專利名稱：一種在光纖上施用非晶態(tài)硼基保護(hù)層的方法和包括這種涂層的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將非晶硼基保護(hù)層應(yīng)用到光纖和包含這種涂層的光纖。
眾所周知，常規(guī)的光纖結(jié)構(gòu)是光纖包括一個(gè)封于光纖包層中的光纖纖芯，用于引導(dǎo)大部分的光波，纖芯和包層是由基于氧化硅材料摻雜到纖芯和包層區(qū)或多或少不同的程度而構(gòu)成?！肮饫w包層”在此廣義的定義即光纖包層包括所有包圍著纖芯的基于氧化硅的，層，不管包層是通過何種方法得到。
在某些已知的光纖中，光纖包層直接由樹脂涂層覆蓋，此設(shè)計(jì)是為了部分地避免光纖遭受微彎帶來的后果，尤其是當(dāng)光纖被安裝到光纜中時(shí)帶來的后果。在安裝和使用過程中，光纖受到折彎和牽引應(yīng)力，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械疲勞，即會(huì)損害它的機(jī)械性能，以致于破壞它的傳遞性能。
在別的已知光纖中，設(shè)計(jì)成主要用于潮濕環(huán)境中的光纖(尤其是在水下的應(yīng)用)，在那兒光纖易于受到水和氫氧根離子(OH-)的作用，因此光纖保護(hù)層直接淀積在光纖包層上，樹脂涂層下。當(dāng)光纖受到導(dǎo)致機(jī)械疲勞的應(yīng)力并因而在其表面引起微裂時(shí)，由潮濕或OH-離子的侵蝕造成它表面微裂的加深使其破裂，損害光纖。
在周知的方法中，提供到上述光纖上的保護(hù)涂層一般是由非晶體的或湍層的碳組成(即有一種提供的密封優(yōu)于石墨碳的密封性的結(jié)構(gòu))，例如，碳可通過化學(xué)的方法從汽相淀積到光纖上。
然而，這種碳保護(hù)層并不是完全令人滿意的雖然它對(duì)光纖提供充分地密封，但因?yàn)樗挠捕炔粔蚋撸蚨尸F(xiàn)較差的抗磨蝕性。對(duì)當(dāng)大量光纖安裝進(jìn)光纜時(shí)彼此之間的磨擦或與光纜內(nèi)壁間的磨擦造成的光纖長(zhǎng)期的磨損保護(hù)不足。不幸的是磨損在光纖表面造成的微裂會(huì)導(dǎo)致光纖破裂的危險(xiǎn)。
為避免光纖的磨損，光纖的樹脂涂層必須非常厚，尤其不能薄于60μm。遺憾的是，在現(xiàn)今的情況下，這對(duì)提高光纖光纜的容量又是非常不利的，因此光纜最多可容納50～100根光纖。所以很厚的樹脂涂層妨礙光纜的緊湊性，而緊湊性在將光纜應(yīng)用到小空間處又是必需的。
美國專利US-4 319 803中提供一種由各種材料制成的保護(hù)層，材料包括非晶硼，涂層被認(rèn)為能夠克服上述的缺點(diǎn)。
然而，該專利沒有提出任何將上述非晶硼保護(hù)層應(yīng)用到光纖上的方法。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種方法將非晶硼基保護(hù)層施加到光纖上。
為此目的，在本發(fā)明提供的一種將非晶硼基保護(hù)層施加到光纖上的方法中，光纖包括封閉于光纖包層中的光纖纖芯，二者均由基于氧化硅的，材料制成，上述方法的特征在于硼用化學(xué)方法在1050℃～1250℃的范圍內(nèi)從汽相淀積到光纖的表面，通過氫氣H2來減少氯化硼B(yǎng)Cl3。
在此非常顯著的方式中，觀察到在1050℃～1250℃的溫度范圍內(nèi)，通過氫G2而使得BCl3的減少伴隨著光纖的硼和二氧化硅之間有限的固相反應(yīng)，引致硼淀積層優(yōu)良的粘固性。這里在低溫環(huán)境中，觀察到包含氯化硼的汽相和固態(tài)二氧化硅表面之間發(fā)生反應(yīng)，這導(dǎo)致光纖表面的高腐蝕和非晶硼層與光纖之間的低粘固性。
在較高溫度下，硼和二氧化硅之間的固相反應(yīng)非常強(qiáng)烈，導(dǎo)致光纖表面形成很厚的氧化硼B(yǎng)2O3層。
