大尺寸石英玻璃管、预型件及其制造方法和石英玻璃光纤

摘要

用机械方法加工天然/人造石英玻璃母料制成的石英玻璃管，具有外径为50—300mm，外径与内径比值为1.1—7，厚度大于或等于10mm，厚度误差≤2％；利用棒—插入—管技术，把大尺寸的石英玻璃管与光纤用的芯玻璃棒结合成一体制成大尺度石英玻璃预成型件；以及用高精度机器进行机械加工以形成大尺度石英玻璃预成型件的方法、即使所加工的用于光纤的芯棒与石英玻璃管成一体、通过加热，热拉或用Tool—Free拉制方法加压热拉来控制石英玻璃管的管直径。

说明书

本发明涉及具有大直径和厚壁的大尺寸石英玻璃管，以及用于具有低偏心度和良好传输特性的，还适宜于低成本批量生产的光纤预型件。尤其是，涉及通过采用棒-插入-管中的技术将人造石英玻璃管与光学单模纤维芯玻璃棒结合起来制成的大尺度石英玻璃预型件，以及它们的制造方法和由该预型件获得的光学纤维。

近年来，石英玻璃光学纤维（以下简称光纤），尤其是单模光纤已进入实用，并且已有大量消耗。光纤的制造主要采用如J.P.A.No.50-1014167中所介绍的VAD（气相轴向沉积）方法U.S.P.No.3，932，162等介绍的OVD（外气相沉积）方法以及U.S.P.No.4，217，027中说明的MCVD（改进的化学蒸汽沉积）方法。由此所获得的产品占有世界光纤市场的大部分。然而，光纤的应用领域在不断扩展，目前光纤不仅用于长距离干线，而且也用于用户连接系统。所以，可预见到，在不久的将来对光纤的需求将大量增长。但是，只要光纤的生产仍采用上面列举的三种传统的方法，其生产率与成本就将受到限制。

因为，自从开始研究光纤以来已过去了20年，有关传输性能和可靠性的研究已经完成得比较彻底，所以，似乎要开展出一种新的成本低的适合大批量生产而又不削弱传输性能和可靠性的方法是相当困难的。

然而，如果预型件可按比例地增大，则可提高每台设备的生产率，实现大批量生产。而且，在此同时还有希望使生产成本进一步下降，因为对成本计算说来考虑到并防止了产生不合格品就应认为是成本降低了。上述三种主要方法确实能提供高质量的光纤，然而应考虑到，它仍是原始的实验室小规模的生产方法，它仍不适宜于加大规模地生产而不能满足低成本大批量生产的要求。这实际上可更确切地说，由MCVD方法得到的单一的预型件只能提供长度15KM至30KM的光纤，而由VAD或OVD方法产生的预型件可提供长度为100至200KM的光纤。

上述的三种方法当然是生产传输光纤的最好方法。然而，在任一单一方法中同时生产包层，这无论从降低成本，还是从增加生产率的观点来看都是不利的，对此，作为良好的制造方法之一，已经考虑用一种低成本的有效方法来单独地制造占光纤横断面80%或80%以上的包层部分，并将之结合到上述的三种传统方法之中，例如，像在带梯度折射率光纤或单模光纤的制造那样。基于上述构思的方法已经实施，例如用于由OVD方法将包层部分合成并沉积到由VAD方法产生的芯玻璃棒上的生产方法。但是，这种方法中把包层合成沉积到玻璃芯棒上的效率低，这是因为所用的芯棒玻璃是细而短的。而且，这也不是一种低费用的方法，由于该方法要求对每根玻璃棒进行合成，不适宜批量生产。

由此，本发明对上述的有关方面进一步作了研究，发现上述问题可以通过抛开芯玻璃棒来单独有效地生产包层，然后再由现在技术的公知方法将包层与芯棒结合起来的方法来加以解决。所以，其结论是棒-插入-管用于这样一种生产方法是最合适的。

然而，关于棒-插入-管方法尚有一些问题待解决。在惯用的棒-插入-管方法中，常用的石英玻璃管的外径为15mm至30mm，厚度为1mm至6mm，是比较小的，另外，其尺寸精度低甚至于产生外径约有10%，厚度20%至30%的尺寸起伏。而且，在按照棒-插入-管技术把芯玻璃棒插入这样一根管中时，按管的长度和大小或操作熟练程度，需要有几毫米的容限以避免棒与管内壁的接触。对此，可见到一些麻烦，即，管径太小，尺寸精度差，需要大的容限，综合起来就造成该预型件的偏心。这导致光纤有大的偏心率。已经注意到，棒-插入-管技术用在需要考虑在多芯的总体连接操作中的单模光纤的结点损耗的光纤制造中是没有好外的。

由于插入石英玻璃管中的玻璃棒即使保持相同的加工条件其性能也会有变化，同样，因光纤规格，用户和制造工艺不同而不同，所以必须制造出不同尺寸的高精度石英玻璃管。而在采用机械研磨等加工出这种不同型号的不同尺寸石英玻璃管时要花去大量工时，不适宜于低成本的批量生产。

作为形成不同类型石英玻璃管的方法，曾考虑用热拉方法。然而，当石英管受拉时，会使要成型的管的小偏差被明显地放大，所以要制取有精确地预定尺寸的玻璃管是困难的。

除了上述问题外，棒-插入-管技术还受到诸如在石英玻璃管内壁和芯玻璃棒外表面之间的交界面溶接时产生的气泡和所引入的杂质所带来的问题。这种问题不仅受到环境气氛和在棒-插入-管工艺中所采用的清洁方法，而且还受到石英玻璃管内表面抛光情况的影响。

