CN100345783C - 生产光纤用预制件的方法 - Google Patents

Abstract

在一种已知的用于生产光纤用坯模的方法中，在一纤芯玻璃圆柱体上产生一种包络玻璃的掺氟SiO₂，上述纤芯玻璃圆柱体绕其纵向轴旋转，其中将一种起始物质进给到一个等离子体燃烧器，上述起始物质然后在用于等离子体燃烧器的等离子体火焰中氧化，以便得到SiO₂微粒，SiO₂微粒在氟存在下于纤芯玻璃圆柱体的圆柱体包络面上沉积若干层，并烧结成包络的玻璃。本发明旨在提供一种根据上述方法建立的一种经济的方法，以便生产一种坯模，从所述的坯模可以得到多模光纤(52)。与按标准方法生产的光纤(51)相比，上述多模光纤(52)其特征在于在UV波长范围内高起始传输和良好的耐暂时UV辐射，更具体地说，在210-300nm波长范围内的UV辐射。按照本发明，利用一种辐射紫外光的等离子体火焰来在纤芯玻璃上形成和沉积SiO₂微粒，上述紫外光具有波长为214nm，强度为至少0.9μW-根据等离子体火焰强度测量确定。

Description

生产光纤用预制件的方法

技术领域

本发明涉及一种方法，所述方法通过在一个纤芯玻璃圆柱体上生产一种掺氟的SiO₂包层玻璃层来生产光纤用的预制件，上述纤芯玻璃圆柱体绕其纵向轴旋转，其中一个等离子体燃烧器加有一种含硅的起始物质，上述始起物质在用于等离子体燃烧器的等离子体火焰中氧化，以便得到SiO₂微粒，及于氟存在下将SiO₂微粒在纤芯玻璃圆柱体的圆筒形外表面上沉积成若干层，并烧结成包层玻璃。

背景技术

在DE 25 36 45 7 A1中介绍了这种用于生产光纤用预制件及通用预制件的方法。为了生产预制件，提供一种未掺杂的石英玻璃制的纤芯玻璃圆柱体，并将掺氟的石英玻璃沉积在上述纤芯玻璃圆柱体的圆筒形表面上作为一个包层玻璃层。为了生产包层玻璃层，使用一种感应耦合等离子体燃烧器并加有一种不含氢的硅化合物和氧的气流。此外，将一种含氟化合物加入用于等离子体燃烧器的等离子体火焰中。含氟的SiO₂微粒在等离子体火焰中由若干起始物质形成。这些起始物质成若干层沉积到绕其纵向轴旋转的纤芯玻璃圆柱体上，并直接烧结到纤芯玻璃层上，同时形成一种含氟SiO₂包层玻璃层。

上述用于生产光纤用预制件的方法也叫做“POD(等离子体外部沉积)法”。纤芯玻璃圆柱体通常是通过氧化作用或是通过含硅起始物质的火焰水解反应用一些方法生产，所述一些方法一般已知各为VAD(汽相轴向沉积)法，OVD(外部说明沉积)法，MCVD(改进化学汽相沉积)法和PCVD(等离子体化学汽相沉积)或者也叫做PECVD(等离子体增强化学汽相沉积)法。纤芯玻璃圆柱体多半时间都由未掺杂的石英玻璃构成，但也可以含有改变折射指数的掺杂剂。

光纤是通过用牵伸法使预制件伸长得到。上述光纤尤其是用于高能紫外辐射的传输，例如用于光谱、医疗或生产半导体部件的光刻应用。相应的设备和机器经常装备有准分子激光器，所述准分子激光器发射波长为248nm(KrF激光器)或193nm(ArF激光器)的高能脉冲式激光辐射。

在190nm和250nm之间波长范围内的短波UV辐射可能在光纤的石英玻璃中产生引起吸收的缺陷。各种损坏机制及其进展已有说明。石英玻璃光纤经常显示在辐照开始处传输逐渐下降。传输下降到一个“平稳值”，即使在延长辐照期间传输也不会从上述“平稳值”改变。这种效应叫做“光致降级”。缺陷形成和光致降低的程度取决于各个石英玻璃的品质，上述品质主要是由结构性能如密度、折光指数分布、均匀度和化学组成等限定。这里一个重要参数是所谓的“先驱物中心”数。

