CN100371275C - 在外部气相沉积法中制备光纤预制棒的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在OVD(外部气相沉积)法中，通过在旋转芯棒的表面上沉积火焰水解物颗粒来制备光纤预制棒的方法，该颗粒由喷灯喷射的燃气反应生成。在本方法和设备中，在沉积所述火焰水解物时，通过使所述的预制棒表面上一个点的轨迹速度保持恒定或逐渐减小，从而控制沉积在所述预制棒上的火焰水解物颗粒的沉积浓度保持恒定而不随所述预制棒的半径变化，或者控制沉积浓度向所述预制棒的外围方向逐渐增加。

Description

在外部气相沉积法中制备光纤预制棒的方法和设备

技术领域

本发明涉及光纤预制棒的制备，更具体地说，涉及在外部气相沉积法(OVD)中通过控制预制棒上的火焰水解物(soot)颗粒的沉积处理来制备高品质光纤预制棒的方法和设备。

背景技术

现在，使用诸如MCVD(改进的化学气相沉积法)、OVD(外部气相沉积法)、VAD(气相轴向沉积法)和PCVD(等离子化学气相沉积法)等多种方法来制备光纤预制棒。在这些方法当中，OVD法得到了广泛的使用，因为它可以确保高沉积速率并使得能够制备大型光纤预制棒。

参照图1，在所述的OVD法中，通过在芯棒2上沉积诸如SiO₂和GeO₂等火焰水解物颗粒3来制备预制棒4。根据如下所述的化学反应式，在1100℃或高于1100℃，当使用诸如H₂或CH₄等燃气和诸如H₂O等氧气燃烧产物来水解前体氯化物SiCl₄或用载气O₂直接氧化SiCl₄时，生成尺寸大约为1μm的SiO₂，该SiO₂是用于制备光纤预制棒的火焰水解物颗粒。

化学反应式1

SiCl₄+2H₂O→SiO₂+4HCl(水解)

SiCl₄+2O₂→SiO₂+2C1₂(氧化)

GeCl₂在芯棒2上沉积时，它通过上述的水解或氧化反应变成了GeO₂。诸如SiO₂和GeO₂等火焰水解物颗粒沉积的机理是热泳。热泳是指当细颗粒存在于具有温度梯度的气体中时，由于所述的颗粒与气体分子之间的动量交换，所述的颗粒从高温区向低温区移动。热泳由如下方程表示。

方程1

V_t＝-(Kv/T)/ΔT

其中，K_v为热泳常数，ΔT是温度梯度。

根据方程1，可以看出温度梯度显著地影响颗粒的沉积。在OVD法中，水解或氧化生成的诸如SiO₂和GeO₂等火焰水解物颗粒随着从喷灯1中喷射出的高温气体一起移动。所述的火焰水解物颗粒通过温度梯度在经过芯棒2的周围时沉积并聚集在芯棒2上，从而制备出预制棒4。

通常，为了进行上述处理，应良好地供应作为燃气的氧气和氢气以便更好地反应。然而，一般不可能通过提供充分的热流来保持与预制棒的表面旋转速度和体积相应的适当温度，因为随着沉积的进行，预制棒的外径增加，于是预制棒的表面旋转速度和体积增加。此外，现有技术不能为所述的颗粒在火焰中的生长提供足够的时间。

另一方面，在用于烧结其上沉积了火焰水解物颗粒的预制棒4的烧结处理中，由于颗粒的结合，预制棒的体积和长度收缩高达20到30％，并且预制棒的外径也减少10到30％之多。因此，应单独进行用于去除在烧结处理中生成的诸如氢氧根(OH^-)或气泡等许多杂质的处理。

为了解决这些问题，在美国专利No.4,731,103中公开了根据处理的进程来移动喷灯，从而保持喷灯和预制棒之间的距离不变的方法。

图2所示为SiO₂颗粒的尺寸，其随着从喷灯中输出的SiCl₄气体穿过火焰的时间而增长，该时间与喷灯和预制棒之间的距离成正比。参照图2，应当理解，SiCl₄在穿过火焰的过程中生长为越来越大的SiO₂颗粒。为了获得高品质的光纤预制棒，优选地应沉积具有适当尺寸的颗粒。在上述美国专利中所公开的根据处理的进程移动喷灯，从而保持喷灯和预制棒之间的距离的方法适于控制沉积的颗粒具有恒定的尺寸，但不能解决由热流不足引起的火焰水解物颗粒沉积浓度失衡的问题。

图3a到3d所示为现有技术中随着预制棒半径的变化的沉积浓度和沉积颗粒尺寸。参照图3a，应当理解，在没有沿垂直方向控制喷灯的情况下，沉积在预制棒上的颗粒尺寸随预制棒的半径的增加而逐渐减小。此外，沉积在预制棒上的火焰水解物沉积浓度随半径的增加而减少，如图3b所示。图3c所示为上述美国专利的结果，其中喷灯和预制棒的距离保持不变。在此情况中，尽管沉积的颗粒的尺寸不变，但是火焰水解物的沉积浓度还是减少，如图3d所示，因为预制棒的表面移动速度随所述的半径的增加而加快。

