CN201334433Y - 一种制造光纤预制棒的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤预制棒的制造技术，现有技术存在随着预制棒疏松体的提升，预制棒轴向生长不均匀，使预制棒轴向的包芯比产生波动的缺陷，本实用新型的制造光纤预制棒的装置，其包括：一个带有竖直种棒的反应器，该反应器具有反应腔；设置在反应腔内用于将原料气体火焰水解生成的玻璃粉尘沉积到竖直种棒上形成疏松体的至少一个喷灯；用于排放反应腔内的废气以及未沉积到疏松体上的玻璃粉尘的排风口以及用于向反应腔内补充清洁空气的补风口；为补风口配置有能够以设定的温度向反应腔内供给气体的气体加热器。使从补风口进入到反应腔内的空气始终保持设定的温度，从而获得包芯比稳定的光纤预制棒，提高疏松体的沉积效率。

Description

一种制造光纤预制棒的装置

技术领域

本实用新型涉及光纤预制棒的制造技术，具体地说，涉及带气体加热器的轴向汽相沉积(VAD)装置和使用该装置制造光纤预制棒的方法。

背景技术

光纤由光纤预制棒按比例拉制而成，而预制棒通常由折射率较高的芯层和折射率较低的包层组成。由于99％以上的光信号都是在芯层中传输的，因此芯棒的制造技术决定了光纤预制棒的光学特性。作为光纤预制棒芯棒的制造方法之一，轴向汽相沉积(VAD)法(如申请号为10/142466、公开号为US 6923024B2的美国专利申请，申请号为10/142689、公开号为US6928841B2的美国专利申请，申请号为200610142065.5、公开号为CN1994945A的中国专利申请)是将燃烧反应生成的玻璃微粒沉积到旋转上升的竖直种棒上形成疏松体，具有沉积效率高，成本低，易于大规模制造等优点。

近年来，随着光纤需求量的增长和竞争的加剧，需要在不降低预制棒光学特性的前提下制造较大尺寸规格的预制棒来进一步降低成本。使用轴向汽相沉积制造大尺寸预制棒，需要更大、结构更复杂的多重喷灯来增大玻璃粉尘的沉积量，同时需要严格控制反应腔内的压力场和温度场。如图1所示，制造光纤预制棒的装置1包括反应腔2，用于沉积玻璃粉尘的第一喷灯3和第二喷灯4，用于固定竖直种棒9的夹具5，用于使竖直种棒旋转和提升的旋转提升部件6，排风口7和补风口8。制造光纤预制棒的过程中，先将竖直种棒9竖直的固定在夹具5上，然后将SiCl₄、GeCl₄气体送至氢氧焰喷灯3、4燃烧，在高温下水解生成玻璃粉尘。通常利用第一喷灯3向竖直种棒9的中心部位喷射火焰在竖直种棒9的末端形成芯层10，利用第二喷灯4向竖直种棒9的周围部分喷射火焰在芯层10上形成包层11。芯层10的折射率高于包层11的折射率。竖直种棒不断地向上提升和旋转，从而得到外径均匀的疏松体。疏松体经过脱水和玻璃化，形成具有芯层和部分包层组成的透明芯棒。

更具体地，原料气体(SiCl₄、GeCl₄)，可燃气体(H₂)和助燃气体(O₂)等从原料供应系统以设定的流速通向喷灯，当原料气体与喷灯中氢氧焰燃烧产生的H₂O发生水解反应或者在1100℃甚至更高温度下与O₂发生直接氧化反应生成SiO₂、GeO₂微粒。反应式为：

SiCl₄+2H₂O→SiO₂+4HCl

SiCl₄+O₂→SiO₂+2Cl₂

GeCl₄+2H₂O→GeO₂+4HCl

GeCl₄+O₂→GeO₂+2Cl₂

火焰产生的SiO₂、GeO₂颗粒漂浮在火焰中，形成气溶胶。当气溶胶粒子存在于温度分布不均匀的气体中时，粒子受温度梯度的驱使会由高温处往低温处运动，此现象称为热泳。由于温度梯度的作用，SiO₂、GeO₂微粒随着从喷灯口喷出的热气体一起漂浮到温度相对较低的疏松体上。对疏松体生长至关重要的芯层端面温度利用红外激光探测器监测，并通过控制芯层喷灯的H₂流量来调节疏松体端面温度(如申请号为10/131700、公开号为US 6834516B2的美国专利申请)。

