CN109694185B - 一种适用于vad法沉积的喷灯 - Google Patents

一种适用于vad法沉积的喷灯 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于VAD法沉积的喷灯，包括灯体，灯体上开设有呈一字型的供料孔以及围绕在供料孔外侧的多层环形气孔；多层环形气孔的形状与供料孔的形状相适配，其包括从内向外依次布置的内层隔离气孔、内层火焰孔、外层火焰孔和外层隔离气孔；内层火焰孔包括内层氢气孔和内层氧气孔，外层火焰孔包括外层氢气孔和外层氧气孔；供料孔、内层氢气孔、内层氧气孔、外层氢气孔和外层氧气孔分别被分隔并形成多个支孔；支孔、内层隔离气孔和外层隔离气孔分别连通有进气管道，进气管道上设有流量调节阀。采用连续区域沉积，沉积端面更为平缓、均匀，有利于沉积端面的温度控制；调节外层不同区域的氢气流量，可以均匀温度场，减少粉棒开裂、断裂问题。

Description

一种适用于VAD法沉积的喷灯
技术领域
本发明涉及光纤制造技术领域，具体涉及一种适用于VAD法沉积的喷灯。
背景技术
近年来，随着信息技术的高速发展，普通大众对数据业务的需求不断增大，加快“光纤入户”战略的推行显得尤为重要。工信部强调，未来将进一步加大“宽带中国”战略的实施力度。作为重要的信息基础设施，光纤、光缆和光通信设备迎来了新一波的发展。
光纤预制棒是制作光纤、光缆的重要基础材料，是光纤生产流程中的关键核心技术。目前国内制备预制棒的工艺来讲主要有汽相轴向沉积法(VAD)、外部汽相沉积法(OVD)、改进的化学外部汽相沉积法(MCVD)和等离子体沉积法(PCVD)，其中VAD以其沉积速率高，制造成本低等特点，被广泛用于低水峰单模光纤预制棒芯棒的制造。
现有技术中，通常采用多点沉积的方式，即使用多个喷灯进行沉积，但是，采用多点沉积时，各个喷灯形成的原料气沉积焰不连续，粉棒在沉积过程中会因为粉棒端面温度波动、粉棒密度不均及内应力等因素，出现开裂、断裂等现象，同时二氧化锗的沉积效率不高。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于VAD法沉积的喷灯，可以减少粉棒开裂、断裂现象。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种适用于VAD法沉积的喷灯，包括灯体，所述灯体上开设有呈一字型的供料孔以及围绕在所述供料孔外侧的多层环形气孔；
所述多层环形气孔的形状与所述供料孔的形状相适配，其包括从内向外依次布置的内层隔离气孔、内层火焰孔、外层火焰孔和外层隔离气孔；
内层火焰孔包括内层氢气孔和内层氧气孔，外层火焰孔包括外层氢气孔和外层氧气孔；
所述供料孔、内层氢气孔、内层氧气孔、外层氢气孔和外层氧气孔分别被分隔并形成多个支孔；
所述支孔、内层隔离气孔和外层隔离气孔分别连通有进气管道，所述进气管道上设有流量调节阀。
进一步地，所述供料孔所包含的各个支孔的喷射方向与粉棒沉积端面大致垂直。
进一步地，所述供料孔呈矩形结构，所述内层隔离气孔、内层氢气孔、内层氧气孔、外层氢气孔、外层氧气孔和外层隔离气孔均呈矩形环状结构。
进一步地，所述内层火焰孔包括一层内层氢气孔和一层内层氧气孔，所述内层氢气孔位于内层氧气孔内侧。
进一步地，所述外层火焰孔包括一层外层氢气孔和一层外层氧气孔，所述外层氢气孔位于外层氧气孔内侧。
进一步地，所述灯体朝向粉棒沉积端面的端面呈与粉棒沉积端面相适配的曲面。
进一步地，所述曲面为弧面。
进一步地，所述喷灯还包括控制系统，所述控制系统与所述流量调节阀相连，并用于控制所述流量调节阀调节对应支孔内的气体流量。
进一步地，所述喷灯还包括用于实时监测粉棒沉积端面温度场的红外热成像仪，所述控制系统与所述红外热成像仪相连，其还用于接收所述红外热成像仪传输的数据，并根据该数据调节外层氢气孔所包含的支孔对应的流量调节阀。