把这些看成是缺陷，所述缺陷存在于预制件的石英玻璃基体或已处于开始时的光纤中，并导致在持续UV(紫外线)辐照期间吸收(感应吸收)升高。现已发现，在已知方法中，可能由于等离子体火焰的UV部分，在UV波长范围内产生一种感应吸收，上述感应吸收可能导致光纤低的初始吸收，及在沉积包层玻璃层期间于纤芯玻璃圆柱体中还产生大量“先驱物中心”，这些中心导到光纤中光致降级增加。因此，按照已知方法生产的预制件经常导致由其牵伸的光纤对短波UV辐射的不利性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种经济的方法，所述经济的方法用于生产一种预制件，光纤可以由上述预制件得到，上述光纤在UV波长中具有高初始传输和高耐短波UV辐射。

针对上述目的，本发明提供一种方法，用于通过在纤芯玻璃圆柱体上生成掺氟的SiO₂包层玻璃来生产光纤用的预制件，上述纤芯玻璃圆柱体绕其纵向轴旋转，其中等离子体燃烧器被喂以一种含硅的起始物质，上述物质在分配到等离子体燃烧器的等离子体火焰中氧化以得到SiO₂微粒，而该SiO₂微粒在氟存在下成若干层沉积在纤芯玻璃圆柱体的圆筒形外表面上并烧结成包层玻璃，其特征在于，利用等离子体火焰在纤芯玻璃圆柱体上形成和沉积SiO₂微粒，根据等离子体火焰强度测量确定，上述等离子体火焰以至少为0.9μW的强度发射波长214nm的紫外光。

产生等离子体火焰用于在纤芯玻璃圆柱体上形成和沉积SiO₂微粒，等离子体火焰在波长214nm处发射一最小紫外辐射强度为0.9μW。用于测量紫外波长范围内等离子体火焰强度的合适方法在技术文献中还没有开始。为了能定量确定等离子体火焰所发射的UV辐射，因此研究出一种方法，所述方法的测量装置和测量条件将在下面参照图3进一步加以说明。这种测量方法下面也叫做PFI(等离子体火焰强度测量)法。

如所预料的，根据这种等离子体火焰强度测量发现，所发射的UV强度随着加到等离子体中的功率增加而增加。在以前的POD方法中，上述波长UV辐射的强度通常为约0.8μW。现已发现，增加等离子体火焰短波UV辐射强度产生预制件，光纤用上述预制件牵伸而成，上述光纤其特征在于，在UV范围内一种高起始传输，及与高能UV辐射相比具有更好的损坏性能。

对这种意想不到效果的一种可能解释是，由于在波长214nm处高的UV辐射，所以开始形成缺陷，所述缺陷从纤芯玻璃圆柱体的表面到内部减少。所涉及的缺陷是在UV范围内产生吸收(感应吸收)的缺陷，并且还有“先驱物”缺陷。这些缺陷本身产生一种在波长214nm范围具有极大值的吸收，上述吸收在近表面区中尤其有效。因此这样生产的纤芯玻璃圆柱体的“本征吸收”减少了等离子体火焰高能UV光的进一步作用，以致减少了损坏的UV辐射渗入纤芯玻璃圆柱体的中心层，在此处形成缺陷和先驱物缺陷尤其关键。重要的是，纤芯玻璃圆柱体通过这种尤其是在190和240nm之间波长范围内UV辐射的“本征吸收”屏蔽，因为这种辐射对在纤芯玻璃圆柱体中产生具有UV吸收带的缺陷及其先驱物缺陷是决定性的。波长小于约190nm的UV辐射主要是通过空气或等离子体火焰的本征吸收保持远离纤芯玻璃圆柱体，而大于240nm的较长波等离子体火焰的UV辐射部分在石英玻璃中不产生任何足够的缺陷。

因此，在本发明的方法中，等离子体火焰的有害UV辐射对纤芯玻璃圆柱体的进一步作用通过快速产生吸收UV辐射的缺陷减少。因此，在最终分析中，与先有技术操作手续相比，由大强度等离子体火焰所引起的对纤芯玻璃圆柱体表面的损害不产生增加，而是出人意料地每单位体积纤芯玻璃圆柱体的平均有效损坏量减少。这里沉积过程的状态是决定性的，其中在纤芯玻璃圆柱体上没有包层玻璃层或只有一薄层包层玻璃层存在。在沉积过程的后一种状态下，等离子体火焰的UV强度还可以再次减少。等离子体用高频交流电流产生。在波长214nm处等离子体火焰的UV强度由加到等离子体中的电力决定。除非采取反作用措施，如将UV吸收气体加到等离子体火焰中，否则这个电力越高，一般等离子体火焰的UV强度越大。本发明的方法已证明在由其生产光纤的预制件中尤其有利，上述光纤预定在与短波长的紫外光结合时使用。这样生产的预制件显示在中心具有比较少的缺隙和先驱物缺陷数，因此在由按照本发明生产的预制件所得到的光纤与波长248nm和193nm的准分子辐射结合使用时，观察到高的UV范围起始传输和低的感应衰减二者。

