CN101182114B - 用于实施pcvd沉积工艺的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及实施PCVD沉积工艺的装置，其中一个或更多个掺杂的或未掺杂的玻璃层被覆在玻璃衬管的内部，所述的装置包括具有内壁和外壁的施加器和通到所述施加器的微波波导，所述施加器围绕一柱面轴线延伸并且装备有邻近所述内壁的通道，经由所述微波波导提供的微波可以通过该通道引出，所述衬管可放置在所述柱面轴线上，同时所述施加器全部被在所述柱面轴线之上延伸的炉所包围。

Description

用于实施PCVD沉积工艺的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于实施PCVD沉积工艺的装置，其中一个或更多个掺杂的或未掺杂的玻璃层被覆在玻璃衬管的内部，所述的装置包括具有内壁和外壁的施加器(applicator)和通到所述施加器的微波波导，所述施加器围绕一柱面轴线延伸并且装备有邻近所述内壁的通道(passage)，经由所述微波波导提供的微波可以通过该通道引出，所述衬管可放置在所述柱面轴线上，同时所述施加器全部被在所述柱面轴线之上延伸的炉(furnace)所包围。
本发明还涉及使用这样的装置制造预制件(preform)的方法。
背景技术
一种制造光学预制件的方式是等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺，该工艺从以目前的申请人的名义的美国专利No.4,314,833已知。根据从该专利可知的所述工艺，在玻璃衬管中使用低压等离子体将一个或更多个掺杂的或未掺杂的玻璃层沉积到所述玻璃衬管的内部。在玻璃层已经被沉积到玻璃衬管的内部之后，随后所述玻璃衬管被热缩为固体棒。在特定的实施方案中，可以进一步从外部向该固体棒提供额外量的玻璃，例如，通过外部气相沉积工艺或通过使用一个或更多个预制的玻璃管，由此获得复合的预制件。从由此产生的(一端被加热的)预制件获得光纤。
根据以申请目前的申请人的名义的国际申请WO 99/35304，来自微波发生器的微波经由一波导被引导朝向施加器，所述施加器包围一玻璃衬管。该施加器将高频能量耦合到等离子体。在该衬管的一侧提供掺杂的或未掺杂的反应性气体，这之后在等离子体的影响下发生反应，并且掺杂的或未掺杂的玻璃层被沉积到该衬管的内部。玻璃衬管的另一端连接到真空泵，从而在该衬管的内部产生减低的压强，所述降低的压强包括在5到50mbar的范围的压强值。该施加器在衬管的纵向以往复的方式移动，其结果是以每一行程(stroke)在衬管的内部上沉积一薄的玻璃层。所述施加器和衬管一般被一炉包围，从而在沉积工艺期间使衬管维持在900-1300℃的温度。
从以目前的申请人的名义的欧洲专利EP 1 550 640已知一种用于实施PCVD沉积工艺的装置，其中具有指定长度和宽度的扼止装置(choke)围绕如本说明的前序中所提及的装置中的柱面轴线定心，并且是环状的，所述扼止装置设置在施加器内。该扼止装置的尺寸已经被选择为使在整个沉积工艺中的高频能量损耗最小化，这导致高效的能耗。
从美国专利No.6,901,775已知一种用于通过PCVD工艺从内部给衬管加覆层的装置，预制件从所述衬管制成，其中气体递送单元包括一插入件(insert)，据称所述插入件防止气流中的扰动，所述扰动在气流中引发具有一定程度的周期和幅度的驻波。根据该美国专利，所述驻波又是衬管的内部区域内这样的特定沉积的原因，所述特定沉积的特征即在沿其轴线方向上非均匀的厚度。该沉积厚度的非均匀转化为随后经受收缩(contract)工艺的预制件以及从其产生的光纤的外径的非均匀。
发明内容
本发明的一方面是提供包括多个这样的气相沉积的玻璃层的玻璃衬管，所述多个玻璃层具有实质上(essentially)均匀的厚度并且在轴线方向上具有本质上均匀的折射率，所述衬管随后通过收缩工艺被进一步加工为固体棒。最后，所述固体棒经由多个处理步骤转变为光纤。
本发明的再一方面是提供用于实施PCVD沉积工艺的装置和方法，所述装置被配置为使来自施加器的微波能的任何扰动最小化，所述扰动不利地影响最终要生产的预制件的光学性能。
如在介绍中所提及的，本发明的特征在于，炉是沿衬管的纵轴相对于所述衬管以往复的方式可移动的。
