，可以减少如此获得的光纤42的传输损耗，从而使得光纤42具有优异的可靠性。
本发明的实施方案不限于上述优选实施方案。例如，关于热源，在第一实施方案中使用感应电炉21，而在第二实施方案中使用氢氧燃烧器22；但是，如果电阻炉可以将石英管10和40加热到1800℃或更高的温度，则可以使用电阻炉代替感应电炉21和氢氧燃烧器22。为了达到即使在1800℃或更高的温度下加热石英管10和40，石英管10和40也不容易变形、并且能够抑制表层被吹走的效果，通过辐射热来加热石英管10和40的电阻炉和感应电炉是优选的。
另外，在内表面处理步骤S10和S20中，被导入石英管10和40中的气体是不含SF6气体和CF4气体的氯气；但是也可以使用其它种类的含氯的气体。在石英管10的内表面10a和石英管40的内表面40a上附着有含碳杂质的情况下，被导入石英管10和40中的气体中优选含氧，这是因为杂质能够通过其气相氧化反应而被除去。在内表面处理过程中，在用含氯的气体在1800℃或更高的温度下实施热处理之前，可以先使用氧进行处理。并且，如果SF6气体或CF4气体的含量很少而不至于产生未发生反应的气体(它们通过与石英管10和40反应而被消耗掉)，那么在被导入石英管10和40中的气体中可以含有SF6气体或CF4气体。
为了制备石英管10和40，采用机械加工的方法在实心石英玻璃内形成通孔，并且拉伸如此形成的管状玻璃体。因此，优选的是，在拉伸石英管10和40的同时，实施内表面处理过程S10和S20。在拉伸石英管10和40时，用于加热石英管10和40的温度为1800℃或更高，因此可以进行气相去除过程，这可以与拉伸过程同时进行，从而使生产率得以提高。
(实施例1)按照第一实施方案的方法制造光纤。首先，通过机械加工，在由石英玻璃(所述石英玻璃中掺杂有氟，使得其与未掺杂的石英的相对折射率差值为-0.33％)构成的棒内形成孔，并且由此形成外径为75mmφ、内径为8mmφ的石英管10。随后，为了除去机械加工过程所产生的溶液，使用HF溶液以预定的时间处理石英管10的内表面和外表面，之后将支撑管与石英管10的各端相连，并将其安装在机床上。然后，在使用感应电炉21进行加热以使石英管10的温度达到1800℃或更高时，使氯气以1000sccm(标准毫升/每分钟)的流量流入石英管10中。在此期间，感应电炉21以25mm/分钟的速度(横动速度)从氯气流动方向的上游侧向下游侧横向移动，该操作被重复了5次。并且，在机床的作用下，石英管10的转数为30转/分钟。
接着，在棒插入过程S11A中，将外径为5mmφ的掺氯石英玻璃棒插入石英管10中。该石英玻璃棒是由以下步骤制成的采用气相轴向沉积法(VAD)合成烟尘体；在含有SiCl4的气氛中使烟尘体脱水并烧结；以及在无水气氛中通过用电阻炉加热来拉伸烧结体。该石英玻璃棒的相对折射率差值为0.06％。随后，通过实施氯处理过程S11B和塌缩过程S11C而制成光纤预制件11。然后，实施光纤拉丝步骤S12。由此制成光纤12，并评价其传输损耗。
然后，将上述传输损耗与以如下方式制成的光纤的传输损耗进行对比，该光纤是在相同的条件下制成的，不同之处在于石英管10的内表面处理是使用SF6气体通过传统蚀刻法来进行的。结果发现，在光纤12中，二者在1.55μm波长带的传输损耗(由金属杂质造成)基本上彼此相等。此外，关于光纤在1.38μm波长带的传输损耗(由OH吸收造成)，二者的差值为0.2dB/km，因此，两种光纤的损耗基本相等。
