用于制造單燒結步驟、復雜折射率分布光纖的壓制多層二氧化硅煙炱預成形件制造技術

通過如下過程制造光纖：使用外部氣相沉積技術來制造基材，采用徑向壓制技術向基材施加一層或多層，以形成煙炱毛坯，在存在氣態折射率改性摻雜劑的情況下燒結煙炱毛坯，以及拉制燒結的煙炱毛坯，其提供了更高效和成本節約的方法來產生復雜折射率分布。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于制造單燒結步驟、復雜折射率分布光纖的壓制多層二氧化硅煙炱預成形件相關申請交叉參考本申請根據35U.S.C.§119，要求2011年11月30日提交的美國臨時申請系列第61/564912號的優先權，本文以該申請為基礎并將其全文通過引用結合于此。領域本專利技術涉及光纖的制造，更具體地，涉及包括壓制二氧化硅基煙炱以形成至少一部分的光纖預成形件的制造方法。
技術介紹
使用各種方法或技術來制造光纖。這些方法大多包括制造玻璃預成形件以及后續對預成形件進行拉制以產生光纖的步驟。典型的二氧化硅預成形件包括芯截面和至少一個包覆截面，所述包覆截面與所述芯截面是同軸的，并且具有低于芯截面的折射率。可以通過，例如對芯和/或包覆進行適當的摻雜，來實現折射率的差異。最常見地，將氧化鍺用作芯截面中的催化劑，以增加芯的折射率。各種已知增加折射率的其他摻雜劑可用于替代鍺摻雜劑或與其結合使用。作為替代或附加方式，可以向包覆加入已知降低折射率的摻雜劑，例如含硼或含氟摻雜劑。通常使用化學氣相沉積(CVD)技術來制造光波導預成形件。例子包括改進的化學氣相沉積(MCVD)、氣相軸沉積(VAD)和外部氣相沉積(OVD)。在所有這些化學氣相沉積工藝中，通過將玻璃材料(主要是二氧化硅)以非常小的顆粒或煙炱的形式沉積到基材上，來制備稱作預成形件的中間產物。預成形件的結構類似于最終光纖的結構，但是具有明顯的差異，例如密度、尺寸和孔隙率。通過拉制過程來實現光纖的最終尺寸，其中，光纖的最終直徑約為125微米左右。在改進的化學氣相沉積的情況下，反應物與載體氣體(例如，氬氣和/或氦氣)和氧化氣體(例如，氧氣)的混合物一起，以受控制的量流動通過反應器管。反應管通常是由二氧化硅制造的，并且通過外部燃燒器加熱，當管轉動時，所述外部燃燒器可橫過管的長度。二氧化硅和其他玻璃組分沉積到管的內表面上，并且反應產物從與加入反應物那端的相對端離開管。外部氣相沉積工藝涉及將玻璃顆粒或煙炱沉積到通常由氧化鋁或石墨制成的圓柱形棒的外表面上。棒通常是轉動的，并且暴露于燃燒器的火焰。將反應物與燃料氣體(例如甲烷或氫氣)一起注入火焰中。芯材料首先沉積，然后是包覆材料。當沉積完成后，從多孔預成形件的中心取出基材棒(也稱作“餌棒”)，并將預成形件放入固結爐中。在固結過程中，從預成形件去除水蒸氣。高溫固結步驟將預成形件燒結成固體、致密且透明的玻璃。然后將固結的玻璃預成形件放到拉制塔上，并拉制成一條連續的玻璃光纖繩。外部氣相沉積工藝已經被用于光纖的大規模生產。優勢包括：生產具有增強的可靠性的完全合成的光纖，制造展現出精確幾何和光學一致性的光纖的能力，可規模化能力、高產率和較高的制造獨立性(因為無需依賴于用于MCVD工藝中的反應器管的獨立供給)。但是，OVD工藝的一個缺點在于起始材料沒有得到高效利用。因此，會希望提供一種制造具有復雜折射率分布特征的光纖的方法，其中，在光纖空間中，在小于2微米的距離上存在折射率的階躍變化，這使得能夠更高效地利用材料。