CN114031287B - 一种高沉积率的ovd反应装置和ovd反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤预制棒制造技术领域，公开了一种高沉积率的OVD反应装置以及OVD反应方法，包括：至少一个喷灯，喷灯的喷口朝向光纤预制棒且喷射反应火焰；反应容器，罩设在光纤预制棒外；给气装置，其包括设置在光纤预制棒侧面的至少一个给气通道；所述给气通道的轴线朝向所述出口方向倾斜，并且给气通道喷出的气流落在光纤预制棒不与反应火焰接触的表面。本发明具有以下优点和效果：本申请由于利用降温导流气体喷射反应火焰无法涉及的位置，降低沉积体的表面温度，拉大了沉积体表面和反应火焰的温度差，有效的提高了沉积效率。另外本申请中面向排气口侧吹空气，不会扰乱反应容器内气体的气流，因此沉积效果不会恶化。

Description

一种高沉积率的OVD反应装置和OVD反应方法

技术领域

本申请涉及光纤预制棒制造技术领域，具体涉及一种高沉积率的OVD反应装置和OVD反应方法。

背景技术

目前，化学气相沉积是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法，是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。

光纤预制棒的代表性制法有OVD(Outside Vapor Deposition)法或VAD(Vaporphase Axial Deposition)法。OVD法是在转动的起始棒外部沉积氢氧焰生成的玻璃微粒，再通过加热形成透明的玻璃。

这些制法都是在反应容器内进行沉积，通过氢氧焰生成的玻璃微粒的一部分附着在起始棒上，形成光纤。但剩余的未附着的玻璃微粒一般会随着气流排出反应容器，造成大量浪费，现有技术中，处理这个问题最直接的方法是提高氢氧焰温度，增大温差，进而增加沉积效果。但是直接增加氢氧焰温度一方面会增加气体燃料成本，另一方面也会伴随着火焰温度的上升需要增加容器耐热性，否则容易造成反应容器破裂变形。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种高沉积率的OVD反应装置，不通过增加氢氧焰而是通过降低沉积体表面温度的方式拉大沉积体和氢氧焰的温差，提高沉积率。

