CN87104844A - 用管棒法制造具有纤芯和玻璃色层的光纤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造光纤的方法。其中，将石英玻璃管的里面涂上纤芯材料，将此组合体收缩成实心芯棒，然后将它***石英玻璃管，之后，再将此组合体进行拉制。该石英玻璃管是热处理过的，以消除其表面上的有害于最后制成的光纤的抗拉强度的污染物。

Description

本发明涉及一种应用所谓管棒法制造具有纤芯和玻璃色层的光纤的方法。

管棒法这一工艺是从所周知的。在这种工艺中，通常是将由纤芯材料制成的芯棒安放于由色层材料制成的管子中，然后就可选择地通过热处理而使该管子先已收缩到该芯棒上之后，将该芯管组合体拉制成光纤。

人们确认在这种方法的某种改进实施例中（其中芯棒是由纤芯材料而色层是由石英玻璃组成的），利用管棒法所制得的光纤有时在抗拉强度上不能满足某些最低要求。

人们认为在确定最小抗拉强度（筛选）之际发生裂口的情况通常是由棒芯所安放的石英玻璃管的外表面或外表面下的稍深区域内存在着污染物所造成的。

所述污染物可能是具有熔点高于石英玻璃的氧化物，例如氧化铝、氧化铬和二氧化锆。在用石英晶体制成的商用石英玻璃管中，现已发现在紧接管子外表面以下处会同时产生外来颗粒和外来颗粒的集聚物。

这些颗粒可能来源于制造过程。所述集聚物在管子的轴向和切线方向上的尺寸至多是100微米。它们存在于紧接管子外表面以下深度为10微米的区域中。

如果目的是要去除该被污染的表面区域，则对这种石英玻璃管进行浸蚀是有可能去除的，例如可用氢氟酸溶液。但是，在其表面上会形成许多小凹坑，同时在实践中发现用这种方法是难于彻底去除对抗拉强度有有害影响的污染物的。

氧化颗粒形式的污染物能用热处理来充份融化，以消除所述颗粒对于该制得光纤的机械性能的有害影响，本发明就是基于这种认识的。

根据本发明的方法的特征在于该方法的以下步骤是按以下顺序进行的：

-在石英玻璃管的里面涂有一层纤芯玻璃;

-使该涂有内层的管子收缩成同样长或基本上同样长的实心芯棒;

-将一石英玻璃管的外表面加热至2100℃或更高，为时足以充分融化由存在于表面层的10微米深处的高熔点氧化物所组成的污染物，以消除对该制得的光纤的机械特性的有害影响;

-将该实心芯棒放入那预先经热处理过的石英玻璃管;

-然后将该芯棒和预先热处理过的管子组合体拉制成光纤。

在这种方法中，有害的颗粒完全消失了、或者它们的尺寸变成很小而使得临界断裂极限不再按有害颗粒尺寸的关系而超出（格里菲思定律指出：临界断裂极限与材料的不连续性长度倒数的平方根成正比关系）。

在本发明的方法中，可以使用众所周知的内部沉积法来制造光纤，例如MCVD（改进的化学汽相沉积法）和PCVD（等离子激活的化学汽相沉积法），可参考例如公布在1982年9月在法国戛纳（Cannes）召开的第八届欧洲光通信会议的会刊（8ECOC）第108页上由G.Koel博士所著的《不同的光纤制造方法的技术与经济情况》一文。

通过热处理，该内部涂复过的管子以通常方式进行收缩，在该热处理过程中，该管子就在表面应力和压差的影响下收缩成一根芯棒。在该收缩期间，该管子被转动。棒的长度等于或基本上等于开始时的管子长度。将最后所得到的芯棒放入石英玻璃管。石英玻璃管的内径仅需比芯棒的直径大得使该芯棒可被容易地***管子中即可。在该芯棒被***石英玻璃管之前，要对管子进行热处理。当该管子的近10微米深处被加热到2100℃或更高时就足够了。

为完成这样一种加热过程的合适装置是要能在短时期内传递大量热能的热源，例如氢氧燃烧器或等离子燃烧器。

最好是用等离子燃烧器，在这种燃烧器中，等离子体是在至少部分地是由分子气体（例如氮和氧）所组成的气体中形成的。这样一种等离子体把热能传递到所要加热的表面的传递过程基本上是靠表面处的分离分子的重新结合而进行的。该气体分子的结合能被释放出来。这就在表面薄层中引起很高的温度，因而外来颗粒的集聚物就能在几秒钟内融化于石英玻璃中。

实践证明在把石英玻璃管的外表面加热到≥2100℃之前就将它进行湿态化学浸蚀处理是有利的。例如可以用一种含水的氢氟酸（它是一种例如按重量计为15-20%的氟化氢的水溶液）来进行浸蚀处理。在用氢氟酸进行浸蚀之际外来颗粒集聚物是不被浸蚀或几乎不被浸蚀的，但其***的石英玻璃却是被浸蚀的。在达到某一浸蚀深度（接近10微米）之后，各集聚物部分用很小的力就已经可和表面松开，这种力是发生在（例如）淋洗掉浸蚀剂时际的。在表面中形成的孔穴就在后续的≥2100℃热处理中几秒钟内闭合;外来颗粒，如果有的话，仍存在于正在消失的孔穴中。可以推荐，在热处理期间，要对石英玻璃管的里面加压并保持在超过周围的环境压力。该过压力约为（例如）50巴。由于这个结果，就防止了该管因在表面应力影响下而收缩的、不可控制的内、外管径的变化。然而，这样也就可以通过适当地选择该过压力和热处理而在可控方式下使管径小于开始时的管径，因而就可在芯棒和外管之间获得更好的结合。