已經開發用于生產具有復雜折射率分布特征的光纖的其他技術包括改進的化學氣相沉積，其在單個燒結步驟中對變化的摻雜劑濃度的煙炱進行沉積。MCVD工藝中的摻雜劑是通過燃燒器經由火焰水解傳遞的。概述本文所揭示的方法提供了具有復雜折射率分布特征的光纖。方法步驟提供比常規OVD技術更高效的原材料的使用，從而降低了制造成本。具體地，在本文所揭示的各個實施方式中，采用徑向壓制步驟，向通過外部氣相沉積生產的基材同軸地施加多層粉末二氧化硅。所得主體是整體式二氧化硅煙炱毛坯，其含有壓制到采用OVD工藝制造的芯上的多層、同軸煙炱層。在某些實施方式中，用于制造具有復雜折射率分布特征的方法包括：采用外部氣相沉積技術制備基材，在基材上壓制一層或多層二氧化硅粉末的同軸層，以得到整體式煙炱毛坯。多層同軸層可具有不同的物理性質。然后在存在折射率改性氣態摻雜劑的情況下，對煙炱毛坯進行燒結，從而，由于層的物理性質的差異使得各個層保留不同濃度的氣態折射率改性摻雜劑，導致從燒結的毛坯拉制得到的光纖具有復雜折射率分布特征。根據某些實施方式，可使用的氣態摻雜劑包括但不限于，氯(Cl2)、四氯化硅(SiCl4)、四氟化硅(SiF4)、六氟化硫(SF6)和四氟化碳(CF4)。根據某些實施方式，各個壓制層可由具有不同化學組成的二氧化硅基煙炱構成。例如，各個壓制層可包含不同的固體摻雜劑和/或不同濃度的固體摻雜劑。根據某些此類實施方式，固體摻雜劑可包括含氟、硼、鍺、鉺、鈦、鋁、鋰、鉀、溴、銫、氯、鈉、釹、鉍、銻、鐿、銣的化合物，以及這些摻雜劑的組合。本文所述的某些方法可包括在兩層壓制層之間外部氣相沉積一層，或者在壓制層上外部氣相沉積一層作為最終層。根據某些實施方式，煙炱毛坯進一步進行固結并再拉制成棍，以及通過徑向壓制施加至少一層額外層。根據某些實施方式，在不同徑向壓制步驟過程中，施加的壓力是變化的。這導致壓制層的密度和/或孔隙率的變化，并且還改變了能結合到各層中的氣態摻雜劑的量，從而控制各徑向壓制層中的摻雜劑濃度。在其他實施方式中，改變了壓制層中的煙炱的表面積，以改變能夠結合的氣態摻雜劑的量。本文所揭示的某些方法涉及：采用外部氣相沉積技術制備基材，施加多層具有與基材不同并且與各個相鄰層不同的物理性質和/或化學組成的材料，至少一層是通過徑向壓制技術施加的，并且至少一層其他層是通過外部氣相沉積技術施加的。在以下的詳細描述中提出了本專利技術的附加特征和優點，其中的部分特征和優點對本領域的技術人員而言由所述內容就容易理解，或按下面的描述和權利要求書以及附圖而被認識。應當理解，前述描述是示例性的，并且旨在提供理解權利要求的綜述。附圖簡要說明圖1是具有外部氣相沉積制造的基材目標和兩層壓制層的壓制毛坯的截面示意圖。圖2是在單次固結步驟過程中，在兩個不同壓制層上分別采用不同氯濃度產生的沿y軸的折射率分布圖。圖3所示是電子微探針數據分析圖，顯示對于OVD制造的毛坯和通過徑向壓制層制造的毛坯的外包覆、摻雜的氯濃度與標準化半徑(r/a)的關系。圖4是預成形件中的煙炱顆粒表面積與最終玻璃制品中保留的氯的相互關系圖。詳細描述復雜折射率分布特征(RIPF)定義為具有如下折射率分布的任意區域，其在光纖空間中，在短距離上(例如小于2微米)，包括例如在2微米的距離上至少0.002％Δ的折射率的階躍變化。圖1顯示采用本文所揭示的方法制造的光纖預成形件或毛坯。在圖1所示的實施方式中，芯區域10是固結的玻璃(例如，通過外部氣相沉積制造然后固結成無空穴玻璃的鍺摻雜的二氧化硅)，第一包覆層20是未摻雜的二氧化硅煙炱，通過外部氣相沉積將其沉積到芯區域10上。