大芯體多模光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了通過(guò)改進(jìn)的方法制備的多模光纖，該方法降低了制造成本。這些方法在功率損耗方面也可以更高效。在多個(gè)【具體實(shí)施方式】之一中，改進(jìn)的設(shè)計(jì)具有從管棒法得到的純二氧化硅大芯體。在該【具體實(shí)施方式】中，使用等溫射頻等離子體沉積，通過(guò)將氟摻雜的二氧化硅沉積于二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)制備下?lián)诫s包層。插入二氧化硅芯并將二氧化硅起動(dòng)管熔塌。去除二氧化硅起動(dòng)管并且從氟摻雜的玻璃包覆的二氧化硅棒中拉制光纖。
【專利說(shuō)明】大芯體多模光纖

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有大芯體的光纖的一組設(shè)計(jì)。更具體地，涉及為成本效率制造而設(shè) 計(jì)的多模光纖。

【背景技術(shù)】
[0002] 具有極低損耗的光纖用于光信號(hào)的中長(zhǎng)程傳輸。它們通常是在小芯體中傳輸單 模。為了以低損耗提供最佳的光導(dǎo)性能，光纖的折射率分布通常是復(fù)雜的，通常具有上摻雜 (相對(duì)于純二氧化硅）的芯體，和多重包層。相反，在短程應(yīng)用中（例如數(shù)米至數(shù)十米），許 多光纖是設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單并隨之成本更低廉的多模光纖。這些光纖通常具有更大的芯體并承載 更高的光學(xué)功率，但不要求最佳的光學(xué)傳輸效率。這些設(shè)計(jì)的主要目的是方便制造因而帶 來(lái)更低的單位成本。
[0003] 這些簡(jiǎn)單的多模設(shè)計(jì)之一具有純二氧化硅芯體和單個(gè)下?lián)诫s包層的階躍折射率。 這種設(shè)計(jì)與大多數(shù)具有梯級(jí)上摻雜芯體和多重包層的單模光纖設(shè)計(jì)相反。因此這種光纖制 造成本明顯更低。
[0004] 盡管這種階躍折射率的多模光纖本身簡(jiǎn)單并且制造具有成本效率，進(jìn)一步降低成 本是持之以恒的目標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了可由降低制造成本的改進(jìn)方法來(lái)制造的多模光纖。這些方法可能在 功率損耗方面也更加高效。在實(shí)施方式之一中，改進(jìn)的設(shè)計(jì)包括得自管棒法中的純二氧化 硅大芯體。在該實(shí)施方式中，使用等溫射頻等離子體沉積，通過(guò)在管內(nèi)沉積氟摻雜二氧化 硅氧生成下?lián)诫s的包層。為了方便起見(jiàn)，該方法在本文中稱作等溫RF等離子體內(nèi)沉積，或 IRFPID。插入二氧化硅芯棒并將起動(dòng)管熔塌。二氧化硅起動(dòng)管可以被去除并且由氟摻雜玻 璃包覆的二氧化硅棒拉制光纖。
[0006] 本發(fā)明涉及光纖制造方法，該方法包括：
[0007] (a)加熱光纖預(yù)制體到軟化溫度，
[0008] 和
[0009] (b)從預(yù)制體拉制光纖，
[0010] 其特征在于光纖預(yù)制體通過(guò)如下步驟制備，所述步驟包括：
[0011] (i)通過(guò)等溫RF等離子體內(nèi)沉積（IRFPID)在IRFPID二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)形成下?lián)?雜玻璃包層，其中IRFPID包括：
[0012] α'）將二氧化硅起動(dòng)管放置在等離子體發(fā)生器的諧振線圈內(nèi)，
[0013] (ii'）將包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物引入二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)，
[0014] (iii'）保持二氧化硅起動(dòng)管中的內(nèi)壓低于大氣壓，
[0015] (iv'）激發(fā)諧振線圈從而在二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)產(chǎn)生等溫等離子體，
[0016] (ν'）加熱襯底管的內(nèi)壁，
[0017] (vi'）僅在產(chǎn)生的等溫等離子體上游的狹窄區(qū)域內(nèi)使下?lián)诫s玻璃沉積在二氧化 硅起動(dòng)管上而在等溫等離子體中不發(fā)生沉積，所述狹窄區(qū)域不超過(guò)二氧化硅起動(dòng)管長(zhǎng)度的 1%,
[0018] (ii)將玻璃芯棒插入IRFPID二氧化硅起動(dòng)管中，
[0019] (iii)使IRFPID二氧化硅起動(dòng)管熔塌于所述玻璃芯棒上從而產(chǎn)生具有芯材和在 芯材上的下?lián)诫s包層材料的第一固態(tài)玻璃體。
