Труба больших размеров из кварцевого стекла, заготовка больших размеров из кварцевого стекла, процесс их изготовления и оптическое волокно из кварцевого стекла

Труба больших размеров из кварцевого стекла, заготовка больших размеров из кварцевого стекла, процесс их изготовления и оптическое волокно из кварцевого стекла

Реферат

 

Труба из кварцевого стекла, изготовленная путем механической обработки трубной заготовки из природного или синтетического кварцевого стекла, наружным диаметром 50 - 300 мм, отношением наружного диаметра к внутреннему от 1,1 до 7, с толщиной стенок 10 мм или более и отклонением толщины стенок 2% или менее, заготовка большого размера из кварцевого стекла, в которой методом размещения стержня в трубе объединены в единое целое труба больших размеров из кварцевого стекла и стеклянный стержень сердцевины для оптического волокна, и способ изготовления заготовки большого размера из кварцевого стекла с помощью механической обработки на высокоточном станке, т.е. интегрирование стержня сердцевины для оптического волокна, как стержня в процессе обработки, с трубой из кварцевого стекла, диаметр которой контролируется путем нагрева, горячего волочения или горячего волочения с давлением с использованием способа безынструментального волочения. 3 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 табл., 7 ил.

Настоящее изобретение относится к трубе больших размеров из кварцевого стекла, имеющей большой диаметр и толстые стенки, и к заготовке для вытяжки оптического волокна, обладающего низкой эксцентричностью и превосходными передающими характеристиками, пригодной для массового производства с низкими издержками. Более конкретно оно относится к заготовке больших размеров из кварцевого стекла, изготовляемой путем объединения в единое целое трубы из синтетического кварцевого стекла со стеклянным стержнем сердцевины оптического одномодового волокна методом размещения стержня в трубе, а также к процессу их изготовления, и к оптическому волокну, полученному из заготовки.

В течение нескольких лет оптические волокна из кварцевого стекла (которые далее именуются просто оптическими волокнами) и более конкретно одномодовые оптические волокна находят практическое применение и используются в больших количествах. Оптические волокна изготовляют главным образом способом OVD (осевое осаждение из парогазовой смеси), способом VAD, (наружное осаждение из парогазовой смеси) [1] и способом MCVD (модифицированное химическое осаждение из парогазовой смеси) [2] На долю полученной такими способами продукции приходится большая часть мирового рынка волокон. Однако область применения оптических волокон расширяется, и в настоящее время волокна используются не только в дальних линиях связи, но и в системах связи общего использования. Поэтому в ближайшем будущем можно ожидать дальнейшего роста потребности в оптических волокнах. Предполагается, однако, что производительность и издержки производства будут, каждый со своей стороны, накладывать ограничение, пока оптические волокна изготовляются тремя обычными способами производства, перечисленными выше.

В связи с тем, что с начала исследований в области оптических волокон прошло 20 лет, изучение их характеристик передачи и надежности в сущности завершено. Поэтому кажется затруднительным разрабатывать новый экономичный процесс, обеспечивающий массовое производство без ухудшение характеристик передачи и надежности.

Массовое производство можно организовать при увеличении размеров заготовок и производительности отдельного устройства. Кроме того, одновременно ожидается дальнейшее снижение издержек производства, поскольку будут значительно снижены затраты на контроль качества и недопущение изготовления некондиционной продукции. Три основных процесса, перечисленные выше, обеспечивают получение высококачественных оптических волокон, однако, учитывая, что первоначально они были маломасштабными лабораторными процессами, они не могут удовлетворить потребности в дешевом массовом производстве, поскольку не расчитаны на наращивание масштабов. Этот факт можно подтвердить конкретными данными: одна заготовка, полученная способом MVCD, может дать оптическое волокно длиной всего от 15 до 30 км, а заготовка, полученная способом VAD или OVD, может дать оптическое волокно длиной от 100 до 200 км.

