光纖預制件和由初級預制件制造此類光纖預制件的方法
【技術領域】
[0001 ]本發明的領域在于光纖的設計和制造。
[0002] 本發明適用于光纖預制件的制造，特別是單模纖維的制造。
[0003] 本發明涉及光纖預制件和由初級預制件制造此類光纖預制件的方法。
[0004] 本發明特別適合于使用等離子體外部沉積(plasma outside deposition)的光纖 預制件的制造技術。
【背景技術】
[0005] 以常規方式，光纖制作步驟包括獲得初級預制件（或芯棒（core rod))，包覆 (overcladding)初級預制件以形成光纖預制件，和將光纖預制件拉伸(drawing)為纖維。
[0006] 存在通常用于制造光纖制作用預制件的多種方法，如用于獲得初級預制件的基管 (substrate tube)內部的氣相軸向沉積法(Vapor Axial Deposition)(VAD)或化學氣相沉 積法(CVD)，接著用于包覆的外部氣相沉積法(0VD)、增強式等離子體氣相沉積法(APVD)、或 用玻璃管套筒(sleeving)。
[0007] 以已知方式，初級預制件可通過下述來獲得:在安裝于玻璃工作車床上的管內的 摻雜和/或未摻雜二氧化硅玻璃層的化學氣相沉積，在化學氣相沉積之后進行徑向收縮 (col lapsing)操作以形成固體初級預制件(或芯棒）。
[0008] 然而有利的是在纖維拉伸期間，將通常為天然或合成的二氧化硅的材料添加至初 級預制件的外周以增加其直徑，從而獲得幾百公里長的連續纖維。也稱為包覆或裝配 (building-up)操作的該沉積操作可通過外部氣相沉積法或增強式等離子體氣相沉積法來 實行。
[0009] 增強式等離子體氣相沉積工序由以下組成:通過等離子體炬將二氧化硅粉末沉積 至初級預制件（即玻璃芯棒)和逐層生長二氧化硅。初級預制件為棒狀并且在其等離子體填 充二氧化硅顆粒(grains)的炬前沿旋轉軸旋轉。經由炬熔融二氧化硅顆粒，然后投射并玻 璃化(vitrified)為初級預制件。沉積操作后獲得的預制件的直徑為覆蓋在初級預制件上 的二氧化硅層數的函數。
[0010] 天然二氧化硅作為原料的使用導致一些缺陷。事實上天然二氧化硅，即使精制為 非常純的級別，仍以每份百萬分率(ppm)水平包含微量的堿元素 (alkali elements)如鋰 (1^)或鈉(他)或者微量的錯(厶1)。
[0011] 如果堿元素存在于纖維玻璃結構中，當將其放在含有氫氣(?)的氣氛下其衰減可 劣化。纖維對暴露至氫氣(H2)的敏感度通過在短時間（例如72小時）的期間使用高溫(例如 70°C)高壓(例如lObar)氫氣的加速老化試驗來評價。這些試驗能夠評估在常規條件下利用 幾十年后的纖維行為。作為暴露至氫氣(?)的結果，在玻璃結構中出現Si-ΟΗ或Ge-ΟΗ的化 學缺陷。
[0012] 此類鍵在某些波長下是吸收性的，從而增加光纖在所述波長下的衰減損失。
[0013] 作為堿金屬或堿元素，應當了解元素周期表的第I族金屬由以下組成:鋰(Li)、鈉 (Na)、-(K)、_(Rb)JMCs)、- (Fr)。
[0014] 減少存在于沉積在初級預制件上的二氧化硅層中的堿元素量的已知手段，如美國 專利文獻US 6 477 864或US 6 269 633中所述，由以下組成:在進行包覆步驟期間，通過將 與載氣混合的氟(F)化合物或氯(C1)化合物引入至等離子體(其為化學反應的場所(seat)) 來精制天然二氧化硅。包含于二氧化硅顆粒的鋰(Li)或鈉(Na)與氟化合物或氯化合物反 應，導致以氣相形式釋放氟化物NaF或LiF或者氯化物NaCl或LiCl。所用的精制元素可為 SF6-系氣體(氟）、C2F6-系氣體(氟）、C12-系氣體(氯）。
