CN1134142A - 一种在光纤上施用非晶态硼基保护层的方法和包括这种涂层的光纤 - Google Patents

Abstract

一种将非晶态硼基保护层应用到光纤上的方法，其中的光纤包括均由基于氧化硅的，材料制成的封于光纤包层中的光纤纤芯，上述特征在于在1050℃-1250℃的温度范围内用化学方式将汽相硼施用到上述光纤的表面，并利用氢气H₂减少BCl₃。非晶态硼保护层(7)给予光纤以机械保护，并增加抗磨蚀性，使光纤(1)被用到大容量和高密积的光缆中。树脂涂层的厚度可以是利用碳保护层时所需要的一半，甚至可以省去。涂层(7)还提供与碳保护层提供的密封性相当的密封特性。

Description

一种在光纤上施用非晶态硼基保护层 的方法和包括这种涂层的光纤

本发明涉及一种将非晶硼基保护层应用到光纤和包含这种涂层的光纤。

众所周知，常规的光纤结构是：光纤包括一个封于光纤包层中的光纤纤芯，用于引导大部分的光波，纤芯和包层是由基于氧化硅材料掺杂到纤芯和包层区或多或少不同的程度而构成。“光纤包层”在此广义的定义即光纤包层包括所有包围着纤芯的基于氧化硅的，层，不管包层是通过何种方法得到。

在某些已知的光纤中，光纤包层直接由树脂涂层覆盖，此设计是为了部分地避免光纤遭受微弯带来的后果，尤其是当光纤被安装到光缆中时带来的后果。在安装和使用过程中，光纤受到折弯和牵引应力，导致长时间的机械疲劳，即会损害它的机械性能，以致于破坏它的传递性能。

在别的已知光纤中，设计成主要用于潮湿环境中的光纤(尤其是在水下的应用)，在那儿光纤易于受到水和氢氧根离子(OH^-)的作用，因此光纤保护层直接淀积在光纤包层上，树脂涂层下。当光纤受到导致机械疲劳的应力并因而在其表面引起微裂时，由潮湿或OH^-离子的侵蚀造成它表面微裂的加深使其破裂，损害光纤。

在周知的方法中，提供到上述光纤上的保护涂层一般是由非晶体的或湍层的碳组成(即有一种提供的密封优于石墨碳的密封性的结构)，例如，碳可通过化学的方法从汽相淀积到光纤上。

然而，这种碳保护层并不是完全令人满意的：虽然它对光纤提供充分地密封，但因为它的硬度不够高，因而呈现较差的抗磨蚀性。对当大量光纤安装进光缆时彼此之间的磨擦或与光缆内壁间的磨擦造成的光纤长期的磨损保护不足。不幸的是磨损在光纤表面造成的微裂会导致光纤破裂的危险。

为避免光纤的磨损，光纤的树脂涂层必须非常厚，尤其不能薄于60μm。遗憾的是，在现今的情况下，这对提高光纤光缆的容量又是非常不利的，因此光缆最多可容纳50～100根光纤。所以很厚的树脂涂层妨碍光缆的紧凑性，而紧凑性在将光缆应用到小空间处又是必需的。

美国专利US-4 319 803中提供一种由各种材料制成的保护层，材料包括非晶硼，涂层被认为能够克服上述的缺点。

然而，该专利没有提出任何将上述非晶硼保护层应用到光纤上的方法。

因此，本发明的目的在于提供一种方法将非晶硼基保护层施加到光纤上。

为此目的，在本发明提供的一种将非晶硼基保护层施加到光纤上的方法中，光纤包括封闭于光纤包层中的光纤纤芯，二者均由基于氧化硅的，材料制成，上述方法的特征在于硼用化学方法在1050℃～1250℃的范围内从汽相淀积到光纤的表面，通过氢气H₂来减少氯化硼BCl₃。

在此非常显著的方式中，观察到在1050℃～1250℃的温度范围内，通过氢G₂而使得BCl₃的减少伴随着光纤的硼和二氧化硅之间有限的固相反应，引致硼淀积层优良的粘固性。这里：

