Способ изготовления заготовки оптического волокна

СООЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН ИЭОБ ИС АТЕНТУ ия) 1043 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(72) Такеси Синтани, Ацуси ЮцумиТадааки Сукава и Рийюдзи Кобаяси(71) Мицубиси Метал Корпорейшни Дайнити-Ниппон Кейблз, ЛТД (Яп( 54 ) ( 5 7) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА путем вводастержня из кварцевого стекла в трубкуиз кварцевого стекла с последующим нагревом комплекта до температурысплавления, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью улучшения качестваволокна, в зазор между стержнем итрубкой подают кислород и агент дляобработки поверхности стекла в газообразном состоянии, образуниций в присутствии кислорода вещество, имеющеетемпературу кипения или возгонки неболее, чем температура сплавлениякомплекта, и содержащий, по крайнеймере, один элемент из группы: бор,фосфор, галоген, сера, мьшьяк, фтор,причем содержание водорода в нем непревьшает 17.114592Изобретение относится к способам изготовления заготовок оптических волокон из силикатного стекла.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигае 5 мому результату является способ из" готовления заготовки оптического волокна путем ввода стержня из кварце" вого стекла в трубку иэ кварцевого стекла с последующим нагревом комплекта до температуры сплавления 111,Однако заготовки, полученные известным способом, имеют пустоты и инородные вещества. Эти пороки, осо" бенно пустоты, вызывают оптические потери, обусловленные рассеянием света, в полученном оптическом волокне.Целью изобретения является улучшение качества волокна. 20Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления заготовки оптического волокна путем ввода стержня иэ кварцевого стекла в трубку из кварцевого стекла с последующим нагревом комплекта до температуры снлавления в зазор меяду стержнем и трубкой подают кислород и агент для обработки поверхности стекла в газообразном состоянии, образующий в присутствии кислорода вещество, имеющее температуру кипения или возгонки не более, чем температура сплавления комплекта, и содержащий, по крайней мере, один элемент изгруппы: бор, фосфор, галоген, сера, 35 мышьяк, фтор, причем содержание водорода в нем не превышает 1 Е.Для изготовления оптических волокон со значительно уменьшенными нотерями на рассеяние стержни и трубки фпредпочтительно очищают перед их обработкой, например плавиковой .кислотой с последующей промывкой чистойводой. Такая обработка и промывКамогут быть выполнены в сочетании с ф 5ультразвуковой промывкой.Стержень вставляют в трубку п.пропускают средство для обработки поверх;,ности стекла и кислород через зазормежду стержнем и трубкой,нагреваемы"ми в сборе;при высокой температуре,в результате чего происходит обработка поверхностей стержня и трубки,(при низкой температуре поверхностине будут удовлетворительно обработаны) .Обработку поверхностей производятпри температуре около 700 С, предпочГ 3,гительно около 1000 С, а более предпочтительно около 1200 С. Температу-,ру обработки поверхностей выражаюткак температуру наружной поверхноститрубкиОбработка может быть проведена и при более высокой температурепри условии, если стержень и трубкане размягчены или деформированы, нопредпочтительными температурами являются температуры примерно до 1900 С,9поскольку более высокие температурымогут существенно изменить количество и распределение легирующего вещества (если оно есть) в стержне илитрубке.Собранный иэ стержня и трубки комплект может быть нагрет любым способом, например путем медленного возвратно-поступательного или повторного перемещения источника тепла, такого как кислородно в водородн пламя.параллельно центральной оси стержняс одновременным вращением комплектавокруг оси. Этот способ нагрева осо-.бенно предпочтителен при осуществлении предлагаемого способа. Источниктепла перемещают предпочтительно соскоростью примерно 10-500 мм/мин,а более предпочтительно 50-300 мм/мин,1 с одновременным вращением комплектасо скоростью примерно 10-100 об/мин, в результате чего трубка и стержень могут быть полностью нагреты до заданной температуры равномерно по окружности в том месте, где они нагреваются источником тепла.