Три описанных выше способа являются в действительности наилучшими для производства передающей части волокна. Однако одновременное изготовление оболочки в ходе единого производственного процесса далеко от совершенства как с точки зрения снижения издержек производства, так и повышения производительности. Одним из наиболее совершенных методов производства считается раздельное изготовление оболочки, на которую приходится до 80% и более от площади поперечного сечения световода, экономичным и эффективным способом, и объединения его с упоминавшимися выше тремя обычными способами, например, как при изготовлении градиентного волокна или одномодового волокна. Процесс, основанный на приведенной выше концепции, уже находит применение, например, как процесс синтезирования и осаждения оболочки способом OVD на стеклянный стержень сердцевины, полученный способом VAD. Недостатком этого процесса, однако, является низкая эффективность синтетического осаждения слоя оболочки на стеклянный стержень сердцевины, поскольку для этого использовались тонкие и короткие стеклянные стержни. Кроме того, этот процесс был недешев и далеко не пригоден для массового производства, поскольку требовал синтезирование каждого из стеклянных стержней сердцевины.

В соответствии с этим авторы настоящего изобретения провели дальнейшие исследования, касающиеся проблем, описанных выше. В результате было обнаружено, что эти проблемы можно решить путем организации эффективного производства только слоя оболочки отдельно от стеклянного стержня сердцевины и завершающего интегрирования его со стержнем, изготовленным с помощью хорошо известного технического метода. Было выяснено, что для такого процесса лучше всего подходит размещение стержня в трубе.

Однако в процессе размещения стержня в трубе остаются проблемы, которые необходимо решить. При обычном процессе размещения стержня в трубе у обычных труб из кварцевого стекла наружный диаметр равен всего 15 30 мм при толщине стенок от 1 до 6 мм, более того, точность соблюдения размеров настолько мала, что допускает отклонение наружного диаметра в пределах до 10% и толщины стенок до 20 30% Однако при размещении стеклянных стержней сердцевины в такой трубе в соответствии с применяемым процессом требовался зазор в несколько миллиметров, зависящий от длины и размера труб, позволяющий избежать контакта стержня с внутренней стенкой стеклянной трубы. Можно видеть, что эти недостатки, т. е. слишком малый диаметр трубы, низкая точность размеров и необходимость в большом зазоре, вызывают в своем сочетании децентровку заготовки. Это влечет за собой значительную эксцентричность оптического волокна. Считается, что техника размещения стержня в трубе не имеет преимуществ при производстве оптического волокна, учитывая потери на стыках одномодовых оптических волокон в общем объеме работ по соединению множества стержней.

Поскольку свойства стеклянных стержней сердцевины, вставленных в трубу из кварцевого стекла, различаются даже при соблюдении определенных условий изготовления, а также варьируются в зависимости от назначения волокна, его пользователя и процесса производства, необходимо производить высокоточные трубы из кварцевого стекла различных размеров. Изготовление таких различных видов труб из кварцевого стекла различного размера путем шлифования и т. п. требует больших затрат рабочего времени и не отвечает требованиям экономичного массового производства. Рассматривалась возможность использования в качестве способа изготовления различных видов труб из кварцевого стекла процесса горячего волочения. Однако поскольку небольшие отклонения размеров формованной трубы при ее волочении увеличиваются в большой степени, трудно получить трубу с точными заданными размерами.

В дополнение к перечисленным проблемам при использовании процесса размещения стержня в трубе возникают такие проблемы, как образование пузырьков и включений примесей на поверхности сваривания внутренней поверхности стенки трубы из кварцевого стекла и наружной поверхности стеклянного стержня сердцевины. Эта проблема связана не только с атмосферой и способом очистки, применяемыми при размещении стержня в трубе, но и зависит от отделки внутренней поверхности трубы из кварцевого стекла.