在低温环境中，观察到包含氯化硼的汽相和固态二氧化硅表面之间发生反应，这导致光纤表面的高腐蚀和非晶硼层与光纤之间的低粘固性。

在较高温度下，硼和二氧化硅之间的固相反应非常强烈，导致光纤表面形成很厚的氧化硼B₂O₃层。

因此，本发明根据上述显著的观察现象，使温度范围确定在硼和二氧化硅之间存在限定的反应的范围内，这使得在硼和二氧化硅之间形成很薄的反应层，增强了非晶硼对光纤的粘接性。

另外，在显著的方式中还观察到淀积的非晶硼层比非晶硼淀积到相对于硼不活泼的衬底上形成的非晶硼层坚硬许多。相对于硼不活泼即不与硼发生作用、不象二氧化硅。因此，不活泼衬底上的非晶硼的Vickers硬度在3000kg/mm²～4000kg/mm²的范围内，此处淀积的硼与本发明关于在4700kg/mm²～7800kg/mm²范围内的石英光纤一致(在此指出，自然金刚石的维氏硬度为9000kg/mm²)。这是因为这一事实：在1050℃～1250℃的温度范围内，硼与二氧化硅间的反应虽然受到限制，但它是非常有利的，因为在预想不到的方法中，它导致非晶硼层被来自二氧化硅的硅掺杂。这种现象似乎是淀积的硼层高硬度的起源。

另外，众知为了使硼晶体化，需要将其在t期间内保持在一个高温下，所述的期间t随温度而减小。然而，观察到1050℃～1250℃的温度范围内，当光纤消耗硼以不小于100m/mim(对应于常规的光纤拉制速度)的速度淀积其上的反应物时，硼涂覆的光纤保留在反应物中的时间不小于t，这使得在上述的温度中，淀积的硼层是非晶化的，即是非结晶的。

光纤上的非晶硼层增长率至少为0.10μm/s最好在约0.25μm/s附近的范围内。通过设置这样的下限，通过对与光纤的反应速度给定的各种反应剂流量的适当选择，将非晶淀积的操作时间限制起来，因而限制了硼与二氧化硅之间的反应率，并达到令人满意的粘接和硬度。另外，大于0.10μm/s的增长率保证淀积的硼在淀积反应的温度下没有时间结晶。

在1100°～1200℃温度范围中，可得到本发明方法的最佳效果。

在有利的方式中，氯化硼的摩尔浓度与氢气的摩尔浓度之比R的范围在1/20～1/4。在这个范围内可观察到淀积的硼层有特别高的维氏硬度，尤其是大于4700kg/mm²的强度(维氏硬度随R增加)，还可观察到硼与二氧化硅的反应率水平低下(硼与二氧化硅的反应率随R增加)，使硼与二氧化硅间的反应受到限制，以得到上述的薄反应层。

根据本发明的另一特征，硼涂层的施加与光纤拉制一致，光纤的拉制速度不小于100m/min。

为得到无序的、即非晶体的硼层，需要补充的气态反应剂BCl₃和H₂在淀积反应器中的比率很高。在本发明中，这可利用光纤以较高的速度通过反应器，即以不低于100m/min的速度通过反应器而得到。

另外，气相的气太在大气压值的附近是有利的，这使得硼保护层的施加与光纤拉制相一致。

最后，根据本发明的很有利的特点，可以给汽相反应剂的初始混合物增加汽相混合剂这是硅的母体，如SiH₄，SiH₃Cl，SiH₂Cl₂，SiHCl₃，或SiCl₄这些化合物以反应率下降的顺序给出。加上这些化合物使得非晶硼层被硅掺杂，因而得到非常坚硬的淀积层。另外，汽相混合物中硅化合物的出现使汽相与光纤的二氧化硅间的初始反应得到限制和控制。硼淀积到光纤上的粘固性达到最佳。