[0020] 該方法進(jìn)一步包括去除至少一部分所述IRFPID起動(dòng)管以形成芯材的第二固態(tài)玻 璃體，以及從第一固態(tài)玻璃體中去除在芯材上的下?lián)诫s包層材料的步驟。
[0021] 在上述方法中，僅所述IRFPID起動(dòng)管的一部分被去除。
[0022] 在上述方法中，所述IRFPID起動(dòng)管全部被去除。
[0023] 在上述方法中，所述IRFPID起動(dòng)管通過(guò)機(jī)械研磨來(lái)去除。
[0024] 在上述方法中，所述IRFPID起動(dòng)管通過(guò)等離子蝕刻方式去除。
[0025] 在上述方法中，所述IRFPID起動(dòng)管通過(guò)化學(xué)蝕刻來(lái)去除。
[0026] 在上述方法中，所述IRFPID起動(dòng)管通過(guò)機(jī)械研磨、等離子體蝕刻和化學(xué)蝕刻的任 意組合來(lái)去除。
[0027] 在上述方法中，所述下?lián)诫s玻璃包層的負(fù)δ值低于-0.05%。
[0028] 在上述方法中，所述下?lián)诫s玻璃包層的負(fù)δ百分比值在-〇. 15 %和-2. 2 %的范圍 內(nèi)。
[0029] 在上述方法中，所述玻璃芯棒形成光纖中的芯體，芯體半徑為5微米至1000微米。
[0030] 在上述方法中，所述下?lián)诫s包層的厚度在0. 5微米至1000微米區(qū)間內(nèi)變化。
[0031] 在上述方法中，所述玻璃芯棒是具有近似零的δ值的二氧化硅芯棒。
[0032] 在上述方法中，所述玻璃芯棒是漸變折射率芯棒。
[0033] 在上述方法中，包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物含有氟。
[0034] 本發(fā)明還涉及一種具有芯體和下?lián)诫s包層的光纖，其中芯體的半徑為5到1000微 米，且其中光纖通過(guò)上述方法制成。
[0035] 本發(fā)明涉及一種制造光纖預(yù)制體的方法，包括：
[0036] ⑴通過(guò)等溫RF等離子體內(nèi)沉積（IRFPID)在IRFPID二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)形成下?lián)?雜玻璃包層，其中IRFPID包括：
[0037] (i'）將二氧化硅起動(dòng)管放置在等離子體發(fā)生器的諧振線圈內(nèi)，
[0038] (ii'）將包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物引入二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)，
[0039] (iii'）保持二氧化硅起動(dòng)管中的內(nèi)壓低于大氣壓，
[0040] (iv'）激發(fā)諧振線圈從而在二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)產(chǎn)生等溫等離子體，
[0041] (ν'）加熱襯底管的內(nèi)壁，
[0042] (vi'）僅在產(chǎn)生的等溫等離子體上游的狹窄區(qū)域內(nèi)使下?lián)诫s玻璃沉積在二氧化 硅起動(dòng)管上而在等溫等離子體中不發(fā)生沉積，所述狹窄區(qū)域不超過(guò)二氧化硅起動(dòng)管長(zhǎng)度的 1%,
[0043] (ii)將玻璃芯棒插入IRFPID二氧化硅起動(dòng)管中，
[0044] (iii)使IRFPID二氧化硅起動(dòng)管熔塌于所述玻璃芯棒上，產(chǎn)生具有芯材和在芯材 上的下?lián)诫s包層材料的第一固態(tài)玻璃體。
[0045] 該方法進(jìn)一步包括去除至少一部分IRFPID起動(dòng)管以形成芯材的第二固態(tài)玻璃 體，以及從第一固態(tài)玻璃體中去除芯材上的下?lián)诫s包層材料的步驟。
[0046] 在上述方法中，所述下?lián)诫s玻璃包層的負(fù)δ值低于-0.05%。
[0047] 在上述方法中，包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物含有氟。
[0048] 本發(fā)明還涉及一種通過(guò)上述方法制成的光纖預(yù)制體。
[0049] 本發(fā)明涉及一種下?lián)诫s管的制備方法，包括：
[0050] ⑴通過(guò)等溫RF等離子體內(nèi)沉積（IRFPID)在IRFPID二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)形成下?lián)?雜玻璃包層，其中IRFPID包括：
[0051] α'）將二氧化硅起動(dòng)管放置在等離子體發(fā)生器的諧振線圈內(nèi)，
