[发明专利]二氧化硅基玻璃的热处理

说明书

本发明涉及制备长形无气泡的玻璃制品的方法，更具体地，涉及制备光纤(尤其是光纤放大器中所用的增益光纤)的方法。

包括外汽相沉积法(OVD)和汽相轴向沉积法(VAD)的所谓外部沉积法，能制得均匀和光学性能优良的玻璃预制棒；而且这两种方法的经济效果较好，因为可制得大尺寸的预制棒。OVD和VAD这两种方法都用燃烧器来使卤化物和有机金属化合物等前体进行反应，产生一股玻璃微粒流或粉尘流。

在OVD方法中，粉尘流沉积在芯轴的外部周界表面，沿轴向积累而形成一多孔物体。将芯轴从多孔物体抽出后，把多孔物体放在固化炉中使其干燥并烧结。在炉中通入含氯的气体混合物流过加热的预制棒，以使多孔物体干燥。然后将氦通入炉中以及预制棒的口径内，以除去残留的氯并在纤芯预制棒的烧结过程中(对于高二氧化硅含量玻璃来说，一般是在1440-1525℃的温度下进行)在棒中保持开口的中心线。所得到的致密的玻璃预制棒，如果包含适当比例的纤芯和包层玻璃，可立即拉制成光纤。但这种致密的玻璃预制棒通常不包含包层玻璃，或者只包含所需的包层玻璃厚度的一部分。将这种预制棒放入拉制炉中，在其中将纵向的口径抽空，并将端部加热，拉制成伸长的棒。口径会闭合起来，形成一个“中心线缩塌区”。所得的棒可切成芯棒(core canes，在其上覆盖附加的包层玻璃后形成拉丝坯棒(draw blanks)，然后拉成光纤。

在VAD方法中，粉尘流沉积在目标棒的末端，沿轴向积累成多孔物体。这多孔物体与OVD方法制得的相似，只是没有轴向的口径。因此，致密的玻璃VAD预制棒没有中心线缩塌区。光纤制造过程的其它部分与以上所述相似，即将多孔物体干燥，烧结成致密的玻璃，然后拉成光纤。

多孔物体在固化炉中所接触的氦气中，有一部分以分子形式残留在玻璃内，即看不到气泡。迄今是将含二氧化锗、无气泡的已覆盖拉丝坯棒放在800℃的炉子中，以排出任何被俘获的氦分子，并改善光纤拉制性能。但是某些拉丝坯棒中含有可见的气泡，其中包含氦和/或其它惰性气体，在某些情况下，还含有氧。由含有气泡的坯棒拉制的光纤，会在拉丝过程中断裂或发生直径变化。如果只需要短的光纤，可以在气泡之间拉制；但是，在每次光纤断裂后，启动拉丝起动过程是既费钱又费时的。含有沿其长度分布的气泡的拉丝坯棒，在要拉制长的传输线光纤时是基本上不能用的。

光纤放大器中通常使用稀土(如铒)掺杂的光纤。这类增益光纤的纤芯常含有GeO₂以增大其折射率。氧化铝也常加入至纤芯以减少增益离子的聚集，有时并可改进增益谱的形状。看来似乎可以在放大器光纤中使用氧化铝而不用二氧化锗来获得所需的光学性能(包括提高纤芯折射率)。但是氧化铝会引起结晶问题。标准的OVD和VAD烧结温度会使所含氧化铝超过最大许可浓度的坯棒产生结晶，这种情况取决于玻璃的组分和处理的条件(见美国专利5,262,365)。结晶的成核位置一般在烧结OVD预制棒的中心线缩塌区。结晶会使气体俘获增多。在氧化铝掺杂的烧结玻璃预制棒中经常观察到由氦和氧构成的气泡。

按照SiO₂-Al₂O₃的平衡相图，要避免结晶成核和生长，多孔粉尘物体必须在共晶温度(eutectic temperature)1587℃以上烧结。这超过了以二氧化硅为基的隔焰炉的操作温度。虽然由SiO₂-Al₂O₃平衡相图中可看到，晶体可在富铝红柱石和方英石的共晶温度以上熔融，但所得到的玻璃具有不能接受的高气泡密度，而且拉丝性能很差以至不能拉丝。

拉制长的分布式光纤放大器光纤，需要基本上没有气泡的拉丝坯棒。分立的光纤放大器则只需相对较短的稀土掺杂光纤。但是光纤必须没有缺陷，例如由俘获的气体构成的气泡(也称作气籽)。即使各段分立的增益光纤可以在气泡之间拉制，当拉丝坯棒所含气泡太多时，这方法的成本很高。因此人们试图减少在拉丝坯棒中发生气泡和结晶。已在纤芯中加入氟和P₂O₅等掺杂剂以避免由氧化铝引起结晶的危险。但是添加附加的掺杂剂会增加成本，而且这些掺杂剂存在于纤芯中也是不理想的。

因此，需要有一种方法，它能制得无气泡或低气泡含量的、含氧化铝的致密玻璃拉丝坯棒，而不会在芯区引入不需要的附加掺杂剂。