В свете перечисленных выше обстоятельств авторы настоящего изобретения ввели интенсивный поиск путей решения указанных проблем. В результате выяснилось, что три хорошо освоенных процесса могут быть модифицированы для того, чтобы увеличить заготовку путем объединения толстостенной трубы большого диаметра из кварцевого стекла со стеклянным стержнем сердцевины световода методом размещения стержня в трубе. Этот модифицированный процесс позволяет получить заготовки больших размеров улучшенного качества в отношении эксцентричности и тому подобного при использовании для волочения одномодового оптического волокна. В то же время процесс дешев и пригоден для массового производства. Перечисленные выше проблемы, связанные с техникой размещения стержня в трубе, решаются за счет использования для производства предварительно обработанных труб большого размера из кварцевого стекла, высокоточного промышленного оборудования, включающего сначала сверление слитка из кварцевого стекла больших размеров или трубчатой стеклянной заготовки перфоратором сверлильного станка с полым сверлом /товарное наименование выполнено Техническим институтом Уэда/, радиально-шлифовальной машины или высокоточного хонингования, затем механическое шлифование, сверление и полировку внутренней и наружной поверхностей полученной трубы для получения высокой точности трубы по размерам, удаление с поверхности пятен, зачистка деформаций и придание поверхности шероховатости путем протравливания фтористоводородной кислотой, кроме того, возможно сверление полученной трубной заготовки из кварцевого стекла путем прессования горячего графитового сверла (упоминаемого ниже как "процесс впрессовывания горячего графитового сверла") с последующей термообработкой полученной исходной трубы из кварцевого стекла методом безинструментального волочения, заключительное введение в полученную черновую трубу из кварцевого стекла указанного стержня сердцевины световода с получением сплошной заготовки методом размещения стержня в трубе. Эти процессы позволяют изготовить заготовку, из которой можно получить высококачественное оптическое волокно длиной до 3 тыс. км. Наилучших свойств оптического волокна можно добиться при использовании в качестве сырья синтетического кварцевого стекла, осушенного и очищенного от всех посторонних включений и примесей, а также с контролируемым показателем преломления. Настоящее изобретение основывается на указанных результатах исследований.

Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления трубы большого диаметра из кварцевого стекла, с внешним диаметром 50 300 мм, отношением внешнего диаметра к внутреннему 1,2 7 и толщиной стенки более 100 мм [3] Целью настоящего изобретения является получение высокоточной толстостенной трубы большого размера из кварцевого стекла.

Другой целью настоящего изобретения является получение заготовок большего размера из кварцевого стекла, обеспечивающих массовое производство оптических волокон при низких издержках.

Другой целью настоящего изобретения является получение высокоточных заготовок большего размера из кварцевого стекла, позволяющих производить качественные оптические волокна.

Еще одной целью настоящего изобретения является получение качественных оптических волокон, изготовленных из высокоточных заготовок большого размера из кварцевого стекла.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа изготовления упомянутой высокоточной толстостенной трубы большего размера из кварцевого стекла. Другой целью настоящего изобретение является создание способа изготовления заготовки большого размера из кварцевого стекла с использованием упомянутой трубы большого размера из кварцевого стекла.

Для достижения этих целей в соответствии с настоящим изобретением предлагается заготовка большого размера, имеющая низкую эксцентричность при слабом образовании пузырьков на поверхности сваривания стержня и трубы, обеспечивающая снижение издержек производства и повышение производительности, которая может быть использована для изготовления качественных оптических волокон.

На фиг. 1 представлен горизонтальный поперечный разрез трубы большого размера из кварцевого стекла в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 горизонтальный поперечный разрез заготовки большого размера из кварцевого стекла для волочения одномодового волокна, изготовленной в соответствии с настоящим изобретением с использованием трубы большого размера из кварцевого стекла; на фиг. 3 схематическое изображение в горизонтальном поперечном разрезе оптического волокна, изготовленного из заготовки для одномодового волокна, показанной на фиг. 2; на фиг. 4 схема распределения коэффициента преломления и интенсивности света в одномодовом волокне; на фиг. 5 схематическое изображение с частичным вертикальным разрезом способа изготовления трубы большого размера из кварцевого стекла с использованием перфоратора с полым сверлом, который является предпочтительным вариантом реализации изобретения; на фиг. 6 схематическое изображение способа изготовления трубы большого размера из кварцевого стекла с использованием процесса прессования сверла из горячего графита, который является другим предпочтительным вариантом реализации изобретения; на фиг. 7 схематическое изображение способа изготовления термообработанной трубы большого размера из кварцевого стекла с использованием безынструментального метода волочения предварительно обработанной трубы из кварцевого стекла, что также является еще одним предпочтительным вариантом реализации изобретения.

