專利名稱：制造光纖母材和光纖的化學(xué)粉末沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖的制造方法，和涉及在光纖拉絲的制備中光纖母材(preform)的制造方法。
背景技術(shù)：
已開發(fā)出各種各樣的方法制造供光波透射系統(tǒng)用的超高純玻璃光纖。在大多數(shù)這些方法中，首先制備光纖母材，和通過(guò)加熱母材到軟化狀態(tài)，然后從該母材中牽引玻璃的細(xì)線，從而由該母材拉絲成光纖。制造母材的方法通常依賴于使用蒸氣相化學(xué)反應(yīng)制備非常純玻璃體的技術(shù)。最值得注意的尤其是改性化學(xué)汽相沉積(MCVD)、汽相軸向沉積(VAD)和外部汽相沉積(OVD)。這些基本方法的大量變通方案是已知的。在所有這些方法中，通過(guò)在基質(zhì)上沉積玻璃灰體(soot)，來(lái)制造玻璃母材體。通過(guò)在基質(zhì)附近或在基質(zhì)上氣態(tài)玻璃前體的就地反應(yīng)來(lái)形成灰體。結(jié)果是沉積的玻璃物質(zhì)的純度接近于前體物質(zhì)的純度。眾所周知，通過(guò)燒結(jié)粉末顆粒并將它們聚結(jié)成固態(tài)玻璃體或母材，來(lái)固結(jié)灰體(一種粉狀物質(zhì))，然后可將該固態(tài)玻璃體或母材拉伸成長(zhǎng)的光纖。
這些技術(shù)的局限是，用于母材的玻璃組成局限為能以蒸氣形式方便地提供的和可與二氧化硅前體蒸氣反應(yīng)形成摻雜玻璃的成分。這些技術(shù)的另一局限是，灰體的組成和粒度是被間接控制的。主要通過(guò)前體氣體向灰體火焰(torch)的流動(dòng)來(lái)控制灰體的組成，和通過(guò)包括火焰溫度在內(nèi)的數(shù)個(gè)變量來(lái)測(cè)定粒度。這些參數(shù)均受到工藝變量的支配。盡管MCVD方法的熱力學(xué)被很透徹地理解，但在工業(yè)MCVD裝置上的控制手段相對(duì)復(fù)雜，原則上，最終的玻璃組成仍僅僅被間接地控制，從而受到工藝變量的支配。此外，盡管各種常見(jiàn)的摻雜劑前體可以液體形式獲得，其具有相當(dāng)高的蒸氣壓，可以用于蒸氣相加工，但許多潛在的摻雜劑則不然。常見(jiàn)的摻雜劑，如GeO2、B2O3和P2O5，形成很適合于蒸氣相反應(yīng)的鹵化物(例如，GeCl4、POCl3、BCl3)。然而，其它潛在地吸引人且有用的摻雜劑元素不形成容易地適合于蒸氣相加工的化合物。這些是稀土元素，尤其Er、Nd、Yb、Sm、La、Ce、Pr、Pm、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Lu；第IIIA族元素，如Al和Ga；堿金屬元素如Li、Rb、Na、K、Cs；過(guò)渡元素如Cr、Fe、Ni、Zn；堿土金屬元素如Ca、Ba、Sr；第IVA族元素，如Sn和Pb；和第VA族元素，如As、Sb和Bi。因此，顯而易見(jiàn)的是，存在大量的潛在玻璃組分，它們不是非常適合于用于玻璃母材制造的已知的蒸氣相方法。
溶液摻雜技術(shù)也是已知的，并被部分開發(fā)以允許這些可供替代的摻雜劑摻入到母材設(shè)計(jì)中。在典型的溶液摻雜方法中，首先通過(guò)已知的蒸氣相反應(yīng)技術(shù)(例如MCVD、VAD)之一制備玻璃灰體，和將該灰體浸泡在含有所選摻雜劑的化合物的液體溶液中。該方法同樣存在缺點(diǎn)。必須尋找摻雜劑化合物在其中可溶的和另外對(duì)最終的玻璃產(chǎn)品友好的溶劑。另外，摻入到最終產(chǎn)品內(nèi)的摻雜劑的量對(duì)灰體的本性，即灰體層的粒度、密度、孔隙率、均勻度和其它微觀結(jié)構(gòu)特征是高度敏感的。
業(yè)已提出將顆?；旌衔镆苑勰┯贊{的形式直接施加到玻璃表面上，參見(jiàn)PCT 01/53223 A1。然而，該方法看起來(lái)尚未成功，而技術(shù)仍聚焦在汽相熱解法上。
