CN1286751C - 使用外部气相沉积法制造光纤预制棒的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了使用外部气相沉积(OVD)法制造光纤预制棒的方法和设备，其中可以在OVD设备中连续地进行沉积和烧结处理。所述的制造设备包括垂直的机架和安装在该机架上端的烧结装置，该烧结装置用于烧结沉积在圆形靶棒上的包层。该烧结装置是氢氧焰喷灯或是采用了加热操作中不产生水或羟基(OH)的热源的加热器。所述的制造方法包括：沉积步骤，沉积喷灯在往复运动的同时在所述的圆形靶棒上沉积包层；和烧结步骤，在沉积有包层的圆形靶棒延伸穿过所述烧结装置的状况下，所述烧结装置在往复运动的同时烧结所述的包层。

Description

使用外部气相沉积法制造光纤预制棒的方法和设备
技术领域
本发明涉及使用外部气相沉积法制造预制棒的方法和设备；更具体地说，本发明涉及使用外部气相沉积法制造预制棒的方法和设备，所述预制棒用于生产光通信系统中的光纤，所述方法通过依次连续进行沉积和烧结步骤，简化了制造工艺并减少了制造设备的体积。
背景技术
一般通过化学沉积法制造光纤，因为光纤需要高纯度。
适合用来制造光纤的这种化学沉积法有改进化学气相沉积法(MCVD)、外部气相沉积法(OVD)、气相轴向沉积法(VAD)等。
还有德国的飞利浦公司开发的等离子体化学气相沉积法(PCVD)。
现将简要介绍普通OVD工艺。
图1为说明普通OVD设备的示意图，如图1所示，在纯二氧化硅材料制成的旋转的圆形靶棒22下面安装沉积喷灯18，通过进给电动机16使沉积喷灯18沿靶棒22的轴向在车床10上往复运动。沉积喷灯18用于喷射诸如氢气和氧气等燃料、诸如氮气和氩气等保护气和诸如SiCl4等化学物质。
沉积喷灯18喷射的氢气和氧气燃料燃烧时，在靠近沉积喷灯18表面的区域，从沉积喷灯18喷射的化学物质SiCl4的温度急剧升高。当所述的化学物质达到超过其化学反应的温度即大约1300℃时，开始进行如下所述的氧化和水解反应，从而生成硅的氧化物，如颗粒状的SiO2：
                 
                
所生产的颗粒随着从所述的沉积喷灯18喷射的高温气体一起移动，然后通过热泳现象沉积在温度相对较低的圆形靶棒22周围的表面上，该圆形靶棒22周围的温度梯度引起了这种热泳现象。
尽管在制造的初始阶段，所述颗粒的尺寸大约为0.1μm，但是最终随着它们相互碰撞、合并和聚集，其颗粒尺寸会增长到大约0.25μm。这样的颗粒被称作“火焰水解物(soot)”。
随着沉积喷灯18反复地做往复运动，从沉积喷灯18的喷嘴17喷射的火焰水解物颗粒19沉积在圆形靶棒22上，从而在圆形靶棒22上形成包层42。为了改变沉积喷灯18在一次往复运动中形成的每一个沉积层的折射率，可以在沉积喷灯18往复运动之前改变化学气体的组成。
包层42可形成制得的光纤的中心部分，为了控制包层42的折射率，例如，可以在沉积包层42的初始层时，根据二氧化硅(SiO2)的量来调整氧化锗(GeO2)的用量。在沉积包层42时，可以通过使调整量的氯化锗(GeCl4)氧化，从而提供调整量的GeO2。
在OVD设备的顶部有一个排气罩24，用于排出剩余的未沉积的火焰水解物和热气。
一旦包层42形成了具有预定沉积厚度的多层结构，就将所述的圆形靶棒22从所述的包层42中分离出来。
此后，在保持在1400℃到1600℃的加热器(未示出)中对包层42进行熔缩、烧结和脱水处理。在此条件下，将氦气(He)、氧气(O2)和氯气(Cl2)引入到卸出圆形靶棒22得到的包层42中的中心孔中。结果，获得了具有圆棒形的透明光纤预制棒。
