CN1951848A - 气相轴向沉积装置及气相轴向沉积方法 - Google Patents

气相轴向沉积装置及气相轴向沉积方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气相轴向沉积装置。所述气相轴向沉积装置包括：第一喷灯、第二喷灯、温度测量单元以及控制器单元。所述第一喷灯在与垂直轴线成直线的烟灰预制棒的末端上沉积烟灰，从而长出纤芯。所述第二喷灯在所述纤芯的外周面上沉积烟灰，从而长出包覆层。所述温度测量单元探测所述烟灰预制棒的端部沿所述垂直轴线的温度分布。所述控制器单元确定探测到的温度分布中的第一和第二相对最高温度T1和T3以及T1和T3之间的相对最低温度T2，并控制T1使其处于预定的范围之内以及控制差值(T1－T2)和(T3－T2)中较大的一个使其不超过预定的温度。

Description

气相轴向沉积装置及气相轴向沉积方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造光纤预制棒的装置及方法，且更具体地说，涉及一种气相轴向沉积(VAD)装置及气相轴向沉积方法。
背景技术
气相轴向沉积方法是一种通过用第一和第二喷灯(torch)，在由玻璃材料制成的起始棒上沉积烟灰，以在纵向上长成纤芯和包覆层，从而获得烟灰预制棒的方法。随后，烟灰预制棒经历烧结过程等，以获得光纤预制棒。
命名为“采用改进VAD的光纤预制棒的制造”、授予Donald P.Jablonowski等的美国专利US6,834,516披露了一种用于通过光学高温计测量烟灰预制棒末端的温度以调整氢气流动速率、来获得具有均匀组成的烟灰预制棒的气相轴向沉积方法，其中，光学高温计与纤芯喷灯一起设置。
但是，这样的气相轴向沉积方法具有以下问题：
第一，由于用设置在烟灰预制棒下面的光学高温计来监测烟灰预制棒末端上的一点，因此，由于烟灰预制棒的转动和振动，故难以保持焦点。
第二，由于在烟灰预制棒的末端和光学高温计之间存在烟灰和火焰，因此，由于烟灰和火焰的干扰，在光学高温计的测量值中包括了许多噪声。
因此，如上所述的气相轴向沉积方法存在这样的问题，其大批量生产能力和可靠性由于难以对烟灰预制棒的末端进行精确的温度测量和控制而降低。
上述的气相轴向沉积方法存在另一个问题，该问题在于，仅有烟灰预制棒末端的温度被测量，因此，并没有充分地考虑烟灰预制棒端部的整体温度分布以及依据所述温度分布所包含方面的烟灰预制棒的质量。
因此，需要开发一种气相轴向沉积装置及气相轴向沉积方法，所述气相轴向沉积装置及气相轴向沉积方法能够考虑到烟灰预制棒端部的整体温度分布并改善烟灰预制棒的质量，并且，具有高的大批量生产能力和可靠性。
发明内容
因此，制作本发明是为了至少解决出现在现有技术中的上述问题，并且，本发明的一个目的在于提供一种气相轴向沉积装置及气相轴向沉积方法，所述气相轴向沉积装置及气相轴向沉积方法能够考虑到烟灰预制棒端部的整体温度分布并改善烟灰预制棒的质量，并且，具有高的大批量生产能力和可靠性。
为了实现该目的，依照本发明的一个方面，提供了一种气相轴向沉积装置，所述气相轴向沉积装置包括：第一喷灯，所述第一喷灯用于在烟灰预制棒的末端沉积烟灰从而长成纤芯，其中所述烟灰预制棒与垂直轴线成直线；第二喷灯，所述第二喷灯用于在所述纤芯的外周面上沉积烟灰、从而长成包覆层；温度测量单元，所述温度测量单元用于探测烟灰预制棒端部沿垂直轴线的温度分布；以及控制器单元，所述控制器单元用于确定探测到的温度分布中第一和第二相对最高温度T1和T3以及T1和T3之间的相对最低温度T2，并控制T1和ΔT，即(T1-T2)或(T3-T2)。
