CN100412015C - 光纤母材的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种利用气相轴向沉积法的光纤母材的制造方法，是使用形成数层同心圆状火焰流的多重火焰喷灯来形成并沉积玻璃微粒子。此喷灯包括位于中心用以供给原料气体的原料供给管，以及其外侧呈同心圆状配置的助燃气体流路及燃烧气体流路。其中，最内侧的火焰流的线速V_i及原料气体的线速V_m满足V_i＜V_m≤2V_i的条件，而较佳是满足1.3V_i≤V_m≤1.8V_i的条件。

Description

光纤母材的制造方法

本案是以参照的方式并入2004年7月10日提申的日本专利申请案“特愿2003-272922”的记载内容，其是作为本申请案的记载内容的一部分。

技术领域

本发明是关于一种光纤母材的制造方法，是利用气相轴向沉积法(vapor axial deposition)来进行，其中由玻璃原料气体的火焰加水分解反应所生成的玻璃微粒子是以高速率效率良好地进行沉积，而形成光纤母材。

背景技术

先前的光纤母材制造方法例如是气相轴向沉积法。此方法是在同时被转动及上拉的启始部件上沉积由原料气体的火焰加水分解反应所生成的玻璃微粒子，以形成多孔性母材。此多孔性母材将被烧结成透明状，以形成母材铸块(ingot)，其可进一步加工成适于光纤化的形状及尺寸，是为光纤母材(preform，预形体)。

如图1所示，气相轴向沉积法是在燃烧室(chamber)1内所垂下的靶棒(target rod)2上，沉积由玻璃原料的火焰加水分解反应所生成的玻璃微粒子，以形成多孔性母材3。靶棒2是以可同时回转及上升的方式装设于未图标的驱动装置上。朝向靶棒2或后续合成的多孔性母材的下端处设置有纤核(core)形成用的喷灯4，其正上方则设置有纤覆(clad)形成用的喷灯5。

各喷灯连接未图示的玻璃原料气体(如SiCl₄、GeCl₄等)供给装置、燃烧气体(如H₂等)供给装置及助燃气体(如O₂等)供给装置。另外，隔着靶棒2的喷灯4、5的相反侧设置有排气装置6。

首先，在燃烧室1内使用喷灯4、5朝靶棒2喷出玻璃原料气体、燃烧气体及助燃气体。在火焰7、8中，玻璃原料气体会经由火焰加水分解反应生成玻璃微粒子，其将附着沉积于靶棒2上而形成多孔性母材3。未附着沉积的残余玻璃微粒子则由排气装置6排出系统外。

由于业界现在皆要求光纤母材制造成本的低减化，因此急需开发可以高效率大量生产但不损及光学特性的光纤母材制造方法。对光纤的低价化需求而言，特别是当大型的光纤母材能以高速度制造时，其效果最大。

在使用气相轴向沉积法时，如要以高速制成大型的光纤母材，即需要增加沉积的玻璃微粒子的形成量。为此，前人提出改善玻璃原料气体的反应效率等条件，或使反应的火焰多重化的方法，其例如可见于日本专利申请案早期公开公报实开昭57-65930号及特开昭57-27935号中)。

详细而言，上述方法是使用多重火焰喷灯产生多重同心圆状的火焰，其中内侧火焰比外侧火焰短以保护内侧火焰，藉此增大有效火焰长度，而使形成的玻璃微粒子的粒径增大。

图2是此种多重火焰喷灯的一例的纵剖面结构简图。

此种喷灯包括位在中心的玻璃原料气体供给管，其是从玻璃原料气体供给口11供给玻璃原料气体；并包括围绕玻璃原料气体供给管配设的多重燃烧气体供给管及助燃烧气体供给管，其是从内侧火焰燃烧气体供给口12供给燃烧气体，从内侧火焰助燃气体供给口13供给助燃气体；同时从外侧火焰燃烧气体供给口14及外侧火焰助燃气体供给口15供给燃烧气体及助燃气体，以形成二重火焰。