[0052] (ii'）將包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物引入二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)，
[0053] (iii'）保持二氧化硅起動(dòng)管中的內(nèi)壓低于大氣壓，
[0054] (iv'）激發(fā)諧振線圈從而在二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)產(chǎn)生等溫等離子體，
[0055] (ν'）加熱襯底管的內(nèi)壁，
[0056] (vi'）僅在產(chǎn)生的等溫等離子體上游的狹窄區(qū)域內(nèi)使下?lián)诫s玻璃沉積在二氧化 硅起動(dòng)管上而在等溫等離子體中不發(fā)生沉積，所述狹窄區(qū)域不超過(guò)二氧化硅起動(dòng)管長(zhǎng)度的 1%。
[0057] 該方法進(jìn)一步包括去除至少一部分IRFPID起動(dòng)管的步驟。
[0058] 在上述方法中，所述下?lián)诫s玻璃層的負(fù)δ值低于-0.05%。
[0059] 在上述方法中，包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物含有氟。
[0060] 本發(fā)明還涉及一種通過(guò)上述方法制成的下?lián)诫s管。
[0061] 本發(fā)明涉及一種等溫RF等離子體內(nèi)沉積（IRFPID)方法，包括：
[0062] (i'）將二氧化硅起動(dòng)管放置在等離子體發(fā)生器的諧振線圈內(nèi)，所述等離子體發(fā)生 器的功率范圍為2-20kW，
[0063] (ii'）將包含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物引入二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)，
[0064] (iii'）保持二氧化硅起動(dòng)管中的內(nèi)壓在0· 1到50托的范圍，
[0065] (iv'）激發(fā)諧振線圈從而在二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)產(chǎn)生等溫等離子體，
[0066] (ν'）將襯底管的內(nèi)壁加熱到1000°C至1600°C的范圍，
[0067] (vi'）僅在產(chǎn)生的等溫等離子體上游的狹窄區(qū)域內(nèi)使氟摻雜玻璃沉積在二氧化 硅起動(dòng)管上而在等溫等離子體中不發(fā)生沉積，所述狹窄區(qū)域不超過(guò)二氧化硅起動(dòng)管長(zhǎng)度的 1%,
[0068] 其中
[0069] 將包含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物以1至2000cc/min輸送到二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)，
[0070] 以 50 至 15000cc/min 輸送 02 ;
[0071] 以 0 至 2000cc/min 輸送 SiCl4 ;
[0072] 等溫等離子體的橫向速率超過(guò)lm/min ;和
[0073] 等溫等離子體的橫向長(zhǎng)度超過(guò)0. lm。
[0074] 在上述方法中：
[0075] 等離子體發(fā)生器的所述諧振線圈的功率范圍為3_15kW ;
[0076] 二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)的內(nèi)壓在5至20托范圍內(nèi)；
[0077] 二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)的溫度在1100°C至1400°C范圍內(nèi)；
[0078] 將包含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物以10至1000cc/min輸送到二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)；
[0079] 以 500 至 10000cc/min 輸送 02 ;
[0080] 以 0 至 1500cc/min 輸送 SiCl4 ;
[0081] 等溫等離子體的橫向速率超過(guò)4m/min ;和
[0082] 等溫等離子體的橫向長(zhǎng)度介于0. 25到3米之間。
[0083] 在上述方法中，起動(dòng)管的內(nèi)管直徑為20毫米或更大，管壁厚度為3毫米或更厚。
[0084] 在上述方法中，包含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物包括SiF4。
[0085] 在上述方法中，包含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物包括C2F6。