上面的一个或更多个方面是通过使用本文的装置来实现的。在对微波激活的等离体的广泛研究和视觉观察之后，本发明人已经发现，曾观察到微波能量的非均匀扰动，除其他因素以外，所述非均匀扰动是由微波功率的分散或散射造成的。本发明人以不希望受此理论约束的方式假设，微波功率的部分被导电性表面(例如包围着的炉的内壁)反射，还被半导电性表面反射。更一般地，可以这样陈述，即微波在发生材料变化处(即空气-水、金属-塑料、空气-陶瓷等等)被反射。因此，作出这样的假设，即所产生的与施加器相关的微波扰动取决于导致所谓的非均匀微波功率的施加器位置，所述非均匀微波功率可能产生非均匀的温度甚至多等离子体。本发明人已经发现，通过这样让施加器以及炉相对于衬管的纵轴以往复的方式可移动，使得在PCVD工艺期间的非均匀微波扰动减弱或者甚至降低到最小。惊人的结果是，在内部沉积之后由此获得的衬管的折射率值沿所述衬管的长度基本上(substantially)均匀。本发明人另外还已经发现，作为衬管轴线位置的函数的衬管的所谓横截面面积(Cross-Sectional Surface Area(CSA)))基本上是均匀的，所述横截面面积是以气相沉积的层的厚度为基础计算的。前述的横截面积(Cross-Sectional Area(CSA))可以如下计算：
CSA = π 4 ( d u 2 - d i 2 )
其中du＝层x的外径，
di＝层x的内径，
CSA＝层x的横截面面积。
在本发明的特别实施方案中，如果衬管在装置的两端被固定或者夹持就位在所述装置中，并且施加器和炉沿衬管的纵轴可移动，则是优选的。这样的构造尤其有利，因为可以以简单的方式调适现有的PCVD设备。还有可能在沉积工艺期间旋转衬管或者从外部以惰性气体冲刷所述衬管，从而防止在衬管的外侧上沉积炉颗粒。
为了实现本发明的非常有效的操作，如果在其上所述施加器在位于所述衬管的进料侧的一折返点(point of reversal)和位于所述出料侧的一折返点之间是可移动的距离被选择为使得所述炉时刻包围所述施加器，则是优选的。炉的所述移动可以以连续、非连续或者步进(in steps)的方式发生。换言之，在沉积工艺期间将以这样的方式移动施加器，即使得同样可移动的炉时刻包围所述施加器，这意味着施加器不能在炉之外移动。这意味着，沿衬管的长度可移动的施加器时刻被定位(position)在也是沿衬管的长度可移动的炉内。玻璃层的沉积沿着施加器在其上被移动的距离发生。衬管具有的长度大于炉的长度与可移动炉的“行程”之和。其原因是衬管的两端均被固定在这样的夹持装置(clamp)上，所述夹持装置不能耐受炉中占主导地位的高温。
所述施加器优选为圆柱对称并且是环状的，包括谐振器空间，所述谐振器空间围绕所述柱面轴线以圆柱对称的方式延伸并且是环状的，所述谐振器空间包括围绕所述柱面轴线以整圈的方式延伸的狭缝(slit)，来自微波波导的微波能通过所述狭缝被传输，其中更具体地，所述微波波导通到所述谐振器空间。
为了实现微波能量的最优传送，如果波导具有基本上垂直于所述柱面轴线的纵轴则是优选的，所述纵轴不与所述狭缝或通道相交，其中更具体地，所述纵轴不将所述谐振器空间分成相等的两半。
本发明人已经发现，施加器和炉可以沿衬管的长度以相同方向或相反方向移动。
在特定实施方案中，如果炉沿衬管长度以逐步(stepwise)移动方式移动则是优选的。所述逐步移动可以被理解为包括炉的这样的移动，即所述炉移动到一位置(例如在衬管的出料侧)，保持该位置某段时间，随后使炉返回到原始位置或者到其他位置(例如在衬管的进料侧)。该后一位置优选也被保持某段时间，随之炉被再次移动到在衬管的出料侧的所述位置。还可能使炉以步进方式移动，例如从进料侧朝向出料侧，在所述移动期间，炉会因此在沿衬管长度的特定位置静止某段时间，这之后该炉继续行进并且被再次停止。根据这样的速度分布(profile)，从时间上来看，所述炉以步进的方式沿衬管的长度往复地移动。前述的循环(cycle)可以在整个沉积工艺期间或者在沉积工艺的部分期间重复。本发明人已经发现，炉的上述移动的循环时间优选在1到600秒的范围。比600秒大的值将导致分布中的扰动，同时小于1秒的值将导致关于预期的CSA均匀性和折射率分布的不足结果。除此之外，小于1秒的值可能导致机械问题。在使用沿衬管的长度移动的炉和施加器的实施方案中，如果炉的循环时间和施加器的循环时间之间的比率不等于一整数则是优选的。为了确定前述比率，必须考虑最长循环时间和最短循环时间之商。