其它尚有供给非活性气体的流路，但在此省略未绘示。

如图2所示，当二重火焰喷灯的内侧火焰16的气体流路端比外侧火焰17的气体流路端后缩距离L时，外侧火焰即可保护内侧火焰并防止其扩散，而可加以增大有效火焰长。

当内侧火焰长度增大时，即可增加玻璃微粒子的沉积量，此是因火焰变长可促进玻璃原料的加水分解反应，同时火焰中的玻璃微粒子的滞留时间也会变长，促使其粒径成长得更大，而可增加沉积的效率。

因此，使用内侧火焰后缩的多重火焰喷灯，即可提升沉积速度，以使光纤母材的制做高速化。

使用多重火焰喷灯的周知技术，可见于日本专利申请案早期公开公报特开昭61-186239号，其是探讨玻璃原料气体的线速与火焰流的线速的关系对沉积效率的影响。在此案中，多重火焰的火焰线速从内侧开始依序为V₁、V₂...，当原料气体的线速V_m、第k层火焰的线速V_k及其外侧第k+1层火焰的线速V_k+1满足下述条件时，即可提升沉积效率：

0.1V_k+1≤V_k≤2.5V_k+1

V_m≤V_k+1

V_m≤V_k

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤母材的制造方法，其可使气相轴向沉积法所产生的玻璃微粒子以高速度有效率地沉积，以使多孔性母材稳定地成长。

本发明的光纤母材的制造方法是使用气相轴向沉积法来进行，其中使用形成数层同心圆状火焰流的多重火焰喷灯来产生并沉积玻璃微粒子。此喷灯包括位于中心用以供给原料气体的原料供给管，以及其外侧呈同心圆状配置的助燃气体流路及燃烧气体流路。其中，最内侧的火焰流的线速V₁及原料气体的线速V_m满足V₁＜V_m≤2V₁的条件，且较佳满足1.3V₁≤V_m≤1.8V₁的条件。

上述多重火焰喷灯较佳是具有玻璃原料气体及内侧火焰的燃料气体/助燃气体的流路端比其外侧的火焰的燃烧气体/助燃气体的流路端后缩的结构。

尚且，上述的发明概要并未列举本发的所有可能，上述特征的其它组合亦包含在本发明的范围内。

在本发明中，由于玻璃原料气体的线速比最内侧火焰流高，所以沉积表面附近会有高浓度的玻璃微粒子滞留，而可提升玻璃微粒子的沉积量，使大型的多孔性母材得以高速且稳定地制造。因此，本发明有助于提升生产效率，以降低光纤制造成本。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1是说明采用气相轴向沉积法的多孔性母材制作的概要部分的剖面简图。

图2是本发明所使用的多重火焰喷灯的一例的二重火焰喷灯的剖面简图。

图3是实施例所使用的二重火焰喷灯的说明简图。

图4是显示玻璃原料气体线速与内侧火焰线速的比率与沉积速率的相关性。

1：燃烧室                      2：靶棒

3：多孔性母材                  4：纤核形成用喷灯

5：纤覆形成用喷灯              6：排气装置

7、8：火焰                     11：玻璃原料供给口

12：内侧火焰燃烧气体供给口     13：内侧火焰助燃气体供给口

14：外侧火焰燃烧气体供给口     15：外侧火焰助燃气体供给口

16：内侧火焰                   17：外侧火焰

21：玻璃原料供给管             22、26：燃烧气体流路

23、25、27：非活性气体流路     24、28：助燃气体流路

29：喷灯盖

具体实施方式

以下虽以实施例说明本发明，但其并非用以限定申请专利范围所界定的本发明，又在实施例中所说明的特征的所有组合也并不限制本发明可行的解决手段的范围。

在前述日本专利申请案早期公开公报特开昭61-186239号中，当原料气体的线速V_m是以改变载气流量加以变化时，如要提升玻璃微粒子的收获率，则以外侧火焰流的线速为V_o与内侧火焰流的线速为V₁，的二重火焰流为例，其必须满足V_m≤V_o的条件，更佳是满足V_m≤V_o＝V₁的条件。