本发明还提供一种光纤它包括封闭于光纤包层中的光纤纤芯，包层和纤芯均由基于氧化硅的，材料制作，还包括一个淀积于上述光纤包层之上的非晶硼基保护层。

上述光纤的特征在于上述保护层包括：

一与上述光纤包层接触的中间层，它来自于硼与二氧化硅的反应；

一位于上述中间层顶部的非晶硼层。

另外，硼层可被硅掺杂。

本发明的别的特点及优点通过下列对本发明方法的描述、利用非限定的例子表现出来。

在下列图中：

图1是本发明的带有非晶硼基保护层的光纤的截面图；

图2是包括用于执行本发明方法的硼淀积反应物的光纤拉制机简图。

在图中，共同的部件用相同的标号。

首先重提一下无序的硼是非晶体硼，特征在于在其结构中不存在晶粒边界，它有良好的密封性能和高的断裂强度。因此它与非晶体碳在密封性具同样的优点。然而，它比非晶硼坚硬的多，因而给予光纤增强的抗磨损性，这样的树脂保护层厚度与构造在碳基体上的保护层相比可被大体的减小，并且树脂层甚至可以省去。

回想到非晶结构的特征在于其结构的无序性。1％含量的晶粒对应于不能避免出现的结晶的痕迹，并且以非晶硼层结构的缺陷表现出来，对保护层预期的性能没有重大的影响。对于这种晶化的晶粒含量，可以说淀积的硼“基本”是非晶或无定形的。

图1表示的本发明光纤，包括从外到内的共轴淀积：

基于氧化硅的光纤纤芯2，用于引导大部分的光波；

也是基于氧化硅的光纤包层3；

位于硼和二氧化硅之间的很薄的中间作用层4；

非晶硼层4；

厚度小于50μm、最好是10μm左右的可选树脂保护层6。

本发明的光纤1的保护层7包括中间层4和层5。它的厚度范围在10nm～200nm之间，最好在100nm左右。

如上的解释，当为施加涂层7而选择的温度使掺加增加时，可用硅掺杂层5。另外，通过在此方法中利用做为硅的母体的反应剂，对层5的硅掺杂被增加。

自然地，纤芯2和光纤包层3可有一个常规的简单结构，即每个都有一个恒定折射的单一层，或它可有更复杂的结构，即每个都由大量的叠加层构成，并且有不同的折射率。对纤芯的结构和光纤包层均不做详细的描述，因为这些结构不是本发明的部分。然而容易理解，本发明可用到任何已知的光纤上。

非晶硼保护层7给予光纤机械保护，并且增强对磨蚀的抵抗，使光纤用于高容量的光缆中，并具有高密积性。树脂涂层的厚度可为利用碳保护层时需要的一半，甚至可省去不用。涂层7还具有与碳涂层提供的同样的密封性。

本发明的淀积方法现通过图2加以描述。图2是制造图1所示的光纤的机器10的简图。

机器10，包括设置在竖直的光纤拉制装置中一个接一个设置的：

一个光纤拉制烤炉11，在其中光纤以常规中已知的方法从预制件12中拉伸，预制件纤芯有着与纤芯2相同的光纤纤芯组成和大于纤芯2的直径，封闭在组成同于光纤包层3、直径大于包层3的光纤包层(未标)中。预制件12光纤包层的直径与光纤纤芯的直径之比等于光纤包层3的直径与光纤纤芯2的直径之比；

用于涂层7的反应器14；

控制光纤离开反应器14的距离的控制装置15；

任意选择的树脂涂层装置16，用于制造位于硼涂层7之上的树脂层；

利用紫外线辐射聚合树脂涂层6的装置17；

用于控制成品光纤1直径的控制装置18；

用于绕起成品的光纤1的卷轴19。

只显示了一个用于硼淀积的反应器14。然而如果需要，硼淀积可在大量的沿光纤拉制线一个接一个设置的反应器中进行。

根据本发明，为得到裸光纤13上的硼基涂层7，利用氢气通过下列反应减少气态氯化硼：

              

因而用化学的方法从汽相中得到硼涂层。

根据本发明，因为以上的原因，必须在1050℃-1250℃的温度范围内，最好是1100℃～1200℃的温度范围内进行上述的BCl₃减少，例如在1150℃。

反应剂的汽相气压最好在大气压附近，尤其当淀积是与光纤拉制一起进行时，敞开的反应器使光纤可进可出。可利用对光纤(未标)的引入引出气塞简单地将气相保护防止外界空气，其中用不活泼气体以略高于大气压的压强循环于气塞中。