进一步地，所述喷灯还包括远红外定向辐射器，所述控制系统与所述远红外定向辐射器相连，其还用于控制所述远红外定向辐射器加热粉棒沉积端面。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明将多个喷灯合并为一个大喷灯，原料气在喷灯中部形成狭长连续条状的沉积焰，由于将多点沉积改为连续区域沉积，在旋转的粉棒表面形成的沉积面更为平缓，沉积更为均匀，且有利于沉积端面的温度控制。
外层氢气孔和外层氧气孔形成外层火焰，而且分隔成多个支孔，可以单独调节流量，可对不同区域的氢气流量进行调节，达到均匀温度场的目的，有效地减少了热应力导致的粉棒开裂、断裂等问题。
(2)本发明提供的喷灯，灯体朝向粉棒的端面采用与粉棒沉积端面形状相适配的曲面，有利于粉棒的稳定沉积及沉积速率的提高。
(3)本发明通过调节外层火焰温度以及粉棒的沉积端面的温度，使得GeO2和SiO2的沉积效率都在较高的范围，提高了原料的利用率，降低芯棒的制作成本。通过粉棒沉积端面的温度控制，进一步达到均匀温度场的目的，降低了粉棒的密度差异，减小了由于热应力导致的粉棒开裂断裂等的几率，提高了粉棒的成品率的。同时，通过控制温度将粉棒密度控制在合适的范围，在不影响脱水烧结过程的情况下，提高粉棒的密度，减少其脱落几率，在相同设备内可以做出更大直径的芯棒。
附图说明
图1为本发明实施例提供的适用于VAD法沉积的喷灯结构示意图；
图2为本发明实施例提供的适用于VAD法沉积的喷灯的断面结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的适用于VAD法沉积的喷灯结构示意图。
图中：1、灯体；2、供料孔；3、内层隔离气孔；4、内层氢气孔；5、内层氧气孔；6、外层氢气孔；7、外层氧气孔；8、外层隔离气孔；9、粉棒；10、进气管道；11、流量调节阀；12、红外热成像仪；13、远红外定向辐射器；14、原料气沉积焰。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图1和图2所示，本发明实施例提供了一种适用于VAD法沉积的喷灯，该喷灯包括灯体1，在灯体1的端面上开设有供料孔2和多层环形气孔，供料孔2呈一字型的结构，多层环形气孔围绕在供料孔2外侧。
参见图2所示，多层环形气孔的形状与供料孔2的形状相适配，可以理解为，多层环形气孔在供料孔2的外侧，沿着供料孔2的轮廓开设并形成环形孔，本实施例中的供料孔2成长条状一字型，如棒状、长方形等，多层环形气孔从整体结构上也是呈长条状一字型。具体地，多层环形气孔包括从内向外依次布置的内层隔离气孔3、内层火焰孔、外层火焰孔和外层隔离气孔8；其中，内层火焰孔包括内层氢气孔4和内层氧气孔5，外层火焰孔包括外层氢气孔6和外层氧气孔7；
参见图2所示，供料孔2、内层氢气孔4、内层氧气孔5、外层氢气孔6和外层氧气孔7分别被分隔并形成多个支孔；每个支孔以及内层隔离气孔3和外层隔离气孔8均单独连通有属于自身的进气管道10，进气管道10上设有流量调节阀11，本实施例中流量调节阀11采用电子质量流量计，用于气体的流量测定和调节。
参见图1所示，进入灯体1的供料孔2的支孔上设置有进气管道10和流量调节阀11。为简化显示，图中内层氢气孔4、内层氧气孔5、外层氢气孔6和外层氧气孔7的支孔以及内层隔离气孔3和外层隔离气孔8的进气管道和流量调节阀未一一画出，与供料孔2的支孔类似，其他每路气孔和支孔也是设置相应的进气管道和流量调节阀。
在粉棒9的沉积过程中，供气系统中卤化物原料等由载气载送，从组成供料孔2的支孔中喷出，与氢氧焰水解反应形成SiO2、GeO2细玻璃颗粒，沉积在沿轴向旋转的靶棒端部，形成圆柱状多孔的粉棒9。通过智能化的控制系统，监控粉棒的生长并通过牵引装置自动提升粉棒9，使其不断生长变长。
