CN1922114A - 制造光纤基体的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能使石英玻璃管的收缩波动受到抑制的方法和设备，从而可以制成在长度方向上均匀一致的光纤预制件。所述方法包括在石英玻璃管中沉积玻璃层的步骤。在该方法的在石英玻璃管中沉积玻璃层的所述步骤中，将总数为两个或两个以上的排气部分和缓冲气体导入部分与所述石英玻璃管相连接，并且对由排气部分排放的气体量或者被输入缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少一个量进行反馈控制，并且按照与石英玻璃管上的加热位置相对应的流速模式，对上述气体量中的至少另一个量进行模式控制。所述设备包括：气体供应系统；排气部分和缓冲气体导入部分，其总数为两个或两个以上；热源；位置检测装置，用于检测热源在石英玻璃管上的加热位置；第一控制装置，用于按照与加热位置相对应的流速模式，对由排气部分排放的气体量或者被输入缓冲气体导入部分中的气体量中的至少一个量进行控制；以及第二控制装置，用于对由排气部分排放的气体量和被输入缓冲气体导入部分中的气体量中的至少另一个量进行反馈控制。

Description

制造光纤基体的方法及设备
技术领域
本发明涉及通过改进型化学气相沉积(MCVD)法制造光纤预
制件的方法和设备。
背景技术
MCVD法是这样的方法：其中通过使用沿着石英玻璃管的长度方向往复运动的热源加热石英玻璃管，同时将至少含有玻璃原料的气体从该石英玻璃管的一端输入到石英玻璃管中，从而将玻璃层沉积在石英玻璃管的内表面上。其中以上述方式沉积了玻璃层的石英玻璃管经过塌缩，就可以得到光纤预制件。在这种情况下，这种光纤预制件可以是可被直接拉制成光纤的预制件，或者可以是在经过进一步处理(在其外表面上合成玻璃材料或者研磨其外周表面)之后能够被拉制成光纤的预制件。
在按照MCVD法制造预制件的工艺过程中，当使用热源加热被输送到石英玻璃管中的原料气体时，在加热位置上反应生成的玻璃烟尘在该加热位置的下游附着在石英玻璃管的内表面上，从而形成玻璃烟尘层。因此，从石英玻璃管的原料气体导入侧的加热起始端开始，玻璃烟尘的沉积量逐渐增多，并且从某个位置开始其沉积量达到稳定。玻璃烟尘层经过加热而烧结成为玻璃层。
随着玻璃烟尘的沉积量增多，烧结玻璃烟尘层时所产生的收缩力也增大。在烧结玻璃烟尘层时，石英玻璃管的原料气体导入侧(其中玻璃烟尘沉积量小)上的收缩力与排气侧(其中玻璃烟尘沉积量大)上的明显不同。玻璃烟尘层的收缩力随着处于石英玻璃管的位置不同而变化，这使得石英玻璃管的收缩行为不一致，并导致以下缺陷：石英玻璃管的外径在长度方向上不一致，被沉积在石英玻璃管中的玻璃层的厚度在长度方向上不均匀。
因此，关于按照MCVD法制造预制件的工艺，人们已经提出了多种建议。例如，所建议的技术方案之一是，为了控制石英玻璃管，通过调节被输入到缓冲室(被设置在石英玻璃管的排气侧)中的缓冲气体的量而对石英玻璃管施加内压，使其与收缩力达到平衡，并且使石英玻璃管不产生收缩(参见专利文献1)。另一种技术是，控制由石英玻璃管排放的气体量，从而控制石英玻璃管的内压(参见专利文献2)，并且另一种技术是，将惰性气体与原料气体一起从石英玻璃管的原料气体导入侧输入到石英玻璃管中，从而可以通过调节惰性气体的输入量来控制石英玻璃管的内压(参见专利文献3)。石英玻璃管的内压是指石英玻璃管的绝对内压与大气压之间的压差，即表压。
在近期的一种按照MCVD法制造光纤预制件的工艺中，要求将玻璃烟尘以高沉积速率(沉积速率超过0.5g/分钟)沉积到薄壁(壁厚不超过5mm)的石英玻璃管内，从而提高预制件的生产率。在这种情况下，由于石英玻璃管的管壁薄，因此它容易变形。由于被沉积的玻璃烟尘较厚，所以位于石英玻璃管的两端的玻璃烟尘层的收缩力的差异变得很大。结果，预制件外径的精度明显下降。当为了保持管的尺度均一性而调节管的内压来对抗收缩力时，两端的内压之差大幅度增加到5倍或更高。因此，为了防止外径精度下降，就必须扩大石英玻璃管的内压的调节范围并提高调节速度。
但是，专利文献1、2和3所公开的技术不能完全满足上述扩大石英玻璃管的内压的调节范围并提高调节速度的要求。例如，在专利文献1和2的技术中，如果试图扩大石英玻璃管的内压的调节范围并提高调节速度，则在用来控制缓冲气体的输入量和气体排放量的装置被设置成灵敏地响应石英玻璃管的内压变化的情况下，石英玻璃管的内压不能趋向于目标适当值，这是因为在调节之后，石英玻璃管的内压变成对目标适当值的过度响应的值，因此内压被立即重新调节以消除与该过度响应的值相对应的压力差。因此，由于石英玻璃管的内压发生波动，可能会产生形状不好的石英玻璃管。另外，当管的内压快速下降时，有时会出现由烟尘回流而造成的故障。
专利文献3的技术具有另外的问题：原料气体的化学反应产率以及玻璃烟尘的沉积效率可能会发生改变，这是因为对惰性气体的流速的调节使得与惰性气体一起输送的原料气体的流速发生变化。
专利文献1：日本专利申请公开No.56-45845
专利文献2：日本专利申请公开No.59-217633
专利文献3：日本专利申请公开No.2002-274861
发明内容
本发明解决的问题
本发明提供制造光纤预制件的方法和设备，在按照MCVD法制造光纤预制件的工艺过程中，该方法和设备可以防止石英玻璃管的收缩波动、并且可以连续地进行符合要求的生产。
解决问题的措施