玻璃微粒子的收获率在V_m＝V₁时虽为最大，但在V_m＞V_o及V_m＞V₁时，玻璃原料气体几乎不与火焰反应，故不能使多孔性母材稳定地成长。

可是发明者等发现，虽然增加沉积速率以使多孔性母材稳定成长是高速制造多孔性母材的必要条件，但提升实际的沉积速度却比提高玻璃微粒子的收获率更为重要。同时，本发明是着眼于多重火焰喷灯所形成的多层火焰流的中最内侧的火焰流的线速V₁。详细而言，与习知先前技术的条件V_m≤V₁相较下，V_m＞V₁的条件更能使多孔性母材高速且稳定地成长，此即本发明。

本发明实施例的光纤母材的制造方法所使用的多重火焰喷灯是以二重火焰喷灯为例，其立体结构的简图如图3所示。

请参照图3，此二重火焰喷灯是以玻璃原料供给管21为中心，并形成有同心圆状的气体流路。玻璃原料供给管21使SiCl₄、GeCl₄等玻璃原料气体与Ar、O₂等载气一起供给。燃烧气体流路22供给H₂或碳氢化物等气体，非活性气体流路23供给Ar、He、N₂等气体，助燃气体流路24供给O₂等气体，由此等燃烧气体及助燃气体即可形成内侧火焰。

同时，由非活性气体流路25、燃烧气体流路26、非活性气体流路27及助燃气体流路28所供给的燃烧气体及助燃气体等，可以形成外侧火焰。此等流路段是由喷灯盖29加以保护。

尚且，内侧火焰的气体流路端比外侧火焰的流路端后缩距离L(后退长L)。

接着，使用此二重火焰喷灯进行改变玻璃原料气体的线速并测量玻璃微粒子的沉积速率变化的实验。

在此实验中，内侧火焰的线速V₁定为1.2m/s，外侧火焰的线速V_o定为0.33m/s，并以改变原料供给管的内径或载气流量的方式调整玻璃原料气体的线速。在合成多孔性母材时，是以玻璃微粒子沉积所形成的多孔性玻璃母材的前端位置上下不变，且母材的上升速度一定的状态为准，依此变化玻璃原料气体的供给量。

所得的相对于内侧火焰流线速的玻璃原料气体的相对线速与沉积速率的关系如图4的曲线所示。其中，沉积速率是在多孔性母材制成后，测定其重量，再除以沉积时间而算出。纵轴的沉积速率亦以相对值表示，其在玻璃原料气体线速/内侧火焰线速比为1时设定为1。

由图4可见，当玻璃原料气体的线速V_m相对增大时，沉积速度随的增大。但当V_m更大，使V_m/V₁约超过1.5时，沉积速率反而低降，并在V_m＝2V₁时大致与V_m＝1.1V₁时为同一沉积速率。另外，在1.3≤V_m/V₁≤1.8的范围内，沉积速率超过V_m/V₁＝1时的1.3倍，而可以高速制做多孔性母材。

再者，即使内侧火焰及外侧火焰的流速有改变，也得与图4同样的倾向。此是因玻璃原料气体的线速高于内侧火焰流，所以可抑制火焰内玻璃微粒子的扩散，致使沉积表面附近可有高浓度的玻璃微粒子存在，而可藉此热泳(thermophoresis)效应增加玻璃微粒子的沉积量。

不过，当玻璃原料的线速再增加时，沉积表面附近的玻璃微粒子的滞留时间即会减少，而使沉积量减少。

由此可见，多孔性母材的高速合成是以沉积速率为要，而条件设定在V₁＜V_m≤2V₁的范围内即可提升沉积速率。

玻璃原料气体的线速、内侧火焰流的线速及外侧火焰流的线速可以改变同心圆状流路的内径/外径或载气流量的方式来调整，也可由改变燃烧气体与/或助燃气体的流量的方式来调整。