如图2所示，为本发明实施例提供的灯体1的断面图，供料孔2、内层氢气孔4、内层氧气孔5、外层氢气孔6和外层氧气孔7都被分隔形成四个支孔。供料孔2的四个支孔均呈长方形结构，其长度和宽度根据实际沉积需要进行设计，整体组成长方形结构的供料孔2。内层氢气孔4呈矩形环状结构，其四个支孔中，上下两个呈U型结构，中间两个呈一字型结构，内层氧气孔5、外层氢气孔6和外层氧气孔7与内层氢气孔4的结构和分隔情况相同。
供料孔2的四个支孔用于载气携带硅锗原料气；内层氢气孔4、内层氧气孔5分别用于通入氢气和氧气，该氢气和氧气发生氧化反应生成水，提供原料气水解所需的水；外层氢气孔6和外层氧气孔7分别用于通入氢气和氧气，该氢气和氧气发生氧化反应产生热量提高火焰温度，加强热泳效应，有利于沉积过程的进行；内层隔离气孔3通入不与原料气反应的气体，用于将原料气与氢氧焰隔离，防止原料气因为过早进行水解，在喷灯表面生成硅锗氧化物而堵住供料孔2。
在常规VAD沉积工艺中，由至少两个喷灯朝向粉棒底部进行沉积，并在粉棒底部形成多个近圆形的沉积区，因此，常规VAD沉积工艺为多点沉积；而本实施例提供的喷灯中，供料孔2由多个支孔组成狭长的一字型结构，形成的原料气沉积焰14连成一片，近似为长条形，形成的沉积区也为狭长状区域。图1和图2中供料孔2分隔成四路支孔仅为示意，实际中可根据粉棒直径大小和精度要求合理设计。从图1和图2中可知，位于供料孔2中下位置的支孔靠近粉棒9的中心，选择中下位置的支孔中的一路或两路，在通入的SiCl4中掺入GeCl4，作为芯层沉积层，而在位于供料孔2中上位置的支孔中通入SiCl4，作为内包沉积层，抵御OVD法沉积外包层中大量OH-向芯层扩散而引起预制棒水峰增加。
本实施例将多个喷灯合并为一个大喷灯，原料气在喷灯中部形成狭长连续条状的沉积焰，由于将多点沉积改为连续区域沉积，在旋转的粉棒表面形成的沉积面更为平缓，沉积更为均匀，且有利于沉积端面的温度控制。
供料孔2分隔成多个支孔，每个支孔单独通气，便于对各个区域单独调节。
内层氢气孔4、内层氧气孔5形成内层火焰，而且分隔成多个支孔，可以单独调节流量，控制不同位置的水解环境。外层氢气孔6和外层氧气孔7形成外层火焰，而且分隔成多个支孔，可以单独调节流量，可对不同区域的氢气流量进行调节，达到均匀温度场的目的，有效地减少了热应力导致的粉棒开裂、断裂等问题。
实施例2
参见图2所示，本发明实施例提供了一种适用于VAD法沉积的喷灯，本实施例与实施例1的区别在于：内层火焰孔包括一层内层氢气孔4和一层内层氧气孔5，内层氢气孔4位于内层氧气孔5内侧；外层火焰孔包括一层外层氢气孔6和一层外层氧气孔7，外层氢气孔6位于外层氧气孔7内侧；内层隔离气孔3和外层隔离气孔8也均设置一层。
本实施例中，内层隔离气孔3和外层隔离气孔8也可以分隔成多个多个支孔，每个支孔分别单独连通一个进气管道10，在进气管道10上设置流量调节阀11。
参见图2所示，供料孔2、内层隔离气孔3、内层氢气孔4、内层氧气孔5、外层氢气孔6、外层氧气孔7和外层隔离气孔8均被分隔成四路支孔，供料孔2的四路支孔自上而下宽度依次减小，内层隔离气孔3、内层氢气孔4、内层氧气孔5、外层氢气孔6、外层氧气孔7和外层隔离气孔8各自的四路支孔形状相同，包括上下两端的U型支孔以及中间的两个一字型支孔，中间的一字型支孔包括左右两部分，且沿供料孔2呈轴对称。
实施例3
参见图1所示，本发明实施例提供了一种适用于VAD法沉积的喷灯，本实施例与实施例1的区别在于：供料孔2所包含的各个支孔的喷射方向与粉棒9沉积端面大致垂直，在设计支孔的走向时，灯体1背向粉棒9和朝向粉棒9的两端分别称为背面和正面，所有支孔以及内层隔离气孔3和外层隔离气孔8都是自背面向正面延伸的直线孔。以供料孔2中位于中间的支孔为参照，作为中心线，供料孔2中位于该中心线外侧的支孔的走向为：从背面向正面延伸时逐渐靠近中心线，从而确保供料孔2每个支孔与粉棒9的沉积端面大致垂直。