为了达到上述目的，本发明的一个方面是提供一种制造光纤预制件的方法。该方法包括在石英玻璃管中沉积玻璃层的步骤，在该步骤中，使用在石英玻璃管的长度方向上作相对运动的热源从外部加热该石英玻璃管，同时将至少含有玻璃原料的气体输入石英玻璃管中。在这种方法的沉积步骤中，将一个或多个排气部分和一个或多个缓冲气体导入部分分别与所述石英玻璃管相连接，并且对由排气部分排放的气体量或者被输入缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少一个量进行反馈控制，并且按照与石英玻璃管上的加热位置相对应的流速模式，对由排气部分排放的气体量和被输入缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少另一个量进行模式控制。
在这种情况下，可以这样进行反馈控制：可以通过测量石英玻璃管的内压来控制由排气部分排放的气体量和被输入缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少一个量，从而使测得的内压与对每个加热位置设定的目标值达到一致。可供选用的另一种方式是，可以这样进行反馈控制：通过测量每个加热位置附近的石英玻璃管的尺度，可以控制由排气部分排放的气体量和被输入缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少一个量，从而使石英玻璃管的测量尺度可以达到预定的尺度。
在后一种情况下，可以预先计算出石英玻璃管的内压最佳值(该值可以使测量尺度与预定的目标值达到一致)，并且可以控制石英玻璃管的内压使其与计算出的最佳值达到一致。所述尺度可以是石英玻璃管的外径、内径和壁厚中的至少一者。
玻璃层的沉积速率可以等于或大于0.5g/分钟，并且在石英玻璃管的内压的调节范围内，最大值与最小值之比可以为2倍或2倍以上。而且，在沉积玻璃层之后，石英玻璃管的外径沿长度方向的波动量可以等于或小于±1mm。并且，石英玻璃管的内压的变化速率可以是每秒-50Pa到每秒+50Pa，并且石英玻璃管的内压等于或小于+20Pa的持续时间可以不到2秒。
本发明的另一个方面是提供一种光纤预制件制造设备。该设备包括：气体供应系统，用于将至少含有玻璃原料的气体从石英玻璃管的一端输入该石英玻璃管中；排气部分和缓冲气体导入部分(至少具有排气部分)，其总数为两个或两个以上，所有这些部分都被连接到石英玻璃管的另一端；热源，其在石英玻璃管的长度方向上作相对运动；位置检测装置，用于检测热源在石英玻璃管上的加热位置；第一控制装置，用于按照与加热位置相对应的流速模式，对由排气部分排放的气体量或者被输入缓冲气体导入部分中的气体量中的至少一个量进行控制；以及第二控制装置，用于对由排气部分排放的气体量和被输入缓冲气体导入部分中的气体量中的至少另一个量进行反馈控制。
所述设备还可以包括压力测量装置(用于测量石英玻璃管的内压)，并且第二控制装置可以反馈控制由排气部分排放的气体量或者被输入缓冲气体导入部分中的气体量中的至少一个量，使得石英玻璃管的内压可以与对每个加热位置设定的目标值达到一致。作为可供选用的其它方式，该设备还可以包括尺度测量装置(用于测量石英玻璃管在热源的每个加热位置附近的尺度)，并且第二控制装置可以反馈控制由排气部分排放的气体量和被输入缓冲气体导入部分中的气体量中的至少另一个量，使得由尺度测量装置测得的石英玻璃管的尺度可以与该管的预定目标尺度达到一致。
本发明的优点
即使是在宽范围内调节石英玻璃管的内压时，本发明的光纤预制件制造方法和设备也能使石英玻璃管的内压快速趋向于目标值，而不会引起调节操作的过度响应。因此，即使是在薄壁的石英玻璃管中以高沉积速率沉积玻璃层时，也可以防止石英玻璃管的收缩波动，从而连续地进行符合要求的生产。
附图说明
图1是根据本发明的光纤预制件制造设备的第一实施方案的示意图；
图2是根据第一实施方案的光纤预制件制造设备的控制单元的操作框图；
图3是根据本发明的光纤预制件制造设备的第二实施方案的示意图；
图4是根据第二实施方案的光纤预制件制造设备的控制单元的操作框图；
图5是根据本发明的光纤预制件制造设备的第三实施方案的示意图；
图6是根据第三实施方案的光纤预制件制造设备的控制单元的操作框图；
图7(a)和7(b)示出以管的内压的目标值和测量值以及缓冲气体的流速对加热位置所作的图，其中图7(a)是对比例1的图，图7(b)是对比例2的图；
图8示出以实施例1中的管的内压的目标值和测量值以及缓冲气体的流速对加热位置所作的图；
图9示出以实施例2中的管的内压的目标值和测量值以及缓冲气体的流速对加热位置所作的图；
图10示出以表1所示的管的内压的最大值/最小值之比对沉积速率所作的图；
图11示出以表2所示的各个例子中的玻璃管外径的波动值对沉积速率所作的图；
图12示出以表2所示的各个例子中的玻璃棒直径的波动值对沉积速率所作的图；
图13示出采用实施例4中的石英玻璃管内压的变化上限作为参数，以石英玻璃管的外径值对该石英玻璃管的长度方向上的位置所作的图。
附图标号说明
1光纤预制件制造设备
3石英玻璃管
5，6玻璃管
9支撑台
11缓冲室
13热源
14辅助热源
15压力计
17排气部分
21第一缓冲气体导入部分
21b流速控制装置
22第二缓冲气体导入部分
22b流速控制装置
25位置检测装置
27控制单元
27a第一控制装置
27b第二控制装置
29烟尘
31烟尘收集单元
33玻璃层
101光纤预制件制造设备
117流速控制装置
201光纤预制件制造设备
227控制单元
227a第一控制装置
227b最佳压力计算单元
227c第二控制装置
230尺度测量装置
231CCD照相机
232图像分析处理装置
实施本发明的最佳方式
下面将参考附图说明本发明的实施方式。附图用于解释，而不是用来限制本发明。在附图中，为了避免重复解释，相同的附图标号表示相同的部分。附图中的尺度比例不必准确。