脱水处理可以与烧结处理同时实施。实施脱水处理的原因是：如果所述的火焰水解物中存在水分子和羟基(OH)，则在此状态下制造光纤预制棒时，可能对制得的光纤的性能产生不利影响。
因此，有必要通过在烧结加热器中实施脱水处理来去除羟基。
在脱水处理中，作为脱水气体的氯气会发生如下反应：
                  
               
脱水之后，在温度保持在1800到2200℃的加热器中再次加热的同时，将该预制棒拉伸到直径大约为125μm，然后给所述的预制棒包上厚度大约为60μm的聚合物，从而形成光纤。
此处，本发明使用的工艺是外部火焰水解法(over sooting process)。外部火焰水解法通常被称作“火焰水解外包层(soot over cladding)”法。外部火焰水解工艺在外部火焰水解方面与上述的普通OVD法相似。然而，外部火焰水解法不适于制造普通OVD法中制造的初级预制棒，而适于制造较大的二级预制棒。
加大的预制棒在制造成本方面具有优越性，因为每个预制棒的产出增加了。
外部火焰水解法使用在上述的普通OVD法中制造的初级预制棒作为圆形靶棒。因此，外部火焰水解法可以使火焰水解物的沉积厚度达到用于该方法的制造设备所允许的沉积厚度极限，从而该方法可以制造体积增大的预制棒。
在外部火焰水解法中，当采用由MCVD或OVD法制造的纤芯预制棒制造圆形靶棒时，火焰水解物在该圆形靶棒上沉积的方式与上述的普通OVD法相同，从而形成疏松的包层。该疏松的火焰水解物预制棒在脱水气氛中被加热并被烧结。从而，制造出增大的光纤预制棒。
可以用管套棒(RIT)法来代替所述的外部火焰水解法。RIT法适于获得大直径的光纤预制棒，这种大直径的光纤预制棒目前普遍采用MCVD法来制造。特别地，与所述的RIT法相比，所述的外部火焰水解法较便宜，因为外部火焰水解法不需要RIT法中所需的石英管。而且，可以说外部火焰水解法是一种不受石英管的供求影响的光纤制造工艺，而化学气相沉积(CVD)法则需要石英管。
以下专利公开了用于制造预制棒的传统技术，例如美国专利第5296012号公开了用于在预制棒上附着SiO2颗粒的沉积设备，美国专利第4741748号公开了一种专用烧结加热器，以及美国专利第4304583号和4629485号分别公开了使用脱水气体的烧结方法。
根据这些传统技术，在上述沉积设备中对通过OVD法或外部火焰水解法制造的预制棒进行沉积处理，使SiO2颗粒沉积在该预制棒上。然后，将该预制棒冷却到一定温度，然后将其送进使用上述专用烧结加热器的烧结设备中。在高温烧结加热器中，将该预制棒在加热状态下进行烧结处理，以使其玻璃化，从而将其用作光纤预制棒。
然而，上述由传统OVD法制造的预制棒上，在其中心部分和外周部分之间，火焰水解物可能存在密度的差异，这是因为随着沉积的进行，预制棒的外部尺寸增加，从而导致预制棒的外表面与沉积喷灯之间的距离减少。出于这种原因，在完成沉积前在预制棒中可能会形成纵向的裂缝。这种火焰水解物密度的差异导致火焰水解物密度的减小，从而增加了沉积体积。为了烧结这种沉积体积增加了的预制棒，必须扩大烧结设备。这也增加了安装成本。
而且还有一个问题是，脱水过程会产生有害气体，烧结设备上必须安装用来处置这些有害气体的装置。
此外，为了充分地烧结大体积的预制棒，必须延长烧结处理。而且，由于火焰水解物与预制棒表面的结合力较小，在从车床向烧结设备转移预制棒时，沉积在预制棒上的火焰水解物可能会被破坏。即使沉积的火焰水解物受到局部破坏，该预制棒本身就没有用了。