按照前面介绍情况，本发明人作了广泛研究以克服这些问题。结果，发现可以对公知的三种方法加以改进，采用棒-插入-管工艺将具有大直径的厚石英玻璃管与光纤芯玻璃棒结合起来以按比例扩大该预型件，这种改进方法提供了大的预型件，若将该预型件用来制造单模光纤则其偏心率等质量将得到改善，同时，该方法费用低，适于批量生产。上面列举的在棒-插入-管技术中存在的问题则通过在大尺寸的初期处理石英玻璃管的制造过程中使用高精度加工机械得到解决，初期处理包括首先用钻床（商用名称，由Ueda技术研究所制造），外缘磨床，或用在Cho-Seimitsu    Kakou    Gigyutsu（高精度加工），Cho-Seimitsu    Kakou    Kenkyukai（Ed.），（1984），P421    Kogyo    Chosaikai    Publishing    Co.Ltd文章中所介绍的高精度打孔方法，对大尺寸的石英玻璃坯料或管状玻璃制品进行打孔;然后，对所得到的管的内外表面进行机械研磨，磨削和抛光，使产生的管有高的尺寸精度;再用氢氟酸腐蚀去除表面污斑，机械应变和表面粗糙;进一步用压入热碳钻头方法（下称“热碳钻入法”）对所形成的原始的石英玻璃管进行钻孔，之后用在“高纯度硅的应用技术”一书中第106页所介绍的Tool-Free拉制方法对所形成的原生石英玻璃管进行热处理;最后采用棒-插入-管技术将所形成的原生石英玻璃管套压到上述的光纤芯玻璃棒上，形成一种实心的预型件。所述方法能加工出可提供最长为3000km的连续的高质量光纤的预型件。尤其是，在采用去除外表面物质并经脱水，以及具有可控折射率的人造石英玻璃作原材料的情况下，可对光纤提供最佳性能。本发明基于这些结论已获得实现。

本发明的目的在于提供一种高精度大尺寸的厚壁石英玻璃管。

本发明的目的还在于提供实现光纤的低成本批量生产的大尺度石英玻璃预型件。

本发明的目的还在于提供能制造出高精度精细光纤的高精度大尺度石英玻璃预型件。

本发明的另一目的在于提供由高精度大尺度石英玻璃预型件制成的精细光纤。

本发明的另一目的还在于提供一种制造上述高精度大尺寸和厚壁石英玻璃管的方法。

本发明的又一目的还在于提供一种利用上述的大尺寸石英玻璃管来加工大尺度石英玻璃预型件的方法。

为实现上述目的，按照本发明要提供具有低偏心率的，在棒和管之间的熔接界面处少产生气泡的，降低成本并提高生产率的，可用于制取精巧光纤的大尺度预型件。

图1为本发明大尺寸石英玻璃管的水平截面图。

图2表示本发明由大尺寸石英玻璃管加工的用于制作单模光纤的大尺度石英玻璃预型件的水平截面图。

图3表示由示于图2的单模光纤预型件所制成的光纤的水平截面图。

图4是单模光纤的折射率分布和光强分布示意图。

图5是作为本发明实施例的，说明利用芯孔钻孔器制造大尺寸石英玻璃管的方法的局部垂直截面示意图。

图6是作为本发明另一实施例的，用热碳钻头压入方法制造大尺寸石英玻璃管的示意说明图。

图7是作为本发明又一实施例的，用Tool-Free拉制方法将经初步处理石英玻璃管加工成大尺寸热处理石英玻璃管的制造方法示意说明图。

本发明指的是一种大尺寸石英玻璃管，其外径为50mm至200mm，壁厚为10mm或更大，外径与内径之比为1.1至7.0，壁厚误差为2%或者更小;由棒-插入-管技术制成的大尺度石英玻璃预型件，它包括利用棒-插入-管技术把形成的石英玻璃管与光学芯玻璃棒结合起来;由预型件拉制出光纤。所形成的预型件是由包括机械研磨具有高精度的石英玻璃母料的外表面或内表面，然后把内表面抛光至粗糙度在20μm以下的石英玻璃管，用棒-插入-管技术与光纤芯玻璃棒结合起来的方法制成的。在此，对所用到技术用语作如下规定：

（1）“大尺寸石英玻璃管”指的是管状石英玻璃，它通常包括为棒-插入-管所用而制造出来的天然石英玻璃管和人造石英玻璃管。

（2）“石英玻璃母料”指由高纯度天然石英玻璃或人造石英玻璃制造的长尺寸柱形坯料或管状大尺度石英玻璃的大尺寸石英玻璃材料;而石英玻璃在其加工成所需尺寸之前，其外表面如果需要已经过粗略抛光;

在人造石英玻璃情况下，根据产品的质量要求，玻璃管的OH基团和管的折射率（n）均得到控制。折射率差（△n）控制在0.02%之内。

（3）“石英玻璃原生管”是指利用芯孔钻孔器对柱状石英玻璃母料进行研磨并打孔所得到的具有所希望尺寸的大尺寸石英玻璃管，或者通过热碳钻压入方法对相同母料打孔成管，或者通过把石英玻璃人为加工成管状，再对管的外和内表面进行粗磨而获得所希望尺寸的大尺寸石英玻璃管;