炉在衬管之上的移动优选等于所使用的微波波长的四分之一的非偶数倍。在实践中，适当的微波具有例如2.45GHz、890MHz或5.8GHz的频率。在实践中，特别地使用3、9、15cm的距离。术语“移动”要被理解为炉在衬管的纵向上移动的距离。
根据本发明的另一个实施方案，炉在衬管的进料侧和出料侧的两个位置之间被连续地移动。在炉所移动的距离是所使用的微波波长的四分之一的非偶数倍的情况下是优选的。还优选的是，当将炉的循环时间与施加器的循环时间相比时，最长循环时间和最短循环时间的商不等于一整数。出于实践的原因，使用小于5厘米/秒的炉移动速率，特别地，使用小于1厘米/秒的移动速率。
尽管目前为止已经描述了移动的炉，但是在特定实施方案中炉还可能在内部配备有沿衬管的长度移动的部份或部件。在这样的实施方案中，在沉积工艺期间，从时间上来看，这样的炉占用一静止的位置，同时优选由金属制成的所述部分或部件为了由此防止微波能量扰动而被沿衬管的长度移动，所述部分或部件被设置为以同心的方式围绕衬管。
根据本发明的另一实施方案，衬管，包括如本领域技术人员已知的连接，是相对于静止的炉和施加器可移动的。
使用在这里，术语“沿纵轴可移动”要被理解为沿衬管的长度的移动，从衬管的纵向看，所述移动不仅可以平行于所述衬管，还可以以某个角度，例如从较上侧到底侧，或者从前侧到后侧。
本发明还涉及用于制造预制件的方法，所述方法包括实施用于将一个或更多个掺杂的或未掺杂的玻璃层沉积在玻璃衬管的内部的PCVD沉积工艺，其特征在于所述PCVD沉积是通过如前所述的装置来实施的，其中所述衬管在所述施加器的内壁内被放置在所述柱面轴线上，形成玻璃的前驱体(precursor)被输入到所述衬管的内部，其中所述衬管和所述施加器本质上是共轴的，并且其中所述施加器和所述炉沿所述衬管长度以往复的方式移动。
附图说明
图1示出棒芯的相对于纯二氧化硅的折射率作为沿预制件长度的轴线位置的函数。
图2示出棒芯的横截面面积(CSA)作为沿预制件长度的轴线位置的函数。
图3示出根据本发明用于实施PCVD沉积工艺的装置。
具体实施方式
现在将在多个实施例的基础上解释本发明，然而，在其联系中应该注意，本发明不以任何方式限于这些特别的实施例。相关于图1和2使用的短语“无移动”指在沉积工艺期间无炉的移动，并且从而不形成本发明的部分。
在图3中示出PCVD装置1，其中玻璃衬管2放置在柱面轴线10上。玻璃衬管2配备有在其左端的进料侧(supply side)4和在其右端的出料侧(discharge side)3，其中形成玻璃的前驱体在进料侧4进料到衬管2的内部。装置1包括具有内壁和外壁的施加器6和引导微波的微波波导7，所述微波波导7通到所述施加器6。所述施加器6被在柱面轴线10之上延伸的炉5所包围。所述施加器6在位于进料侧4的一折返点和位于出料侧3的一折返点之间沿所述柱面轴线10是可移动的。在沉积工艺期间，所述炉5也沿所述衬管的纵轴相对于所述衬管是以往复的方式可移动的。这意味着炉5在位于衬管2的进料侧4的位置9以及位于衬管2的出料侧3的位置8之间沿所述衬管2的长度是可移动的。在沉积工艺期间，施加器以这样的方式移动，即使得以类似方式在位置9和位置8之间可移动的炉5时刻包围所述施加器6，这意味着施加器6不能在炉5之外移动。这意味着，沿衬管2的长度可移动的施加器6时刻被定位在炉5内。玻璃层在玻璃衬管2内部的沉积沿着施加器6被移动的距离发生。衬管2具有的长度大于炉5的长度与可移动炉的“行程”(即位置9和位置8之间的距离)之和。
(对比性)实施例1
以现有技术的PCVD装置实施PCVD工艺，所述现有技术的PCVD装置包括静止的炉、静止的衬管和在所述衬管之上以往复的方式移动的施加器，在所述工艺期间，形成玻璃的前驱体被输入到了衬管的内部。在衬管内部占主导的条件下，使用20米/分钟的惯常施加器速度沉积了同心的玻璃层。在沉积工艺已经结束了之后，由此获得的衬管经受收缩工艺以获得固体棒。图1示出棒芯的相对于纯二氧化硅的折射率作为轴线位置的函数。图2示出棒芯的横截面面积(CSA)作为轴线位置的函数。图1和图2两者均示出在玻璃棒的轴线位置上存在着非均匀。这样的非均匀对从此获得的光纤的多项质量参数具有不利影响，例如衰减以及模场宽度和带宽的均匀性。
实施例2
使用了与对比性实施例1中相同的PCVD装置，具有这样的区别，即炉像施加器那样沿衬管的长度移动。由此获得的衬管以与对比性实施例1中相同的方式被形成为固体棒。
由此获得的固体棒经受了测量，其中图1示出棒芯的相对于纯二氧化硅的折射率作为轴线位置的函数。图2示出棒芯的横截面面积(CSA)作为轴线位置的函数。图1和图2两者均在预制件的相当长的长度上示出均匀的折射率和均匀的CSA。已经显示出，在沉积工艺期间通过相对于衬管移动施加器以及炉来使非均匀性降低到最小是可能的。

Claims (11)

1.一种实施PCVD沉积工艺的装置，其中一个或更多个掺杂的或未掺杂的玻璃层被沉积在具有进料侧和出料侧的玻璃衬管的内部，所述的装置包括具有内壁和外壁的施加器和引导微波的微波波导，所述微波波导通到所述施加器中，其中所述施加器围绕一柱面轴线延伸并且被装备有邻近所述内壁的通道，经由所述微波波导提供的微波能够通过所述通道引出，所述玻璃衬管能够放置在所述柱面轴线上，同时所述施加器被在所述柱面轴线之上延伸的炉所包围，所述施加器在位于所述进料侧的一折返点和位于所述出料侧的一折返点之间沿所述柱面轴线是可移动的，其特征在于，所述炉和所述施加器两者沿所述衬管的纵轴相对于所述衬管是以往复的方式可移动的，其中所述炉和所述施加器各自相对于所述衬管的移动是彼此独立的，并且在所述PCVD沉积工艺期间，所述炉时刻包围所述施加器。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，在其上所述施加器在位于所述衬管的所述进料侧的一折返点和位于所述出料侧的一折返点之间是可移动的距离是这样的，即使得所述炉包围所述施加器。
3.根据以上权利要求中的任一项的装置，其特征在于，所述施加器为圆柱对称并且环状的，所述施加器包括谐振器空间，所述谐振器空间围绕所述柱面轴线以圆柱对称的方式延伸并且是环状的，所述谐振器空间包括围绕所述柱面轴线以整圈的方式延伸的狭缝，来自所述微波波导的微波能量通过所述狭缝被传输。
4.根据权利要求3的装置，其特征在于，所述微波波导通到所述谐振器空间中。
5.根据权利要求3的装置，其特征在于，所述波导具有基本上垂直于所述柱面轴线延伸的纵轴，所述纵轴不与所述谐振器空间的所述狭缝或所述通道相交。
6.根据权利要求4的装置，其特征在于，所述波导具有基本上垂直于所述柱面轴线延伸的纵轴，所述纵轴不与所述谐振器空间的所述狭缝或所述通道相交。
7.根据权利要求5的装置，其特征在于，所述波导的纵轴不将所述谐振器空间分成相等的两半。
8.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述波导的纵轴不将所述谐振器空间分成相等的两半。
9.一种通过根据权利要求1-8中的任一项所定义的装置将一个或更多个掺杂的或未掺杂的玻璃层沉积在玻璃衬管的内部的方法，其中所述衬管在所述施加器的内壁内被放置在所述柱面轴线上，形成玻璃的前驱体被输入到所述衬管的内部，同时所述施加器被沿所述柱面轴线延伸的炉所包围，其中所述衬管和所述施加器实质上是共轴的，其中所述施加器在沉积过程期间沿所述衬管长度以往复的方式移动并且在所述玻璃衬管内部表面上建立形成玻璃层的等离子体条件，其特征在于，在沉积过程期间所述炉和所述施加器两者沿所述衬管的纵轴相对于所述衬管移动，其中所述炉和所述施加器各自相对于所述衬管的移动是彼此独立的，并且在所述PCVD沉积工艺期间，所述炉时刻包围所述施加器。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，在其上所述炉沿所述衬管的所述纵轴移动的距离是在所述施加器中使用的微波波长的四分之一的非偶数倍。
11.根据以上权利要求9-10中的任一项的方法，其特征在于，所述炉的循环时间和所述施加器的循环时间的比率不等于一整数，所述整数是最长的循环时间除以最短的循环时间而得到的。
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