[0015] 盡管此類溶液能夠減少已沉積的二氧化硅中的鋰(Li)或鈉(Na)的濃度，然而對于 給定的操作條件無法給出在用于沉積的天然二氧化硅的不同生產批次之間充分穩定的纖 維性質。這導致操作的再現性問題。特別地，對于由已知技術獲得的單模光纖，在1550nm波 長下測量的衰減（即纖維的輸入和輸出之間光的損失量)和對抗氫老化的耐久性可在期望 的范圍之外(本說明書）。在已沉積的二氧化硅中的Li或Na的低濃度改進光纖對抗氫老化的 耐久性，但是劣化光纖的衰減。因此此類已知的手段不是最佳的。
【發明內容】
[0016] 本發明，在至少一個實施方案中，特別地旨在克服現有技術的這些不同的缺陷。
[0017] 更具體地，本發明的至少一個實施方案的目的在于提供給由該預制件(拉伸之前） 獲得的光纖賦予光學特性的充分權衡的光纖預制件。
[0018] 本發明的至少一個實施方案的另一目的在于提供確保減少的纖維衰減和對抗氫 老化的良好耐久性二者的光纖預制件。
[0019] 本發明的至少一個實施方案的另一目的在于提供容易制造且成本小的光纖預制 件的制造技術。
[0020] 本發明的至少一個實施方案的另一目的在于提供保證精制天然二氧化硅工序的 改進的控制并確保滿足纖維規格的技術。
[0021] 發明的內容
[0022] 本發明的具體實施方案提出包括初級預制件和圍繞所述初級預制件的至少一個 精制二氧化娃系包覆層(overclad layer)的光纖預制件，所述至少一個精制二氧化娃系包 覆層(purified silica-based overclad layer)包括鋰和錯，并且鋰濃度[Li]與錯濃度 [A1]之間的比滿足下述不等式：
[0023] 1.10-[Li]/[A1] <20.10-3
[0024] 通常原理為提供包括顯示出對鋰濃度和鋁濃度二者起作用的精制比的一個或多 個精制二氧化硅系包覆層的光纖預制件。由根據本發明的光纖預制件獲得的光纖提供光學 性質、特別是纖維衰減與對抗氫老化的耐久性之間的充分權衡。
[0025] 對于本領域技術人員，該方法更加令人驚訝的是對鋁濃度起作用不應當如預期對 光學性質具有太多的影響。本發明人發現鋁和鋰(盡管不屬于相同的材料族)緊密相關。已 觀察到當包覆層中鋰的量生長時，纖維衰減減少，對抗氫老化的耐久性在有鋁污染的情況 下更好而不是堿污染。
[0026] 盡管現有技術的解決方案基本上導致堿元素污染在包覆層中的減少，但是本發明 依賴于利用鋰濃度與不屬于堿元素(元素周期表的第I族）的鋁濃度之間的特定比的完全新 穎創新的方法。
[0027] 根據具體特征，鋰濃度[Li]與鋁濃度[A1]之間的比滿足下述不等式：
[0028] 4.10-[Li]/[A1] < 10.10-3
[0029] 因此在保持對抗氫老化的良好耐久性的同時，進一步減少纖維衰減。
[0030] 根據具體特征，鋰濃度[Li]與鋁濃度[A1]之間的比滿足下述不等式：
[0031] 4.10-[Li]/[A1] <6.10-3
[0032] 在保持對抗氫老化的良好耐久性的同時，更多地減少纖維衰減。
[0033]根據另一具體實施方案，提出由前述光纖預制件在其任何不同的實行中制得的光 纖。
[0034] 根據另一具體實施方案，提出由初級預制件制造光纖預制件的方法，其包括下述 步驟：