[0086] 本發(fā)明還涉及一種具有芯體和氟摻雜包層的光纖，其中芯體的半徑為5至1000微 米，其中光纖通過(guò)等溫RF等離子體內(nèi)沉積（IRFPID)方法制造。
[0087] 本發(fā)明還涉及一種通過(guò)等溫RF等離子體內(nèi)沉積（IRFPID)方法制造的光纖預(yù)制 體。
[0088] 本發(fā)明還涉及一種通過(guò)等溫RF等離子體內(nèi)沉積（IRFPID)方法制造的氟摻雜管。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0089] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的光纖折射率分布圖，其示出一般分布參數(shù)從而有 助于描述本發(fā)明的IRFPID方法；
[0090] 圖2和圖3是制造光纖預(yù)制體的IRFPID方法的管棒法示意圖；
[0091] 圖4是IRFPID工藝的示意圖，其示出將高純度玻璃沉積于IRFPID起動(dòng)管內(nèi)壁上；
[0092] 圖5示出在IRFPID工藝后的熔塌步驟；
[0093] 圖6示出在本發(fā)明工藝中的可選步驟：去除IRFPID起動(dòng)管，留下用于拉制光纖的 階躍折射率預(yù)制體。
[0094] 圖7是光纖拉制裝置示意圖，該光纖拉制裝置可用于將通過(guò)IRFPID方法制成的預(yù) 制體拉制成連續(xù)長(zhǎng)度的光纖。
[0095] 詳細(xì)描沭
[0096] 參考圖1，示出了能夠用本發(fā)明IRFPID方法產(chǎn)生的示例性尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)。該圖顯 示了多模光纖的階躍折射率分布圖，其中光纖芯體11是純二氧化硅，或是輕摻雜的二氧化 硅（表現(xiàn)出接近零的s值）。δ值是常用的折射率與基值〇(表示純二氧化硅的折射率） 之間的百分比差。芯體的尺寸是2r。在該實(shí)施方式中整體光纖芯體/包層的半徑用R表 示。包層12是氟摻雜二氧化硅，具有所示的負(fù)δ值。下?lián)诫s包層通常的負(fù)δ值， n，可以 低于-0. 05%，優(yōu)選在介于-0. 05%和-3. 0%，最優(yōu)選在介于-0. 15%和-2. 2%之間的范圍 內(nèi)。大芯體半徑用r表示，通常在5微米至1000微米，優(yōu)選在24微米至100微米范圍內(nèi)變 化。下?lián)诫s包層的厚度R-r可以在0. 5微米至1000微米，優(yōu)選在1微米至200微米范圍內(nèi) 變化。
[0097] 在第二實(shí)施方式中，由虛線14表示，整體光纖芯體/包層的半徑是R2。區(qū)域14是 厚度為R2-R的未摻雜包層。制備這一包層的步驟將在下文表述。半徑R2可大范圍變化。 [0098] 現(xiàn)有技術(shù)中公知的是，具有不同絕對(duì)值的相同比例分布圖，將表征用于制造 IRFPID光纖的預(yù)制體。
[0099] 根據(jù)本發(fā)明IRFPID光纖預(yù)制體通過(guò)改進(jìn)的管棒法制備。結(jié)合附圖2和3對(duì)管棒 法進(jìn)行描述?？梢岳斫獾氖撬婕暗母綀D不一定按比例繪制。
[0100] 圖示的芯棒22被插入到包層管21中。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，芯棒為純二 氧化硅或S值接近零的輕摻雜二氧化硅。優(yōu)選的，為實(shí)現(xiàn)最佳的低損耗，芯棒無(wú)摻雜。純 二氧化硅棒在商業(yè)上可以從各種來(lái)源得到。芯棒的制備不是本文描述的IRFPID方法的一 部分。從主要的IRFPID方法出發(fā)，芯棒制備上的不同為制造順序增加了的靈活性和成本效 能。盡管純二氧化硅棒是優(yōu)選的芯棒，但任意適合于多模光纖芯體的玻璃芯棒均可以使用。 例如，各種類型的漸變折射率玻璃芯棒均可用作通過(guò)本發(fā)明的IRFPID方法制得的預(yù)制體 的玻璃芯體。
[0101] 本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到，使用非常大的預(yù)制芯棒使得制備相應(yīng)大的芯體直徑 成為可能，而無(wú)需增加預(yù)制體制備的時(shí)間和復(fù)雜程度，并且相對(duì)于芯材以煙灰形式沉積的 現(xiàn)有技術(shù)方法而言，使得預(yù)制體尺寸得到大幅增加成為可能。
[0102] 如圖3所示，在裝配棒22和管21之后，管熔塌到棒上產(chǎn)生固體棒33,芯棒34除了 很小的折射率差之外無(wú)法與包層管區(qū)分。
