Способ получения заготовки для вытягивания оптического волокна Советский патент 1985 года по МПК C03B37/18 

Изобретение относится к способу получения оптического волокна с низкой потерей передачи, предназначенного для применения в, системе оптической связи.

Целью изобретения является повьгшение качества получаемого волокна путем увеличения толщины осаядденного слоя.

На чертеже представлена схема осу ществления способа химического осаяг дення из газовой фазы.

Генератор 1 газа содержит первый

исходный материал в виде жидкого че- тыреххлористого кремния (SiCl). В генераторе 1 производится продувка газом-носителем - аргоном для уноса газа из жидкости. Количество унесенного газа определяется давлением паров жидкости при температуре жид- кости и расходом газа-носителя. Аргон, несущий газообразный исходньй материал, подается по трубопроводу в трубчатый реактор 2, Реактор представляет собой трубку из кварцевого стекла, которая используется как слой стеклянного покрытия в предварительно отформованной прутковой заготовке. Предварительно отформованная прутковая заготовка состоит из двуокиси кремния и по крайней мере из одной из присадок для регулирования показателя преломления кремниевого стекла. Второй исходный материал в газовой фазе, который изменяется в присадке, например че- тыреххлористый германий, подается вместе с первьм исходным материалом в газовой фазе из отдельного генератора газа, содержащего второй материал в жидкой фазе (не показан). Это производится продувкой газа-носителя, аргона, как в генераторе 1. Кроме того, в реактор 2 в качестве газообразного реагента подается газ кислород (о. В некоторых Ч:лучаях также газообразные исходные материалы могут вырабатываться в генераторе газа, где содержится жидкая смесь исходных материалов, продувкой газа-носителя.

Реактор 2 установлен на станке, применяемом в производстве стеклянных изделий, для вращения с заданно скоростью. При вращении реактора его наружная поверхность частично нагревается горелкой 3, например ки-лородно-водородной, которая перемещается в осевом направлении вдоль трубчатого реактора. Таким образом, локальная зона нагрева поверхности реактора перемещается по спирали по окружности реактора и по его длине.

Исходные материалы, поданные в трубчатьй реактор, взаимодействуют с поданным кислородом, образуя мельчайшие частицы стекла, состоящие из основного стекломатериала SiO и присадки GeOg, когда реактор нагревается описанным образом. Частицы образовавшегося стекла затем осаждаются на внутренней стенке реактора. слоя нагара на единицу площади внутренней поверхности, в основном, зависит от общего расхода потока газов, проходящих через реактор на единицу поперечного.сечения проходного канала в реакторе, и от общего расхода потока газообразных исходных материалов и газов-носителей на единицу площади поперечного сечения проходного канала в реакторе. То есть, если расход потока увеличивается при сохранении расхода на постоянной величине, то количество образующихся окислов в виде стекла также увеличивается, а следовательно, увеличивается и толщина слоя. Если расход увеличивается при увеличении подачи кислорода, но при сохранении расхода на постоянной величине, зона осаждения образующегося стекла распространяется вперед, так что толщина слоя уменьшается. Осажденный слой нагревается до 1900-2000 С пламенем горелки, которая перемещается к месту, где осаждается нагар, а затем расплавляется с образованием стекла. Полученный слой стекла имеет уменьшенную толщин сравнительно со слоем нагара. Степень нагрева перемещающимся пламенем зависит от давления газа (кислорода - водорода) и скорости перемещения пламени. Если скорость перемещёлия увеличивается при постоянном давлении газа, то тепловая энергия, сообщаемая локальной, зоне реактора, уменьшается. Если давление газа увеличивается при постоянной скорости перемещения, то тепловая энергия, сообщаемая локальной зоне реактора, увеличивается.

Если тепловая энергия, сообщаемая локальной зоне реактора чрезмерно высокая, то стекЛо реактора, не-

.посредственно подверженное действию пламени, размягчается до того, как .будет закончено расплавление стекла В реакторе. Результатом этого явится деформация реактора и/или попадание газов, содержащихся в пламени, в стекло реактора, что нежелательно для трубчатого реактора, который применяется как слой стеклянного покрытия на предварительно отформован- ной Прутковой заготовке.