[0035] -通過將天然二氧化硅粉末注射至由等離子體源提供的等離子體使至少一個二氧 化娃系包覆層沉積在初級預制件上，
[0036]-將精制氣體(purifying gas)注射至等離子體以與鋰反應，
[0037] 所述方法的特征在于，其進一步包括調整至少一種精制氣體注射參數的步驟以使 沉積在初級預制件上的所述至少一個二氧化硅系包覆層具有滿足下述不等式的鋰濃度 [Li]與鋁濃度[A1]之間的比：
[0038] 1.10-[Li]/[A1] <20.10-3
[0039] 因此在天然二氧化娃在初級預制件上的沉積步驟期間，調節(tune)至少一種精制 氣體注射參數以獲得其給出穩定的光學纖維性質的精制光纖預制體，不需要管用于沉積的 天然二氧化硅批次。
[0040] 盡管鋁污染改進對抗氫老化的耐久性，但是鋰污染導致纖維衰減減少。因此，與現 有技術的方法相反，根據本發明的方法保證更好的再現性并確保纖維衰減與對抗氫老化的 耐久性之間的良好的權衡。
[0041] 根據具體特征，鋰濃度[Li]與鋁濃度[A1]之間的比滿足下述不等式：
[0042] 4.10-[Li]/[A1] < 10.10-3
[0043] 根據具體特征，鋰濃度[Li]與鋁濃度[A1]之間的比滿足下述不等式：
[0044] 4.10-[Li]/[A1K6.10-3
[0045] 根據具體特征，該方法進一步包括控制沉積在初級預制件上的所述至少一個二氧 化硅系包覆層中的鋰濃度[Li]和鋁濃度[A1]的步驟，所述調整至少一種精制氣體注射參數 的步驟進行為所述控制步驟的結果的函數。
[0046] 可經由例如能夠實時測量包含于沉積在初級預制件上的二氧化硅層的堿元素的 濃度的測量傳感器進行該控制步驟。
[0047] 根據具體特征，該方法進一步包括往等離子體中注射調整為所述控制步驟結果的 函數的鋰量的步驟。
[0048] 鋰污染導致纖維衰減減少。可經由精制氣體至等離子體的受控注射(例如，作為精 制氣體流速的函數）以使該比滿足上述不等式的至少之一來調整鋰量。這可經由初始二氧 化硅中鋰的專用額外注射管或添加來實現。
[0049] 根據具體特征，該方法進一步包括往等離子體中注射調整為所述控制步驟結果的 函數的錯量的步驟。
[0050]對與鋰濃度相關的鋁濃度起作用的事實導致更好地控制所制造的纖維的光學特 性。鋁污染改進對抗氫老化的耐久性。
[0051 ]根據具體特征，所述至少一種精制氣體注射參數包括精制氣體流速。
[0052]滿足前述不等式的至少之一是簡單有效的方式。
[0053]有利地，將所述精制氣體流速設定為0至5000標準立方厘米每分鐘，更特別地為0 至800標準立方厘米每分鐘。
[0054] 根據具體特征，所述精制氣體屬于包括以下的組：SF6、C2F6、Cl 2、CF4、NF3、CF3C1、 C2CI3CF30
[0055] 應注意該列表不是窮盡的。
【附圖說明】
[0056] 通過指示性且非窮盡的實施例和附圖給出的下述描述將出現本發明的實施方案 的其它特征和優點，其中：
[0057] -圖1提供在本發明的應用中制造的光纖預制件的實例的示意圖；
[0058] -圖2提供說明根據本發明的具體實施方案的光纖預制件的制造方法的實行的圖 式；
[0059] -圖3圖示地描述作為精制化合物流速的函數的堿元素精制產量；
[0060] -圖4圖示地描述在72小時期間并且在70°C溫度下暴露至lObar壓力的純氫之后的 光纖在1385nm波長下的老化，其為G652d單模纖維用