CN113024102A - 一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置和方法 - Google Patents

一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤及光电子器件技术领域，公开了一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置和方法，通过在石英管组件的中心设置中心靶棒，使该装置可以用来进行常规的等离子体化学气相沉积(常规PCVD工艺)，也可以同时相对于中心的石英棒进行等离子体外沉积，特别适合生产带低折射率包层的预制棒。同时，相比常规的PCVD工艺，在制备低折射率包层的预制棒时不需要用掺氟石英管，降低了沉积失败的风险。

Description

一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤及光电子器件技术领域，尤其涉及一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置和方法。
背景技术
等离子体化学气相沉积(PCVD)是制备光纤预制棒的主要工艺之一。由于微波等离子体具有能量大、活性强、激发的等离子体密度高、工作稳定、无电极污染等优点，非常适合光纤预制棒的沉积。在低压状态下，由于高频率的微波的作用，进入反应管的原料气体(主要为SiCl4，GeCl4，BCl3，POCl3，O2，C2F6等)部分被电离成活化的等离子体状态，这些活性离子能快速地发生反应，反应产物以玻璃态沉积在管壁内表面上。因其微波谐振腔可快速移动，单层的沉积厚度薄，因而易于制造精细而复杂的折射率剖面。
在现有等离子体化学气相沉积工艺(PCVD)中，将石英管作为衬底管(或称为反应管)，在石英管内沉积，然后在熔缩车床上烧结成实心芯棒，或者石英管内沉积后冷却用于加工成套管。用现有的常规PCVD工艺难以用来生产低折射率包层的预制棒；另外，若采用低折射率掺氟石英管作为衬底管进行沉积，则由于掺氟石英管的软化点较低，沉积过程中容易出现石英管变形或者破裂导致沉积失败，或者沉积后的预制棒出现在熔缩时出现气泡的现象。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明实施例提供一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置和方法，用以解决现有的等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒制备设备存在的结构复杂、沉积失败的风险高和不适合生产带折射率包层预制棒的缺陷。
(二)发明内容
本发明实施例提供一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，包括加热炉，加热炉内设有石英管组件，还包括夹持旋转机构，夹持旋转机构夹持石英管组件，使石英管组件绕其轴线旋转；石英管组件外还套设有微波腔体微波腔体连接有波导装置；微波腔体和波导装置在牵引装置的带动下沿着石英管组件的外侧面做水平往复运动；加热炉内还包括多条环绕石英管组件设置的加热棒；微波腔体和波导装置也安装于多条加热棒的内侧；还包括用于控制夹持旋转机构的第一控制组件和用于控制牵引装置的第二控制组件。
优选的，石英管组件包括石英管、位于石英管中心的中心靶棒以及连接石英管和中心靶棒的支撑件，中心靶棒的两端分别熔接有低纯度石英棒。
优选的，支撑件呈圆环装，且至少设有两组，相互平行的设置于石英管内，且每一组支撑件的侧面都开设有多个供反应气体或者反应产物排出的通孔。
优选的，加热炉水平设置，其两端的炉壁上相对的设置有多组安装孔，所述多条加热棒通过安装孔安装于加热炉内。
优选的，加热炉的底部设有水平方向的长开口，波导装置的一端从该长开口伸出加热炉的炉体外侧，连接外部的牵引装置。
优选的，还包括保温板，保温板固定于波导装置的下端，且保温板卡接于加热炉底部的长开口，牵引装置带动保温板、波导装置和微波腔体整体做水平往复运动。
一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的方法，使用了上述等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，包括以下步骤：
步骤一：在低压状态下将反应原料气通入所述石英管组件中；
步骤二：启动加热炉，对石英管组件进行加热；
步骤三：通过第一控制组件控制夹持旋转机构带动0石英管绕其中心轴匀速转动；同时，通过第二控制组件控制牵引装置带动微波腔体和波导装置做水平往复运动；
步骤四：使微波腔体维持激发状态，待石英管组件中的等离子体化学反应完成，反应物在石英管组件内的沉积完成后，取出石英管组件，得到带有沉积层的反应管及带有沉积层的靶棒。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置包括加热炉，加热炉内设有石英管组件，还包括夹持旋转机构，夹持旋转机构夹持石英管组件，使石英管组件绕其轴线旋转；石英管组件外还套设有微波腔体微波腔体连接有波导装置；微波腔体和波导装置在牵引装置的带动下沿着石英管组件的外侧面做水平往复运动；加热炉内还包括多条环绕石英管组件设置的加热棒；微波腔体和波导装置也安装于多条加热棒的内侧；还包括用于控制夹持旋转机构的第一控制组件和用于控制牵引装置的第二控制组件，通过在石英管组件的中心设置中心靶棒，使该装置可以用来进行常规的等离子体化学气相沉积(常规PCVD工艺)，也可以同时相对于中心的石英棒进行等离子体外沉积，特别适合生产带低折射率包层的预制棒。同时，相比常规的PCVD工艺，在制备低折射率包层的预制棒，不需要用掺氟石英管，降低了沉积失败的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置的左视图；
图3是进行PCVD沉积时石英管组件和加热炉的相对位置及运动方向示意图；
图4是沉积后石英管及中心靶棒的结构示意图。
附图标记说明：
1：加热炉；2：石英管组件；21：石英管；
22：中心靶棒；23：支撑件；3：微波腔体；
4：波导装置；11：加热棒；12：安装孔；
5：保温板；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”“第三”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。
本发明实施例提供一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，如图1所示，包括加热炉1，加热炉1内设有石英管组件2，还包括夹持旋转机构，夹持旋转机构夹持石英管组件2，使石英管组件2绕其轴线旋转；石英管组件2包括石英管21、位于石英管21中心的中心靶棒22以及连接石英管21和中心靶棒22的支撑件23，中心靶棒22的两端分别熔接有低纯度石英棒，其中，支撑件23呈圆环装，且至少设有两组，相互平行的设置于石英管21内，且每一组支撑件23的侧面都开设有多个供反应气体或者反应产物排出的通孔，实施例中，左侧为反应气体入口，右侧为反应气体和废气出口。石英管组件2外还套设有微波腔体3，微波腔体3连接有波导装置4；微波腔体3和波导装置4在牵引装置的带动下沿着石英管组件2的外侧面做水平往复运动；加热炉1内还包括多条环绕石英管组件2设置的加热棒11；微波腔体3和波导装置4也安装于多条加热棒11的内侧；还包括用于控制夹持旋转机构的第一控制组件和用于控制牵引装置的第二控制组件。
优选的，加热炉1水平设置，其两端的炉壁上相对的设置有多组安装孔12，所述多条加热棒11通过安装孔12安装于加热炉1内。
优选的，加热炉1的底部设有水平方向的长开口，波导装置4的一端从该长开口伸出加热炉1的炉体外侧，连接外部的牵引装置。还包括保温板5，保温板5固定于波导装置4的下端，且保温板5卡接于加热炉1底部的长开口，牵引装置带动保温板5、波导装置4和微波腔体3整体做水平往复运动，保温板5和波导装置4以及微波腔体3一起运动，实现了对加热炉1底部长开口的密封。
工作原理如下：在低压状态下将反应原料气通入石英管组件2中，参与反应的气体原料从进气端的旋转接头注入石英管组件2内的环形空腔，对石英管组件2进行加热，通过第一控制组件控制夹持旋转机构带动石英管绕其中心轴匀速转动；同时，通过第二控制组件控制牵引装置带动微波腔体3和波导装置4做水平往复运动；使微波腔体3维持激发状态，在微波腔体3的微波能量激发下，发生等离子体化学反应，反应产物沉积在石英管组件2的反应管内壁以及中心芯棒的外表面，在沉积结束后，将石英管组件2的外层的石英管及中心靶棒22分别取出，得到带有沉积层的石英管及带有沉积层的靶棒，带有沉积层的石英管可以熔缩成石英芯棒，也可直接作为套管使用。
同时提供了一种采用上述设备的工艺方法来制备光纤预制棒；通过在石英管组件2的中心设置中心靶棒22，使该装置可以用来进行常规的等离子体化学气相沉积(常规PCVD工艺)，也可以同时相对于中心的石英棒进行等离子体外沉积，特别适合生产带低折射率包层的预制棒。同时，相比常规的PCVD工艺，在制备低折射率包层的预制棒，不需要用掺氟石英管，降低了沉积失败的风险。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，其特征在于，包括加热炉，所述加热炉内设有石英管组件，还包括夹持旋转机构，所述夹持旋转机构夹持所述石英管组件，使所述石英管组件绕其轴线旋转；所述石英管组件外还套设有微波腔体，所述微波腔体连接有波导装置；所述微波腔体和所述波导装置在牵引装置的带动下沿着所述石英管组件的外侧面做水平往复运动；所述加热炉内还设有多条环绕所述石英管组件设置的加热棒；所述微波腔体也安装于所述多条加热棒的内侧；还包括用于控制所述夹持旋转机构的第一控制组件和用于控制所述牵引装置的第二控制组件。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，其特征在于，所述石英管组件包括石英管、位于所述石英管中心的中心靶棒以及连接所述石英管和所述中心靶棒的支撑件，中心靶棒的两端分别熔接有低纯度石英棒。
3.根据权利要求2所述的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，其特征在于，所述支撑件呈圆环装，且至少设有两组，相互平行的设置于所述石英管内，每一组支撑件的侧面都开设有多个供反应气体或者反应产物排出的通孔。
4.根据权利要求1所述的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，其特征在于，所述加热炉水平设置，其两端的炉壁上相对的设置有多组安装孔，所述多条加热棒通过所述安装孔安装于所述加热炉内。
5.根据权利要求1所述的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，其特征在于，所述加热炉的底部设有水平方向的长开口，所述波导装置的一端从该长开口伸出所述加热炉的炉体外侧，连接外部的牵引装置。
6.根据权利要求5所述的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，其特征在于，还包括保温板，所述保温板固定于所述波导装置的下端，且所述保温板卡接于所述加热炉底部的长开口，牵引装置带动所述保温板、所述波导装置和所述微波腔体整体做水平往复运动。
7.一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的方法，其特征在于，使用了上述权利要求1至6中任意一项所述的一种等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的装置，包括以下步骤：
步骤一：在低压状态下将反应原料气通入所述石英管组件中；
步骤二：启动加热炉，对石英管组件进行加热；
步骤三：通过第一控制组件控制所述夹持旋转机构带动所述石英管绕其中心轴匀速转动；同时，通过所述第二控制组件控制所述牵引装置带动所述微波腔体和所述波导装置做水平往复运动；
步骤四：使所述微波腔体维持激发状态，待所述石英管组件中的等离子体化学反应完成，反应物在石英管组件内的沉积完成后，取出石英管组件，得到带有沉积层的反应管及带有沉积层的靶棒。
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