[0103] IRFPID方法中的管通過(guò)在玻璃管襯底內(nèi)沉積下?lián)诫s玻璃而制得。商業(yè)上實(shí)際使用 的代表性玻璃管襯底的尺寸具有典型的長(zhǎng)度與直徑比10-15。管內(nèi)沉積提供了一個(gè)受保護(hù) 的環(huán)境，使得沉積環(huán)境的純凈度和組成能夠得到高度控制。沉積方法使用等溫RF產(chǎn)生的等 離子體在管中創(chuàng)建狹窄的反應(yīng)區(qū)域。使用等溫低壓等離子體操作條件，該條件產(chǎn)生等離子 體上游的狹窄沉積區(qū)域（即，介于反應(yīng)物料引入處與等離子體之間的位置）。等離子體操作 條件通常取決于許多相互作用的參數(shù)。實(shí)質(zhì)上，關(guān)鍵目的在于提供足夠的能量密度用于產(chǎn) 生狹窄的反應(yīng)區(qū)域，同時(shí)保持足夠低的熱水平，以避免襯底管的內(nèi)表面的蒸發(fā)。
[0104] IRFPID方法將借助于圖4的示意性圖示來(lái)詳細(xì)描述。在IRFPID中，控制幾個(gè)操 作參數(shù)以便在緊鄰產(chǎn)生的等離子體上游處形成極其狹窄的沉積區(qū)域?？刂瞥练e條件使得所 述狹窄沉積區(qū)域僅占常規(guī)襯底管長(zhǎng)度的約1 %。這與現(xiàn)有技術(shù)MCVD和PCVD工藝10-30% 的值形成對(duì)比。更廣泛地說(shuō)，所采用的條件通常產(chǎn)生一厘米或更小的狹窄沉積區(qū)域。二氧 化硅管41用作襯底管。將玻璃前體在43處引入管41。在該實(shí)施方式中，反應(yīng)物包括適于 在襯底管的內(nèi)壁上生成氟摻雜玻璃44的硅化合物和氟化合物。反應(yīng)物可以包括51(：1 4和 C2F6。但是，本領(lǐng)域公知的用于制造下?lián)诫s玻璃的其他前體材料同樣可以用來(lái)在襯底管內(nèi)生 成下?lián)诫s沉積物。
[0105] 等離子體發(fā)生器用于生成具有足夠能量密度的等溫RF等離子體42以便形成氟摻 雜玻璃沉積物。"等溫"等離子體意味著等離子體中的離子和電子均處于幾乎相同的溫度。 相反，傳統(tǒng)的PCVD體系使用非等溫等離子體，其中電子能量比離子高得多。在本發(fā)明的布 置中使用等溫等離子體使得反應(yīng)和沉積在緊鄰等離子體"上游"處發(fā)生，如圖4所示。與煙 灰截然相反，上游沉積機(jī)制通過(guò)均勻的顆粒形成和生長(zhǎng)使得產(chǎn)生融化的玻璃顆粒。這些融 化的玻璃顆粒隨后熱泳沉積在等離子體上游。沉積發(fā)產(chǎn)生在反應(yīng)物進(jìn)入等離子體區(qū)域之 前。在等離子體中心幾英寸內(nèi)的狹窄熱區(qū)域?yàn)榉磻?yīng)和熱泳沉積提供高度集中的熱，而等離 子體在下游進(jìn)一步加熱管壁，從而提高了襯底管41側(cè)壁的溫度。因此，當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生器 橫跨管41時(shí)，等離子體"上游"的加熱區(qū)域是沉積發(fā)生的地方。內(nèi)壁的溫度足夠融化玻璃 顆粒并形成均一的玻璃膜。IRFPID工藝的參數(shù)受到控制使得反應(yīng)區(qū)域不被加熱到襯底將 開(kāi)始蒸發(fā)或分解而不是融化的溫度。例如，推薦的是，RF等離子體在2-20kW功率范圍下運(yùn) 行，管襯底的溫度保持在l〇〇〇°C至1600°C的范圍內(nèi)。IRFPID方法中的壓力低于大氣壓，例 如，低于100托，優(yōu)選在0. 1至50托范圍內(nèi)。低壓，結(jié)合等溫等離子體，導(dǎo)致沉積區(qū)域極其 狹窄，例如，近似管長(zhǎng)的1%，通常約一厘米或更少。低壓還有助于降低非常高溫的等離子 體的熱含量，使得襯底和反應(yīng)物不會(huì)被蒸發(fā)。與其他工藝相比，IRFPID方法還產(chǎn)生更高的 沉積效率，從而進(jìn)一步節(jié)省成本。
[0106] IRFPID方法的一個(gè)重要特征是低壓，等溫等離子體工藝產(chǎn)生在進(jìn)入等離子體之前 (即，等離子體上游）沉積在襯底壁上的融化玻璃顆粒。在本發(fā)明的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生/沉積 煙灰。并且，在等離子體區(qū)域沒(méi)有發(fā)生額外沉積現(xiàn)象；所有的沉積都發(fā)生在緊鄰等離子體上 游處的狹窄區(qū)域。同時(shí)，等離子體不需要用于固化步驟，因?yàn)槌练e顆粒是在沉積時(shí)就會(huì)固化 的玻璃顆粒。
[0107] 等溫等離子體沉積步驟的更多細(xì)節(jié)可在美國(guó)專利號(hào)8, 252, 387中找到，該專利公 開(kāi)于2012年8月28日，并且轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人。該專利全文在此引入作為參考。
