CN101519269A - 光纤预制体的制造方法和用于制造该预制体的燃烧器 - Google Patents

光纤预制体的制造方法和用于制造该预制体的燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明提供光纤预制体的制造方法和用于制造该预制体的燃烧器。该光纤预制体的制造方法能够利用具有简单结构的燃烧器在不降低沉积效率的情况下以高沉积速率沉积玻璃微珠，并且能够制造很少具有气泡的光纤预制体。在本发明中，从具有同轴线多管路结构的燃烧器的环状喷嘴喷出玻璃原料气体与燃烧辅助气体的混和气体，从位于该环状喷嘴的内侧的内侧喷嘴喷出可燃气体。作为可选方案，可以从环状喷嘴喷出玻璃原料气体与可燃气体的混和气体，从位于该环状喷嘴的内侧的内侧喷嘴喷出燃烧辅助气体。在上述每一种情况下，分别从位于环状喷嘴的外侧的外侧喷嘴喷出可燃气体和燃烧辅助气体。

Description

光纤预制体的制造方法和用于制造该预制体的燃烧器
技术领域
本发明涉及通过在火焰中水解玻璃原料以产生玻璃微珠并将玻璃微珠沉积在旋转生长棒(start rod)上来制造光纤预制体的方法和用于制造该光纤预制体的燃烧器(burner)。
背景技术
迄今为止，提出了用于制造光纤预制体的各种方法。在这些方法之中，由于外汽相沉积(O utside Vapor PhaseDeposition，OVD)法可以相对容易地制造具有期望折射率分布的光纤预制体并且能够批量生产大直径的光纤预制体，因此，广泛使用该外汽相沉积法，在该外汽相沉积法中，在使燃烧器和旋转生长棒相对往复移动的同时将在燃烧器火焰中产生的玻璃微珠附着并沉积在旋转生长棒上，从而合成多孔质预制体(即，烟灰(soot)预制体)，并且在电炉中使该多孔质预制体脱水和烧结。
例如，日本专利申请No.04-243929号公报和日本专利申请No.10-101343号公报等中公开的方法从同轴线配置有多个喷嘴的具有同轴线多管路结构的燃烧器喷出如四氯化硅等玻璃原料、可燃气体和燃烧辅助气体，使得在燃烧器火焰中产生玻璃微珠并且将该玻璃微珠沉积在生长棒上。
为了提高光纤预制体的生产率，必须增加玻璃微珠的沉积速率。然而，增加玻璃原料的供给速率来增加玻璃微珠的沉积速率导致玻璃微珠在生长棒上的沉积效率降低，使得光纤预制体的生产成本增加。另外，沉积效率的降低使反应室中的没有沉积在生长棒上的漂浮玻璃微珠的量增加。结果，反应室中的漂浮玻璃微珠附着到沉积在生长棒上的烟灰的表面，使得可能在透明地玻璃化之后的光纤预制体中形成气泡。
沉积效率降低的原因是：玻璃原料的供给速率的增加使玻璃微珠的流速变大，使得玻璃微珠到达烟灰表面所需的时间变得太短。
通常从配置在具有同轴线多管路结构的燃烧器中的喷嘴中喷出玻璃原料气体，并且通过玻璃原料在火焰中的水解反应产生玻璃微珠。用于喷出玻璃原料的喷嘴的直径的增大使玻璃微珠的流速降低，从而，玻璃微珠到达烟灰表面所需的时间变长。然而，喷出的玻璃原料火焰在喷嘴径向上的厚度增加，使得在玻璃原料火焰的中央部的反应被推迟，并且未提高得到的沉积效率。
日本专利申请No.04-243929号公报公开了一种具有同轴线多管路结构的燃烧器，在该结构中，用于喷出玻璃原料的喷嘴被配置在可燃气体用喷嘴和氧化气体用喷嘴之间。然而，在该燃烧器中，喷出可燃气体(H2)和氧化气体(O2)，从而将玻璃原料气体夹在该可燃气体和氧化气体之间，使得形成H2O的反应缓慢地进行。因此，SiO2的产生缓慢地进行。