因此，本發(fā)明根據(jù)上述顯著的觀察現(xiàn)象，使溫度范圍確定在硼和二氧化硅之間存在限定的反應(yīng)的范圍內(nèi)，這使得在硼和二氧化硅之間形成很薄的反應(yīng)層，增強(qiáng)了非晶硼對(duì)光纖的粘接性。
另外，在顯著的方式中還觀察到淀積的非晶硼層比非晶硼淀積到相對(duì)于硼不活潑的襯底上形成的非晶硼層堅(jiān)硬許多。相對(duì)于硼不活潑即不與硼發(fā)生作用、不象二氧化硅。因此，不活潑襯底上的非晶硼的Vickers硬度在3000kg/mm2～4000kg/mm2的范圍內(nèi)，此處淀積的硼與本發(fā)明關(guān)于在4700kg/mm2～7800kg/mm2范圍內(nèi)的石英光纖一致(在此指出，自然金剛石的維氏硬度為9000kg/mm2)。這是因?yàn)檫@一事實(shí)在1050℃～1250℃的溫度范圍內(nèi)，硼與二氧化硅間的反應(yīng)雖然受到限制，但它是非常有利的，因?yàn)樵陬A(yù)想不到的方法中，它導(dǎo)致非晶硼層被來自二氧化硅的硅摻雜。這種現(xiàn)象似乎是淀積的硼層高硬度的起源。
另外，眾知為了使硼晶體化，需要將其在t期間內(nèi)保持在一個(gè)高溫下，所述的期間t隨溫度而減小。然而，觀察到1050℃～1250℃的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)光纖消耗硼以不小于100m/mim(對(duì)應(yīng)于常規(guī)的光纖拉制速度)的速度淀積其上的反應(yīng)物時(shí)，硼涂覆的光纖保留在反應(yīng)物中的時(shí)間不小于t，這使得在上述的溫度中，淀積的硼層是非晶化的，即是非結(jié)晶的。
光纖上的非晶硼層增長(zhǎng)率至少為0.10μm/s最好在約0.25μm/s附近的范圍內(nèi)。通過設(shè)置這樣的下限，通過對(duì)與光纖的反應(yīng)速度給定的各種反應(yīng)劑流量的適當(dāng)選擇，將非晶淀積的操作時(shí)間限制起來，因而限制了硼與二氧化硅之間的反應(yīng)率，并達(dá)到令人滿意的粘接和硬度。另外，大于0.10μm/s的增長(zhǎng)率保證淀積的硼在淀積反應(yīng)的溫度下沒有時(shí)間結(jié)晶。
在1100°～1200℃溫度范圍中，可得到本發(fā)明方法的最佳效果。
在有利的方式中，氯化硼的摩爾濃度與氫氣的摩爾濃度之比R的范圍在1/20～1/4。在這個(gè)范圍內(nèi)可觀察到淀積的硼層有特別高的維氏硬度，尤其是大于4700kg/mm2的強(qiáng)度(維氏硬度隨R增加)，還可觀察到硼與二氧化硅的反應(yīng)率水平低下(硼與二氧化硅的反應(yīng)率隨R增加)，使硼與二氧化硅間的反應(yīng)受到限制，以得到上述的薄反應(yīng)層。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，硼涂層的施加與光纖拉制一致，光纖的拉制速度不小于100m/min。
為得到無序的、即非晶體的硼層，需要補(bǔ)充的氣態(tài)反應(yīng)劑BCl3和H2在淀積反應(yīng)器中的比率很高。在本發(fā)明中，這可利用光纖以較高的速度通過反應(yīng)器，即以不低于100m/min的速度通過反應(yīng)器而得到。
另外，氣相的氣太在大氣壓值的附近是有利的，這使得硼保護(hù)層的施加與光纖拉制相一致。
最后，根據(jù)本發(fā)明的很有利的特點(diǎn)，可以給汽相反應(yīng)劑的初始混合物增加汽相混合劑這是硅的母體，如SiH4，SiH3Cl，SiH2Cl2，SiHCl3，或SiCl4這些化合物以反應(yīng)率下降的順序給出。加上這些化合物使得非晶硼層被硅摻雜，因而得到非常堅(jiān)硬的淀積層。另外，汽相混合物中硅化合物的出現(xiàn)使汽相與光纖的二氧化硅間的初始反應(yīng)得到限制和控制。硼淀積到光纖上的粘固性達(dá)到最佳。
