專利名稱:光導(dǎo)纖維用玻璃坯料的生產(chǎn)方法
本發(fā)明的范疇本發(fā)明涉及一種用于制造光導(dǎo)纖維的玻璃坯料的生產(chǎn)方法。特別是一種用以制造由芯和包層組成的光導(dǎo)纖維的玻璃坯料生產(chǎn)方法。在此方法中，當(dāng)高溫?zé)Y(jié)煙灰狀坯料(即細的玻璃微粒物)使其轉(zhuǎn)化為透明玻璃坯料時，選擇性地加氟于其包層中。
本發(fā)明的背景如圖1上部所示，光導(dǎo)纖維是由傳播光之芯1和其周圍的包層2所組成。如圖1下部所示，芯1的折射率n1大于包層的折射率n2以以便光經(jīng)由芯傳播。比折射率差△n由下式定義△n＝(n1-n2)/n1當(dāng)比折射率差△n增大時，在包層表面發(fā)生全反射角也增大。因此由于光導(dǎo)纖維彎曲而引起的功率損耗也減至最小。
增大比折射率差△n是能做到的，例如藉加入一種金屬氧化物諸如GeO2，Al2O3和TiO2至玻璃坯料的芯部以增加芯1的折射率n1，以及加氟至坯料包層部分以降低包層2的折射率n2。
在第一種方法中，增加添加劑的量可使芯1的折射率增大，但亦可發(fā)生下述缺點1.加入添加劑引起的的光散射(即雷里散射)與添加劑的量成正比，而光的散射不理想增加了衰減。
2.加入大量添加劑將導(dǎo)致在玻璃坯料中形成氣泡或單晶體。例如，當(dāng)用GeO2作添加劑時可能由于氣態(tài)GeO2而形成氣泡。當(dāng)用Al2O3作為添加劑時，可能生成一簇Al2O3的單晶體。氣泡和單晶體使光發(fā)生散射從而導(dǎo)致衰減，此外它們尚可纖維斷裂。
第二種方法即降低包層折射率的方法可有效地克服上述缺點。典型的方法包括將添加劑加在煙灰狀坯料的芯部，提高其折射率使達到預(yù)定的芯和包層間之折射率差，以及在含氟化合物的環(huán)境中高溫加熱煙灰狀坯料使氟加入包層部分以降低其折射率，如此制得的玻璃坯料具有較大的比折射率差。然而此法亦有下列一些缺點在含氟化合物環(huán)境中簡單地以高溫加熱煙灰狀坯料時，芯部分亦被氟化，因此比折射率差不能增大。因為氟是一種高活性物質(zhì)，所以控制爐內(nèi)溫度，調(diào)節(jié)含氟化合物的濃度和處理時間等方法使氟只加于坯料的包層部分是十分困難的。如果坯料具有一般的添加劑以及松密度分布而要使氟只加于其包層部分，則必須控制爐溫在±30℃的范圍內(nèi)。因此生產(chǎn)具有理想的比折射率差的光導(dǎo)纖維是極其困難的。
本發(fā)明簡述本發(fā)明的一個目的是提供一種制備光導(dǎo)纖維的玻璃坯料，可以選擇性地加氟于其包層部分。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種生產(chǎn)玻璃坯料的方法使氟選擇地加于坯料的包層而不會同時加于其芯部。
據(jù)此，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)玻璃坯料的方法，包括制造一種由芯和包層組成的煙灰狀坯料，其芯之最外層的添加劑濃度或松密度較芯內(nèi)部的為大，加熱煙灰狀坯料以得到透明玻璃坯料。加熱過程至少在某一段時間內(nèi)要在含氟或含氟化合物的環(huán)境中進行。
附圖的簡單說明圖1為顯示一光導(dǎo)纖維的折射率分布情形的圖解。
圖2略示用火焰水解法以實現(xiàn)本發(fā)明的方法。
圖3顯示出玻璃坯料中金屬添加劑的分布情形。
圖4表示玻璃坯料的松密度分布情形。
圖5表示在煙灰狀坯料中金屬添加劑分布的情形。
