专利名称：一种涂有非晶体硼保护层的光纤及其沉积该层的一种方法
技术领域：
本发明是关于一种涂有非晶体硼保护层的光纤及其沉积保护层的一种方法。
传统的光纤结构是为了所熟知的光纤包括包围在光纤包层中，用以导引大部分光波的纤芯，纤芯和包层由以很大程度或较小程度掺杂在纤芯和包层区内的基于二氧化硅的材料制成。这里从广义上定义“光纤包层”，即光纤包层包括所有包围纤芯的基于二氧化硅的层，而不考起其所获取的方法。
在某些已知的光纤中，光纤包层直接由树脂涂层覆盖，部分地目的是避免由光纤的引起轻微弯曲的后果，特别是当光纤安置在光缆中时，在安装和使用过程中，光纤受弯曲力和牵引力的影响，导致其长期的机械疲劳，即导致其机械特性变坏，从而导致其传输特性的变坏。
在其它所知的，设计主要用在受水和氢氧基离子的影响的潮湿的环境(特别是在水下)中使用的光纤，保护层直接放置在树脂涂层下的光纤包层上。光纤受压力的影响导致机械疲劳，从而在其表面引起微缝，受潮湿和OH-离子的作用，致使在其表面的微缝变大，削弱了光纤，从而使其破裂。
在所知的方法中，提供在光纤上的保护层，例如，一般由非晶体或湍层碳做成(即具有一种结构，能使其提供好于石墨碳所能提供的密封)，碳由蒸气相化学沉积在光纤上。
然而，这样的碳保护层不是完全令人满意的虽然它对光纤提供足够的密封，但是因为不够坚硬，表现出对磨损较差的抵抗低。因此当许多光纤装在光缆中时，光纤的摩擦或由于光纤与安装光缆的内壁的摩擦，它不能长期地保护光纤不受磨损。不幸的是，靡损引起在光纤的表面出现微缝，从而导致光纤有破裂的危险。
为避免光纤的摩损，光纤的的树脂涂层必须很厚，实际上不小于60微米，不幸的是，这是很不利的，如在目前的情况下，当希望增加光纤电缆的容量时，使其容纳50-100根光纤。这样使光纤在可提供的空间很小情况下使用时所必须的紧凑，就因为很厚的树脂涂层而难以做到。
专利US4319803提出一种非晶体硼保护层，认为可以消除上述的缺点。
此外，从发表在1976年2月的《电化学会——固态科学和技术》，题为“在大规模基片上的硼化学蒸气沉积”的文章中得知一种硼沉积方法，该方法用氢气H2的方法，通过还原气态氮化硼(BCl3)，在对三氮化硼不活泼的基片上，即不与其发生化学反应，由蒸气相化学沉积硼。
使用氯化硼或任何其他卤化硼，例如氟化硼BF3或BBr3的方法，简单并便宜于实现。特别是，它避免了作为起始反应物的氢化物(例如SiH4，专利US—4319803所推荐的)的使用，氢化物，特别是氢化硼B2H6毒性很大，暴露在空气中易于爆炸，并且不能获得高沉积速度。
然而，不可能用所述的方法直接将非晶硼沉积在二氧化硅SiO2上，因为二氧化硅相对于硼卤化物不是惰性的，即它与其发生化学反应。
因此本发明的目的提出一种具有现今所知的最便宜和最的简单的方法做成的硼保护层的光纤，同时避免了硼卤化物和光纤的二氧化硅之间的任何相互反应。
鉴于此，本发明提出一种包括包围在光纤包层中的纤芯的光纤，光纤包层和纤芯由基于氧化硅的材料制成，并且保护层由非晶硼构成。光纤的特征是硼保护层直接沉积在非晶体碳层上，碳层本身沉积在光纤包层上。
碳相对于硼卤化物是惰性的，即它不与其发生化学反应，因此碳层作为保护阻止层，来避免硼沉积期间，硼卤化物和光纤包层的二氧化硅之间的任何反应。而且，碳层使所得到光纤易于拆卸和密封。
本发明的光纤上沉积非晶硼的方法，该光纤包括由光纤包层包围的光纤芯，二者均由基于氧化硅的材料制成，该方法的特征在于它包括一个在光纤上沉积碳层的步骤，然后跟随一个用氢气H2的方法通过还原碳卤化物，由蒸气相在碳层上化学沉积非晶硼的步骤。
本发明的光纤，用所知最简单和最便宜的方法，使非晶硼沉积在光纤上，同时避免了硼卤化物和光纤的二氧化硅之间的可能出的反应。
硼沉积的温度是可选择的，例如在1050-1250℃范围之间。
有利地硼卤化物和氢气的摩尔浓度比R位于1/20-2/3之间。
根据本发明的另一个特征，硼涂层的施加与光纤拉制一起进行，在涂硼层时，光纤的运行速度不小于100m/min。
为了沉积无定形的即非晶体硼层，在沉积反应器中的气态反应物的更新速率必需较高。在本发明中，通过光纤以高速，即以不低于100m/min的速度通过反应器而得到。
非晶硼层的沉积速度可能至少0.10μm/s并且最好在0.25μm/s左右，通过对沉积速度提出这样的一个低限，经适当地选择给定光纤通过速度的不同反应物的流入速率，可以保证沉积的硼没有时间在沉积反应的温度上结晶。