本發(fā)明還提供一種光纖它包括封閉于光纖包層中的光纖纖芯，包層和纖芯均由基于氧化硅的，材料制作，還包括一個(gè)淀積于上述光纖包層之上的非晶硼基保護(hù)層。
上述光纖的特征在于上述保護(hù)層包括一與上述光纖包層接觸的中間層，它來自于硼與二氧化硅的反應(yīng)；一位于上述中間層頂部的非晶硼層。
另外，硼層可被硅摻雜。
本發(fā)明的別的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)通過下列對(duì)本發(fā)明方法的描述、利用非限定的例子表現(xiàn)出來。
在下列圖中

圖1是本發(fā)明的帶有非晶硼基保護(hù)層的光纖的截面圖；圖2是包括用于執(zhí)行本發(fā)明方法的硼淀積反應(yīng)物的光纖拉制機(jī)簡(jiǎn)圖。
在圖中，共同的部件用相同的標(biāo)號(hào)。
首先重提一下無序的硼是非晶體硼，特征在于在其結(jié)構(gòu)中不存在晶粒邊界，它有良好的密封性能和高的斷裂強(qiáng)度。因此它與非晶體碳在密封性具同樣的優(yōu)點(diǎn)。然而，它比非晶硼堅(jiān)硬的多，因而給予光纖增強(qiáng)的抗磨損性，這樣的樹脂保護(hù)層厚度與構(gòu)造在碳基體上的保護(hù)層相比可被大體的減小，并且樹脂層甚至可以省去。
回想到非晶結(jié)構(gòu)的特征在于其結(jié)構(gòu)的無序性。1％含量的晶粒對(duì)應(yīng)于不能避免出現(xiàn)的結(jié)晶的痕跡，并且以非晶硼層結(jié)構(gòu)的缺陷表現(xiàn)出來，對(duì)保護(hù)層預(yù)期的性能沒有重大的影響。對(duì)于這種晶化的晶粒含量，可以說淀積的硼“基本”是非晶或無定形的。
圖1表示的本發(fā)明光纖，包括從外到內(nèi)的共軸淀積基于氧化硅的光纖纖芯2，用于引導(dǎo)大部分的光波；也是基于氧化硅的光纖包層3；位于硼和二氧化硅之間的很薄的中間作用層4；非晶硼層4；厚度小于50μm、最好是10μm左右的可選樹脂保護(hù)層6。
本發(fā)明的光纖1的保護(hù)層7包括中間層4和層5。它的厚度范圍在10nm～200nm之間，最好在100nm左右。
如上的解釋，當(dāng)為施加涂層7而選擇的溫度使摻加增加時(shí)，可用硅摻雜層5。另外，通過在此方法中利用做為硅的母體的反應(yīng)劑，對(duì)層5的硅摻雜被增加。
自然地，纖芯2和光纖包層3可有一個(gè)常規(guī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，即每個(gè)都有一個(gè)恒定折射的單一層，或它可有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，即每個(gè)都由大量的疊加層構(gòu)成，并且有不同的折射率。對(duì)纖芯的結(jié)構(gòu)和光纖包層均不做詳細(xì)的描述，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)不是本發(fā)明的部分。然而容易理解，本發(fā)明可用到任何已知的光纖上。
非晶硼保護(hù)層7給予光纖機(jī)械保護(hù)，并且增強(qiáng)對(duì)磨蝕的抵抗，使光纖用于高容量的光纜中，并具有高密積性。樹脂涂層的厚度可為利用碳保護(hù)層時(shí)需要的一半，甚至可省去不用。涂層7還具有與碳涂層提供的同樣的密封性。
本發(fā)明的淀積方法現(xiàn)通過圖2加以描述。圖2是制造圖1所示的光纖的機(jī)器10的簡(jiǎn)圖。
