CN1318332C - 一种光纤预制件的制造方法及其装置 - Google Patents

一种光纤预制件的制造方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤预制件的制造方法及其装置，属光导纤维的制造领域。它主要是在侧面有排气口、下部有喷枪的球形反应容器的上部连接法兰管，法兰管内设置气流调节件，将种棒经法兰管置于反应容器内并使其与喷枪相对；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调节件后沿法兰管内壁和反应容器内壁流动，再由排气口排出。可以消除反应容器内气流紊乱的现象，保证反应容器内的温度稳定，减少波动；使光纤预制件沿轴线方向生长均匀，尤其是外径均匀；不会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。

Description

一种光纤预制件的制造方法及其装置
【技术领域】
本发明涉及一种光纤预制件的制造方法及其装置，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带有排气口的反应容器，反应容器下部设置有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，令之发生氢氧水解反应，生成SiO2、GeO2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，使未能沉积成形的SiO2(二氧化硅)、GeO2(二氧化锗)微粒较多的滞留在反应容器内，导致以下缺陷：
1、以一定的压力从喷枪喷出的SiO2、GeO2微粒在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，反射热量，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、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，这样就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。
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，该区域将产生气泡，这样会导致由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的制造所存在的技术缺陷，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，以快速高效地排出反应容器内未沉积成形的SiO2、GeO2微粒，防止反应容器内的温度波动、光纤预制件的生长不均以及在后续制造工序中对光纤预制件进行玻璃化时产生气泡。
本发明采取下述技术方案：
一种光纤预制件的制造方法，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，法兰管内设置气流调节件，将种棒经法兰管置于反应容器内并使其与喷枪相对；
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调节件后沿法兰管内壁和反应容器内壁流动，再由排气口排出；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便发生氢氧水解反应，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，其特征是所述的法兰管内设有气流调节件，一种棒经所述的法兰管置于反应容器内并与喷枪相对。
所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的气流调节件通过滑套和紧定螺钉连接在种棒上；其直径与光纤预制件的直径比为0.5∶1～3∶1；所述的气流调节件可以是圆形平板；可以由上、下两圆形平板叠置而成，并在上、下两圆形平板的边缘开设相互对应的缺口；可以是半球面形板，并进一步在半球面形板的边缘开设与种棒平行的气孔；可以由外半球面形板和内半球面形板叠置而成，并在内、外半球面形板的边缘开设与种棒平行且相互对应的气孔。
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，并可以尽快顺利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开裂。
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调节件，进一步地将该气流调节件连接在种棒上，在使用过程中，气流调节件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，避开预制件，气流调整单元可以防止垂直气流与玻璃微粒沉积体直接接触，避免光纤预制件表面温度下降，防止光纤预制件表面开裂；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，当光纤预制件被提升至法兰管上端后，光纤预制件自身的整流作用结合气流调整单元的整流作用会更有利于得到稳定的气流条件。
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为气流调节件的第一种结构示意图。
图3为气流调节件的第二种结构示意图。
图4为气流调节件的第三种结构示意图。
图5为气流调节件的第四种结构示意图。
图6为气流调节件的第五种结构示意图。
【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6和连接于其上部的法兰管1；球形反应容器6的中部左侧固定排气口7，其下部自下而上依次固定第一喷枪10和第二喷枪9，两只喷枪均朝向排气口7，种棒4经法兰管1竖直置于反应容器6内并使其下端与喷枪对应，气流调节件5通过滑套16和紧定螺钉17(见图2～6)连接在种棒4上，在反应开始时，气流调节件通常位于法兰管1与球形反应容器6的结合部，在制造过程中，随种棒的提升而上升；气流调节件的直径为最终制成的光纤预制件直径的0.5～3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。
图2所示为气流调节件的第一种结构，它是圆形平板12a，通过其中心的滑套16和紧定螺钉17固定在种棒4上，因此可以根据需要在种棒上移动以调整位置。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绕过圆形平板，沿法兰管内壁向下流动。
图3所示为气流调节件的第二种结构，它是向上突出的半球面形板13a；在制造预制件的过程中，从法兰管上端引导至反应容器内的气流首先流至半球面形板的上表面，再沿法兰管内壁向下流动，由于半球面形板对整流气流具有一定导向作用，可以更有效的防止气流产生紊流。
图4所示为气流调节件的第三种结构，它是在半球面形板13a的边缘处开设与种棒平行的气孔14a；在制造预制件的过程中，从法兰管上端引导至反应容器内的气流首先流至半球面形板13a的上表面，再沿法兰管内壁向下流动，气孔可以增大整流气流的流量，辅助半球面形板有效地防止气流产生紊流。
图5所示为气流调节件的第四种结构，它是由内半球面形板13c与外半球面形板13b重叠而成，两半球面形板的边缘处开设与种棒平行且相互对应的气孔14b，两半球面形板可以沿其轴线相互转动，使其上的气孔产生错位，以更有效地调节气流。
图6所示为气流调节件的第四种结构，它是由两圆形平板12b上下重叠而成，该圆形平板的边缘开设对应的缺口11，两圆形平板可以沿其轴线相互转动，使其上的缺口产生错位，以更有效地调节气流。
实施例一：在排气口7排气的情况下，先将直径为145mm的气流调节件5通过滑套16和紧定螺钉17安装在直径为25mm的种棒4上，再将种棒4从内径为250mm的法兰管1上端的进风口3插入球形反应容器6内，并使种棒4的下端与两只喷枪对应，匀速旋转提升种棒，排气口与排气风机连接，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0.5×105Pa、温度约为20℃的空气整流气流2；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，接着向第一喷枪内以约高于大气压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8；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；停止导入气体原料、氢气和氧气以及整流气流，将该光纤预制件缓慢提升至法兰管外结束反应；由于其间向反应容器内导入了整流气流，迫使该整流气流沿反应容器内壁向下流动，避开预制件，使未沉积成形的SiO2、GeO2微粒较快的从排气口排出，成形的光纤预制件生长均匀，无瑕疵，质量优良。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的从进风口导入。
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600℃的氮气整流气流2；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的性质稳定的氮气，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200～400℃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，不会因此而导致制造成本的大幅提高。
至于种棒和法兰管的直径，种棒的旋转提升速度，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参数，在实际制造过程中均可以根据需要进行改变，此处不赘述。