日本专利申请No.10-101343号公报公开了一种具有分别用于喷出玻璃原料的多个喷嘴的燃烧器。然而，该燃烧器的结构复杂，使得难以以合理的成本和稳定的品质批量生产预制体。
发明内容
本发明的目的是提供能够利用具有简单结构的燃烧器在不降低沉积效率的情况下以高沉积速率在生长棒上沉积玻璃微珠，并且能够制造很少具有气泡的光纤预制体的光纤预制体的制造方法以及用于制造光纤预制体的燃烧器。
根据本发明的第一方面的光纤预制体的制造方法的特征是该方法具有以下步骤：从燃烧器的多个喷嘴分别喷出玻璃原料气体、可燃气体、燃烧辅助气体和密封气体，从而在火焰中水解玻璃原料气体来产生玻璃微珠，该燃烧器具有同轴线地配置且直径彼此不同的多个管路，由多个管路限定多个喷嘴；以及使燃烧器相对于生长棒移动，从而使玻璃微珠沉积在生长棒上，其中，在喷出步骤中，从多个喷嘴之中的规定环状喷嘴喷出玻璃原料气体与燃烧辅助气体的混和气体，从位于环状喷嘴的内侧的内侧喷嘴喷出可燃气体，从位于环状喷嘴的外侧的外侧喷嘴分别喷出可燃气体和燃烧辅助气体。
根据本发明的第二方面的光纤预制体的制造方法的特征是该方法具有以下步骤：从燃烧器的多个喷嘴分别喷出玻璃原料气体、可燃气体、燃烧辅助气体和密封气体，从而在火焰中水解玻璃原料气体来产生玻璃微珠，该燃烧器具有同轴线地配置且直径彼此不同的多个管路，由多个管路限定多个喷嘴；以及使燃烧器相对于生长棒移动，从而使玻璃微珠沉积在生长棒上，其中，在喷出步骤中，从多个喷嘴之中的规定环状喷嘴喷出玻璃原料气体与可燃气体的混和气体，从位于环状喷嘴的内侧的内侧喷嘴喷出燃烧辅助气体，从位于环状喷嘴的外侧的外侧喷嘴分别喷出可燃气体和燃烧辅助气体。
根据本发明的第三方面的用于制造光纤预制体的燃烧器的特征是，该燃烧器具有同轴线地配置且直径彼此不同从而限定多个喷嘴的多个管路，多个喷嘴包括：被构造成喷出玻璃原料气体与燃烧辅助气体的混和气体的环状喷嘴；位于环状喷嘴的内侧且被构造成喷出可燃气体的内侧喷嘴；以及位于环状喷嘴的外侧且被构造成分别喷出可燃气体和燃烧辅助气体的外侧喷嘴。
根据本发明的第四方面的用于制造光纤预制体的燃烧器的特征是，该燃烧器具有同轴线地配置且直径彼此不同从而限定多个喷嘴的多个管路，多个喷嘴包括：被构造成喷出玻璃原料气体与可燃气体的混和气体的环状喷嘴；位于环状喷嘴的内侧且被构造成喷出燃烧辅助气体的内侧喷嘴；以及位于环状喷嘴的外侧且被构造成分别喷出可燃气体和燃烧辅助气体的外侧喷嘴。
根据本发明，可以利用具有简单结构的燃烧器在不降低玻璃微珠的沉积效率的情况下增加玻璃微珠的沉积速率，并且制造很少具有气泡的光纤预制体。
通过下面参照附图对具体实施方式的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出用于由外汽相沉积(OVD)法制造光纤预制体的设备的示意图；
图2是示出在本发明的实施例1和实施例2中使用的具有同轴线七管路结构的燃烧器的喷嘴配置的主视图；
图3是示出在比较例1中使用的具有同轴线五管路结构的燃烧器的喷嘴配置的主视图；
图4是示出实施例1和比较例1中的玻璃原料气体的供给速率和沉积效率之间的关系的图。
具体实施方式
在本发明中，从具有同轴线多管路结构的燃烧器的环状喷嘴中喷出玻璃原料气体和燃烧辅助气体的混和气体，从位于环状喷嘴的内侧的喷嘴喷出可燃气体。作为可选方案，可以从环状喷嘴喷出玻璃原料气体与可燃气体的混和气体，可以从位于环状喷嘴的内侧的喷嘴喷出燃烧辅助气体。在上述每一种情况下，从位于环状喷嘴的外侧的各自喷嘴分别喷出可燃气体和燃烧辅助气体。