图1是根据本发明第一实施方案的光纤预制件制造设备的示意图。在根据第一实施方案的光纤预制件制造设备1中，通过MCVD法在石英玻璃管的内圆周表面上沉积玻璃层，从而形成光纤预制件。设备1包括支撑台9，其分别通过支撑用玻璃管5和6来支撑圆筒状石英玻璃管3的两端。在图1中，石英玻璃管3是沿长度方向水平设置的，但石英玻璃管3也可以被垂直设置。支撑台9具有旋转驱动机构(图中未示出)，用于使石英玻璃管3绕其中心轴旋转。
光纤预制件制造设备1包括：原料气体供应系统(图中未示出)，用于将玻璃原料气体从石英玻璃管3的一端(图1中的左端)输入石英玻璃管3中；缓冲室11，其与石英玻璃管3的另一端相连；热源13，其装在支撑台9上，使得它可以沿石英玻璃管3的长度方向往复运动，以用于加热石英玻璃管3；压力计15，用于测量石英玻璃管3的内压；第一缓冲气体导入部分21和第二缓冲气体导入部分22以及排气部分17，它们通过缓冲室11连接到石英玻璃管3的另一端；位置检测装置25，用于检测热源13在石英玻璃管3上的加热位置；以及控制单元27，用于控制被输入缓冲气体导入部分21和22中的气体量，以将石英玻璃管3的内压控制在所需的数值。
从原料气体供应系统输送到石英玻璃管3的一端的气体含有：作为玻璃原料气体的卤化物(如SiCl4、GeCl4、POCl3、SiF4等)和硅氧烷(如(CH3)6-Si2O等)；以及作为载气的氧气、氦气等。缓冲室11的设置是以用于调节石英玻璃管3的内压的。烟尘收集单元31被连接到缓冲室11的底部，用于回收这样的烟尘29，该烟尘从石英玻璃管3的末端排放到缓冲室11中而未被附着到石英玻璃管3的内圆周表面上。
热源13是燃烧器，其使用火焰13a(例如氢氧火焰或等离子体火焰)将石英玻璃管3加热到预定温度。也可以使用炉子(例如感应电炉或电阻炉)或者激光器(例如CO2激光器)作为热源。在第一实施方案中，还装有辅助热源14，用于加热玻璃管6，从而防止烟尘被附着到支撑用玻璃管6(位于石英玻璃管3的另一端)上。被支撑在支撑台9上的石英玻璃管3沿箭头F所示的方向旋转，从而使热源13均匀地加热管3的整个圆周。在第一实施方案中，控制原料气体的供应以及热源13的加热操作，使得玻璃层的沉积速率等于或大于0.5g/分钟。
压力计15是压力测量装置，其通过检测缓冲室11(与石英玻璃管3相通)的内压来间接测量石英玻璃管3的内压。用压力计15测量的石英玻璃管3的内压值被传输到控制单元27，以用于反馈控制。
与缓冲室11相连的排气部分17包括：排气管17a，其与缓冲室11连通；以及排气控制阀17b，用于通过调节排气管17a的开度来控制由缓冲室11排放的气体量。第一缓冲气体导入部分21和第二缓冲气体导入部分22分别具有被装在管线21a和22a的中间位置上的流速控制装置21b和22b，管线21a和22a与缓冲室11相通。可以通过流速控制装置21b和22b，将供应给管线21a和22a并输送到缓冲室11中的压力调节用缓冲气体的量分别控制在所需的流速。供应给各管线21a和22a的缓冲气体是例如氧气或惰性气体。
在第一实施方案中，位置检测装置25(被装在热源13上)测量从石英玻璃管3的一端到热源13的水平距离，由此检测在石英玻璃管3上被热源13加热的加热位置H1。由位置检测装置25检测到的加热位置H1被传输到控制单元27。
图2是根据第一实施方案的光纤预制件制造设备的控制单元的操作框图。控制单元27包括第一和第二控制装置27a和27b。控制单元27还收集有以下数据：石英玻璃管3的内压与管的尺度变化之间的关系、以及石英玻璃管3的内压与其气体输入量之间的关系。另外，控制单元27还具有这样的计算模式，该计算模式可以基于上述数据计算出保证石英玻璃管对于每个加热位置H1都具有适当内压的气体输入量。
第一控制装置27a从位置检测装置25接收到热源13的加热位置H1的信息。并且，根据基于计算模式对各个加热位置H1所确定的流速模式，第一控制装置27a通过流速控制装置21b控制从第一缓冲气体导入部分21输入缓冲室11中的气体量。在与第一控制装置27a不同的系统中，第二控制装置27b基于计算模式对每个加热位置H1计算出石英玻璃管3的内压目标值，并通过流速控制装置22b控制被输送到缓冲室11中的气体量，从而使石英玻璃管3的内压测量值(由压力计15输出该值)可以与目标值达到一致。
在光纤预制件制造设备1中，热源13从外部加热石英玻璃管3，同时将玻璃原料从石英玻璃管3的一端输入石英玻璃管3中，从而使玻璃层33沉积在石英玻璃管3的内表面。在此沉积过程中，从缓冲气体导入部分21和22输入到缓冲室11中的气体量由第一控制装置进行模式控制，并由第二控制装置进行反馈控制，从而通过控制单元27将石英玻璃管3的内压控制到预定值。模式控制非常有利于快速地在宽范围内改变加给石英玻璃管3的内压。反馈控制非常有利于细微精确地调节石英玻璃管3的内压。
因此，通过结合性质不同的模式控制和反馈控制，可以控制石英玻璃管的内压，并使其趋向于目标适当值，从而即使是在宽范围内调节石英玻璃管3的内压时，也不会引起调节操作的过度响应。因此，即使是在薄壁的石英玻璃管3中以高沉积速率沉积玻璃层33时，也可以连续地进行符合要求的生产，同时可以防止石英玻璃管3的尺度波动。
将其内圆周表面上已经沉积了预定厚度的玻璃层的石英玻璃管3进一步加热，通过塌缩而形成实心棒，从而成为光纤预制件。在这种实心化过程中，可以使石英玻璃管直接收缩而成为实心棒，或者可以使石英玻璃管3塌缩，而与之前已插入管3的空腔中的玻璃棒一体化。
在第一实施方案中，石英玻璃管3的内压由装在缓冲室11上的压力计15直接测量。但是，也可以将压力计15装在排气部分17，或者装在石英玻璃管3的原料气体导入侧一端，或者类似位置。例如，当压力计15被装在排气部分17时，石英玻璃管3的内压可以通过与排气部分的压力进行相对比较而间接确定。
