專利名稱：一種涂有非晶體硼保護層的光纖及其沉積該層的一種方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種涂有非晶體硼保護層的光纖及其沉積保護層的一種方法。
傳統(tǒng)的光纖結構是為了所熟知的光纖包括包圍在光纖包層中，用以導引大部分光波的纖芯，纖芯和包層由以很大程度或較小程度摻雜在纖芯和包層區(qū)內的基于二氧化硅的材料制成。這里從廣義上定義“光纖包層”，即光纖包層包括所有包圍纖芯的基于二氧化硅的層，而不考起其所獲取的方法。
在某些已知的光纖中，光纖包層直接由樹脂涂層覆蓋，部分地目的是避免由光纖的引起輕微彎曲的后果，特別是當光纖安置在光纜中時，在安裝和使用過程中，光纖受彎曲力和牽引力的影響，導致其長期的機械疲勞，即導致其機械特性變壞，從而導致其傳輸特性的變壞。
在其它所知的，設計主要用在受水和氫氧基離子的影響的潮濕的環(huán)境(特別是在水下)中使用的光纖，保護層直接放置在樹脂涂層下的光纖包層上。光纖受壓力的影響導致機械疲勞，從而在其表面引起微縫，受潮濕和OH-離子的作用，致使在其表面的微縫變大，削弱了光纖，從而使其破裂。
在所知的方法中，提供在光纖上的保護層，例如，一般由非晶體或湍層碳做成(即具有一種結構，能使其提供好于石墨碳所能提供的密封)，碳由蒸氣相化學沉積在光纖上。
然而，這樣的碳保護層不是完全令人滿意的雖然它對光纖提供足夠的密封，但是因為不夠堅硬，表現(xiàn)出對磨損較差的抵抗低。因此當許多光纖裝在光纜中時，光纖的摩擦或由于光纖與安裝光纜的內壁的摩擦，它不能長期地保護光纖不受磨損。不幸的是，靡損引起在光纖的表面出現(xiàn)微縫，從而導致光纖有破裂的危險。
為避免光纖的摩損，光纖的的樹脂涂層必須很厚，實際上不小于60微米，不幸的是，這是很不利的，如在目前的情況下，當希望增加光纖電纜的容量時，使其容納50-100根光纖。這樣使光纖在可提供的空間很小情況下使用時所必須的緊湊，就因為很厚的樹脂涂層而難以做到。
專利US4319803提出一種非晶體硼保護層，認為可以消除上述的缺點。
此外，從發(fā)表在1976年2月的《電化學會——固態(tài)科學和技術》，題為“在大規(guī)模基片上的硼化學蒸氣沉積”的文章中得知一種硼沉積方法，該方法用氫氣H2的方法，通過還原氣態(tài)氮化硼(BCl3)，在對三氮化硼不活潑的基片上，即不與其發(fā)生化學反應，由蒸氣相化學沉積硼。
使用氯化硼或任何其他鹵化硼，例如氟化硼B(yǎng)F3或BBr3的方法，簡單并便宜于實現(xiàn)。特別是，它避免了作為起始反應物的氫化物(例如SiH4，專利US—4319803所推薦的)的使用，氫化物，特別是氫化硼B(yǎng)2H6毒性很大，暴露在空氣中易于爆炸，并且不能獲得高沉積速度。
然而，不可能用所述的方法直接將非晶硼沉積在二氧化硅SiO2上，因為二氧化硅相對于硼鹵化物不是惰性的，即它與其發(fā)生化學反應。
因此本發(fā)明的目的提出一種具有現(xiàn)今所知的最便宜和最的簡單的方法做成的硼保護層的光纖，同時避免了硼鹵化物和光纖的二氧化硅之間的任何相互反應。
鑒于此，本發(fā)明提出一種包括包圍在光纖包層中的纖芯的光纖，光纖包層和纖芯由基于氧化硅的材料制成，并且保護層由非晶硼構成。光纖的特征是硼保護層直接沉積在非晶體碳層上，碳層本身沉積在光纖包層上。
碳相對于硼鹵化物是惰性的，即它不與其發(fā)生化學反應，因此碳層作為保護阻止層，來避免硼沉積期間，硼鹵化物和光纖包層的二氧化硅之間的任何反應。而且，碳層使所得到光纖易于拆卸和密封。