图4所示为在沉积浓度随外径的增加而减少的情况下，在烧结过程中温度梯度和烧结速率沿预制棒半径的分布。由于是在单独的烧结炉中进行所述的烧结处理，所以是从其外表面加热预制棒。因此，为了均匀增加整个预制棒的温度，应从低温开始缓慢加热预制棒，这使得制备预制棒所需的时间延长了。此外，由于浓度从内围到外围减少，如图4所示，在预制棒的外围的烧结速度要快得多，这导致预制棒烧结不彻底，并且会由于预制棒内部和外部的收缩差异而在预制棒中产生裂纹。

作为解决这一问题的另一例子是采用以下方法，该方法通过增加诸如氢气和氧气等燃气供给速率，以便补充由于预制棒直径的增加所引起的预制棒单位表面积上的热流不足。然而，热流的增加使得火焰温度升高，从而影响了颗粒的生长和沉积。由于这种原因，控制沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒仍然非常困难。

发明内容

设计本发明以解决现有技术的上述问题，因此本发明的目的是提供制备光纤预制棒的方法和设备，在OVD(外部气相沉积)法中，该方法能够在芯棒上沉积诸如SiO₂等火焰水解物颗粒的同时，通过控制沉积颗粒的沉积浓度和尺寸来防止生成裂纹、雪球状物和因预制棒的尺寸较大而导致的不完全玻璃化，同时缩短烧结预制棒所需的时间，从而缩短制备预制棒所需的时间。

为了实现上述目的，本发明提供在OVD(外部气相沉积)法中，通过在旋转芯棒的表面上沉积火焰水解物颗粒来制备光纤预制棒的方法，该颗粒由喷灯喷射的燃气反应生成，其中，在沉积所述的火焰水解物颗粒时，该方法通过保持预制棒表面上一个点的轨迹速度恒定或逐渐减少，以控制沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒的沉积浓度，使该浓度保持恒定而不随预制棒的半径变化，或朝着预制棒的外围逐渐增加。

在沉积火焰水解物颗粒时，通过逐渐减少预制棒旋转的角速度或者逐渐减少预制棒和喷灯之间的相对水平速度，可以使上述轨迹速度保持恒定或逐渐减小。

此外，在沉积火焰水解物颗粒时，还可以逐渐增加与预制棒表面上一个点相接触的燃气的供给速率。

根据本发明的另一方面，还提供了在OVD法中通过在旋转芯棒的表面上沉积火焰水解物颗粒来制备光纤预制棒的方法，该颗粒由喷灯喷射的燃气的反应生成，该方法包括如下步骤：(a)设置预制棒的初始半径、旋转的初始角速度、该预制棒和该喷灯之间的初始相对水平速度和该喷灯的燃气的初始供给速率；(b)使用所述初始半径、初始角速度和该预制棒和该喷灯之间的初始相对水平速度来计算预制棒的表面上一个点的初始轨迹速度；(c)测量在某一时刻t的预制棒的半径，该半径随火焰水解物颗粒的沉积逐渐增加；(d)根据所述某一时刻t的预制棒的半径计算该预制棒表面上的一个点在该时刻t的轨迹速度；以及(e)控制该预制棒旋转的角速度和/或该预制棒和该喷灯之间的相对水平速度，使得该时刻t的轨迹速度等于或小于其初始轨迹速度。

为了实现上述目的，本发明还提供了在OVD中通过在旋转芯棒上沉积火焰水解物颗粒来制备光纤预制棒的设备，该设备包括：预制棒旋转单元，其用于旋转在其上形成预制棒的芯棒；喷灯，其用于供应燃气以生成火焰水解物颗粒；喷灯水平移动装置，其用于相对于预制棒水平地移动喷灯；与所述的喷灯连通的流量控制装置，其用于控制燃气的供给速率；半径测量装置，其用于测量所述预制棒的半径，该半径随着所述的火焰水解物颗粒的沉积逐渐增加；以及过程控制装置，其根据由所述的半径测量装置测得的预制棒半径，控制所述的预制棒旋转单元和/或喷灯水平移动装置。

