专利名称:生产含氟覆层光导纤维玻璃坯的方法
本发明关于生产含氟覆层光导纤维玻璃的方法。
图1示出一种单一模式光导纤维具有的折射率分布，迄今为止，主要利用填加添加剂来获得这种折射率分布，添加剂可增加玻璃对光导纤维芯的折射率。通常所用的添加剂如GeO2，P2O5和Al2O3一类的氧化物。然而，这种添加剂会带来一系列问题，如(1)由于雷利散射的增加而增加光导纤维的光传递衰减，(2)添加剂导致玻璃坯内产生气泡或晶粒集聚，和(3)由于玻璃热膨胀系数的增加，玻璃坯会趋于破裂。因此，愈降低玻璃坯内的添加剂含量则愈好。
由于这种原因，提出了利用填加一种添加剂来提高芯子和覆层之间的折射率差，而这种添加剂可降低玻璃对覆层的折射率。这种添加剂的实例是B2O3和氟以及它们的组合物。然而，B2O3有不足之处，它增加了硅玻璃的热膨胀系数，并且在较长的波长范围内它具有吸收损失。因此，最好用氟作为降低折射率的添加剂。
在VAD法或OVPO法中，利用火焰水解玻璃原料生产多孔炭黑坯(porous soot preform)是众所周知的一种经济和高产额生产光导纤维的方法。然而，利用这种水焰水解法是很难填加足够量的氟，以降低覆层的折射率。例如，日本公开专利(未审查)№15682/1980透露了一种向玻璃坯中填加氟的方法。利用此法，折射率只降低0.2-0.3%。这就意味着在这种方法中所填加氟的量有它的极限。
日本公开专利(未审查)№67533/1980揭示一种在含氟化合物的气氛中，加热细玻璃颗粒沉积，有效地向玻璃坯中填加氟的方法。然而，这种方法难以适当地分布玻璃坯中的氟，因此，难以单独使用氟而获得图1所示的折射率分布，这种方法基本上可生产一种切实有效的光导纤维。
图2中图示说明的方法是生产含氟光导纤维的一种可行性方法，利用火焰水解法使形成细玻璃颗粒沉积，而且有切实有效地折射率分布。
图2所示，当逐渐旋转提升构成芯子并触到提升装置2的玻璃棒1时，借助燃烧器3产生的细玻璃颗粒沉积在玻璃棒1的表面上，形成相当于覆层的多孔玻璃层4。将氢，氧和玻璃原料如Sicl4同时供应燃烧器3，并进行其火焰水解而产生细玻璃颗粒。图2中标号5和6分别表示反应器和出口。将这样形成的玻璃棒和多孔玻璃层的复合物置于含氟的气氛中加热以向多孔玻璃层中填加氟。同时使它透明以形成一种具有图1所示折射率分布的透明玻璃坯。如果在这一步覆层厚度不够，透明玻璃坯将被拉长，细玻璃颗粒再一次沉积在拉长玻璃坯的表面上，并在含氟气氛中加烈。这种工艺可以重复操作以获得具有所要厚度的覆层。
在上述的方法中，利用图2的装置，常常在含水蒸汽的气氛中加热拉制玻璃棒到所需要直径，以此来制备构成芯子的玻璃棒。这样会产生烃基基团对玻璃棒表面的污染，尤其是在含氢的燃烧气体火焰中拉制玻璃棒时，玻璃棒表面受到氢基基团严重的污染。此外，在形成相当覆层的多孔玻璃层时，玻璃棒表面会受到在合成细玻璃颗粒由所用火焰中产生的水蒸汽引起的烃基基团所污染。
当用芯子表面受烃基基团污染的透明玻璃坯拉制光导纤维时，光通过光导纤维传播，由于烃基基团会产生吸收损失，从而降低了光导纤维的光传递特性。尤其是，当光导纤维被用作单一模式的光导纤维时，光传递会严重地受芯子和覆层之间烃基基团所污染的内表面层存在的影响，由于在单一模式光导纤维中的能的分布可达覆层，所以光传递特性显著变坏。
例如，将很低烃基基团含量(最多约10ppb)的纯石英玻璃棒在氢氧火焰中拉制成直径为12毫米石英棒，然后利用图2装置在拉成的石英棒表面上，形成纯硅玻璃的多孔玻璃层，玻璃层的外径为110毫米，将这种石英棒和多孔玻璃层构成的复合物置于含氟的气氛中加热，得到外径为45毫米的透明玻璃坯，具有如图3所示的折射率分布。
