CN101298664A - 执行等离子体化学气相沉积的装置和制造光学预制件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于执行等离子体化学气相沉积的装置，依靠该装置，一层或多层掺杂或未掺杂的氧化硅沉积到细长的中空玻璃衬底管的内部。本发明进一步涉及通过等离子体化学气相沉积来制造光学预制件的方法，其中使掺杂或未掺杂的玻璃成形气体通过细长玻璃衬底管的内部，同时在衬底管的内部建立使得玻璃层的沉积发生的条件。

Description

执行等离子体化学气相沉积的装置和制造光学预制件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于执行等离子体化学气相沉积的装置，依靠该装置一层或多层掺杂或未掺杂的氧化硅沉积到细长的中空玻璃衬底管的内部，该装置包括具有环绕圆柱轴基本上圆柱对称地构成的谐振腔的谐振器，衬底管沿着该轴放置，其中所述谐振腔基本上呈具有圆柱形内壁和圆柱形外壁的环形，并且其中所述圆柱形内壁包括沿着环绕所述圆柱轴的圆周的至少一部分延伸的狭缝，微波导延伸进入该谐振腔，从而微波可以经由前述狭缝出射至由圆柱形内壁所围成的腔，其中谐振器包绕着衬底管的至少一部分并可以沿着衬底管的纵轴前后移动。本发明进一步涉及一种通过等离子体化学气相沉积来制造光学预制件的方法，其中使掺杂的或未掺杂的玻璃成形气体通过细长玻璃衬底管的内部，同时在衬底管的内部建立使得玻璃层的沉积发生的条件。
背景技术
US 4 877 938涉及一种制造预制件的方法，其中石墨管紧固至炉子的金属部件以吸收从谐振腔中泄漏出的微波能。
US 4 844 007涉及一种用于在衬底管的内侧提供玻璃层的装置，其中谐振器的内侧具有绝热和/或热反射材料层，从而达到沿衬底管的长度更均匀的热分布的效果。
本申请人的US 2007/0 003 197涉及一种制造光学预制件的方法和装置，其中保护管基本上沿着衬底管的整个长度将衬底管包套，以便在衬底管和保护管之间形成的环形空间内建立等离子体条件，用于使衬底管塌缩成实心棒。
EP 0 554 845涉及一种用于实心预制件的外侧玻璃沉积的方法和装置，其中沿着实心预制件的整个长度设置保护管，而炉子包绕着保护管和实心预制件的组合件，在该炉子中，谐振器可以沿着保护管的部分长度移动。
本申请人的美国专利US 6 260 510中揭示了一种用于制造光纤的装置，该装置可以在上下文中用于制造通常所说的预制棒，例如，光纤可以由该预制棒拉拔。根据已知的制造这种预制件的方法，直的玻璃质衬底管(例如，由石英构成)在它的圆柱形内表面上沉积有掺杂的氧化硅层(例如，掺锗氧化硅)。此处使用的术语“氧化硅”应认为是具有SiOx形式的、化学计量或非化学计量的任何物质，无论是否晶体或非晶。这可以通过将衬底管沿着谐振腔的圆柱轴放置，并用包括O2、SiCl4和GeCl2(例如)的气态混合物冲洗管的内部来实现。在腔内同时产生局部的等离子体，导致了Si、O和Ge的反应，从而在衬底管的内表面上实现了例如Ge掺杂的SiOx这样的直接沉积。由于这种沉积仅发生在局部等离子体的内部和附近，所以谐振腔(和如此的等离子体)必须沿着管的圆柱轴扫描以沿着其整个长度均匀地沉积中空衬底管的内表面。当涂覆完成后，将衬底管热塌缩成实心棒，其具有Ge掺杂的氧化硅芯部和包绕未掺杂氧化硅包层部分。如果将实心棒的末端加热以至其熔融，可以由该实心棒拉拔细玻璃纤维，该玻璃纤维通常配置一层或多层覆层并可以随后卷绕在卷轴上；所述纤维然后具有与实心棒对应的芯部和包层部分。由于Ge掺杂的芯部相较于未掺杂的包层具有更高的折射率，该纤维可以用作波导，例如用于传播光通讯信号中。应注意的是冲洗通过衬底管的气态混合物也可能包含其他组分；例如，C2F6的添加导致掺杂氧化硅的折射率的降低。还应注意的是，预制棒可以从外部覆盖上附加的玻璃层，例如经由沉积工艺的氧化硅，或者通过在拉拔步骤之前将预制棒放入通常所说的套管(由未掺杂的氧化硅构成)中，从而在最终的纤维中，相对于掺杂氧化硅的量如此增加了未掺杂氧化硅的量。
这种用于通讯目的光纤的使用要求光纤基本上没有缺陷(例如掺杂百分比的偏差，不希望的横截面椭圆率和类似情况)，因为，当考虑到光纤的较大的长度时，这种缺陷可能会造成被传输信号的显著衰减。因而，实现非常均匀的并且具有重现性的PCVD过程是重要的，因为所沉积的PCVD层的质量将最终决定纤维的质量；因此，所希望的是在谐振腔内产生的等离子体是均匀的(环绕腔的圆柱轴)。另一方面，如果预制棒可以具有更大的直径，则光纤生产过程的成本将显著降低，因为如此可以从单根棒获得更大的纤维长度。然而，这两个目标难于协调一致，因为衬底管增大的直径将通常地导致等离子体具有变差的轴向对称性；而且，这种等离子体仅能通过使用更高得多的微波功率来产生。
本发明人已发现，颗粒可能进入谐振器，例如当衬底管置于用于执行等离子体化学气相沉积的装置中时从衬底管上脱落的小石英颗粒。此外，来自于炉子(谐振器置于该炉子中)的绝缘材料的颗粒会经由谐振器的两端进入谐振器。当上述颗粒存在于谐振器中时，这可能会导致短路，即，在等离子体条件的建立过程中的不希望的放电，其对谐振器造成损害。此外，沉积过程必须停止，这是不希望的。
本发明人进一步发现，在等离子体化学气相沉积过程中金属颗粒也可能从谐振器脱落，并随后到达衬底管的外表面。这种金属颗粒不仅对衬底管有害，也对谐振器的运行具有不利影响，由此等离子体化学气相沉积过程会变得不稳定。此外，在光纤中小金属颗粒的存在导致了所不希望的在某些波长上的高纤维衰减。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于执行等离子体化学气相沉积的装置，依靠该装置上面所描述的问题被减轻到最小。
本发明的另一个目的是提供一种用于执行等离子体化学气相沉积的装置，在其中，衬底管能够精确地和具有重现性地布置在由谐振器所围成的空间里。
本发明的另一个目的是提供一种用于执行等离子体化学气相沉积的装置，其能实现沉积过程中衬底管的温度的精确控制。
如在背景技术中所提到的该发明，特征在于通过紧配合使中空的内管对着谐振腔的圆柱形内壁放置，该内管沿着谐振腔长度的至少一部分而沿圆柱轴延伸，并且其对微波透明，该内管具有使得衬底管能够安置在内管中的直径。
一个或多个上述的目的通过使用本发明来实现。特别是，当前内管的存在防止了颗粒沉积在细长玻璃衬底管的外表面上。从而，防止在衬底管和谐振器之间的可能的短路(也称作放电)。而且，防止了颗粒粘附到衬底管的外表面。而且，作为使用当前内管的结果，将不会发生所不希望的衬底管的污染。这种颗粒是不希望的，因为它们影响衬底管的温度，并且在较小程度还影响微波的分布。而且，使中空的衬底管形成为实心棒的热收缩操作(也称为塌缩过程)和随后在拉拔塔中的拉拔操作将受到不利影响，以及包含前述颗粒的纤维将表现出较高的衰减。由于内管和谐振器的特殊构造，内管将在谐振器越过衬底管往复移动的过程中连同谐振器一起移动。该内管由此可以认为相对于谐振器静止。这意味着在谐振器的往复移动过程中没有颗粒可以沉积在细长玻璃衬底管的外表面上。
当前内管如此构造，其优选地沿着圆柱轴延伸至谐振器的外部。该内管优选地以这种方式连接至谐振器，以至于内管可以沿着衬底管的纵轴与谐振器同步地移动。此外，内管的长度优选地小于衬底管的长度，更特别地，内管的长度最大是谐振器长度的两倍。该内管由此也延伸越过谐振腔中的狭缝。由于内管对微波的透明，微波能够进入谐振腔的内部。为了达到衬底管良好的径向定位，内管在它的至少一端配置有内环。这种内环作为管的一部分置于内管的内部，特别是在它的端部，从而内管的内径在前述内环的位置处减少。在特殊的实施例中，内管在两端都配置有这种内环。衬底管的外径和内环的内径的差优选地最大是3mm。为了实现衬底管的良好的定位和支撑的目的，优选地是内管配置有一个或多个沿着环绕内管壁的圆周的一部分延伸的开口。在特殊的实施例中，内管的内径优选沿着其长度变化。
内环的存在防止了在衬底管的转动过程中衬底管和谐振腔的圆柱形内壁接触。在衬底管和谐振腔之间的所不希望的接触将导致衬底管的外表面损伤，其结果是石英颗粒将脱落，也导致了谐振腔的内表面的污染。此外，金属颗粒可能会沉积在衬底管的外表面上，导致衬底管的温度的改变。
为了能和微波能耦合，谐振腔的圆柱形壁中的狭缝沿着环绕圆柱轴的圆周的至少一部分延伸。
在特殊的例子中，为了防止在等离子体化学气相沉积过程中内管的熔融，优选地是内管配置有一个或多个沿着环绕内管壁的圆周的一部分延伸的开口，尤其是如果所述一个或多个开口位于谐振腔的圆柱形内壁中的狭缝附近。当使用这种开口时，能够向该处添加气体，例如氮气或空气，从而冷却内管并另外防止内管熔融。
用于内管的合适的材料，该材料必须是对微波透明的并耐高温，该材料包括石英或陶瓷材料，例如氧化铝或氮化硼。当前内管的特殊的实施方式被限定在从属权利要求中。
应注意的是此处使用的术语“微波导”意味着具有广泛的含义，应解释为涉及所有的用于从生成元件(例如速调管或微波炉)有效地传送微波能至谐振腔的装置。更特别地，该术语包括例如天线、同轴导向器、波导和类似物的具体装置。
依照本发明，制造光纤的方法其特征在于，PCVD过程是在依照本发明的装置中执行，从而衬底管沿着圆柱轴放置并位于谐振腔的内壁以内，其中所述衬底管和所述腔基本上是同轴的，并且其中谐振腔沿着衬底管的(至少一部分)长度前后移动。谐振腔和衬底管的一部分被炉子所包绕。这种依照本发明的PCVD装置的应用能实现预制棒的高效制造，并导致了从横截面角度看掺杂物在其中表现出高度的轴向对称的预制棒，随之最终的光纤因而表现出低的信号衰减程度。
如已在之前所指出的，在拉拔光纤前预制棒可以置于氧化硅套管中，这种附加的步骤应当视为落入了如上面所指出的方法的保护范围内。
本发明还涉及制造用于光纤预制件的套管的方法。套管是圆柱形的(未掺杂)氧化硅管，其能够以所述棒和所述管同轴的方式在预制棒上安置。棒和套管的共同的端部随后熔合在一起，因此纤维从所述熔合在一起的共同的端部拉拔，而剩余的棒和管将紧随着拉拔过程的持续而逐渐熔合在一起。由于套管是置于预制棒的未掺杂的包层部分的外侧，该套管无需是高光学质量的；依照该方法的套管的使用因而仅仅是对预制棒的外部添加额外氧化硅(由此增加了最终预制件的厚度，从而更长的具有特定直径的纤维可以从其中拉拔)的一种廉价途径。依照通常的方法，通过执行外部气相沉积(OVD)来依靠沉积过程沉积氧化硅材料至衬底管或至心轴获得套管；该操作继之基本上以干燥、烧结和加工操作。至预制棒的外侧的额外氧化硅的添加也可以使用氧化硅颗粒依靠沉积过程来实现。
依照本发明，制造用于光纤预制件的套管的可选的方法其特征在于，使用PCVD过程在圆柱形的玻璃质管的内表面上施加未掺杂的氧化硅层，该PCVD过程是在依照本发明的装置中进行的，所述管沿着圆柱轴放置并位于谐振腔的内壁以内，其中所述管和所述谐振腔基本上是同轴的，并且其中谐振腔沿着管的(至少一部分)长度前后移动。最终的产品(管+沉积的氧化硅)代表了所需的套管。
特别应注意的是，在提及谐振腔沿着衬底管或玻璃质套的长度移动的地方，所述移动理解为相对移动，即，实际上，谐振腔或是衬底管均可能移动，只要发生二者的相对移动(沿着它们共同的圆柱轴)。然而，内管应看作是相对于谐振腔静止的。
附图说明
现在，将根据两幅图来更详细地解释本发明，然而，其中的连接中应注意，本发明决不被这种具体的实施例所限制。
图1是依照本发明的PCVD装置的一部分的横截面视图。
图2是依照本发明的内管的透视图。
具体实施方式
图1是依照本发明的PCVD装置1的一部分的横截面视图。装置1包括细长的微波导3，其连接至速调管(未显示)，位于环绕圆柱轴7圆形对称地延伸的谐振腔5上。其在沉积过程中，谐振腔5沿着圆柱轴7前后移动，以使得等离子体区域沿着衬底管(未显示)的长度连续地移动。谐振腔5基本上呈具有圆柱形内壁9和圆柱形外壁11的环形。该圆柱形内壁9包括狭缝13，其(在该实施例中)在环绕圆柱轴7的整个圆周上延伸(在垂直于该图平面的平面上)。微波导3具有(中心的)纵轴15，其基本上垂直于圆柱轴7延伸。所述纵轴15和所述狭缝13相对于彼此是错开的，以如此的方式以至于轴15不和狭缝13相交。炉子(未显示)将谐振腔5包绕，其是静止的，即它不沿着圆柱轴7移动。
图1示意性地展示了内管2，该内管2沿着圆柱轴7延伸至谐振器8的外部。该内管2使用紧配合对着谐振腔5的圆柱形内壁9放置，并且衬底管(未显示)可以置于由圆柱形内壁9所围成的圆柱形空间4内。为了将衬底管集中在内管2的内部中，内管2在一端配置有内环6，在该连接中可以注意到类似的内环6也可以配置在内管2的另一端。这种内环6提供了于内环6的位置处的内管2内径的减小，该内环6紧靠着内管2的内壁。在本发明的特殊的例子中，也可以对内管2在它的若干个纵向位置处配置内环6。此外，可以沿着内管2的长度变化内管2的内径。
谐振腔5具有平行于圆柱轴7的长度L，同时W表示狭缝13的宽度(在同样的方向上测量)。如此处所示的，波导3的纵轴15向一侧偏移，以使得它不平分谐振腔5，即从平行于轴7的方向上测量，轴15和谐振腔5的各个端部19、21之间的距离不是L/2。
如此处所示的，波导3被体17所包封，该体17在波导管3延伸进入谐振腔5的区域内是对微波透明的；所述体17可以采取TEFLON(聚四氟乙烯)“插塞(plug)”的形式。
具有直径D的圆柱形腔4，其具有开口端，呈现于谐振腔5的内壁9以内，并沿着圆柱轴7延伸。衬底管(未显示)可以置于其内并沿着所述腔4插入。
在图2中，图1中所示的内管2以透视图展示，其中该内管2在一端配置有内环6。另外，内管2设置两个开口18，其沿着环绕内管2壁的圆周的一部分延伸。特别希望的是，在内管2插入谐振器8的位置中，将开口18置于圆柱形内壁9中的狭缝13的附近。前述开口18特别用于控制PCVD过程中内管2的温度，特别是通过供应气体，而压缩空气可以用于该目的。在沉积过程中衬底管也可以被冷却，在该情况下冷却媒介的供应可以经由微波导3来进行。
使用当前内管，本发明人已实现了不需要的颗粒不会沉积在衬底管的外表面上。此外，内管的使用消除了衬底管和谐振器之间接触的可能。另外附加的优点是，本内管的使用使得可以保持通过沉积过程所实现的结合进入玻璃层的氯足够低，这特别重要，因为在随后的使中空衬底管形成为实心预制件的塌缩过程中，氯的存在可能会导致氯泡的形成，其将对实心预制件的质量有不利影响。此外，和使用没有配置内管的衬底管的装置相比，当前内管的使用导致了在衬底管中更具重现性和稳定的温度分布，该温度分布对于在中空的衬底管内部进行的沉积过程具有有利的影响。另外，可以说已发现一个或两个内环的存在对于衬底管在谐振器中的对中具有有利的影响，防止了所不希望的在高温时衬底管的偏斜。而且，内管成分的适当选择将防止内管在高等离子体功率水平和高沉积速率下的熔融。

Claims (15)

1、一种用于执行等离子体化学气相沉积的装置，依靠该装置一层或多层掺杂或未掺杂的氧化硅沉积到细长的中空玻璃衬底管的内部，该装置包括具有基本上圆柱对称地环绕圆柱轴构成的谐振腔的谐振器，衬底管沿着该轴放置，其中所述谐振腔基本上呈具有圆柱形内壁和圆柱形外壁的环形，以及其中所述圆柱形内壁包括沿着环绕所述圆柱轴的圆周的至少一部分延伸的狭缝，微波导延伸进入该谐振腔，从而微波可以经由前述狭缝出射至由圆柱形内壁所围成的腔，其中谐振器包绕着衬底管的至少一部分并可以沿着衬底管的纵轴前后移动，其特征在于通过紧配合使中空的内管对着谐振腔的圆柱形内壁放置，该内管沿着谐振腔长度的至少一部分而沿圆柱轴延伸，并且其对微波透明，该内管具有以至于衬底管能够安置在内管内部的直径。
2、依照权利要求1的装置，特征在于内管沿着圆柱轴延伸至谐振器的外部。
3、依照前述任一个或多个权利要求的装置，特征在于内管以这种方式连接至谐振器：该内管可以沿着衬底管的纵轴与谐振器同步地移动。
4、依照前述任一个或多个权利要求的装置，特征在于内管的长度小于衬底管的长度。
5、依照前述任一个或多个权利要求的装置，特征在于内管的长度最大是谐振器长度的两倍。
6、依照权利要求1-5的装置，特征在于内管在一端配置有内环。
7、依照权利要求6的装置，特征在于内管在两端都配置有这种内环。
8、依照权利要求6-7的装置，特征在于衬底管的外径和内环的内径的差最大是3mm。
9、依照前述任一个或多个权利要求的装置，特征在于内管配置有一个或多个沿着环绕内管壁的圆周的一部分延伸的开口。
10、依照权利要求9的装置，特征在于所述一个或多个开口位于谐振腔的圆柱形内壁中的狭缝的附近。
11、依照前述任一个或多个权利要求的装置，特征在于该微波导设置有供应气体至由谐振腔的圆柱形内壁和内管所围成的空间的设备。
12、依照前述任一个或多个权利要求的装置，特征在于谐振腔的圆柱形壁中的该狭缝在环绕圆柱轴的整个圆周上延伸，其中该圆周的一部分用遮蔽元件中断。
13、依照前述任一个或多个权利要求的装置，特征在于内管是由熔点高于1000℃的石英玻璃制成。
14、依照前述任一个或多个权利要求的装置，特征在于内管的内径沿着它的长度变化。
15、一种通过等离子体化学气相沉积来制造光学预制件的方法，其中使用依照前述任一个或多个权利要求的装置，使掺杂或未掺杂的玻璃成形气体通过细长玻璃衬底管的内部，同时在衬底管的内部建立用以形成玻璃层的沉积条件。
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