（4）“初期处理了的石英玻璃管”指其内外径经精确测定，壁厚误差控制在2%范围之内，以及经过HF处理后的管的内表面粗糙度控制在20μm或更低的大尺寸石英玻璃管;

（5）“热处理的石英玻璃管”指通过将经过初期处理的石英玻璃管进一步作热处理，加热和拉伸，或按Tool-Free拉制方法在加压下进行加热和拉伸处理所得到的大尺寸石英玻璃管;它也指其表面经过热处理的，和/或与初期处理的石英玻璃管具有不同直径的人造玻璃管;

（6）“壁厚误差”是指由下式所定义的值：

[（t_max-t_mini）/（t_max+t_mini）/2]×100（1%）

式中，t_max是管的最大厚度而t_mini是管的最小厚度，其数值是通过沿纵向方向，在大尺度石英玻璃管的预定长度处，例如取5或更多点上测量到厚度（t），或者旋转待测石英管并以50mm～100mm的间隔测量其厚度，将最大值表示为沿其总长度的百分数;

（7）“Tool-Free拉制方法”，该方法包括将一标准管熔粘到经初期处理的人造石英玻璃管上，再借助压延轮把石英管向下拉，并通过受计算机控制的加热区。以这种方式，经初期处理的石英玻璃管受到非接触热处理，加热和拉伸，或在压力下进行加热和拉伸。

（8）“光纤芯玻璃棒”是指作为一光波导件的玻璃棒，该波导件由芯部分和光学包层部分组成。在用于通常通信系统的光波导，例如一种具有高质量要求的单模波导或多模波导时，该玻璃棒包括完全由人为包复沉积的芯部分，或者在受包复的芯部分外层再用OVD方法包上一包复层，或者套上一个石英玻璃管，不可能将纤维拉制成标准件。

用在棒-插入-管技术中的石英玻璃管是一种出自上述大尺寸石英玻璃管的大尺寸的管，它是由一种有满足光纤包复管要求的质量性能的石英玻璃制成的，外径为50mm至300mm的大尺度石英管。采用了大直径和厚壁玻璃管可使之显示出降低了的尺寸误差。由棒-插入-管技术制的大尺度预型件所拉制的光纤不仅偏心率可得到减少，而且可实现更有效的、低成本的批量生产。

外径，或者外径与内径的比越大，可能加工出来的光纤精度就越高，因为绝对值随石英管厚度而变大。相反，外径，或外径与内径的比越小，则误差越是增大，因此，使用MCVD方法制的靠近芯的折射管以及多外护层的小直径且箔壁的管，对其尺寸有高的精度要求。

图1和2分别表示本发明的大尺寸石英玻璃管和大尺度石英玻璃管预型件的水平断面图。

参见图1，D₀表示外径，D₁表示内径。参见图2，标号1代表芯玻璃棒，标号2表示包复层，标号3表示密封的大尺寸石英玻璃管。

图3表示光纤的水平截面示意图，例如该光纤是一种由上述大尺度石英玻璃预型件拉制的单模光纤，图3中，数字4表示芯，数字5表示光纤包复层，数字6表示又一包复层，而“a”表示芯直径（dcore）。“b”表示光学包复层直径（dcladi），“c”表示光纤的外直径（dclado），即125mm。图4表示形成的单模光纤的折射率分布和光强分布。图4中，光包复部分是指光功率向外扩散到芯直径（dcoreo）之外的部分。所以，光包复层直径（dcladi）包括与芯同时合成在一起的包复层。光包复直径的厚度应该根据所用光纤的芯折射率分布的形状，以及折射率差值（△n）而改变。通常，用实际结果乘上安全指数所得结果的值作为光学包复直径。本发明的光学石英玻璃芯棒表示出具有图4所示的光学包复部分的石英玻璃厚度。

如前所示，因为本发明光纤是由大尺度预型件拉制成的，所以图3所示光纤外径与光学包复直径之比dclado/dcladi近似地正比于加工出图2的大尺度预型件的图1的大尺寸石英玻璃管的外径与内径之比Do/Di。因此，要根据Do/Di作为准则来设计光纤。例如，若单模光纤（用于1.3μm波长段）的直径9μm，GI型多模光纤的芯直径为50μm，光纤外直径为125μm，则Do/Di的数值列于表1中。

注：（）表示多模光纤。

根据表1，例如，若光纤是多模光纤则Do/Di为2.5或更小，通常，与芯在一起同时合成的包复层的比例为5%～30%，所以，具有例如20%包复层的光纤的光学包复直径（dcladi）为60μm，Do/Di＝2.08，如果是单模光纤，则要求Do/Di小于7，以获取可实用的光纤。即，设定1.3μm波段（如匹配包复型，倒空型），1.55μm波段和色散位移型的功率分布分别为20μm或更小。将dcladi/dcore＝3或更大，即Do/Di＝4.63用作已考虑到安全指数的实用范围。当预型件是有双重或叁重护套时，Do/Di也将是一个较低值。在1.1-7范围内选择好Do/Di是制取光纤的必要条件。很自然，因为Do/Di是预型件之比，在为棒-插入-管技术设计石英管时，石英管与芯棒之间必定出现某些缝隙。