機(jī)器10，包括設(shè)置在豎直的光纖拉制裝置中一個(gè)接一個(gè)設(shè)置的一個(gè)光纖拉制烤爐11，在其中光纖以常規(guī)中已知的方法從預(yù)制件12中拉伸，預(yù)制件纖芯有著與纖芯2相同的光纖纖芯組成和大于纖芯2的直徑，封閉在組成同于光纖包層3、直徑大于包層3的光纖包層(未標(biāo))中。預(yù)制件12光纖包層的直徑與光纖纖芯的直徑之比等于光纖包層3的直徑與光纖纖芯2的直徑之比；用于涂層7的反應(yīng)器14；控制光纖離開反應(yīng)器14的距離的控制裝置15；任意選擇的樹脂涂層裝置16，用于制造位于硼涂層7之上的樹脂層；利用紫外線輻射聚合樹脂涂層6的裝置17；用于控制成品光纖1直徑的控制裝置18；用于繞起成品的光纖1的卷軸19。
只顯示了一個(gè)用于硼淀積的反應(yīng)器14。然而如果需要，硼淀積可在大量的沿光纖拉制線一個(gè)接一個(gè)設(shè)置的反應(yīng)器中進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明，為得到裸光纖13上的硼基涂層7，利用氫氣通過下列反應(yīng)減少氣態(tài)氯化硼
因而用化學(xué)的方法從汽相中得到硼涂層。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橐陨系脑颍仨氃?050℃-1250℃的溫度范圍內(nèi)，最好是1100℃～1200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行上述的BCl3減少，例如在1150℃。
反應(yīng)劑的汽相氣壓最好在大氣壓附近，尤其當(dāng)?shù)矸e是與光纖拉制一起進(jìn)行時(shí)，敞開的反應(yīng)器使光纖可進(jìn)可出?？衫脤?duì)光纖(未標(biāo))的引入引出氣塞簡(jiǎn)單地將氣相保護(hù)防止外界空氣，其中用不活潑氣體以略高于大氣壓的壓強(qiáng)循環(huán)于氣塞中。
為得到非常堅(jiān)固的硼涂層7，而避免與硼大程度的反應(yīng)導(dǎo)致氧化硼B(yǎng)2O3的形成，B2O3濃度的摩爾濃度與氫氣之比被選在1/20～1/4的范圍內(nèi)，即等于1/4。
為得到非晶態(tài)硼涂層5，最好使汽相硼到裸光纖13的傳遞速度很高。通過將硼快速地放在光纖表面來確保形成的硼涂層實(shí)質(zhì)上是非晶態(tài)。上述的快速可通過光纖表面反應(yīng)劑的迅速更新而實(shí)現(xiàn)。光纖表面反應(yīng)劑的迅速更新，伴隨著從淀積反應(yīng)產(chǎn)生的氣體物質(zhì)的迅速排出，即當(dāng)反應(yīng)劑是BCl3和H2時(shí)排出HCl，達(dá)到這些一是因?yàn)楣饫w從反應(yīng)器14中高速通過，還因?yàn)闅庀辔锉环磻?yīng)器14的引入口和引出口之間氣體的流動(dòng)所更換。因此光纖在反應(yīng)器中的運(yùn)行速度最好不小于100m/min，等同于常規(guī)的光纖拉制速度；光纖的制造不會(huì)因按照光纖的拉制來施用非晶硼涂層而減慢。
光纖13以200m/min的速度穿過反應(yīng)器14，使得利用硼涂層增長(zhǎng)率為0.25μm/s(這樣的增長(zhǎng)率可通過選擇BCl3的流速為0.5l/min和氫氣的流速為5l/min來達(dá)到)。這可在0.3S中淀積厚度大約等75nm。
做為硅產(chǎn)物的母體的反應(yīng)劑，如SiH4，SiH3Cl，SiH2Cl2，SiH-Cl3或SiHCl4可被有利地加到汽相物中。
聯(lián)系圖2描述的機(jī)器10是一種傳統(tǒng)的光纖拉制機(jī)器，用于淀積硼涂層7的淀積反應(yīng)器14加入其中。機(jī)器10的某些元件可任意選擇，如尺寸控制裝置15和18。
另外，樹脂涂層設(shè)備可是任何類型，樹脂涂層不需要同樣地執(zhí)行。
自然地，本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例。
特別地，給予的關(guān)于硼涂層特性和淀積上述涂層方法的數(shù)值僅是一種指示方式。
另外，本發(fā)明的光纖可包括硼涂層的頂部，樹脂層之外的其它的層，尤其如彩色識(shí)別涂層。
