CN1225422C - 一种制造光纤预制件的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造光纤预制件的方法及装置。它主要是将种棒经法兰管置于反应容器内并使其下端与喷枪相对，种棒上连接圆柱形气流整流体，该整流体的下端邻近种棒下端；并从法兰管上端向下导入压力为0.5×10⁵～2.0×10⁵Pa、温度为20～600℃的整流气流，使该整流气流流经气流整流体与法兰管之间的空隙后，再由排气口排出。可以保证在整个沉积过程中反应容器内压力及气流的基本稳定，并及时向外排出未沉积成型的SiO₂、GeO₂微粒，有效减小反应容器内的温度波动、光纤预制件的生长不均等问题，并进一步增大光纤预制件的有效长度和提高其原料利用率。

Description

一种制造光纤预制件的方法及装置

【技术领域】

本发明涉及一种制造光纤预制件的方法及装置，属光导纤维的制造领域。

【背景技术】

无机光导纤维在通讯行业已受到广泛应用，其中石英系光纤以其光损耗低、适用光波范围广、适应长距离通讯等优点而成为无机光导纤维的主导。在制造石英系光纤预制件的方法中，有一种汽相轴向沉积法(VAD法)，它采用的制造装置包括一个带有排气口的反应容器，反应容器下部设置有一组大致朝向排气口的喷枪，在反应容器内竖向设置种棒。制造光纤预制件时，将种棒竖直置于反应容器内与喷枪对应，将氢气和氧气通入喷枪并在反应容器内点燃产生氢氧焰，将气体原料SiCl₄(四氯化硅)、GeCl₄(四氯化锗)经喷枪送至氢氧焰中，令其发生水解反应，生成SiO₂(二氧化硅)、GeO₂(二氧化锗)微粒并沉积在种棒的下端，同时旋转种棒并将其向上提升，使微粒在种棒下端沉积成内外两层具有不同光学折射率的圆柱形光纤预制件。这种制造方法和装置的排气效果差，导致未能沉积的SiO₂(二氧化硅)、GeO₂(二氧化锗)微粒较多地滞留在反应容器内，导致以下缺陷：

1、SiO₂、GeO₂微粒以一定的压力喷射至种棒上形成预制件的同时，使反应容器内存在一定程度的气流紊乱，影响光纤预制件的成形；

2、随着光纤预制件沉积长度的增加，未沉积到预制件上的剩余SiO₂、GeO₂微粒不断地沉积在温度较低的反应容器壁上(尤其是排气口上侧)形成镜面，导致热量反射，反应容器传热能力变化，致使反应容器内的温度逐渐上升，最终导致沉积过程不稳定，沉积速率波动。

3、由于未沉积到预制件上的剩余SiO₂、GeO₂微粒也会在已沉积成形的预制件上附着以及前述在反应容器内壁形成镜面的原因，造成了光纤预制件沿轴线方向生长的不均匀，比如沿轴线方向上各处的包芯比(即具有不同光学折射率的圆柱形外层与内层直径的比值)波动较大等沉积质量上的缺陷。

4、因沉积在反应容器内壁上的SiO₂、GeO₂微粒剥落而附着在正在沉积成形的光纤预制件的表面上，形成密度较小的区域，在后续工序中对光纤预制件进行玻璃化时，该区域易产生气泡，这样会导致在光纤预制件拉制成光纤的过程中产生断纤现象。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有光纤预制件制造过程中所存在的技术缺陷，提供一种可以调整反应容器内气流的光纤预制件的制造方法及其装置，以保证在整个沉积过程中反应容器内压力及气流的基本稳定，并及时向外排出未沉积成型的SiO₂、GeO₂微粒，有效减小反应容器内的温度波动、光纤预制件的生长不均等问题，并进一步增大光纤预制件的有效长度和提高其原料利用率。

