[发明专利]制造具有高纯石英玻璃体的制品的方法和用该方法生产的制品

说明书

本发明一般地涉及制造具有高纯石英玻璃体的制品，例如高纯石英玻璃光学纤维的方法以及用该方法生产的制品。

目前，在众多的工业装置中广泛采用具有高纯石英玻璃体，即至少含有重量百分比为70的二氧化硅的玻璃体的制品。例如，从高纯石英玻璃光学纤维预制品拉制的光学纤维目前正普遍应用于光学通讯系统中。这类纤维一般包括一个被高纯石英玻璃覆层包住的高纯石英玻璃芯子，而玻璃芯子的折射率比玻璃覆层的折射率高，以便制导电磁辐射。例如，将升掺质（提高折射率的掺质）掺入芯子，或将降掺质（降低折射率的掺质）掺入覆层，或者同时分别掺入升掺质和降掺质，均可获得上述折射率差。具有高纯石英玻璃体的其他制品，例如，高纯石英玻璃透镜和棱镜，可用于各种各样的光学系统中，而在半导体的热处理和加工中，则经常采用诸如高纯石英玻璃耐火管、隔焰罩和持器一类的制品。

已发展了若干种制造高纯石英玻璃体的技术。在那些也许是最为广泛使用的技术中，一般先用手工选择天然存在的石英晶体，然后将其加热至α-β石英转变温度（大约573℃），使经过选择的晶体断裂。接着，再用手工选择已经破裂的石英，然后，一般在一台球磨机中破碎之。清洗，例如酸洗之后，再将破碎的石英通入氢氧焰，以便将石英粉末熔化成高纯石英玻璃体。

虽然上述技术很有效，但它具有若干缺点。例如，由于需用手工挑选原料（天然存在的石英），所以此技术就比较昂贵。此外，原料中一般含有杂质，例如含有铁离子和其他过渡金属离子，以及含有羟基，这些杂质吸收的电磁辐射，其波长等于或接近于用于工业用的光学纤维通迅系统的波长，例如1.3微米，因此，就产生较高的光损耗。再者，原料中还常常含有其他杂质，例如，氧化锆，这些杂质可引起散射和/或产生晶相，例如锆石，此种晶相可降低玻璃纤维的机械强度。在球磨过程中，还会引入外加的这类散射杂质;而外加的羟基离子则是通过氢氧焰引入的。另外，这种特殊的玻璃制造技术一般会妨碍将掺质掺入所形成的玻璃体中。因而，一般认为，这种技术不适于用来制造某些高纯石英玻璃体，包括光学纤维预制品。

已发展出至少可避免上述某些缺点的技术，因此这些技术可制造出诸如光学纤维预制品一类的高纯石英玻璃体。其中有关的两种技艺是外汽相沉积（OVD）技术和汽相轴向沉积（VAD）技术。在这两种技术中，将诸如SiCl₄和O₂一类的反应气体通入氢氧焰，在氢氧焰中它们反应形成称为烟灰颗粒的二氧化硅颗粒，然后用热泳的方法将其沉积在玻璃基体上。例如，如果希望通过掺入诸如GeO₂或P₂O₅一类的升掺质来提高所形成的玻璃体的折射率，那么反应气体一般还应包括GeCl₄或POCl₃（它们与O₂反应形成升掺质）。然后，在任何情况下，将形成的比较多孔的烟灰块加热至烧结温度（一般约为1400至1500℃），形成比较致密的高纯石英玻璃体。

如上所述，OVD和VAD技术均可将掺质掺入玻璃体，因此可用于制造，例如光学纤维预制品。但是，在这些技术中，烟灰颗粒的沉积速度是比较低的，因为沉积速度既受到所采用的热泳的限制，又受到在氢氧焰加热的气流中的二氧化硅颗粒的低浓度的限制。因此，所形成的玻璃体是比较贵的。

另一种用于制造光学纤维预制品的技术称为化学汽相沉积（CVD）技术。在该技术中，将上面所述的一类反应气体通入一个二氧化硅基体管中，使这类气体扩散到管的内表面，在该内表面上它们反应形成比较致密的石英玻璃。遗憾的是，玻璃的形成速度较低。而且，通过提高反应气体浓度来加快玻璃形成速度的尝试也未获成功，因为这种比较高的浓度可导致二氧化硅颗粒的气相成核作用，而这些有核的二氧化硅颗粒常常被气流从该基体管中扫出，而不是被沉积在该基体管的内表面上。另外，通过提高反应气体流速来提高玻璃形成速度的努力也受到了挫折，因为在此种比较高的流速下，反应气体在被扫出该基体管前，没有足够的时间扩散到该基体管壁的内表面上（进行反应和形成二氧化硅）。因此，这种技术也是比较昂贵的。