根据本发明，因为从环状喷嘴而不是从圆形喷嘴喷出玻璃原料气体，因此，可以减小喷出的玻璃原料气流在环状喷嘴的径向上的厚度。另外，玻璃原料气流朝向环状喷嘴的内外两侧的扩散能够促进玻璃原料气体的反应。结果，即使增大向燃烧器供给的玻璃原料气体的供给速率来增加玻璃微珠的沉积速率，玻璃微珠的沉积效率也不会降低。此外，由于沉积效率没有降低，因此，反应室中的漂浮玻璃微珠的量没有增加，使得能够制造很少具有气泡的光纤预制体。
图1示意性示出了在实施例1和2中使用的用于制造光纤预制体的设备的一个例子。在图1中，通过在芯棒1的两端焊接空棒(dummy rod)2来形成生长棒，玻璃微珠将沉积在该生长棒上。由夹具和旋转机构4保持生长棒的两端。各夹具和旋转机构4均被安装在支撑构件7上并且使生长棒绕其轴线旋转。在由燃烧器移动机构6使燃烧器3沿绕轴线旋转的生长棒的长度方向往复移动的同时，燃烧器3向生长棒上喷射如SiCl4等光纤原料的蒸汽和燃烧气体(氢气和氧气)。结果，通过在氧氢焰中水解产生的玻璃微珠被沉积在生长棒上，从而形成多孔质光纤预制体。这里，附图标记5表示用于排出蒸汽和燃烧气体的排出罩(exhaust hood)。
实施例1
图2示出在实施例1和2中使用的具有同轴线多管路结构的燃烧器3的喷嘴配置的主视图。图2中示出的燃烧器具有同轴线七管路结构，该同轴线七管路结构包括同轴线地配置并且直径彼此不同的第一管路10、第二管路20、第三管路30、第四管路40、第五管路50、第六管路60和第七管路70。第一管路10限定圆形第一喷嘴N1。第一管路10和第二管路20限定环状第二喷嘴N2。第二管路20和第三管路30限定环状第三喷嘴N3。第三管路30和第四管路40限定环状第四喷嘴N4。第四管路40和第五管路50限定环状第五喷嘴N5。第五管路50和第六管路60限定环状第六喷嘴N6。第六管路60和第七管路70限定环状第七喷嘴N7。
在实施例1中，向环状第三喷嘴N3供给玻璃原料气体SiCl4与燃烧辅助气体O2的混和气体。向配置在环状第三喷嘴N3的内侧的圆形第一喷嘴N1供给可燃气体H2。向配置在环状第三喷嘴N3的外侧的环状第五喷嘴N5供给可燃气体H2。向配置在环状第三喷嘴N3的外侧的环状第七喷嘴N7供给燃烧辅助气体O2。此外，分别向环状第二喷嘴N2、环状第四喷嘴N4和环状第六喷嘴N6供给密封气体(sealing gas)N2。
在上述气体状况下，在生长棒上沉积10kg的玻璃微珠。表1集中示出了供给到各喷嘴的气体的种类、流量和流速以及各气流在其各自出口处在喷嘴的径向上的厚度。
表1(实施例1)
 
所使用的气体 流量(SLM) 流速(m/s) 气流的厚度(mm)
第一喷嘴N1 H2 3 15.9 1.0
第二喷嘴N2 N2 1 1.3 1.0
第三喷嘴N3 SiCl4+O2 20 15.2 1.0
第四喷嘴N4 N2 3 1.4 1.0
第五喷嘴N5 H2 100 16.6 2.0
第六喷嘴N6 N2 3 0.7 1.0
第七喷嘴N7 O2 35 3.2 2.0
实施例2
在实施例2中，使用与实施例1中的燃烧器相同的燃烧器。向环状第三喷嘴N3供给玻璃原料气体SiCl4与可燃气体H2的混和气体。向配置在环状第三喷嘴N3的内侧的圆形第一喷嘴N1供给燃烧辅助气体O2。向配置在环状第三喷嘴N3的外侧的环状第五喷嘴N5供给可燃气体H2。向配置在环状第三喷嘴N3的外侧的环状第七喷嘴N7供给燃烧辅助气体O2。此外，分别向环状第二喷嘴N2、环状第四喷嘴N4和环状第六喷嘴N6供给密封气体N2。
