CN1123544C - 制造用于光纤的多孔玻璃预制棒的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造用于光纤的多孔玻璃预制棒的方法，其中预制棒是通过使用炉子沉积微细玻璃颗粒形成的，在通过向炉子生成的火焰中水解和/或氧化玻璃原料并通过在旋转的部件上沉积而开始形成微细玻璃颗粒之前，使一种不活泼气体以至少25m/s的速率流过炉子，炉子中提供有包含玻璃原料气体和用于燃烧的气体的混合物。该方法使得通过加热多孔玻璃预制棒生成的透明玻璃预制棒中产生的空穴减至最少。

Description

制造用于光纤的多孔玻璃预制棒的方法

本发明涉及一种制造用于光纤的多孔玻璃预制棒的方法，更具体地，涉及一种制造多孔玻璃预制棒的方法的改进，此方法是通过沉积微细玻璃颗粒制造预制棒的，微细玻璃颗粒由在炉子生成的火焰中水解而形成。

已知的一种制造用于光纤的多孔玻璃预制棒的方法是汽相轴向沉积法(VAD)。此方法，如图2所示，用于燃烧的气体与玻璃原料气体的混合物通过用于形成玻璃颗粒的炉子喷出，以后简称炉子2(或2′)，产生火焰3(或3′)，在火焰中玻璃原料水解或氧化形成微细玻璃颗粒，当玻璃颗粒沉积在旋转起始部件6的下端形成沉积多孔体时，起始部件6随着多孔体的生长相对于炉子2(或2′)旋转，由此获得多孔玻璃预制棒1。尽管图2所示的方法使用两个炉子，选择只使用一个炉子或多于两个炉子的方法也是可能的。多孔玻璃预制棒1在电炉中加热形成透明玻璃预制棒，然后拉丝成光纤。

在常规VAD方法中，提供给炉子2(或2′)，例如，作为玻璃原料的SiCl₄，作为用于燃烧的气体的燃料气体如氢气或烃气和辅助燃烧气体如氧气或空气。通过下式(I)的反应形成细微玻璃颗粒：

    (I)

然而，并非所有形成的玻璃颗粒都沉积成预制棒1。一些玻璃颗粒漂浮在马弗炉4中并附着在其内壁上在其上形成一玻璃颗粒层。如果此颗粒层生长到一定厚度，玻璃颗粒可能从马弗炉壁上落下，附着在多孔玻璃预制棒1的表面并在其中形成缝隙。在此情况下，当预制棒加热成透明玻璃时可能形成空穴。

为解决此问题，在日本未审查公开专利申请Nos.162642/1987和123831/1988中提出了以下方法。增加一个加热器和通向马弗炉的气体出口，加热到高温的气体被迫沿马弗炉内壁环绕炉子和多孔玻璃预制棒流动；由此，防止气体停留在马弗炉内壁附近防止玻璃颗粒附着于马弗炉，并促使气体在马弗炉内流动以防止玻璃颗粒漂浮在马弗炉中。

用于合成玻璃颗粒的炉子同样有关附着和混合玻璃颗粒的问题。具体地，当燃烧气体和玻璃原料气体的混合物由炉子的端部喷出用于合成玻璃颗粒时，气体混合物的一部分可能散布在炉子周围并以玻璃颗粒的形式附着在其出口附近。由于环绕炉子周围的气体的夹带作用玻璃颗粒甚至还可能进入炉子。此外，根据上面提到的专利申请所提出的方法，即使在合成玻璃颗粒期间能够抑制玻璃颗粒的漂浮，在预制棒制作结束之后的冷却过程中，玻璃颗粒还是有可能进入炉子。

如果如上所述的附着在炉子上或进入其间的玻璃颗粒存留在那里，那么在下次预制棒制作时，它们可能离开炉子并附着到预制棒表面。在此情况下同样，颗粒以与火焰中生成和沉积到预制棒上的新颗粒不同的方式附着到预制棒上，且当预制棒加热成透明玻璃时可能形成空穴。此外，如果附着的玻璃颗粒因用于燃烧的气体的加热而在炉子内形成透明玻璃，将会损坏炉子。因此，当制造完每一预制棒后需要通过排除、吸除或其他方法清理附着在炉子上或进入其间的玻璃颗粒。