下面将结合附图详细描述本发明的优选实施方案的这些和其他特点、方面和优点。

附图说明

图1是示出根据现有技术在OVD法中制备光纤预制棒的设备的示意图；

图2是示出SiO₂火焰水解物颗粒的尺寸的图，该尺寸随前体SiO₄穿过火焰的时间而增大；

图3a到3d是示出在根据现有技术制备预制棒时，沉积浓度和沉积颗粒的尺寸随预制棒半径的增加而变化的图；

图4是示出在根据现有技术烧结预制棒时在预制棒中的温度梯度和烧结速度的图；

图5a到5c是示出在普通火焰水解物颗粒的沉积处理中预制棒表面上的一个点的轨迹速度的图；

图6是示出预制棒表面温度随喷灯热流的增加而变化的图；

图7是示出预制棒表面温度随普通预制棒体积的增加而变化的图；

图8是示出根据本发明制备光纤预制棒的设备的示意图；

图9a和9b是说明根据本发明控制沉积颗粒的方法的流程图；

图10a到10d是示出在根据本发明的实施方案制备预制棒时，沉积浓度和沉积颗粒的尺寸随预制棒半径的增加而变化的图；

图11是示出在根据本发明的实施方案烧结预制棒时，温度梯度和烧结速度随预制棒半径而变化的图；

图12a到12d是示出在根据本发明的另一实施方案制备预制棒时，沉积浓度和沉积颗粒的尺寸随预制棒半径的增加而变化的图；

图13是示出在根据本发明的另一实施方案烧结预制棒时，温度梯度和烧结速度随预制棒半径而变化的图。

具体实施方式

以下，参照附图将详细描述本发明的优选实施方案。首先，基于发明人可能以最佳方式适当地定义术语的概念以描述其自己的发明的事实，不应限于普通或字典中的含义来解释在本说明书和权利要求中使用的术语和措辞，而应将这些术语和措词视为包括符合本发明各技术方面的含义和概念。因此，本说明书中描述的和图中绘制的构造仅是本发明最优选的实施方案，而并未显示本发明的所有技术方面。因此，应当理解，可能存在可由这些实施方案替代的各种等同方式和变化方式。

在本发明的一个实施方案中，制备了沉积浓度均匀而不随预制棒的半径变化的预制棒。为此目的，调整该预制棒的旋转速度、该预制棒和喷灯之间的相对水平速度和燃气的供给速率，以控制火焰水解物颗粒的生长机制。此时，按如下方法计算应用于本实施方案的预制棒旋转速度、预制棒和喷灯之间的相对水平速度和燃气的供给速率。

首先描述控制预制棒的旋转速度和水平速度的方式。图5a所示为通过OVD(外部气相沉积)法制备预制棒时，预制棒11的表面上的一个点(A)的水平速度(v)和旋转角速度(ω)，图5b所示为预制棒11的表面上的该点(A)在喷灯32(见图8)附近环绕移动时所遵循的螺旋轨迹，图5c所示为预制棒11的表面上的一个点(A)的速度矢量。轨迹速度(V)即所述的预制棒表面上的该螺旋移动的点的速度，它按如下方程表达为预制棒半径(R)的函数。

方程2

$V=\sqrt{{\left(\mathrm{R\ω}\right)}^2+v^2}$

在方程2中，如果预制棒的水平速度(v)和旋转角速度(ω)恒定，则该预制棒11上该点(A)的轨迹速度随预制棒11的半径增加而逐渐增加，并且预制棒的体积也与半径(R)的平方成比例增加。此外，如果相同的热流作用在预制棒上，则每单位表面积的热流比初始时的情况减少了，因此在预制棒表面上的一个点(A)的温度随着该处理的进行而逐渐降低。

在单位时间的热流固定的情况下，假设在该处理开始的位置，预制棒的半径为R₀，该预制棒11和喷灯32之间的相对水平速度为v₀，该预制棒的旋转角速度为ω₀。并且，如果还假设该处理过程中在某时刻t，该预制棒的半径为R_t，水平速度为v_t，旋转角速度为ω₀，则在预制棒表面上的这个点穿过喷灯32火焰的处理过程中，其初始轨迹速度V_o和轨迹速度V_t可以按下列方程表达。

方程3

$V_o=\sqrt{{v_o}^2+{\left(R_o{\mathrm{\ω}}_o\right)}^2}$

方程4

$V_t=\sqrt{{v_t}^2+{\left(R_t{\mathrm{\ω}}_t\right)}^2}$

如果象方程3和4那样不考虑喷灯的热流，则可以根据该处理中半径(R)的变化，使用轨迹速度(V₀和V_t)控制预制棒的旋转角速度(ω)和水平速度(v)，从而使得预制棒表面的温度保持恒定。然而，随着半径(R)的增加，由于预制棒11的体积随着半径的平方成比例增加，所以如果喷灯32的热流不增加，则为了使预制棒的表面温度保持恒定或逐渐增加，该预制棒表面上的点的轨迹速度应当逐渐降低。

因此，如果预制棒的体积和热容是常数，则可以根据单位时间内穿过单位热流的预制棒面积来确定该预制棒表面上的一个点(A)的温度。换句话说，其表面温度显示了如下方程所示的比例公式。

方程5

其中，h_t为某时刻t的喷灯热流，V_t为每一处理中预制棒表面上的一个点的轨迹速度，该轨迹速度如方程4所定义。H(h_t)为来自喷灯的燃气的供给速率(h_t)的函数，它影响预制棒的温度，该函数为单调递增函数，满足当h_t2＞h_t1时H(h_t2)＞H(h_t1)的关系。

然而，由于预制棒的体积和热容随着预制棒半径的增加而增加，如果将相同热流作用在相同尺寸上达相同时间，则相比于具有更小体积和热容的预制棒，所述的表面温度将变低。因此，对于在单位时间内穿过单位热流的预制棒面积，该预制棒的表面温度具有如下方程所示的关系。