疏松体沉积过程中，排风口7产生的负压将反应腔2内的废气以及未沉积到疏松体上的玻璃粉尘抽送到排废管道当中。同时反应腔2通过补风口8补充洁净空气来达到压力平衡。从而保证了整个系统气体的正常循环，使废气可以快速离开反应腔2避免了HCl等化学物质扩散到反应腔2内壁造成侵蚀。另一方面，气体的流动对预制棒的周围环境具有一定的冷却作用，增大了温度梯度，增强了沉积效率，使更多的玻璃粉尘附着到疏松体上。然而进入补风口的是处于室温状态的空气，由于昼夜温差等原因会使空气温度存在一定的差异，引起喷灯火焰以及预制棒芯层端面温度的波动，端面温度的波动使沉积到疏松体上的玻璃粉尘的组分发生变化，同时疏松体的密度也可能发生改变。随着预制棒疏松体不断地向上提升，疏松体长度方向上的芯层尺寸也随之变化，从而导致预制棒轴向生长的不均匀性，使预制棒轴向的包芯比(内包层与芯层直径的比值)产生波动。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术存在的随着预制棒疏松体的提升，预制棒轴向生长不均匀，使预制棒轴向的包芯比产生波动的缺陷，提供一种制造光纤预制棒的装置。为此，本实用新型采用下述技术方案：

一种制造光纤预制棒的装置，其包括：

一个带有竖直种棒的反应器，该反应器具有反应腔；

设置在所述反应腔内用于将原料气体火焰水解生成的玻璃粉尘沉积到所述竖直种棒上形成疏松体的至少一个喷灯；

用于排放所述反应腔内的废气以及未沉积到疏松体上的玻璃粉尘的排风口以及用于向所述反应腔内补充清洁空气的补风口；

其特征是为所述的补风口配置有能够以设定的温度向所述的反应腔内供给气体的气体加热器。

本实用新型具有以下功能和效果：

(1)使从补风口进入到反应腔内的空气始终保持设定的温度，从而获得包芯比稳定的光纤预制棒，提高疏松体的沉积效率。

(2)温度控制单元能够根据出风口处的温度传感器测量的温度，自动调节加热体的功率，保证出风口提供设定温度的热风，减小了进入到反应腔气体的温度波动。

(3)加热气体进入反应腔，可以提高反应腔内的温度，节省用于加热疏松体表面的可燃气体和助燃气体的量。

(4)导流板具有整流作用，可使气体加热器内流出的气体呈稳定、均匀的层流状态，消除反应腔内气流紊乱的现象。从而减小了未沉积的SiO₂，GeO₂微粒附着到反应腔内壁的可能性。

本实用新型其它的特征和优点，可以从以下结合附图的说明中将更全面的展现。

附图说明

图1是现有的用轴向汽相沉积法制造光纤预制棒的装置的示意图。

图2是本实用新型用轴向汽相沉积法制造光纤预制棒的装置的优选实施例的示意图。

图3是本实用新型的气体加热器24的轴向剖面示意图。

图4是本实用新型的气体加热器24出风口的横截面结构示意图。

图5是本实用新型用轴向汽相沉积法制造光纤预制棒的装置的另一个实施例的示意图(该示意图项对于图1、2的左视方向)。

图6是图5所示制造光纤预制棒的装置的气体加热器24出风口的横截面结构示意图。

图7是本发明用轴向汽相沉积法制造光纤预制棒的装置的加热体的又一种结构的横截面示意图。

图中：1-制造光纤预制棒的装置，2-反应腔，3-第一喷灯，4-第二喷灯，5-夹具，6-旋转提升部件，7-排风口，8-补风口，9-竖直种棒，10-芯层，11-包层，12-进风口，13-壳体，14-加热体，15-温度传感器，16-温度控制单元，17-导流板，18-线圈骨架，19-电热丝，20-绝缘套筒，21-气体通孔，22-保护罩，23-出风口，24-气体加热器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