在上述气体状况下，在生长棒上沉积10kg的玻璃微珠。表2集中示出了供给到各喷嘴的气体的种类、流量和流速以及各气流在其各自出口处在各自喷嘴的径向上的厚度。
表2(实施例2)
 
所使用的气体 流量(SLM) 流速(m/s) 气流的厚度(mm)
第一喷嘴N1 O2 7.0 16.5 1.5
第二喷嘴N2 N2 1.0 1.1 1.0
第三喷嘴N3 SiCl4+H2 20 13.3 1.0
第四喷嘴N4 N2 3 13.0 1.0
第五喷嘴N5 H2 100 15.6 2.0
第六喷嘴N6 N2 3 0.7 1.0
第七喷嘴N7 O2 35 3.2 2.0
比较例1
图3是示出在比较例1中使用的具有同轴线多管路结构的燃烧器的喷嘴配置的主视图。图3中示出的燃烧器具有同轴线五管路结构，该同轴线五管路结构包括同轴线地配置并且直径彼此不同的第一管路100、第二管路200、第三管路300、第四管路400、第五管路500。第一管路100限定圆形第一喷嘴N10。第一管路100和第二管路200限定环状第二喷嘴N20。第二管路200和第三管路300限定环状第三喷嘴N30。第三管路300和第四管路400限定环状第四喷嘴N40。第四管路400和第五管路500限定环状第五喷嘴N50。
在比较例1中，向第一喷嘴N10供给玻璃原料气体SiCl4与燃烧辅助气体O2的混和气体。向第三喷嘴N30供给可燃气体H2。向第五喷嘴N50供给燃烧辅助气体O2。此外，分别向第二喷嘴N20和第四喷嘴N40供给密封气体N2。
在上述气体状况下，在生长棒上沉积10kg的玻璃微珠。表3集中示出了供给到各喷嘴的气体的种类、流量和流速以及各气流在其各自出口处在各自喷嘴的径向上的厚度。
表3(比较例1)
 
所使用的气体 流量(SLM) 流速(m/s) 气流的厚度(mm)
第一喷嘴N10 SiCl4+O2 20 15.2 2.6
第二喷嘴N20 N2 3 2.0 1.0
第三喷嘴N30 H2 100 15.7 2.5
第四喷嘴N40 N2 3 0.8 1.0
第五喷嘴N50 O2 35 3.3 2.0
将实施例1与比较例1进行比较。实施例1中的玻璃原料气体SiCl4与燃烧辅助气体O2的混和气体的流量和流速与比较例1中的玻璃原料气体SiCl4与燃烧辅助气体O2的混和气体的流量和流速相同。但是，在实施例1中气流的厚度是1.0mm，而在比较例1中气流的厚度是2.6mm。也就是说，实施例1中的玻璃原料气体SiCl4与燃烧辅助气体O2的混和气体的气流的厚度明显比比较例1中的玻璃原料气体SiCl4与燃烧辅助气体O2的混和气体的气流的厚度薄。在实施例2中，玻璃原料气体SiCl4与可燃气体H2的混和气体的气流的厚度也像实施例1的情况一样薄。
在实施例1和2中，从喷嘴N3喷出的玻璃原料气体的气流的厚度非常薄，因此，该玻璃原料气体与从其它喷嘴喷出的可燃气体和燃烧辅助气体迅速地混和，从而促进水解反应。因此，实施例1和2中的沉积效率分别提高到63％和61％，而比较例1中的沉积效率为58％。
图4示出当分别改变实施例1和比较例1中的玻璃原料气体SiCl4的供给速率时，玻璃原料气体SiCl4的供给速率和沉积效率之间的关系。应该理解，实施例1中的沉积效率仅轻微波动，而比较例1中的沉积效率随着玻璃原料气体的供给速率的增加而显著下降。