Средства, используемые для обработки поверхности стекла, должны удовлетворять следующимтребованиям: содержание в них водорода не должно быть более 1% по весу, вещества, образующиеся из них в присутствии кислорода при высокой температуре, должны иметь темпеРатуру кипения или возгонки не выше температуры, необходимой для сжатия трубы.При использовании агентов для обработки поверхности стекла с содержанием водорода более 1 Х по весу группы ОН во время обработки внедряются в противолежащие поверхности стержня и трубки, вызывая увеличенные потерй на поглощение и, следовательно затрудняя изготовление оптических волокон с малыми потерями.Чем ниже содержайие водорода в агенте для обработки поверхности стекла, тем меньше потери на поглощение, обусловленные присутствием групп ОН,3 1145923 Поэтому используемые согласно пред лагаемому способу агенты для обработки поверхности стекла предпочтительно имеют содержание водорода не более 0,17 по весу. 5Агенты для обработки поверхности стекла при нагревании до высокой температуры в присутствии кислорода не должны образовывать вещество с температурой кипения или возгонки бо лее высокой, чем температура, необходимая для сжатия трубки, так как в противном случае осевший на противолежащих поверхностях стержня и отрубки продукт остается на границе 15 разделамежду ними после .сжатия трубки и увеличивает количество дефектов и пятен с ненормальным показателем преломления на границе раздела, вызывающих повышенные потери на рассеяние. Таким образом, продукт должен быть почти полностью испарен, по крайней мере, пока трубку сжимают путем подвода тепла.Температура, необходимая для сжа тия трубки - это температура, при которой трубку сжимают для обеспечения термического сцепления стержня и трубки друг с другом (для силикатного стекла - примерно 1900-2300"С)".Для полного испарения продукта используют такие агенты для обработки поверхности стекла, которые даютпродукт, имеющий температуру кипения или возгонки более низкую, чем темпе-З35 ратура сжатия, например, по крайней мере, на 200 С.Проведенные исследования показали, ,что отсутствие дефектов на границе раздела между стержнем и трубкой пос 40 ле обработки их поверхностей предлагаемым способом обусловлено следующими причинами. 50 55 При пропускании агента для обраоотки поверхности стекла в виде газа и кислорода через зазор между стержнем и трубкой, нагреваемыми при высо- кой температуре, вещество, только что образовавшее в присутствии кислорода при высокой температуре, равномерно внедряется в противолежащие поверхностные слои стержня и трубки вследствие диффузии, растворения, химической реакции со стеклом и т.д., в результате чего тонкий поверхностный слой стержня и трубки модифицируется в спой стекла, содержащий это всщество (продукт). Следовательно,модифицированные поверхностные слои стержня и трубки приобретают богее близкое химическое сродство друг с другом или пониженную вязкость, и при сжатии трубки после обработки поверхностей получается удовлетворительная поверхность раздела, свободная от дефектов, таких как пустоты, вызывающих потери на рассеяие.Кроме того, некоторые виды агентов для обработки поверхности очища - ют противолежащие поверхностные слои стержня и трубки в соответствии с иным механизмом действия.При этсм механизме действия вещество, образованное из агента для обработки поверхности на нагретом участке комплекта, нагреваемого движущимся источником тепла, не осаждается на нагретом участке, а проходит дальше, к низкотемпературному участку, где и осаждается на поверхностях стержня и трубки. При этом постор и нее вещество, если оно есть на поверхности, заключается в осадок. К да движущийся источник тепла достигает низкотемпературного участка,продукт на поверхностях под воздействием высокой температуры испаряется, в результате чего постороннее вещество также отделяется от поверхности под воздействием давления при испарении продукта и уносится вместес паром вниз по направлению двнжения, Вместе с перемещением источникатепла это явление повторяется и постороннее вещество постепенно перемещается по направлению движения вниз, в результате чего оно в конечном итоге удаляется с поверхностей стержня и трубки.