依照本发明的另一个方面，提供了一种气相轴向沉积方法，在所述气相轴向沉积方法中，通过利用第一和第二喷灯，烟灰被沉积在与垂直轴线成直线的烟灰预制棒上，所述方法包括以下步骤：(a)探测烟灰预制棒的端部沿垂直轴线的温度分布；(b)确定探测到的温度分布中第一和第二相对最高温度T1和T3以及T1和T3之间的相对最低温度T2；(c)调整供应到第一喷灯的原料数量，从而使T1处于预定的温度范围内；以及(d)调整第一喷灯的火焰焦点和第二喷灯的火焰焦点之间的距离，从而使(T1-T2)和(T3-T2)中相对于另一个具有较大值的一个变得等于或小于预定的温度值。
附图说明
本发明的上述和其他目的、特征和优点从随后配合附图的详细描述中将更加明显，在附图中：
图1的视图说明了依照本发明一个优选实施例的气相轴向沉积装置；
图2的视图说明了由图1所示的温度测量单元探测的热图像；以及
图3的曲线图说明了烟灰预制棒端部沿图1所示的垂直轴线的温度分布。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的优选实施例。应注意到，尽管对相同的元件在不同的附图中进行说明，但是仍采用相同的附图标记来标示。并且，在随后的描述中，对合并与此的公知的功能和结构的详细描述，将在其可能混淆本发明的主题时被略去。
图1说明了依照本发明的一个优选实施例的气相轴向沉积装置。气相轴向沉积装置100包括：用于产生和沉积烟灰的第一和第二喷灯130、140；用于分别使第一和第二喷灯倾斜的第一和第二工作台150、160；温度测量单元170，温度测量单元170用于探测烟灰预制棒的端部沿垂直轴线110的温度分布；以及用于控制第一和第二喷灯130、140的控制器单元180。
烟灰预制棒120与垂直轴线110成直线，并包括由玻璃材料制成的、用于提供生长基的起始棒以及通过在所述起始棒的端部沉积烟灰而形成的纤芯122和包覆层124。纤芯122的折射率相对较高，且包围纤芯122的包覆层124的折射率相对较低。在烟灰沉积的初始阶段，通过利用第二喷灯140，烟灰被沉积在起始棒的端部，以形成球体。当球体通过进一步沉积烟灰而到达预定尺寸时，通过利用第一和第二喷灯130、140，纤芯122和包覆层124同时在球体上形成。在不形成球体而令纤芯和包覆层直接在起始棒端部生长的情况下，烟灰预制棒120可能与起始棒分离，或者，在烟灰预制棒120内可能因烟灰预制棒120的重量而出现裂缝。
在烟灰沉积过程中，烟灰预制棒120以预定速度转动并向上移动。通过令烟灰预制棒关于垂直轴线110转动，烟灰预制棒120具有了旋转对称性。并且，通过令烟灰预制棒120沿垂直轴线110向上移动，烟灰预制棒沿垂直轴线110持续地向下生长。在下文中，相对于垂直轴线110，烟灰预制棒120的生长方向将被称作“向下”，而其相反方向将被称作“向上”。
第一喷灯130沿中心轴线135设置，其中，中心轴线135相对于垂直轴线110以锐角倾斜，第一喷灯130朝向烟灰预制棒120的末端放射火焰，以令纤芯122从烟灰预制棒120的末端向下生长。给第一喷灯130提供玻璃原料，如SiCl4，GeCl4等，以及燃料，如氢和氧的混合物。当玻璃原料在放射火焰中被脱水时，烟灰产生，并且所产生的烟灰被沉积在烟灰预制棒120上。构成烟灰的主要氧化物SiO2和GeO2的脱水公式如下所示：
SiCl4+2H2O—>SiO2+4HCl  (1)
GeCl4+2H2O—>GeO2+4HCl  (2)
第二喷灯140从第一喷灯130向上隔开，并沿中心轴线145设置，中心轴线145相对于垂直轴线110以锐角倾斜。第二喷灯140向纤芯122的外周面放射火焰，以令包覆层124在纤芯122的外周面上生长。给第二喷灯140提供玻璃原料，如SiCl4，GeCl4等，以及构成燃料的氢和氧。当玻璃原料在放射火焰中被脱水时，烟灰产生，且所产生的烟灰被沉积在烟灰预制棒120上。
通过控制提供给第一和第二喷灯130、140的不同种类的玻璃材料，或提供给第一喷灯130的玻璃材料的流动速率，纤芯122的折射率可大于包覆层124的折射率，其中，提供给第一喷灯130的玻璃材料的流动速率可与提供给第二喷灯140的玻璃材料的流动速率不同。例如，锗和磷提高折射率，而硼降低折射率。
从烟灰预制棒120获得的光纤的光学特性(色散、宏弯曲损耗等)主要受到其上沉积了烟灰的部分(即，烟灰预制棒120的端部)的整体表面温度影响，包括烟灰预制棒120的末端温度。
第一工作台150在控制器单元180的控制下使第一喷灯130倾斜，以调整第一喷灯130相对于垂直轴线110的倾斜角。例如，第一喷灯130具有垂直于其中心轴线135的转动轴线，且第一工作台150能够通过使第一喷灯130关于所述转动轴线转动从而令第一喷灯130倾斜。
此外，第一工作台150可在第一喷灯130被倾斜或不被倾斜的状态下向上或向下移动第一喷灯130。
第二工作台160在控制器单元180的控制下使第二喷灯140倾斜，以调整第二喷灯140相对于垂直轴线110的倾斜角。例如，第二喷灯140具有垂直于其中心轴线145的转动轴线，且第二工作台160能够通过使第二喷灯140关于所述转动轴线转动从而令第二喷灯140倾斜。
此外，第二工作台160可在使第二喷灯140倾斜或不倾斜的状态下向上或向下移动第二喷灯140。
温度测量单元170设置在烟灰预制棒120的一侧，温度测量单元170探测烟灰预制棒120端部的热图像，并将探测到的热图像信号输出到控制器单元180。热图像信号包括关于烟灰预制棒120端部的温度分布的信息。并且，烟灰预制棒120的端部包括：烟灰沉积于其上的部分，即，烟灰预制棒120末端处的外露的纤芯部分122；以及沿垂直轴线110在纤芯122与包覆层124之间的边界部分。普通的热像仪可用作温度测量单元170。
图2说明了由温度测量单元170探测到的热图像，图3说明了烟灰预制棒120的端部的温度分布。
在图2中，示出了向上的方向(由箭头表示)、第一相对最高温度T1、相对最低温度T2以及第二相对最高温度T3。在图3中，纵坐标轴表示表面温度，横坐标轴表示在垂直轴线110上的位置，即，垂直位置。
如这些图中所示，第一相对最高温度T1出现在烟灰预制棒120的末端A处，第二相对最高温度T3出现在沿垂直轴线110且在纤芯122与包覆层124之间的边界部分B内，且相对最低温度T2出现在烟灰预制棒120的末端A与边界部分B之间的中间位置处。这是因为，第一喷灯130的火焰焦点(即，喷灯火焰的会聚点)位于烟灰预制棒120的末端A处，且第二喷灯140的火焰焦点位于边界部分B。
第一相对最高温度T1可通过调整供应给第一喷灯130的燃料的流动速率来控制，第二相对最高温度T3可通过调整供应给第二喷灯140的燃料的流动速率来控制。优选地，第一相对最高温度T1处于750到850摄氏度(℃)的范围之内，第二相对最高温度T3处于740到840℃的范围之内。
参考图3，第一和第二相对最高温度T1和T3分别为800℃，相对最低温度T2为700℃。
从随后对若干实验示例的描述可以看到，第一相对最高温度T1和相对最低温度T2之间的温度差或第二相对最高温度T3和相对最低温度T2之间的温度差越小，光学特性改善越多。
表1
处理条件ΔT[℃]                       光学特性
零色散波长(λ0)[nm] 色散斜率(S0)[ps/nm2·km]   宏弯曲损耗[dB]@100T，R＝30mm，1625nm
  光纤ITU-TG652D 1300～1324 ≤0.093 ≤0.50
  第一示例     ＜60   1310～1315   ～0.086   ＜＜0.50
  第二示例     60～120   1310～1315   0.086～0.090   ＜＜0.50
  第三示例     120～200   1315～1324   0.090～0.093   ＜0.50
  第四示例     ＞200   ＞1324   ＞0.093   ＞0.50
在表1中，列出了作为目标的光纤ITU-T G652D的光学特性和第一到第四实验示例的光学特性。第一到第四示例采用从光纤预制棒抽出的光纤进行实验，所述光纤预制棒采用所述气相轴向沉积方法来制备。在表1中，ΔT代表第一相对最高温度T1和相对最低温度T2之间的温度差(T1-T2)或第二相对最高温度T3和相对最低温度T2之间的温度差(T3-T2)。对于各个示例，在表1中给出了零色散波长λ0和在零色散波长λ0处的色散斜率S0的值。宏弯曲损耗用这样的方式得到：波长为1625nm的光入射到在相应光纤绕线轴缠绕100次的状态下的光纤的一端，并且在光纤的另一端处测量光功率。
从表1中可以看到，为了满足光纤ITU-T G652D的条件，温度差ΔT必须等于或小于200℃。
控制器单元180从由温度测量单元170输入到控制器单元180的热图像信号来确定烟灰预制棒120端部沿垂直轴线110的表面温度分布。并且，在该温度分布中，控制器单元180捕获到第一和第二相对最高温度T1和T3，以及T1和T3之间的相对最低温度T2。控制器单元180调整第一和第二喷灯130、140的火焰焦点之间的距离，从而使(T1-T2)和(T3-T2)中较大的一个变得小于或等于(即，不超过)预定温度值。例如，如果(T1-T2)或(T3-T2)大于200℃，则控制器单元180可令第二喷灯140的火焰焦点向下移动。为此，控制器单元180驱动第二工作台160，以使第二喷灯140朝向使第二喷灯140的中心轴线145变得垂直于垂直轴线110的方向(即，在该方向上，第二喷灯140的倾斜角变大)倾斜。从而，相对最低温度T2由于第一和第二喷灯130、140的干涉而升高为高于之前的温度。
此外，控制器单元180控制第一相对最高温度T1，使其处于750到850℃的范围之内，并且，优选将位于第一喷灯130的火焰焦点以上5mm之内的区域保持在750到850℃的范围之内。为此，控制器单元180可对供应给第一喷灯130的燃料量进行调整或对供应给第一和第二喷灯130、140的燃料量两者都进行调整。
在另一方面，为了满足光纤ITU-T G652D的条件，控制器单元180控制T1使其处在750到850℃的范围之内，并控制(T1-T2)和(T3-T2)之中相对于另一个具有较大值的一个，使其变得等于或小于200℃。
如上所述，依照本发明的气相轴向沉积装置和气相轴向沉积方法，利用温度测量单元来探测烟灰预制棒的端部的整体温度分布，并且控制相对最高温度以及第一相对最高温度和相对最低温度之间的温度差或第二相对最高温度和相对最低温度之间的温度差，通过上述途径，烟灰预制棒的质量和从烟灰预制棒获得的光纤的光学特性能够得到改善，并能够提高烟灰预制棒的大批量生产能力和可靠性。
用于实现依照本发明在此处示出的处理过程的方法能够以可被计算机读取的形式存储到记录介质上(如CD ROOM，只读存储器、随机存取存储器、软盘、硬盘或磁光盘)。可以了解到，所述装置可包括处理器，所述处理器接收并执行可被存储在存储器中的计算机程序或可被计算机执行的代码。
尽管本发明已参考其特定的优选实施例被示出并描述，然而，本领域技术人员将了解，可以在不脱离如附加的权利要求及其等同物所限定的、本发明的精神和范围的条件下，对其作出多种形式和细节上的改动。

Claims (18)

1.一种气相轴向沉积装置，包括：
第一喷灯，所述第一喷灯用于在与垂直轴线成直线的烟灰预制棒的末端上沉积烟灰，从而长出纤芯；
第二喷灯，所述第二喷灯用于在所述纤芯的外周面上沉积烟灰，从而长出包覆层；
温度测量单元，所述温度测量单元用于探测所述烟灰预制棒端部沿所述垂直轴线的温度分布；以及
控制器单元，所述控制器单元用于确定探测到的温度分布中的第一和第二相对最高温度T1和T3，以及T1和T3之间的相对最低温度T2，并控制相对最大值(T1)和差值(ΔT)，其中，差值(ΔT)选自由(T1-T2)和(T3-T2)所构成的群组。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器单元控制第一相对温度(T1)使其处于第一预定温度范围之内，并控制差值(T1-T2)和(T3-T2)中较大的一个以使其不超过预定的温度值。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述控制器单元调整供应给所述第一喷灯的燃料量，从而使T1处于所述第一预定温度范围之内。
4.如权利要求2所述的装置，其中，所述控制器单元调整所述第一和第二喷灯的火焰焦点之间的距离。
5.如权利要求1所述的装置，其中，如果差值(T1-T2)和(T3-T2)中较大的一个超过所述预定的温度值，则所述控制器缩短所述第一和第二喷灯的火焰焦点之间的距离。
6.如权利要求5所述的装置，其中，进一步包括工作台，所述工作台用于在所述控制器单元的控制下，调整所述第二喷灯的倾斜角，其中，如果差值(T1-T2)和(T3-T2)中较大的一个超过所述预定的温度值，则所述控制器单元使所述第二喷灯的倾斜角变小。
7.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一预定温度范围为750-850℃之间。
8.如权利要求2所述的装置，其中，所述预定温度值至多为200℃。
9.一种气相轴向沉积方法，在所述气相轴向沉积方法中，通过利用第一和第二喷灯，烟灰被沉积在与垂直轴线成直线的烟灰预制棒上，所述方法包括以下步骤：
(a)探测所述烟灰预制棒的端部沿所述垂直轴线的温度分布；
(b)确定探测到的温度分布中的第一和第二相对最高温度T1和T3，以及T1和T3之间的相对最低温度T2；
(c)调整供应给所述第一喷灯的原料的量，从而使T1处于预定的温度范围之内；以及
(d)调整第一喷灯的火焰焦点和第二喷灯的火焰焦点之间的距离，从而使差值(T1-T2)和(T3-T2)中较大的一个不超过预定的温度值。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述预定的温度范围为750到850℃之间。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述预定的温度值至多为200℃。
12.一种光纤制备装置，包括：
第一和第二装置，所述第一和第二装置用于沉积与垂直轴线成直线的烟灰预制棒；
用于监测所述烟灰预制棒的端部沿所述垂直轴线的温度分布的装置，所述分布包括第一和第二相对最高温度T1和T3，以及T1和T3之间的相对最低温度T2；以及
用于将所述第一相对温度保持在预定的温度范围之内并保持差值(T1-T2)和(T3-T2)中较大的一个不超过预定的温度值的装置。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述预定的温度值至多为200℃。
14.如权利要求12所述的装置，其中，所述预定的温度范围为750-850℃之间。
15.如权利要求12所述的装置，其中，所述预定的温度值是基于期望的波长特性来选择的。
16.如权利要求12所述的装置，其中，所述第一相对温度和预定的温度值通过在横向和竖向上调整所述第一和第二沉积装置距离所述烟灰预制棒的距离来保持。
17.如权利要求12所述的装置，其中，所述第一相对温度和预定的温度值通过调整所述第一和第二沉积装置相对于所述烟灰预制棒的倾斜角度来保持。
18.如权利要求12所述的装置，其中，玻璃原料以及氢和氧的混合物被提供给所述第一和第二沉积装置。
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