發(fā)明描述我們已開發(fā)出一種稱為化學(xué)粉末沉積(CPD)的方法，其中在高純度、高二氧化硅的玻璃基質(zhì)上玻璃粉被直接沉積、干燥并固結(jié)。沉積玻璃的組成被精確地控制，和成分可包括任何形成玻璃的元素和/或化合物。
在CPD方法中，以液體淤漿形式提供化學(xué)粉末，即在液體載體內(nèi)懸浮形成玻璃的物質(zhì)，將該淤漿施加到基質(zhì)上。與預(yù)期的相反，淤漿在基質(zhì)上形成粘合的涂層。干燥涂布的基質(zhì)，并將干燥的涂層燒結(jié)到玻璃內(nèi)。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在玻璃起動(dòng)管(starter tube)的內(nèi)部涂布化學(xué)粉末，從而組裝MCVD。然而，可使用該方法模擬其它已知的母材制造方法，如OVD和VAD，其中主要差別是用化學(xué)粉末涂布的基質(zhì)的性質(zhì)。本發(fā)明的CPD方法可與其它母材制造方法結(jié)合，形成指數(shù)曲線(index profile)的各種母材區(qū)和視需要的包層(overclad)區(qū)。
在CPD方法中的優(yōu)選液體載體是簡(jiǎn)單的烷基醇，優(yōu)選丁醇。感興趣的粉末物質(zhì)在該載體內(nèi)不溶，此外，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，該載體產(chǎn)生增強(qiáng)的涂層，這將在下面更詳細(xì)地討論。
根據(jù)本發(fā)明，具有至少兩種合適的通用方法，可用來(lái)形成淤漿。在這兩種情況下，玻璃前體物質(zhì)的組成是均勻的且被精確地固定。在一種情況下，使摻雜劑粉末與二氧化硅粉末混合，并用該混合粉末制造淤漿。在另一情況下，混合所有的玻璃成分，并使用標(biāo)準(zhǔn)的玻璃制造工序制備各種玻璃體。然后粉碎摻雜的玻璃體，形成所需的具有精確組成的粉末。在此情況下，在母材內(nèi)玻璃的最終組成完全與制造母材所使用的工藝無(wú)關(guān)。CPD方法也提供粒度的精確和直接的控制。在形成淤漿之前，通過(guò)已知的技術(shù)分選所使用的粉末，以精確地達(dá)到所需的尺寸范圍。
正如所述的，CPD方法提供摻雜劑材料的寬范圍選擇，這些材料包括稀土元素，尤其Er、Nd、Yb和Sm；第IIIA族元素，如Al和Ga；堿金屬元素如Na、K、Cs；過(guò)渡元素如Cr、Fe、Ni、Zn；堿土金屬元素如Ca、Ba、Sr；第IVA族元素，如Sn和Pb；和第VA族元素，如As、Sb和Bi。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用多步涂布步驟建立相對(duì)厚的玻璃層。這優(yōu)選使用一步或多步淤漿粉末沉積步驟，和干燥步驟，并交替至少部分固結(jié)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是顯示在CPD方法中起始的涂布操作的二氧化硅玻璃起動(dòng)管的示意圖；圖2示出了在固結(jié)之后圖1的玻璃起動(dòng)管；圖3是適于生產(chǎn)圖1所述涂層的裝置的簡(jiǎn)圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明制造的母材的折射指數(shù)曲線圖；圖5是光纖拉伸裝置的示意圖。
詳細(xì)說(shuō)明如上所述，可將CPD方法應(yīng)用到母材制造的各種已知方法的類似方法上。為了說(shuō)明目的，工藝順序是MCVD方法的改性，其中在起動(dòng)管的內(nèi)部上沉積玻璃前體材料，形成摻雜玻璃的涂層，和該管坍塌(collapse)形成固體玻璃母材。然后由該固體玻璃母材拉伸光纖。這些步驟是本領(lǐng)域公知的，在此不需詳細(xì)闡述。至于那些細(xì)節(jié)，參見(jiàn)美國(guó)專利No4,191,545和No.4,257,797，在此通過(guò)參考將其引入。CPD方法的主要特征是在坍塌之前在起動(dòng)管的內(nèi)壁上形成涂層所使用的一種方法。