第二和第三包覆層30和40是具有不同物理性質的兩層煙炱壓制層，它們被壓制到光纖預成形件毛坯上。本文所用術語“燒結的”和“固結的”等可互換使用，指的是通過例如熱處理，將二氧化硅從鍛制二氧化硅結構轉變為熔合二氧化硅結構的作用。固結的例子包括加熱材料以去除在OVD沉積中俘獲的氣體，或者壓制二氧化硅粉末以結合在一起成為單個結構。本文所揭示的方法采用徑向壓制過程來向OVD基材同軸地施加多層粉末二氧化硅。在一些實施方式中，層是不含粘合劑的。例如，WO2010036310所揭示的壓制方法可用于粉末二氧化硅徑向壓制步本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于制造具有復雜折射率分布特征的光纖的方法，該方法包括：采用外部氣相沉積技術制備基材；在基材上壓制至少一層二氧化硅粉末，以得到整體式煙炱毛坯，其中，壓制層具有至少一個不同于基材的物理性質；在存在氣態摻雜劑的情況下，燒結煙炱毛坯，從而由于所述的物理性質的差異，使得壓制層保留與基材不同濃度的氣態摻雜劑；以及將煙炱毛坯拉制成光纖。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.11.30 US 61/564,9121.一種用于制造具有復雜折射率分布特征的光纖的方法，其中，在小于2微米的距離上存在折射率的階躍變化，所述方法包括：制備具有固結的芯區域和采用外部氣相沉積技術形成的二氧化硅煙炱內包覆區域的光纖預成形件毛坯；在煙炱內包覆層上壓制至少一層二氧化硅粉末，以得到整體式煙炱毛坯，其中，壓制層中二氧化硅粉末具有不同于煙炱內包覆層的表面積；在存在氣態氯摻雜劑的情況下，燒結煙炱毛坯，從而由于所述二氧化硅粉末表面積的差異，使得壓制層保留與煙炱內包覆層不同濃度的氯；以及將燒結的煙炱毛坯拉制成光纖。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣態氯摻雜劑選自：氯和四氯化硅。3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在燒結之前，通過外部氣相沉積在壓制層上施加一層材料。4.如權利要求1所述的方法，所述方法還包括對煙炱毛坯進行固結并再拉制成棍，然后在燒結和拉制之前，在棍上壓制一層額外層。5.一種用于制造具有復雜折射率分布特征的光纖的方法，其中，在小于2微米的距離上存在折射率的階躍變化，所述方法包括：制備具有固結的芯區域和采用外部氣相沉積技術形成的二氧化硅煙炱內包覆區域的光纖預成形件毛坯；在煙炱內包覆層上壓制多層同軸二氧化硅粉末，以得到具有不同表面積的明顯不同的同軸層的整體式煙炱毛坯；在存在氣態氯摻雜劑的情況下，燒結煙炱毛坯，從而由于同軸層的表面積的差異，使得每層同軸層保留不同濃度的氣態氯摻雜劑；以及將煙炱毛坯拉制成光纖。6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述氣態氯摻雜劑選自：氯和四氯化硅。7.如權利要求5所述的方法，其特征在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：S·B·道斯，D·菲奧迪瑪娃，T·L·亨德，D·H·詹尼斯，
申請(專利權)人：康寧股份有限公司，
類型：發明
國別省市：美國;US