CN1124238C - 用改良式化学汽相淀积制造光纤预成品的装置 - Google Patents

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Abstract

一种通过改良式化学汽相淀积(MCVD)制造光纤预成品的装置和方法，该装置包括加热装置，在按预定方向上的移动过程中对旋转的基管加热，加热单元具有第一加热单元，位于移动方向的前方，用于以相对低的火焰压力对基管加热；和第二加热单元，对于移动方向来说位于第一加热单元的后方，用于以相对高的火焰压力对基管加热。第一和第二加热单元被选择用于淀积和收缩，结果使收缩的持续时间和温度减少。

Description

用改良式化学汽相淀积制造光纤预成品的装置
本发明涉及通过改良式化学汽相淀积(MCVD)制造光纤预成品的方法，更具体地涉及使用一对各适用于淀积和收缩处理的燃烧器制造光纤预成品的装置的方法两个方面。
在通过改良式化学汽相淀积(MCVD)制造光纤预成品时，随着预成品的淀积层厚度的增加，在淀积过程中，管子出现自收缩，致使管子的厚度进一步增加。因此，弥散型火焰燃烧器由于它们向管中的热传导以及在其中淀积的效率，常常被用于一般的淀积处理。因为弥散型火焰燃烧器的热区宽广，所以向管中的热传导效果好，淀积效率高。另外，低的火焰压力减少了淀积过程中的需要的皱缩。但是，收缩和封闭处理不同于淀积处理，它要求高的火焰压力。然而，在弥散型火焰燃烧器被用于收缩和封闭处理的情况下，由于低的火焰压力，必须在用于收缩处理的2100℃高温或以上和用于封闭处理的2200℃高温保持燃烧器低速移动，以使管子软化。结果，在制造预成品时，收缩和封闭处理占用了整个处理过程的大部分时间，以致它们的不利于处理时间的缩短。
在常规方法中，尽管淀积、收缩和封闭处理的机制不同，但是淀积的全部处理过程只使用弥散型火焰燃烧器来进行。在淀积层薄和管子小的情况下，使用这种弥散型火焰燃烧器进行淀积、收缩和封闭处理还不致有什么问题。但是，如果淀积层变厚和管子的尺寸增加，除了要求长的处理时间以外，管子的几何结构会变形，它的光学特性会变差。
本发明的一个目的是提供制造预成品的装置，除了适合于淀积处理的弥散型火焰燃烧器以外，还采用适合于收缩和封闭处理的集中型火焰燃烧器。
本发明的另一个目的是提供使用采用弥散型火焰燃烧器和集中型火焰燃烧器的装置制造预成品的方法。
因此，为达到本发明的第一个目的，提供通过改良式化学汽相淀积(MCVD)制造光纤预成品的装置，这个装置包括加热装置，在按预定方向上的移动中对旋转基管加热，其中，加热装置包括：第一加热装置，位于移动方向的前方，用于以相对低的火焰压力对基管加热；以及第二加热装置，位于第一加热装置的后方，用于以相对高的火焰压力对基管加热。
最好是，第一和第二加热装置具有半圆柱形的形状，包围基管的一半。此外，制造光纤预成品的装置进一步可包括反射器，其形状为半圆柱形，包围基管周围的另一半，反射器面对半圆柱形的第一和第二加热装置，用来反射由第一和第二加热装置产生的传向基管的热量。
为达到本发明的第二个目的，提供通过改良式化学汽相淀积(MCVD)制造光纤预成品的方法，使用的装置包括具有相对低的火焰压力的第一加热装置和具有相对高的火焰的第二加热装置，第一和第二加热装置在按预定的方向的移动过程中对基管加热，该方法包括如下步骤：(a)将源气和氧气一起导入基管，并使用第一加热装置加热基管以淀积烟垢，由此淀积包层和芯层；和(b)使用第二加热装置，对其中已淀积形成包层和芯层的基管加热，使其管收缩。
最好是，收缩步骤(b)包括分步骤：用第一加热装置加热已淀积的管子的待收缩区域，以使该区域软化；和对已淀积的基管的软化区加热，以实现收缩。
通过参照附图对本发明的优选实施例的详细叙述，本发明的上述目的和优点将变得更为明显，附图中：
图1表示适用于改良式化学汽相淀积(MCVD)的一般装置；
图2A至2C说明一般的MCVD方法；
图3表示根据本发明的加热装置的结构；和
图4A至4C说明用使用图3所示的加热装置的MCVD工艺制造光纤的方法。
参考图1，在适用于改良式化学汽相淀积(MCVD)工艺的一般装置中，架子1支持基管2，加热装置4对基管2的加热区3加热。基管2按例如箭头5a指示的方向旋转，加热装置4通过移动机构按箭头5b所指的方向往复移动。源气经过供给管7进入基管2，供给管7与源料储存部分8相连。源料储存部分8有一个氧气进入口9。储存罐14和15储有一般为液体的反应物料16和17，反应物料16和17由进入口10和11输入的运载气体运载，进入基管2。已活化的材料经过排出口18排出。混合阀(未示出)和截止阀(未示出)测量气体的流量并完成混合所要求的其他调节。
图2A至2C说明一般的MCVD工艺过程。在MCVD过程中，高纯源气如SiCl4、GeCl4、POCl3、BCl3或CF4被与氧气一起导入由玻璃制成的基管21，基管21被加热装置23加热，结果由于热氧化在基管21内部形成烟垢，即氧化淀积层(见图2A)。这里，在计算机化的系统控制下，源气的浓度被精确地调节而控制折射率，因而在基管21的内部淀积形成包层和芯层22(见图2B)。然后，其中已淀积包层和芯层22的基管21被加热装置23加热，收缩而形成光纤预成品25。
本发明涉及通过MCVD制造光纤预成品的装置，更具体地涉及图1所示的加热装置4。因此，在图3中表示加热装置4的详细结构。在图3中，参考标号32表示弥散型火焰燃烧器，参考标号33表示集中型火焰燃烧器，参考标号34表示反射器，参考标号35表示基管，参考标号36表示在淀积过程中形成的淀积层，参考标号37表示在收缩过程中形成的光纤预成品。
加热装置包括两个燃烧器，一个适用于淀积处理，另一个适用于收缩处理，即弥散型火焰燃烧器32和集中型火焰燃烧器33。这里，弥散型火焰燃烧器32位于箭头38所指的移动方向的前方，具有相对低的火焰压力。而集中型火焰燃烧器33相对于箭头38所指的移动方向位于弥散型火焰燃烧器32的后方，具有相对高的火焰压力，以适于在收缩和封闭处理过程中以集中型火焰基管35加热。如图3所示，弥散型火焰燃烧器32和集中型火焰燃烧器33在箭头38所指的方向上依次定位，并以半圆柱形的形状，部分地包围基管35。这里，半圆柱形加热装置的半径，取决于管子尺寸和火焰焦点的位置。
另外，根据本发明的加热装置可进一步包括反射器34。也就是说，反射器34的形状是半圆柱形，包围基管35余下的一半，它不被燃烧器32和33包围，反射器34反射由弥散型火焰燃烧器32和集中型火焰燃烧器33产生的导向基管35的热量。这样，基管35周围的温度梯度可减至最小。并且，面对基管35的反射器34表面被研磨得如同镜面，它的相对表面则制成半透明的。
图4A至4C示出使用图3所示的加热装置的MCVD用于制造光纤预成品的方法。在这种方法中，两个有不同特性的燃烧器被分开使用或彼此联合使用。
在淀积过程中，如图4A所示，源气和氧气被引进基管41，基管41被具有相对低的火焰压力的弥散型火焰燃烧器43加热，以引起热氧化。这时，由热氧化而淀积在基管41内部的烟垢产生包层和芯层42。图4B表示淀积在基管41内部的包层和芯层42。
然后，在收缩过程中(见图4C)，其中已淀积包层和芯层42的基管41被具有相对高的火焰压力的集中型火焰燃烧器47加热，使基管41收缩，结果形成光纤预成品45。在收缩过程中，其中已淀积包层和芯层42的基管41的部分在要被集中型火焰燃烧器47加热而收缩之前，被沿箭头所指方向移动的弥散型火焰燃烧器43加热而软化。
因此，在使用弥散型火焰燃烧器43使基管41软化后，为使基管41收缩而使用具有相对高的火焰压力的集中型火焰燃烧器47，处理温度可以降低，基管收缩和封闭的持续时间也可以变短。此外，使用反射器34可均匀地改善基管41内部周围的表面温度状况。因此，基管几何尺寸的完善性可得到提高，减少极化模式色散(PMD)的影响。并且，由于降低了收缩处理过程的温度和缩短了收缩处理过程的持续时间，由OH扩散引起的损耗能够减少。
现在将对常规具有高火焰温度和慢移动速度的燃烧器与根据本发明的双燃烧器，在基管收缩和封闭处理中的效果，作对比性的解释。
第一，如果含在基管中的小量湿气(H2O)(一般大约百万分之)(ppm)几)在基管收缩和封闭处理过程中扩散进入淀积层，扩散的湿气和淀积层的包层区的P2O5或SiO2就会结合形成P-O-H或Si-O-H键。此外，扩散到淀积层的芯层区的氢氧基组(-OH)和SiO2或GeO2结合，以致使Si-O或Ge-O键被破坏，Si-O-H或Ge-O-H键被形成。所形成的O-H或P-O-H键被淀积层的各个区域中的湿气结合，会引起特定波长吸收光谱带的损耗的额外增加。在单模光纤中，对于O-H键，影响损耗的临界波长是1.24μm和1.385μm，对于P-O-H键则是1.2-1.8μm。另外，扩散进入芯区的O-H键形成非桥键氧(NBO)，致使芯区玻璃结构的均质性局部地恶化。因此，在芯区出现密度波动，从而增加散射损耗。但是，在根据本发明的制造光纤预成品的方法中，在使用弥散型火焰燃烧器使基管软化之后，通过使用具有相对高的火焰压力的集中型火焰燃烧器，可以减小收缩处理过程的温度和持续时间，因此，比起常规方法只使用一个弥散型火焰燃烧器来说，由O-H键引起的损耗可以显著降低。
第二，在通常的基管收缩和封闭处理中，当燃烧器以高温加热旋转中的基管底部时，沿基管周围的温度梯度很可能是个严重问题。由于这种温度梯度，基管的粘性变得不规则，基管内部的表面张力变得不平衡。结果是基管变形，增加了椭圆度。随着收缩的进行，基管的椭圆度增加，这种椭圆度的增加，使PMD增加。但是，在根据本发明的制造光纤预成品的方法中，使用反射器能使燃烧器产生的热量向基管反射，因此，沿基管内部周围的温度是显著均匀的，从而减少了PMD产生的影响。
如上所述，在根据本发明的通过MCVD制造光纤预成品的装置以及它的方法中，弥散型火焰燃烧器和集中型火焰燃烧器，可以选择地使用来加热作淀积和收缩处理的基管，其优点在于收缩处理过程的持续时间减小和温度降低。

Claims (4)

1.通过改良式化学汽相淀积(MCVD)制造光纤预成品的装置，包括加热装置在按预定方向上的移动过程中的旋转基管加热，
其中，加热装置包括：
第一加热装置，其位于移动方向的前方，用于以相对低的火焰压力对基管加热以在基管中沉积烟垢，由此沉积包层和芯层，或对沉积的基管的区域进行加热以软化该区域；和
第二加热装置，其相对于移动方向位于第一加热装置的后方，用于以相对高的火焰压力对基管加热以使基管收缩，其中基管中已经沉积了包层和芯层，由此形成预成品。
2.根据权利要求1的所述的装置，其特征在于，其中第一和第二加热装置具有半圆柱形的形状，包围基管的一半。
3.根据权利要求2的所述的装置，其特征在于，进一步包括反射器，其形状为半圆柱形，包围基管周围的另一半，反射器面对半圆柱形的第一和第二加热装置，用来反射由第一和第二加热装置产生的朝向基管的热量。
4.根据权利要求3的所述的装置，其特征在于，其中反射器的与基管相对的表面被研磨为类似镜面，反射器的另一表面是半透明的。
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