尽管上面提到的专利申请所提出的方法对于防止玻璃颗粒附着到马弗炉内壁以及抑制玻璃颗粒的漂浮具有一定的效果，由于附着其上的玻璃颗粒而在预制棒上形成空穴仍是一个突出的问题。

发明者们进一步研究了这个问题。

即使如上所述清理后，玻璃颗粒不仅可能留存于马弗炉，而且还可能留存于炉子内，且合成开始后附着到预制棒上，成为形成空穴的原因。具体地，在预制棒制作结束之后，附着的玻璃颗粒可能落下马弗炉壁或炉子的出口端，或者即使仔细清理也不能从炉子上完全吸除，从而有可能进入炉子中。一些落下的玻璃颗粒有时进入炉子的深部，例如，与进气管的连接处附近，于是其吸除就会非常困难。用空吸的方法从炉子内这么深的区域去除外来物造成的压力差相当大，很有可能导致其具有一定厚度，例如，靠近其出口端仅1mm的玻璃壁的毁坏。对此问题采用每制造一个预制棒就使用一个新炉子的方法，是非常昂贵的方案。

在此情况下，本发明的目的在于提供一种方法，能够防止细微玻璃颗粒附着到炉子上，或进入其中，并由此防止在透明玻璃预制棒中形成空穴。

通过导入一种不活泼气体以至少25m/s的速率流过用于产生颗粒的炉子后，再开始沉积细微玻璃颗粒，此课题可基本得到解决。

不活泼气体的压强优选为高于大气压。不活泼气体压强的升高优选为通过使用连接于炉子的加压器。不活泼气体优选为以25～50m/s的速率流动。当使不活泼气体在用于制造玻璃颗粒的炉子中流动时，压强优选为在排气管处减少大约0.1kPa，该排气管从安装着炉子的马弗炉伸出。

图1为说明本发明的方法的剖面示意图；

图2为说明已知方法的剖面示意图。

图中，1为多孔玻璃预制棒，2和2′都是用于产生细微玻璃颗粒的炉子，3和3′都是火焰，4为马弗炉，5为排气管，6为起始材料，7为加压器，8为进气管，9为阀门。

根据本发明，在开始沉积微细玻璃颗粒以形成多孔玻璃预制棒前，将不活泼气体导入用于产生微细玻璃颗粒的炉子，使其以至少25m/s的速率流过其中。附着于炉子上的或进入其中的微细颗粒以及任何其他外来物，可容易地由流出炉子的不活泼气体从炉子上除去并通过排气管从马弗炉中排去。即使这类粒子或外来物在清除时或清除后进入炉子，如果在刚开始形成预制棒前导入不活泼气体，它们也可以轻易地除去。

本发明中，用于制造玻璃颗粒的炉子中的不活泼气体的流速为25m/s或更高，尤其优选为25～50m/s。若流速低于25m/s，气体可能不能彻底将进入的玻璃颗粒从炉子内除去，若流速高于50m/s，则可能对炉子2和进气管8的连接处(图1)或炉子2本身产生沉重负荷从而引起破裂。使不活泼气体以至少25m/s的速率流动的方法，是使流过的不活泼气体具有升高的气压，且其流速可以依赖其压强而调整。

不活泼气体可以是任何种类，只要其不对炉子具有任何负面影响，且不含任何外来物，如金属粉末或灰尘，这些外来物可存留于多孔玻璃预制棒内并最终存留于光纤内而增加其传输损耗。不活泼气体的例子如氮气、氩气和氦气。

现在参照图1更具体地描述本发明。本发明中，合成多孔玻璃预制棒的方法本身与常规方法一样。将玻璃原料气体以及如果需要的话，包含搀杂气体的气体混合物、燃料气体、用于辅助燃烧的气体以及不活泼气体提供给炉子2或2′，用于在马弗炉4内合成玻璃颗粒。玻璃原料在由炉子2或2′产生的火焰3或3′中水解和/或氧化形成微细玻璃颗粒，这些玻璃颗粒在起始部件6上沉积，形成多孔玻璃预制棒1。马弗炉4内的气体通过排气管5排放。

根据本发明，在开始合成多孔玻璃预制棒1之前，不活泼气体由加压器升压使其以至少25m/s的速率在炉子内流动，不活泼气体通过进气管与阀门一下子导入炉子，由此清洁了炉子内部。尽管加压器7、进气管8、以及阀门9在图示中仅用于炉子2，炉子2′也同样可以具有加压器、进气管以及阀门，且同样可以被供给不活泼气体以清洁炉子。