圖6表示圖5的煙灰狀坯料在徑向上的相對密度的時間進程。
圖7A，7B和7C分別表示例1所產(chǎn)的煙灰狀坯料中GeO2濃度和相對密度的分布以及玻璃坯料的比折射率差。
圖8A和8B分別表示由對照例所產(chǎn)的煙灰狀坯料中GeO2濃度的分布和玻璃坯料的比折射率差。
圖9A和9B分別表示由例2所產(chǎn)的煙灰狀坯料中相對密度分布和玻璃坯料的比折射率差。
圖10表示按本發(fā)明處理煙灰狀坯料的范例。
本發(fā)明的詳細說明按照本發(fā)明的方法，在生產(chǎn)煙灰狀坯料時要使細玻璃粒狀物(即煙灰狀坯料)芯的最外層命添加劑濃度或松密度大于其內(nèi)部。因此當(dāng)煙灰狀坯料燒結(jié)成為透明的玻璃坯料時，芯的最外層比其周圍的包層較早燒結(jié)。在高溫加熱煙灰狀坯料使其轉(zhuǎn)變成透明的環(huán)境中，當(dāng)加入含氟化合物時，芯的燒結(jié)部分阻止氟滲入芯的內(nèi)部。此外，使選擇性地加氟入包層的溫度范圍寬達±150℃，從而較易控制溫度并能降低處理溫度。
已經(jīng)發(fā)明若煙灰狀坯料某一部分的相對密度，亦即該部分煙灰狀坯料之松密度之透明玻璃坯料上述部分密度之差大于0.45時，氟即不能加于煙灰狀坯料的上述部分。
依此，當(dāng)芯的最外層的相對密度為0.45而包層的相對密度小于0.45時，加含氟化合物于加熱環(huán)境中，氟只會加于包層而不會加至芯的內(nèi)部。從而獲得大的比折射率差的折射率分布。
參照附圖舉例說明本發(fā)明。
圖2略示火焰水解法以制取本發(fā)明所用的煙灰狀坯料。使用多管燃燒器3A和3B，經(jīng)入口4和5分別送入作為燃氣的氧和氫，并分別由燃燒器的最外層和次外層噴口噴出。同時作為原料的SiCl4和作為添加劑的GeCl4與輸送氣(例如氬一類惰性氣體)一齊經(jīng)入口7送入并由燃燒器中心噴口噴出并反應(yīng)。為使原料在距燃燒器頂端數(shù)毫米的空間內(nèi)反應(yīng)，氬氣作為屏障氣經(jīng)入口6引入并從中心噴口周圍的圓形噴口噴出。在此條件下，玻璃細粒積聚在旋轉(zhuǎn)的往始桿8的頂端，沿其軸向形成一細玻璃粒物質(zhì)的棒，即煙灰狀坯料。在上述步驟中，包括各種氣體或物料的供給速率在內(nèi)的許多條件與普通的方法基本上相同。推薦的條件由實例說明。
為增加坯料最外層的添加劑濃度或松密度如圖3和4所示，由燃燒器3A的入口4以每分鐘8升的速率送入氧氣，由入口6以每分鐘2升的速率供給氬，經(jīng)入口5以每分鐘3-8升的速率供給氫氣，SiCl4和GeCl4以每分鐘10-50毫升的速率一起經(jīng)入口7供給。上燃燒器3A不僅用以部分地增加添加劑濃度或松密度而且用以形成包層。提高添加劑的流速可增加添加劑濃度，提高氫的流速以降低芯部的表面溫度可增加其松密度。
下燃燒器3B專用于生成芯部。GeCl4和SiCl4分別以20毫升/分鐘和200毫升/分鐘的速率同時經(jīng)入口7供給并于氫氧焰中灼燒。
上述的條件只是一個例子而本發(fā)明的方法并不限于上述的過程。
這樣生產(chǎn)的煙灰狀坯料芯部最外層的添加劑濃度或松密度較芯內(nèi)部的為大。
然后在一耐熱的，例如純石英或氧化鋁制的馬爐管內(nèi)以高溫加熱煙灰狀坯料使其脫水和燒結(jié)。
在熱處理煙灰狀坯料時，最好首先在含氯化合物環(huán)境中進行脫水。為此，分別以每分鐘10升和100毫升的速率通入氦氣和含氯化合物，在800-1100℃溫的度下加熱煙灰狀坯料。使用含氯化合物的主要目的是使煙火狀坯料脫水。其實例如Cl2，SOCl2，COCl2CCl4等。