而且，在所述的预制棒转移过程中需要很长时间，因为沉积处理和烧结处理是分别在不同的装置中进行的。在转移预制棒之前，冷却预制棒的过程也需要很长时间。
发明内容
鉴于上述问题而做出了本发明。本发明的目的是提供制造光纤预制棒的方法和设备，该方法通过彼此相连地安装沉积喷灯和烧结装置，可以按次序连续实施外部气相沉积(OVD)法和外部火焰水解法中的沉积和烧结处理。这将减少烧结加热器安装成本，同时简化制造工艺，从而减少制造成本。
本发明的另一目的是提供制造光纤预制棒的设备，该设备包括能够使用氢氧焰喷灯或加热器的烧结装置，特别是能够使用不生成羟基(OH)的加热器烧结装置，从而提供最高的羟基去除效率。
本发明的另一目的是提供制造光纤预制棒的方法，其中，在所述的沉积喷灯的每一次往复运动中，按次序实施所述的沉积和烧结处理。在传统的沉积处理中，预制棒外径的变化会使火焰水解物密度不均匀，于是在预制棒上形成裂纹。本发明的方法将有效地抑制预制棒中裂纹的形成。
本发明提供使用外部气相沉积法制造光纤预制棒的方法，该方法包括：沉积步骤，从沉积喷灯将火焰水解物喷射到圆形靶棒的外周表面上，从而在所述的圆形靶棒上沉积出包层；烧结步骤，用一烧结装置烧结沉积于所述圆形靶棒上的包层，所述烧结装置与所述沉积喷灯相连，并与所述沉积喷灯成为一体；以及按次序反复进行所述的沉积步骤和烧结步骤。
本发明还提供使用外部气相沉积法制造光纤预制棒的设备，该设备包括：沉积喷灯，用于将火焰水解物喷射到圆形靶棒上，从而在该圆形靶棒上沉积出包层；烧结装置，与所述的沉积喷灯相连，用来烧结沉积在所述的圆形靶棒上的包层，其中所述的沉积喷灯和烧结装置按次序连续反复地做往复运动。
优选地，分别通过以下方式进行所述的沉积和烧结步骤：在由进给电动机所预定的时间间隔内，转轨正向和反向转动，从而引导所述沉积喷灯沿所述圆形靶棒的长度方向往复运动，同时用旋转电动机使所述的圆形靶棒旋转；以及，在转轨的导引下，所述烧结装置沿所述的圆形靶棒的长度方向往复运动，同时用旋转电动机使所述的圆形靶棒旋转。
所述的烧结装置包括中空的半圆柱形氢氧焰喷灯，以使所述的圆形靶棒延伸穿过所述的氢氧焰喷灯。另选地，所述的烧结装置可包括中空的圆柱形加热器，以使所述的圆形靶棒延伸穿过所述的加热器。
优选地，所述的加热器使用在加热操作中不产生水或羟基(OH)的热源。
优选地，给所述的加热器供应脱水气体，使得在所述的加热器中进行所述烧结步骤的同时进行脱水。所述的脱水气体可以是一种或多种气体物质，这类物质选自由He、Cl2、SiCl4、GeCl4、BCl3、HCl、POCl3、PCl3、TiCl4和AlCl3组成的组。
优选地，在所述烧结步骤中，所述的烧结装置具有1200到1700℃的内部温度。
从以下的详细描述并结合附图可以清楚地理解本发明的上述目的以及其他特点和优点。
附图说明
图1是普通OVD设备的示意图；
图2是本发明一个实施方案的光纤预制棒制造设备的示意图；和
图3是本发明另一实施方案的光纤预制棒制造设备的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图中的实施方案更详细地描述本发明。
本发明提供使用外部气相沉积(OVD)法制造光纤预制棒的设备。图2是本发明一个实施方案的光纤预制棒制造设备的示意图。图3是本发明另一实施方案的光纤预制棒制造设备的示意图。
在图2和图3中，与图1对应的各构成部件采用与图1相同的标号，因此略去其说明。