本發(fā)明的光纖上沉積非晶硼的方法，該光纖包括由光纖包層包圍的光纖芯，二者均由基于氧化硅的材料制成，該方法的特征在于它包括一個在光纖上沉積碳層的步驟，然后跟隨一個用氫氣H2的方法通過還原碳鹵化物，由蒸氣相在碳層上化學沉積非晶硼的步驟。
本發(fā)明的光纖，用所知最簡單和最便宜的方法，使非晶硼沉積在光纖上，同時避免了硼鹵化物和光纖的二氧化硅之間的可能出的反應。
硼沉積的溫度是可選擇的，例如在1050-1250℃范圍之間。
有利地硼鹵化物和氫氣的摩爾濃度比R位于1/20-2/3之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，硼涂層的施加與光纖拉制一起進行，在涂硼層時，光纖的運行速度不小于100m/min。
為了沉積無定形的即非晶體硼層，在沉積反應器中的氣態(tài)反應物的更新速率必需較高。在本發(fā)明中，通過光纖以高速，即以不低于100m/min的速度通過反應器而得到。
非晶硼層的沉積速度可能至少0.10μm/s并且最好在0.25μm/s左右，通過對沉積速度提出這樣的一個低限，經(jīng)適當?shù)剡x擇給定光纖通過速度的不同反應物的流入速率，可以保證沉積的硼沒有時間在沉積反應的溫度上結晶。
硼沉積可以在大氣壓左右的壓力下進行。
最后，根據(jù)本發(fā)明很有益的一個特征，可以加到氣態(tài)反應物初始混合中一氣態(tài)反應物，該氣態(tài)反應物是硅的母體，如SiH4，SiH3Cl，SiH2Cl2，SiHCl3或SiCl4；所講的混合物以反應能力減低的順序給出，這使得硼層可以摻雜硅。
在顯注的方式中，觀察到以這種方式硅摻雜的硼層比沒有和硅摻雜的硼層相比要堅硬的多沉積在相對于所使用的硼鹵化物為惰性的基片如碳上的非摻雜非晶硼的維氏硬度位于3000kg/mm2-4000kg/mm2之間，而沉積在同樣基片上的摻雜硅的非晶硼的維氏硬度位于4700kg/mm2-7800kg/mm2之間(根據(jù)表示方式，天然金剛石的維氏硬度是900kg/mm2)。
其它元素可以作為摻雜劑，用來增加硼層的硬度，產(chǎn)生于它們氣態(tài)母體。它們包括，例如鈷，鎳，鉻，銅，鐵，鈧，錳，鈦和鋁。
其它本發(fā)明的特征和優(yōu)點在下面非限制的例子給出本發(fā)明的一種光纖和方法的說明中給出。
在下面的圖中


圖1是本發(fā)明的一種光纖的橫截面示意圖；圖2是實現(xiàn)本發(fā)明方法的一個簡化示意圖；圖中，相同單元具有相同的參考數(shù)字。
首先，已知無定形硼是非結晶硼，特征尤其是在其結構中沒有晶粒邊界，使得其具有良好的的密封特性和高斷裂強度，因此在關于密封性方面它表現(xiàn)出和非結晶碳同樣的優(yōu)勢。然而，它比非結晶碳具有更高的硬度，因此，給與光纖的提高的摩損抵抗力，與基于碳制成的保護層相比，結果使得由樹脂涂層的厚度可以減少。樹脂保護層甚至可以去掉。
已知，非結晶結構的特征是組成其特質的無秩序。1％結晶晶粒的含量相應于不可避免出現(xiàn)的結晶跡象，對硼非晶層帶來結構不完善，但對所希望設計的保護層的特性沒有明顯的影響。以這樣的結晶粒含量，可以說沉積硼“本質”是非結晶體，無定形的。
圖1示出本發(fā)明的光纖1，從內到外同軸排列，包括一個用于導引大多數(shù)光波的基于二氧化硅的纖芯2；也是基于二氧化硅的光纖包層3；厚度位于10nm-50nm之間，而最好在30nm附近的非晶體碳層4；厚度位于10nm-200nm之間，而最好在100nm附近的非晶體碳層5；和厚度小于50nm，最好在10nm附近的選擇樹脂保護涂層6。