參考圖1，示出了二氧化硅玻璃管11，在該管的內(nèi)表面上具有CPD涂層12。該管是高純二氧化硅玻璃的標(biāo)準(zhǔn)起動(dòng)管，這是MCVD方法所在工業(yè)中已知且采用的。該管典型地是純的二氧化硅，但對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以是摻雜的二氧化硅。管的尺寸基本上可隨制備的母材類型的變化而變化。
在CPD方法中的涂層材料包括在載體液體內(nèi)的玻璃粉。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，將前體材料的固體化合物，典型地氧化物，或者在干態(tài)下一起徹底混合，或者以淤漿形式與載體混合。任何一種技術(shù)或者這兩種技術(shù)的結(jié)合是有效的，只要混合徹底即可。然后將淤漿施加到起動(dòng)管11的內(nèi)表面上，形成涂層12。在可供替代的一個(gè)實(shí)施方案中，以干燥粉末形式混合所需成分并加熱形成玻璃。然后可測(cè)量玻璃的組成，和/或玻璃的光學(xué)性能，以確保所需的性能。然后通過(guò)球磨機(jī)或其它合適的方法粉碎所選玻璃，生產(chǎn)精確地具有所需性能的粉末。然后使用該粉末形成淤漿。CPD方法的該實(shí)施方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在該方法中，形成涂層的玻璃材料沒(méi)有經(jīng)歷顯著的化學(xué)反應(yīng)。
在剛剛所述的工藝實(shí)施方案的任何一個(gè)中，可所需地分選所使用的粉末的粒度?？赏ㄟ^(guò)分選微粉的數(shù)種已知技術(shù)中的任何一種，例如通過(guò)重力分離、離心或流動(dòng)氣體方法來(lái)進(jìn)行。形成淤漿的粉末的優(yōu)選粒度范圍是直徑為0.2-20微米，和優(yōu)選0.5-5微米。
在CPD方法中起始涂層的厚度隨包括淤漿粘度在內(nèi)的數(shù)種因素而變化。淤漿粘度取決于例如粒度、密度、濃度之類的因素，和還取決于載體流體的動(dòng)力學(xué)，如組成和溫度?？墒褂煤?jiǎn)單的涂布步驟，或通過(guò)多步涂布步驟制造涂層，這將在下面解釋。一般地，淤漿的性能將決定起始涂層的厚度。然而，可采用一些方法控制，來(lái)增加起始涂層的厚度，和淤漿相對(duì)于管表面的潤(rùn)濕和粘性。揮發(fā)性有機(jī)表面活性劑可促進(jìn)均勻的涂布?？赏ㄟ^(guò)加熱或冷卻淤漿，和/或要涂布的表面來(lái)改變淤漿的粘度?？墒褂昧鲃?dòng)的氮?dú)饪刂仆坎疾僮鞯臏囟?，即視需要預(yù)冷卻管壁并維持降低的溫度。
CPD方法中的下一步是干燥涂層。這要花費(fèi)10分鐘-5或更多小時(shí)?？赏ㄟ^(guò)適度加熱該管來(lái)加速干燥。建議在至少部分，優(yōu)選后一部分的干燥周期過(guò)程中使用溫?zé)?25-50℃)的氮?dú)?，或其它惰性氣體流過(guò)淤漿涂布的管道。
在干燥之后，可重復(fù)剛才所述的工序再次涂布管道。視需要，可使用數(shù)個(gè)或許多涂布/干燥周期形成厚的涂層。
然后在超過(guò)1800℃的溫度下燒結(jié)涂布的管道，使干燥的淤漿變?yōu)椴Ａ?，并彼此和與玻璃管壁一起熔合干燥淤漿狀態(tài)下的玻璃顆粒。該步驟常稱為固結(jié)步驟，并在圖2中表示，在該圖中，在13處示出了最后的玻璃層。該層的厚度小于圖1中層12的厚度。干燥淤漿層的固結(jié)可在該方法的任何階段處發(fā)生。因此，可進(jìn)行數(shù)個(gè)涂布/干燥周期，接著固結(jié)。然后可進(jìn)行數(shù)個(gè)更多的涂布/干燥周期，接著進(jìn)行最后的固結(jié)，然后坍塌。CPD方法通過(guò)改變一個(gè)或多個(gè)涂布/干燥周期之間淤漿的組成，來(lái)提供描畫(profile)最終母材折射指數(shù)的能力。這類似MCVD方法，從而在一次或多次流動(dòng)之后，通過(guò)改變氣體的流速(組成)來(lái)獲得在灰體的連續(xù)層內(nèi)組成的變化。