如图2或图3所示，所述的光纤预制棒制造设备包括：沉积喷灯18，适于在旋转的圆形靶棒22上喷射火焰水解物19，从而在所述的圆形靶棒22上沉积出包层52或62；和烧结装置，与所述的沉积喷灯19相连，连接方式为使之与沉积喷灯19成为一个整体，该烧结装置适于烧结所述的圆形靶棒22上沉积的包层52或62。所述的沉积喷灯19和烧结装置沿所述的圆形靶棒22的轴向按次序反复地做往复运动。
本发明还提供在图2或图3的制造光纤预制棒的设备中，采用OVD法制造光纤预制棒的方法。所述的光纤预制棒制造方法包括：沉积步骤，由沉积喷灯18向旋转的圆形靶棒22的外周表面上喷射火焰水解物19，从而在所述的圆形靶棒22上形成包层52或62；和烧结步骤，采用与所述的沉积喷灯18相连的烧结装置，烧结在所述的圆形靶棒22上沉积的包层52或62。根据本发明，当按次序使所述的沉积喷灯18和烧结装置反复地做往复运动时，所述的沉积步骤和烧结步骤按次序反复地进行。
为了装配所述预制棒制造设备，以便在所述的圆形靶棒22上沉积火焰水解物，将一对垂直的支撑部件12的下端固定在车床10下部相对的两端。所述的支撑部件12的上端支撑着可旋转的圆形靶棒22相对的两端。还在车床10上安装可转动的转轨14，使该转轨14在由进给电动机16所预定的时间间隔内正向和反向转动。该设备还包括与转轨14相连的可横向移动的垂直机架50或60，也就是说，随着转轨14的转动，机架50或60沿在转轨14上的长度方向横向移动。该设备中还包括沉积喷灯18，其被固定安装在固定肋板20上，该肋板从机架50或60的横向延伸出来，并被安装在由支撑部件12支撑的圆形靶棒22的下面。沉积喷灯18具有喷嘴17，用于向圆形靶棒22喷射火焰水解物19，以形成预定厚度的包层，即包层52或62，从而形成预制棒。
为了排出沉积喷灯18产生的热气和任何剩余的未沉积的残留火焰水解物，可以在所述的光纤预制棒制造设备的顶部安装排气罩24。
在图2的实施方案中，所述的烧结装置包括中空的半圆柱形氢氧焰喷灯80。
氢氧焰喷灯80安装在机架50的上端。机架50的下端与转轨14相连，当转轨14在车床10上转动时，机架50在转轨14的引导下横向移动。
由进给电动机16使转轨14转动。优选地，进给电动机16的转动时间和方向是可控的。
在转轨14的圆周表面上安装有螺栓，用来与机架50的下端配合。因此，当转轨14转动时，机架50可横向往复运动，也即，借助于所述螺栓的作用，机架50可沿转轨14的长度方向移动。
优选地，调整机架50的移动速度，使得沉积喷灯18在圆形靶棒22上形成足够厚度的包层，即包层52。
优选使固定在机架50上的沉积喷灯18与机架50之间具有足够的横向距离，以避免由沉积喷灯18喷射到圆形靶棒22上的火焰与氢氧焰喷灯80相接触。
如上所述，用支撑部件12的上端支撑可旋转的圆形靶棒22，该支撑部件12被固定安装在车床10相对的两侧。
圆形靶棒22与旋转电动机相连，以使其旋转，但这在图上没有显示。
圆形靶棒22穿过安装在机架50上端的氢氧焰喷灯80的内部。
所述的氢氧焰喷灯80应使用在加热操作中不产生水或任何羟基(OH)的加热器作为热源。另选地，所述的氢氧焰喷灯可以单独配备用于去除羟基的装置。
对于不产生任何羟基(OH)的热源，可以使用电阻热源、感应热源或等离子体热源。
在图3的实施方案中，所述的烧结装置包括中空的圆柱形加热器90。
加热器90上具有脱水气体供应喷嘴92，用于从外部供应源向加热器90的内部供应脱水气体，以便使包层62脱水。
由脱水气体供应喷嘴92供应给加热器90的使包层62脱水的脱水气体可以是一种或多种气体物质，这些物质选自由He、Cl2、SiCl4、GeCl4、BCl3、HCl、POCl3、PCl3、TiCl4和AlCl3组成的组。