另外，内层氢气孔4、内层氧气孔5、外层氢气孔6和外层氧气孔7的支孔以及内层隔离气孔3和外层隔离气孔8的喷射方向与供料孔2相协调，并与粉棒9沉积端面大致垂直。
供料孔2的各个支孔的出口与粉棒9沉积端面之间的距离需要在合适的位置，参见图1所示，灯体1朝向粉棒9沉积端面的端面呈曲面，并与粉棒9沉积端面的形状相适配，所述的相适配可以理解为灯体1的端面的曲面形状与粉棒9的沉积端面相似或大致相同。
灯体1朝向粉棒9沉积端面的端面为弧面，该弧面的走向与粉棒沉积端面的形状走向大致相同，参见图1所示的侧面视角可以理解，该曲面在侧面的视角为平滑的弧线，粉棒9沉积端面在侧面的视角也为平滑的弧线，这两条弧线走向大致相同且大致平行。
实施例4
参见图1所示，本发明实施例提供了一种适用于VAD法沉积的喷灯，本实施例与实施例1的区别在于：喷灯还包括控制系统，控制系统与流量调节阀11相连，并用于控制流量调节阀11调节对应支孔内的气体流量。通过控制系统可以精确地控制流量调节阀11以调节氢气、氧气、原料气的流量在合适的范围，使得粉棒稳定生长，并兼顾沉积效率。
实施例5
参见图1所示，本发明实施例提供了一种适用于VAD法沉积的喷灯，本实施例与实施例1的区别在于：喷灯还包括用于实时监测粉棒9沉积端面温度场的红外热成像仪12，控制系统与红外热成像仪12相连，其还用于接收红外热成像仪12传输的数据，并根据该数据调节外层氢气孔6所包含的支孔对应的流量调节阀11。
在1000℃左右时，火焰温度越高，SiCl4转化为SiO2的效率越高，其沉积效率也就越高。但是原料气中仅有少部分GeCl4转化为GeO2，GeCl4是在气流喷吹到沉积面时才反应生成GeO2并沉积。随着沉积端面温度变高，GeO2沉积量变大的同时挥发量亦会增加。火焰温度影响到了气流中GeCl4的转化率，同时影响了SiCl4气流的热泳效果，进而影响其沉积效率。因此，GeO2的沉积效率与火焰温度与端面温度均有关系。
本实施例中，通过红外热成像仪12实时监测粉棒9沉积端面温度场的分布，并将监测的数据传输给控制系统，控制系统接收数据后及时调节外层氢气孔6所包含的支孔对应的流量调节阀11，从而对火焰温度进行调节，有利于GeCl4的转化以及SiCl4的沉积效率。
实施例6
参见图1所示，本发明实施例提供了一种适用于VAD法沉积的喷灯，本实施例与实施例5的区别在于：喷灯还包括远红外定向辐射器13，控制系统与远红外定向辐射器13相连，其还用于控制远红外定向辐射器13加热粉棒9沉积端面。
由于GeO2的沉积效率与火焰温度与端面温度均有关系，通过调节外层氢气孔6，仅仅只能控制火焰温度，而无法调节粉棒9沉积端面的温度，因此，通过在粉棒9底面设置高清的红外热成像仪12，对粉棒9的沉积端面的温度场进行实时监控，并将数据传输到控制系统。控制系统根据温度分布，通过可调式的远红外定向辐射器13对沉积端面中心进行自动加热，使得沉积端面温度在合理范围内。借由火焰温度和沉积端面温度的合理调节，使得GeO2和SiO2的沉积效率都在较高的范围，提高了原料的利用率，降低芯棒的制作成本。通过粉棒9沉积端面的温度控制，进一步达到均匀温度场的目的，降低了粉棒的密度差异，减小了由于热应力导致的粉棒开裂断裂等的几率，提高了粉棒9的成品率。同时，通过控制温度将粉棒9密度控制在合适的范围，在不影响脱水烧结过程的情况下，提高粉棒9的密度，减少其脱落几率，可在相同设备内做出更大直径的芯棒。
实施例7
本实施例是基于上述实施例对灯体1的形状进行改进。
