TWI261073B - Method of manufacturing an optical fiber perform with a vertical, large-number, and synchronizing deposition in inside vapor-phase oxidation process - Google Patents

Description

1261073 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域 本發明係有關於^一種使用/λα 斿# π 级 ^ Γ 通 ^ 之 光纖預 型體製 造方法 ，内化學氣相沈積法之直立式大量同步上下垂直 製造多支光纖預型體的方法。 向此積 【先前技術】 通信用玻璃（石英）光纖的製造過程，一 形體Pref0rro rad(棒）及再抽轉…。· 匕枯无1成預 上邻從—l 丹抽絲Drawing兩技術。以目前己 ^疋的光纖製造技術而言，光纖在抽絲成細小直徑如常 用1 25微未或其它規格之前，都以放大比例作成一種直秤約2 公分至4或5公分稱為光纖預型體Pref〇rm的方式先行&大 製造。然後再放入高溫爐内抽成細絲。這是光纖製造的兩大 步驟。所以所有不同種類的光纖内部折射率分佈和傳播特性 所需的各項設計如材料選用、幾何結構安排、光學特 性、· ··等考慮都在預型體製成時大致己定。因此預型體製 造技術是光纖製造技術的核心及關鍵技術。也因此預型体體 製造技術的優劣、製成率、產出率、成本及規模化能力都關 係到此產業競爭力高低及產業前景甚至關係到此產業存在對 民生價值貢獻度及影響社會進步快慢的大小。亦是當前頻寬 是否能快速打開的關鍵。 近二十年來，己為大家所熟知的光纖預形体製造技術主 要分成兩大類的四種方法。兩大類分別為内沈積方法I VP0 Inside Vapor-Phase Oxidation process 和外沈積方法 〇VPO Outside Vapor-Phase Oxidation process 〇

1261073 五、發明說明（2) 内沈積方法又有 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition即改良式化學氣相沈積法如圖一所示）及 PCVD(Plasma-activated Chemical Vapor Deposition 即電 漿激勵化學氣相沈積法如圖二所示）。 外沈積方法又有0VD(Outside Vapor Deposition即外沈積 法如圖三所示）及 VAD(Vapor-phased Axial Deposition 即 軸向化學氣相沈積法如圖四所示）等共四種預型體製造方 法0 此四種製造方法所使用的沈積法都是傳統半導體製造技 術 CVD 法（Chemical Vapor Deposition 化學氣相沈積法） 的應用，這四種製造方法除了以沈積在管内或管（棒）外的差 別外；尚有化學反應加熱能源裝置為直接加熱（0VD及VAD)、 間接加熱（MCVD及PCVD的物理化學能的電漿產生裝置）；還 有依沈積水平來回方向的MCVD、PCVD及0VD或VAD的軸向（非 垂直來回方向）等的差別。 光纖預型體製造常用的化學反應式如下：

SiCl4 + 〇2 SiO2 + 2 Cl2 GeCl4 + 〇2 — Ge02 + 2 Cl2 4 P0C 1 3 + 3 02 -> 2 P2〇5 + 6 Cl2 4 BC 1 3 + 3 02 — 2 B2〇3 + 6 Cl2 儘管各種製法之差異，其目的都在完成光纖結構如圖五 所示的結果。光纖結構分為核心Core30及纖殼Cladding31兩 部分。矽光纖預型體管内沈積法製造主要是在純石英管S i 02

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五'發明說明（3) 内部以通進來的氣相化學材料如以上所列者及其化學反鹿， 大量產生以S i 02 為主要光透明材料的沈積，來使光纖預 型體核心Core及纖殼Cladding等部分逐漸增厚〇並同時以一 定的比例調整其折射率，如為了增加折射率需要的摻雜材料 如Ge〇2鍺、及P0CU 磷° (加磷主要為降低MCVD管内沈積 透明化溫度的材料。）另外加B2〇3硼及F氟主要為降低折射率 的摻雜材料（硼巳不再使用，多數製造法皆改用氟）。這此材 料依不同的光纖結構如單模態或多模態結構的設計來製造。 如管内沈積法則由管内的外層往内層一層層逐步沈積。=到 核心最内層亦即最高折射率的中心層為止；如管外沈積法則 由内層核心往外製造。熟知的光纖預型體製造方法如附件夕 考資料，本發明僅針對本發明使用有關連的内沈積法先前^ 術作說明。並從IVP0内沈積法兩種方法擇一，以折射率分佈 控制較精確的傳統PCVD法沈積過程介紹如下： PCVD法於七 0年代由 Philips F〇rschungslab〇rat〇rium Aachen發明。此法亦為廣為熟知半導体CVD製程發明後許 久，光纖製造才拿來改變使用之另一種應用。其同樣是^氣 =的SiCl4’ GeCl4及I反應成為Si〇2及Ge〇2方式並沈積在石英 管内壁的方法。 、 PCVD法的製程如圖二所示。製程很重要的是氣体供應系 統25、石英管内壁的電衆反應區23及後真空幫泵系統21·。、 首先取一支石英管1架設在玻璃車床上。架設方法如圖 六之一台插入方式，石英管從車床尾端進入，穿過可同步轉