Некоторые другие типы средств для обработки поверхности очищают противолежащие поверхностные слои стержня и трубки, оказывая на них травящее деиствие, в результате чего получаются чистые поверхностные слои, которые приобретают химическое сродстводруг с другом вследствие внедрениявеществ. Поскольку обработку поверхностей осуществляют в соответствии с предлагаемьпд способом путем пропускания газообразного агента для обработки поверхности стекла в сочетании с кислородом, то предпочтительно, чтобыиспользуемые агенты для обработки поверхности стекла имели такое давление11459пара, при котором онн способны течьв виде газа т.е, смешиваться притемпературе обработки поверхностейс кислородом. Кроме того, если средства для обработки можно транспортировать в смеси с кислородом при низких температурах, то трубопровод длягазовой смеси можно легко теплоизолировать, чтобы предотвратить отпотевание. С этой точки зрения предпочтительно испольэовать агенты для обработки поверхности, имеющие достаточное давление пара при низких температурах, а более конкретно - по крайнейиере 10 мм рт.ст, при 300 С. 15Гак как вещество, образующееся изагента для обработки поверхности,внедряется при обработке поверхностей в соответствии с предлагаемымспособам в стержень и трубку, то нежелательно, чтобы средство для обработки поверхности содержало элемент,проявляющий характерное свойствс поглощения при длине волны (или близкой к ней) света, подлежащего про Лпусканию через полученное оптическоеьолокно,Если агенты, используемые для обработки поверхности стекла, удовлетворяют указанным выше требованиям, тоЗОих элементарный состав и химическуюструктуру особенно не ограничивают.Предпочтительно использовать та.кие агенты для обработки поверхностистекла, которые дают продукты, способьые стабильно, находиться в силикатных стеклах стержня и трубки, например стекломодифицнрующие окислы,которые не обладают способностью кстеклообразованию, но могут стабиль Оно находиться в каркасе стекла, кудаих вводят для модификации характеристик стекла.Конкретными примерами агентов дляобработки поверхности стекла. являют- ;45сЯ ВР, ВС 1 , ВВг , ВЛ 1, ВНРЗ, ВНС 1 г,В(СНО), и подобные соединения бора,РС 1 з, РВгп, РЗг, РР, РС 1, РВг,РЗ, РР-, РС 5, РВх, РЗ 5 и подобныегалоидные соединения фосфора", РОС 1 5 Ои подобные хлорокиси фосфора, (РМС 1 г),(РБС 1 г ) (РИС 1)г (РИСг)ф, (РЮС 1,)и подобные фосфонитрилхлориды, АзР,АзС 1, АеВг, АзР и подобные галоидные соединения мышьяка, ЯЬР, ЯЬС 1 з,55. ЯЬВг, ЗЬР, БЬС и подобные галоид-ные соединения сурьмы," ЯР БС 1 гЯг Вгг,ЯР, ЯС 8 у ЯР, ЯР и. подобные 2 Э бгалоидные соединения серы, ЯОг, и подобные соединения серы, БОРг, ЯОС 1,ЯОВг, ЯОРг, БО СКг, БОг(ОН)Р,ЯгО СК, БОг (ОН)С 1, БО(ОН)Р и подобные оксигалоидные соединения, БеР,ЯеР, ЯеС 1 г, БеС 1, БеВгг, БеВг 4 иподобные галоидные соединения селена,СС 1 гР, СС 11 Р, СС 1 Р и подобные углеродистые хлорофтористые соединения,СР,СС 1 ь,СВгг,и подобные углеродныечетырехгалоидные соединения; РО,С 1 гО, С 10 и подобные галоидные соединения кислорода С 1 Р, С 1 Р., ВгГ,ВгР и подобные соединения галогенов,С 1, Р, Вг и подобные галогены ит.д. Эти соединения могут быть использованы поодиночке или в виде смеси, по крайней мере, двух из них.Вещества, имеющие содержание водорода вьппе 17. по весу, должны бытьсмешаны с другими веществами, Однакосодержание водорода в смеси должнобыть не выше 1 Е по весу.Предпочтительно в качестве средствдля обработки поверхности стекла использовать ВС 1, ВР, ВВг 5, РС 1,РР 3 РОС 2, ССМгРю, ССРА, Р 1, БРи т.д.Агент для обработки поверхностистекла подают в виде газа к зазорумежду стержнем и трубкой в смеси скислородом в соотношении предпочтительно 0,1-200 ч. (здесь и ниже -по объему) более предпочтительно0,5-100 ч. особенно предпочтительно1-50 ч средства для обработки на100 ч кислорода.