Claims (9)

1、一种光纤预制件的制造方法，其特征是：
a、准备：在侧面有排气口(7)、下部有喷枪(9、10)的球形反应容器(6)的上部连接圆形法兰管(1)，法兰管(1)内设置圆形气流调节件(5)，将种棒(4)经法兰管(1)置于反应容器(4)内并使其与喷枪(9、10)相对，所述的气流调节件(5)固定在种棒(4)上；
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调节件(5)后沿法兰管内壁和反应容器内壁流动，再由排气口(7)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喷枪(9、10)，在反应容器(6)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便发生氢氧水解反应，生成SiO2、GeO2微粒并沉积在种棒上逐渐形成光纤预制件，同时匀速旋转提升种棒(4)；
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(8)提升至法兰管(1)外；
e、在整个制造过程中，排气口(7)始终排气。
2、根据权利要求1所述的光纤预制件的制造方法，其特征是所述的气流调节件(5)的直径与光纤预制件的直径比为0.5∶1～3∶1。
3、一种制造光纤预制件的装置，包括一上部接有圆形法兰管(1)的反应容器(6)，该反应容器下部有喷枪(9、10)，其侧面有排气口(7)，其特征是所述的法兰管(1)内设有圆形气流调节件(5)，一种棒(4)经所述的法兰管(1)置于反应容器(6)内并与喷枪(9、10)相对，所述的气流调节件(5)固定在种棒(4)上。
4、根据权利要求3所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的气流调节件(5)通过滑套(16)和紧定螺钉(17)连接在种棒(4)上。
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调节件为圆形平板(12a)，其直径与光纤预制件的直径比为0.5∶1～3∶1。
6、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调节件为半球面形板(13a)，其直径与光纤预制件的直径比为0.5∶1～3∶1。
7、根据权利要求6所述的制造光纤预制件的装置，其特征是所述的半球面形板(13a)的边缘开设与种棒平行的气孔(14a)。
8、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调节件(5)由外半球面形板(13b)和内半球面形板(13c)叠置而成，所述的内、外半球面形板的边缘开设与种棒平行且相互对应的气孔(14b)，其直径与光纤预制件的直径比为0.5∶1～3∶1。
9、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调节件(5)由上、下两圆形平板(12b)叠置而成，上、下两圆形平板的边缘开设相互对应的缺口(11)，其直径与光纤预制件的直径比为0.5∶1～3∶1。
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