Если тепловая энергия лишь незначительно превышает требуемую, но достаточна для окисления исходных ra зообразнык материалов, то не проис- ходит полного .остекловывания осажден .ного нагара. Поэтому давление газа пламени и скорость перемещения горелки должны устанавливаться таким образом, чтобы тепловая энергия, сообщаемая реактору из кварцевого стекла, бьша достаточной для осуществления полного остекловьшания осажде ного слоя, в случае полного окисле- ния, без какого-либо повреладения реактора.

Предлагаемый способ заключается в продувке газа-носителя через исхоные материалы в жидкой фазе для перевода исходньк материалов в газову фазу, подаче исходных материалов в газовой фазе с газом-носителем в трубчатый реактор из кварцевого стела, подаче кислорода как газа-реагента в реактор, нагреве реактора в локальной зоне, причем эта зона смещается в сторону выходного конца реактора вдоль длины реактора, благодаря чему происходит взаимодействие исходных материалов в газовой фазе с кислородом для образования нагара, осажденного в виде слоя на внутр.енней поверхности реактора, и остекловьшание полученного слоя нагара расплавлением нагара. Инертный газ, который легко растворяется в расплавленном стекле, независимо от газа-носителя подается в реактор.

В табл. 1 приводятся условия реакции, применяемые при химическом осаждении из газовой фазы по известным (контрольные примеры 1 и 3) и предлагаемому (пример 2) способам. Таблица I

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ВЫТЯГИВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА путем осаждения слоя легированного Sic2 на внутренней поверхност и кварцевой трубки из газовой фазы окислением кислородом SiCl4 с добавкой по крайней мере одного соединения из группы с использованием Аг в качестве газа-носителя и последзпощим нагреванием для остекловывания осалзденного слоя, отличающийся тем, что,. .с целью повышения качества получаемого волокна путем увеличения толщины осажденного слоя, остекловыва- ние ведут с одновременным пропусканием через трубку гелия со скоростью 500-1500 см/мин. 2. Способ по п. 1, отличающий с я тем, что осаждение ведут при следующих скоростях подачи реагентов, см /мин: SiCl + Аг , 300 200 + Аг 500 О -г 1500 Не 3. Способ по п 1, отлича- ю щ и и с я тем, что осаждение веа дут при следующих скоростях подачи реагентов, см /мин: SiCl. 300 + Аг 350 30 GeCl Аг 4 Аг PCI, + Ог.1000 Не500 Приоритет по пунктам: 05.07.76 по пп. 1 и 2; 01.11.76 по п. 3.

Расход газообразных исходных материалов, SiCla

см/мин

Расход смеси газообразных исходных материалов, содержащей исходный материал, и газ-носитель Аг, см/мин

Расход газа-реагента 0„,

см/мин

Расход редкого газа Не,

см /мин

Скорость перемещения пламени горелки, см/мин

Толщина слоя стеклянного сердечника, полученного при каждом перемещении лламени, ал НА