然后，将该玻璃坯在氢氧火焰中拉制成直径为12毫米的棒，利用图2的装置在其上面再次形成多孔玻璃层，玻璃层的外径为110毫米。在含氟气氛中加热这样生产的复合物得到透明的玻璃坯，具有如图4所示的折射率分布。
将该玻璃坯拉制到予定直径，嵌入市售的石英管中，然后一起拉制成能在1.3微米波长工作的单一模式的光导纤维，在1.3微米波长时光传递的衰减为4.0分贝/千米，由于烃基基团的存在，对1.39微米波长的光传递衰减为150分贝/千米。这些结果说明在氢氧火焰中拉制时有烃基基团形成。
本发明的一个目的是提供一种新的生产光导纤维玻璃坯的方法，光导纤维包括以纯石英制备的玻璃芯和含氟石英玻璃制备的覆层。
本发明的另一个目的是提供一种光导纤维玻璃坯，尤其是一种单一模式光导纤维玻璃坯，它没有烃基基团的污染，而且改进了光传递特性。
因此，本发明提供生产包括芯子和含氟覆层的光导纤维玻璃坯的方法，该方法包括在熔融玻璃棒的基体外表面上形成纯石英的多孔玻璃层，熔融玻璃棒的中心部位为纯石英，外围部位为含氟的石英玻璃。在含氟气氛中加热熔融玻璃棒和多孔玻璃层的复合物，以使氟填加到多孔玻璃层内并使它透明。
附图的简要描述图1为一种典型单一模式光导纤维的折射率分布图，图2为在玻璃棒上合成多孔玻璃层的装置实例图示说明，图3和图4为普通透明玻璃坯的折射率分布图，图5到图7为在实例1和2中所生产的透明玻璃坯的径向上折射率分布图。
发明的详细描述正像普通方法中描述的，当在含氟气氛中加热细玻璃颗粒沉积时，氟均匀地填充在整个层内，以至于难以获得图1的折射率分布。
相反，当在不含氟的气氛中加热细玻璃颗粒沉积并有些收缩时，然后在含氟气氛中加热以使它透明，氟仅仅填充到多孔玻璃层的外围部位，而没有进到它的中心部位，这是由于多孔玻璃层部分收缩的缘故。在不含氟气氛中加热的一步可在1200°-1450℃下完成。在含氟气氛中气氛中加热的一步可在1400°-1700℃下完成。加热气氛为惰性气体(如，氦气)，也可选用氯化合物(如，氯气)。加热气氛中含氟化合物的特定实例为SF6，C2F6，Ccl2F2，CF4以及诸如此类的气体。
如果在这一步的覆层厚度不够时，必须再沉积含氟石英玻璃层。为此，要加热并拉制上述步骤中生产的透明玻璃坯，并在它的表面上，利用图2装置沉积细玻璃颗粒。然后，将形成的透明玻璃棒和多孔玻璃层复合物置于含氟气氛中加热，使氟填充到多孔玻璃层内，并使它透明，在这加热步骤中，条件基本与上述的在含氟气氛中加热步骤条件相同。
根据本发明的方法，可以减少拉制玻璃棒时所形成的烃基基团的影响。其理由解释如下(1)芯子和覆层之间的内表面部位没有被烃基基团所污染，但是内表面部位的外层部位受到污染，以致于减少了烃基基团吸收的光量。
(2)如果加热气氛中含氟的话，即使有水份透进入到硅玻璃，并与玻璃结构一起形成烃基基团，按如下反应式
反之，当在加热气氛中含氟时，即使有水份进入到硅玻璃内，烃基基团的形成可按下式受到抑制
(3)可以认为烃基基团能形成，并占据玻璃中氧气不足的部位。然而，由于氧不足部位被气氛中存在的氟所占据，所以烃基基团难以与玻璃结构相结合。
在下文中，利用如下实例进一步详细解释本发明。
实例1用VAD法生产一种纯硅的多孔炭黑坯，其外径为100毫米，长600毫米。由多管燃烧器提供的氧气为35升/分钟，氢气为30升/分钟，Sicl41升/分钟和氩气为12升/分钟，以70毫米/小时的速率拉制成坯。将这样形成的多孔坯装在1200℃的炉内，保持90分钟。并分别以5升/分钟和100毫升/分钟速率向炉内输送氦气和氯气，足以减少烃基基团的量。