(实施例2)按照第二实施方案制造光纤。首先，将外径为25mmφ、壁厚为6mm的石英管40作为起始管安装在MCVD机床上。然后，在使氯气以500sccm的流量流入石英管40中的同时，使用氢氧燃烧器22从石英管40的外周进行加热，使得其温度达到1800℃。在这种情况下，使用被设置在MCVD机床中的内压控制机构将石英管40的内部控制为正压，从而可以防止石英管40发生变形。并且，使氢氧燃烧器22以50mm/分钟的速度从氯气流动方向的上游侧向下游侧横向移动，该操作被重复了4次。并且，在机床的作用下，石英管40以30转/分钟的转速旋转。
在完成内表面处理之后，将经过玻璃层形成过程S21A和塌缩过程S21B而制成的棒进行外包过程，以制成光纤预制件41。然后，在光纤拉丝步骤S22中，将如此制成的光纤预制件41在拉丝炉30中进行拉丝。由此制成光纤42，并评价其传输损耗。
然后，将上述传输损耗与以如下方式制成的光纤的传输损耗进行对比，该光纤是在相同的条件下制成的，不同之处在于石英管40的内表面处理是使用SF6通过传统蚀刻法来进行的。结果发现，这两种光纤42在1.55μm波长带的传输损耗(由金属杂质造成)基本相等。此外，关于光纤42在1.38μm波长带的传输损耗(由OH吸收造成)，二者的差值为0.3dB/km，两种光纤的损耗基本相等。
尽管结合了目前认为最实用和最优选的实施方案来描述本发明，但本发明并不是限于以上公开的实施方案的，而是应该包括有在所附权利要求书的实质和范围内的各种变形和等同形式。
2005年9月1日提交的日本专利申请No.2005-253887所公开的全部内容(包括说明书、权利要求书、附图和摘要)以引用方式全部并入本文。
权利要求
1.一种处理石英管内表面的方法，该方法包括以下步骤加热该石英管使其达到1800℃或更高的温度，同时向该石英管的内部供入含氯的气体，由此用氯来处理该石英管的内表面。
2.根据权利要求1所述的处理石英管内表面的方法，其中使用电阻炉或感应电炉作为热源来加热所述石英管。
3.根据权利要求1所述的处理石英管内表面的方法，其中在所述石英管的内部被控制为正压的状态下加热所述石英管。
4.根据权利要求1所述的处理石英管内表面的方法，其中在进行预处理步骤之后再实施所述的处理内表面的步骤，在该预处理步骤中，在低于1800℃的温度下加热所述石英管，同时向所述石英管的内部供入含氯的气体。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的处理石英管内表面的方法，其中所述的含氯的气体是氯气。
6.一种光纤预制件的制造方法，该方法包括以下步骤通过加热石英管使其达到1800℃或更高的温度、同时向该石英管的内部供入含氯的气体，由此处理该石英管的内表面；以及将所述石英管加工成棒。
7.根据权利要求6所述的光纤预制件的制造方法，其中所述的含氯的气体是氯气。
8.一种光纤制造方法，该方法包括对采用权利要求6或7所述的光纤预制件制造方法所制备的光纤预制件进行拉丝的步骤。
全文摘要
本发明提供了石英管内表面的处理方法、光纤预制件的制造方法和光纤制造方法，其中使全球变暖的气体的排放量少于使用传统方法时的情况。石英管内表面的处理方法包括以下步骤对石英管进行加热，使得温度达到1800℃或更高，同时向石英管的内部供入含氯的气体，从而用氯来处理石英管的内表面。光纤预制件的制造方法还包括将所述石英管加工成棒的步骤。光纤的制造方法包括对采用光纤预制件制造方法所制备的光纤预制件进行拉丝的步骤。
文档编号C03B37/012GK1923737SQ20061012774
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月1日 优先权日2005年9月1日
发明者樽稔树, 佐佐木隆, 平野正晃 申请人:住友电气工业株式会社