[发明专利]一种光纤预制棒包层掺氟的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤预制棒的制造方法，特别是涉及一种光纤预制棒包层掺氟的方法。

背景技术

光纤预制棒为拉制光纤的原材料，其基本结构包括芯层以及具有更低折射率的包层（包层还可包括内包层、外包层）。SiO₂是用来制造光纤预制棒的主要的玻璃形成体，通过掺杂可以改变其折射率从而形成波导结构。一般在芯层中掺入GeO₂，使芯层的折射率高于包层纯石英玻璃的折射率。芯层和包层折射率的相对差值采用相对折射率差Δ来表示，芯层和包层的折射率分别为                                               和，相对折射率差Δ的值由式（1）给出：

…………（1）

有时为了增加光纤的抗弯曲性能，需要通过增加光纤芯层中的GeO₂含量来增大Δ值。但随着GeO₂含量的提高，会导致光纤瑞利散射的增加。如果掺入的GeO₂含量过高，就容易形成GeO气体，随之产生气泡。这对于最终光纤的传输性能和强度都是不利的。由于上述原因，可以通过降低包层的折射率来提高Δ值。掺入B₂O₃和氟都可以降低包层的折射率。然而，B₂O₃在1.2μm存在较大的拖尾吸收，不利于损耗的降低，因此，最好采用掺氟来降低包层的折射率。为了获得同样的相对折射率差Δ，通过包层掺氟，可以减少芯层的GeO₂含量甚至不掺GeO₂，从而进一步减小因掺杂而导致的瑞利散射。

目前制造光纤预制棒的方法包括管内法（MCVD和PCVD）以及管外法（VAD和OVD）。管外法不受衬管尺寸的限制，沉积速度快，生产效率高，适合于大尺寸光纤预制棒的规模化生产。已经知道，采用火焰水解法可以将气态含氟化合物在沉积时加入石英玻璃中，但该方法存在沉积效率和掺杂浓度低的缺点。其原因可能为：首先，含氟的SiO₂颗粒并不是在喷灯火焰中马上生成的，而是随着氟从喷灯到预制棒松散体迁移的过程中扩散进入SiO₂颗粒的。扩散需要一定的时间，同时由于进入火焰反应的氟容易扩散到周围环境中导致SiO₂颗粒周围的氟分压非常低。其次，SiO₂颗粒周围的一部分氟与火焰中的OH^-反应生成HF，因此仅有少部分的氟掺入到了SiO₂颗粒中。此外，HF对玻璃颗粒具有腐蚀作用，容易与火焰水解反应生成的SiO₂颗粒反应：

SiO₂（s）+2HF（g）→SiOF₂（g）+H₂O（g）…………（2）

SiO₂（s）+4HF（g）→SiF₄（g）+2H₂O（g）…………（3）

式中的（s）和（g）分别表示固态和气态。

这些反应阻止了SiO₂颗粒的生长，同时降低了SiO₂颗粒的沉积量。因此，随着含氟化合物流量的增加，沉积效率和沉积速度逐步降低，最终将不产生沉积。另一方面，由于氟的高扩散性，沉积得到的含氟松散体在烧结过程中，将流失40%-50%的氟，使折射率剖面结构遭到破坏，严重影响拉制后光纤的性能。

为了解决上述问题，公开号为US2003/0101771 A1的美国专利申请公开了一种光纤预制棒松散体沉积时掺氟的方法：预先采用气相沉积法沉积好松散体，然后将氟化物气体通过喷灯火焰燃烧形成含氟气体喷射到松散体上形成含氟气氛，此时喷灯中不通入含硅化合物，避免生成SiO₂颗粒。含氟气体通过扩散进入松散体实现掺杂。这种方法存在以下问题：由于喷灯是从一个方向将含氟气体喷向松散体的某个部位，难以保证氟掺杂的轴向和径向均匀性。虽然该专利提出采用多个喷灯以及利用开口罩和加热的方法提高掺氟的均匀性，仍可能存在氟含量在轴向和径向上的波动。此外，含氟松散体烧结时氟也会发生扩散而流失。