在本发明的方法的一个改进的实施例中，把最后形成的芯棒放入石英玻璃管，在此之后使石英玻璃管收缩到芯棒上去以形成一个实心组合体。然后再将该实心组合体的外表面放在2100℃或更高的温度下加热经历一段足以使存在于表面层10微米深处的高熔点氧化物组成的污染物充分融化的时间，以消除对制得的光纤机械特性的有害影响。在后续的步骤中，就将已经热处理过的实心组合体拉制成光纤。

在这个按本发明方法的改进实施例中，也可推荐将石英玻璃管的外表面进行湿态化学浸蚀处理。所述处理过程最好在管子与芯棒结合成实心组合体之前进行。

具有足以用于制造光纤的纯度的商用石英玻璃管曾在其外部表面上呈现出若干基本上属于ZrO₂颗粒的集聚物，其颗粒的轴向和切线方向的尺寸为在10和100微米之间。其集聚物的厚度为几个微米到最大10微米。实践曾证明在不设法消除或融化该集聚物的情况下将管子收缩到芯棒上并拉制成光纤以后，在相对筛析试验中的裂口几乎总是因在紧接光纤表面的下面存在着ZrO₂颗粒的集聚物的结果所造成。

当例如用按重量计为15%的HF水溶液来对石英玻璃管的表面进行湿态化学浸蚀处理时，实践证明ZrO₂颗粒集聚物是不能或几乎不能浸蚀掉的。那污染物周围的石英玻璃当然是浸蚀掉了。当临界浸蚀深度达到近10微米时，各集聚物部分就在弱小的力（例如在用水淋洗掉浸蚀剂时产生的力）的影响下而松开。虽然，这样得到的是粗糙的表面。但是在2100℃或更高温度的热处理中，几秒种内就可消除这种不平整现象并使剩余污染物消逝。

2100℃的热处理的效果是通过利用能量散射分析X射线（EDAX）来测量出该表面上锆的浓度分布而证实的。实践证明，正如从表1所示，这个浓度分布取决于处理过程的持续时间。

表1：

利用热处理而在ZrO2扩散期间的锆颗粒直径不均匀性	热处理过程在2100℃下的持续时间（秒）
		108微米156微米200微米	234

实践证明ZeO₂通过扩散而消逝。富有锆的玻璃斑点使其直径及时增加。正如从下面表2所示，这种斑点对根据筛析试验所确定的抗拉强度没有显著的影响。

表2：

由于玻璃斑点而在相对筛析试验中剔除的百分数：

不用热处理：接近35%

利用本发明的湿态化学浸蚀和热处理：1%或更小

在所有情况下该光纤直径为125微米。

该光纤已曾通过将纤芯玻璃沉积在石英玻璃管的内壁上而制得。在收缩成实心芯棒之后，利用管棒法形成石英玻璃色层。该纤芯直径在拉制以后为50微米。

在某种筛析试验中，从预制棒拉制成的整条光学玻璃光纤须经受一定时期的恒定力。

这种试验的目的是要证实该光学玻璃光纤长度上是否含有在光学玻璃纤维须经比筛析试验中小得多的力时所可能产生裂口的不连续性。

Claims (7)

1、一种应用所谓管棒法制造具有纤芯和玻璃色层的光纤的方法，其特征在于该方法包括按以下顺序进行的各步骤：

--在石英玻璃管的内侧上设置一层纤芯玻璃；

--使内有涂层的管子收缩成同样长度或基本上同样长度的实心芯棒；

--将石英玻璃管的外表面置于2100℃或更高的温度下加热，经历一段足以使存在于表层深度为10微米处的高熔点氧化物所组成的污染物融化的时间，以充分消除其对制得的光纤机械特性的有害影响；

--将最后形成的芯棒置于预先经过热处理的石英玻璃管内；

--然后将芯棒和预先过热处理的管子的组合体拉制成光纤。

2、如权利要求1中所要求的一种方法，特征在于：该管子的表面在其外表面被放在高于2100℃的温度下加热之前，须经湿态化学浸蚀处理。

3、如权利要求1中所要求的一种方法，特征在于：将该管子的外表面利用至少部分地由分子气体组成的气体中所形成的等离子体在2100℃以上的温度下加热。

4、如权利要求1中所要求的一种方法，特征在于：在热处理期间，该管子的内部是处于超过环境压力的压力下的。

5、如权利要求1中所要求的应用所谓管棒法制造具有纤芯和玻璃色层的光纤的方法的一种改进方法，特征在于该方法包括按以下顺序进行的各步骤：

-将一层纤芯玻璃设置在石英玻璃管的里面;

-将内有涂层的管子收缩成同样长度或基本上同样长度的实心芯棒;

-将最后形成的芯棒置于石英玻璃管中;

-使该石英玻璃管收缩到芯棒上以形成一个实心组合体;

-将该实心组合体的外表面置于2100℃或更高的温度上加热一段足以使存在于表层深度为10微米处的高熔点氧化物所组成的污染物融化的时间，以充分消除其对制得的光纤机械特性的有害影响;

-然后将该组合体拉制成光纤。

6、如权利要求5中所要求的一种方法，特征在于：在该管子外表面与芯棒结合成一个组合体之前，须经一个湿态化学浸蚀处理。

7、如权利要求5中所要求的方法，特征在于将该组合体的表面利用由至少一部分的分子气体组成的气体中所形成的等离子体在2100℃以上的温度下加热。