CN101089223B - 执行等离子化学气相沉积工艺的设备和制造光纤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于执行等离子化学气相沉积工艺的设备，通过该设备能够将一层或多层掺杂或不掺杂的二氧化硅沉积在细长玻璃基管的内部。本发明还涉及一种通过这样一种设备制造光纤的方法。

Description

执行等离子化学气相沉积工艺的设备和制造光纤的方法
技术领域
本发明涉及一种用于执行等离子化学气相沉积工艺的设备，通过该设备能够将一层或多层掺杂或不掺杂的二氧化硅沉积在细长玻璃基管的内部，该设备包括细长的微波波导管，该波导管伸入一个共振腔，该共振腔围绕一圆柱轴线呈大致圆柱形对称地形成，所述基管沿着该圆柱轴线设置，其中所述共振腔为大致环形并具有圆柱形内壁和圆柱形外壁，并且其中所述圆柱形内壁包括围绕所述圆柱轴线以整个圆形延伸的狭槽，并且所述微波波导管具有纵向轴线，该纵向轴线大致垂直于所述圆柱轴线延伸，以形成同轴波导管，还具有相对于所述纵向轴线以一个角度延伸的轴线，以形成馈电波导管，天线可沿着所述纵向轴线在所述同轴波导管中运动。
本发明还涉及一种通过这样一种设备制造光纤的方法。
背景技术
从美国专利US 5,223,308可知一种沉积设备，该设备包括微波发生器，一个矩形微波波导管用于在细长中空管连续运动的空间中产生强微波能的电磁场。这种管由合成树脂(例如尼龙材料)形成，其中通过前述设备涂覆二氧化硅、氮化硅或硅碳氧化物(siliconoxycarbide)涂层，所述管用作汽车中的液压空调系统，以便使流体冷却剂(诸如氟利昂)进入大气中的损耗最小化。
美国专利申请US 2003/0104139涉及一种将等离子化学气相沉积(PCVD)涂层沉积在中空玻璃管内部的设备，其中使用包括波导管和涂覆器头部的涂覆器，该波导管用于将微波从微波发生器引导到涂覆器头部。所述波导管具有细长轴线和矩形横截面，该矩形横截面具有长轴和短轴并且垂直于波导管的细长轴线。玻璃管位于涂覆器头部内，并且涂覆器头部在所述中空玻璃管上方沿着管的纵向轴线运动，涂层沉积在该中空玻璃管中。
美国专利申请US 2003/0115909涉及一种将一层或多层玻璃层沉积在中空基管内部的设备，其中微波涂覆器的激励空间(activatorspace)围绕着中空基管，并且微波在该中空基管内部产生等离子区，从而导致玻璃形成先质(glass-forming precursor)将SiO2沉积到基管内部。
可从授予本发明人的美国专利US 6,849,307了解到在前面介绍部分中提及的制造光纤的设备，该设备可用于制造拉制光纤的所谓预制件。根据已知的用于制造这种预制件的方法，细长的玻璃基管(例如包括石英)在其内部圆柱形表面涂覆有多层掺杂的二氧化硅(例如掺锗的二氧化硅)。这可通过如下方式实现，即，将基管沿着共振腔的圆柱轴线定位，并且用例如包括O2、SiCl4和GeCl2的气态混合物冲刷管的内部。局部定位的等离子区同时在腔中生成，导致Si、O和Ge的反应，以便使得掺锗的SiOx直接沉积在基管的内表面上。由于这种沉积只发生在局部定位的等离子区附近，共振腔(和等离子)必须经过管的圆柱轴线，以便在整个长度上均匀涂覆。当涂覆完成时，管热收缩成一根杆，所述杆具有掺锗的SiO2芯部和围绕的未掺杂的二氧化硅.覆层部分。如果所述杆的一端加热到其熔融，可从该杆拔出细的玻璃纤维并将玻璃纤维绕在卷轴上；所述纤维的芯和覆层部分对应于所述杆的芯和覆层部分。由于掺锗的芯的折射率高于未掺杂的覆层的折射率，所述纤维可用作光信号的波导管，例如用于传播光通信信号。应该理解的是，冲刷所述基管的气态混合物还可包括其它成分；例如C2F6的添加导致掺杂的二氧化硅的折射率减小。还应该理解的是，在拉拔工序之前，实心预制件可置于所谓的套管(包括未掺杂的二氧化硅)中，以便在最终的纤维中增加未掺杂二氧化硅相对于掺杂二氧化硅的量。另一种可能的涂覆过量二氧化硅的方法是通过等离子工艺或者外部气相沉积(OVD)工艺进行的所谓的外包层。
这种用于通信目的的光纤的使用要求光纤基本上没有瑕疵(例如掺杂剂的比例不均、不期望的横截面椭圆率等等)，因为在考虑很长一段光纤时，这种瑕疵可能导致被传输的信号的显著衰减。因此，实现非常均匀和可复现的PCVD工艺是很重要的，因为沉积的PCVD层的品质将最终决定光纤的品质；因此重要的是，在共振腔中产生的等离子区应该是(围绕腔的圆柱轴线)旋转对称的。另一方面，如果能使预制件具有较大的直径，生产工艺成本将会受到有利地影响，因为可从单个预制件获得较长的纤维长度。如果为了能够使用较厚的基管而增大共振腔的直径，这将导致等离子区具有退化的旋转对称性，并且只能使用更高的微波功率来产生这种等离子区。
在前述PCVD设备中，来自能够产生微波的装置(例如微波炉)的能量必须传递到环形的共振腔，以便在基管内部形成等离子区。这就是说，微波被供应到馈电波导管并随后借助设置在馈电波导管上的同轴波导管到达环形共振腔，所述环形共振腔相对于纵向轴线设置成一个角度。在这种结构中的关键措施是从馈电波导管到同轴波导管的过渡。一起使用的天线使用一种或多种定中元件定位在同轴导管内。这种定中元件能够使天线沿着同轴波导管的纵向轴线运动并且还确保天线不会碰到同轴波导管的壁。因此所使用的定中元件必须能透过微波。
本发明人已经发现，这类材料容易不期望地放电并且会减小供应给共振腔的最大微波，这是由于这类材料的相对较低的介电强度。除此之外，本发明人还发现，这类材料的表面粗糙度引入小的空气通道，这不利地影响了共振腔的性能。本发明人还已经发现，如果发生放电，这类材料经受的机械负荷过大，以至于会确定地出现裂缝或者甚至是蒸发，导致共振腔损坏并且最终替换共振腔。因为期望玻璃层在基管内部上的沉积速率高，这要求高的微波功率，而这种定中元件构成了不期望的限制。
发明内容
因此，本发明的一个方面是要提供一种执行等离子化学气相沉积(PCVD)工艺的设备，该设备能够采用高的微波功率水平来获得高的沉积速率。
本发明的另一个方面是提供一种执行等离子化学气相沉积(PCVD)工艺的设备，其中使从微波传递到波导管中的等离子的能量最优化。
本发明还有一个方面是提供一种执行等离子化学气相沉积(PCVD)工艺的设备，其中使微波在从馈电波导管到同轴波导管的通过过程中的不期望反射的发生最小化。
根据本发明，在前述部分中提及的用于执行等离子化学气相沉积(PCVD)工艺的设备的特征在于，天线将馈电波导管分成两个部分。
当使用这种在同轴波导管中的天线的特殊结构时，可以不使用现有技术已知的定中元件。由于天线将馈电波导管分成两个部分，天线在同轴波导管中的定中可以简单的方式实现。这种结构的使用还能够在发生放电时以简单的方式清理共振腔，并且再次使用共振腔，这使得成本显著降低。除此之外，由于天线将馈电波导管分成两个部分并且天线部分地位于馈电波导管外侧，因此，能够使用加压气体或者流体冷却天线，在使用高微波功率时这种冷却被认为是必须的。此外，现在已经发现，对于正确地操作，保持天线在同轴波导管中的正确定中位置不是那么重要。
在一种具体实施方式中，优选在馈电波导管内部、在天线将馈电波导管分成两个部分的位置设置引导元件，该引导元件使微波从馈电波导管传递到同轴波导管。这种引导元件必须被这样构造，微波从馈电部分到同轴部分不会导致微波的反射，这种反射对供应到等离子区的微波功率有负面影响。
本发明的引导元件的适当实施方式包括锥形或者球形形状，该锥形或者球形的底面抵靠着馈电波导管的内壁，从而使引导元件位于馈电波导管中。所述底面应被理解为指的是引导元件的与馈电波导管的内壁接触的部分；例如在锥形形状的情况中，该底面是椎体的底部。特别优选的是，在锥形或者球形对称分成两个部分的情况下，天线可沿着纵向运动经过锥形或者球形的最高点(apex)。
为了进一步优化从垂直到同轴的过渡，优选的是，在一种具体的实施方式中，在所述馈电波导管中存在能够沿着该馈电波导管的纵向轴线运动的元件，所述元件在馈电波导管的整个横截面上延伸。
在一种具体的实施方式中，位于圆柱形内壁中的狭槽优选包括间隔，从而实际上是设置了多个狭槽。
本发明还涉及一种通过等离子化学气相沉积工艺制造光纤的方法，该方法包括如下步骤：
执行等离子化学气相沉积工艺，将一层或多层掺杂或不掺杂的二氧化硅沉积在细长玻璃基管的内表面上，
使所述基管经受热收缩处理，以形成实心预制件，
熔融所述实心预制件的一端，并从所述一端拉拔光纤。
在本发明方法的一种具体实施方式中，优选的是，在等离子化学气相沉积工艺过程中天线沿着同轴波导管的纵向轴线运动，以便最优化微波从馈电波导管到同轴波导管的通路。
优选的是，在等离子化学气相沉积工艺过程中馈电波导管中的所述元件沿着该馈电波导管的纵向轴线运动，以便最优化能量向等离子区的传递。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行更详细地说明，应注意附图中的连接部分，但是本发明决不限于这种具体实施方式。
图1示出了本发明的用于执行等离子化学气相沉积工艺的设备。
具体实施方式
在附图中，用于执行等离子化学气相沉积(PCVD)工艺的设备被示意性地标记为1。该设备1包括定位在同轴波导管7中的内部引导件或天线6。天线6可沿着箭头P所示的方向沿着同轴波导管7的纵向轴线运动，该同轴波导管7终止于共振腔2，该共振腔2大致为环形，具有圆柱形内壁5和圆柱形外壁3。圆柱形内壁5包括狭槽4，该狭槽4围绕圆柱轴线12以整个圆延伸(在垂直于附图图面的平面中)。天线6具有(中央)纵向轴线，该纵向轴线大致垂直于所述圆柱轴线12延伸。所述纵向轴线和所述狭槽4彼此错开，从而所述纵向轴线没有将所述狭槽4分成两个部分。由于玻璃层的沉积只发生在等离子区附近，共振腔2(和等离子区)必须沿着圆柱轴线12运动，以便沿着基管的整个长度均匀地涂覆基管(未示出)。
馈电波导管8连接到速调管(未示出)，该速调管用于将微波供应到馈电波导管8，微波然后可进入同轴波导管7，并最终在共振腔2、具体地说是在腔14中的玻璃基管(未示出)内产生等离子区，所述等离子区产生如下状况，即，供应到基管内部的玻璃形成先质将沉积在基管的内壁上，以便形成一层或多层玻璃层。本发明的实质在于，天线6在二分点(bisection point)10附近将馈电波导管8分成两个部分并且因此位于馈电波导管8外部。这种结构可不使用通常设置在同轴波导管7中的定中元件。为了确保从馈电波导管8到同轴波导管7的最优化通路，设置了引导元件9，该引导元件9的底面13抵靠在馈电波导管8的内壁上。为了实现微波功率的进一步优化，将元件11设置在馈电波导管8中，该元件11可沿着箭头Z所示的方向沿着馈电波导管的纵向轴线运动。馈电波导管8优选地被构造成连接到同轴波导管7，并且使可在同轴波导管7中运动的天线6不从馈电波导管8的中心经过。换句话说，馈电波导管8的带有元件11的部分的长度小于馈电波导管8没有元件11的部分的长度。

Claims (10)

1.一种用于执行等离子化学气相沉积工艺的设备，通过该设备能够将一层或多层掺杂或不掺杂的二氧化硅沉积在细长玻璃基管的内部，该设备包括细长的微波波导管，该波导管伸入一个共振腔，该共振腔围绕一圆柱轴线呈大致圆柱形对称地形成，所述基管沿着该圆柱轴线设置，其中
所述共振腔为大致环形并具有圆柱形内壁和圆柱形外壁，并且其中
所述圆柱形内壁包括围绕所述圆柱轴线以整个圆形延伸的狭槽，并且其中
所述微波波导管具有纵向轴线，该纵向轴线大致垂直于所述圆柱轴线延伸，以形成同轴波导管，还具有相对于所述纵向轴线以一个角度延伸的轴线，以形成馈电波导管，天线能够沿着所述纵向轴线在所述同轴波导管中运动，其特征在于：
所述天线将所述馈电波导管分成两个部分。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：将引导元件设置在馈电波导管的内部位于天线将馈电波导管分成两个部分的位置处，所述引导元件能够使微波从所述馈电波导管传递到同轴波导管。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述引导元件具有锥形或者球形形状，该锥形或者球形的底面抵靠着馈电波导管的内壁。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：在锥形或者球形对称分成两个部分的情况下，天线能够沿着纵向运动经过锥形或者球形的最高点。
5.如前述权利要求中任一项或多项所述的设备，其特征在于：在所述馈电波导管中存在能够沿着该馈电波导管的纵向轴线运动的元件，所述元件在馈电波导管的整个横截面上延伸。
6.如前述权利要求中任一项或多项所述的设备，其特征在于：位于圆柱形内壁中的狭槽包括间隔。
7.如前述权利要求中任一项或多项所述的设备，其特征在于：所述馈电波导管被设置成垂直于所述纵向轴线。
8.一种通过等离子化学气相沉积工艺制造光纤的方法，该方法包括如下步骤：
执行等离子化学气相沉积工艺，将一层或多层掺杂或不掺杂的二氧化硅沉积在细长玻璃基管的内表面上，
使所述基管经受热收缩处理，以形成实心预制件，
熔融所述实心预制件的一端，并从所述一端拉拔光纤，其特征在于：所述等离子化学气相沉积工艺在如权利要求1至7中任一项或多项所述的设备中进行，其中所述基管沿着圆柱轴线设置于共振腔的圆柱形内壁中，所述基管和所述共振腔大致同轴，并且所述共振腔沿着基管的长度往复地运动，以便将一层或多层掺杂或不掺杂的二氧化硅沉积在所述基管的内部。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：在等离子化学气相沉积工艺过程中天线沿着同轴波导管的纵向轴线运动，以便优化微波从馈电波导管到同轴波导管的通路。
10.如前述权利要求8至9中任一项或多项所述的方法，其特征在于：在等离子化学气相沉积工艺过程中馈电波导管中的所述元件沿着该馈电波导管的纵向轴线运动，以便优化能量向等离子区的传递。
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