根据本发明，能够明显地提高光纤预制体的生产率。
虽然已经参照附图说明了本发明的优选实施方式，但是，应该理解，本发明不限于具体的实施方式和实施例，在不脱离本发明的由所附权利要求书限定的范围和精神的情况下，所属技术领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型。
本申请要求2008年2月27日提交的日本专利申请No.2008-046856的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。

Claims (6)

1.一种光纤预制体的制造方法，其包括以下步骤：
从燃烧器的多个喷嘴分别喷出玻璃原料气体、可燃气体、燃烧辅助气体和密封气体，从而在火焰中水解所述玻璃原料气体来产生玻璃微珠，所述燃烧器具有同轴线地配置且直径彼此不同的多个管路，由所述多个管路限定所述多个喷嘴；以及
使所述燃烧器相对于生长棒移动，从而使所述玻璃微珠沉积在所述生长棒上，
其中，在喷出步骤中，从所述多个喷嘴之中的规定环状喷嘴喷出所述玻璃原料气体与所述燃烧辅助气体的混和气体，从位于所述环状喷嘴的内侧的内侧喷嘴喷出所述可燃气体，从位于所述环状喷嘴的外侧的外侧喷嘴分别喷出所述可燃气体和所述燃烧辅助气体。
2.根据权利要求1所述的光纤预制体的制造方法，其特征在于，在所述喷出步骤中，从配置在所述环状喷嘴和所述内侧喷嘴之间的喷嘴、配置在所述环状喷嘴和所述外侧喷嘴之间的喷嘴以及配置在所述外侧喷嘴之间的喷嘴喷出所述密封气体。
3.一种光纤预制体的制造方法，其包括以下步骤：
从燃烧器的多个喷嘴分别喷出玻璃原料气体、可燃气体、燃烧辅助气体和密封气体，从而在火焰中水解所述玻璃原料气体来产生玻璃微珠，所述燃烧器具有同轴线地配置且直径彼此不同的多个管路，由所述多个管路限定所述多个喷嘴；以及
使所述燃烧器相对于生长棒移动，从而使所述玻璃微珠沉积在所述生长棒上，
其中，在喷出步骤中，从所述多个喷嘴之中的规定环状喷嘴喷出所述玻璃原料气体与所述可燃气体的混和气体，从位于所述环状喷嘴的内侧的内侧喷嘴喷出所述燃烧辅助气体，从位于所述环状喷嘴的外侧的外侧喷嘴分别喷出所述可燃气体和所述燃烧辅助气体。
4.根据权利要求3所述的制造光纤预制体的方法，其特征在于，在所述喷出步骤中，从配置在所述环状喷嘴和所述内侧喷嘴之间的喷嘴、配置在所述环状喷嘴和所述外侧喷嘴之间的喷嘴以及配置在所述外侧喷嘴之间的喷嘴喷出所述密封气体。
5.一种用于制造光纤预制体的燃烧器，其包括：
直径彼此不同且同轴线地配置从而限定多个喷嘴的多个管路，所述多个喷嘴包括：被构造成喷出玻璃原料气体与燃烧辅助气体的混和气体的环状喷嘴；位于所述环状喷嘴的内侧且被构造成喷出可燃气体的内侧喷嘴；以及位于所述环状喷嘴的外侧且被构造成分别喷出可燃气体和燃烧辅助气体的外侧喷嘴。
6.一种用于制造光纤预制体的燃烧器，其包括：
直径彼此不同且同轴线地配置从而限定多个喷嘴的多个管路，所述多个喷嘴包括：被构造成喷出玻璃原料气体与可燃气体的混和气体的环状喷嘴；位于所述环状喷嘴的内侧且被构造成喷出燃烧辅助气体的内侧喷嘴；以及位于所述环状喷嘴的外侧且被构造成分别喷出可燃气体和燃烧辅助气体的外侧喷嘴。
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