在由石英玻璃母料形成大尺寸石英玻璃管时，可以采用各种已知形式的处理天然石英料的方法。例如，可采用坩埚熔融拉制方法和模制成形方法。但是，用坩埚熔拉方法很难制取具有大孔径的石英管。采用坩埚熔拉方法时，材料熔融时，坩埚的耐热材料要与熔化的玻璃直接接触许多小时，耐热材料中的杂质因扩散作用而迁移到石英玻璃的内外表面。这些杂质是不利的，它们会增加光纤的光传输损失，所以，当对邻近芯部的包复管加护套时要除去芯区的沾污部分。

下面介绍三种用于制造本发明的大尺寸石英玻璃管的方法。

第一种方法包括两个步骤。第一步，制备柱形石英玻璃母料，第二步是利用图5所示的棒芯钻孔器对母料进行钻孔。在母料中心部位打孔，或是利用热碳钻头压入方法使母料受短时接触而打孔。

第二种方法是利用U.S.P.No.2，272，342中所介绍的方法，其中，将一种多孔的硅石的灰料沉积在耐热的芯材料上，然后除去芯料，脱水并使沉积物熔凝成玻璃状。

第三种方法是直接用VAD方法形成打孔的灰料，然后使脱水的沉积物熔凝成玻璃状。

图5中，数字7代表柱形石英玻璃母料，数字8代表芯钻孔器，数字9代表磨料。图6是热碳钻头压入方法示意图，图中数字10代表柱形石英母料，11为热碳钻头，12为石英玻璃原生管，13表示加热器。对棒-插入-管技术说来，若石英玻璃管的初始厚度尺寸误差是如此之大，则加热和拉制处理可能使误差放大而变得更大。由于多包层也扩大了误差，所以，极需对尺寸进行精确调整。由石英玻璃母料制取的高精度石英玻璃原生管可以利用机械研磨加工得到。随着石英玻璃尺度增加，利用公知的常规大机器进行研磨、精磨已成为可能。但是，这种机械精加工只能是以机械损伤，例如在被处理表面上留下微开裂，灰斑，机械应变等，引起在按照棒-插入-管技术装在一起时在内交界面上产生气泡为代价获得的。为了解决上述问题，采用高精度机械抛光，内表面精细抛光，或者在内表面上形成一层特殊的玻璃层来使内表面的粗糙度处在0.01mm范围之内（参见日本专利公开No.52-92530）。

然而，这些处理工作相当繁重，在大批量地产生大尺寸（大直径，厚或长尺寸的）石英玻璃管时实际上几乎是不可能的。但是，人们已意识到，对高纯度石英玻璃原生管内表面的抛光可以采用精密的搪磨机来实现。

按照这种方法，可以完整地将外径为50mm以上，长度约为3，000mm的石英玻璃原生管加工成一根具有高圆度横截面的直管。对此，必须用不同磨料或不同粒度磨料以机械抛光方法对形成的石英管表面进行抛光，以便消除开裂，灰斑，由应力作用引起的应变，或是通过HF腐蚀处理以释放集中的应力作用。

石英管还进一步受到超声清洗，以消除表面上的沾污物，而且将内表面的粗糙度控制在20μm或更小。换言之，热处理能使得在机械研磨过程中产生的明显的粗糙度得到缓解，释放应力而限制气泡产生，而使管的表面变得平滑。

发明人的实践经验揭示出，若由研磨引起的内表面粗糙度超过20μm，则这样的损害不可能通过加热和拉制处理来加以缓解或消除，而在用棒-插入-管技术将棒和管结合起来时就会在其内表面产生气泡。

一种用于抛光石英玻璃管内表面的方法是高精度掂磨方法，该方法用于用钻芯打孔器通过机械方式对柱形石英玻璃母料钻孔的情况中，或者用于对石英母料中心打孔的情况中，或是用于对石英玻璃原生管加工的情况中，石英玻璃原生管是通过采用OVD等方法对大尺度管状石英玻璃母料的内外表面进行机械粗磨得到的。

由此，可能使石英玻璃管和芯玻璃棒之间的容限变窄。用这种方式，其内表面采用高精度搪磨机得到机械研磨和抛光的原生管受到周缘研磨，控制厚度，使其误差在2%以内。厚度误差控制在这样的范围之内，可避免控制时的误差放大，从而不会对纤维偏心率造成不利的影响。

采用热碳钻头压入方法是这样进行的，即，对柱形石英玻璃母料加热，并将碳钻头压入母料中心处。采用这种开孔方法的优点在于容易制取具有20μm，甚至几个μm或更小的内表面粗糙度的大尺寸石英玻璃管，而不需对石英玻璃管的内表面进行研磨。若石英玻璃管的外直径超过50mm，则其开孔部分偏心度和石英管的直度可得到明显改善。

因此，如果一外径在500mm或更大的柱状石英玻璃母料在热碳钻头压入方法下进行加工以在其中心钻孔，则可以取得外径为300mm或更大，而长度近似达3000mm的直的柱形管，沿该管长度方向的任何位置处石英管的横截面均呈现出高的圆度。

外周边的研磨条件不必如同内周边那样要求严格，因为外周边直接受到加热区的加热。不过，外周边的表面粗糙度至少必须控制在200μm或更小，最好在100μm以下，这可利用HF-腐蚀以消除或缓解应力高度集中部位，管材的质量将影响最终产品，即光纤的断裂强度。在控制表面粗糙度的过程中，可以采用已知的用于半导体坯料和各种类陶瓷材料的机加工方法，这样作为一种标准周边研磨，或者可以用园柱形磨具。

在上述加工之后，经机械加工过的表面接受最后的抛光处理以使厚度误差在2%之内，再经HF-腐蚀处理以获得其内表面粗糙度为20μm或更小的初步处理石英玻璃管。

对此，应用棒-插入-管技术将初步处理的石英玻璃管与光纤的芯玻璃棒结合起来。

纵使棒可能在相同的条件下来制造，但是芯玻璃棒的特性可随着纤维规格，用户要求或制造方法而变。

因此，可以通过加热和拉伸处理来产生多种不同尺寸的石英玻璃管以满足带芯玻璃棒的初步处理的石英玻璃管的要求。在这种热处理方法中，采用Tool-Free拉伸方法以防止杂质的粘着。

图7是说明Tool-Free拉伸方法的示意图，图中数字14表示经初步处理的石英玻璃管，15为加热源，16为拉制辊，17为标准件管，18是经热处理石英玻璃管，而19是传感器。

为了用上述方法取得所要求的高精度的尺寸，必须施加拉力与内压力。所加压力必需根据初步处理石英管的尺寸和厚度，加热中玻璃的沾度，和拉伸比而相应改变;为了取得较高的精确度尺寸，该方法应在比值（Do/Di）/（do/di）为1.0至1.5的范围内进行，这里Do和Di各自表示经初步处理的石英玻璃管的外与内直径，而do和di分别表示热处理后的石英管的外和内直径。如果上述比值在1.0以下，则在热处理时石英管可能发生形变，若该比值超过1.5，厚度误差会变大以至于石英管会根据温度情况而发生破裂。因此，若该比值在所限定范围之外，就不能期望得到具有精确尺寸的石英玻璃管。特别是，若比值接近1.5，则厚度误差肯定在2%之内。

对直径在50mm至300mm的石英管的热处理必须在1600℃至3000℃的温度范围内进行，最好在2000℃至2800℃的温度范围内进行，这是因为经济上的原因。如果热处理是在低于上述限定范围的温度下进行，则经初步处理的石英玻璃管不能得到足够软化;如果在高于上述限定范围的温度下进行，则经初步处理的石英玻璃管可能受到剥蚀或成为流态。在任何一种情况下，都不可能再保持石英管的高的尺寸精度。比值Do/Di或do/di代表单模光纤的包复层厚度。在单包复层光纤中，上述比值必需是在2至7范围中;在具有2层以上包复层光纤中，上述比值在1.1至3的范围中。

由此所获得的石英玻璃管在高温1600℃至3000℃范围内受热处理，会使各种损伤，例如由机械研磨引起的经研磨表面的粗糙和工件变形得到缓解和消除。特别是，由热滚轧引起的变形越大，则表面上的裂缝，开裂和凹坑就扩得更大，从而凹槽变浅而使它们的尖锐角度部分变得平坦。

因此，对使用棒-插入-管技术的石英玻璃管的制造说来，可以省略某些批量生产不适宜但原先是必须的工序，例如高精度研磨工序，内表面加热抛光工序和在内表面上形成特殊玻璃层工序。

于是，所需的大尺寸石英玻璃管可能通过使大尺寸高精度的经初步处理的石英玻璃管热变形来有效地制取。

根据本发明，对天然石英玻璃的加工方法包括挑选天然石英块的优质部位，再去掉每一晶块的外缘挑出中心部位，撞击晶块使各晶粒直径均匀以及在外部通过化学处理去除杂质等步骤。然后，对经这样处理过的材料用公知的惯用方法，例如长期以来普遍使用的坩埚熔融提拉方法或成型方法作进一步加工处理。

然而，在此推荐Verneuil的用氢氧焰制取大尺度柱形石英玻璃母料的方法作为制取用于光纤的石英玻璃材料的最好方法，因为该法所制取的材料含杂质最少。

虽然，为制取人造的石英玻璃母料或管状件可采用各种各样的方法，例如，前面提到的“Application Technology of High-Purity Silica”一书中P.100至P.104中所述的方法，但是高温蒸气相Verneuil方法，即利用氢氧焰由气态的硅化合物，例如SiCl₄来直接合成的玻璃坯料是不适用于生产光纤材料的，由为这样获得的合成石英玻璃含有浓度高过800ppm以上的OH基团。

因此，用这种方法所获得的玻璃坯料常常用来作为半导体的光掩膜衬底和作为曝光器件的光学部件。等离子体方法，即一种经过改进的Verneuil方法，是可用来制取诸如光纤用的高纯度玻璃芯那样的特殊应用物件的方法，但该方法要消耗大量电能，是一种费钱的方法，与上述两种方法相反，根据本发明，还存在另一种没有上述缺点的适合用于制造母料的方法，该方法包括在降低火焰温度同时吹动材料气体使多孔烟灰状材料沉积在一个转动着的基片（靶）上再使烟灰状材料经过脱水等步骤，最后使经处理的烟灰状材料成玻璃状。这种方法之一，即VAD方法主要是提供了一种实心的柱形石英玻璃母料。另一种方法，即，OVD方法，能通过直接合成得到管状玻璃制品。

用于本发明的人造石英玻璃母料最好由多孔烟灰状材料产生，因为OH基团和折射率可按需要得到控制，以满足本方法中用于芯玻璃棒的包层部分的各种要求。直径75mm或小于75mm的大孔径预型件不仅可由直径近似75mm的石英玻璃管直接得到，而且可由更大的预型件再拉伸或对在棒-插入-管技术中将石英玻璃管套压在芯玻璃棒上的材料进行同时的拉伸而直接产生所要求的预型件。

对于单模芯玻璃棒来说，模场直径、截止波长和色散的选择是重要的。随着近年来质量要求的提高，在生产如上使用的芯玻璃棒时，常常需要找出它们的衍射特征值。因此，最好在包复之前首先控制芯玻璃棒包层的厚度，然后用腐蚀进行精确调整，同时立刻将棒制成预型件。

可以在一块大尺度石英玻璃成型件上作出高精度的调整。因为它具有宽的调整范围。

例1

利用气相轴向沉积（VAD）方法生产大尺度的多孔石英玻璃灰状材料，该方法包括使SiCl₄蒸发;在氢氧焰燃烧器中使SiCl₄气体燃烧以制取SiO₂的烟灰;再把烟灰沉积在转动着的石英棒上。将生产的烟灰材料放在含有He的Cl₂混合气体的电炉内加热脱水，再在1550℃温度下经区域熔融处理得到熔融的玻璃。于是，获得一种大的柱形石英玻璃母料。该石英玻璃坯料外周是粗糙的，可采用装有^＃80磨料的外圆磨床来调整玻璃料的尺寸，在切割掉两个端部之后，对其中心部位用也装有^＃80磨料的芯钻进行打孔。于是，获得重量约为10Kg的人造石英玻璃原生管，管的外径为94mm，内径为30mm，外径与内径之比为3.13，壁厚约为32mm，管长为730mm。

对所得到的原生管的内表面，用自动的长搪床沿其长度方向进行彻底地高精度抛光加工，以获得沿长度方向笔直钻出的具有高圆度横截面的带孔长管。通过改变磨料，最后用＃800磨料来逐步增加抛光度。之后，使用NC外围磨床对管的外周边进行加工，使外直径中心与内直径中心一致。在确认石英管被抛光到其厚度在2%的误差之内后，再加＃140磨料对外周边进行抛光。然后，将石英管放入浓度为5%的氢氟酸液槽内进行腐蚀处理并同时检查其表面。这一步对于消除表面应变和缓解表面机械应力是必要的。再用净化水冲洗腐蚀-抛光了的石英管而最后获得了初步处理的人造石英玻璃管。所得到的初步处理石英管，其外径为91.5mm，内径为32.4mm，外内径之比Do/Di为2.82，壁厚为29.55mm，长为730mm，重量9.2Kg。厚度误差（t_max-t_min）为0.48（1.62%）。此外，用接触型的便携式粗糙度计，沿着管的长度方向按8mm长度对表面进行粗糙度检测，发现内表面R_max为4.8μm，外表面为53μm。

另外，用VAD方法生产出芯和包层之间具有折射率差（△n）为0.343μm波长的单模芯玻璃棒。这种芯玻璃棒包括包层粘着层一起的外径为54.5mm，长度为455mm。利用装备有外直径控制器的自动精密拉制机，将棒热拉成外径为30.1mm并使其具有截止波长λc为1.25μm。在对外表面进行轻微腐蚀后，切成730mm长。然后，把由此获得的芯玻璃棒仔细插入上述的初步处理人造石英玻璃管内，再通过芯和玻璃管的配合进行定位固定。把最终获得的组合件两端连接到标准样件石英材料上，通过转动对任何弯曲或扭曲部分进行调直。之后，把该组合件从上侧插入到垂直的电加热炉内在2180℃温度熔融其前端，并用真空泵降低其中压力。在分别将温度控制在2000℃至2800℃范围之内，而真空度在200mm到100mmAq范围之内的同时，将棒-插在-管中的组合件在各种速度情况下移动，并检查棒和管界面处气泡的形成。通过慢慢地以2mm/min的速度移动整个料长以得到预型件，可以使得没有气泡形成。于是，在稳定的条件下获得了预型件，其直径为90.2mm，长595mm，重量为8.3Kg。这样取得的预型件可制取300km长的光纤。把部分最终预型件热拉至外径约为50mm，并用预型件分析器进行观察。在包层和棒之间的界面处折射率的阶跃差不超过0.01%，偏心率是0.153mm（0.34%）。

利用拉伸机进一步将预型件拉制成长度约为5km，外径为125μm的纤维。对每1km长的制品测量其光纤特性，得到平均测量值，其偏心率为0.22μm，截止波长λc为1.285μm，对1.3μm波长的传输损耗为0.355dB/Km，对1.38μm波长的OH基团损耗为0.86dB/Km。发现所制取的产品具有良好的单模光纤的特性。

例2

用例1所述的相同方法制出具有外径（Do）为93.5mm，内径（Di）31.6mm，外内径比为2.96，厚度30.95mm，厚度误差（t_max-t_min）为0.42mm，（1.36%），长度700mm，重量9.3Kg的初步处理人造石英玻璃管。

另外，利用接触型便携式粗糙度计，沿纵向以8mm长度测量表面粗糙度，发现内表面的R_max为8.5μm，外表面为68μm。

然后，在垂直加热炉中，把初步处理的人造石英玻璃管加热至2200℃以使底端部分熔融，在管内外流动着惰性气体同时，如图6所示在压力条件下受热拉伸。这样，得到如表2所示的五种类型的热处理人造石英玻璃管。经过处理后可发现内表面的粗糙度Rmax有明显降低。

另外，由VAD方法生产出具有折射率差（△n）为0.335%的单模芯玻璃棒。对芯玻璃棒进行加工使之与作为包层的示于表2中的五种热处理的人造石英玻璃管分别吻合。为此，对芯玻璃棒的外周边进行腐蚀并热拉伸以获得分别示于表2中的各种芯玻璃棒，把各种芯玻璃棒插入相应的热处理的人造石英玻璃管以分别得到棒-插入-管中的装配件，然后在电热炉中对装配件加热并压缩以形成一实心的预型件。根据预型件分析器测量，在包层和棒之间没有观察到折射指数的阶跃差。

由表2中直径62mm的No.3号预型件制成直径为125mm的初级光纤并对该光纤的特性进行测量。测量结果发现，它是一种高质量光纤，截止波长λc为1.245μm，对1.3μm波长的传输损耗为0.334dB/Km，偏心率为0.32μm）。

例3

把由气相轴向沉积（VAD）方法制取的大的多孔烟灰状母料按例1中所介绍的处理方法进行脱水并玻璃化。采用在例1中描述的相同方法，对所得到的制品加热脱水，玻璃化并粗磨，得到长度约为820mm，外径为96mm的圆柱形石英玻璃母料（坯料）。

采用热碳钻头压入方法在坯料中心处打孔。然后，经氢氟酸溶液腐蚀处理后进行周边研磨成更高精度石英管。

由此，得到重量约为11.5Kg的人造石英玻璃初级管，其外径与内径分别为101mm和40mm，外与内径比值为2.525，长度为775mm。因为管的内表面在压入碳钻头打孔时受到熔融，所以观察不到诸如在机械冲击或研磨损伤时所出现的开裂，裂缝，加工机械应变等缺陷。

对上述初步处理的人造石英玻璃管的内表面的粗糙度，利用搪床以每150mm长度段，改变磨料的粒度进行机械抛光。然后，对经过机械抛光的表面，采用氢氟酸进行腐蚀，得到在表3中给出的样品。采用如例1所述的相同方法把直径约为38mm的芯玻璃棒插入经初步处理的人造石英玻璃管内，得到预成型组合件，也对其界面进行观察。结果汇集在表3中。

表>

样品号No.7891011磨  料无^＃800^＃400^＃140^＃80腐蚀后粗糙度（Rmax)(μm)〈1.24.516.42668界面状态无气泡无气泡少量气泡细小气泡各种气泡

例4

对由外气相沉积（OVD）方法制取的大的多孔烟灰材料进行脱水，折射率调整处理和玻璃化，得到管状人造石英玻璃母料。将石英玻璃母料两端切去并采用装有^＃80磨料的外缘磨床对其表面进行粗磨，得到基本上预定的外直径。对所产生的石英管的整个内表面用装备^＃80磨料的搪床抛光，分别改变抛光磨料，相继用^＃140，^＃400和^＃800逐步提高抛光度。之后，对经过处理的这种石英管，用超声厚度测量仪沿管长方向以500mm长度对每个圆周取8个测点以检测厚度偏差。利用计算机对由此测得数值进行厚度误差计算。然后，用NC外缘磨床对石英管周边进行研磨，在确认石英管已被磨到预期的厚度误差范围内之后，再把它放入氢氟酸溶液中进行腐蚀。由此，所获得的大的初步处理的人造石英玻璃管是一种具有外径为164mm，内径为58.9mm，外与内径比值Do/Di为2.78，厚度为52.55mm，厚度误差44μm（0.84%），长为1.970mm，重量约为75Kg的大尺寸石英玻璃圆柱形管。这种初步处理的石英管，其内表面粗糙度R_max为3.5μm，外表面粗糙度为77μm。

另外，把由VAD方法制取的、供单模工作用的大尺寸石英芯玻璃棒与上述所制取的初步处理人造石英玻璃管结合起来。在此，从所产生的棒中选择三根具有同样特性的棒。为了使芯玻璃棒的芯直径与初步处理人造石英玻璃管吻合要经过计算，并通过腐蚀掉部分包层来调整棒的直径。将所得的三根芯玻璃棒进行熔接，拉伸到近于相同的外直径（55mm），腐蚀，而后对其整个表面进行热抛光。

将由此获得的芯玻璃棒插入大尺寸初步处理的人造石英玻璃管内并固定。所得到的组合体，在一个垂直电加热炉内受到温度范围为2000℃至2800℃的热，组合体从低端开始熔融软化，同时在控温条件下使它向下移动，真空度控制在200mm至1000mmAq的范围中。温度不足或移动速度过快，会在内界面上形成气泡。因此，在第一步，首先拉伸组合体得到约为50mm的直径以使界面处发生充分的熔融。然后，拉制得直径为75mm，100mm，125mm和1521mm，总共获得五种预成型件。最终获得的五个预成件具有最大的外直径为152mm，它们的总重量约71Kg。这相当于具有2600Km长度的初级光纤维的重量。

对最终生成的预成型件的特性进行更详细评定，选择一个直径为50mm的预成型件作为样品，利用预成型件分析器对芯的特性进行观察，发现该预成型件在芯和包层之间界面处折射率没有阶跃差，但有约0.008%的接合缝，芯与包层的中心位移是0.28%。

用光纤拉制机对上述直径为50mm的预成型件进行控制，得到外径为125μm±5μm的光纤。发现最终形成的初级光纤具有偏心率为0.11μm，截止波长为1.27μm，对1.3μm波长的传输损耗为0.316dB/Km，1.38μm波长的OH基团损耗为0.65dB/Km的传输特性。

例5

对采用外气相沉积（OVD）方法制取的大尺度多孔烟灰状材料进行脱水，用例4中的相同方法进行折射率调整处理并玻璃化，得到管状的人造石英玻璃母料。对所得制品内外周边用机械方法研磨，获得了4个人造石英玻璃原生管。

对该原生管的内径采用高精度搪床抛削到32mm之后，人为地分别移动内径中心线。然后，将外表面磨到外直径为100mm，其外与内直径和比值Do/Di为3.125。最后，用氢氟酸溶液对石英管进行抛光并用水冲洗。对这种初步处理的人造石英玻璃管测量的厚度误差示于表4之中。

将上述初步处理的人造石英玻璃管置于电热中加热到2200℃，并在0到100mm    Aq的流控压力范围下进行控伸，以检测由拉制过程所引起的尺寸变化。结果列于表4中。

条件A：内压力被调节成大致与外压力相同。

如表4所示，在增加压力比和提高拉伸比条件下进行处理时，带有大误差的初步处理的石英玻璃管的误差变得更大。尤其是，压力比直接地增加了石英玻璃管的厚度误差。开始的不稳定条件下，误差超过3.9%的初步处理的石英管在炉内受到不对称的变形，并迅速膨胀、产生开裂。

把光纤芯插入到一根在条件B的情况下，即石英玻璃管由具有厚度误差在1.8%以内初步处理管得到的，并且通过加压热拉以把它抛光至厚度误差在2%之内的情况下所获得的经热处理的人造石英玻璃管（No.13）中。利用棒-插入-管技术得到一预成型件。结果发现这种预成型件包复层与棒之间折射率差值低达0.01%或更小。根据预成型件分析器检测，拉制后偏心率为0.45μm。因此可见，这种预成型件有利于用作单模使用的光纤。

例6

采用Verneuil方法，对用氢氧焰制取的大尺度柱形天然石英玻璃母料，在其中心采用如同例3所述的热碳钻头压入方法进行钻孔。

对最终形成的制品的外周边进行机械研磨并接着用氢氟酸溶液腐蚀抛光，用水清洗并干燥以制成具有外直径为175mm，内直径为60mm，外与内直径比值为2.196，长3m，重量为150Kg的初步处理石英玻璃管。沿纵向以每50mm为间隔测得的平均厚度误差为0.3mm，在预定误差范围之内。

另外，用接触型便携式粗糙度计对表面进行粗糙度检测，测得管的端头处内表面的R_max＜0.8μm，外表面的R_max＜95μm。

把用VAD方法制取的，用于1.3μm波长的具有部分包层的单模光纤插入上述的初步处理的石英玻璃管内，并将它放入一个垂直型电炉中。在降低环境压力下使棒的端部在2250℃温度下熔融。采用棒-插入-管方法，在真空度为200mm至1000mm    Aq，以及初始拉制的外直径为50mm情况下，获得最大外直径为160mm的预成型件。在拉制过程中，根据芯棒与初步的石英玻璃管之间界面处的熔化状态，分别改变温度，移进速度和真空度。

对上述处理过的具有50mm直径的初步拉制的预成型件用预成型件分析器进行检测，结果表明偏心率为0.52%，折射率差为-0.005%，比管的折射率稍低。将上述预成型件用拉伸机拉制而获得直径125μm，偏心度0.41μm，在1.3μm波长的传输损耗为0.346dB/Km的光纤。

因此，可以认为，该预成型件适合用来制取单模用光纤。

例7

对由高纯度天然石英玻璃制成的柱形石英玻璃母料，利用如同例6所述的热碳钻头压入方法在其中心处进行钻孔。

对外周边进行研磨，使外直径的中心线与内直径中心线对准叠在一起，确认其尺寸精度之后，用氢氟酸溶液对其腐蚀，用水清洗并干燥。于是，经处理的石英玻璃管，具有外径为150mm，内径为62mm，外与内直径比值为2.42，长为2500mm沿其纵向上每50mm间隔处测量其厚度，测得厚度误差为0.35mm（0.79%），内表面粗糙度R_max＜1μm，外表面的R_max＜85μm。

对上述石英玻璃用红外分光度计检测其2.7μm的吸收波段，知含有平均值为166ppm的OH基团。

将上述石英玻璃管放入温度为2250℃的垂直型电加热炉内，熔融该石英管的下端部。在由上端部的空气控制的压力条件下进行拉制，得到外径分别为50mm，75mm，125mm的热处理石英玻璃管。每个热处理石英玻璃管尺寸列于表5中。

把用VAD方法制得的用于单模的光纤棒，用棒-插入管方法把它结合在直径为100mm的热处理石英玻璃管内。在拉制初期制取三种外径分别为50mm，75mm和96mm的热处理管。将每个预成形件切开并压碎，以寻找石英玻璃管内表面和芯棒外表面之间熔融面处的气泡。然而，几乎没有能够找到气泡。通过对上述的直径为50mm的预成型件进行拉伸所制得的光纤，其偏心率为0.27μm，对1.3μm波长的传输损耗为0.347dB/Km。

按照上述技术教导可以对本发明作出多种改进和改变，所以在从属权利要求的范围内，本发明还可以用不同于专门说明的其它方式来实施。

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