为得到非常坚固的硼涂层7，而避免与硼大程度的反应导致氧化硼B₂O₃的形成，B₂O₃浓度的摩尔浓度与氢气之比被选在1/20～1/4的范围内，即等于1/4。

为得到非晶态硼涂层5，最好使汽相硼到裸光纤13的传递速度很高。通过将硼快速地放在光纤表面来确保形成的硼涂层实质上是非晶态。上述的快速可通过光纤表面反应剂的迅速更新而实现。光纤表面反应剂的迅速更新，伴随着从淀积反应产生的气体物质的迅速排出，即当反应剂是BCl₃和H₂时排出HCl，达到这些一是因为光纤从反应器14中高速通过，还因为气相物被反应器14的引入口和引出口之间气体的流动所更换。因此光纤在反应器中的运行速度最好不小于100m/min，等同于常规的光纤拉制速度；光纤的制造不会因按照光纤的拉制来施用非晶硼涂层而减慢。

光纤13以200m/min的速度穿过反应器14，使得利用硼涂层增长率为0.25μm/s(这样的增长率可通过选择BCl3的流速为0.5l/min和氢气的流速为5l/min来达到)。这可在0.3S中淀积厚度大约等75nm。

做为硅产物的母体的反应剂，如SiH₄，SiH₃Cl，SiH₂Cl₂，SiH-Cl₃或SiHCl₄可被有利地加到汽相物中。

联系图2描述的机器10是一种传统的光纤拉制机器，用于淀积硼涂层7的淀积反应器14加入其中。机器10的某些元件可任意选择，如尺寸控制装置15和18。

另外，树脂涂层设备可是任何类型，树脂涂层不需要同样地执行。

自然地，本发明不局限于上述实施例。

特别地，给予的关于硼涂层特性和淀积上述涂层方法的数值仅是一种指示方式。

另外，本发明的光纤可包括硼涂层的顶部，树脂层之外的其它的层，尤其如彩色识别涂层。

最后，在不超出本发明的权利范围下，任何装置可用同等的装置替换。

Claims (11)

1.一种将非晶态硼基保护膜应用到光纤上的方法，其中的光纤包括封闭于光纤包层中的光纤纤芯，光纤包层和光纤纤芯均由硅基材料制成，

所述的方法其特征在于硼从汽相在1050℃～1250℃的温度范围内以化学的方法被施加到所述光纤表面利用氢气H₂来减少氯化硼(BCl₃)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当硼被用以形成在所述光纤上时：

与光纤包层接触的中间层，产生于硼和二氧化硅的反应，

非晶态硼层位于中间层的顶部。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于温度位于1100℃～1200℃的范围内。

4.根据权利要求1至3任意项所述的方法，其特征在于氯化硼的摩尔浓度与氢气的摩尔浓度之比值在1/20-1/4的范围之间。

5.根据权利要求1至4任意项所述的方法，其特征在于汽相的压强值在大气压压强值的左右。

6.根据权利要求1至5任意项所述的方法，其特征在于上述非晶态硼基涂层与光纤的拉制一起被施加，上述光纤的运行速度在上述淀积过程中不小于100m/min。

7.根据权利要求1至6任意项所述的方法，其特征在于上述光纤表面的非晶态硼基涂层的生长率不小于0.10μm/s。

8.根据权利要求1至7任意项所述的方法，其特征在于从SiH₄，SiH₃Cl，SiH₂Cl₂，SiHCl₃和SiCl₄中选出的硅的气态母体被加入反应剂的初始混合中。

9.根据权利要求1至8任意项所述的方法，其特征在于上述硼涂层的厚度范围为10nm～200nm，并且最好约为100nm。

10.一种包括封闭于光纤包层中的光纤纤芯的光纤，光纤纤芯和光纤包层均由硅基材料制做，并有一非晶态硼基保护层淀积于上述光纤包层上，

上述光纤的特征在于上述保护层包括：

一个产生于硼和二氧化硅反应的、与光纤包层接触的中间层；

一个位于上述中间层顶部的非晶态硼层。

11.根据权利要求10所述的光纤，其特征在于所述硼层用硅掺杂。

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