在管道的內(nèi)表面上獲得均勻的淤漿涂層具有兩個(gè)主要的方面。一個(gè)是圍繞管道的周圍或圓周維持厚度的均勻性。另一個(gè)是在管道的軸向上維持厚度的均勻性。這兩方面是重力的作用，和很大程度上取決于在加工過(guò)程中管道的取向。若在加工過(guò)程中水平安裝管道，則圍繞管道的周圍或圓周的厚度均勻性是主要關(guān)心的方面。解決它的一種方式是在涂布和干燥過(guò)程中旋轉(zhuǎn)管道。建議10-50次旋轉(zhuǎn)/分鐘。若在加工過(guò)程中垂直安裝管道，則軸向的均勻性看起來(lái)將成問(wèn)題。然而，若淤漿均勻潤(rùn)濕管壁，則表面張力和其它流體動(dòng)力學(xué)將在大部分的管道長(zhǎng)度上產(chǎn)生相對(duì)均勻的涂層厚度。若使用浸漬技術(shù)，則情況尤其如此。這圖示于圖3中，其中使用支持棒21-25，從淤漿浴中垂直牽引管道31-35。這些管道代表在涂布/干燥工序中的不同階段?？删徛貭恳艿?，使在垂直方向(管道長(zhǎng)度的軸向)上淤漿涂層的厚度達(dá)到平衡。然后，如前所述，使它們經(jīng)過(guò)適度加熱的臺(tái)面，該臺(tái)面在圖3中用環(huán)形部分38表示。只要牽引速度均勻，則影響涂層厚度的因素將沿管道的長(zhǎng)度方向是精確地均勻的。在圖3中示出了管道31完全浸漬在淤漿中。管道32幾乎從淤漿中撤出，其中管道的頂部進(jìn)入加熱臺(tái)。管道34穿過(guò)加熱臺(tái)，同時(shí)干燥完全。管道35返回到淤漿浴中，以重復(fù)該工序。從功能(光導(dǎo))角度看，在管道外側(cè)上的涂層是多余的，但可視需要除去。同樣，可通過(guò)在另一管道內(nèi)安裝玻璃管來(lái)防止它，并使用同心插塞來(lái)密封管道之間的空間。
CPD方法的重要特征是能改變用于連續(xù)的涂布/干燥周期，或數(shù)次涂布/干燥周期之間淤漿的組成。這簡(jiǎn)單地包括改變圖3中的浴37供隨后的通過(guò)(pass)或數(shù)次通過(guò)。
我們已發(fā)現(xiàn)，有利地在淤漿沉積和干燥步驟之間至少部分固結(jié)粉末。固結(jié)步驟的功能是使沉積物致密，以便當(dāng)隨后浸漬時(shí)，降低前面沉積的層吸收載體液體。還增加沉積粉末層的完整性和降低壓碎的可能性。若沉積的粉末層太厚，且沒(méi)有不時(shí)的固結(jié)，則增加了形成碎片的傾向。不必完全固結(jié)沉積物，即形成完全玻璃態(tài)和完全致密的玻璃。部分固結(jié)是足夠的。因此，應(yīng)當(dāng)理解，此處的術(shù)語(yǔ)固結(jié)擬包括和擬定義使用至少部分固結(jié)的步驟。取決于淤漿的組成，部分固結(jié)是指使粉末層致密，以便大多數(shù)孔仍保持朝層的表面開放。在一個(gè)典型的情況下，這將產(chǎn)生一種物體，其密度是處于完全致密的玻璃態(tài)的物體的至少50％。
可在各組淤漿沉積/干燥步驟的結(jié)合之間，或在數(shù)組淤漿沉積/干燥步驟之間進(jìn)行固結(jié)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用一種粉末組合物進(jìn)行一組或多組沉積/干燥步驟，和當(dāng)改變淤漿組成時(shí)進(jìn)行固結(jié)。