本实用新型的制造光纤预制棒的装置，其包括：

一个带有竖直种棒9的反应器，该反应器具有反应腔2；

设置在反应器的反应腔2内用于将原料气体火焰水解生成的玻璃粉尘沉积到竖直种棒9上形成疏松体的至少一个喷灯3、4；

用于排放反应腔2内的废气以及未沉积到疏松体上的玻璃粉尘的排风口7以及用于向反应腔2内补充清洁空气的补风口8；

尤其是为补风口8配置有能够以设定的温度向反应腔2内供给气体的气体加热器24。该制造光纤预制棒的装置使从补风口8进入到反应腔2内的空气始终保持设定的温度，从而获得包芯比稳定的光纤预制棒，提高疏松体的沉积效率。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本实用新型还包括以下附加的技术特征，以便在实施上述技术方案时选用：

首先，气体加热器24包括具有进风口12和出风口23的壳体13、设置在壳体13内部的至少一个加热体14、设置在出风口23处的测量气体温度的温度传感器15、用于根据测得的温度而调节加热体功率的温度控制单元16，壳体13连接在反应器上并令出风口23与补风口8对应，温度传感器15与温度控制单元16相连接，温度控制单元16与加热体14相连接。

此时，

加热体14由绝缘材料制成的线圈骨架18、缠绕在线圈骨架18上的电热丝19以及围绕在线圈骨架18和电热丝19周围的绝缘套筒20构成，并在该加热体14内部形成有气体通孔21，具体的，线圈骨架18的横截面为十字形或米字形，从而在线圈骨架18与绝缘套筒20之间形成气体通孔21；绝缘材料是陶瓷或云母。

气体加热器24出风口23处设置用于使气体产生稳定层流的导流板17，导流板17沿轴向平行分布于壳体13内部，且间隔相同。

气体加热器24进风口12处设置能够透气的保护罩22，该保护罩22可拆卸地安装在壳体13上。

其次，该制造光纤预制棒的装置还包括用于固定竖直种棒9的夹具5和用于使竖直种棒9旋转和提升的旋转提升部件6。

图2示意的说明了本实用新型用轴向汽相沉积法制造光纤预制棒的装置的一个较佳的实施例。该制造光纤预制棒的装置1包括：带有反应腔2的反应器，分别用于沉积预制棒疏松体芯层10和包层11的第一喷灯3和第二喷灯4(图2中给出了两个喷灯的情况，但也可以使用一个喷灯或者多于两个喷灯沉积疏松体)，用于固定竖直种棒9的夹具5，用于使竖直种棒9旋转和提升的旋转提升部件6，形成在反应器上的用于排放反应腔2内的废气和未沉积到疏松体上的玻璃粉尘的排风口7以及用于向反应腔2内补充清洁空气的补风口8，为补风口8配置的气体加热器24；其中的气体加热器24包括具有进风口12和出风口23的壳体13、设置在壳体13内部轴向方向的加热体14、设置在出风口23处的测量气体温度的温度传感器15、用于根据温度传感器15测得的温度而调节加热体14功率的温度控制单元16。

如图3所示，壳体13内壁设有保温层(图中未示出)，在壳体13一端安装具有透气孔的保护罩22，壳体13另一端用于与反应腔2连接并位于两喷灯上方。加热体14安装在壳体13内靠近出风口23处，加热体14由绝缘材料制成的线圈骨架18、缠绕在该线圈骨架18上的电热丝19以及围绕在线圈骨架18和电热丝19外侧周围的绝缘套筒20构成，加热体14中间留有气体通孔21使气流通过。线圈骨架18横截面为十字形，由两块绝缘基板构成，基板厚度在0.5～3mm之间。线圈骨架18横截面也可采用米字形，但不限于此。线圈骨架18上均布凹槽，电热丝19以环绕的方式不重叠地依序定位于凹槽内。绝缘材料最好是陶瓷或者云母。电热丝19由Ni-Cr合金制成。绝缘套筒20的外径略小于壳体13的内径，如此将绝缘套筒20固定在壳体13内部，可减少热量的散失。温度传感器15设置于气体加热器的出风口23处并连接到温度控制单元16，温度控制单元16再连接到加热体14上。温度控制单元16主要是由一个反馈电路和一个比较器构成。当设定温度后，温度传感器15会测量出风口温度，当出风口温度低于设定温度时，温度控制单元16会加大加热体14功率，反之则减小加热体14功率或者停止加热，使气体温度达到设定温度。一般的，从气体加热器进入反应腔2的气体温度的波动幅度控制在1℃以内，并以此作为设定温度的参照。气体加热器24出风口23处设置用于使气体产生稳定层流的导流板17。如图4所示，长条形的片状导流板17等间隔的沿轴向平行分布于壳体13内部，相邻的导流板17之间均有可使气流通过的间隙，导流板17可自由拆除。被加热的气体沿平行的板片进入反应腔2，由于导流板17均匀分布于出风口23，因此能够产生稳定的层流热风。气体加热器24进风口12处设置能够透气的保护罩22，该保护罩22可拆卸地如通过螺钉或螺纹连接安装在壳体13上。