最后，在不超出本發(fā)明的權(quán)利范圍下，任何裝置可用同等的裝置替換。
權(quán)利要求
1.一種將非晶態(tài)硼基保護(hù)膜應(yīng)用到光纖上的方法，其中的光纖包括封閉于光纖包層中的光纖纖芯，光纖包層和光纖纖芯均由硅基材料制成，所述的方法其特征在于硼從汽相在1050℃～1250℃的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)的方法被施加到所述光纖表面利用氫氣H2來減少氯化硼(BCl3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)硼被用以形成在所述光纖上時(shí)與光纖包層接觸的中間層，產(chǎn)生于硼和二氧化硅的反應(yīng)，非晶態(tài)硼層位于中間層的頂部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于溫度位于1100℃～1200℃的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意項(xiàng)所述的方法，其特征在于氯化硼的摩爾濃度與氫氣的摩爾濃度之比值在1/20-1/4的范圍之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意項(xiàng)所述的方法，其特征在于汽相的壓強(qiáng)值在大氣壓壓強(qiáng)值的左右。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意項(xiàng)所述的方法，其特征在于上述非晶態(tài)硼基涂層與光纖的拉制一起被施加，上述光纖的運(yùn)行速度在上述淀積過程中不小于100m/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意項(xiàng)所述的方法，其特征在于上述光纖表面的非晶態(tài)硼基涂層的生長(zhǎng)率不小于0.10μm/s。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意項(xiàng)所述的方法，其特征在于從SiH4，SiH3Cl，SiH2Cl2，SiHCl3和SiCl4中選出的硅的氣態(tài)母體被加入反應(yīng)劑的初始混合中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任意項(xiàng)所述的方法，其特征在于上述硼涂層的厚度范圍為10nm～200nm，并且最好約為100nm。
10.一種包括封閉于光纖包層中的光纖纖芯的光纖，光纖纖芯和光纖包層均由硅基材料制做，并有一非晶態(tài)硼基保護(hù)層淀積于上述光纖包層上，上述光纖的特征在于上述保護(hù)層包括一個(gè)產(chǎn)生于硼和二氧化硅反應(yīng)的、與光纖包層接觸的中間層；一個(gè)位于上述中間層頂部的非晶態(tài)硼層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光纖，其特征在于所述硼層用硅摻雜。
全文摘要
一種將非晶態(tài)硼基保護(hù)層應(yīng)用到光纖上的方法，其中的光纖包括均由基于氧化硅的，材料制成的封于光纖包層中的光纖纖芯，上述特征在于在1050℃-1250℃的溫度范圍內(nèi)用化學(xué)方式將汽相硼施用到上述光纖的表面，并利用氫氣H
文檔編號(hào)C03C25/12GK1134142SQ9519080
公開日1996年10月23日 申請(qǐng)日期1995年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月25日
發(fā)明者克勞德·布雷姆, 利奧奈爾·范德布魯克, 讓-伊維斯·伯尼奧爾特, 布魯諾·拉維格尼 申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾光纖公司