本发明采取下述技术方案：

一种制造光纤预制件的方法，其特征是：

a、准备：在侧面有排气口、下部有喷枪的球形反应容器的上部连接法兰管，将种棒经法兰管置于反应容器内并使其下端与喷枪相对，种棒上连接圆柱形气流整流体，该整流体的下端邻近种棒下端；

b、顶吹风：从法兰管上端向下导入压力为0.5×10⁵～2.0×10⁵Pa、温度为20～600℃的整流气流，使该整流气流流经气流整流体与法兰管之间的空隙后，再由排气口排出；所述整流气流为干燥空气、氮气或惰性气体中的一种；

c、沉积成形：先将氢气和氧气通入两喷枪，在反应容器内产生氢氧焰；再将气体原料SiCl₄、GeCl₄送入喷枪，气体原料在氢氧焰中发生氢氧水解反应，生成SiO₂、GeO₂微粒并沉积在种棒上逐渐形成光纤预制件，同时匀速旋转并提升种棒；

d、待光纤预制件达到预定长度时，停止导入气体原料、氢气和氧气以及整流气流，将光纤预制件提升至法兰管外；

e、在整个制造过程中，排气口始终排气。

一种制造光纤预制件的装置，包括一上部接有法兰管的反应容器，该反应容器下部有喷枪，其侧面有排气口，其特征是一根种棒经所述的法兰管置于反应容器内，种棒下端与喷枪相对，种棒上连接与其同轴的圆柱形气流整流体。

所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的整流体上部形状为空心圆柱体，下部形状为空心锥体。

所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的气流整流体由两个对称的半圆柱单元组成。

所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的半圆柱单元上端开设轴向槽。

所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的半圆柱单元上端开设“L”形槽。

本发明具有以下技术效果：

1、按照上述方法，①消除了反应容器内气流紊乱的现象，从反应容器上端向下导入的气流可以缩小未沉积成形而剩余的SiO₂、GeO₂微粒在反应容器内游动的空间，减少微粒在反应容器内滞留的时间，并可以有效地将其排出反应容器之外，而不使其附着在反应容器内壁上，保证反应容器内的温度稳定，减少波动；②由于剩余的SiO₂、GeO₂微粒被尽快地排出反应容器之外，因此其附着在已成形的光纤预制件上的机会大大减少，从而可以保证光纤预制件沿轴线方向生长均匀，尤其是外径均匀；③由于没有SiO₂、GeO₂微粒附着在反应容器内壁上，因此也不会有SiO₂、GeO₂玻璃微粒从反应容器壁上剥落而附着在光纤预制件的表面上而形成密度不均匀的区域，从而可以防止光纤预制件在后续的玻璃化工序后产生气泡；④由于导入的整流气流沿法兰管和反应容器的内壁向下流动，可以有效地阻止未沉积成形而剩余的SiO₂、GeO₂微粒靠近反应容器内壁并沉积在其上，同时阻止导入的整流气流直接流至已成形的光纤预制件上，有效避免光纤预制件表面在制造过程中开裂；⑤由于增加气流整流体，可以保证在沉积过程中时刻以上述4条优势进行沉积，有效避免沉积初期反应容器内气体流场不稳定的现象，节约原料、提高产品成品率并降低产品成本。

2、本发明的制造装置，通过在反应容器上部的法兰管内设置气流整流体，进一步地将该气流整流体连接在种棒上，在使用过程中，气流整流体随着种棒的旋转提升而上升，可以达到如下效果：①可以有效地消除反应容器内气流的紊乱现象；②在从法兰管上端向下导入气流时，迫使气流仅沿反应容器内壁向下流动，其间，可以对整流气流加热，以防止冷气流直接与玻璃微粒沉积体接触，光纤预制件表面温度快速下降所致的光纤预制件表面开裂现象的发生；③由于气流沿反应容器内壁向下流动，对反应容器内壁具有一定的清洗作用，阻止SiO₂、GeO₂微粒沉积在反应容器内壁；④气流调整单元与玻璃微粒沉积体之间的距离可以调节，从而可以得到更好的整流效果；⑤在沉积反应初期，光纤预制件的上端在被提升经过法兰管与反应容器的结合部时，反应容器内气体流场基本不受光纤预制件上部形状变化的影响，从而节约原料、提高产品收率；⑥便于安装拆卸，节约工时。

下面结合说明书附图对本发明作进一步的说明。

【附图说明】

图1为本发明制造装置的结构示意图。

图2为气流整流体的第一种结构示意图。

图3为气流整流体的第二种结构示意图。

图4为气流整流体的第三种结构示意图。

图5为整流体接头的第一种结构示意图。

图6为整流体接头的第二种结构示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，本发明的制造装置包括球形反应容器4和连接于其上部的法兰管1；球形反应容器4的中部左侧固定排气口9，其下部自下而上依次固定第一喷枪7和第二喷枪8，两只喷枪均朝向排气口9，气流整流体3和种棒5连接在引棒2下端的滑套16上并竖直置于反应容器4内，种棒的下端稍伸出在气流整流体的下端并与喷枪对应；气流整流体的直径为最终制成的光纤预制件6直径的0.5～1.5倍，随着光纤预制件预定直径的改变而改变，保证其与法兰管1内壁之间有适当的缝隙供气流通过，同时保证反应容器内的气流稳定性。

图2所示为气流整流体的第一种结构，它由两块完全轴对称的空心半圆柱单元10组成，其下部不闭合。在制造预制件的过程中，从法兰管1上端引导至反应容器内的气流沿法兰管内壁与气流整流体之间的空隙向下流动，在反应容器内形成稳定的气体流动场，可以有效地减小光纤预制件在提升过程中对气体流动场的影响。

图3所示为气流整流体的第二种结构，它同样由两块完全轴对称的空心半圆柱单元10组成，其下部闭合。下部闭合的形状更有利于保证在光纤预制件沉积过程中气流整流体的稳定。

图4所示为气流整流体的第三种结构，它是由两个下端带有锥面的空心半圆柱单元10构成的空心圆柱与空心锥体11的整合体。相比前两种结构而言，它在保证光纤预制件沉积过程中气流整流体本身稳定性和反应容器内部气体流动场稳定性两个方便都有较强优势。

图5所示为气流整流体接头的第一种结构，它通过两个螺钉将种棒5和气流整流体3连接至引棒下端的滑套16上，为了保证在沉积初期和末期种棒和光纤预制件的顺利安装和卸下，气流整流体接头上部开设与第一螺钉12对应的轴向槽14。

图6所示为气流整流体接头的第二种结构，它同样通过两个螺钉将种棒5和气流整流体3连接至引棒下端的滑套16上，为了保证在沉积初期和末期种棒和光纤预制件的顺利安装和卸下，气流整流体接头上部设有与第一螺钉12配合的“L”形槽15，该“L”形槽可以将半圆柱单元挂吊在第一螺钉上，相对于整流体接头的第一种结构，使沉积开始前种棒的安装以及沉积结束后光纤预制件的装卸更易于操作。

实施例一：在排气口9排气的情况下，先用第一螺钉12将直径为25mm的种棒5安装挂吊在滑套16上，然后用第二螺钉13将直径为145mm的气流整流体3同样安装挂吊在滑套16上，再将种棒5和气体整流体3从内径为250mm的法兰管1上端的进风口插入球形反应容器4内，并使种棒5的下端与两只喷枪对应，通过引棒匀速旋转提升种棒，排气口9与排气风机连接，其压力控制在100Pa左右，开始排气；从法兰管上端的进风口向反应容器内通入压力约为2.0×10⁵Pa、温度约为20℃的空气整流气流；之后向两只喷枪内通入氢气和氧气，并在反应容器内点燃产生约1000℃的氢氧焰，接着向第一喷枪7内以略高于大气压100Pa的压力、1.5g/min的流量通入SiCl₄(四氯化硅)气体原料，以同样的压力、0.15g/min的流量通入GeCl₄(四氯化锗)气体原料，使之发生氢氧水解反应，生成SiO₂、GeO₂微粒并喷射沉积在种棒的下端，形成光纤预制件的圆柱形芯层；同时向第二喷枪8内以高于大气压100Pa的压力、10g/min的流量通入SiCl₄(四氯化硅)气体原料，使之发生氢氧水解反应，生成SiO₂微粒并喷射沉积在圆柱形芯层的表面，进而形成具有不同光学折射率的圆柱形光纤预制件6；使该反应在平衡状态下进行一定时间，可以得到预定要求的光纤预制件；停止导入气体原料、氢气和氧气以及整流气流，待光纤预制件冷却后，将该光纤预制件缓慢提升至法兰管外结束反应；在取下光纤预制件时先取下气流整流体，然后取下光纤预制件；由于其间向反应容器内导入了整流气流，且该整流气流在整流体的作用下沿反应容器内壁向下流动，使未沉积成形的SiO₂、GeO₂微粒较快地从排气口排出，成形的光纤预制件生长均匀，无瑕疵，质量优良；同时由于气体整流体的作用，保证了在沉积的整个过程中反应容器内气体流动场的稳定性，使成形的光纤预制件沿轴向方向具有很好的均匀性。其间，由于整流气流选用空气，生产成本较低，同时由于导入压力接近大气压，故可以不使用加压设备而让空气自由地从进风口导入。

需要强调的是：在反应沉积初期，有一个沉积生长平衡的过程，即从SiO₂、GeO₂微粒开始在种棒上沉积到生长成合格的预制件期间，有一个直径从细到粗再到均匀的过渡段，当该过渡段被提升至法兰管与反应容器的结合部时，随着它继续被提升，其与结合部之间的缝隙大小产生变化，气流的流速在此处也会产生变化，进而造成反应容器内的气体流场波动，因此，通常会增加该过渡段的长度，甚至在该过渡段的后面又形成一个长度与其大致相同的新的过渡段，这无疑导致原料的浪费、生产成本的增加以及产品收率的降低。本发明由于在种棒上连接圆柱形气流整流体，并在邻近气流整流体下端的种棒上开始沉积，因此，沉积成型的预制件紧邻整流体，其上端的过渡段基本不会对反应过程产生影响，可以有效地减少原料的浪费，降低生产成本，提高产品收率。

实施例二：与实施例一不同之处是，从法兰管上端的进风口向反应容器内通入压力约为2.0×10⁵Pa的被加温至200℃的氮气整流气流；使该反应在平衡状态下进行一定时间，可以得到预定要求的的光纤预制件；由于整流气流选用经加温后的惰性气体，与反应容器内的气体温差较小，可以更好地保持反应容器内的温度稳定，反应效果更好。

对于整流气流选用惰性气体的情况，主要是因为惰性气体的稳定性好，能够更好地保证反应过程的稳定。

对于三种用于整流气流的气体，其温度和压力，可以根据实际需要进行选择。

需要说明的是，在制造过程中，将整流气流限制在压力为0.5×10⁵～2.0×10⁵Pa、温度为20～600℃的范围内，主要是与反应容器内的反应条件相适应，保证整流气流能够顺畅地被导入反应容器内，并不会因为其温度、压力与反应容器内的温度、压力差异过大而影响反应容器内的反应过程(通常情况下，法兰管上端进风口的温度在20～600℃之间，排气口的温度在100～300℃之间，随着整流气流在反应容器内的向下流动，其温度也逐渐升高，反应趋于平衡状态)，并在工艺上容易实施，不会因此而额外增加制造成本。

至于种棒和法兰管的直径，种棒的旋转和提升速度，排气口的压力，向喷枪内通入气体原料的压力及流量等制造工艺参数，在实际制造过程中均可以根据需要进行调整，以保证沉积质量。

Claims (7)

1、一种制造光纤预制件的方法，其特征是：

a、准备：在侧面有排气口(9)、下部有喷枪(7、8)的球形反应容器(4)的上部连接法兰管(1)，将种棒(5)经法兰管(1)置于反应容器(4)内并使其下端与喷枪(7、8)相对，种棒上连接圆柱形气流整流体(3)，该整流体的下端邻近种棒下端；

b、顶吹风：从法兰管(1)上端向下导入压力为0.5×10⁵～2.0×10⁵Pa、温度为20～600℃的整流气流，使该整流气流流经气流整流体(3)与法兰管之间的空隙后，再由排气口(9)排出；所述整流气流为空气、氮气或惰性气体中的一种；

c、沉积成形：先将氢气和氧气通入两喷枪(7、8)，在反应容器(4)内产生氢氧焰；再将气体原料SiCl₄、GeCl₄送入喷枪，气体原料在氢氧焰中发生氢氧水解反应，生成SiO₂、GeO₂微粒并沉积在种棒上逐渐形成光纤预制件(6)，同时匀速旋转提升种棒(5)；

d、待光纤预制件达到预定长度时，停止导入气体原料、氢气和氧气以及整流气流，将光纤预制件(6)提升至法兰管(1)外；

e、在整个制造过程中，排气口(9)始终排气。

2、根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，其特征是所述的整流体(3)上部形状为空心圆柱体，下部形状为空心锥体(11)。

3、一种制造光纤预制件的装置，包括一上部接有法兰管(1)的反应容器(4)，该反应容器下部有喷枪(7、8)，其侧面有排气口(9)，其特征是一根种棒(5)经所述的法兰管(1)置于反应容器(4)内，种棒下端与喷枪(7、8)相对，种棒上连接与其同轴的圆柱形气流整流体(3)。

4、根据权利要求3所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的整流体(3)上部形状为空心圆柱体，下部形状为空心锥体(11)。

5、根据权利要求3所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的气流整流体(3)由两个对称的半圆柱单元(10)组成。

6、根据权利要求5所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的半圆柱单元上端开设轴向槽(14)。

7、根据权利要求5所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的半圆柱单元上端开设“L”形槽(15)。

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