[0108] 本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，除了圖1所示的折射率分布圖之外，IRFPID方法可以 用于產(chǎn)生目前已知的或?qū)⒏_(kāi)發(fā)的折射率分布變化的寬廣多樣性，這些變化需要一個(gè)或多 個(gè)的下?lián)诫s區(qū)域。還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，形成厚度增加的芯材的能力使得在芯體設(shè)計(jì)中廣泛的多 樣性成為可能。
[0109] 當(dāng)IRFPID沉積完成時(shí)，使用已知技術(shù)將管熔塌到二氧化硅芯棒上，S卩加熱該管至 玻璃軟化溫度以上，即> 2000-2400°C，從而使得玻璃管的表面張力使管直徑緩慢收縮成為 可能，最終在多次通過(guò)噴槍（torch)之后形成固體棒。所述熔塌棒示于圖5,其具有二氧化 硅芯棒51，IRFPID二氧化硅起動(dòng)管53,和IRFPID下?lián)诫s層52。如果需要，可引入熔塌前的 清潔步驟。同樣，可控制管與棒之間的周圍環(huán)境。合適的附加步驟的細(xì)節(jié)描述在美國(guó)專利 號(hào)8, 252, 387,公開(kāi)于2012年8月28日，在此作為與本發(fā)明相關(guān)的附加教導(dǎo)引入本文作為 參考。
[0110] 接下來(lái)，依照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的方面，IRFPID二氧化硅起動(dòng)管53可被去除。這可 通過(guò)機(jī)械研磨，等離子體蝕刻，化學(xué)蝕刻，或通過(guò)這些技術(shù)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在某些情況中，取 決于應(yīng)用和/或起動(dòng)管材料的質(zhì)量，可保留環(huán)繞在IRFiro沉積玻璃周圍的起動(dòng)管材料的殘 留量。然而，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所有的起動(dòng)管均被去除。蝕刻工序的終點(diǎn)可由熔 塌棒的折射率分布來(lái)決定。在研磨或蝕刻完成之后可測(cè)量經(jīng)蝕刻的預(yù)制體以確定過(guò)蝕刻 (overetching)的量，過(guò)蝕刻的量作為選擇起動(dòng)管的考慮因素。顯然，在這種情況下，過(guò)蝕 刻優(yōu)于蝕刻不足。因此，IRFPID沉積和蝕刻時(shí)間可以針對(duì)IRFPID沉積材料有限但限定的 (finite)蝕刻而設(shè)計(jì)。優(yōu)選地，多于90%的管被去除，更典型地，所有的管均被去除。
[0111] 至少部分起動(dòng)管被保留的實(shí)施方式在圖1中由虛線14示出。
[0112] 在去除掉至少部分IRFPID起動(dòng)管之后，IRFPID沉積的玻璃芯體保留下來(lái)，如圖6 所示。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)踐中，圖6中的棒是用于拉制光纖的IRFPID預(yù)制體。
[0113] 如上文所述，IRFPID光纖預(yù)制體接著用于拉制光纖。從IRFPID預(yù)制體拉制光纖的 合適裝置如圖7所示。圖7示出了預(yù)制體71，表示用于軟化玻璃預(yù)制體和開(kāi)始纖維拉制的 熔爐（未示出）的基座72。拉制光纖用73表示。新生的纖維表面然后經(jīng)過(guò)涂布杯（一般 性地由74表示），涂布杯74具有包含涂布預(yù)聚物76的腔室75。來(lái)自涂布腔室的液體涂布 的纖維穿出膜頭81。模頭81和預(yù)聚物的流體動(dòng)力學(xué)的組合控制涂布厚度。然后將經(jīng)預(yù)聚 物涂布的纖維84曝露于UV燈85以固化預(yù)聚物并完成涂布工序。在適當(dāng)?shù)那闆r下可使用 其他固化輻射。具有固化涂層的光纖被卷繞盤(pán)87卷繞。卷繞盤(pán)控制纖維的拉制速度?？?以使用通常1-50米/秒范圍內(nèi)的拉制速度。重要的是纖維位于涂布杯正中，尤其是位于出 口模頭81正中，以保持纖維和涂層的同心性。商業(yè)設(shè)備通常具有用于控制纖維呈直線的滑 輪。模具自身中的流體動(dòng)力學(xué)壓力有助于使纖維居于正中。由微步分度器（未示出）控制 的步進(jìn)電機(jī)控制卷繞盤(pán)。
[0114] 光纖的涂布材料通常是聚氨酯，聚丙烯酸酯（acrylates)或聚氨酯-丙烯酸酯，其 中加入U(xiǎn)V光引發(fā)劑。圖7中的裝置示出具有單個(gè)涂布杯，但具有雙涂布杯的雙重涂布裝置 也是常用的。在雙涂布纖維中，典型的初始或內(nèi)部涂布材料是柔軟的、低模量的材料，如有 機(jī)硅、熱熔蠟或許多具有相對(duì)低模量的聚合物材料中的任一種。用于第二或外部涂布的常 用材料是高模量聚合物，通常是聚氨酯或丙烯酸類樹(shù)脂。在商業(yè)實(shí)踐中這兩種材料可能是 低和高模量的聚丙烯酸酯。涂布厚度通常在直徑為150-300微米的范圍，具有約240微米 的標(biāo)準(zhǔn)。