除了安装在机架60上端的加热器90之外，图3的设备具有和图2设备相同的配置。在图2中，在机架50上端安装了氢氧焰喷灯80。
下面参照图2和图3对所述光纤预制棒的制造方法加以描述，该方法采用具有上述配置的光纤预制棒制造设备。
根据本发明的光纤预制棒制造方法，首先在所述的支撑部件12上安装靶棒22，然后旋转它。此后，在由机架50或60进给沉积喷灯18的同时，由沉积喷灯18向旋转的圆形靶棒22上喷射火焰水解物19，以使其沉积在圆形靶棒22上，从而在圆形靶棒22上形成包层52或62。按下述方法实施所述的沉积处理：单向或双向进给沉积喷灯18，直到火焰水解物19沉积形成的包层52或60已经达到预定的厚度，安装沉积喷灯18时，使其与机架50或60的垂直轴具有横向间距。此后，用安装在与沉积喷灯18相连的机架50或60上端的烧结装置烧结包层52或62，烧结时，该烧结装置单向或双向进给。
采用上述的中空半圆柱形氢氧焰喷灯80或上述的中空圆柱形加热器90作为所述烧结装置。
在沉积处理中，机架50或60在转轨14的引导下，以恒定的速度反复地做往复运动。随着机架50或60的每一次往复运动，沉积喷灯18在圆形靶棒22的圆周表面上沉积预定厚度的火焰水解物19。
优选地，使圆形靶棒22旋转，以便使火焰水解物19均匀地沉积在圆形靶棒22的表面。
由该沉积处理形成的包层52或62具有相对低的密度和大的体积。
在烧结处理中，安装在机架50或60上端的烧结装置，即氢氧焰喷灯80或加热器90，包围着沉积了包层52或62的圆形靶棒22，并沿圆形靶棒22往复运动。于是，该烧结装置将包层52或62烧结。
当使用加热器90时，在烧结处理中，通过加热器90上的脱水气体供应喷嘴92向所述的烧结装置供应脱水气体。
由于必须去除火焰水解物中所含的水或羟基(OH)，所以在沉积处理中应当供应脱水气体。
脱水气体可以是一种或多种气体物质，其选自由He、Cl2、SiCl4、GeCl4、BCl3、HCl、POCl3、PCl3、TiCl4和AlCl3组成的组。
在烧结处理中，所述的烧结装置，即所述的氢氧火焰喷灯80或加热器90，产生温度在1200到1700℃范围内的热量。
工业适用性
由以上描述清楚地看出，根据本发明使用OVD法制造光纤预制棒的方法和设备，以下述的方式按次序连续地和反复地实施沉积和烧结处理：在下一次沉积处理之前烧结上一次沉积处理中所沉积的层。
使用小尺寸的烧结装置就可以实现烧结处理。因此，这样可以减少安装成本和实现简单的维护和修理。
根据本发明，在具有有害气处理功能的沉积设备中实施烧结处理。因此，无需在烧结装置上配备独立的有害气体处理设备。本发明还可以避免预制棒在向烧结装置转移传送的过程中被破坏。
由于包层的烧结是在沉积层中的各单元中进行的，所以可减少因在预制棒中形成气泡而导致的次品的比率。
也无需为了将预制棒转移并安装到烧结装置上而对预制棒进行额外的冷却处理。于是降低了制造成本。
尽管出于说明目的已经公开了本发明的优选实施方案，但应当理解，在不偏离所附的权利要求的范围和精神的前提下，本领域的技术人员可以对本发明进行修改、增加和替换。

Claims (16)

1.使用外部气相沉积法制造光纤预制棒的方法，该方法包括：
沉积步骤，从沉积喷灯将火焰水解物喷射到圆形靶棒的外周表面上，从而在所述的圆形靶棒上沉积出包层；