在此，上述“不活泼气体一下子导入”是指这样一种方法，其中的气压被升高的进气管8的阀门9被迅速打开并保持开启约五秒钟，使不活泼气体流过，然后阀门9关闭。更优选的方法为，阀门9打开一次后，阀门9关闭而气压在进气管中被升高，然后阀门9再一次迅速打开并保持开启约五秒钟使不活泼气体流过；这些步骤如此重复几次。重复的次数根据炉子内部污染的程度而定。

在此情况下，排气管5的压强优选为减少大约0.1kPa或更多。这是由于从用于合成玻璃颗粒的炉子2、2′涌出的玻璃颗粒免于漂浮于马弗炉内，随着不活泼气体的流动，外来物由马弗炉内壁附近被排放到排放管，由此炉子2、2′和马弗炉内壁被有效清洁。

尽管图1所示方法使用炉子2和2′来形成多孔玻璃预制棒1，本发明的方法也可以仅使用一个炉子或使用多于两个炉子来实施。

尽管以上的描述是基于VAD方法，本发明同样适用于任何其他由炉子产生的玻璃颗粒形成多孔玻璃预制棒的方法，如外部汽相沉积法(OVD)，来提供同样满意的清洁炉子的效果。

(实例)

作为实例，根据本发明使用具有图1所示的结构的设备来制造多孔玻璃预制棒。炉子2、2′都具有50mm直径及500mm长度。开始合成之前，作为不活泼气体的氮气的压强用加压器7升高至6kg/cm²(或588,399Pa)，然后，阀门9迅速打开并保持开启约5秒钟，然后关闭。然后，将升高压强约20秒钟并一下子开启阀门9约5秒钟的操作反复进行3次。当阀门9打开时，不活泼气体通过进气管8快速流入炉子2、2′。它是以每秒25m/s的速率流过炉子2、2′。排气管5的压强被减少0.1kPa。

向炉子2以每分钟0.2升的速率提供SiCl₄，以每分钟0.1升的速率提供GeCl₄，以每分钟20升的速率提供氢气，以每分钟30升的速率提供氧气，以每分钟10升的速率提供氩气，而向炉子2′以每分钟3升的速率提供SiCl₄，以每分钟70升的速率提供氢气，以每分钟70升的速率提供氧气，以及以每分钟20升的速率提供氩气。

由此，制成10根预制棒1，每根直径150mm，长度800mm。每根预制棒在电炉中加热形成透明玻璃预制棒。在这些透明玻璃预制棒中发现的空穴数目平均仅为每根0.2个。

作为对比，采用图2所示结构的设备并采用与实例基本相同的方法，制造10根具有与上述实例同样尺寸的预制棒，不同之处在于在开始形成每一预制棒之前，没有让升压的不活泼气体流过用于合成玻璃颗粒的炉子2、2′。将如此获得的多孔玻璃预制棒在与上述实例同样的条件下加热以形成透明玻璃预制棒，其中发现每根平均多达3.5个空穴。

从上述实例和对比例的结果可确认，本发明可形成与常规方法的产品相比，具有很少数目空穴的透明玻璃预制棒。

从以上明显看出，本发明可以防止附着的或残留在炉子中的玻璃颗粒对任何多孔玻璃预制棒的污染，并由此极大地减少了在用于光纤的透明玻璃预制棒中最终可能形成的空穴。

本发明仅需简单设备及简单操作，可以仅在刚要开始形成多孔玻璃预制棒之前予以实施。清洁炉子可延长其寿命并可反复用来制造许多预制棒。因此，本发明可极其有效地减少制造用于光纤的多孔玻璃预制棒的成本。

Claims (4)

1.一种制造用于光纤的多孔玻璃预制棒的方法，通过在旋转的起始部件外围沉积微细玻璃颗粒而制造，该玻璃颗粒是在由至少一个炉子形成的火焰中水解和/或氧化玻璃原料形成的，该炉子提供有包含玻璃原料气体和用于燃烧的气体的混合气体，其特征在于，在所述沉积开始之前，使不活泼气体以至少25m/s的速率和最高为50m/s的速率流过所述炉子。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述不活泼气体具有高于大气压的压强。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于用与所述炉子相连的加压器来升高所述压强。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述炉子安装在具有排气管的马弗炉中，且所述排气管的压强至少减少大约0.1kPa。

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