一般地，纖芯和光纖包層可以具有傳統(tǒng)的簡單結構，即每一個具有恒折射層的單一層，或它們可以是更復雜的結構，即各由多重疊層構成，并且各具有不同的折射系數(shù)。纖芯和光纖包層的結構都不將作很詳細的說明，因為這些結構不是本發(fā)明的一部分，然而，很清除地明白，本發(fā)明可以應用到任何所知的光纖結構中。
非結晶硼層5對光纖以機械保護，并增強了摩損抵抗力，使得光纖1在高容量的光學電纜中和高度緊湊電纜中使用。樹脂涂層的厚度可以大約使用碳保護層所要求的厚度的一半，并且甚至可以去掉。保護層5還能提供比碳層所提供的良好的密封。
現(xiàn)在參照圖2說明本發(fā)明的沉積方法，圖2是說明可以制造本發(fā)明的光纖1的機器10的示意圖。
機器10包括，在垂直光纖拉引裝置內一個跟一個排列一個拉光纖爐11，其中光纖以傳統(tǒng)的方式從預制件12中拉出，預制件具有同樣組份的纖芯(未示)而在直徑上大于纖芯2，包圍在同樣組份構的光纖包層中，而在厚度上大于光纖包層3，光纖包層的直徑與預制件12的纖芯的直徑的比等同于和光纖包層3的直徑和纖芯2的直徑比；一個用于在裸光纖13上沉積非晶碳層4的反應器14；一個用于沉積非晶硼層5的反應器15；控制離開反應器15的光纖的直徑的控制裝置16；樹脂涂層裝置17，在硼層5上產(chǎn)生樹脂涂層6；通過紫外線聚合樹脂涂層6的裝置18；控制所得到的光纖的最后直徑的控制裝置19；和一個纏繞最終光纖1的卷軸20。
僅示出一個用于沉積硼的反應器14，并且僅示出一個用于沉積碳的反應器15。然而，當必要時，碳沉積和/或硼沉積可以在沿光纖牽引線上一個跟隨一個放置的多個反應器中進行。
碳沉積可以以任何一種已知的方法進行，例如。由蒸氣相化學沉積。
為了在涂碳的光纖上沉積硼層，一種硼鹵化物，例如氣態(tài)氯化硼，應用下面的方程式由氫氣還原出來
硼沉積由蒸氣相以化學方式進行，還原在大約1150℃下進行，氯化硼和氫氣的摩爾濃度比在1/4左右。
為了能使所用的開放式反應器讓光纖有可能進出反應器，硼和碳沉積最好在大氣壓左右的壓力下進行，特別是當沉積與光纖拉引一起進行時。
為獲得非晶體硼層5，到涂有碳層的光纖表面的氣態(tài)硼的傳遞速度最好是高速的。通過以高速將硼加到光纖的表面，形成非結晶硼層。所講的高速度可以通過在光纖表面快速更新反應物得到。能在光纖表面得到反應物的快速更新是因此光纖高速通過反應器15和通過反應器15的入口和出口之間的氣體流入更新氣體狀態(tài)。因此光纖在反應器15的通過速度最好不小于100m/min，對應于傳統(tǒng)的光纖牽引速度；因此，光纖的制造速度不因光纖牽引和沉積非晶體硼涂層一起進行而降低。
以200m/min的速度使碳涂層的光纖通過反應器15，使用0.25μm/s硼涂層生長速度(通過選擇0.5l/min的氯化硼流動速率和5l/min的氫氣流動速率，得到這樣的生長速率)，在0.3s內，能以近似75nm的厚度沉積硼涂層。
硅的母體的反應物，例如SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiHCl3或SiCl4，可以有利地加到氣態(tài)相，在這種情況下，硼層5摻雜硅，從而增加了其硬度。
根據(jù)圖2所說明的機器10是一個傳統(tǒng)的光纖牽引機器，一個用于沉積碳層4的反應器14和一個用于沉積硼層5的反應器15加在其上面。機器10的某些單元是可以選擇的，例如直徑控制裝置16和19，而且，樹脂涂層裝置可以是任何一種型號，并且沒有必要一起進行涂樹脂層。