对在研究的预制件(纤芯玻璃圆柱体及沉积于其上的包层玻璃)的表面与等离子体火焰之间特定的距离范围内得到这种结果。假定上述距离对UV辐射的缺陷产生效应有很小影响，则在另一些距离处可以得到类似或稍有偏差的结果。等离子体火焰在被高频线圈围绕的反应套管内部产生。当等离子体的可见光区也可以伸出到高频线圈的端部之外时，这个线圈限定了等离子体的激发范围。为了明确地表示研究中的预制件表面与等离子体火焰之间的距离，把高频线圈面向预制件的端部定义为等离子体火焰的地方。若从上述地方测量，则这样产生实际上在研究的预制件与等离子体火焰之间设定的距离范围是在60mm和90mm之间。

在一种优选的操作手续中，采用一种等离子体火焰，所述等离子体火焰发射波长为214nm的光，具有强度是在1.0μW-1.4μW范围内。

高于所指出的较低强度限的214nm的UV辐射产生特别快地形成吸收UV辐射的损坏，这样减少了等离子体火焰UV辐射的进一步作用及伴随的在纤芯玻璃圆柱体中心的缺陷形成。在强度高于上述上限情况下，在边缘部分中所造成的损坏程度超过其吸收和屏蔽效应。

还证明，在沉积SiO₂期间，使纤芯玻璃圆柱体的圆筒形外表面保持1550℃-2000℃，优选的是1700℃-1900℃范围内的表面温度下，以纤芯玻璃圆柱体具有外径为至少40mm，优选的是60mm为条件，这是有利的。

在沉积作业过程中，将纤芯玻璃圆柱体加热，具有更快发生扩散的效果。结果，杂质可以比如更容易转入纤芯玻璃圆柱体的中心，或者可以提供预定的掺杂剂分配的浓度分布。因此理想情况是在沉积期间保持尽可能少加热纤芯玻璃圆柱体。另一方面，一定量的加热对于沉积和烧结包层玻璃层是必不可少的。温度从纤芯玻璃圆柱体的圆筒形外表面朝内部方向增加。因此，在纤芯玻璃圆柱体内部的温度普遍比圆筒形外表面区域的温度低。当使用一种具有外径为至少40mm，优选的是60mm的纤芯玻璃圆柱体，并与上述表面温度相结合时，上述表面温度是在等离子体火焰碰撞在纤芯玻璃圆柱体表面上的点处(或者在等离子体火焰主传播方向朝向表面的延伸部分碰撞点处)测量，温度在纤芯玻璃圆柱体的中心普遍是如此之低，以致扩散过程几乎未注意到。这改善了纯度和光纤性能的重现性，并且可以更容易观察到为纤芯皮璃圆柱体的折光指数分布和衰减特性而设定的值。

对于高传输，还证明当SiO₂微粒在圆筒形外表面上以一种层厚沉积若干层，这样使它们在光纤中产生厚度不大于0.05μm的各层时具有优点。

根据预制件与光纤之间的牵伸比，在圆筒形外表面上形成若干薄层具有下述效果，即上述各层在用预制件牵伸的光纤中以若干层存在，上述若干层具有厚度为小于0.05μm。上述层厚显然低于在光纤中导向的光波长，因而避免了各个层与光之间的相互作用。相反，具有较大厚度的各层削弱了光学传输，上述较大厚度的各层在光纤中引向具有大于0.1的厚度的各层并因此在其中导向的光的波长数量级内。典型多模光纤的纤芯直径为200μm。当使用具有外径为70mm的纤芯玻璃圆柱体时，这产生一个牵伸比为350，因此按照本发明在这个实施例中包层玻璃层的有利层厚为小于15μm。

按照本发明所述生产的预制件尤其优选的是用于生产在190nm和250nm之间波长范围内传输高能密度UV辐射的光纤。由于上述光纤的高传输和耐辐射，所以它尤其适合于输送具有波长为248nm和193nm的高能准分子激光器UV辐射。