如上所述，優(yōu)選的淤漿液體是烷基醇。發(fā)現(xiàn)，使用丁醇作為淤漿液體在淤漿顆粒和管壁之間導(dǎo)致預(yù)料不到的吸引力。因此使用玻璃粉末和丁醇生產(chǎn)的層的厚度提高。然而，使用其它醇可發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果。同樣，可發(fā)現(xiàn)其它流體，即烷基醇之外的流體是有效的。使用有機(jī)淤漿液體的優(yōu)點(diǎn)是一些玻璃前體化合物，如前面所述的元素的一些硝酸鹽或鹵化物，或磷酸鹽、硼酸鹽或堿性物質(zhì)，在其它液體中可溶，但基本上不溶于有機(jī)液體，即溶解度小于1重量％。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，這方面是重要的，在此混合母材摻雜劑的粉末化合物，形成淤漿。在首先制備最終的硅酸鹽玻璃組合物的實(shí)施方案中(對(duì)于該實(shí)施方案，在載體流體內(nèi)的不溶性認(rèn)為是給定值)，這不是重要的。在剛才所述的前一實(shí)施方案中，CPD方法利用了在淤漿介質(zhì)中母材摻雜劑的不溶性。
我們已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用相對(duì)大，例如平均直徑＝0.5-5微米的顆粒，制造淤漿，載體介質(zhì)是高級(jí)烷基醇(MW＝60或更高)時(shí)，產(chǎn)生預(yù)料不到厚的干燥粉末層，同時(shí)它對(duì)基質(zhì)玻璃具有相對(duì)良好的粘接。已發(fā)現(xiàn)，在單獨(dú)一次的情況下，這種組合產(chǎn)生厚度為50微米的層，和在許多情況下，大于100微米，從獲得厚的涂層角度考慮，使用大于25重量％，典型地25-50重量％固體粒狀物的淤漿負(fù)載同樣是有益的。
與常規(guī)知識(shí)相反，本發(fā)明的技術(shù)形成顆粒大且尺寸不等的淤漿。與形成凝膠的溶膠不同，這些導(dǎo)致密度接近于緊密堆積的那些的沉積物。當(dāng)干燥時(shí)，降低的收縮率導(dǎo)致薄片降低的壓碎傾向。我們還發(fā)現(xiàn)，有利地在淤漿沉積和干燥步驟之間至少部分固結(jié)沉積的粉末。固結(jié)步驟的功能是在沉積物顆粒之間產(chǎn)生化學(xué)鍵，以便當(dāng)隨后浸漬時(shí)，載體液體的吸收不引起事先沉積的層損壞或崩解。它還增加沉積粉末層的完整性和降低壓碎的可能性。若沉積的粉末層太厚，且沒(méi)有不時(shí)的固結(jié)，則增加了形成碎片的傾向，如同僅僅數(shù)微米或更低厚度的常規(guī)凝膠層一樣。
可在各組淤漿沉積/干燥步驟之間，或在數(shù)組淤漿沉積/干燥步驟之間進(jìn)行固結(jié)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用一種粉末組合物進(jìn)行一組或多組沉積/干燥步驟，和當(dāng)改變淤漿組成時(shí)進(jìn)行固結(jié)。
用下述實(shí)施例代表本發(fā)明的實(shí)踐。
實(shí)施例通過(guò)在丁醇中混合玻璃粉末來(lái)制備化學(xué)粉末淤漿。粉末包括二氧化硅粉末或Pyrex玻璃粉末和摻雜劑元素。在淤漿內(nèi)固體的重量百分?jǐn)?shù)為28-32％。在該實(shí)施例中的摻雜劑元素可選自Er2O3、Er(NO3)2、Al2O3、Al(NO3)3。Er和Al的混合物一般有效，因?yàn)樵诓Ａ?nèi)，Al摻雜劑輔助增溶稀土元素。至于在光纖內(nèi)Al摻雜劑的討論，參見(jiàn)美國(guó)專利No.4,616,901，在此通過(guò)參考引入。
使用磁力攪拌器或通過(guò)球磨技術(shù)，在丁醇內(nèi)混合玻璃粉末和摻雜劑前體。在球磨技術(shù)中，使用放置在容器內(nèi)的高純二氧化硅研磨介質(zhì)，例如直徑約5-15mm的二氧化硅球，混合二氧化硅粉末、摻雜劑前體和丁醇，其中旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)所述容器，其方式使得產(chǎn)生有效混合和粉碎作用。