Настоящее изобретение относится к трубе большого размера из кварцевого стекла наружным диаметром от 50 до 200 мм, толщиной стенки 10 мм и более, с отношением наружного диаметра к внутреннему от 1,1 до 7,0 и с отклонениями по толщине стенок 2% или менее, заготовки большого размера из кварцевого стекла, полученной методом размещения стержня в трубе, заключающемся в соединении полученной трубы из кварцевого стекла со стержнем из оптического стекла в единое целое, и к оптическому волокну, полученному волочением этой заготовки. Полученная заготовка изготавливается с помощью прецесса, включающего механическое высокоточное шлифование наружной поверхности или наружной и внутренней поверхности трубной заготовки из кварцевого стекла с доводкой шероховатости внутренней поверхности до 20 мкм или менее с использованием метода размещения стеклянного стержня сердцевины световода. Применяемые здесь термины имеют следующие значения.

/1/ "Труба большого размера из кварцевого стекла" относится к трубчатому изделию из кварцевого стекла, включающему трубы из природного кварцевого стекла и синтетического кварцевого стекла, изготовленному для размещения стержня в трубе.

/2/ "Трубная заготовка из кварцевого стекла" относится к заготовке больших размеров из кварцевого стекла в виде длинных цилиндрических слитков или трубчатых изделий большого размера из кварцевого стекла, изготовленных из имеющего высокую степень частоты природного кварцевого стекла или синтетического кварцевого стекла, и к кварцевому стеклу, наружная поверхность которого предварительно подвергнута черновой очистке до его доводке до нужного размера.

В случае синтетического кварцевого стекла группы OH и показатель преломления (n) контролируются в соответствии с заданным качеством продукции. Разница показателя преломления (n) удерживается в пределах 0,02% /3/ "Черновая труба из кварцевого стекла" относится к трубе большого размера из кварцевого стекла, имеющей заданные размеры, полученные путем механического шлифования и перфорирования цилиндрической трубной заготовки из кварцевого стекла перфоратором с полым стеклом, или путем перфорирования и придания трубчатой формы этой же трубной заготовки процессом прессования горячего графитового сверла, или путем синтезирования кварцевого стекла в трубчатой форме с последующим грубым шлифованием ее наружной и внутренней поверхностей.

/4/ "Предварительно обработанная труба из кварцевого стекла" относится к трубе большого размера из кварцевого стекла с точно определенными наружным и внутренними диаметрами, не допускающими отклонения толщины стенок от заданного значения более чем на 2% и в которой шероховатость внутренней поверхности после протравливания фтористоводородной кислотой не превышает 20 мкм.

/5/ "Термообработанная труба из кварцевого стекла" относится к трубе больших размеров из кварцевого стекла, полученной после термообработки, нагрева и волочения или нагрева и волочения под давлением в соответствии с методом безынструментального волочения предварительно обработанной трубы из кварцевого стекла, соответственно этот термин относится к трубе из синтетического кварцевого стекла с термообработанной поверхностью и/или к трубе с диаметром, отличающимся от диаметра предварительно обработанной трубы из кварцевого стекла.

/6/ "Отклонение толщины" означают величину, выражаемую формулой: [(t_max t_mini)/(t_max + t_mini)/2] 100 (%), где t_max максимальная толщина стенки трубы и t_mini - минимальная толщина стенки трубы, значения которых определяют путем измерения толщины (t) на участке трубы больших размеров из кварцевого стекла заранее установленной длины, например, в пяти или более точках в продольном направлении или путем вращения полученной трубы и измерения ее при этом через интервалы по 50 100 мм, представляя максимальное значение как процентное по всей длине.

/7/ "Безынструментальный способ волочения" относится к способу, включающему нанесение расплава, образующего глухой конец на предварительно обработанной трубе из кварцевого стекла и притягиванием трубы тянущими роликами вниз через зону нагрева с компьютерным управлением. Таким образом предварительно обработанную трубу из кварцевого стекла можно подвергнуть безконтактной термообработке, нагреву и волочению или нагреву и волочению под давлением.