Удовлетворительные результаты могут быть получены путем обработки тонких поверхностных слоев стержня и трубки, Время, необходимое для обработки поверхностей, изменяют в зависимости от общего давления и расхода газовой смеси обрабатывающего средства с кислородом, концентрации обрабатывающего средства в смеси, и т,д., причем, чем вьппе общее давление и расход и вьпце концентрация средства, тем короче время, обработки. При использовании газовой смеси, содержащей около О, 1-1000 ч, обрабатывающего средства на 100 ч кислорода, при общем давлении примерно 100-5000 мм рт.ст. и расходе примерно 20-5000 мл/мин в сочетании с движущимся источником тепла источник тепла перемещают повторно или возвратно-поступательно требуемое число раз (обычно 1-100 раз)1145923 со скоростью в упомянутых ранее пределах.При использовании других нагревательных средств, например неподвижного типа, таких как электрическаяпечь, в которой собранный комплектнагревают целиком, обработку поверхностей проводят в течение времени,эквивалентного общему времени, в течение которого собранный комплект нагревают посредством упомянутого вы.ше подвижного источника тепла притемпературе, достаточной для обработки поверхностей.При осуществлении предлагаемогоспособа предпочтительно используютгазовую смесь, содержащую примерно0,5-200 ч., а более предпочтительнопримерно 0,5-100 ч. обрабатывающегоагента на 100 ч. кислорода, при общем давлении примерно 500 - 1000 мм рт, си расходе примерно 50-2000 мл/минв сочетании с подвижным источникомтепла, причем источник тепла перемещают со скоростью в упомянутых ранеепределах 1-20 раз.,Стержень и трубку с обработанными поверхностями соединяют затемдруг с другом обычным образом, например, нагребая трубку примернопри 1900-2300 С кислородно-водород.ным пламенем или подобным источникомтепла при одновременном вращениистержня и трубки, расположенных концентрично относительно друг друга,с тем чтобы сжать трубку, воздействуя на нее теплом и пламенем, иобеспечить термическое сцеплениетрубки со стержнем. Таким образом может быть изготовлена заготовка дляполучения оптического волокна.Из заготовок, изготовленныхпредлагаемым способом, могут бытьполучены оптические волокна обычнымспособом, например вытягиванием заготовки со скоростью примерно 10100 м/мин до наружного диаметра примерно 100-200 мкм при одновременномнагреве заготовки в электрическойцепи,Стержень и трубка, подвергнутыеобработке поверхностей в соответствии с предлагаемым .способом, могутбыть удовлетворительно соединеныцруг с другом, в результате чегополучают заготовку оптического вопокна, иивющую значительноменьшедефектов на границе раздела,чвм заготовка, полученная известным способом.В П р и и е р 1. Подготавливаюттрубку длиною 80 см с внутреннимдиаметром 15,4 мм, состоящую из не. сущей трубки нэ силикатного стеклас пз =1,4585, имеющую наружный диаметр 20 мм и толщину 1,5 мм. Плакирующий слой толщиною 0,8 мм образован на внутренней поверхности несущей трубки и состоит из силикатного 10 стекла с по =1,4485, легированногобором и фтором. Трубку используют.сразу же после подготовки.Стержень с наружным диаметром8 мм, изготовленный из силикатного 1 стекла высокой чистоты (п =1,4585),промывают по поверхности ЗОБ-ной(по весу) плавиковой кислотой, затемосновательно промывают в чистой водес использованием ультразвука и встав ляют концентрично в трубкуВ зазор т вмежду стержнем и трубкой непрерывноподают с расходом 800 мл/мин смеськислорода с газом 3 С 11"при 0/ВС 1==800/20 (здесь и ниже - объемное 25 соотношение) и общем давлении760 мм рт.ст. при комнатной температуре с одновременным вращением стержня и трубки вокруг центральной оси соскоростью 60 об/мин. Одновременно сэтим, чтобы нагреть собранный комплект с целью обработки поверхностейпараллельно трубке перемещают возвратно-поступательно 10 раз со ско, ростью 100 мм/мин кислородно-водородное пламя. Наружная поверхность трубки на участке, где она нагрета пламенем, имеет температуру около 1500 .С,которую измеряют с помощью инфракрас- .ного термометра.В40 , При непрерывном одновременном вращении стержня и трубки вокруг оси соскоростью 60 об/мин после обработкиповерхностейтрубку нагревают кислородно-водородным пламенем до 2000 С, 4 что обеспечивает ее сжатие, в результате чего получают промежуточную заготовку с наружным диаметром 17 мм.