Качество слоя стеклянного сердечника

300

300

200 2000

О 5

50

50

Высокое . Высокое Низкое (без пус- (без (с пустотот) пустот) тами) В контрольном примере 1 в качест ве реактора применяется трубка из кварцевого стекла длиной 40 см и наружным диаметром 20 см, и на внут ранней поверхности реактора образован слой стеклянного сердечника высокого качества, В примере 2 применяется трубчатый реактор того же типа и тех же размеров, и на внутренней поверхности реактора перемещением пламени с такой же скоростью перемещения, как и в контрольном примере 1, получен слой стеклянного сердечника высокого качества. В контрольном примере 3 использован трубчатый реактор того же типа и тех же размеров, что и в кон рольном примере 1, и слой стекляннего сердечника более низкого качес ва, но такой же толщины, получен на внутренней поверхности реактора при каждом перемещении пламени с аналогичной скоростью перемещения. В примере 2 гелий ввdдитcя в реактор 2 как показано на чертеже штриховой линией. Условия реакции в контрольном примере 1 такие, что кавдый слой стеклянного сердечника имеет как можно большую толщину при условии, что полученный слой высоко го качества. Однако толщина-слоя стеклянного сердечника, получаемого при каждом перемещении пламени в контрольном примере 1, составляет всего 10 Ш м . Условия реакции в примере 2 такие, что каждый слой стеклянного сердечника имеет как можно большуща толщину при условии, что получаемый сло11 высокого качества. Слой стеклянного сердечника, получаемого при каждом перемещении пламени, имеет в пять раз большую толщину, чем в кон рольном примере 1. Как видно из сравнения контрольного примера 1 с примером 2, контрольный, пример 1 обеспечивает получение стеклянного сердечника высокого качества благо- даря Тону, что расход смеси газообразных исходных материалов, содержащей SiCl , GeCl4 и газ-носитель А и расход всех газов ограничиваются 1100 см /мин. В этом случае осажден ный нагар, состоящий из окислов SiO и GeOj, имеет всего одну пятую толо,ины в примере I, поэтому каждый слой стеклянного сердечника имеет небольшую толщину. При осуществлении контрольного примера 3 усилия направлены на обеспечение осажденного нагара такой же, толщины, как и примере Я. В контрольном примере 1 используют смесь исходных материалов в газовой фазе, содержащую SiCl4, GeCl4 и газ-носитель АГ, при.том же расходе, что и в примере 2, тогда как расход всех газов поддерживается равным 2500 см / /мин в примере 2. В контрольном примере 3 слой стеклянного сердечника, полученный при остекловывании осажденного нагара, имеет так много пустот, что .. стеклянный сердечник непригоден для применения в эффективной оптической связи. Превосходство изобретения над известным способом становится очевидным из сравнения контрольного примера 1с примером 2. Однако для понимания особенностей изобретения це- лесообразно провести сравнение с контрольным примером 3. В примере 2 и контрольном примере 3 скорости перемещения пламени, толщина слоев осажгденного нагара и толщина слоев стеклянного сердечники одинаковы. -Однако стеклянный сердечник по примеру 2 не имеет пустот, тогда как стеклянный сердечник по контрольному примеру 3 имеет множество пустот. Такая разница вызвана следующим. В контрольном примере 3 кислород подается при расходе 2000 см /мин, тогда как в примере 2 расход, равный 2000 см /мин, состоит из кисло-рода, подаваемого в количестве 500 см/мин, и гелия, подаваемого в количестве 1500 . Подача кис-, лорода в количестве 500 см /мин сте- хиометрически достаточна для взаимодействия со смесью исходных материалов в газовой фазе, содержащей газноситель при величине расхода 500 см /мин. Однако в контрольном примере 3 расход кислорода превышает 500 см /мин на 1500 . Эта избыточная подача кислорода используется для предупреждения увеличения толщины осажденного нагара. Согласно примеру 2 вместоизбыточной подачи кислорода используется подача гелия при таком же расходе. Это оз- начает, что в случае контрольного примера 3 внутренние пространства в слое осажденного нагара заняты кислородом и газообразными продук- теми окисления .такими, как хлор, СО :в то время как в примере 2 такие пространства главным образом заняты гелием. Гелий легко распространяется в стекле без какого-либо взаимодействия с ним, когда нагар расплавляется для остекловывания, и растворение гелия в стекле не з удшает оп- тических -характеристик стекла. В связи с этим становится понятным, что гелий, занимающий большую часть внутренних пространств в слое осажденного нагара, растворяется и, следовательно, исчезает во время стеклования осажденного нагара. В результате этого внутренние пространства, которые переходили бы в пустоты в расплавленном стекле при известном способе, сокращаются. Сокращенные внутренние пространства слоя осажденного нагара не заполняются небольшим количеством нераст воряющихся газов-реагентов, но за- полняются главным образом гелием до тех пор, пока внутренние пространст ва не будут закрыты. Поэтому во вре мя остекловывания газьр-реагенты вытесняются из внутреннего пространст ва слоя осажденного нагара и, следовательно, слой осажденного нагара переходит в слой расплавленного сте ла, не имеющего пустот. При осуществлении предлагаемого способа вместо гелия могут быть использованы другие редкие газы, ко- торые легко растворяются в расплавленном стекле и не взаимодёйствзпот с ним, например аргон. Аргон обычно используется как га носитель для уноса газообразных исходных материалов, таких как SiCl. и GeCl. Использование для образования атмосферы вместо гелия газноситель аргон неправильно. Кроме того,, указанная подача гелия не представляется необходимой в случае если подача гелия используется как подача газа-носителя. Газ-носитель расходуют только в количестве необходимом для образова ния газообразных исходных материа- лов до их подачи в реактор. Поэтому для обеспечения в реакторе ат- t мосферы, которая образована главным образом гелием или аргоном, в результате чего пропорция газовреагентов таких, как кислород или хлор, во внутренних пространствах слоя осажденного нагара уменьшается, необходимо применять раздельную подачу гелия или аргона, независимо от подачи газа-носителя. В примере 4 по предпагаемому способу смесь газов-реагентов, содержащая исходные материалы с газами-носителями и кислородом, вводится вместе с гелием в реактор из кварцевого стекла, имеющий наружный диаметр 20 мм и длину 40 см, дня осущест вления реакции в газов.ой фазе и ос- текловьшания полученного продукта, как в примере 2. В табл. 2 приведены вводимые газы и их расходы подачи. Табли.ца2 Каждый исходный материал в газовой фазе выработан в отдельном генераторе газа путем продувки газаносителя Аг через генератор, содержащий исходный материал в жидкой фазе. После загрузки реактора газом этот реактор нагревается с помощью кислородно-водородной горелки при скорости перемещения пламени горелки 5 см/мин так как в примере 2. В результате зтого толщина каждого слоя стекла, получаемого при каждом перемещении пламени, составляет примерно 40 /мм. Перемещение пламени повторено 50 раз, а затем трубчатый реактор со слоем стеклянного сердечника в нем сплющен для получения твер-