/8/ "Стеклянный стержень сердцевины оптического волокна" относится к стеклянному стержню, служащему световодом, состоящим из собственно сердцевины и оптической осажденной части, включая сердцевину с достаточной нанесенной синтезированной оболочкой для световода, такого как одномодовый световод или многомодовый световод, используемому в системах связи общего назначения, требующих высокого качества, или, кроме того, плакированная сердцевина, помещенная в оболочку, синтезированную методом OVD, или в трубу из кварцевого стекла, и не позволяющая вытягивать волокно до стандартных значений.

Труба из кварцевого стекла, предназначенная для использования в процессе размещения стержня в трубе, является трубой больших размеров из числа упоминавшихся выше труб больших размеров из кварцевого стекла, наружный диаметр которых составляет от 50 до 300 мм, а кварцевое стекло, из которого она изготовлена, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к трубам, служащим оболочкой оптических волокон. Труба большого диаметра из кварцевого стекла и с толстыми стенками может демонстрировать уменьшенные отклонения по размерам. Эксцентричность оптического волокна, вытянутого из крупной заготовки, полученной методом размещения стержня в трубе, может быть уменьшена, причем в условиях высокоэффективного массового производства с низкими издержками.

Чем больше будет наружный диаметр или отношение наружного диаметра к внутреннему, тем более точно может быть изготовлено оптическое волокно, поскольку абсолютное значение в большой степени зависит от толщины стенок трубы. И наоборот, чем меньше наружный диаметр или отношение наружного диаметра к внутреннему, тем больше возрастает погрешность, в результате чего требуется высокая точность размера опорной трубы, соприкасающейся с сердцевиной, при использовании метода и тонкостенной трубы небольшого диаметра в случае создания нескольких оболочек.

На фиг. 1 и 2 соответственно показан горизонтальный поперечный разрез трубы большого диаметра из кварцевого стекла и крупной заготовки из кварцевого стекла, являющийся предметом настоящего изобретения.

На фиг. 1 D_o обозначает наружный диаметр и D_i внутренний диаметр. На фиг. 2 позицией 1 обозначен стеклянный стержень сердцевины, позицией 2 слой оболочки и позицией 3 обжатая труба большого размера из кварцевого стекла.

На фиг. 3 показано горизонтальное схематическое изображение в поперечном разрезе, иллюстрирующее оптическое волокно, например, одномодовое волокно, вытянутое из упомянутой выше крупной заготовки кварцевого стекла. На фиг. 3 позицией 4 обозначена сердцевина, позицией 5 слой оптической оболочки и позицией 6 слой наружной оболочки, в то время как "а" показывает диаметр сердцевины /d core/, "b" -диаметр оптической оболочки /d cladi/ и "c" наружный диаметр оптического волокна /d clado/, например 125 мкм.

Распределение показателя преломления и интенсивности света в полученном одномодовом волокне показано на фиг. 4.

На фиг. 4 оптическая оболочка является частью, где световая энергия выходит за пределы диаметра сердцевины /d coreo/. Диаметр оптической оболочки /d cladi/ включает поэтому слой оболочки, синтезированный одновременно и вместе с сердцевиной. Величина диаметра оптической оболочки будет варьироваться в зависимости от таких условий, как профиль распределения показателя преломления в сердцевине, разница в показателе преломления / (n) /, область применения волокна. Величина, полученная умножением фактических результатов на показатель надежности, используется обычно в качестве диаметра оптической оболочки. Стержень сердцевины из оптического кварцевого стекла в данном изобретении представляет собой пруток из кварцевого стекла с оптической оболочкой, показанной на фиг. 4.

Как упоминалось выше, в связи с тем что оптическое волокно в соответствии с настоящим изобретением вытягивают из крупной заготовки, отношение d clado/d cladi наружного диаметра /d clado/ оптического волокна /на фиг. 3/ к диаметру оптической оболочки /d cladi/ примерно пропорционально отношению D_o /D_i наружного диаметра /D_o/ к внутреннему диаметру /D_i/ трубы большого размера из кварцевого стекла /фиг. 1/, из которой изготавливают крупную заготовку /фиг. 2/. В соответствии с этим необходимо конструировать оптические волокна, руководствуясь значением D_o/D_i. Например, если предположить, что диаметр сердцевины одномодового волокна /для диапазона длин волн 1,3 мкм/ равен 9 мкм, диаметр многомодового волокна градиентного типа равен 50 мкм и наружный диаметр оптического волокна равен 125 мкм, D_o/D_i получает значения, приведенные в табл. 1.