在此情形下，重要的是如上所述般调整玻璃原料气体的线速V_m与内侧火焰的线速V₁，使其满足V₁＜V_m≤2V₁的条件，更佳是满足1.3V₁≤V_m≤1.8V₁的条件。如此，与V_m≤V₁的情形相较下，多孔性母材可以更高速且稳定地成长。

由于玻璃原料气体的线速高于多重火焰最内侧的火焰流，故可抑制火焰内玻璃微粒子的扩散，致使沉积表面附近有高浓度的玻璃微粒子，而可藉此热泳效应提高玻璃微粒子的沉积量。

此时，如多重火焰喷灯的内侧火焰采后缩的设计，则外侧火焰即可保护内侧火焰并防止其扩散，致使内侧火焰的实质有效长度变大。如此即可使玻璃原料气体充分反应，以增大玻璃微粒子的粒径，并且增加原料气体的反应速率。

[实例1]

本例是使用图3所示的二重火焰喷灯合成多孔性母材，此喷灯外径为0.5mm，后缩长度L为35mm。

纤核形成用喷灯的玻璃原料气体供给管21是以O₂为载气供给1200mL/min，并供给80mL/min的GeCl₄。又，燃料气体流路22、26供给H₂，非活性气体流路23、25、27供给Ar，且助燃气体流路24、28供给O₂。玻璃原料气体供给管21的内径经过调整，使玻璃原料气体的线速V_m、纤核形成用喷灯的内侧火焰的线速V₁及外侧火焰的线速V_o各自为2.17m/s、1.31m/s、0.33m/s。

在此条件下(V_m＝1.66V₁)，玻璃微粒子的沉积可稳定且高速地进行，其中纤核形成速率是52.3g/h。如此即可获得在纵长方向上具有一致的段阶状折射率分布，且有效长度为800mm的大型多孔性母材。

[比较例1]

此例是使玻璃原料气体的线速大致与内侧火焰的线速相等，以进行多孔性母材的合成。

纤核形成用喷灯的原料供给管是以O₂为载气供给SiCl₄750mL/min及GeCl₄50mL/min。原料供给管的内径经过调整，使玻璃原料气体的线速V_m、纤核形成用喷灯的内侧火焰的线速V₁及外侧火焰的线速V_o依序为1.20m/s、1.20m/s、0.33m/s。

在此条件下(V_m＝V₁)，玻璃微粒子的沉积虽可稳定进行，但纤核的形成速率仅为38.6g/h。

本发明的范围并非仅限于上述实施例，而可能有种种变化，亦即，凡与本发明申请专利范围所述的技术思想实质上具有同一构成内容，而能达同样作用效果者，皆全部包含于本发明的技术范围内。

Claims (3)

1. 一种光纤母材的制造方法，是使用气相轴向沉积法来进行，其中使用形成数层同心圆状火焰流的多重火焰喷灯来产生玻璃微粒子并进行沉积，此多重火焰喷灯包括位于中心且用以供给原料气体的原料供给管，以及此原料供给管外侧呈同心圆状配置的多个助燃气体流路及多个燃烧气体流路，且前述数层同心圆状火焰流中最内侧的火焰流的线速V₁与前述原料气体的线速V_m满足V₁＜V_m≤2V₁的条件。

2. 根据权利要求1所述的光纤母材的制造方法，其是在满足1.3V₁≤V_m≤1.8V₁的条件的情形下产生玻璃微粒子。

3. 根据权利要求1或2所述的光纤母材的制造方法，其中在前述多重火焰喷灯中，前述原料供给管端、最内侧火焰流的燃烧气体流路端、最内侧火焰流的助燃气体流路端三者较外侧火焰流的燃烧气体流路端、外侧火焰流的助燃气体流路端两者后缩。

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