方程6

其中，L(R_t)为预制棒半径的函数，预制棒的半径影响预制棒体积，该函数为单调递增函数，满足当R_t＞R₀时L(R_t)＞L(R₀)的关系。

图6是示出在预制棒体积为常数的情况中，该预制棒的表面温度随喷灯热流的增加而变化的图。图中的曲线分别是燃气供给速率函数H(h_t)，表示预制棒表面温度随着喷灯热流的增加而增加。此外，根据该图还应当理解，表面温度随预制棒体积的增加而降低。

图7是示出预制棒的表面温度随预制棒体积的增加而变化的图，其中每条曲线均是体积函数L(R_t)。从图中可以看出，当热流为常数时，预制棒的表面温度随预制棒的体积的增加而降低。此外，还应当理解，该表面温度随热流的增加而升高。

在进行此处理时，为了通过使用方程6来保持预制棒表面温度恒定，在此处理中的某一时刻t，由预制棒的旋转速度(Rω_t)和水平速度(v_t)确定的轨迹速度(V_t)应满足如下方程。

方程7

因此，某一时刻t的轨迹速度(V_t)结果满足如下方程。

方程8

$V_t=\sqrt{{v_t}^2+{\left(R_t{\mathrm{\ω}}_t\right)}^2}={\mathrm{HLV}}_0=\left(\frac{H\left(h_t\right)}{H\left(h_o\right)}\right)\left(\frac{L\left(R_o\right)}{L\left(R_t\right)}\right)\sqrt{{v_o}^2+{\left(R_o{\mathrm{\ω}}_o\right)}^2}$

由于校正函数H(h_t)和L(R_t)是根据产品种类和处理条件的不同而分别得到的，所以无法将它们表示为确切的公式，但这些函数优选落在如下范围之内。

方程9

$1\&le;H=\left(\frac{H\left(h_t\right)}{H\left(h_o\right)}\right)<\mathrm{1.5,0.1}<L=\left(\frac{L\left(R_o\right)}{L\left(R_t\right)}\right)\&le;1$

现在，描述根据本发明的实施方案使用上述方程控制预制棒的旋转速度和水平速度的操作，该操作使得火焰水解物颗粒在预制棒上以均匀的沉积浓度沉积。

图8是示出根据本发明制备光纤预制棒的设备的示意图。参照图8，该预制棒制备设备包括：高温等离子喷灯32，其安装在与由石英制成的芯棒10相称的位置，用于供应氧气和燃气，使得火焰水解物颗粒在预制棒11上沉积；预制棒旋转单元40，其安装在与喷灯32相称的位置，用于旋转芯棒(或预制棒)，使得火焰水解物颗粒在所述的芯棒上均匀地沉积；水平移动装置41，其用于在水平方向上移动芯棒(或预制棒)或喷灯32，使得火焰水解物颗粒在芯棒10的长轴方向上均匀地沉积；喷灯垂直移动装置42，其用于在垂直方向上移动喷灯32，以控制需沉积在预制棒11上的火焰水解物颗粒的尺寸；流量控制装置30，其用于控制供应给喷灯32的燃气和氧气的供给速率；作为测量装置的传感器20，其用于测量预制棒11的半径，该半径随火焰水解物颗粒在芯棒上的沉积而增加；以及过程控制装置50，其用于根据传感器20测量的半径，计算预制棒的旋转速度、喷灯的水平速度、燃气的供给速率以及喷灯和预制棒之间的距离，并输出计算得到的数值。

在此，当测量预制棒的半径变化时，传感器20的安装优选是将光发射元件和光接受元件彼此面对面地分别安装于该预制棒的两侧。此外，预制棒旋转单元40、喷灯水平移动装置41和喷灯垂直移动装置42可以采用步进电动机或伺服电动机，以便根据输入信号来移动预制棒或喷灯。

图9a和9b是说明根据本发明制备预制棒的方法的流程图。现在参照图9a和9b描述如图8所示设备的操作。

图9a所示为本发明的一个实施方案，其中显示了如何利用预制棒的旋转速度和喷灯的水平速度来控制预制棒表面上一个点的轨迹速度的方法，以此可保持火焰水解物颗粒的沉积浓度恒定而不随预制棒的半径变化。在此，使用喷灯32和预制棒11之间的距离来控制沉积的颗粒的尺寸，这将在随后加以描述。

首先，给过程控制装置50输入初始设置值(步骤S100)。该初始设置值包括：预制棒的初始半径(R₀)、旋转的初始角速度(ω₀)、初始水平速度(v₀)和燃气的初始供给速率(h₀)。

过程控制装置50根据设置的初始值通过使用预制棒的旋转速度(Rω₀)和水平速度(v₀)计算并存储初始轨迹速度(V₀)(步骤S110)。初始轨迹速度(V₀)表示由预制棒表面上一个点划出的轨迹的移动速度。为了计算初始轨迹速度(V₀)，将预制棒的所述旋转速度和水平速度代入方程3中。