硼沉积可以在大气压左右的压力下进行。
最后，根据本发明很有益的一个特征，可以加到气态反应物初始混合中一气态反应物，该气态反应物是硅的母体，如SiH4，SiH3Cl，SiH2Cl2，SiHCl3或SiCl4；所讲的混合物以反应能力减低的顺序给出，这使得硼层可以掺杂硅。
在显注的方式中，观察到以这种方式硅掺杂的硼层比没有和硅掺杂的硼层相比要坚硬的多沉积在相对于所使用的硼卤化物为惰性的基片如碳上的非掺杂非晶硼的维氏硬度位于3000kg/mm2-4000kg/mm2之间，而沉积在同样基片上的掺杂硅的非晶硼的维氏硬度位于4700kg/mm2-7800kg/mm2之间(根据表示方式，天然金刚石的维氏硬度是900kg/mm2)。
其它元素可以作为掺杂剂，用来增加硼层的硬度，产生于它们气态母体。它们包括，例如钴，镍，铬，铜，铁，钪，锰，钛和铝。
其它本发明的特征和优点在下面非限制的例子给出本发明的一种光纤和方法的说明中给出。
在下面的图中
图1是本发明的一种光纤的横截面示意图；图2是实现本发明方法的一个简化示意图；图中，相同单元具有相同的参考数字。
首先，已知无定形硼是非结晶硼，特征尤其是在其结构中没有晶粒边界，使得其具有良好的的密封特性和高断裂强度，因此在关于密封性方面它表现出和非结晶碳同样的优势。然而，它比非结晶碳具有更高的硬度，因此，给与光纤的提高的摩损抵抗力，与基于碳制成的保护层相比，结果使得由树脂涂层的厚度可以减少。树脂保护层甚至可以去掉。
已知，非结晶结构的特征是组成其特质的无秩序。1％结晶晶粒的含量相应于不可避免出现的结晶迹象，对硼非晶层带来结构不完善，但对所希望设计的保护层的特性没有明显的影响。以这样的结晶粒含量，可以说沉积硼“本质”是非结晶体，无定形的。
图1示出本发明的光纤1，从内到外同轴排列，包括一个用于导引大多数光波的基于二氧化硅的纤芯2；也是基于二氧化硅的光纤包层3；厚度位于10nm-50nm之间，而最好在30nm附近的非晶体碳层4；厚度位于10nm-200nm之间，而最好在100nm附近的非晶体碳层5；和厚度小于50nm，最好在10nm附近的选择树脂保护涂层6。
一般地，纤芯和光纤包层可以具有传统的简单结构，即每一个具有恒折射层的单一层，或它们可以是更复杂的结构，即各由多重叠层构成，并且各具有不同的折射系数。纤芯和光纤包层的结构都不将作很详细的说明，因为这些结构不是本发明的一部分，然而，很清除地明白，本发明可以应用到任何所知的光纤结构中。
非结晶硼层5对光纤以机械保护，并增强了摩损抵抗力，使得光纤1在高容量的光学电缆中和高度紧凑电缆中使用。树脂涂层的厚度可以大约使用碳保护层所要求的厚度的一半，并且甚至可以去掉。保护层5还能提供比碳层所提供的良好的密封。
现在参照图2说明本发明的沉积方法，图2是说明可以制造本发明的光纤1的机器10的示意图。
机器10包括，在垂直光纤拉引装置内一个跟一个排列一个拉光纤炉11，其中光纤以传统的方式从预制件12中拉出，预制件具有同样组份的纤芯(未示)而在直径上大于纤芯2，包围在同样组份构的光纤包层中，而在厚度上大于光纤包层3，光纤包层的直径与预制件12的纤芯的直径的比等同于和光纤包层3的直径和纤芯2的直径比；一个用于在裸光纤13上沉积非晶碳层4的反应器14；一个用于沉积非晶硼层5的反应器15；控制离开反应器15的光纤的直径的控制装置16；树脂涂层装置17，在硼层5上产生树脂涂层6；通过紫外线聚合树脂涂层6的装置18；控制所得到的光纤的最后直径的控制装置19；和一个缠绕最终光纤1的卷轴20。
仅示出一个用于沉积硼的反应器14，并且仅示出一个用于沉积碳的反应器15。然而，当必要时，碳沉积和/或硼沉积可以在沿光纤牵引线上一个跟随一个放置的多个反应器中进行。
碳沉积可以以任何一种已知的方法进行，例如。由蒸气相化学沉积。
为了在涂碳的光纤上沉积硼层，一种硼卤化物，例如气态氯化硼，应用下面的方程式由氢气还原出来
硼沉积由蒸气相以化学方式进行，还原在大约1150℃下进行，氯化硼和氢气的摩尔浓度比在1/4左右。
为了能使所用的开放式反应器让光纤有可能进出反应器，硼和碳沉积最好在大气压左右的压力下进行，特别是当沉积与光纤拉引一起进行时。
为获得非晶体硼层5，到涂有碳层的光纤表面的气态硼的传递速度最好是高速的。通过以高速将硼加到光纤的表面，形成非结晶硼层。所讲的高速度可以通过在光纤表面快速更新反应物得到。能在光纤表面得到反应物的快速更新是因此光纤高速通过反应器15和通过反应器15的入口和出口之间的气体流入更新气体状态。因此光纤在反应器15的通过速度最好不小于100m/min，对应于传统的光纤牵引速度；因此，光纤的制造速度不因光纤牵引和沉积非晶体硼涂层一起进行而降低。