дои предварительно отформованной прутковой заготовки. В этой прутковой заготовке твердый стеклянный сердечник имеет диаметр 10 мм. Прут- ковая заготовка нагрета и вытянута для получения оптического волокна. Полученное волокно имеет длину примерно 10 км, наружный диаметр 125|ам и диаметр сердечника 62,5|и«1. Численная апертура волокна 0,20.

Стеклянный сердечник волокна состоит примерно из 10% GeOj, образовавшегося из СеСЦ, примерно из 1% PjOj, образовавшегося из РСЦ, и 89% Si02, образовавшегося из SiCl4. Во время перемещения пламени не происходит никакой деформации трубчатого реактора, из кварцевого стекла. Кроме того, в полученном стеклянном сердечнике отсутствзпот пустоты. В примере 4 CeOg - первая присадка, которая добавляется в SiO я повышения показателя преломления SiOg, тогда как является второй присадкой, которая добавляется в SiOg для снижения температуры остекловы- вания SiOg.

По сравнению с контрольным примером 1 (табл. 1) толщина полученного слоя стеклянного сердечника без пустот в примере 4 в четыре раза больше. Это преимущество изобретения является результатом совмещенного применения второй присадки, предназначенной для снижения температуры остекловывания двуокиси кремния, и создания атмосферы гелия, в которой производится химическое осаждение из газовой фазы.

В примере 4 температура остекловывания слоя осажденного нагара снижена примерно до 1400°С, что усиливает зффект гелия вследствие того, что применены уменьшенный расход подачи гелия (500 см /мин) и увеличенный расход подачи кислорода (lOO ) сравнительно с примером 2.

Слой нагара по предлагаемому способу имеет значительно увеличенную толщину, по сравнению с известным способом. Позтому можно применять предлагаемый способ вместо известного, при котором при каждом пере- 5 мещении пламени происходят процесс образования нагара и процесс образования стекла. При предлагаемом способе на первой стадии осуществляется- только процесс образования на-; гара посредством повторного перемещения пламени для получения множест-г ва слоев нагара, и на второй стадии, слой нагара, доведенный до .заданной толщины, например 1-1,5 мм, нагревается так, что происходит остекло-. вывание этого нагара. Таким образом, снижается себестоимость производства по сравнению с известным способом. Приведенные примеры изобретения относятся только к способу образования слоя стеклянного сердечника на внутренней поверхности трубчатого реактора, используемого как стеклянное покрытие по.сле сплюощвания. Од-; нако изобретение может быть исполь5зовано для получения стеклянного покрытия, которое охватывает пруток твердого стеклянного сердечника, чтобы таким образом получить предварительно отформованную прутковую заготовку без какого-ли(5о расплющивания.