随着处理的进行，传感器20探测预制棒11的半径变化，然后给过程控制装置50传送一个即时半径值(步骤S120)。

过程控制装置50接收连续变化的所述半径值，并基于该即时半径值计算预制棒的即时轨迹速度(V_t)(步骤S130)。由于预制棒的半径(R)随处理的进行而逐渐增加，预制棒的旋转速度和水平速度也增加，因此在处理过程中预制棒的所述轨迹速度也随之增加。可以根据方程4计算预制棒逐渐增加的即时轨迹速度(V_t)，更优选使用方程8来计算即时轨迹速度(V_t)，在方程(8)中，可以输入随半径的增加而变化的预制棒的体积和热容的校正函数值。

在处理过程中根据半径的变化计算所述轨迹速度后，过程控制装置50将即时轨迹速度(V_t)与初始轨迹速度(V₀)进行比较(步骤S140)。由于本实施方案的目的是保持火焰水解物颗粒的沉积浓度均匀，所以应保持预制棒的表面温度恒定以便得到均匀的沉积浓度。因此，作为保持预制棒表面温度均匀的条件，该实施方案保持预制棒的轨迹速度不随预制棒半径的增加而变化。

因此，在步骤S140中比较所述的轨迹速度之后，过程控制装置50计算所需的预制棒旋转速度(Rω_t)和水平速度(v_t)，以便使即时轨迹速度(v_t)不背离所述的初始轨迹速度(步骤S150)。由于所述的轨迹速度是如方程3、4和8所示的预制棒旋转速度和水平速度的组合，所以控制这两个速度以保持该轨迹速度恒定。结果，由于预制棒的轨迹速度趋向于随预制棒半径的增加而逐渐增加，所以在本实施方案中相应地降低旋转速度和喷灯的水平速度，以便保持轨迹速度恒定。

此后，过程控制装置50根据计算得到的数值传送控制信号(步骤S160)。换句话说，在所述的计算得到的数值中，分别给预制棒旋转单元40传送针对预制棒旋转速度的控制值，给喷灯水平移动装置41传送针对水平速度的控制值。然后，预制棒旋转单元40和喷灯水平移动装置41根据所述的控制值调整旋转速度和水平速度。

连续执行上述程序直至预制棒的半径达到所需的数值。

图9b所示为上述实施方案的变化形式，该变化形式用于控制轨迹速度以便使沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒的浓度保持恒定。然而，在此变化形式中，改变了燃气的供给速率，将该变化后的燃气供给速率反映到对轨迹速度的控制。在此，使用喷灯和预制棒之间的距离来控制沉积的颗粒的尺寸，这将在随后加以描述。

在此变化形式中，像前面的实施方案一样，设置诸如预制棒的初始半径(R₀)、旋转的初始角速度(ω₀)、初始水平速度(v₀)和燃气的初始供给速率(h₀)等初始设置数值，然后将其输入到过程控制装置50中(步骤S200)。

随着处理的进行，传感器20探测预制棒11的半径变化，然后给过程控制装置50传送即时半径值(步骤S210)。

过程控制装置50接收连续变化.的半径数值，然后根据该即时半径值计算燃气的即时供给速率(h_t)(步骤S220)。这时，由于燃气的供给速率意味着与预制棒表面相接触的热流，所以可将预制棒的半径(R)、预制棒的轨迹速度(V_o和V_t)、预制棒体积的变化(L(R))和燃气的初始供给速率代入方程8，从而计算出燃气的即时供给速率(h_t)。

如果计算出了燃气的即时供给速率，则过程控制装置50给流量控制装置30传送所述的燃气即时供给速率的计算值，然后流量控制装置30根据从过程控制装置50传送过来的数值改变燃气供给速率(步骤S230)。

由于预制棒表面温度不仅依赖于燃气供给速率而变化，还依赖于预制棒的轨迹速度而变化，所以过程控制装置50根据变化了的燃气供给速率和变化了的预制棒半径计算出预制棒当前所需的轨迹速度(V_t)(步骤S240)。换句话说，通过将燃气的初始供给速率(h_o)和燃气的即时供给速率(h_t)代入方程8，得到校正函数H＝H(h_t)/H(h_o)的值，从而计算出即时轨迹速度(V_t)。

然后，过程控制装置50计算与步骤S240中计算得到的轨迹速度相应的预制棒旋转速度和水平速度(步骤S250)。由于该轨迹速度是预制棒的旋转速度和水平速度的组合，所以通过将这两个速度代入方程3或4中，可根据半径(R)的变化，适当地计算得到旋转速度(Rω)和水平速度(v)。

然后，过程控制装置50根据计算得到的数值向每个设备传送控制信号(步骤S260)。换句话说，在计算得到的数值中，分别给预制棒旋转单元40传送针对预制棒旋转速度的控制值，并给喷灯水平移动装置41传送针对水平速度的控制值。然后，根据所述的控制值，预制棒旋转单元40和喷灯水平移动装置41分别调整旋转速度和水平速度。