1261073 五 '發明說明（4) ^" 8—" —— 動的夾]，再穿過證振腔，最後再以兩端的旋轉接頭及兩端 的旋轉夾頭固定架好。氣體供應系統25是以極精確的流 制器控制SiCU、GeCl4、CJ6及氧氣送出至管路，其攜帶的混 合氣体通過旋轉接頭進入石英管。石英管架在玻璃車床夾頭 兩端亚周期性轉角或轉動。反應區23(即電漿產生區）在諧振 腔12内被包圍住的石英管中發生。石英管由純Μ、製成，不 但當製造光纖核心Core及纖殼Cladding過程的支撐，也兼具 光導纖殼Cladding的作用。石英管由外部的保溫爐24包住並 保持一定的高溫，以利沈積穩定進行及防止預形体未完成前 的應力破壞。 混合氣流被送入諧振腔形成的電漿（等離子体）反應區 並在此形成反應物分子粒子而沈積於石英管内壁。反應區的 壓力維持在1到2kPa(10到20mbar)，真空壓力由出氣端的真 空常泵21產生及控制。圓柱狀的讀振腔沿著石英管左右來回 移動，發生在内的電漿區也隨諧振腔快速左右來回移動◊因 此許許多多沿著長長石英管壁内的薄層沈積就均勻地形成。 每層的厚度及成分比例，都可以變化諧振腔移動的速度及氣 体流量來調整變化。光導所需不同折射率組成的摻雜比及折 射率分佈Reflection index pro file於焉完成。這是光纖預 形体沈積製造技術最重要的核心技術。亦即折射率分佈對半 徑變化的精確度控制、摻雜比對折射率高低的控制及石英管 内沈積速率的控制技術。 促成IV P 0管内沈積法化學反應的熱源有兩種。p c v D法是 以微波產生的電磁場穿過石英管，直接作用在管内通過的氣

1261073 五‘發明說明（5) 相反應物上。在管内接近絕對真空的低壓條件下，反應物被 電離成攜帶巨大能量的等離子電漿。這些等離子体具有極高 f性’能快速產生物理化學反應而形成Si02或摻雜的Ge〇2等 网溫氧化物。這些高溫氧化物就近在較低溫的石英管内壁直 接以透明的玻璃態沈積下來。PCVD法使用的是物理化學能； 常用的MCVD法是以氫氧焰燃燒或以RF射頻產生的高溫爐加溫 石英管並用透過石英管傳導的高溫去促使管内氣体反應成 S i 〇2及Ge02粒手’然後S i 02及Ge02粒子沈積在附近較相對低溫 的石英管内壁上。 當石英管完成沈積後，稱為管形預型體，為本發明之需 要，管形預型體稱為預型管Preform-tube。PCVD法此時將預 型管取出並拿至另一部機器以高溫熔縮Collpse成實心的預 形体，稱為棒形預型體’又稱為預型棒Preform rod。預型 棒即各種光纖預型體製造完成後通稱的預型體Preform。炼 縮Col Ipse成實心的預形體的過程是利用約攝氏2000到220 0 度高溫加熱，使沈積完成後尚未實心的預形体因表面張力作 用縮至實心。將預型管取出並拿至另一部機器以高溫熔縮 Col Ipse成實心的預形体的製程，這是PCVD和MCVD不同製程 之一。MCVD法是當石英管完成沈積後直接在同一部玻璃車床 上利用其本身加熱的氫氧焰升溫至攝氏2000度以上完成熔縮 的製程。PCVD法因預型管沈積製程是以氣相反應物受電場作 用使自身氣體崩潰’產生高能離子化低溫電漿的非平衡態物 理化學反應完成其管内數千層内層的低溫沈積。所以不必如 MCVD法加裝對石英管加熱至攝氏1 7 00度以上如氫氧焰或射頻