[0115] 此外，本發(fā)明的IRFPID方法可用來(lái)制造下?lián)诫s管。不同于在下?lián)诫s劑例如氟沉積 后再插入芯體，下?lián)诫s管可用作單獨(dú)的外包管。視下?lián)诫s管的應(yīng)用而定，至少一部分起動(dòng)管 可通過(guò)上文所述的任意方法來(lái)去除。雖然各種起動(dòng)管都可以用于本發(fā)明的IRFPID方法，但 具有20mm或更大內(nèi)管直徑和3mm或更厚管壁厚度的起動(dòng)管是優(yōu)選的用于制造下?lián)诫s管的 起動(dòng)管。
[0116] 在IRFPID方法中，為了獲得所需要的下?lián)诫s分布，必須仔細(xì)控制二氧化硅和下?lián)?雜化合物的沉積。例如，對(duì)于使用本發(fā)明IRFPID方法的氟沉積而言，推薦的是RF等離子體 以2-20kW的功率運(yùn)行，管內(nèi)壁溫度保持在1000°C到1600°C的范圍，管內(nèi)的壓力保持在0. 1 到50托的范圍。優(yōu)選地，RF功率在3-15kW的范圍內(nèi)，管內(nèi)壁溫度在1KKTC到1400°C的范 圍內(nèi)，管內(nèi)壓力在5到20托的范圍內(nèi)。
[0117] 在沉積過(guò)程中某些化合物的流動(dòng)速率同樣需要仔細(xì)控制。例如，對(duì)于使用本發(fā)明 的IRFPID方法的氟沉積而言，推薦的是以50至15000cc/min輸送0 2，以0至2000cc/min 輸送SiCl4，并且以1至2000cc/min輸送SiF4或C2F 6。優(yōu)選地，以500至10000cc/min輸送 〇2，以 0 至 1500cc/min 輸送 SiCl4，并且以 10 至 1000cc/min 輸送 SiF4 或 C2F6。
[0118] 優(yōu)選地，生成的等溫等離子體的橫向速率超過(guò)lm/min，更優(yōu)選地，超過(guò)4m/min。并 且，等離子體的橫向長(zhǎng)度優(yōu)選超過(guò)〇. lm，更優(yōu)選介于0. 25和3m之間。
[0119] 雖然各種起動(dòng)管都能夠用于本發(fā)明的IRFPID方法，但具有20毫米或更大內(nèi)管直 徑和3毫米或更厚管壁厚度的起動(dòng)管是本發(fā)明的IRFPID方法優(yōu)選的起動(dòng)管。
[0120] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種額外的修改。從本說(shuō)明書(shū)具體教導(dǎo)得出 的、基本上依照原理及其等同原則的所有變化方案（通過(guò)它們現(xiàn)有技術(shù)得以進(jìn)步）均合理 地被認(rèn)為是落入所描述和請(qǐng)求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種方法，包括： (i) 通過(guò)等溫RF等離子體內(nèi)沉積（IRFPID)在IRFPID二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)形成下?lián)诫s玻 璃層，其中所述IRFPID包括： (i'）將二氧化硅起動(dòng)管放置在等離子體發(fā)生器的諧振線圈內(nèi)； (ii'）將包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物引入所述二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)； (iii'）保持二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)的壓力低于大氣壓； (iv'）激發(fā)諧振線圈從而在二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)產(chǎn)生等溫等離子體； (ν'）加熱襯底管的內(nèi)壁；和 (vi'）僅在產(chǎn)生的等溫等離子體上游的狹窄區(qū)域內(nèi)使下?lián)诫s玻璃沉積于二氧化硅起 動(dòng)管上而在等溫等離子體內(nèi)不發(fā)生沉積，所述狹窄區(qū)域不大于所述二氧化硅起動(dòng)管長(zhǎng)度的 1%。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法進(jìn)一步包括：去除至少一部分所述IRFPID起動(dòng)管。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中去除至少一部分所述IRFPID起動(dòng)管的步驟選自下組 之一： 僅去除所述IRFPID起動(dòng)管的一部分； 去除所述IRFPID起動(dòng)管的全部； 所述IRFPID起動(dòng)管的至少一部分通過(guò)機(jī)械研磨來(lái)去除； 所述IRFPID起動(dòng)管的至少一部分通過(guò)等離子體蝕刻來(lái)去除 所述IRFPID起動(dòng)管的至少一部分通過(guò)化學(xué)蝕刻來(lái)去除；和 所述IRFPID起動(dòng)管的至少一部分通過(guò)機(jī)械研磨、等離子體蝕刻和化學(xué)蝕刻的任意組 合來(lái)去除。