一般地，本發(fā)明不限于上述的實施方案，特別是，給出用于表征硼層和沉積所講層的方法的數(shù)值僅是以表示的方式，此外，本發(fā)明的一種光纖可以包括，在硼層的頂部，除樹脂涂層之外的其他層，比如特別用彩色表示的涂層。
最后，任何方法可以由不超出本發(fā)明范圍的等效方法取代。
權利要求
1.一種光纖，它包括包圍在光纖包層中的纖芯，纖芯和包層都由基于二氧化硅的材料制成，和一個由非晶體硼構成的保護層，該光纖的特征在于硼保護層沉積在非晶碳層上，非晶碳層本身直接沉積在光纖包層上。
2.根據(jù)權利要求1的光纖，其特征在于，硼層5的厚度在10nm和200nm范圍內，最好大約是100nm。
3.根據(jù)權利要求1和2的光纖，其特征在于，所述硼層摻雜有硅。
4.根據(jù)權利要求1至3的任一要求的光纖，其特征在于，硼層5由樹脂涂層6覆蓋，其厚度小于50微米。
5.在包括包圍在光纖包層里的纖芯的光纖上沉積非晶硼的一種方法，纖芯和光纖包層都由基于二氧化硅的材料制成，該方法的特征在于，它包括一個在光纖上沉積碳層的步驟，然后跟隨一個用氫氣的方法通過還原硼鹵化物，由蒸氣相在碳層上化學沉積非晶硼的步驟。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其特征在于硼鹵化物是氯化硼。
7.根據(jù)權利要求5或6的方法，其特征在于硼沉積位于1000-1250℃溫度范圍內進行。
8.根據(jù)權利要求5至7任一項的方法，其特征在于硼鹵化物和氫氣的摩爾濃度比為1/20-2/3之間。
9.根據(jù)權利要求5至8的任一項要求的方法，其特征在于碳和硼沉積和光纖拉引一起進行，所述光纖的運動速度在沉積期間不小于100m/min。
10.根據(jù)權利要求5至9的任一項的方法，其特征在于，硼沉積在大氣壓左右的壓力下進行。
11.根據(jù)權利要求5至10的任一項的方法，其特征在于，從SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiHCl3或SiCl4選擇的硅的氣態(tài)母體，加到初始反應混合物中。
全文摘要
一種光纖包括包圍在光纖包層中的纖芯，纖芯和包層都由基于二氧化硅的材料制成，和一個由非晶體硼構成的保護層，光纖的特征在于硼保護層沉積在非晶碳層上，非晶碳層本身直接沉積在光纖包層上，機器(10)包括，在垂直光纖牽引裝置內一個跟一個放置光纖牽引爐11，其中光纖以傳統(tǒng)的方式從預制件12中拉出，預制件具有同樣結構的纖芯而在直徑上大于纖芯2，包圍在同樣結構的光學包層中，而在厚度上大于光纖包層3，光包層的直徑和預制件12和纖芯的直徑的比等同于和光纖包層3的直徑和纖芯2和直徑比；用于在裸光纖13上沉積非晶碳層4的反應器14；用于沉積非晶硼層5的反應器15；控制離開反應器15的光纖的直徑控制器16；樹脂涂層裝置7，在硼層5上產(chǎn)生樹脂涂層6；通過紫外線聚合樹脂涂層6的裝置18；控制所得到的光纖的最后直徑的控制裝置19；和纏繞最終光纖1的卷軸20。為在涂碳的光纖上沉積硼層，一種硼鹵化物，例如氣態(tài)氯化硼，應用下面的方程式由氫氣還原出來2BCl
文檔編號C03C25/22GK1134141SQ9519080
公開日1996年10月23日 申請日期1995年8月23日 優(yōu)先權日1994年8月25日
發(fā)明者克勞德·布雷姆, 利奧奈爾·范德布爾克, 讓-伊維斯·伯尼奧特, 布魯諾·拉維格尼 申請人:阿爾卡塔爾光纖公司