继续该程序直到预制棒半径达到所需的数值。

另一方面，在控制如上所述的预制棒旋转速度(Rω)和水平速度(v)的同时，本发明还优选控制预制棒11和喷灯32之间的距离，从而使沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒的尺寸保持恒定而不随预制棒半径而变化。于是，由过程控制装置50进行控制，使预制棒和喷灯之间的距离保持其初始的距离。

为了更详细地描述该控制处理，设置预制棒和喷灯之间的距离的初始值。如果开始所述的处理，传感器20测量预制棒半径的变化，并向过程控制装置50输入测量得到的数值。然后，过程控制装置50根据预制棒变化后的半径，计算保持预制棒和喷灯之间初始设置的距离所需的位移值。向喷灯垂直移动装置42传送计算得到的位移值，然后喷灯垂直移动装置42将喷灯32垂直移动相当于该位移值的距离。

如果在制备预制棒时不调整预制棒11和喷灯32之间的距离，则沉积在预制棒上的诸如SiO₂等火焰水解物颗粒将逐渐减少。在适当地与上述氧气发生反应时，火焰水解物颗粒通常具有大约0.2～0.25μm的尺寸。然而，如果随着预制棒半径的增加预制棒11和喷灯32之间的距离没有保持恒定，则沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒的尺寸随预制棒半径的增加而减小，从而导致沉积浓度的减少。图3a到3d所示为一个实施例，图4所示为在烧结中由预制棒半径增加导致的沉积浓度减少的结果。

图10a到10d是示出在根据本发明的实施方案制备预制棒时，沉积浓度和沉积颗粒的尺寸随预制棒半径增加而发生的变化。在图10a的情况中，根据本发明保持轨迹速度恒定，但不调整预制棒和喷灯之间的距离。如图10b所示，尽管沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒尺寸随预制棒半径的增加而逐渐减小，但不同于现有技术的是，沉积浓度并不显著减少。在图10c的情况中，根据本发明保持轨迹速度恒定，并且还调整预制棒和喷灯之间的距离保持恒定。在此情况中，如图10d所示，尽管预制棒半径增加，但保持沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒尺寸恒定，沉积浓度也基本保持恒定。

此外，在随着预制棒半径增加而保持火焰水解物颗粒沉积浓度恒定的情况中，如图11所示，在烧结预制棒时温度梯度和烧结速度随预制棒半径而变化。例如，由于外部热源和预制棒尺寸严重影响预制棒中的温度梯度，所以尽管控制了沉积浓度和颗粒尺寸，但是温度梯度改变不大。然而，相比图4所示的现有技术的情况，烧结速度变得更加均匀。

图12a到12d是在根据本发明的另一实施方案中，在沉积浓度随预制棒半径增加而沿向外方向增加的情况下，示出沉积浓度变化和火焰水解物颗粒尺寸变化的图。在本实施方案中，为了增加向预制棒单位面积供应的热流，随着处理的进行，使预制棒表面上的一个点的轨迹速度(V_t)比初始轨迹速度(V_o)更慢，或者相对于燃气的初始供给速率(h_o)来增加燃气的供给速率(h_t)。

图12a所示为保持轨迹速度恒定、燃气供给速率增加但不调整预制棒和喷灯之间距离的情况。如图12b所示，尽管火焰水解物颗粒的尺寸随预制棒半径的增加而减小，但是在预制棒半径增加的同时，沉积浓度随热流的增加而增大。此外，图12c所示为保持轨迹速度恒定、增加热流并调整预制棒和喷灯之间距离使之保持恒定的情况。因此，在预制棒半径增加时，沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒尺寸保持恒定，并且在预制棒半径增加的同时，热流的增加导致了沉积浓度的增加，如图12d所示。

根据本发明实施方案，在其火焰水解物颗粒沉积浓度随预制棒半径增加而增加的预制棒烧结时，温度梯度和烧结速度沿预制棒半径而改变，如图13所示。换句话说，受烧结炉内壁产生的热源的影响，预制棒中的温度梯度没有改变，但该预制棒中的烧结速度变得均匀。因此，可以大大缩短使温度在整个预制棒中达到均匀所需的时间，并且由于烧结速度均匀，所以可以解决诸如裂纹或不完全玻璃化等许多问题。

现在，使用实验例描述根据本发明在OVD法中控制待沉积的火焰水解物颗粒的方法。

实验例1

作为本发明实施方案的实际应用，可以得到以下处理条件，即为了使预制棒半径增加30％而保持喷灯热流恒定，以及为了使火焰水解物颗粒的尺寸变得均匀而在处理过程中保持预制棒和喷灯之间的距离恒定。对于供应的热流来说，可以得到随预制棒半径的增加而变化的轨迹速度(V_t)，并根据所述的处理的特点适当地确定预制棒的旋转速度(R_tω_t)和水平速度(v_t)。