Для корректировки наружного диаметра на промежуточную заготовку наф девают трубку из свликатного стеклас наружньщ диаметром 25 мм толщиною1,5 мм, после чего трубку сжимаюттак, как описано выше, и получают заготовку оптического волокна, имеющую:наружный диаметр 20,5 мм. Заготовкузатем сплавляют кислородно-водородным пламенем до откорректированногонаружного диаметра 20 мм.9 1145923После этого заготовку вытягивают со скоростью 30 м/мин с одновременным нагреванием ее при 2000 С в печи сопротивления, в результате нолу,чают оптическое волокно с диаметром сердцевины 60 мкм, толщиной плакиру" ющего слоя 15 мкм и наружным диаметром 150 мкм. Волокно йредварительно покрывают уретановой смолой, а затем поверх предварительного слоя покрывают защитным слоем найлова. Указанным образом наружный диаметр оптического волокна доводят до 0,9 мм.Полученное оптическое волокно характеризуется очень низкими, потерями (см.таблицу).Потери на рассеяние определяют из характеристической кривой потерь в-н соответствии с методом индикации Я при котором величину, обратную четвертой степени длины Я волны откладывают по оси абсцисс, а полные потери (дВ/км) в волокне - по оси ординат, причем принимают в качестве потерь на рассеяние полные потери 25 (дВ/км) при бесконечно большой длине волны, которую определяют путем экстраполирования линейного участка кривой в диапазоне длин волн от 0,65- 0,85 мкм до бесконечно большой длины волны. Такое значение потерь,не зависит от длины волны, и его обычно принимают за показатель потерь на рассеяние,П р и м е р ы 2-8 и сравнитрльныез 5 примеры 1-3, Повторяют описанные в примере 1 операции по изготовлению заготовок и оптических волокон, однако средства для обработки поверхнос-. ти стекла смешивают с кислородом в других соотношениях (см.таблицу) и, кроме того, в сравнительном примере 1 не проводят обработку поверхностей. 1 Потери оптического волокна, дВ/км Пример при длиневолны 0,85 мкм на рассеяние О /ВС 1 =800/20О/ВГз =800/200/ВГз =800/2000/ВВг =800/50 2,6 0,4 0,6 2,9 0,7 Срецство для обработкиповерхности стекла иотношение кислорода кэтому средству Стержни и несущие трубки, имеющие плакирующий слой, по размерам и показателю преломления анапогичны использованным в примере 1.В сравнительном примере 2 вещество, образовавшееся при обработке поверхностей, остается на границе раздела между стержнем и трубкой (не испаряется при сжатии трубки).Характеристики потерь изготовленных оптических волокон приведены в таблице.П р и м е р ы 9 - 14 и сравнитель- . ные примеры 4-6, Повторяем описанные в примере 1 операции по изготовлению заготовок и оптических волокон, однако плакирующий слой выполняют из легированного бором силикатногогастекла с и =1,4510, и средства для обработки поверхности стекла смешивают с кислородом в других соотношениях (см,таблицу).В сравнительном примере 5, как и в сравнительном примере 2, вещество, образовавшееся при поверхностной об - работке, остается на границе раздела между стержнем и трубкой.Квоме того, в сравнительном примере 6 имеет место неудовлетворительное термическое сцепление трубки со стержнем во время сжатия вследствие осаждения БпО.Характеристики потерь изготовленных оптических волокон привецены в таблице.Как видно из таблицы, оптические волокна, изготовленные по примерам 1- 14, имеют более низкие потери на рассеяние, чем оптические волокна, изготовленные по сравнительным примерам 1-6, т.е. при использовании предлагаемого способа достигается удовлетворительное соединение стержня и трубки.12 1145923 Продолжение табпицы 1 Средство для обработкиповерхности стекла иотношение кислорода кэтому средству Пример при длиневолны 0,85 мкм на рассеяние 0,7 2,9 0,5 2,7 б 0,9 О /БОС.=800/200 0,8 3,0 О /ССХ Г =800/200 0,3 Ог /СГо =800/200О/БГ 6 =800/20002 /Г =800/50О /ВСУЗ /ССХ 2 Г =800/50/100 О /ССЙ Г /АзГ =800/100/50 0,4 2,6 10 0,6.2,9 0,8 3,0 13 0,7 1,0 3,2 Сравни- тельный 5,5 7,8 Без обработки поверхности О /ЯдС 1 /ВС=800/150/3002 /ВНз =800/200 6,7 9,0 Увеличенные 7,5 потери на поглощение изза наличия ОН 4,7 6,9 80 Составитель Н.ИльиныхРедактор Л.Веселовская Техред Л.Кощобняк Корректор С.Шекмар Заказ 1201/45 Тираж 457 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и .открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5