В соответствии с табл. 1, например, D_o/D_i становится равным 2,5 или менее и в случае, если волокно является многомодовым волокном, доля синтезированной одновременно с сердцевиной оболочки по отношению к сердцевине равна 5 30% Поэтому диаметр оптической оболочки /d cladi/ волокна, имеющего, например, 20% оболочки, равен 60 мкм и D_o/D_i 2,08. Если волокно одномодовое, то для получения практически применимого волокна требуется, чтобы D_o/D_i было ниже 7. То есть распределение мощности в полосе 1,3 мкм /таких как согласованные волокна с покрытием, deplest волокна/, полосе 1,55 мкм и типы смещения дисперсии соответственно принимаются равными примерно 20 мкм или менее. Отношение d cladi / d core 3 или более, т.е. D_o/D_i 4,63 применяется как практические диапазоны, принимаемые во внимание для показателя надежности. D_o/D_i будет также иметь меньшее значение при использовании в заготовке двойной или тройной оболочки. Выбор значения D_o/D_i в диапазоне от 1,1 до 7 является необходимым условием для получения практически применимых волокон. Вполне естественно, что между кварцевой трубой и стержнем сердцевины в случае, если труба из кварцевого стекла предназначена для процесса размещения в ней стержня, могут иметься зазоры, поскольку D_o/D_i является отношением для заготовки.

При изготовлении трубы большого размера из кварцевого стекла из заготовки из кварцевого стекла могут быть использованы различные известные процессы обработки кварца природного происхождения. Так, могут оказаться полезными процесс вытягивания из расплава и процесс формовки в форме. Однако с помощью процесса вытягивания из расплава трудно осуществлять формовку трубы большого диаметра. В случае использования процесса вытягивания из расплава жаропрочной материал тигля при плавлении материала в течение многих часов оказывается в контакте с расплавленным стеклом, в результате чего путем диффузии примеси из жаропрочного материала переходят во внутреннюю и наружную поверхности кварцевого стекла. Такие примеси оказывают отрицательное воздействие, снижая прозрачность оптического волокна. Поэтому возникает необходимость в удалении загрязненной части сердцевины, когда труба, служащая оболочкой, входит в контакт с сердцевиной.

Для изготовления труб большого размера из кварцевого стекла в соответствии с настоящим изобретением рекомендуются следующие три способа.

Первый способ включает два этапа. На первом этапе готовится цилиндрическая заготовка из кварцевого стекла. На втором этапе заготовку подвергают или механическому сверлению, используя для этого перфоратор с полым сверлом, показанный на фиг. 5, чтобы получить отверстие в центре, или же для получения отверстия в течение короткого времени впрессовывают горячее графитовое сверло.

Второй рекомендуемый способ, при котором на сердечник из жаропрочного материала наносится мелкодисперсный пористый кремнистый порошок, после чего сердечник удаляется, а нанесенный материал подвергают осушению и оплавлению с целью стеклообразования.

Третий способ заключается в непосредственной формовке перфорированного дисперсного материала способом VAD с последующим оплавлением осушенного осажденного материала с целью стеклообразования.

На фиг. 5 позицией 7 обозначена цилиндрическая трубная заготовка из кварцевого стекла, позицией 8 полое сверло и позицией 9 наждачный порошок. На фиг. 6 схематически показан процесс впресcовывания горячего графитового сверла, где позицией 10 обозначена цилиндрическая трубная заготовка из кварцевого стекла, позицией 11 графитовое сверло, позицией 12 черновая труба из кварцевого стекла и позицией 13 нагревательное устройство. При значительной первоначальной погрешности в значении толщины стенок трубы из кварцевого стекла последующий нагрев и волочение вызывают относительное увеличение погрешности. Поскольку применение многослойной оболочки также ведет к увеличению погрешности, возникает острая необходимость в тщательном соблюдении размеров.