气体加热器24与补风口8相连，出风口23与补风口8相通，气体加热器的补风口8位于靠近喷灯4的上方，相对于包层喷灯口垂直距离为50～200mm，而排风口7位于反应腔2的另一侧，与补风口8相对。通过对排风口7的抽风使反应腔2内的压力控制在-100Pa(-100Pa，即小于标准大气压100Pa)左右，外部的空气通过气体加热器24、补风口8补充到反应腔2内形成气流，可以及时地将未沉积到疏松体上的SiO₂、GeO₂微粒排放到废气管道，防止其沉积到反应腔2内壁上。同时也有利于将两个喷灯燃烧反应产生的热量及时带走，以降低预制棒周围的环境温度，增加喷灯火焰与预制棒表面的温度梯度，增强热泳效率。需要说明的是，为了保证产品纯度，外部的空气要求是10000级以上的洁净空气。补风口8的大小可以根据反应腔2的大小以及所需的风量大小决定。通常其横截面积在0.05～0.3m²之间。

预制棒沉积过程中，外界气体在负压作用下进入气体加热器24，沿着加热体内部气体通孔21流动，带走电热丝19所产生的高温热能，使被加热气体温度升高，加热气体进入到反应腔2。其间，温度控制单元16依据出风口23处的温度传感器15的信号自动调节气体加热器输出功率，将出风口23的气体控制在设定温度，从而制造出包芯比均匀的预制棒。

图5是本实用新型用轴向汽相沉积法制造光纤预制棒的装置的另一个实施例的示意图。图6是图5所示制造光纤预制棒的装置的气体加热器24出风口的横截面结构示意图。在本实施例中，气体加热器24的部件与图2、图3所示的实施例基本相同，但出风口23位于喷灯3、4的两侧，截面形状为矩形。采用两个相同的气体加热器24或者带有两个出风口23的气体加热器24给反应腔2补风，同时结合在高度方向上范围更大的矩形出风口23，可以有效地带走更多的未沉积到疏松体上的玻璃粉尘。

图7是本发明用轴向汽相沉积法制造光纤预制棒的装置的加热体的又一种结构的横截面示意图。图中，除了加热体以外其它部件与图2、图3所示的实施例相同。图3所示的实施例中气体加热器24中只有一个加热体14，而本实施例中安装了多个加热体14。十字形的绝缘线圈骨架18上缠绕有电热丝19，线圈骨架18和电热丝19固定在绝缘套筒20内构成一个加热体14。7个同样的加热体14均匀地安装在壳体13内部，外部空气通过通孔21被加热体加热。采用这种装置，气体加热更为均匀，效率更高。