现在将参照一些实施例及专利附图更详细说明本发明。

附图说明

图1是用示意图示出用于生产一种预制件的POD方法。

图2是用示意图示出穿过按照本发明所述方法生产的一种预制件径向剖视图。

图3是用于按照PFI方法测量在UV波长范围内等离子体火焰强度的测量装置；

图4是用于吸收纤芯玻璃圆柱体中由等离子体火焰UV部分所造成的损坏的曲线图；及

图5是用于在200nm和350nm之间的波长范围光学上衰减不同光纤的曲线图。

具体实施方式

图1示意示出用于生产所谓多模光纤预制件的方法，所述多模光纤具有一种阶梯式折光指数分布。为此，提供一种直径为86mm的高纯未掺杂的合成石英玻璃棒3，并用“等离子体外部沉积法”涂装一层掺氟石英玻璃包层。为此，将SiCl₄，氧和SF6供应到等离子体燃烧器1，并在用于等离子体燃烧器1的喷头火焰2中转变成SiO₂微粒。等离子体火焰2的主传播方向用-虚线5示出。在沿着棒3从一头到另一头来回移动等离子体燃烧器1时，SiO₂微粒在棒3的圆筒形外表面上沉积成若干层，上述棒3绕其纵向轴6旋转。因此能在包层4的石英玻璃网络中加入按重量计大于3％的高氟浓度。等离子体火焰2在石英玻璃反应套管8内部产生，上述反应套管8用一个高频线圈7围绕。高频线圈7具有高度为约92mm，而反应套管8伸出线圈外约7.5mm。在高频线圈7的上端与棒3表面之间设定一个距离为65mm，该距离在沉积作业过程中也不改变。

按照本发明，等离子体的强度通过以这种方式供应相应的电力，以使等离子体2发射UV辐射来进行调节，上述UV辐射波长为214nm，具有强度为1.3μW。结果，在棒3中，尤其是棒3的近表面区中产生缺陷和先驱物缺陷，上述缺陷和先驱物缺陷造成在190nm和250nm之间的波长范围内吸收，并在下面参照图4和5更详细加以说明。

在等离子体火焰2碰撞在棒3或包层4表面上的点区中，用一种IR(红外线)摄像机连续测量表面温度。随着研究中的预制件外径增加，表面增加并因此表面温度下降。为了保持表面区中1800℃的恒定温度，使等离子体火焰2的强度连续增加。

棒3的旋转速度和等离子体燃烧器的平移速度这样调节，以使各个包层玻璃层都具有一平均厚度为约12μm。在预制件和光纤的一个牵伸比下，这产生一种多模光纤，和包层玻璃层，上述多模光纤具有纤芯直径为200μm，而上述包层玻璃层具有厚度为约0.03μm，上述情况显然低于光纤预定使用的工作波长，并因此不损害光纤的传输性能。

图2示出按照该方法在径向横截面上得到的预制件。标号21代表整个用于光纤的预制件。预制件包括一个纤芯22和一个包层23，上述纤芯22用纯石英玻璃制成，所述石英玻璃在波长633nm处具有折光指数为1.4571，而上述包层23用掺氟石英玻璃制成，所述掺氟石英玻璃在波长633nm处具有折光指数为1.440。包层中的氟含量按重量计为5％。纤芯22中的氢氧根含量按重量计为700ppm。纤芯22具有直径为85mm，而包层23具有外径为93.5mm。在纤芯22和包层23之间的接触面范围中，一个伸入纤芯22的区域用虚线示出，上述区域指向一个“损坏层”24处，所述“损坏层”24很强地渗入结构缺陷。损坏层24的缺陷在沉淀作业期间由于等离子体火焰2的高UV强度而产生。上述缺陷的密度在损坏层24内部及还有在纤芯22内部从外向内减少，因此不能表明精确的厚度。

现在将参照图3说明用于测量等离子体火焰UV强度的测量方法及测量装置：

在这种情况下用来测定等离子体火焰强度的PFI法中，等离子体火焰2的一部分焰心成像到一个经过校准的光电二极管31上。在一种CaF₂透镜32情况下，所述CaF₂透镜32与等离子体火焰2的焰心间隔一个距离为23cm，观察点从焰心成像到一长度为50cm的polymicroUVMI光纤33上。前面的光纤端部距CaF₂透镜32的纵向轴线有一个距离9.48cm。在UVMI光纤33的另一个光纤端部处出来的光在通过一个带通滤光器34之后导向到光电二极管31上，上述带通滤光器34在波长约214nm处具有一传输极大值。此处光电二极管31的范围未完全示出。在波长214nm处，用于上述等离子体火焰UV强度测量的光学部件重要参数是：