在第一实施方案中，通过调节被输入缓冲室11中的气体量，来控制石英玻璃管3的内压。但是，也可以调节由排气部分17排放的气体量，或者可以既调节排气量又调节气体输入量，用这样的方法代替调节气体输入量的方法来控制石英玻璃管的内压。
图3是根据本发明第二实施方案的光纤预制件制造设备的示意图。图4是根据第二实施方案的光纤预制件制造设备的控制单元的操作框图。第二实施方案的光纤预制件制造设备101与第一实施方案的不同之处在于：由缓冲室排放的气体量受模式控制。
光纤预制件制造设备101具有控制单元127。相应地，光纤预制件制造设备101与光纤预制件制造设备1在结构上的部分不同之处在于：前者省略了第二缓冲气体导入部分22，并且将流速控制装置117装在排气部分17的排气管17a上。但是，该设备的其它部件都与光纤预制件制造设备1相同。控制单元127收集有以下数据：对于每个加热位置H1石英玻璃管3的内压与管尺度的变化之间的关系，以及排气量与石英玻璃管3的内压之间的关系，并且，控制单元127还具有这样的计算模式，该计算模式能基于上述数据计算出保证石英玻璃管对于每个加热位置H1都具有适当内压的排气量。
第一控制装置127a从位置检测装置25接收加热位置H1的信息，并根据基于计算模式对加热位置H1所确定的流速模式，通过流速控制装置117控制由排气部分17排放的气体量。第二控制装置127b基于计算模式计算出石英玻璃管3对于各个加热位置H1的内压目标值，并通过流速控制装置21b控制被输入缓冲室11中的气体量，从而使石英玻璃管3的内压测量值(由压力计15输出该值)与目标值达到一致。
除了流速控制装置117以外，被连接到缓冲室11的排气部分17还包括：排气管17a，其与缓冲室11连通；以及排气控制阀17b，用于通过调节排气管17a的开度来控制由缓冲室排放的气体量，这与第一实施方案是一样的。通过使用调节排气控制阀17b的开度的方法就可以控制排气量。即使是在如光纤预制件制造设备101一样根据加热位置H1的移动来调节由排气部分17排放的气体量时，也可以快速地在宽范围内调节石英玻璃管3的内压，从而表现出与第一实施方案相同的作用和效果。
图5是根据本发明第三实施方案的光纤预制件制造设备的示意图。根据第三实施方案的光纤预制件制造设备201对第一实施方案中的光纤预制件制造设备1进行了部分改变。设备201包括：CCD照相机231，用于拍摄石英玻璃管3在加热位置附近的形状；以及尺度测量装置230，尺度测量装置230具有图像分析处理装置232，用于分析CCD照相机231拍摄的图像，并计算出石英玻璃管3的尺度(外径、内径或壁厚)。
第三实施方案所具有的控制单元227包括：第一控制装置227a，用于按照流速模式控制被输入第一缓冲气体导入部分21中的气体量，其中流速模式是对应于热源13在石英玻璃管3上的加热位置H1而预先确定的；最佳压力计算单元227b，用于确定使石英玻璃管3上各个加热位置H1附近的石英玻璃管3的测量尺度达到预定的目标管尺度，所必需的石英玻璃管3的内压最佳值；以及第二控制装置227c，用于反馈控制被输入第二缓冲气体导入部分22中的气体量，从而使压力计15的测量值(由压力计15检测)与最佳压力计算单元227b计算出的最佳值达到一致。在第三实施方案中，最佳压力计算单元227b由尺度测量装置230的图像分析处理装置232的分析结果得到石英玻璃管3在各个加热位置附近的尺度信息。
在光纤预制件制造设备201中，通过以下方法将玻璃层33沉积在石英玻璃管3中：在将玻璃原料从石英玻璃管3的一端输入石英玻璃管3中的同时，使用热源13从外部加热石英玻璃管3。同时，控制单元227控制从缓冲气体导入部分21和22输入缓冲室11中的气体量，以将石英玻璃管3的内压调节到所需的值，从而实现用MCVD法制造光纤预制件。
图6是根据第三实施方案的光纤预制件制造设备的控制单元的操作框图。在控制单元227中，第一控制装置227a和第二控制装置227b各自独立地控制气体输入量。第一控制装置227a从位置检测装置25接收到热源13的每个加热位置H1的信息，并进行模式控制，其中基于接收到的信息，根据预先确定的流速模式调节被输入第一缓冲气体导入部分21中的气体量，以使石英玻璃管3的内压改变到预定的压力。
与第一控制装置227a的处理过程并行的是，最佳压力计算单元227b通过尺度测量装置230测出石英玻璃管3上每个加热位置H1附近的外径尺寸，将其作为石英玻璃管3的尺度，并由此进行最佳压力计算步骤，以确定石英玻璃管3的内压最佳值，从而使测量的管尺度可以与预定的目标管尺度达到一致。
第二控制装置227c基于石英玻璃管3的内压测量值对被输入第二缓冲气体导入部分中的气体量进行反馈控制，从而使石英玻璃管3的内压测量值(由压力计15检测)与最佳压力计算单元227b计算出的最佳值达到一致。可以在不计算石英玻璃管3的最佳内压的情况下对被输入缓冲气体导入部分21和22中的气体量进行控制，使得石英玻璃管3的测量尺度都与对应于热源13的每个加热位置H1而预先确定的目标尺度达到一致。
与使用设备1制造光纤预制件的情况一样，在使用设备201制造光纤预制件的方法中，在按照MCVD法制造光纤预制件的工艺过程中通过进行模式控制和反馈控制来控制石英玻璃管3的内压，从而在通过往复运动的热源13从外部加热石英玻璃管3时，就可以防止石英玻璃管3的外径产生偏差。
在这种情况下，如第一实施方案一样，为了调节石英玻璃管3的内压，通过输入与热源13的加热位置H1相对应的气体量来进行模式控制，这种模式控制非常有利于快速地在宽范围内改变施加给石英玻璃管3的内压。另一方面，在光纤预制件制造设备201中，为了对气体输入量进行反馈控制，基于内压测量值(由压力计15检测)和最佳压力计算单元227b计算出的石英玻璃管3的最佳内压来进行反馈控制，这种反馈控制非常有利于将石英玻璃管3的尺度精确细微地调节到预定的目标值。
如第一实施方案一样，通过结合性质不同的模式控制和反馈控制，可以快速调节石英玻璃管的内压，并使其趋向于目标适当值，从而即使是在宽范围内调节石英玻璃管3的内压时，也不会引起调节操作的过度响应。因此，即使是在薄壁的石英玻璃管3中以高沉积速率沉积玻璃层33时，也可以连续地进行符合要求的生产，同时可以防止石英玻璃管3的尺度波动。
受石英玻璃管3的内压影响的石英玻璃管3的尺度是石英玻璃管3的外径、内径或壁厚，并且可在最佳压力计算步骤中监控这些尺度中的至少一者：通过选择测量所述尺度所需的测量装置和测量方法，可以确定易于测量的尺度参数。只要可以精确测量，石英玻璃管3的外径、内径和壁厚中的任何一个都可以作为尺度参数。这样有助于提高反馈控制的控制精度，从而实现稳定保持石英玻璃管3的尺度的预制件生产过程。
测量石英玻璃管3的尺度所采用的方法可以是：通过对CCD照相机拍摄的图像进行处理来测量石英玻璃管3的外径、内径或壁厚的方法；或者是使用激光外径测量装置来测量石英玻璃管3在各个加热位置附近的外径的方法；或者是使用透射X射线测量外径、内径或壁厚的方法；或者是通过用声波辐射石英玻璃管3或用光照射石英玻璃管3，并对声波的传播时间或光的光路长度进行分析来测量石英玻璃管3的壁厚的方法。
在按照MCVD法制造光纤预制件的工艺中，随着玻璃层33在石英玻璃管3中的沉积速率被增大到(例如)等于或大于0.5g/分钟时，石英玻璃管3中的玻璃层的沉积量在长度方向上的变化往往会更大，因此石英玻璃管3的内压调节范围加大。在这种情况下，如以上各个实施方案所述，将模式控制(适于快速地在宽范围内调节管的内压)与反馈控制(适于在窄范围内细微精确地控制管的内压)结合在一起是非常有效的。结果，可以实现预制件产品的稳定生产，并且通过提高沉积速率可以提高预制件产品的生产率。
在烟尘收缩而使管径缩小之后，通过管的内压可以使管的外径再次增大。因此，在预定条件下进行反馈控制的情况中，由于管尺度的测量位置可能处于收缩状态、膨胀状态，或者是膨胀后状态，所以该反馈控制可能不能很好地实施。例如，当在收缩或膨胀过程中测量外径时，所述控制可能会施加过大的内压，从而使管大大膨胀。此外，由于膨胀后状态的位置是在玻璃变透明的部分之后的10到50mm处，因此如果在膨胀后状态的位置上测量外径，则所述控制可能会滞后，因此为了补偿这种滞后，管的内压可能会被大幅度地改变，从而导致外径周期性地剧烈波动。
当MCVD法的沉积速率等于或大于0.5g/分钟并且在烟尘沉积量增多时，容易出现这种管外径波动大的现象。已知的是：在加热区宽(例如加热区的长度等于或大于50mm)的情况(其中管的外表面温度等于或高于1600℃)下，容易出现外径波动大的现象。
为了避免这种外径波动大的现象，优选的是，在沿管的长度方向的多个位置处测量外径，并且基于测量的结果估计出管的膨胀后的外径，进行预见性控制。结果，可以抑制外径的剧烈波动。管的测量位置优选为包括以下位置：直径尚未开始缩小的位置、直径正在减小的位置、正在膨胀的位置，以及膨胀结束的位置。
术语“预见性控制”是指例如这样的方法：其中基于测量位置和各个测量位置的外径来预测管径缩小和膨胀的速率以及膨胀后的外径，计算出当前作用在管上的内压将被增大或缩小的程度，由此进行控制。作为可供选用的另一种方式，“预见性控制”是指这样的方法：其中在每个外径测量位置处测量温度，或者通过传热公式由另外的位置测量的温度值来推测温度，并基于上述温度来确定管的粘度，从而推测出由表面张力造成的管径缩小或膨胀的程度，从而推测出膨胀后的外径。
在快速升高压力或降低压力时，如果控制被滞后，则外径变化大。因此，当控制中使用变化大的外径时，还会产生相反方向的变形(在膨胀的情况中直径快速减小，或者在直径缩小的情况中快速膨胀)。如上所述，外径容易发生周期性的剧烈波动，但通过将管的内压的变化速率限制在等于或小于±50Pa/s的范围内，可以避免这种波动。
实施例1
将实施例1、对比例1和对比例2所制备的石英玻璃管的实际内压进行对比。在实施例1中，使用光纤预制件制造设备1，由第一控制装置按照加热位置对缓冲气体的输入量进行模式控制，由第二控制装置对缓冲气体的输入量进行反馈控制，从而使管的内压可以达到目标值；而在对比例1中，仅实施反馈控制；在对比例2中，仅实施模式控制。
在上述任一个例子中，所用的石英玻璃管的外径均为34mm，壁厚均为4mm，长度均为800mm，并且都含有0.2重量％的C1。使用热等离子体燃烧器作为热源。燃烧器往复运动的速度(即石英玻璃管上加热位置的移动速度)为100mm/分钟。将石英玻璃管外表面的最高温度控制在2200℃，将玻璃层的合成速率控制在1g/分钟。玻璃层与纯石英玻璃的折射率之差的目标值为0.40％。此外，将缓冲室装在管的一端，将缓冲室的内压视为管的内压。确定排气量，使得在没有缓冲气流的情况下，管的内压为约-20Pa。在上述这些条件下，通过MCVD法沉积5层玻璃层。
本发明人发现，在上述条件下实施MCVD法时，当加热位置在原料气体导入端(玻璃烟尘层少量沉积的位置)附近时，石英玻璃管的内压必须为约+50Pa。当加热位置在排气端(玻璃烟尘层大量沉积的位置)附近时，石英玻璃管的内压必须为约+400Pa。
图7(a)和7(b)是以管的内压的目标值(目标内压)和测量值以及缓冲气体的流速对加热位置所作的图。图7(a)是对比例1的图，图7(b)是对比例2的图。在对比例1中，如图7(a)所示，石英玻璃管内压的目标值与测量值之间产生了约±40Pa的差值，因此石英玻璃管的外径相对于基准值产生了约±2mm的误差。而且，根据石英玻璃管内压的目标值与测量值的差异，缓冲气体的输入量从10SLM(在标准状态下以升/分钟为单位表示的流速)变化到46SLM。在对比例1中，由石英玻璃管制成的、长500mm的实心玻璃棒具有直径为5.5±0.2mm的玻璃层合成部分，该玻璃层合成部分与纯石英玻璃的折射率差值为0.395±0.10％。因此，该实心玻璃棒的品质不符合要求。
在对比例2中，排气条件随着缓冲气体的输入量的变化而变化，从而造成排气部分被玻璃烟尘层沉积过程中产生的烟尘所堵塞的故障。在对比例2中，如图7(b)所示，石英玻璃管内压的目标值与测量值之间产生了约±40Pa的差值，因此石英玻璃管的外径相对于基准值产生了约±2mm的误差。而且，在对比例2中，缓冲气体的输入量随着加热位置的移动从10SLM变化到45SLM。在对比例2中，由石英玻璃管制成的、长500mm的实心玻璃棒具有直径为5.7±0.2mm的玻璃层合成部分，该玻璃层合成部分与纯石英玻璃的折射率差值为0.410±0.10％。因此，该实心玻璃棒的品质不符合要求。
图8是以实施例1中的管的内压的目标值和测量值以及缓冲气体的流速对加热位置所作的图。在实施例1中，被输入第一缓冲气体导入部分中的气体的量在模式控制下从2SLM变化到18SLM。另外，根据石英玻璃管的内压的测量值与目标值的差异，被输入第二缓冲气体导入部分中的气体的量在反馈控制下从10SLM变化到20SLM。结果，石英玻璃管的内压与目标值之差可以被限制在极小的数值±3Pa，达到了令人满意的控制效果。
实施例2
在实施例2中，使用光纤预制件制造设备201，由第一控制装置根据加热位置对缓冲气体的输入量进行模式控制，由第二控制装置对缓冲气体的输入量进行反馈控制，从而使管的内压可以达到目标值。图9是以实施例2中的管的内压的目标值和测量值以及缓冲气体的流速对加热位置所作的图。所用的石英玻璃管和热源与实施例1相同。在以下条件下制备预制件：热源移动速度为150mm/分钟，石英玻璃管的外表面的最高温度为2200℃，玻璃层的沉积速率为1g/分钟，玻璃层与纯石英玻璃的目标折射率差值为0.40％。控制排气量，使得在没有缓冲气流的情况下石英玻璃管的内压可为约-30Pa。在这些条件下，通过MCVD法沉积10层玻璃层。
在具有图5所示结构的设备中，采用最佳压力计算单元227b和第二控制装置227c进行反馈控制，使得石英玻璃管的外径(通过CCD照相机231测量)在石英玻璃管3的长度方向的整个区域上都可达到34mm的直径。而且，被输入第一缓冲气体导入部分中的气体量随着加热位置的移动从8SLM变化到40SLM。根据石英玻璃管的内压的测量值与目标值的差异，被输入第二缓冲气体导入部分中的气体量在反馈控制下从10SLM变化到17SLM。通过使用最佳压力计算单元227b和第二控制装置227c进行反馈控制，可以控制石英玻璃管3的内压，使得当加热位置在原料气体导入端附近时，石英玻璃管的内压为约+45Pa；而当加热位置在排气端附近时，石英玻璃管3的内压为约+415Pa。
在实施例2的制造过程中，石英玻璃管的内压与目标值之差可以被限制在极小的数值±3Pa，达到了令人满意的控制效果。而且，石英玻璃管的外径是34.0±0.2mm，得到了比实施例1更令人满意的结果。由此，由石英玻璃管制成的、长500mm的实心玻璃棒具有直径为5.6±0.1mm的玻璃层合成部分，该玻璃层合成部分与纯石英玻璃的折射率差值为0.400±0.06％。因此得到了波动小的令人满意的品质。
表1示出在通过MCVD法在石英玻璃管中沉积玻璃层的过程中，在0.2g/分钟到2.0g/分钟的各种沉积速率下，在原料气流的下游侧(在一个末端)使石英玻璃管的尺度保持不变所需的压力(最大压力)。在0.2g/分钟到2.0g/分钟中的任意一种沉积速率下，在原料气流的上游侧(在另一个末端)使石英玻璃管的尺度保持不变所需的压力(最小压力)都是+45Pa。图10是以表1所示的管的内压的最大值/最小值之比对沉积速率所作的图。
表1
  沉积速率g/分钟   管的内压的最大值Pa   比值
  0.20.40.50.71.01.52.0   +60+70+250+300+400+420+450   1.31.65.66.78.99.310.1
在任意一种沉积速率下，使石英玻璃管的尺度保持恒定所需的压力，对于管的一个末端侧与另一个末端侧而言是不同的。为了防止石英玻璃管3的尺度在长度方向上发生波动，必须随着加热位置的移动来调节石英玻璃管3的内压。随着玻璃层33的沉积速率增大，必要的调节范围(最大值/最小值之比)也趋于增大。优选为将最大值/最小值之比设定为2倍或更高。如表1和图10所示，当该比值被设定为2倍或更高时，即使玻璃层33的沉积速率等于或大于0.5g/分钟，石英玻璃管3的尺度也可以保持恒定。通过以等于或大于0.5g/分钟的高沉积速率重复沉积玻璃层33，就可以稳定地制造大型预制件。
在根据本发明的制造光纤预制件的方法中，如果预先确定外径测量值(作为石英玻璃管3的尺度)与预定的目标外径之间的允许误差，并且如果实际测量值在允许值的范围内，就可以省略基于外径测量值与预定的目标值之差来计算石英玻璃管3的内压最佳值的步骤，从而简化处理过程。而且，在这种情况下，如果所述的允许值是按照光纤化区域内的数值来规定的，那么即使是在外径出现尺寸误差时，也可以将品质保持在不对光纤造成实际损害的范围内。结果，可以根据设计规格高产量地制造出具有稳定品质的产品。具体地说，优选的是，在后续的加工步骤中将被加工成光纤的区域中，将石英玻璃管3在沉积玻璃层33之后的外径波动量设定为等于或小于±1mm。
实施例3
采用MCVD法，使用光纤预制件制造设备201以如下方式将玻璃层沉积在石英玻璃管中：在实施例3中，实施模式控制和反馈控制将管的外径控制在预定值；在对比例3中，仅实施反馈控制将石英玻璃管的内压控制在预定值；在对比例4中，仅实施反馈控制将管的外径控制在预定值。
在上述任意一个实施例和对比例中，所用的石英玻璃管的外径均为42mm，壁厚均为3mm，长度均为800mm，并且都含有0.2重量％的Cl。使用等离子体燃烧器(利用热等离子体)作为热源。燃烧器往复运动的速度为140mm/分钟。将石英玻璃管外表面的最高温度控制在2200℃，玻璃层的沉积速率控制在0.2g/分钟到3.0g/分钟。在实施例3和对比例3、4中，管外径的预定值是42mm。在上述这些条件下，通过MCVD法沉积20层玻璃层，并且对玻璃层沉积结束后石英玻璃管的外径波动以及由石英玻璃管制成的实心玻璃棒的直径波动进行测量和比较(表2)。
通过使用CCD照相机拍摄600mm长的中间部分(从管的两端各扣除100mm长的部分)的图像并处理该图像，测出石英玻璃管的外径。测量玻璃棒在450mm长的中间部分(从玻璃沉积体的一端扣除200mm长的部分并且从其另一端扣除150mm长的部分)处的直径。
表2
  沉积速率g/分钟   对比例3   对比例4   实施例3
  管外径的波动％   棒直径的波动％   管外径的波动％   棒直径的波动％   管外径的波动％   棒直径的波动％
  0.2   ±1.8   ±1.2   ±0.20   ±0.35   ±0.15   ±0.21
  0.4   ±1.9   ±1.5   ±0.44   ±0.38   ±0.15   ±0.22
  0.5   ±2.4   ±2.0   ±1.6   ±1.2   ±0.12   ±0.21
  0.6   ±3.5   ±3.1   ±1.9   ±1.5   ±0.13   ±0.22
  1.0   ±5.9   ±5.2   ±3.5   ±2.9   ±0.15   ±0.24
  1.5   ±6.2   ±5.3   ±4.4   ±3.8   ±0.18   ±0.26
  2.0   ±6.8   ±5.2   ±4.7   ±4.2   ±0.24   ±0.31
  2.5   ±7.4   ±5.4   ±5.0   ±4.4   ±0.35   ±0.35
  3.0   ±8.5   ±5.4   ±5.2   ±4.4   ±0.44   ±0.55
图11是以表2所示的实施例和对比例中的玻璃管的外径波动对沉积速率所作的图。图12是以表2所示实施例和对比例中的玻璃棒的直径波动对沉积速率所作的图。测量结果表明，在对比例3和4中，管的外径和棒的沉积部分的直径随着沉积速率的变化波动都很大。但是，在实施例3中，管的外径和棒的沉积部分的直径波动都很小，从而达到了令人满意的品质。
实施例4
在以下情况下评价外径波动：以1.5g/分钟的沉积速率沉积玻璃层GeO2-P2O5-SiO2(与纯SiO2的折射率差值为约0.3％)，同时使用热等离子体燃烧器作为热源来加热石英玻璃管(其外径为42mm，壁厚为3mm，并含有0.6重量％的氟)，使得管外表面的最高温度为1800℃。图13是以实施例4中的石英玻璃管的外径对在石英玻璃管长度方向上的位置所作的图，其中使用石英玻璃管的内压的变化速率上限作为参数。在图13中，(I)示出石英玻璃管的内压的变化速率没有受到限制的情况(最大变化速率为±80Pa/s)，(II)示出管的内压的变化速率被限制为±60Pa/s的情况，(III)示出管的内压的变化速率被限制为±50Pa/s的情况，(IV)示出管的内压的变化速率被限制为±30Pa/s的情况，(V)示出管的内压的变化速率被限制为±10Pa/s的情况。在这些情况下，平均的管的内压分别为约+200Pa。
在情况(I)和(II)(管的内压的变化速率大)的条件下，管外径的波动量都大于±1mm，不能通过MCVD法得到符合要求的品质。在情况(III)(变化速率被限制在±50Pa/s)的条件下，波动量被抑制到等于或小于±1mm的程度，但大于情况(IV)(管的内压的变化速率被限制在±30Pa/s)。在情况(V)(管的内压的变化速率被限制在等于或小于±10Pa/s)的条件下，管的内压的变化速率极低，从而使其中烟尘沉积增厚的部分的直径缩小。但是，在情况(V)中，外径的波动量可以被限制在等于或小于±1mm(直径)。
因此，在单位时间的管的内压变化速率被限制为等于或小于±50Pa/s、更优选被限制为等于或小于±30Pa/s的情况下，就可以抑制外径波动，并且可以符合要求地实施MCVD法。在限制内压的变化速率的情况下，可以使变化速率等于或大于±10Pa/s。
实施例5
在图1所示的石英玻璃管3中，大量不透明的烟尘被沉积在石英玻璃管3的下游区和支撑用玻璃管6中。使用烟尘清除装置(图中未示出)清除这些烟尘，并将其收集在烟尘收集单元31中，或从排气部分17排出。但是，大量烟尘可能会残留在石英玻璃管3的下游区和支撑用玻璃管6中，而不能被彻底清除。当管的内压下降时，可能出现烟尘回流的现象。烟尘回流到有效部分将导致最终得到的光纤预制件中带有缺陷，因此最好是阻止回流。已经发现，当管的内压基本等于管外压时容易出现烟尘回流的现象。
表3示出管的内压、内压持续时间和出现烟尘回流之间的关系的检测结果。管的内压包括与目标值偏差约±3Pa的内压值，持续时间包括偏差约±0.2秒的持续时间。由于不是每次都出现烟尘回流，因此在相同条件下进行重复试验(N＝20)，并检测烟尘回流出现的频率。
表3
  管的内压   持续时间(秒)   烟尘回流出现的频率/试验次数(N)
  -200+20+20+20+40   1112510   15/208/200/202/208/200/20
结果表明，烟尘回流的几率随着管的内压的减小而增大。还发现，烟尘回流的几率随着持续时间的延长而增大。因此，管的内压应该优选为大于+20Pa，并且即使是管的内压达到+20Pa，+20Pa的压力也不能持续2秒或更长的时间。
本发明包括由日本专利申请No.2004-053842(申请日：2004年2月27日)的说明书、权利要求书、附图和摘要所公开的内容。
工业适用性
根据本发明用于制造光纤预制件的方法和设备能够制成在长度方向上尺度波动小的光纤预制件。所述方法和设备特别适用于在薄壁的石英玻璃管中以高沉积速率沉积玻璃层。

Claims (13)

1.一种制造光纤预制件的方法，该方法包括在石英玻璃管中沉积玻璃层的沉积步骤，该沉积步骤通过以下方式进行：将至少含有玻璃原料的气体输入所述石英玻璃管中，同时通过在该石英玻璃管的长度方向上作相对运动的热源从外部加热该石英玻璃管，
其中在所述沉积步骤中，将一个或多个排气部分和一个或多个缓冲气体导入部分分别与所述石英玻璃管相连接，并且对由所述排气部分排放的气体量或者被输入所述缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少一个量进行反馈控制，并且按照与所述石英玻璃管上的加热位置相对应的流速模式，对由所述排气部分排放的气体量和被输入所述缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少另一个量进行模式控制。
2.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中这样实施所述的反馈控制：测量所述石英玻璃管的内压，并且对由所述排气部分排放的气体量或者被输入所述缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少一个量进行控制，使得所测量的内压可以与对每个加热位置设定的目标值达到一致。
3.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中这样实施所述的反馈控制：测量所述石英玻璃管在每个加热位置附近的尺度，并且对由所述排气部分排放的气体量或者被输入所述缓冲气体导入部分中的缓冲气体量中的至少一个量进行控制，使得所测量的尺度可以达到预定尺度。
4.根据权利要求3所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中，计算出使所测量的尺度与预定目标值达到一致所需的内压的最佳值，并且控制所述石英玻璃管的内压以使其与所计算出的最佳值达到一致。
5.根据权利要求3或4所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中，所述石英玻璃管的尺度是该石英玻璃管的外径、内径和壁厚中的至少一者。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中，所述玻璃层的沉积速率等于或大于0.5g/分钟。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中，在所述石英玻璃管的内压的调节范围内的最大值与最小值之比为2倍或2倍以上。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中，在沉积所述玻璃层之后，所述石英玻璃管的外径在所述石英玻璃管长度方向上的波动量等于或小于±1mm。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中，所述石英玻璃管的内压的变化速率是每秒-50Pa到每秒+50Pa。
10.根据权利要求1到8中的任一项所述的制造光纤预制件的方法，
其中在所述沉积步骤中，所述石英玻璃管的内压等于或小于+20Pa的持续时间低于2秒。
11.一种光纤预制件制造设备，该设备包括：
气体供应系统，用于将至少含有玻璃原料的气体从石英玻璃管的一端输入该石英玻璃管中；
排气部分和缓冲气体导入部分，其总数为两个或两个以上，所有这些部分都与该石英玻璃管的另一端相连接；
热源，其可以在该石英玻璃管的长度方向上作相对运动；
位置检测装置，用于检测所述热源在所述石英玻璃管上的加热位置；
第一控制装置，用于按照与所述加热位置相对应的流速模式，对由所述排气部分排放的气体量或者被输入所述缓冲气体导入部分中的气体量中的至少一个量进行控制；以及
第二控制装置，用于对由所述排气部分排放的气体量和被输入所述缓冲气体导入部分中的气体量中的至少另一个量进行反馈控制。
12.根据权利要求11所述的光纤预制件制造设备，该光纤预制件制造设备还包括压力测量装置，用于测量所述石英玻璃管的内压；
其中所述第二控制装置对由所述排气部分排放的气体量或者被输入所述缓冲气体导入部分中的气体量中的至少一个量进行反馈控制，使得所述石英玻璃管的内压可以与对每个加热位置设定的目标值达到一致。
13.根据权利要求11或12所述的光纤预制件制造设备，该光纤预制件制造设备还包括尺度测量装置，用于测量所述石英玻璃管在所述热源的每个加热位置附近的尺度；
其中所述第二控制装置对由所述排气部分排放的气体量和被输入所述缓冲气体导入部分中的气体量中的至少另一个量进行反馈控制，使得由所述尺度测量装置测量的该石英玻璃管的尺度可以与该石英玻璃管的预定目标尺度达到一致。
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