为达到以上目的，一方面，采取的技术方案是：

本申请提供一种高沉积率的OVD反应装置，包括：

至少一个喷灯，其设置于光纤预制棒的径向底部，喷灯的喷口朝向光纤预制棒且喷射反应火焰；

反应容器，罩设在光纤预制棒外，其包括在竖直方向相对设置的进口和出口，所述喷灯部分伸入进口内；

给气装置，其包括设置在光纤预制棒侧面的至少一个给气通道，给气通道与反应容器连通，且每一个喷灯对应一个给气通道；

所述给气通道的轴线朝向所述出口方向倾斜，并且给气通道喷出的气流落在光纤预制棒不与反应火焰接触的表面。

优选的，所述给气通道为多边形筒状结构；

其中部分侧壁为固定设置的固定板；

其余侧壁为可相对于固定板移动的活动板；

固定板和活动板围设区域的截面积为给气通道的出风面积，且出风面积随活动板的移动增大或减小。

优选的，还包括用于控制活动板移动的控制器；

当光纤预制棒外径增大时，活动板相对固定板远离，给气通道的出风面积增大。

优选的，还包括：

用于测量光纤预制棒外径的外径测量仪，其安装于反应容器侧壁，且正对光纤预制棒，所述外径测量仪还与控制器相连接。

优选的，所述给气装置还包括用于控制给气通道气体流量的流量调节器，其安装于给气通道内；

所述流量调节器还与控制器连接。

优选的，还包括：

用于测量光纤预制棒表面温度的红外测温仪，其设置于反应容器内壁，且正对光纤预制棒；

所述红外测温仪还与控制器连接；

当红外测温仪测得光纤预制棒表面温度升高时，流量调节器增大给气通道的气体流量。

优选的，所述给气通道喷出的气流方向与所述光纤预制棒的转动方向相对。

本申请还提供一种基于前述的一种高沉积率的OVD反应装置的OVD反应方法，包括如下步骤：

将喷灯点燃，向光纤预制棒的起始棒喷射反应火焰，同时起始棒开始旋转，在转动的起始棒外部沉积反应火焰生成的玻璃微粒；

利用给气通道朝向光纤预制棒喷气，用于给光纤预制棒的沉积体表面降温。

优选的，包括：

所述给气通道为多边形筒状结构；

其中部分侧壁为固定设置的固定板；

其余侧壁为可相对于固定板移动的活动板；

固定板和活动板围设区域的截面积为给气通道的出风面积，且出风面积随活动板的移动增大或减小；

所述OVD反应方法还包括如下步骤：

测量光纤预制棒的直径，通过第一算法得到该直径对应给气通道的理论出风面积，并移动活动板使得给气通道的出风面积达到理论出风面积。

优选的，包括：

所述给气装置还包括用于控制给气通道气体流量的流量调节器，其安装于给气通道内；

所述OVD反应方法还包括如下步骤：

测量光纤预制棒的表面温度，通过第二算法得到该对应温度对应的给气通道理论气体流量，并通过流量调节器将给气通道的气体流量调节至理论气体流量。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请的高沉积率的OVD反应装置和OVD反应方法，由于利用降温导流气体喷射反应火焰无法涉及的位置，可以有效的降低沉积体的表面温度，拉大了沉积体表面和反应火焰的温度差，借助热泳现象有效的提高了沉积效率。另外反应容器内的气流紊乱时，未附着的玻璃微粒滞留在容器内，会异常附着在沉积体表面等，导致亮点或异物而影响特性，而本申请中面向排气口侧吹空气，不会扰乱反应容器内气体的气流，因此沉积效果不会恶化。

在进一步的改进中，根据外径测量仪测量的沉积体外径，该给气口也会被控制单元控制，相应的调节给气口开度，加大沉积体表面的降温面积，避免沉积体积累导致冷却力度不够使得光纤预制棒内外层性质不统一。

在另一些改进中，通过红外测温仪对沉积体表面进行实时的测量，再根据测量结构对气体流量进行控制，以尽快将沉积体降低至最佳成绩温度，提高沉积效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请中一个实施例的结构示意图。

附图标记：

1、喷灯；2、给气通道；3、光纤预制棒；31、起始棒；32、沉积体；4、控制器；5、外径测量仪；6、流量调节器；7、红外测温仪；8、反应容器；81、进口；82、出口。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请中，提供一种高沉积率的OVD反应装置的实施例，如图1所示，包括喷灯1、给气装置和反应容器8，在本实施例以及下述其他实施例中，均采用图1的上下左右作为实施例中叙述的上下左右方向，本领域技术人员可以根据应用时的实际情况转换为相应的方向。

其中喷灯1有至少一个，图1所示的结构为反应装置的截面，喷灯1的数量可以沿着反应容器8方向有多根，以实现制得更长的光纤预制棒3。

在光纤预制棒3旁设置有给气装置，给气装置设置有一个或多个给气通道2，给气通道2数量与喷灯1数量对应，给气通道2用于将气体向光纤预制棒3喷射。具体的，一般的实施例中，为预先固定好喷灯1的位置，同时在每个喷灯1旁设置一个给气通道2用以给光纤预制棒3降温，还有一些实施例中喷灯1会沿光纤预制棒3的轴向滑动，相应的会在反应容器侧壁上设置多个给气通道2，以确保喷灯1滑动到任何位置都会有至少一个给气通道2与之对应。

反应容器8将光纤预制棒3包覆在内，上述反应容器8至少包括进口81和出口82，进口81和出口82相对设置，上述喷灯1部分伸入进口81，没有反应的废渣随着气流通过出口82排出。而给气通道2设置在反应容器8的侧壁，为了防止干扰到反应火焰，给气通道2倾斜向出口82设置。

具体的，类似图1所示的一般实施例中，喷灯1在光纤预制棒3径向底部，相应的反应火焰朝向上方的光纤预制棒3，反应火焰产生的玻璃微粒会随着反应火焰喷向光纤预制棒3，而给气通道2的气体一般为高速气流，有时会根据需要将气流先期降温，使得光纤预制棒3表面的温度下降，使得光纤预制棒3的和反应火焰的温差增大，利用热泳现象。使得更多的粒子沉积在光纤预制棒3表面，降低原料的沉积率，减少原料浪费，同时成本的提升也微乎其微。

