способ изготовления крупногабаритных заготовок кварцевых световодов

Формула изобретения

1. Способ изготовления крупногабаритных заготовок для вытягивания световодов из кварцевого стекла, включающий изготовление предзаготовки в виде штабика круглого поперечного сечения, содержащего сердцевину, соосное расположение предзаготовки внутри трубки из кварцевого стекла с радиальным зазором относительно друг друга и их сплавление, отличающийся тем, что перед сплавлением зазор между продзаготовкой и трубкой заполняют кварцевой крупкой, при этом масса кварцевой крупки составляет 20-70% от массы заготовки, а операцию сплавления производят при давлении внутри трубки меньше атмосферного.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кварцевую крупку предварительно подвергают газофазной очистке в парах хлорида аммония.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности, к технологии изготовления волоконных световодов для линии связи.

Одним из наиболее распространенных способов изготовления заготовок кварцевых световодов является модифицированный метод химического парофазного осаждения (modified chemical vapor deposition - MCVD) стеклообразных слоев на внутреннюю поверхность трубки из кварцевого стекла [1].

Недостатком этого способа изготовления заготовок является ограниченность их массы, исключающей возможность получения световода стандартного диаметра 125 мкм, длиной более 8 км.

Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению способ изготовления крупногабаритных заготовок, принятый за прототип, заключается в изготовлении круглой предзаготовки, содержащей сердцевину, соосное расположение с радиальным зазором предзаготовки внутри трубки из кварцевого стекла и их сплавление [2]. Такое техническое решение позволяет в несколько раз увеличить массу заготовки и вытягивать из нее световод стандартного диаметра 125 мкм, длиной более 20 км.

Недостатком этого способа изготовления заготовок световодов является длительность и сложность операции сплавления предзаготовки с трубкой, ограниченность по длине из-за провисания предзаготовки при ее сплавлении с трубкой на горизонтальном станке, а также высокая стоимость таких заготовок, определяемая, в основном, дороговизной точноразмерных труб из кварцевого стекла.

Задача настоящего изобретения состоит в упрощении способа изготовления крупногабаритных заготовок при одновременном снижении их стоимости.

Технический результат достигается путем введения дополнительных операций перед сплавлением предзаготовки с трубкой.

Поставленная задача решается новым способом, заключающимся в том, что в способе изготовления крупногабаритных заготовок, включающем изготовление предзаготовки в виде стержня-штабика круглого поперечного сечения, содержащего сердцевину, соосное расположение с радиальным зазором предзаготовки внутри трубки из кварцевого стекла и их сплавление, в отличие от прототипа, перед сплавлением радиальный зазор заполняется кварцевой крупкой, причем масса крупки составляет 20-70% от массы заготовки, сплавление осуществляют при давлении внутри трубки меньше атмосферного, а предварительно, до сплавления, кварцевая крупка подвергается газофазной очистке парами хлорида аммония.

При заполнении радиального зазора кварцевой крупкой существенно упрощается соосное расположение предзаготовки в трубке, так как ее положение фиксируется засыпкой, устраняется радиальное смещение предзаготовки при проведении операции сплавления на горизонтальном станке, что обеспечивает возможность увеличения длины заготовок по сравнению с прототипом. Замена части дорогостоящей трубы из кварцевого стекла на кварцевую крупку существенно снижает стоимость крупногабаритных заготовок. Нижняя граница массовой доли кварцевой крупки (20%) ограничена малым радиальным зазором между предзаготовкой и трубкой, что затрудняет операцию засыпки. Верхняя граница (70%) определяется предельно малой толщиной стенки трубки, способной выдержать перепад давления в одну атмосферу. Газофазная очистка кварцевой крупки парами хлорида аммония целесообразна при температуре более 337°С, при которой равновесное давление NH₄Cl равно атмосферному и обеспечивается плавление кварцевой крупки без образования пузырей. Это обусловлено тем, что красящие примеси (железа, никеля, хрома и др.) переходят в газообразное состояние в виде хлоридов. Термическое разложение оксидов этих элементов при плавлении кварцевой крупки является основной причиной образования пузырей.

Совокупность изложенных признаков и анализ отличий от прототипа по существующему уровню техники позволяет сделать вывод о "новизне" и "изобретательском уровне" нового способа.

Для подтверждения обоснованности нового технического решения изготовлена крупногабаритная заготовка следующим образом. MCVD методом получена круглая предзаготовка в виде стержня длиной 850 мм и диаметром 12,2±0,2 мм с сердцевиной диаметром 2,0±0,1 мм из германийсиликатного стекла. Предзаготовку расположили соосно с трубкой из кварцевого стекла с наружным диаметром 35 мм, толщиной стенки 1,5 мм и длиной 1 м, заплавленной с одного конца. Зазор между трубкой и предзаготовкой заполняли кварцевой крупкой из природного сырья размером 0,3-0,5 мм. При плотности засыпки, равной 1,3 г/см³, масса крупки составляла 60% от массы крупногабаритной заготовки. Крупка предварительно выдерживалась в течение часа при 500°С в атмосфере пара хлорида аммония. Трубка вакуумировалась до остаточного давления 1 мм ртутного стола, после чего производили сплавление на горизонтальном станке при нагреве вращающейся трубки газовой горелкой до температуры 2050°С. Получена заготовка с наружным диаметром 28,3±0,5 мм и массой 1,2 кг. На длине 800 мм геометрические параметры полученной заготовки соответствовали требованиям по точноразмерности для изготовления одномодового световода: отклонение наружного диаметра от круглости и несоосность сердцевины с заготовкой не превышали 0,45 мм. Такая заготовка позволяет изготовить световод с диаметром 125 мкм, длиной до 40 км. Оптические свойства световодов зависят от состава сердцевины и режимов вытягивания. Их прочностные свойства определяются в основном от степени чистоты кварцевого стекла, из которого изготовлена трубка. Поэтому для изготовления высокопрочных световодов необходимо использовать трубки, изготовленные из стекломассы газофазного синтеза.

Без вакуумирования трубки и газофазной очистки крупки ее расплав содержал регулярно распределенные пузыри. Такая пористая структура в волокне превращается в регулярно расположенные капилляры, уменьшая тем самым эффективный показатель преломления стекла. При использовании предзаготовки из чистого кварцевого стекла волокно, вытянутое из крупногабаритной заготовки, обладает световедущими свойствами. Однако такие световоды из-за высокого уровня оптических потерь и низкой прочности могут быть использованы для решения ограниченного круга технических задач.

Изложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость способа изготовления крупногабаритных заготовок при производстве световодов на основе кварцевого стекла.

Источники информации

1. J.В.MacChesney and P.В.O'Connor, U.S. Patent 4217027.

2. М.А.Ероньян, Ю.Н.Кондратьев, В.П.Смарыго, В.С.Хотимченко, В.В.Щелкунов, Авт. свид. на изобретение №1640929 "Способ изготовления крупногабаритных заготовок кварцевых световодов", Бюллетень изобретений, №33, 1999 г., с.310.