以200m/min的速度使碳涂层的光纤通过反应器15，使用0.25μm/s硼涂层生长速度(通过选择0.5l/min的氯化硼流动速率和5l/min的氢气流动速率，得到这样的生长速率)，在0.3s内，能以近似75nm的厚度沉积硼涂层。
硅的母体的反应物，例如SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiHCl3或SiCl4，可以有利地加到气态相，在这种情况下，硼层5掺杂硅，从而增加了其硬度。
根据图2所说明的机器10是一个传统的光纤牵引机器，一个用于沉积碳层4的反应器14和一个用于沉积硼层5的反应器15加在其上面。机器10的某些单元是可以选择的，例如直径控制装置16和19，而且，树脂涂层装置可以是任何一种型号，并且没有必要一起进行涂树脂层。
一般地，本发明不限于上述的实施方案，特别是，给出用于表征硼层和沉积所讲层的方法的数值仅是以表示的方式，此外，本发明的一种光纤可以包括，在硼层的顶部，除树脂涂层之外的其他层，比如特别用彩色表示的涂层。
最后，任何方法可以由不超出本发明范围的等效方法取代。
权利要求
1.一种光纤，它包括包围在光纤包层中的纤芯，纤芯和包层都由基于二氧化硅的材料制成，和一个由非晶体硼构成的保护层，该光纤的特征在于硼保护层沉积在非晶碳层上，非晶碳层本身直接沉积在光纤包层上。
2.根据权利要求1的光纤，其特征在于，硼层5的厚度在10nm和200nm范围内，最好大约是100nm。
3.根据权利要求1和2的光纤，其特征在于，所述硼层掺杂有硅。
4.根据权利要求1至3的任一要求的光纤，其特征在于，硼层5由树脂涂层6覆盖，其厚度小于50微米。
5.在包括包围在光纤包层里的纤芯的光纤上沉积非晶硼的一种方法，纤芯和光纤包层都由基于二氧化硅的材料制成，该方法的特征在于，它包括一个在光纤上沉积碳层的步骤，然后跟随一个用氢气的方法通过还原硼卤化物，由蒸气相在碳层上化学沉积非晶硼的步骤。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于硼卤化物是氯化硼。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于硼沉积位于1000-1250℃温度范围内进行。
8.根据权利要求5至7任一项的方法，其特征在于硼卤化物和氢气的摩尔浓度比为1/20-2/3之间。
9.根据权利要求5至8的任一项要求的方法，其特征在于碳和硼沉积和光纤拉引一起进行，所述光纤的运动速度在沉积期间不小于100m/min。
10.根据权利要求5至9的任一项的方法，其特征在于，硼沉积在大气压左右的压力下进行。
11.根据权利要求5至10的任一项的方法，其特征在于，从SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiHCl3或SiCl4选择的硅的气态母体，加到初始反应混合物中。
全文摘要
一种光纤包括包围在光纤包层中的纤芯，纤芯和包层都由基于二氧化硅的材料制成，和一个由非晶体硼构成的保护层，光纤的特征在于硼保护层沉积在非晶碳层上，非晶碳层本身直接沉积在光纤包层上，机器(10)包括，在垂直光纤牵引装置内一个跟一个放置光纤牵引炉11，其中光纤以传统的方式从预制件12中拉出，预制件具有同样结构的纤芯而在直径上大于纤芯2，包围在同样结构的光学包层中，而在厚度上大于光纤包层3，光包层的直径和预制件12和纤芯的直径的比等同于和光纤包层3的直径和纤芯2和直径比；用于在裸光纤13上沉积非晶碳层4的反应器14；用于沉积非晶硼层5的反应器15；控制离开反应器15的光纤的直径控制器16；树脂涂层装置7，在硼层5上产生树脂涂层6；通过紫外线聚合树脂涂层6的装置18；控制所得到的光纤的最后直径的控制装置19；和缠绕最终光纤1的卷轴20。为在涂碳的光纤上沉积硼层，一种硼卤化物，例如气态氯化硼，应用下面的方程式由氢气还原出来2BCl
文档编号C03C25/22GK1134141SQ9519080
公开日1996年10月23日 申请日期1995年8月23日 优先权日1994年8月25日
发明者克劳德·布雷姆, 利奥奈尔·范德布尔克, 让-伊维斯·伯尼奥特, 布鲁诺·拉维格尼 申请人:阿尔卡塔尔光纤公司