將所得玻璃粉末淤漿涂布在圓柱形玻璃管的內(nèi)側(cè)上。合適的管是二氧化硅-基、Vycor-基或Pyrex-基，例如稱為F300的未摻雜的二氧化硅管，氟-摻雜的F320管(這二者均獲自Heraeus)，硼-摻雜的二氧化硅管和Vycor管(獲自Corning)。然后可在室溫下，或在略微或適度升高的溫度下干燥涂層。推薦范圍是20-80℃。有用的工序是在室溫下部分干燥涂層，然后使溫?zé)?25-50℃)的氮?dú)饬鬟^(guò)所述管。在涂布操作過(guò)程中，和同樣在起始的干燥操作過(guò)程中，為了涂層厚度的均勻性，希望以10-50轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)所述管。典型的涂層厚度范圍是25-300微米。
可重復(fù)涂布與干燥步驟，獲得較厚的沉積物。當(dāng)重復(fù)這些步驟時(shí)，可變化淤漿內(nèi)摻雜劑和摻雜劑的濃度。
在旋轉(zhuǎn)的玻璃車床內(nèi)安裝具有干燥沉積物的管道，并通過(guò)使用往返運(yùn)動(dòng)速度為8-12cm/min的常規(guī)氧-氫火焰加熱到1900-2100℃的溫度，使之固結(jié)。在固結(jié)過(guò)程中希望維持高的溫度，以便在沒(méi)有顯著暴露于其中結(jié)晶相，即方英石相成核的中間溫度的情況下，使干燥涂層內(nèi)的顆粒成玻璃態(tài)。
若干燥層將成為下方摻雜層，則在干燥和固結(jié)過(guò)程中可將含氟氣體，如四氟化硅(SiF4)或六氟化硫(SF6)，或氟利昂如CF4或C2F6引入到所述管內(nèi)。若已經(jīng)存在于沉積玻璃層內(nèi)的摻雜劑是硼，則在加工過(guò)程中，這種相同的手段可有效地抵銷摻雜劑的損失。
如前所述，在一些情況下，希望在一步或多步涂布/干燥步驟過(guò)程中使用固結(jié)步驟。
在最后的固結(jié)步驟之后，通過(guò)常規(guī)的MCVD技術(shù)，使管道坍塌，形成固體母材，參見(jiàn)例如J.B.MacChesney和D.J.DiGiovanni，“Materials Development of Optical Fiber”，J.Am.Ceram.Soc.，73，[12]3537-3556(1990)。
圖4示出了所得母材的折射指數(shù)曲線圖，由該母材生產(chǎn)的光纖將具有相同的定性指數(shù)曲線圖。
如前所述，本發(fā)明具有數(shù)種潛在的重要應(yīng)用。在MCVD方法中可使用它形成全部母材?；蛘?，可使用它僅僅形成芯棒，用于管包棒(rod-in-tube)型母材制造方法，和隨后添加包覆管。該方法與以上所述的方法之間的主要差別是起始的基質(zhì)是實(shí)心棒，而不是中空管?；蛘?，在另一有關(guān)的實(shí)施方案中，可使用它形成包覆管，用于管包棒工藝。在此情況下，起始管道開始是玻璃態(tài)，或者可以是部分固結(jié)的灰體。
在這些情況下，在基質(zhì)表面上形成玻璃顆粒層的方法是本發(fā)明的主要方面。一旦產(chǎn)生所需的層，則可使用使管坍塌的任何常規(guī)技術(shù)，或者可使用最后使棒固結(jié)的任何常規(guī)技術(shù)。最后的固結(jié)步驟可與坍塌步驟，或拉伸操作結(jié)合。當(dāng)基質(zhì)是棒時(shí)，后者特別有用，這意味著不存在坍塌步驟，和在沒(méi)有坍塌步驟的情況下，繼續(xù)該工藝到拉伸步驟。
在采用本發(fā)明生產(chǎn)包覆管的實(shí)施方案中，堿金屬摻雜劑特別有效。認(rèn)為這些摻雜劑，即Cs、Rb、Na、K和Li，會(huì)改進(jìn)光纖芯的透光性能。然而，在常規(guī)的方法中，存在兩個(gè)缺點(diǎn)，限制這些摻雜劑的有效性。第一，這些摻雜劑的離子小，和在常規(guī)母材制造中使用的條件下它們?nèi)菀讛U(kuò)散。第二，這些離子的鹽高度吸濕，和已知水污染光纖芯會(huì)引起光學(xué)損失。然而，當(dāng)在本發(fā)明方法中使用堿金屬鹽時(shí)，這些缺點(diǎn)均會(huì)降低或消除。當(dāng)在包覆管內(nèi)，堿金屬離子用作摻雜劑時(shí)尤其如此。當(dāng)圍繞芯棒的包覆管坍塌時(shí)，堿金屬摻雜劑快速擴(kuò)散到芯內(nèi)，從而在降低光學(xué)損失方面，它們是有效的。
在本發(fā)明的所有實(shí)施方案中，基質(zhì)是高二氧化硅玻璃。這定義為二氧化硅的組成大于85重量％的玻璃。