С высокой точностью черновую трубу из кварцевого стекла можно получить из трубной заготовки из кварцевого стекла с помощью механического шлифования. При увеличении объема кварцевого стекла становится возможным механическое шлифование и точное шлифование с использованием, в частности, хорошо известных станков. Однако механическая обработка с высокой точностью может быть возможна только ценой появления различных дефектов, таких как микротрещины, волосные трещины, напряжения от механической обработки и т. п. которые остаются на обработанной поверхности, вызывая возникновение пузырьков на внутренней поверхности раздела при интегрировании путем размещения стержня в трубе. Для решения указанных проблем применяются высокоточное механическое полирование, огневое полирование внутренней поверхности или формирование на внутренней поверхности специального стеклянного слоя, позволяющие добиться шероховатости внутренней поверхности порядка 0,01 мм.

Однако эти способы обработки настолько трудоемки, что почти невозможно организовать массовое производство труб из кварцевого стекла больших размеров (большого диаметра, толстостенных или большой длины). Выяснено, однако, что полирование внутренней поверхности черновой трубы из высокочистого кварцевого стекла можно выполнить, используя высокоточный хонинговальный станок.

С помощью этого процесса из черновой трубы из кварцевого стекла наружным диаметром 50 мм или более и длиной приблизительно 3000 мм можно получить прямую трубу с высокой степенью округлости поперечного сечения. В соответствии с этим поверхность полученной трубы должна быть подвергнута отделке путем механического полирования со сменой шлифовального камня или варьированием зерна абразивных порошков, с тем чтобы удалить трещины, волосные трещины, деформации, вызванные напряжением, и тому подобное, с последующим травлением фтористоводородной кислотой с целью снятия концентрированных напряжений.

Затем труба подвергается ультразвуковой промывке с целью удаления с поверхности загрязнений, после чего шероховатость внутренней поверхности доводится до 20 мкм или менее. Иными словами, обработка нагревом может сделать поверхность трубы гладкой за счет удаления острых неровностей, возникающих в ходе механического шлифования, снимает напряжения и ограничивает образование пузырьков.

Эксперимент, проводимый авторами изобретения, показал, что шероховатость внутренней поверхности после шлифования превышает 20 мкм, и такие повреждения не могут быть удалены или сняты нагревом или волочением, а на внутренней поверхности раздела при этом образуются пузырьки в процессе интеграции при размещении стержня в трубе. Предпочтительным средством отделки внутренней поверхности трубы из кварцевого стекла является высокоточный процесс хонингования, который применим или в случае, когда цилиндрическая трубная заготовка из кварцевого стекла подвергается механическому сверлению перфоратором с полым сверлом или тому подобным с целью получения канала в центре, или применяется на черновой трубе из кварцевого стекла, полученной путем грубого механического шлифования внутренней и наружной поверхностей крупной трубной заготовки из кварцевого стекла в соответствии с процессом OVD или подобным ему.

В результате зазор между трубой из кварцевого стекла и стеклянным стержнем сердцевины может быть уменьшен. При таком подходе черновая труба, внутренняя поверхность которой подвергнута шлифованию и механическому полированию на высокоточном хонинговальном станке, подвергается шлифованию по периферии, чтобы отклонения толщины стенок не превышали 2% Если отклонения стенок по толщине оказываются в этих пределах, увеличения отклонения при волочении можно избежать и поэтому эксцентричность волокна не ухудшается.

При способе впрессовывания горячего графитового сверла цилиндрическую трубную заготовку из кварцевого стекла нагревают и по центру заготовки впрессовывают графитовое сверло. Применение такого способа получения канала обладает тем преимуществом, что позволяет легко получить трубу больших размеров из кварцевого стекла с шероховатостью внутренней поверхности 20 мкм, а практически всего несколько мкм, без шлифования или полирования внутренней поверхности трубы из кварцевого стекла. Если наружный диаметр трубной заготовки из кварцевого стекла превышает 50 мм, эксцентричность канала и прямолинейность трубы могут быть заметно улучшены.