當(dāng)脫水溫度低于800℃時，坯料的雜質(zhì)不能完全除去而且脫水過程需時較長。如果在含氯化合物環(huán)境中以高于1100℃的溫度加熱煙灰狀坯料，它則發(fā)生收縮，整個坯料的松密度均增大因而難以向其加氟。
此外，含氯化合物能使添加劑成為它的氯化物而發(fā)揮掉，因此可用調(diào)節(jié)折射率的分布。故溫度最好是從1000到1100℃。
在初步加熱后，進行第二步加熱主要是為了加氟于坯料。在此步驟中，其溫度是由火焰水解所得的煙灰狀坯料的添加劑和松密度分布情況決定的，最好是1150±150℃。依此，芯的最外層在約1000℃燒結(jié)，然后在含氟化合物的環(huán)境中于約1300℃＊燒結(jié)全部煙灰狀坯料，使氟僅加于其包層部分。為不使氟加至煙灰狀坯料的芯部，必須在芯部最外層的相對密度達到或高于0.45才開始供給含氟化合物。
＊譯注原文為1700℃，恐系1300℃之誤。
在溫度均勻的馬爐管中以恒定溫升加熱煙灰狀坯料時，含氟化合物是在溫度下(此時芯部最外層的相對密度達到0.45)和包層的相對密度達到0.45時的溫度T2之間供給的。因此當(dāng)溫度下與T2間之溫差△T較大時，可以供給含氟化合物的溫度范圍就較寬。換言之，若溫差△T較小時，就須更精確地控制供給含氟化合物時的溫度。
為使溫差△T較大，圖3中較大的添加劑濃度差△i或圖4中較大的松密度差△2是最可取的。然而差別太大時，在燒結(jié)過程中有助于生成不受歡迎的氣泡。較好的以重量計的添加劑濃度差為0.1-0.3%和松密度之差為0.1-0.3。
二種添加劑濃度分布情形的比較示于圖5。在圖(A)和(B)中，5代表至煙灰狀坯料軸心的徑向距離，rl是芯的半徑，亦即圖3中的最外層11B的位置，△r是一微距，rl+△r即是圖3中包層最內(nèi)部11A的半徑。
圖6顯示二種不同添加劑濃度的煙灰狀坯料以溫升率每分鐘16℃加熱時其相對密度對應(yīng)于溫度的變化。曲線Arl和Brl分別代表煙灰狀坯料A和B的芯部最外層的相對密度變化。曲線Arl+△r與Brl+△r分別表示煙灰狀坯料A和B的包層最內(nèi)部的相對密度變化。
由圖6可見，煙灰狀坯料A的溫度下和T2間之溫差△T較坯料B的為大。因此坯料A的溫度控制較坯料B為易。這對于松密度同樣適用。
雖然最好使芯最外層11A的添加劑濃度和松密度分布二者均較大，但使其中任一項較大亦可獲得相同的結(jié)果。
于某些條件下可能觀察到包層的最內(nèi)部有所謂添加劑分布的嵌入在火焰水解過程中發(fā)生。提前供給氯可以調(diào)節(jié)折射率的分布，防止嵌入入。
本發(fā)明推薦的實例例1將一作為單式光導(dǎo)纖維的煙燈狀坯料裝入保持800℃的爐中，坯料的添加劑濃度和松密度的分布分別示于圖7A和7B。按照圖10的處理方式分別以每分鐘100毫升和10升的速率送入氯氣和氦氣，以每分鐘3℃的速率加熱至1100℃。然后停止供氯，改以每分鐘150毫升的速率送入SF6氣體并將煙灰狀坯料加熱至1300℃，供給純氦氣進一步加熱至1500℃以產(chǎn)生一透明的玻璃坯料。
如此產(chǎn)生的玻璃坯料的折射率分布情形于圖7C。芯的折射率分布與其添加劑濃度的分布相對應(yīng)，包層折射率的降低程度與其加氟量相對應(yīng)。用X-射線微量分析儀(XMA)做的元素分析顯示芯中不含氟。由此玻璃坯料所制的光導(dǎo)纖維其芯和包層的△n分別為+0.30%和-0.15%。