在制備母材之后，使用類似于圖5所示的裝置，從母材中拉伸光纖。圖5示出了具有母材41和感受器42的光纖拉伸裝置，其中感受器42代表軟化玻璃母材并引起纖維拉伸所使用的爐(未示出)。在43處示出了拉伸的纖維。然后使新生的纖維表面經(jīng)過(guò)涂布杯(通常在44處表示)，該涂布杯具有含涂料預(yù)聚物46的腔室45。液體涂布的纖維從涂料腔室經(jīng)模頭51流出。模頭51和預(yù)聚物的流體動(dòng)力學(xué)的結(jié)合控制涂層的厚度。然后將預(yù)聚物涂布的纖維曝光于UV燈55下，固化預(yù)聚物并完成涂布工藝?？梢曅枰褂闷渌袒椛?。然后通過(guò)卷曲軸57卷曲其中涂層已固化的纖維。卷曲軸控制纖維的拉伸速度。可使用典型地在1-30m/sec范圍內(nèi)的拉伸速度。重要的是，纖維位于涂布杯的中心，和尤其在引出模頭91內(nèi)，以維持纖維和涂層的同心。商業(yè)裝置典型地具有控制纖維取向的滑輪。在模頭本身內(nèi)的流體壓力輔助纖維位于中心。步進(jìn)電機(jī)控制卷曲軸，而步進(jìn)電機(jī)由微步分度器(未示出)控制。
光纖的涂層材料典型地為聚氨酯、丙烯酸酯或聚氨酯-丙烯酸酯，并添加有UV光引發(fā)劑。圖5示出了帶單個(gè)涂布杯的裝置，但通常使用帶雙涂布杯的雙涂布裝置。在雙涂布纖維中，典型的主要或內(nèi)部涂層材料是軟質(zhì)的低模量材料，如硅氧烷、熱熔蠟，或具有相對(duì)低模量的任何聚合物物質(zhì)。第二種或外部涂層常用的材料是高模量的聚合物，典型地聚氨酯或丙烯酸。在工業(yè)實(shí)踐中，這兩種材料可以是低和高模量的丙烯酸酯。涂層厚度范圍典型地為直徑150-300微米，其中標(biāo)準(zhǔn)為約245微米。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可進(jìn)行本發(fā)明的各種改性。所有偏離本說(shuō)明書的具體教導(dǎo)當(dāng)然認(rèn)為在所述和所要求的本發(fā)明的范圍內(nèi)，其中所述偏離基本上依賴于本發(fā)明原理和通過(guò)所述原理本領(lǐng)域提出的它的等價(jià)方案。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖的方法，包括；(a)制備光纖母材；(b)加熱母材到軟化溫度；和(c)由母材拉伸光纖，本發(fā)明的特征在于，通過(guò)包括下述的步驟制備母材(i)形成含玻璃粉末和載體液體的淤漿，(ii)用該淤漿涂布玻璃基質(zhì)；(iii)干燥淤漿形成第一干燥涂層；(iv)至少部分固結(jié)第一干燥涂層。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在20-80℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行步驟(iii)。
3.權(quán)利要求2的方法，其中步驟(iii)的進(jìn)行時(shí)間超過(guò)30分鐘。
4.權(quán)利要求1的方法，包括額外的步驟(v)用淤漿涂布固結(jié)的涂層；(vi)干燥淤漿，形成第二干燥涂層；(vii)至少部分固結(jié)第二干燥涂層。
5.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(v)中的淤漿包括組成與步驟(ii)中淤漿內(nèi)粉末不同的粉末。
6.權(quán)利要求1的方法，其中淤漿包括大于25％的固體。
7.權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)混合玻璃粉末，形成混合的玻璃粉末，然后將該混合的玻璃粉末與載體液體混合，從而形成淤漿。
8.權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)在載體液體內(nèi)混合玻璃粉末，從而形成淤漿。