表1

初始处理变量		处理变量的控制函数值		控制处理变量
						R<sub>o</sub>	10毫米	R<sub>t</sub>	13毫米	R<sub>t</sub>	13毫米
v<sub>o</sub>	50毫米/秒	L(R<sub>o</sub>)/L(R<sub>t</sub>)＝L(10)/L(13)	0.8	V<sub>t</sub>	40毫米/秒
						ω<sub>o</sub>	3弧度/秒	ω<sub>t</sub>	1.84弧度/秒
V<sub>o</sub>	58.3毫米/秒			H(h<sub>t</sub>)/H(h<sub>o</sub>)	1					V<sub>t</sub>	46.64毫米/秒
		h<sub>o</sub>	10000焦/秒
喷灯的位置										垂直移动-3mm

如果在保持实验例1中的初始处理条件的同时增加半径，则使用方程8根据预制棒半径的增加计算轨迹速度，通过计算该轨迹速度而制得沉积浓度均匀的预制棒。见表1，应当理解从喷灯供应的热流为常数1,000J/sec(焦/秒)，但轨迹速度从58.6m/sec(米/秒)变为46.64m/sec。根据本发明，应保持轨迹速度恒定。然而，由于预制棒的体积随半径的增加而改变，体积的校正值为0.8，所以使轨迹速度相对于初始轨迹速度降低。

实验例2

作为本发明的另一个实施方案的应用，在实验例1的情况下，使燃气的热流增加20％，以便使预制棒的沉积浓度沿向外方向增加。本实验例的处理条件如下表所示。

表2

初始处理变量		处理变量的控制函数值		控制处理变量
						R<sub>o</sub>	10毫米	R<sub>t</sub>	13毫米	R<sub>t</sub>	13毫米
v<sub>o</sub>	50毫米/秒	L(R<sub>o</sub>)/L(R<sub>t</sub>)＝L(10)/L(13)	0.8	v<sub>t</sub>	40毫米/秒
						ω<sub>o</sub>	3弧度/秒	ω<sub>t</sub>	1.84弧度/秒
V<sub>o</sub>	58.3毫米/秒			H(h<sub>t</sub>)/H(h<sub>o</sub>)	1.2					V<sub>t</sub>	46.64毫米/秒
		h<sub>o</sub>	1000J/sec			h<sub>t</sub>	1200J/sec
喷灯的位置										垂直移动-3mm

在实验例1中沉积浓度是均匀的，而实验例2则不同，其中，通过使所供应的燃气的热流增加20％从而使预制棒的沉积浓度随半径的增加而相比实验例1变高。例如，随着半径的增加，实际上轨迹速度的计算如下：58.3×0.8×1.255.97m/sec。然而，在像实验例1中保持轨迹速度恒定的情况下，增加热流可以在预制棒的外部而不是内部增加沉积浓度，所以在烧结处理中可以增加烧结速度。

工业实用性

预制棒的旋转速度、预制棒和喷灯之间相对水平速度和燃气的热流是决定颗粒形成和沉积颗粒的浓度的关键因素。根据在OVD法中制备光纤预制棒的所述方法和设备，随着预制棒的生长，通过控制预制棒的旋转速度、预制棒和喷灯之间相对水平速度和燃气的热流，可以使沉积颗粒的浓度保持恒定或增加，从而有可能控制预制棒的烧结速度。此外，由于通过控制沉积颗粒的浓度和调整预制棒和喷灯之间的距离可以控制火焰水解物颗粒的尺寸，所以这样不仅可增加预制棒的烧结速度，还可以防止在烧结处理中可能发生的不完全烧结和裂纹的生成。

已详细描述了本发明。然而，应当理解，给出的详细描述和具体实施例只是为了说明的用途，用于说明本发明的优选实施方案，而本领域的技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的前提下根据该详细的描述做出各种变动和修改。

Claims (12)

1.在外部气相沉积法中制备光纤预制棒的方法，该方法通过在旋转芯棒的表面上沉积由喷灯喷射的燃气的反应生成的火焰水解物颗粒来制备光纤预制棒，

其中，在沉积所述火焰水解物颗粒时，通过逐渐减少所述预制棒旋转的角速度或逐渐减少所述的预制棒和所述的喷灯之间的相对水平速度，使所述的预制棒表面上一个点的轨迹速度保持恒定或逐渐减小，所述方法控制沉积在所述预制棒上的火焰水解物颗粒的沉积浓度保持恒定而不随所述预制棒的半径而变化，或者控制所述沉积浓度向所述预制棒的外围方向逐渐增加。