對照例1為證明1所獲得的效果，以每分鐘2升的速率經(jīng)入口5輸入氫而無GeCl4自入口7輸入，由此制得的煙灰狀坯料的松密度和添加劑濃度的分布如圖7B及8A所示并無任何峰值。
用與例1同樣的方法處理此煙灰狀坯料以產(chǎn)生玻璃坯料。XMA元素分析顯示氟均勻分布于整個芯和包層。其折射率分布情形示于圖8C。由此可知對于添加劑濃度的折射率分布以及△n并無增加。
例2將用作單式光導(dǎo)纖維的煙灰狀坯料裝入保持于800℃的爐中，坯料的添加劑濃度和松密度的分布情形示于圖7A及7B。以每分鐘100毫升和10升的速率送入氯氣和氦氣并以每分鐘3℃的速率將坯料加熱至1050℃。此后停止供氯。以每分鐘150毫升的速率輸入SF6氣體并將煙灰狀坯料加熱到1300℃，再在純氦氣中加熱至1500℃使成為透明玻璃坯料。
如此制得的玻璃坯料的折射率分布情形示于圖9C。其芯部的折射率分布與添加劑濃度分布互相對應(yīng)而包層折射率的降低程度則對應(yīng)于氟的添加量。XMA元素分析顯示芯中不含氟。由此種玻璃坯料制得的光導(dǎo)纖維的芯和包層的△＊n值分別為+0.3%及-0.15%。
對照例2為證實例2所獲得的效果，將一適合于單式光導(dǎo)纖維的煙灰狀坯料以例2同樣的方法處理。此坯料的添加劑濃度和松密度分布一如對照例1。XMA元素分析顯示氟均勻分布于所得玻璃坯料的芯和包層中。例2與對照例2唯一的差別是后者所用坯料的芯最外層具有較小的折射率。由此可知，此部分之折射率對于折射率的分布情形具有極大的影響。
例3將一由純石英制得的，芯最外層和包層的松密度分別為0.45和0.25的煙灰狀坯料以與例2相同的條件加熱至1050℃并脫水。此后停止供氯。以每分鐘10升和300毫升的速率輸入氦氣和SF6氣并加熱至1650℃使形成透明的玻璃坯料。
這樣制備的玻璃坯料其芯和包層的△n分別為0%及-0.3%。
雖然上述例子均用適合于單式光導(dǎo)纖維的煙灰狀坯料進行，但適＊譯注原稿為n，疑是△n之誤。
合于復(fù)式光導(dǎo)纖維的煙灰狀坯料亦可由本發(fā)明制得。此外，由“外部沉積法”亦即使玻璃微粒積聚在圓柱形芯棒上制得的煙灰狀坯料亦可用本發(fā)明的方法加以處理。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)玻璃坯料的方法，包括在此條件下制造由芯和包層組成的煙灰狀坯料，其芯的最外層的添加劑濃度和松密度較芯的內(nèi)部為火，以及至少在某個階段于含有氟或含氟化合物的環(huán)境中加熱煙灰狀坯料以獲得透明的玻璃坯料。
2.按照權(quán)項1的方法，在上述的加熱前，煙灰狀坯料在含有氯化合物的環(huán)境中加熱，從使之脫水。
3.按照權(quán)項1的方法，在溫度1000℃至1300℃加熱煙灰狀坯料。
4.按照權(quán)項1的方法，煙灰狀坯料是在其芯最外層的添加劑濃度和松密度二者均大于芯內(nèi)部的條件下生產(chǎn)的。
專利摘要
在使芯的最外層的添加劑濃度或松密度大于其內(nèi)部的條件下制取由芯和包層組成的煙灰狀坯料，以及至少在某個階段內(nèi)于含有氟或含氟化合物的環(huán)境中加熱以獲取透明的玻璃坯料，由此使氟選擇性地加于玻璃坯料的包層中。
文檔編號C03C17/22GK85100803SQ85100803
公開日1986年7月9日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者河內(nèi)宏司, 京藤倫久 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan