CN101333067B - 用于通过气相沉积工艺制造光纤预制件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，用于通过气相沉积工艺来制造光纤预制件，其中在一个沉积阶段和下一个或多个沉积阶段之间执行中间步骤，该中间步骤包括向中空衬底管的供给侧提供蚀刻气体。

Description

用于通过气相沉积工艺制造光纤预制件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过气相沉积工艺制造光纤预制件的方法，所述方法包括以下步骤：

i)提供具有供给侧和排放侧的中空玻璃石英衬底管，

ii)经由所述中空衬底管的所述供给侧向所述中空衬底管的内部提供掺杂或未掺杂的玻璃成形气体，

iii)在所述中空衬底管的所述内部中创造温度和等离子体条件，从而在所述中空衬底管的内表面上沉积玻璃层，认为所述沉积包括多个独立阶段，每个阶段具有初始折射率值以及最终折射率值并且在特定时间周期期间在所述中空衬底管的内侧上包括多个玻璃层的沉积，所述等离子体在所述中空衬底管的所述供给侧附近的反转点和所述排放侧附近的反转点之间沿着所述中空衬底管的纵向轴线前后移动，以及可能地

iv)将在步骤iii)之后获取的所述衬底管固化为所述预制件。

背景技术

根据用于制造在介绍中称作预制件棒的方法，拉长的、玻璃质的衬底管(例如由石英制成)的圆柱内表面涂敷有掺杂或未掺杂的硅石(例如，掺杂锗的硅石)。应该将这里使用的术语“硅石”理解为意为SiO_x形式的任何物质，不论其是否是化学计量的以及是否是晶体的或无定形的。这可以受到沿着谐振腔的圆柱轴线而定位衬底管以及利用(例如)包括O₂、SiSl₄和GeCl₂的气体混合物冲洗该管的内部的影响。局部的等离子体在腔内同时产生，引起Si、0和Ge的反应，以至于因此直接影响例如掺杂Ge的SiO_x在衬底管的内表面上的沉积。因为此类沉积仅发生在局部的等离子体的邻近区域中，谐振腔(并且因此等离子体)肯定沿着管的圆柱的轴线被扫过，从而均匀地沿着管的整个长度涂敷该管。当完成涂敷时，管热塌缩为块状棒(massive rod)，其具有掺杂Ge的硅石纤芯部分和围绕未掺杂的硅石包层部分。如果加热该棒的末端从而使其熔化，则可以从棒中拉丝出细的玻璃纤维并且缠绕在轴上；然后，所述纤维具有对应于那些棒的纤芯部分以及包层部分的纤芯部分以及包层部分。因为掺杂Ge的纤芯具有比未掺杂的包层高的折射率，所以纤维可以作为波导，例如用于传播光通信信号。应该指出，通过衬底管冲洗的气体混合物还可以包含其他成分；例如添加C₂F₆，导致减小掺杂硅石的折射率值。还应该指出，例如通过在拉丝工艺之前借助沉积工艺应用硅石或通过将预制件棒置于所谓的管套(包括未掺杂的硅石)中，可以在预制件棒外部涂敷额外的玻璃层，从而这样相对于最终纤维中掺杂硅石的量增加未掺杂硅石的量。

出于通信目的使用此类光纤要求光纤基本上没有缺陷(例如，掺杂物的百分比的不同、不希望的横截面椭圆率等)，因为，当考虑到很大长度的光纤时，此类缺陷可以引起传输信号的显著衰减。因此，这对于实现非常均匀并且可再生产的PCVD工艺是重要的，因为沉积的PCVD层的质量将最终决定光纤的质量。

从韩国专利申请No.2003-774,952中实质已知一种用于通过气相沉积工艺制造光纤预制件的设备。使用从其已知的该设备，通过MCVD(改进的化学气相沉积)工艺制造光纤预制件，其中使用排放管和插入管，该排放管附着于衬底管。插入管布置在排放管内并且其外部直径小于排放管的外部直径。布置在插入管内的是烟灰刮削元件，其包括在插入管内部旋转的条并且其与插入管内表面相接触。在插入管和排放管之间的是环形空间，气体穿过该空间。

根据国际申请WO 89/02419，已知一种用于通过内部气相沉积工艺制造光学预制件的设备，其中管状元件安装在衬底的泵侧处，用于去除固体的、未沉积的微粒。特别地，此类设备包括跟随管状元件内表面的螺旋结构，该螺旋结构包括螺旋形的并且可旋转的开口气体导管。

在衬底管内部上沉积掺杂或未掺杂的玻璃层期间，尤其通过PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺，尤其是在沿着衬底管的长度往复的能量源移动的范围之外的区域中，即谐振器，可以沉积低质量石英层。低质量石英层的示例是所谓的烟灰环，而且石英具有由高掺杂含量引起的高的内部应力。

本发明人已经发现出现在衬底管内部的此类低质量石英可能有害地影响衬底管，尤其是在中空衬底管塌缩为固体预制件时作为在衬底管的供给侧的邻近区域中形成气泡的结果，除此之外，本发明人已经发现此类低质量石英可以在塌缩工艺期间从中空衬底管的内部变松，这可能导致在衬底管的其他位置处的污染或者气泡形成。另一个消极方面是以下事实，即在低质量石英区域中可以发生破裂，该破裂可以在衬底管的中心方向上传播，这是不希望的。

本发明人还发现低质量石英可能导致衬底管的堵塞以及相关的管道布置(piping)，其结果是在沉积工艺期间压力可能增大到不希望的高值，这将对衬底管中的沉积工艺具有有害的影响，该影响在实践中将被觉察为白色。

衬底管本身由高质量石英制成，然而，在实践中，衬底管的总长度将大于通过拉丝工艺最终转变为玻璃纤维的衬底管的部分的长度，因为发生沉积处的衬底管两端可能引起不希望的副作用，即，沉积缺陷、污染、气泡的形成等等。

本发明人尤其发现在所谓的插入管用在中空衬底管的排放侧上的情况中，烟灰的沉积尤其以高沉积速率发生，特别是在沉积工艺中，玻璃层的沉积以超过3g/分钟的速率发生，该工艺通常持续超过5个小时。此类插入管的外部直径小于中空衬底管本身的内部直径，并且其通常紧密配合地布置在衬底管内部的衬底管排放侧附近。作为在插入管中形成烟灰的结果，中空衬底管内的压力将增大，使得SiCl₄的沉积效率将进一步减小并且(甚至)将形成更多的烟灰，这是不希望的。此类工艺是自增强的，这意味着沉积工艺将由于中空衬底管的排放侧上的插入管通道的完全堵塞而必须终止。认为沉积工艺的中断是不希望的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于制造光纤预制件的方法，其中中空衬底管的排放侧附近的插入管的堵塞的风险得以最小化。

本发明的另一个目的是提供一种用于制造光纤预制件的方法，其中沉积工艺不必由于堵塞而终止，而与实际上使用的高沉积速率和长工艺时间无关。

本发明在介绍中的特征在于通过执行至少一个中间步骤在步骤iii)期间中断在中空衬底管的内表面上的玻璃层沉积，该中间步骤包括向中空衬底管的供给侧提供蚀刻气体，同时在中间步骤期间停止供应掺杂或未掺杂的玻璃成形气体，并且在中间步骤终止之后，沉积工艺可能继续。

通过实现这样的方面达到以上一个或多个目的。本发明人已经发现在中空衬底管上的玻璃层沉积的初始沉积以及准确的分布取决于多个工艺条件，诸如使用的等离子体功率、中空衬底管内的压力、谐振器的配置以及沉积速率。因此，本发明人已经发现了在PCVD工艺期间玻璃层的一小部分沉积在中空衬底管的排放侧附近的插入管内部。对比较于散布在中空衬底管本身中的温度，作为散布在插入管中的低温的结果，特定量的烟灰代替石英沉积在所述位置。因此，沉积材料，即烟灰，具有比石英高得多的比容，从而，甚至少量的烟灰可能导致插入管阻塞。此外，此类烟灰材料可能从中空衬底管的内部变松并且导致衬底管中其他位置的污染。通过暂时中断沉积步骤iii)，优选地，在一个沉积阶段和下一个(多个)沉积阶段之间执行中间步骤的中断，该中间步骤包括经由供给侧向中空衬底管的内部提供蚀刻气体，从插入管和/或衬底管的内部移除先前沉积的烟灰层。为了能够以有效方式执行中间步骤，希望在中间步骤期间等离子体条件散布在插入管和/或衬底管的内部，这特别受到等离子体在中空衬底管的供给侧附近的反转点和排放侧附近的反转点之间沿着中空衬底管的纵轴前后移动的影响。沉积阶段包括在中空衬底管供给侧上的载气中供应玻璃成形成分，诸如SiCl₄、GeCl₄、C₂F₂和O₂。在中间步骤中，经由中空衬底管的供给侧仅向中空衬底管内部供给含卤素气体，该蚀刻气体可以利用诸如氧气的载气或冲洗气体提供。中间步骤事实上通过继续向中空衬底管的内部供给可能与改变(增加、减小)折射率的掺杂物相组合的玻璃成形气体而中断。因此，沉积阶段和一个或多个中间步骤的改变可以发生在本申请的特殊实施方式中。对于所谓的阶跃折射率预制件，可能在沉积阶段本身内执行中间步骤，同时对于所谓的陡度折射率预制件，认为沉积阶段本身内的中断是不利的，因为其导致了不希望的轮廓干扰(profile disturbance)。因此，在陡度折射率预制件的情况中，根据本发明在一个沉积阶段和下一个(多个)沉积阶段之间执行中间步骤是优选的，该沉积阶段可能导致不同的玻璃组成，可能导致不同的折射率值。因此，已经发现，当使用此类中间步骤时，出现在插入管中的烟灰被有效地蚀刻掉，从而防止了插入管的任何阻塞。在其中执行蚀刻操作的这类中间步骤之后，再继续玻璃层的沉积。因此，每次在两个沉积阶段之间执行上述中间步骤是优选的。

优选地，在本发明中使用的蚀刻气体是含卤素气体，尤其是含氟气体，特别地从包括CCl₂F₂、CF₄、C₂F₆、SF₆、F₂和SO₂F₂或它们的组合的组中选择的气体，在该情况中，含氟气体可以出现在冲洗气体中。尤其是，C₂F₆和SF₆是优选的蚀刻气体。

在特殊的实施方式中，中间步骤优选地执行5-15分钟的周期，同时如果衬底管在所述中间步骤期间旋转则这是尤其优选的。

尽管在步骤iii)期间，等离子体在中空衬底管的供给侧附近的反转点和排放侧附近的反转点之间沿着中空衬底管的纵轴前后移动，但是在特定实施方式中，在中间步骤期间等离子体可能出现在中空衬底管的排放侧附近的反转点的附近。在此类实施方式中，中间步骤尤其在烟灰主要沉积的位置处执行，即，中空衬底管的排放侧附近，尤其是在布置在上述侧上的插入管中。在此类实施方式中，使用的等离子体功率可以设置为最大值10kW，尤其设置为最大值5kW，从而尤其防止衬底管和/或插入管的融化。

本发明尤其适用于制造预制件，从该预制件中获取单模光纤，但是本发明也可以适用于在步骤iii)终止之后，从该预制件的整个内部去除具有高锗含量的层，当中空衬底管经受固化处理从而制造固体预制件时，该层造成层破裂的发生。因此，通过去除具有高锗含量的层来防止层破裂的风险。

附图说明

本发明将通过下文的示例来解释，然而在结合中应该指出，本发明决不限制于此类特殊的示例。图1是在沉积工艺中使用的设备的示意图。

具体实施方式

通过从以本中请人的名义申请的荷兰专利NL 1 023 438中已知的标准PCVD工艺制造由石英制成的中空衬底管2。具有供给侧5和排放侧6的中空衬底管2置于熔炉1中，其中谐振器3呈现在熔炉1中，该谐振器3可以在熔炉1内沿着中空衬底管2的长度前后移动。经由波导4向谐振器3提供微波能量，从而在中空衬底管2的内部7中产生等离子体条件，该等离子体条件对在中空衬底管2的内部7上沉积的玻璃层起作用。布置在中空衬底管2内的中空衬底管2的排放侧6附近的是所谓的插入管(未示出)，其中在插入管中烟灰的沉积发生在指示为9的位置处。此类插入管的外部直径小于中空衬底管2本身的内部直径，并且通常其紧密地配合在中空衬底管2内的中空衬底管2的排放侧6附近。本发明人已经发现谐振器3生成的等离子体可以略微地出现在谐振器3外部，在该情况中，等离子体尤其在排放侧6的邻近区域中的插入管附近离开谐振器3。作为前述烟灰沉积的结果，插入管中的有效横截面积减小，这导致了中空衬底管2内部的压力增加，这有害地影响了沉积工艺。在沉积工艺期间此类烟灰环是视觉上可察觉的。本申请的目的尤其是在任何希望的时候，尤其在沉积工艺期间去除此类烟灰沉积，。

通过以20m/分钟的速率沿着中空衬底管2的长度前后移动等离子体来执行内部化学气相沉积工艺，该中空衬底管2定位在熔炉1的内部。熔炉1设置为温度1000℃，使用9kW的等离子体功率。基于SiO₂，中空衬底管2内侧压力的数值大约是10mbar，因此位于中空衬底管2内部上的玻璃层沉积速率是3.1g/分钟。将由O₂、SiCl₄、GeCl₄和C₂F₆组成的气体组合物提供给中空衬底管2的内部7。

在大约50分钟的周期之后，在中空衬底管2的内部7上的玻璃层沉积被中断，并且随后谐振器3，特别是生成等离子体的元件，在中空衬底管2的排放侧6的方向上移动。在中空衬底管2的内部中，在其中布置了插入管的排放侧6附近，察觉到烟灰的明显污染。在谐振器3已经移动之后，执行根据本发明的中间步骤，在该中间步骤期间，熔炉的温度保持在1000℃。等离子体功率减少到5kW。提供给中空衬底管2的内部7的气体组成改变为由含氟组合物和氧气组成的蚀刻气体组合物，尤其具有每分钟3标准升的氧气以及每分钟0.3标准升的C₂F₆的传递速率。中间步骤执行5-10分钟，在此期间中空衬底管2持续旋转。因此在执行中间步骤终止之后，其使得几乎没有任何烟灰残留在排放侧6的邻近区域的插入管中。在以上述方式已经去除了烟灰之后，尤其是通过向中空衬底管2的内部提供由O₂、SiCl₄、GeCl₄和C₂F₆组成的气体组合物，沉积工艺再继续。

Claims (12)

1.一种用于通过气相沉积工艺制造光纤预制件的方法，所述方法包括以下步骤：

i)提供具有供给侧和排放侧的中空玻璃石英衬底管，

ii)经由所述中空玻璃石英衬底管的所述供给侧向所述中空玻璃石英衬底管的内部提供掺杂或未掺杂的玻璃成形气体，

iii)在所述中空玻璃石英衬底管的所述内部中创造温度和等离子体条件，从而在所述中空玻璃石英衬底管的内表面上沉积玻璃层，所述沉积包括多个独立阶段，每个阶段具有初始折射率值以及最终折射率值并且在特定时间周期期间在所述中空玻璃石英衬底管的内侧上包括多个玻璃层的沉积，所述等离子体在所述中空玻璃石英衬底管的所述供给侧附近的反转点和所述排放侧附近的反转点之间沿着所述中空玻璃石英衬底管的纵向轴线前后移动，

iv)在沉积阶段中沉积玻璃层；

v)通过执行至少一个中间步骤来中断所述沉积阶段，所述至少一个中间步骤包括向所述中空玻璃石英衬底管的所述供给侧提供蚀刻气体，同时停止掺杂或未掺杂的玻璃成形气体的供给；

vi)在所述至少一个中间步骤终止之后，在下一沉积阶段中，沉积玻璃层；以及

vii)将在步骤vi)之后获取的中空玻璃石英衬底管固化为预制件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用含氟蚀刻气体。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述蚀刻气体从包括以下内容的组中选择：CCl₂F₂、CF₄、C₂F₆、SF₆、F₂和SO₂F₂或它们的组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述蚀刻气体在存在冲洗气体时提供。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述冲洗气体是氧气。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述蚀刻气体是C₂F₆和O₂的组合。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述中间步骤执行持续5-15分钟的周期。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述中间步骤期间所述衬底管旋转。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述中间步骤期间，所述等离子体出现在所述中空玻璃石英衬底管的所述排放侧附近的所述反转点的邻近区域中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述等离子体功率设置为最大值10kW。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述等离子体功率设置为最大值5kW。

12.根据前述权利要求中的任意一项或多项所述的方法，其特征在于所述中间步骤所述沉积阶段和所述下一沉积阶段之间执行。

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