9.權(quán)利要求1的方法，其中固結(jié)步驟(iv)產(chǎn)生的物體，其密度是完全致密的玻璃態(tài)下的物體密度的至少50％。
10.權(quán)利要求1的方法，其中載體液體包括分子量為60或更大的有機(jī)醇。
11.權(quán)利要求1的方法，其中載體液體是烷基醇。
12.權(quán)利要求11的方法，其中載體液體是丁醇。
13.權(quán)利要求1的方法，其中基質(zhì)是玻璃管的內(nèi)表面。
14.權(quán)利要求1的方法，其中基質(zhì)是玻璃棒。
15.權(quán)利要求1的方法，其中基質(zhì)包括部分固結(jié)的灰體。
16.權(quán)利要求15的方法，其中基質(zhì)是棒。
17.權(quán)利要求15的方法，其中基質(zhì)是管。
18.權(quán)利要求1的方法，其中玻璃粉末包括粉化二氧化硅和一種或多種粉化摻雜劑化合物的混合物。
19.權(quán)利要求1的方法，其中一種或多種粉化的摻雜劑化合物選自氧化物、硝酸鹽和硫酸鹽。
20.權(quán)利要求1的方法，其中一種或多種粉化摻雜劑化合物是選自La、Ce、Pr、Pm、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Lu、Er、Nd、Yb、Sm、Al、Ga、Li、Rb、Na、K、Cs、Cr、Fe、Ni、Zn、Ca、Ba、Sr、Sn、Pb、As、Sb和Bi中的元素的化合物。
21.權(quán)利要求1的方法，其中玻璃粉末包括摻雜的二氧化硅顆粒的粉末。
22.權(quán)利要求13的方法，其中干燥步驟(iii)包括使氮?dú)饬鬟^(guò)所述管。
23.權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)加熱基質(zhì)到高于1900℃的溫度，進(jìn)行加熱步驟(iv)。
24.一種制造光纖的方法，包括(a)制備光纖母材；(b)加熱母材到軟化溫度；和(c)由母材拉伸光纖，本發(fā)明的特征在于，通過(guò)包括下述的步驟制備母材(i)形成含玻璃粉末和載體液體的第一淤漿，(ii)用淤漿涂料涂布玻璃基質(zhì)，其中通過(guò)下述步驟進(jìn)行涂布步驟(1)利用支持元件垂直懸浮玻璃管；(2)將支持元件和玻璃管下降到含淤漿的浴中；(3)從該浴中抬高支持元件和玻璃管，使淤漿涂料殘留在管道上；(4)使淤漿涂層厚度達(dá)到平衡；(iii)干燥淤漿涂層，形成干燥的涂層，和(iv)加熱干燥的涂層，形成玻璃態(tài)的玻璃層。
25.權(quán)利要求24的方法，其中在另一管內(nèi)安裝所述管，并利用同心插塞密封管之間的空間。
26.一種制造光纖母材的方法，包括(a)形成含玻璃粉末和載體液體的淤漿，(b)用該淤漿涂布玻璃基質(zhì)，(c)干燥淤漿，形成干燥的涂層，(d)至少部分固結(jié)干燥的涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了使用化學(xué)粉末沉積(CPD)方法，生產(chǎn)光纖和光纖母材。在該方法中，制備二氧化硅粉末和摻雜劑粉末的淤漿，并用該淤漿涂布二氧化硅玻璃起動(dòng)管的內(nèi)表面，然后干燥。接著如同常規(guī)的MCVD方法一樣，固結(jié)涂層，和使該管道坍塌?？墒褂枚鄬油繉?，和具有不同組成的涂層，生產(chǎn)任何所需的型材。在一個(gè)可供替代的實(shí)施方案中，制備具有所需最終組成的摻雜二氧化硅玻璃，然后粉碎形成淤漿用的粉末。在這兩個(gè)實(shí)施方案中，與通過(guò)控制蒸氣相反應(yīng)的熱力學(xué)來(lái)間接控制最終玻璃組成的常規(guī)方法相比，在淤漿內(nèi)使用已知組成的粉末提供最終玻璃組成的直接控制。
文檔編號(hào)G02B6/00GK1572741SQ20041004325
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
發(fā)明者J·B·麥克切斯尼, T·E·斯托克特, P·W·維斯克, M·F·燕 申請(qǐng)人:古河電子北美公司