在本实施例中，上述给气通道2的出射方向和反应容器8侧壁之间形成朝向出口82的45°角。反应容器8内气流紊乱时，未附着的玻璃微粒滞留在容器内，容易再次附着在沉积体32表面，导致亮点或异物从而影响特性。为了防止喷射气流影响反应火焰，而朝向出口82侧吹空气，不会扰乱反应容器8内气体的气流。提高制造的光纤预制棒3的质量。

有一些进一步的实施例中，上述进口81的尺寸大于出口82的尺寸，可使反应容器8内的反应气体始终保持较高的反应浓度。

在一些进一步的实施例中，上述给气通道2为多边形筒状结构，由固定板和活动板围设形成，其中部分侧壁是固定板，其余侧壁是活动板。固定板是在对应位置固定不动的，一般的实施例中是固定安装于反应容器8侧壁上，而活动板是可以在一定范围内相对于固定板活动，固定板和活动板围设区域的截面积是出风面积，从而使得活动板的活动可以改变出风面积的大小。

在本实施例中，固定板有三块，活动板有一块，一共四块围设形成给气通道2，活动板位于给气通道2的底面，而活动板可以相对于固定板活动，进而形成不同的给气通道2出风面积，从而控制光纤预制棒3上的受风面积。而活动板的活动在本实施例中是靠动力机构进行，比如电机或者气缸等。有一些实施例中，还需要将给气通道2的顶面延长线抬高到沉积体32的上方，以保证对于沉积体32的上表面有着足够大的吹扫面积。

一些进一步的实施例中，还包括用于控制活动板移动的控制器4。具体的，在本实施例中，控制器4为通过控制与活动板相连的动力机构进而控制活动板运动的，通过控制器4可以方便工作人员根据需要调节出风面积。

一些进一步的实施例中，还包括外径测量仪5，外径测量仪5安装于反应容器8侧壁，用于测量光纤预制棒3的外径，也即沉积体32的沉积程度，并且上述外径测量仪5和控制器4相连。

具体的，在本实施例中，外径测量仪5设置在反应容器8侧面，且位于光纤预制棒3右边，正对着光纤预制棒3，一般情况下，随着光纤预制棒3的沉积，光纤预制棒3的沉积层会逐步增大，与火焰的接触面也会增大，使得光纤预制棒3表面温度上升，而此时如果吹风面积不变的话，会产生降温程度不足的问题，导致沉积效率下降，在本实施例中，设置了外径测量仪5，外径测量仪5可以将测量的外径传递给控制器4，控制器4控制活动板的运动进而控制给气通道2的开度，调整光纤预制棒3的受风面积，以更好的降低温度。

一些实施例中，上述给气装置还包括用于控制给气通道2气体流量的流量调节器6，其安装于给气通道2内，上述流量调节器6与控制器4连接，受控制器4控制。上述反应装置还包括红外测温仪7，其与流量调节器6连接。

具体的，在图1所示实施例中，红外测量仪设置在左上角，正对着光纤预制棒3的表面。在生产过程中，随着给气通道2的吹气，光纤预制棒3的表面温度会有一定程度的下降，但是并非温度越低越好，根据具体的工艺流程和光纤预制棒3的状态会有一个最佳的温度区间，在本例中可以通过红外测量仪观测光纤预制棒3的表面温度，并将测量的数值传递给流量调节器6，流量调节器6通过控制气体流量进而控制光纤预制棒3的受风强度，进而调整光纤预制棒3的表面温度，使得光纤预制棒3的表面温度处于最佳的温度区间，以使得沉积效率提高。

有一些实施例中，上述进口81沿着反应容器8的长度方向贯穿于整个反应容器8的底部，而喷灯1底部设置有滑动装置，使得喷灯1可以沿着光纤预制棒3的轴线方向滑动，以便于根据工艺调整喷灯1位置。

进一步的，上述给气通道2喷出的气流方向和上述光纤预制棒3的转动方向相对。具体的，可以参见图1，图中光纤预制棒3的转动方向为逆时针方向，而给气通道2的喷气方向为从左下朝着右上喷射，光纤预制棒3转动方向朝着迎风的方向，以增强给气通道2喷气降温的效果。

本申请还提供一种基于前述高沉积率的OVD反应装置的OVD反应方法的实施例，包括下述步骤：

S1.将喷灯1点燃，向光纤预制棒3的起始棒31喷射反应火焰，同时起始棒31开始旋转。

具体的，以图1所示的高沉积率的OVD反应装置实施例为例，本实施例在反应过程中，首先安装光纤预制棒3的起始棒31，并开始逆时针旋转，同时喷灯1向起始棒31喷射反应火焰，多于的废气通过反应容器8的出口82排出。

S2.利用给气通道2朝向光纤预制棒3没有与反应火焰接触的侧面喷气，并且控制气流朝着出口82的方向，用于给光纤预制棒3的沉积体32表面降温。

具体的，以图1所示的高沉积率的OVD反应装置实施例为例，本实施例中，通过控制给气通道2的角度来控制以和水平面呈45°向上发射气流冷却光纤预制棒3，冷却气体可以是洁净氮气或者其他保护气体，有些对反应环境要求不高的工艺内也可以使用洁净空气。主要的冷却面是光纤预制棒3的朝上的侧面，这样不会影响到反应火焰，同时朝向出口82，可以尽可能的减少气流对反应火焰的影响。

一些实施例中，还设置了用于根据光纤预制棒3的直径调节给气通道2开度的方法，其对应的高沉积率的OVD反应装置实施例至少包括如下结构：

上述给气通道2为多边形筒状结构；

其中部分侧壁为固定设置的固定板；

其余侧壁为可相对于固定板移动的活动板；

固定板和活动板围设区域的截面积为给气通道2的出风面积，且出风面积随活动板的移动增大或减小。

OVD反应方法还包括如下步骤：

测量光纤预制棒3的直径，通过第一算法得到该直径对应给气通道2的理论出风面积，并移动活动板使得给气通道2的出风面积达到理论出风面积。

具体的，在图1所示的实施例中，活动板的活动是通过控制器4进行控制的，在本实施例中控制器4采用PLC进行控制，同时利用外径测量仪5测量光纤预制棒3外径。

外径测量仪5测量到光纤预制棒3的外径后，将外径数据传递给控制器4，控制器4根据第一算法进行调节给气通道2的开度，可以随着光纤预制棒3的增大尽可能的增加受风面积，同时避免光纤预制棒3表面小范围区域内过冷导致应力增大而破裂。

另一些实施例中，还设置了用于根据光纤预制棒3直径调节给气通道2气体流量的方法，对应的高沉积率的OVD反应装置实施例至少包括如下结构：

上述给气装置还包括用于控制给气通道2气体流量的流量调节器6，其安装于给气通道2内。

OVD反应方法方法还包括如下步骤：

测量光纤预制棒3的表面温度，通过第二算法得到该对应温度对应的给气通道2理论气体流量，并通过流量调节器6将给气通道2的气体流量调节至至理论气体流量。

具体的，在图1所示实施例中，控制流量调节器6的是控制器4，控制器4是由PLC进行控制，同时利用红外测温仪7测量光纤预制棒3表面温度。

光纤预制棒3和反应火焰的温差并非越大越好，在温差过大时，光纤预制棒3破裂的概率也越大，温差过小时，沉积率也相应降低，红外测温仪7检测到光纤预制棒3表面温度后，将温度数据也传递给控制器4，控制器4根据第二算法进行调节给气通道2的流量，可以将光纤预制棒3的温度调节至最佳的温度范围左右，在沉积效率和破裂概率之间取得最佳的平衡。

同时，给气通道2的开度和气体流量是经过理论推理和试验验证的情况下得出的，并设计成第一算法和第二算法输入控制器4进行控制，因此第一算法和第二算法的控制参数对应关系也是本申请的重要之处。

下表为应用在图1所示的实施例中第一算法和第二算法控制程序的关键参数：

表1第一算法和第二算法关键参数表

沉积体直径(mm)	给气通道开度(mm)	气体流量(slm)
			60	60	10
100	80	14
			160	30	18
220	100	20
			280	110	24
340	130	26
			400	150	30

具体解释上述参数，可以参见图1，给气通道2开度是给气通道2底部活动板相较于顶部固定板的距离，而气体流量是对应直径下的最大表态空气流量。本领域技术人员可以根据图1和表1计算出对应条件下的沉积体32的受风面积，计算出其他实施例中的给气通道2开度，同时气体流量是相应受风面积下最大的气体流量，本领域技术人员可以根据工艺情况制定不大于表1所示气体流量即可。

综上上述，本发明为在喷灯1加热制造光纤预制棒3的时候，对光纤预制棒3喷气降温，以使得光纤预制棒3表面温度有一定程度的降低，达到最优的表面温度，有着更大的沉积率，避免了远离浪费。

同时在进一步的改进中，还可以根据光纤预制棒3的沉积进度和表面温度调节给气通道2的开度和气体流量，使得随着光纤预制棒3的沉积进度，增大给气通道2开度，并随着光纤预制棒3温度变化调节气体流量，使得光纤预制棒3在整个生产的过程中都有着最佳的表面温度，最终生产的整个沉积体32内外性质更一致。

本申请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。

Claims (4)

1.一种高沉积率的OVD反应装置，其特征在于，包括：

至少一个喷灯(1)，其设置于光纤预制棒(3)的径向底部，喷灯(1)的喷口朝向光纤预制棒(3)且喷射反应火焰；

反应容器(8)，罩设在光纤预制棒(3)外，其包括在竖直方向相对设置的进口(81)和出口(82)，所述喷灯(1)部分伸入进口(81)内；

给气装置，其包括设置在光纤预制棒(3)侧面的至少一个给气通道(2)，给气通道(2)与反应容器(8)连通，且每一个喷灯(1)对应一个给气通道(2)；

所述给气通道(2)的轴线朝向所述出口(82)方向倾斜，并且给气通道(2)喷出的降温气流落在光纤预制棒(3)不与反应火焰接触的表面；

所述给气通道(2)为多边形筒状结构；

其中部分侧壁为固定设置的固定板(21)；

其余侧壁为可相对于固定板(21)移动的活动板(22)；

固定板(21)和活动板(22)围设区域的截面积为给气通道(2)的出风面积，且出风面积随活动板(22)的移动增大或减小；

还包括用于控制活动板移动的控制器(4)；

当光纤预制棒(3)外径增大时，活动板(22)相对固定板(21)远离，给气通道(2)的出风面积增大；

还包括：

用于测量光纤预制棒(3)外径的外径测量仪(5)，其安装于反应容器(8)侧壁，且正对光纤预制棒(3)，所述外径测量仪(5)还与控制器(4)相连接；

所述给气装置还包括用于控制给气通道(2)气体流量的流量调节器(6)，其安装于给气通道(2)内；

所述流量调节器(6)还与控制器(4)连接；

还包括：

用于测量光纤预制棒(3)表面温度的红外测温仪(7)，其设置于反应容器(8)内壁，且正对光纤预制棒(3)；

所述红外测温仪(7)还与控制器(4)连接；

当红外测温仪(7)测得光纤预制棒(3)表面温度升高时，流量调节器(6)增大给气通道(2)的气体流量；

所述给气通道(2)喷出的气流方向与所述光纤预制棒(3)的转动方向相对。

2.一种基于权利要求1所述的一种高沉积率的OVD反应装置的OVD反应方法，其特征在于，包括如下步骤：

将喷灯(1)点燃，向光纤预制棒(3)的起始棒(31)喷射反应火焰，同时起始棒(31)开始旋转，在转动的起始棒(31)外部沉积反应火焰生成的玻璃微粒；

利用给气通道(2)朝向光纤预制棒(3)喷气，用于给光纤预制棒(3)的沉积体(32)表面降温。

3.根据权利要求2所述的OVD反应方法，其特征在于，包括：

所述给气通道(2)为多边形筒状结构；

固定板(21)和活动板(22)围设区域的截面积为给气通道(2)的出风面积，且出风面积随活动板(22)的移动增大或减小。

4.根据权利要求2所述的OVD反应方法，其特征在于，包括：

所述给气装置还包括用于控制给气通道(2)气体流量的流量调节器(6)，其安装于给气通道(2)内。