Соответственно, если для получения канала в цилиндрической трубной заготовке из кварцевого стекла наружным диаметром 50 мм или более применить процесс горячего впрессовывания графитового сверла, из нее можно получить прямую цилиндрическую трубу наружным диаметром 300 мм или более и длиной приблизительно 3000 мм, поперечное сечение которой обладает превосходной округлостью в любой точке по ее длине.

Условия шлифования по внешней периферии не являются столь же жесткими, как и в случае внутренней периферии, поскольку внешняя периферия подвергается непосредственному нагреву в зоне нагревания. Тем не менее шероховатость поверхности внешней периферии следует контролировать, не допуская, чтобы она превышала 200 мкм, предпочтительно 100 мкм или менее, и используя травление фтористоводородной кислотой для удаления или снятия частей с концентрацией высоких напряжений, поскольку их качество оказывает влияние на стойкость к образованию трещин в конечной продукции, т. е. оптического волокна. При контролировании шероховатости поверхности могут быть использованы хорошо освоенные способы механической обработки слитков из полупроводниковых материалов и различных типов керамических материалов, такие как стандартное периферийное шлифование или процесс с использованием круглошлифовального станка.

После перечисленных процессов прошедшая механическую обработку поверхность подвергается чистовой обработке полированием, чтобы отклонения толщины стенок не превышали 2% и травлению фтористоводородной кислотой, чтобы получить предварительно обработанную трубу из кварцевого стекла с шероховатостью внутренней поверхности 20 мкм или менее. Предварительно обработанная трубка из кварцевого стекла объединяется со стеклянным стержнем сердцевины методом размещения стержня в трубе, чтобы получить оптическое волокно.

Характеристики стеклянного стержня сердцевины могут варьироваться даже в случае его изготовления в одинаковых условиях и зависят от технических требований к волокну, от условий пользователя или методов производства.

В соответствии с этим с помощью процесса нагрева и волочения могут изготавливаться многие виды труб из кварцевого стекла различных размеров, с тем чтобы обеспечить соответствие предварительно обработанной трубы из кварцевого стекла стеклянному стержню сердцевины. В этом процессе горячей обработки для недопущения адгезии примесей применяется процесс безынструментального волочения.

Фиг. 7 схематически иллюстрирует процесс безынструментального волочения, на котором позицией 14 обозначена предварительно обработанная труба из кварцевого стекла, позицией 15 источник нагрева, позицией 16 тянущие валки, позицией 17 глухой конец трубы, позицией 18 -термообработанная труба из кварцевого стекла и позицией 19 датчик.

Для получения нужных размеров с высокой точностью в ходе этого процесса должны быть применены волочение и внутреннее давление. Давление должно варьироваться в зависимости от размеров толщины стенок предварительно обработанной трубы, вязкости стекла при нагреве и степени вытяжки, для получения размеров с высокой точностью процесс должен осуществляться таким образом, чтобы отношение (D_o/D_i)/(d_o/d_i) находилось в пределах от 1,0 до 1,5, причем D_o и D_i представляют наружный и внутренний диаметр предварительно обработанной трубы из синтетического кварцевого стекла соответственно, а d_o и d_i представляют наружный и внутренний диаметр термообработанной трубы соответственно. Если указанное отношение оказывается меньше 1,0, возможно деформация трубы при термообработке, а если отношение превысит 1,5, погрешность в толщине стенок становится настолько большой, что при определенных температурных условиях возможен разрыв трубы. Поэтому точность размера трубы из кварцевого стекла не может быть обеспечена, если отношение выходит за указанные пределы. В частности, если отношение приближается к 1,5, отклонения в толщине стенок должны в точности соответствовать диапазону до 2% Термообработка труб диаметром 50 300 мм должна осуществляться в диапазоне температур от 1600^oC до 3000^oC, предпочтительно от 1600^oC до 3000^oC. Если термообработка осуществляется при более низких, чем указанные, температурах, предварительно обработанная труба из кварцевого стекла не будет в достаточной степени размягчена, если она осуществляется при более высоки