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述下?lián)诫s玻璃層的負(fù)δ值的范圍選自以下的組： 低于-0. 05% ;和 在大約-0. 15%到-2. 2%之間。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物含有氟。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括： (ii) 將玻璃芯棒插入IRFPID二氧化硅起動(dòng)管中；和 (iii) 使IRFPID二氧化硅起動(dòng)管熔塌于所述玻璃芯棒上從而產(chǎn)生具有芯材和在所述 芯材上的下?lián)诫s包層材料的第一固態(tài)玻璃體。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，所述第一固態(tài)玻璃體為光纖預(yù)制體，該方法進(jìn)一步包括： 加熱所述光纖預(yù)制體至軟化溫度；和 由所述預(yù)制體拉制光纖，該光纖具有芯和下?lián)诫s包層。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述芯的半徑為5微米至1000微米。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述下?lián)诫s包層的厚度為0. 5微米至1000微米。
10. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述玻璃芯棒是具有近似零的δ值的二氧化硅芯 棒。
11. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述玻璃芯棒是漸變折射率芯棒。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物含有氟。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中： 等離子體發(fā)生器的功率范圍為2-20kW， 包含下?lián)诫s劑的化學(xué)反應(yīng)物是含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物，將含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物 以1至2000cc/分鐘（cc/min)輸送到二氧化娃起動(dòng)管內(nèi)； 二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)的內(nèi)壓介于約0. 1至50托； 將襯底管的內(nèi)壁加熱至介于約l〇〇〇°C至1600°C的范圍； 以 50 至 15000cc/min 輸送 02 ; 以 0 至 2000cc/min 輸送 SiCl4 ; 等溫等離子體的橫向速率超過(guò)lm/min ;和 等溫等離子體的橫向長(zhǎng)度超過(guò)〇. lm。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中： 等離子體發(fā)生器的所述諧振線圈的功率范圍為3-15kW ; 二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)的內(nèi)壓在5至20托范圍內(nèi)； 二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)的溫度在ll〇〇°C至1400°C范圍內(nèi)； 將包含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物以10至l〇〇〇cc/min輸送到二氧化硅起動(dòng)管內(nèi)； 以 500 至 10000cc/min 輸送 02 ; 以 0 至 1500cc/min 輸送 SiCl4 ; 等溫等離子體的橫向速率超過(guò)4m/min ;和 等溫等離子體的橫向長(zhǎng)度介于〇. 25到3米之間。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，包含氟摻雜劑的化學(xué)反應(yīng)物包括選自以下組的反應(yīng) 物： SiF4 ;和 C2F6。
【文檔編號(hào)】C03B37/018GK104045233SQ201410245579
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】J·C·阿朗索, D·D·布拉甘扎, M·H·布羅德, J·W·弗萊明 申請(qǐng)人:Ofs菲特爾有限責(zé)任公司