2.如权利要求1所述的制备光纤预制棒的方法，其中，在沉积所述的火焰水解物颗粒时，逐渐增加与所述预制棒表面上一个点相接触的燃气的供给速率。

3.如权利要求1所述的制备光纤预制棒的方法，其中，在沉积所述的火焰水解物颗粒时，使所述的预制棒和所述的喷灯之间的距离保持恒定。

4.在外部气相沉积法中制备光纤预制棒的方法，该方法通过在旋转芯棒的表面上沉积由喷灯喷射的燃气的反应生成的火焰水解物颗粒来制备光纤预制棒，所述的方法包括如下步骤：

(a)设置所述预制棒的初始半径、旋转的初始角速度、所述预制棒和所述喷灯之间的初始相对水平速度和所述喷灯的燃气的初始供给速率；

(b)通过使用所述初始半径、旋转的初始角速度和所述预制棒和所述喷灯之间的初始相对水平速度，计算所述的预制棒的表面上一个点的初始轨迹速度；

(c)测量某一时刻t的预制棒的半径，该半径随火焰水解物颗粒的沉积逐渐增加；

(d)根据所述的时刻t的预制棒半径计算所述的预制棒表面上一个点在所述时刻t的轨迹速度；和

(e)控制所述预制棒旋转的角速度和/或该预制棒和所述喷灯之间的相对水平速度，使所述的时刻t的轨迹速度等于或小于所述的初始轨迹速度。

5.如权利要求4所述的制备光纤预制棒的方法，其中，在制备所述的预制棒时，使所述预制棒和所述喷灯之间的距离保持恒定。

6.如权利要求4所述的制备光纤预制棒的方法，其中，在步骤(e)中，控制所述的预制棒旋转的角速度和/或该预制棒与所述喷灯之间的相对水平速度，使得在所述的时刻t的轨迹速度满足如下方程：

$V_t=\sqrt{{v_t}^2+{\left(R_t{\mathrm{\&omega;}}_t\right)}^2}=\mathrm{HL}{V}_0=\left(\frac{H\left(h_t\right)}{H\left(h_o\right)}\right)\left(\frac{L\left(R_o\right)}{L\left(R_t\right)}\right)\sqrt{{v_o}^2+{\left(R_o{\mathrm{\&omega;}}_o\right)}^2}$

式中，V_t是所述的时刻t的轨迹速度，V_o是初始轨迹速度，H是所述的时刻t的燃气供给速率的校正函数，其中1≤H＜1.5，L是所述的时刻t的轨迹速度的校正函数，其中0.1＜L≤1。

7.如权利要求4所述的制备光纤预制棒的方法，该方法还包括控制所述时刻t的燃气供给速率的步骤，以使所述燃气供给速率等于或大于所述的燃气初始供给速率。

8.在外部气相沉积法中制备光纤预制棒的设备，该设备通过在旋转芯棒上沉积火焰水解物颗粒来制备光纤预制棒，该设备包括：

预制棒旋转单元，其用于旋转在其上形成预制棒的芯棒；

喷灯，其用于供应燃气以生成所述的火焰水解物颗粒；

喷灯水平移动装置，其用于相对于所述的预制棒水平地移动所述的喷灯；

与所述的喷灯连通的流量控制装置，其用于控制燃气的供给速率；

半径测量装置，其用于测量所述预制棒的半径，该半径随着所述的火焰水解物颗粒的沉积逐渐增加；和

过程控制装置，根据所述的半径测量装置测得的预制棒半径，控制所述的预制棒旋转单元和/或喷灯水平移动装置，使得随用半径测量装置测量的所述预制棒的半径增加，所述的预制棒表面上一个点的轨迹速度保持恒定或逐渐减小。

9.如权利要求8所述的制备光纤预制棒的设备，其中，所述的过程控制装置控制所述的预制棒旋转单元旋转的角速度和/或所述的喷灯水平移动装置的水平速度，使得随着所述的半径测量装置测得的预制棒半径的增加，所述的预制棒表面上一个点的轨迹速度保持恒定或逐渐减小。

10.如权利要求9所述的制备光纤预制棒的设备，其中，所述的过程控制装置控制所述的预制棒旋转单元旋转的角速度和/或所述的水平喷灯的水平速度，使得在所述的时刻t的轨迹速度满足下式：

$V_t=\sqrt{{v_t}^2+{\left(R_t{\mathrm{\&omega;}}_t\right)}^2}=\mathrm{HL}{V}_0=\left(\frac{H\left(h_t\right)}{H\left(h_o\right)}\right)\left(\frac{L\left(R_o\right)}{L\left(R_t\right)}\right)\sqrt{{v_o}^2+{\left(R_o{\mathrm{\&omega;}}_o\right)}^2}$

式中，V_t是所述的时刻t的轨迹速度，V_o是初始轨迹速度，H是所述的时刻t的燃气供给速率的校正函数，其中1≤H＜1.5，L是所述的时刻t的轨迹速度的校正函数，其中0.1＜L≤1。

11.如权利要求8所述的制备光纤预制棒的设备，其中，所述的过程控制装置控制所述的流量控制装置，以便使所述的燃气供给速率随所述的半径测量装置测得的预制棒半径的增加而增加。

12.如权利要求8所述的制备光纤预制棒的设备，其还包括喷灯垂直移动装置，其用于在垂直方向上移动所述的喷灯，以便在沉积所述火焰水解物颗粒时，使所述的喷灯和所述的预制棒之间的距离保持恒定。

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