作为一个实例，使用图2所示的装置制造光纤预制棒疏松体：排气口7与排气风机(图中未示出)连接，排气风机进行抽气，使反应腔2内的压力为负压(如-100Pa，即小于标准大气压100Pa)。此时气体加热器24工作，外部空气在负压作用下通过气体加热器1进入反应腔2，待反应腔2的气体达到设定温度如100℃后保持恒温。将竖直种棒9安装在夹具5上，使第一喷灯3对准竖直种棒9的下端，种棒9以30rpm的速度匀速旋转。然后分别向第一喷灯3、第二喷灯4通入氢气和氧气，依次点燃第一喷灯3和第二喷灯4，密封反应腔使压力控制在-100Pa左右。接着向第一喷灯3通入气体原料SiCl₄、GeCl₄使之发生水解反应，产生SiO₂、GeO₂微粒沉积在竖直种棒9的下端形成芯层10，同时向第二喷灯4通入气体原料SiCl₄使之发生水解反应，产生SiO₂微粒沉积到芯层10的周围形成包层11，竖直种棒9不断地旋转和提升，最后形成内外两层具有不同折射率的预制棒疏松体。由于在沉积过程中补风温度始终保持在100℃(可以设定一定的幅度如±0.5℃)，避免了补风对疏松体芯层端面温度的波动，制造出的预制棒疏松体纵向波动较小。此外，反应腔内温度场的稳定可以减小气流扰动，使疏松体生长更为稳定。疏松体经过脱水玻璃化后得到φ45×1550mm的透明芯棒，包芯比为5.0，芯/包同心度误差≤4.4mm，包层不圆度≤1.1mm。

用图5所示的装置制造光纤预制棒疏松体，所得产品的性能不亚于用图2所示的装置制造光纤预制棒疏松体所得产品的性能。

尽管已经详细描述了本实用新型的优选实施例，本领域技术人员可以理解的是，在不脱离如权力要求书所公开的本实用新型的精神和范围的前提下，对具体要素的各种改进、添加和替换是可能的。

Claims (8)

1、一种制造光纤预制棒的装置(1)，其包括：

一个带有竖直种棒(9)的反应器，该反应器具有反应腔(2)；

设置在所述反应腔(2)内用于将原料气体火焰水解生成的玻璃粉尘沉积到所述竖直种棒(9)上形成疏松体的至少一个喷灯(3、4)；

用于排放所述反应腔(2)内的废气以及未沉积到疏松体上的玻璃粉尘的排风口(7)以及用于向所述反应腔(2)内补充清洁空气的补风口(8)；

其特征是为所述的补风口(8)配置有能够以设定的温度向所述的反应腔(2)内供给气体的气体加热器(24)。

2、根据权利要求1所述的一种制造光纤预制棒的装置，其特征是所述的气体加热器(24)包括具有进风口(12)和出风口(23)的壳体(13)、设置在壳体(13)内部的至少一个加热体(14)、设置在出风口(23)处的测量气体温度的温度传感器(15)、用于根据测得的温度而调节加热体功率的温度控制单元(16)，所述的壳体(13)连接在所述的反应器上并令所述的出风口(23)与补风口(8)对应，所述的温度传感器(15)与所述的温度控制单元(16)相连接，所述的温度控制单元(16)与所述的加热体(14)相连接。

3、根据权利要求2所述的一种制造光纤预制棒的装置，其特征是所述的加热体(14)由绝缘材料制成的线圈骨架(18)、缠绕在所述线圈骨架(18)上的电热丝(19)以及围绕在所述的线圈骨架(18)和电热丝(19)周围的绝缘套筒(20)构成，并在该加热体(14)内部形成有气体通孔(21)。

4、根据权利要求3所述的一种制造光纤预制棒的装置，其特征是所述的线圈骨架(18)的横截面为十字形或米字形，从而在所述的线圈骨架(18)与所述的绝缘套筒(20)之间形成所述的气体通孔(21)。

5、根据权利要求3所述的一种制造光纤预制棒的装置，其特征是所述的绝缘材料是陶瓷或云母。

6、根据权利要求2所述的一种制造光纤预制棒的装置，其特征是所述的气体加热器(24)出风口(23)处设置用于使气体产生稳定层流的导流板(17)，所述导流板(17)沿轴向平行分布于壳体内部，且间隔相同。

7、根据权利要求2所述的一种制造光纤预制棒的装置，其特征是所述的气体加热器(24)进风口(12)处设置能够透气的保护罩(22)，该保护罩(22)可拆卸地安装在壳体(13)上。

8、根据权利要求1所述的一种制造光纤预制棒的装置，其特征是其还包括用于固定所述竖直种棒(9)的夹具(5)和用于使所述竖直种棒(9)旋转和提升的旋转提升部件(6)。

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