将这样加热的多孔炭黑(Soot)坯装在1400℃的炉内，保持30分钟，使它收缩，只以5升/分钟的速率向炉内输送氦气。
然后，将收缩坯装入1640℃的炉内，使它透明。分别以5升/分钟和100毫升/分钟的速率向炉内输送氦气和SF6。这样生产的透明玻璃坯的折射率分布示于图5。
在由多管燃烧器产生的氢氧火焰中，把透明玻璃坯拉成直径为12毫米，利用图2装置，在如下条件下，在拉制坯的外表面上形成纯硅的多孔玻璃层，多孔玻璃层的外径为110毫米。
条件氧气35升/分钟，氢气35升/分钟，Sicl41.1升/分钟，氩气12升/分钟，拉制速率65毫米/分钟，将透明玻璃坯和多孔玻璃层的复合物置于1200℃的含氟气氛中脱水，然后在1640℃下制成透明。在脱水步骤中，分别以5升/分钟，50毫升/分钟和100毫升/分钟的速率输入氦气，氯气和SF6。在透明步骤中，分别以5升/分钟和100毫升/分钟的速率输入氦气和SF6。这样制得的透明玻璃坯外径为45毫米，折射率分布示于图6。
在氢氧火焰中再把该玻璃坯拉成直径为12毫米，然后在它的外表面上，利用图2装置在上述相同条件下形成纯硅的多孔玻璃层。该多孔玻璃层的外径为110毫米。在与上述相同条件下，将该透明玻璃坯和多孔玻璃层的复合物进行脱水，并制成透明，所获得的透明玻璃坯外径为45毫米，折射率分布示于图7。
将最后制得的透明玻璃坯拉成直径为125微米，并装嵌到市售石英管中，然后一起再拉制成直径为1.3微米的光导纤维。对1.3微米波长的光传递衰减为1.0分贝/千米，对1.39微米波长的光传递衰减，由于烃基基团的存在为10分贝/千米。
实例2以与实例1相同的方式，但在拉制玻璃坯，生产透明玻璃坯时，使用等离子体火焰，而不是氢氧火焰，最后制得的玻璃坯具有的折射率分布如图7所示。
以与实例1相同的方式将该玻璃坯拉制成光导纤维。它对1.3微米波长的光传递衰减为0.6分贝/千米，对1.39微米波长的光传递衰减，由于烃基基团的存在为6分贝/千米。
玻璃坯也可以在电阻加热器或电感加热器中拉制。
权利要求
1.一种生产包含芯子和含氟覆层的光导纤维玻璃坯的方法，该法包括在熔融玻璃基体的外表面上形成纯石英的多孔玻璃层，该熔融棒的中间部位主要为纯石英，外层部位为含氟石英玻璃，在含氟气氛中加热由熔融玻璃棒和多孔玻璃层构成的复合物，使氟填加到多孔玻璃层内，并使它透明。
2.按照权利要求
1的方法，基体由熔融玻璃棒构成，该棒是用VAD法由加热和收缩纯石英多孔玻璃体而制成的，该玻璃体不是透明的，在含氟气氛中加热部分收缩玻璃体，以使氟至少填加到一部分多孔玻璃体内，并使它透明，可任意地拉制成一定的直径。
3.按照权利要求
2的方法，玻璃棒的拉制是在等离子体火焰中完成。
专利摘要
一种生产包括芯子和含氟覆层的光导纤维玻璃坯的方法，该法包括在熔融玻璃棒的外表面上形成纯石英的多孔玻璃层，该熔融玻璃棒的中心部位主要是纯石英，外部为含氟的石英，在含氟的气氛中加热熔融玻璃棒和多孔玻璃层构成的复合物，将氟填加到多孔玻璃层内并使它透明。为此防止了烃基基团对玻璃的污染，并改进了由玻璃坯制成的光导纤维的光传递特性。
文档编号B66C11/02GK85104563SQ85104563
公开日1986年12月10日 申请日期1985年6月14日
发明者金森弘雄, 田中豪太郎, 京藤伦久, 吉冈直树, 水谷太 申请人:住友电气工业株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan