CN1235821C - 用于制造光纤预制体的外部气相沉积装置和采用该装置制造光纤预制体的方法 - Google Patents

用于制造光纤预制体的外部气相沉积装置和采用该装置制造光纤预制体的方法 Download PDF

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Abstract

用于制造光纤预制体的外部气相沉积(OVD)装置，包括芯棒和燃烧器，所述的芯棒具有预定的长度并被驱动旋转；所述的燃烧器向芯棒发射燃烧气体和反应气体，使制造二氧化硅颗粒的燃烧气体燃烧，从而使二氧化硅颗粒沉积在芯棒的表面上，其中，燃烧器具有与芯棒长度相符的长度，且燃烧器提供了贯穿芯棒的整个长度的同时均匀温度，该装置通过均匀加热，使二氧化硅颗粒均匀沉积到预制体的整个长度上。

Description

用于制造光纤预制体的外部气相沉积装置和采用该装置制造光纤预 制体的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造光纤预制体(preformer)的外部气相沉积(OVD)装置，以及采用该装置制造光纤预制体的方法，更具体地，本发明涉及一种OVD装置，其通过采用具有改进结构的燃烧器，使构成光纤预制体的材料颗粒能够均匀地沉积在该预制体的长度上，还涉及采用该装置制造光纤预制体的方法。
背景技术
外部气相沉积(OVD)装置由于能以高沉积效率获得较大直径的预制体，因而广泛应用于制造光纤预制体。
常规OVD装置的一个实例示例地展示于图1中。参见图1，常规的OVD装置包括装配在板10之上的圆柱形燃烧器12，和装配在燃烧器12上并以预定方向旋转的芯棒18。在进行OVD的过程时，构成光纤预制体16的材料颗粒沉积在芯棒18上。在OVD的过程中，供有燃烧气体和反应气体的圆柱形燃烧器向芯棒18发射出火焰14，因而导致高温状态，且该圆柱形燃烧器也在水平方向上进行往复运动。该过程导致了构成光纤预制体材料的精细颗粒的产生，且所产生的颗粒在芯棒18上以预定的厚度沉积。
更具体地，以预定的流速向圆柱形燃烧器提供燃烧气体如H2和O2以及反应气体如SiCl4和GeCl4。然后，由于燃烧气体的燃烧反应导致了高温状态，并生成了材料颗粒例如SiO2和GeO2。生成的颗粒以预定的厚度沉积在旋转的芯棒18的表面上。
按照以下表达的化学反应式，当反应气体和燃烧产物H2O发生水解反应，或在1100℃或更高的温度下与燃烧器12形成的载气O2发生直接的氧化反应时，生成了材料颗粒如SiO2和GeO2。SiO2和GeO2的精细颗粒相互碰撞并压缩为直径为约0.2μm的颗粒，并沉积在旋转的芯棒18的表面上。
化学反应式1
(水解)
(氧化)
采用OVD装置制造光纤预制体的方法中，构成光纤预制体的精细材料颗粒的沉积机理是热迁移机理。热迁移是指当精细颗粒存在于具有温度梯度的气体中时，由于颗粒和气体分子之间的动量交换，使该颗粒从高温区域迁移到低温区域。热迁移的速度可根据以下的数学方程式1计算。
数学方程式1
Vt＝-(Kv/T)/ΔT
其中，K为热迁移常数。
如上述数学方程式1中所示，可知温度梯度是采用OVD装置制造光纤预制体的方法中影响颗粒沉积的主要因素。换句话说，从燃烧器12发射出的氢气和氧气的燃烧使得反应气体被氧化，且反应气体通过燃烧器12附近的火焰被水解，形成了构成光纤预制体16的精细材料颗粒，且这些颗粒随着从燃烧器12发射出的热气体一起移动并环绕经过芯棒18。然后，由于温度梯度的作用，这些颗粒沉积在温度相对较低的芯棒18上。因此，由于颗粒温度较高而芯棒18的温度较低，颗粒沉积效率得到了提高。
在OVD方法中，每当圆柱形燃烧器12在板10上移动，就改变了SiCl4和GeCl4的组成，从而使光纤预制体16可能在通常的OVD方法中获得预期的折射率。此外，当预制体16具有预期的沉积厚度时，分开芯棒18并将其移离预制体16。然后干燥预制体16，并在温度保持在1400～1600℃的火炉中进行烧结，从而制得光纤预制体。
在OVD方法的进行过程中，一个或多个燃烧器12串联排列，然后横向移动燃烧器12和芯棒18。由于OVD方法中采用的燃烧器12的形状为如图2所示的圆柱形，因此只加热了光纤预制体16的局部面积，如图2所示。
另一方面，图4展示了火焰14的平面分布，该火焰由装配在常规OVD装置中的常规圆柱形燃烧器12产生。参见图4，可理解火焰14更集中于燃烧器12的中心。在图4的平面分布中，较暗的面积表示火焰14更为集中。因此，通过常规的圆柱形燃烧器12沉积在芯棒18上的材料颗粒具有径向方向上的密度梯度。这一事实也被图3所证实，图3中展示了X-和Y-方向的粉尘(soot)颗粒密度。
如果光纤预制体的材料颗粒随着燃烧器的横向移动沉积在旋转芯棒1 8上，则在芯棒18的表面上形成了螺旋形的沉积图案19，如图5所示。每当燃烧器12经过时，该螺旋形沉积图案19形成具有一定厚度的沉积层，且该沉积层堆叠形成光纤预制体16。然而，由于上述的螺旋形沉积图案19，具有高粉尘密度的部分在某个位置发生交叠，此外在芯棒18上也产生了未-交叠的部分。因此，交叠的部分19a相对较厚，预制体很难获得在整个长度上的均匀厚度。此外，燃烧器12或预制体16的快速移动可能会对火焰的分层流动造成湍流，因此对提高沉积效率有所限制。进一步地，由于颗粒物流的不规则性，光纤预制体16的末端不能得到利用，从而造成损失。
粉尘密度的差异可能会导致沉积厚度的不规则性，且这类不规则的沉积又会导致交叠。随着光纤预制体的增长，此类交叠成为限制沉积速度，沉积量和沉积密度的因素，并最终在经过烧结过程后的光纤预制体16的外周上形成波纹。在光纤预制体16的表面上形成的波纹导致对芯棒直径敏感的频率阻断特性(frequency blocking characteristic)和分布特性较差，因此应该消除波纹。
为解决此类问题，题目为“抗脱玻作用火焰水解方法”的美国专利No.4,486,212提出了解决方案。该文献公开了通过将起始的沉积速度降低到非常低的水平，从而引导二氧化硅颗粒均匀沉积在芯棒上的技术。尽管该专利方法可以在一定程度上抑制不规则沉积的扩大，但并不能完全解决上述的问题。如韩国专利申请号为No.92-19778的文献中所公开，这一技术不能克服因燃烧器或预制体的往复运动而造成光纤预制体的两端的损失达20％，并且很难控制沉积这一缺点。此外，上述常规的技术不能解决产生于起始沉积后的螺旋形图案所引起的问题，并无可避免地由于控制起始沉积而导致了生产率低下。
此外，名称为“形成光纤预制体的方法和装置”的美国专利No.4,683,994提出了一种采用覆盖了光纤预制体全部面积的大型粉尘发生器的技术。然而，当采用上述文献中提到的方法时，气体在粉尘发生器的内部进行混合，因此产生了例如由于生长的粉尘增加而带来了粉尘增加和堵塞喷嘴的问题。另外，由于整个光纤预制体的温度升高，运用热迁移的颗粒沉积效率甚至降低了。
发明内容
本发明的设计是克服现有技术的上述问题，因而本发明的一个目的在于提供用于制造光纤预制体的外部气相沉积(OVD)装置，其利用长度等于或类似于光纤预制体的直型燃烧器，在预制体的表面上沉积构成光纤预制体的材料颗粒，从而减少了沉积时间，不产生螺旋形沉积图案，并极大地提高了沉积效率。本发明的另一个目的在于提供采用该装置制造光纤预制体的方法。
为实现上述目标，本发明提供了用于制造光纤预制体的外部气相沉积(OVD)装置，包括具有预定长度并能旋转的芯棒，以及燃烧器，其向芯棒发射预定反应气体和燃烧气体以产生构成光纤预制体的材料颗粒，从而使材料颗粒沉积在芯棒的表面上形成光纤预制体，其中所述燃烧器具有与芯棒相符的长度，且燃烧器提供了贯穿芯棒整个长度的同时均匀的温度。
优选地，由燃烧器产生的火焰主要集中于沿芯棒整个长度的中心轴上。
此外，也优选燃烧器具有多个腔体，其与不同气体的供应管道(line)相连接，从而独立地发射燃烧气体和反应气体。所述的腔体可由气体分散管道组成，该气体分散管道优选具有从气体入口部分向气体出口部分充分变宽的剖面。
可以在该气体分散管道的气体出口部分提供过滤器以分散气体分散管道中的气体压力。在这种情况下，过滤器优选具有50-1 50μm的孔径。
在本发明的OVD装置中，气体供应管道优选向腔体独立地提供燃烧气体和反应气体。
本发明的另一方面还提供了采用外部气相沉积(OVD)装置制造光纤预制体的方法，包括下列步骤：制造具有预定长度的芯棒和长度与芯棒相符的燃烧器；以某一速度旋转芯棒；通过燃烧器向芯棒发射预定的反应气体和燃烧气体，提供具有贯穿燃烧器整个长度的相同温度的火焰，并产生光纤预制体的材料颗粒，从而使材料颗粒同时沉积在芯棒的整个长度上；并沉积构成光纤预制体的材料颗粒至预定厚度，然后移走芯棒，得到光纤预制体。
附图简要说明
在参照附图展开的下列详述中，本发明优选实施方式的这些和其它特征，方面和优点将会更完整。附图中，
图1是展示现有技术的外部气相沉积(OVD)装置的正视图；
图2展示了图1的OVD装置中所采用的圆柱形燃烧器及其火焰；
图3展示了由图2的圆柱形燃烧器形成的粉尘颗粒的密度曲线图；
图4展示了从图2的圆柱形燃烧器发射出的火焰的平面分布；
图5展示了由图2的圆柱形燃烧器产生于光纤预制体上的螺旋形沉积图案；
图6为展示本发明的OVD装置的正视图；
图7展示了本发明的OVD装置中所采用的燃烧器及其火焰；
图8展示了由图7的燃烧器形成的粉尘颗粒的密度曲线图；
图9展示了从图7的燃烧器发射出的火焰的平面分布；
图10是展示图7的燃烧器的局部剖面正视图；
图11a和11b是分别展示从图7的燃烧器发射出的火焰的正视图和侧视图；以及
图12展示了采用图7的燃烧器在预制体上沉积构成光纤预制体的材料颗粒而不产生任何沉积图案。
本发明的最佳实施方式
以下将参照附图详述本发明的优选实施方式。
图6示意地展示了本发明用于制造光纤预制体的外部气相沉积(OVD)装置。参见图6，本发明的OVD装置包括以预定高度安装的芯棒26，以及安装在该芯棒26下的燃烧器20。芯棒26为长棒状并与驱动装置(未显示出)相连接而进行旋转。
燃烧器20具有与芯棒26相符的长度，优选等于或长于芯棒26的长度。
气体供应管道30(参见图10)安装在燃烧器20中，以提供用于生成构成光纤预制体的材料颗粒的反应气体如SiCl4和GeCl4以及燃烧气体如H2和O2。此外，通过水解或氧化的方式，燃烧器20产生了构成光纤预制体24的材料颗粒如SiO2和GeO2，这些材料颗粒沉积在旋转芯棒26的表面上。
当采用燃烧器20在芯棒26的表面上沉积构成光纤预制体24的材料颗粒时，芯棒26保持高速旋转，使构成光纤预制体24的材料颗粒可以均匀地沉积在芯棒26的表面上。特别是，由于本发明的燃烧器20的长度与芯棒26相符，构成光纤预制体24的材料颗粒在芯棒16的整个长度上均匀沉积。
图7展示了本发明采用的燃烧器20及其火焰。参见图7，可容易地获知由于燃烧器20的形状，火焰22也是以直线形式均匀地形成。因此，由燃烧器20形成的构成光纤预制体24的材料颗粒的沉积密度在预制体24的整个长度的X轴上规则分布，在Y轴上从中心到外部的方向逐渐降低，如图8所示。此外，由于芯棒26在构成光纤预制体24的颗粒材料的沉积期间保持旋转，Y轴上的沉积密度在光纤预制体24的整个外周上也是基本规则的。
图9显示了从上述本发明的直型燃烧器20形成的火焰22的平面分布。图9中，较暗的面积表示火焰更集中于该部分。正如可从图中获知的，火焰22沿直型燃烧器长度方向上的中心的温度是均匀的。
图10是本发明采用的直型燃烧器20的局部剖面视图。参见图10，本发明的直型燃烧器20由多个腔体组成，每个腔体装配有气体供应管道30。气体供应管道30用于提供反应气体如SiCl4和GeCl4以及燃烧气体如H2和O2。可通过一条管道同时提供反应气体和燃烧气体，或气体供应管道30可分开供应反应气体和燃烧气体，使反应气体和燃烧气体在化学反应进行前不发生混合。
气体供应管道30之间设置有规则的空间，每条气体供应管道30与气体分散管道32相连接。该气体分散管道32形成了燃烧器20的每个腔体，其剖面从气体入口部分向气体出口部分变宽。特别是，气体分散管道32的气体出口部分优选覆盖了燃烧器上表面的大部分。在这种构造中，气体通过气体分散管道32分散并因此降低了气体供应管道30中相对较高的压力。此外，如上分散的气体然后均匀地在燃烧器20上方的全部面积上释放出来，从而最终形成了沿光纤预制体24长度方向的均匀温度区域。这使构成光纤预制体24的材料颗粒能够均匀沉积。
也可在气体分散管道32的气体出口部分安装过滤器34。该过滤器34优选具有50～150μm的孔径的玻璃过滤器，且该玻璃过滤器起到在气体分散管道32内分散气体压力的作用。
图11a和11b为展示从本发明的直型燃烧器20发射出的火焰22的正视图和侧视图。参见这些图，从侧面观察时，可知燃烧器20产生的火焰22在光纤预制体24的长度上是大致均匀的，并集中在光纤预制体24的中心处。图11b中，标号36是指独立的流动通道，其使输入的气体通过多条路径供应到燃烧器20之上。因此，燃烧器20产生的火焰22通过燃烧器20的上表面的几乎全部面积发射出来，且火焰22的顶部基本朝向光纤预制体24较低的中心。
图12展示了采用本发明的OVD装置使光纤预制体24的材料颗粒均匀地沉积在光纤预制体24上，且未产生任何沉积图案。在本发明的OVD装置中，燃烧器20或光纤预制体24没有进行横向移动。也就是说，直型燃烧器20使材料颗粒沉积在只是保持旋转的预制体24的整个长度上。因此，在本发明中，材料颗粒均匀沉积在光纤预制体的表面上，而未产生沉积图案，尤其是常规的螺旋形图案，最终光纤预制体24可在整个长度上获得均匀的沉积密度和恒定的厚度。图12中，参考号25是指材料颗粒，其在光纤预制体24上发生沉积。
由于将本发明的燃烧器20设计为覆盖光纤预制体24的整个长度，因此燃烧器20无需往复运动，因此防止了火焰在分层流动中发生湍流。由于这一原因，材料颗粒沉积在光纤预制体24的整个长度上，从而光纤预制体24能在较短的时间内实现所有层的沉积。
此外，由于燃烧器20由多个腔体组成，可以从燃烧器20最外部到中心以相同的速度控制源气体的供应量。进一步地，扇形的气体分散管道32极大地降低了气体的局部压力，因此气体分散管道32可基本防止从气体供应管道30发射的气体集中于某一特定的位置。
以下将描述采用本发明的OVD装置制造光纤预制体的方法。
为采用本发明的OVD装置制造光纤预制体，安装预定长度的芯棒26，并在芯棒26的下方安装长度和芯棒26相符的燃烧器。此外，采用分开的驱动设备控制芯棒26以恒定的速度旋转。
在这一工作条件下，通过气体供应管道30向芯棒26供给反应气体如SiCl4和GeCl4，以及燃烧气体如H2和O2。此时，由于在沿燃烧器20的长度方向上的以规则间隔安装有多条气体供应管道30，通过燃烧器20的整个长度均匀地提供反应气体和燃烧气体。进一步地，由于气体分散管道32和过滤器34形成于气体供应管道30的末端，基本上避免了反应气体和燃烧气体的局部集中。
此时，燃烧器20在其整个长度产生具有通过的相同温度的火焰22以氧化或水解反应气体，并因此产生了构成光纤预制体的材料颗粒如SiO2和GeO2。这些材料颗粒沉积在芯棒26的表面上，均匀分布在芯棒26的整个长度上。此外，由于芯棒26保持旋转，材料颗粒在环绕芯棒的方向上生均匀沉积。
材料颗粒的此类沉积一直继续，直到环绕芯棒26形成的沉积层的厚度达到预定厚度。如果获得了所需厚度的二氧化硅颗粒沉积层，则停止供给燃烧气体和反应气体并使芯棒26停止旋转。在这些过程之后，移走芯棒26，从而完成了基于OVD方法的光纤预制体。该光纤预制体24不仅由于芯棒26的旋转而在外周方向上具有均匀的厚度，而且由于燃烧气体和反应气体沿长度方向上的均匀供给而在长度方向上厚度均匀。
工业应用性
根据本发明的用于制造光纤预制体的OVD装置提供了沿光纤预制体的整个长度上同时具有相同温度的火焰。因此，本发明的OVD装置可解决由沉积密度差异导致的光纤预制体的连续螺旋形沉积图案的问题，以及由沉积量差异导致的沉积表面不平坦的问题，这些问题通常在常规光纤预制体沉积方法中出现。
此外，通过抑制光纤预制体外表面的不平坦度，本发明的OVD装置可防止对光纤芯敏感的较差的光学特性的产生。
进一步地，由于燃烧器的长度基本上与光纤预制体相等，无需使本发明的OVD装置中的燃烧器或光纤预制体往复运动。因此，本发明的OVD装置可抑制由于燃烧器或光纤预制体的往复运动而导致粉尘颗粒的波动。此外，另一个优点是OVD装置可因此消除粉尘密度的局部差异，减少成品光纤预制体的末端损失。
另外，由于不需要进行燃烧器或光纤预制体的往复运动的时间，本发明的OVD装置可极大地减少使构成光纤预制体的材料颗粒发生沉积的时间。
本发明已经作了详细描述。然而，应该理解，在指明本发明优选实施方式的同时，详细描述和特定的实施例仅以阐释的方式给出，原因在于从这一详细说明出发，在本发明的精神和范围内作出的多种变化和修改对本领域的技术人员是显而易见的。

Claims (22)

1.用于制造光纤预制体的外部气相沉积装置，包括：
具有预定长度并能旋转的芯棒；和
燃烧器，其向所述芯棒发射出预定反应气体和燃烧气体以产生光纤预制体的材料颗粒，以使材料颗粒沉积在所述芯棒的表面，形成光纤预制体，
其中所述燃烧器具有与所述芯棒相符的长度，并提供贯穿芯棒的整个长度的同时均匀的温度。
2.根据权利要求1的外部气相沉积装置，其中由所述燃烧器产生的火焰集中于沿所述芯棒长度的芯棒中心轴上。
3.根据权利要求1的外部气相沉积装置，其中所述的燃烧器具有与不同气体供应管道相连接的多个腔体，以独立地发射燃烧气体和反应气体。
4.根据权利要求3的外部气相沉积装置，其中所述腔体由气体分散管道组成。
5.根据权利要求4的外部气相沉积装置，其中所述气体分散管道具有从气体入口部分向气体出口部分充分变宽的剖面。
6.根据权利要求4或5的外部气相沉积装置，其中在所述气体分散管道的气体出口部分设置有过滤器，以在所述气体分散管道中分散气体压力。
7.根据权利要求6的外部气相沉积装置，其中所述的过滤器具有50～150μm的孔径。
8.根据权利要求3到5中任意一项的外部气相沉积装置，其中所述的气体供应管道分别向腔体独立提供所述燃烧气体和反应气体。
9.根据权利要求6的外部气相沉积装置，其中所述的气体供应管道分别向腔体独立提供所述燃烧气体和反应气体。
10.根据权利要求7的外部气相沉积装置，其中所述的气体供应管道分别向腔体独立提供所述燃烧气体和反应气体。
11.根据权利要求1的外部气相沉积装置，其中所述的材料颗粒包括二氧化硅颗粒或氧化锗。
12.采用外部气相沉积装置制造光纤预制体的方法，包括下列步骤：
制造具有预定长度的芯棒和长度与该芯棒相符的燃烧器；
以某一速度旋转所述芯棒；
通过所述燃烧器向所述芯棒发射预定的反应气体和燃烧气体，以提供具有贯穿所述芯棒整个长度的同温火焰，并产生光纤预制体的材料颗粒，从而使材料颗粒同时沉积在所述芯棒的整个长度上；以及
沉积光纤预制体的材料颗粒至预定厚度，然后移走所述芯棒，得到所述光纤预制体。
13.根据权利要求12的制造光纤预制体的方法，其中由所述燃烧器产生的火焰集中于沿芯棒全部长度的芯棒中心轴上。
14.根据权利要求12的制造光纤预制体的方法，其中所述的燃烧器具有与不同的气体供应管道相连接的多个腔体，以独立地发射燃烧气体和反应气体。
15.根据权利要求14的制造光纤预制体的方法，其中所述的腔体由气体分散管道组成。
16.根据权利要求15的制造光纤预制体的方法，其中所述气体分散管道具有从气体入口部分向气体出口部分充分变宽的剖面。
17.根据权利要求15或16的制造光纤预制体的方法，其中在所述气体分散管道的气体出口部分设置有过滤器，以在气体分散管道中分散气体压力。
18.根据权利要求17的制造光纤预制体的方法，其中所述的过滤器具有50～150μm的孔径。
19.根据权利要求14到16任意一项的制造光纤预制体的方法，其中所述的气体供应管道向腔体独立地提供所述燃烧气体和反应气体。
20.根据权利要求17的制造光纤预制体的方法，其中所述的气体供应管道向腔体独立地提供所述燃烧气体和反应气体。
21.根据权利要求18的制造光纤预制体的方法，其中所述的气体供应管道向腔体独立地提供所述燃烧气体和反应气体。
22.根据权利要求12的制造光纤预制体的方法，其中所述的材料颗粒包括二氧化硅颗粒或氧化锗。
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