由于单位面积的稳定沉积量是有限的，要提高粉棒的生长速率，不仅需要增加卤化物原料的流量，而且需要增大沉积端面面积。每一款喷灯对应一定的粉棒生长速率和粉棒端面形状，设计流量仅能在较小范围内调动。当需要增加粉棒的生长速率时，相应的原料气量、腔体、送风量、抽风量等均需要增大，同时相应的粉棒端面形状即沉积面积也有一定的变化，喷灯结构亦会有差异。
根据粉棒9需要达到的生长速率，计算粉棒9沉积端面的形状和原料气量，通过更改灯体1的结构即可满足相应要求。具体就是调节灯体1的端面形状及其供料孔2的长度和形状，对比参照图1和图3，图3为沉积速率变大的喷灯结构，从图中可以看出，粉棒9的沉积端面更加长、锥度更加大，图3中的粉棒9的沉积端面可以提高沉积面积，从而提高沉积速率。同时，沿粉棒9轴向(图中竖直方向)，粉棒下端的单位面积沉积量较小，所需供料流量也就较小，对应支孔的气流流通面积也就相应小一些，支孔形状显得更加细长。图3中将供料孔2支孔的数目增加到6仅为示意，实际中若要精细调节则需要适当增加支孔数量。同时，所述原料气沉积焰14连成一片，节省了腔体空间，在有限的空间范围内可以更快地做出更大直径的芯棒，有利于降低生产成本。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种适用于VAD法沉积的喷灯，其特征在于：包括灯体(1)，所述灯体(1)上开设有呈一字型的供料孔(2)以及围绕在所述供料孔(2)外侧的多层环形气孔；所述多层环形气孔的形状与所述供料孔(2)的形状相适配，其包括从内向外依次布置的内层隔离气孔(3)、内层火焰孔、外层火焰孔和外层隔离气孔(8)；内层火焰孔包括内层氢气孔(4)和内层氧气孔(5)，外层火焰孔包括外层氢气孔(6)和外层氧气孔(7)；所述供料孔(2)、内层氢气孔(4)、内层氧气孔(5)、外层氢气孔(6)和外层氧气孔(7)分别被分隔并形成多个支孔；所述支孔、内层隔离气孔(3)和外层隔离气孔(8)分别连通有进气管道(10)，所述进气管道(10)上设有流量调节阀(11)；
所述喷灯还包括控制系统，所述控制系统与所述流量调节阀(11)相连，并用于控制所述流量调节阀(11)调节对应支孔内的气体流量；
所述喷灯还包括用于实时监测粉棒(9)沉积端面温度场的红外热成像仪(12)，所述控制系统与所述红外热成像仪(12)相连，其还用于接收所述红外热成像仪(12)传输的数据，并根据该数据调节外层氢气孔(6)所包含的支孔对应的流量调节阀(11)；
所述喷灯还包括远红外定向辐射器(13)，所述控制系统与所述远红外定向辐射器(13)相连，其还用于控制所述远红外定向辐射器(13)加热粉棒(9)沉积端面。
2.如权利要求1所述的适用于VAD法沉积的喷灯，其特征在于：所述供料孔(2)所包含的各个支孔的喷射方向与粉棒(9)沉积端面大致垂直。
3.如权利要求1所述的适用于VAD法沉积的喷灯，其特征在于：所述供料孔(2)呈矩形结构，所述内层隔离气孔(3)、内层氢气孔(4)、内层氧气孔(5)、外层氢气孔(6)、外层氧气孔(7)和外层隔离气孔(8)均呈矩形环状结构。
4.如权利要求1所述的适用于VAD法沉积的喷灯，其特征在于：所述内层火焰孔包括一层内层氢气孔(4)和一层内层氧气孔(5)，所述内层氢气孔(4)位于内层氧气孔(5)内侧。
5.如权利要求1所述的适用于VAD法沉积的喷灯，其特征在于：所述外层火焰孔包括一层外层氢气孔(6)和一层外层氧气孔(7)，所述外层氢气孔(6)位于外层氧气孔(7)内侧。
6.如权利要求1所述的适用于VAD法沉积的喷灯，其特征在于：所述灯体(1)朝向粉棒(9)沉积端面的端面呈与粉棒(9)沉积端面相适配的曲面。
7.如权利要求6所述的适用于VAD法沉积的喷灯，其特征在于：所述曲面为弧面。
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