烧结步骤，用一烧结装置烧结沉积于所述圆形靶棒上的包层，所述烧结装置与所述沉积喷灯相连，并与所述沉积喷灯成为一体；以及按次序反复进行所述的沉积步骤和烧结步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中，分别通过以下方式进行所述的沉积和烧结步骤：在由进给电动机所预定的时间间隔内，转轨正向和反向转动，从而引导所述沉积喷灯沿所述圆形靶棒的长度方向往复运动，同时用与所述圆形靶棒连接的旋转电动机使所述的圆形靶棒旋转；以及，在转轨的导引下，使所述烧结装置沿所述的圆形靶棒的长度方向往复运动，同时用旋转电动机使所述的圆形靶棒旋转。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述的烧结装置包括中空的半圆柱形氢氧焰喷灯，以使所述的圆形靶棒延伸穿过所述的氢氧焰喷灯。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述的烧结装置包括中空的圆柱形加热器，以使所述的圆形靶棒延伸穿过所述的加热器。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述的加热器使用在加热操作中不产生水或羟基的热源。
6.如权利要求4所述的方法，其中，给所述的加热器供应脱水气体，使得在所述的加热器中进行所述的烧结步骤的同时进行脱水。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述的脱水气体是一种或多种气体物质，所述气体物质选自由He、Cl2、SiCl4、GeCl4、BCl3、HCl、POCl3、PCl3、TiCl4和AlCl3组成的组。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在所述烧结步骤中，所述的烧结装置具有1200到1700℃的内部温度。
9.使用外部气相沉积法制造光纤预制棒的设备，该设备包括：
沉积喷灯，用于在圆形靶棒上喷射火焰水解物，从而在所述的圆形靶棒上沉积出包层；和
烧结装置，与所述的沉积喷灯相连，并适于烧结沉积在所述的圆形靶棒上的包层，
其中，所述的沉积喷灯和烧结装置成为一体，并按次序连续而反复地进行沉积步骤和烧结步骤。
10.如权利要求9所述的设备，其中，在由进给电动机所预定的时间间隔内，转轨正向和反向转动，从而引导所述沉积喷灯和烧结装置沿所述圆形靶棒的长度方向往复运动，在所述沉积喷灯和烧结装置往复运动的同时，用与所述圆形靶棒连接的旋转电动机使所述的圆形靶棒旋转。
11.如权利要求9所述的设备，其中，所述的烧结装置包括中空的半圆柱形氢氧焰喷灯，所述的圆形靶棒延伸穿过所述的氢氧焰喷灯。
12.如权利要求9所述的设备，其中，所述的烧结装置包括中空的圆柱形加热器，以使所述的圆形靶棒延伸穿过所述的加热器。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述的加热器使用在加热操作中不产生水或羟基的热源。
14.如权利要求12所述的设备，其中，所述的加热器包括脱水气体供应喷嘴，适于向所述的加热器中供应脱水气体。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述的脱水气体是一种或多种气体物质，所述气体物质选自由He、Cl2、SiCl4、GeCl4、BCl3、HCl、POCl3、PCl3、TiCl4和AlCl3组成的组。
16.如权利要求9所述的设备，其中，在所述烧结步骤中，所述的烧结装置具有1200到1700℃的内部温度。
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