CaF₂透镜32：

焦距94.8mm；传输92.4％

UVMI光纤33：

长度：0.5m；纤芯直径；200μm；传输84.3％，NA(数值孔径)＝0.22

带通滤光器34：

中间波长：214nm；FWHM(半极大值处全宽度)：10nm，传输：17.3％

光电二极管31：

光电流/光功率：0.77mA/mW

所用的UVMI光纤33是氢加载式的，并且在UV辐射的测量范围内未显示光致降级，其余部件的光致降级可忽略不计。

观察点的直径D由光纤33的数值孔径(NA)和所用透镜32的焦距得到如下：

D＝2·tan(arcsin(NA))·9.48cm＝4.2cm

观察方向不与等离子体火焰2垂直延伸的主传播方向35垂直，而是与上述主传播方向35成约82°的角，如通过水平方向36上的角度数据所示。把反应套管8的上部边缘(及上述套管外部)处的最大强度区域选定作为等离子体火焰2内部的观察点，上述套管8伸出线圈7外面5-10mm。可以假定，在反应套管8内部可以测量甚至更高的UV强度，然而实际上只能通过采取更大的努力才能测定。结果，测量在一部分等离子体火焰2上产生一种整体强度，所述整体强度在图3中示出为测量光斑到达等离子体火焰2包络上的投影部分30。

图4的曲线图示意示出在180nm和360nm波长之间范围内，石英玻璃在由等离子体火焰2的UV辐射所引起的损坏之后的相对传输(以起始传输为基础)。由此产生的缺陷形成一个吸收曲线41，其中一个显著的吸收带通常是在波长214nm处。可以证明，吸收带41主要是由两种类型缺陷的吸收重叠产生。一种类型缺陷具有一个吸收曲线在波长214nm处有一显著的吸收最大值(由所谓E’中心引起；曲线42)，而另一种类型缺陷在约265nm的波长范围内具有一平的吸收曲线(由所谓的NBOH(非桥接氧孔穴)引起；曲线43)。总的来说，这样产生的缺陷随后在180nm和260nm之间的波长范围内形成等离子体火焰2UV的辐射的一种吸收，并因此在纤芯玻璃层22中心上的UV负载减少(图2)。

在图5的曲线图中，把对光纤测量时的衰减以dB/m标绘在y轴上，而把波长标绘在x轴上。两条示出的曲线中上面的曲线51显示在按照先有技术生产的光纤情况下200nm-350nm波长范围内的衰减分布，同时在POD法中等离子体火焰的强度为0.7μm。位于下面的曲线52显示在按照本发明所述方法生产的预制件生产的光纤情况下的衰减分布(同时在POD法中等离子体火焰的强度为1.2μm)。

由上述曲线显然可看出，光学衰减，尤其是在210nm和300nm之间范围内的短波长处，在按照本发明所述方法生产的光纤52中比按照标准方法生产的光纤51中的低。光纤52显示一种明显更低的吸收，尤其是在约215nm和265nm之间的波长范围内更是如此，并因此非常适合用于包括传输紫外辐射的应用，尤其是适合用于传输波长为248nm和193nm的高能UV辐射的应用。

由预制件牵伸的光纤其特征在于，一种用于在190nm和250nm之间的波长范围内对UV辐射的高传输和耐高UV辐射。

Claims (5)

1.一种方法，用于通过在纤芯玻璃圆柱体(3)上生成掺氟的SiO₂包层玻璃(4)来生产光纤用的预制件，上述纤芯玻璃圆柱体(3)绕其纵向轴旋转，其中等离子体燃烧器(1)被喂以一种含硅的起始物质，上述物质在分配到等离子体燃烧器(1)的等离子体火焰(2)中氧化以得到SiO₂微粒，而该SiO₂微粒在氟存在下成若干层沉积在纤芯玻璃圆柱体(2)的圆筒形外表面上并烧结成包层玻璃(4)，其特征在于，利用等离子体火焰(2)在纤芯玻璃圆柱体(3)上形成和沉积SiO₂微粒，根据等离子体火焰强度测量确定，上述等离子体火焰(2)以至少为0.9μW的强度发射波长214nm的紫外光。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，利用等离子体火焰(2)，该等离子体火焰(2)发射波长为214nm的光，具有强度是在1.0μW-1.4μW范围内。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉积SiO₂期间使纤芯玻璃圆柱体(3)的圆筒形外表面保持在1550℃-2000℃范围内的表面温度下，并且纤芯玻璃圆柱体(3)具有一外径为至少40mm。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，在沉积SiO₂期间使纤芯玻璃圆柱体(3)的圆筒形外表面保持在1700℃-1900℃范围内的表面温度下，并且纤芯玻璃圆柱体(3)具有一外径为至少60mm。

5.按照上述权利要求其中之一所述的方法，其特征在于，SiO₂微粒以若干层沉积在圆柱形外表面上，所述若干层的厚度使得产生的若干层在光纤中具有层厚度为不大于0.05μm。

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