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因此石 >尤積技術， 以開始時即 在PCVD法將 MCVD法其石 外加氫氧焰 天缺點無法 勢中，又要 光纖製造技 目前針 下： 英管内 想要提 以大管 產生因 英管導 流量增 改變情 能擁有 術首要 對本發 沈積法在傳 高沈積速率 的大管内大 管徑加大使 熱容量的加 加壓力沖擊 況下，如何 產量提高並 突破的瓶頸 明關係的内 統玻璃車床上的單 是緣木求魚。内沈 接觸面附著來提高 電漿穩定度降低的 大使支撐石英管因 變形的缺點。因此 在保有其折射率分 降低生產成本的方 管水平方向 積法如又想 沈積速率： 缺點。在 溫度提高及 内沈積法先 佈控制的優 法’是當今 沈積法先前技術的缺點說明如 、/、圓管β水平架設水平沈積的缺點如果在無重力的太空， 不是缺點；但水平架設在地面上時，將使設備為支撐石 =官土身及兩端同步轉動的夾頭重量，付出昂貴的費用。再 者其設備體積和複雜度無法降低。水平架設就必得水平方向 f積。但水平沈積造成圓對稱管在微重力作用下之上下沈積 發句度的間題及反應區遠端未沈積漂移粒子上下非均勻散佈 變所Ϊ ί的許多問題等對製造出的光纖品質產生不利的影 ;度的提ΐ此：：中傳統内沈積法必須轉動石英管來獲取均 9 _ 轉動中進行沈積又產生第2項缺點。 一石夬官轉動沈積的缺點除了第1項為支撐石英管本身及 1同=轉動的夾頭缺點外；轉動沈積的石英管兩端為連接 兩固定不ί隹& & ^官及出氣管，必須各接一個旋轉接頭 ary 〇inter，以保持管内外的氣密◊這不但常為轉動中

第11頁 1261073 .......1 .............. I ------------------------------------------------------------------------------------ - 五、發明說明（9) 愈來愈高◊因此石英管内沈積法在傳統玻璃車床上的單管水 平方向沈積技術，想要提高沈積速率是緣木求魚。内沈積法 如又想以開始時即以大管的大管内大接觸面附著來提高沈積 速率：在P c V D法將產生因管徑加大使電漿穩定度降低的缺 點。在MCVD法其石英管導熱容量的加大使支撐石英管因溫度 提高及外加氫氧焰流量增加壓力沖擊變形的缺點。因此内沈 積法先天缺點無法改變情況下，如何在保有其折射率分佈控 制的優勢中，又要能擁有產量提高並降低生產成本的方法， 疋Μ今光纖製造技術首要突破的舰頸。 從七Q年代至今， 其為了提高製成預型體的數量去和高沈積速率的外沈積法競 爭，如上所述，唯一方法是將一機一管式的倍增沈積設備數 量如圖六。但傳統内沈積法採用稍加改善成MCVD& pCVD法用 的昂貴玻璃車床做預型體沈積及熔縮C〇1 lapse的設備，這提 网了母單位產品（每支預形管）對設備成本的付出。這不但無 助於提高沈積速率先天低帶來的競爭蹙勢；反而帶來設備大 量投入的浪費，甚至減缓了光纖早應做到的高頻寬時代來臨 的機會。 以目前最需要的1 300到1 60 0nm波長DFSM Dispersion-Flattened Single-Mode 或 DCM+NZDSF即窄頻色 散補償Dispersion-Compensated Modules和非零色散偏移 的見頻 DCF(C-BAND and L-Band 1520nm 到 1620ηιπ)各種做 為高密集波長通信DWDM用單模光纖的普及化需求下，或高頻 寬斜射率Graded-Index多模光纖的大量被採用的可能性增加 下。處處都顯示用折射率分佈精確控制及其結構變化多樣化

第13頁 1261073 _ _— 五、發明說明（10) 能力最高的PCVD法及MCVD法，所大規模製造出來的光纖，是 唯一實現物美價廉的光纖到家之途徑。 【發明内容】 自CVD沈積法應用到光纖預型體沈積製造方法以來，主 要發明出四種沈積法。即MCVD、PCVD、OVD及VAD法。這些七 〇年代的發明雖己專利過期；但如今在一部預型體沈積設備 上，使用以上任何一種方法，卻尚未有折射率分佈最佳控制 及高沈積速率雙雙擁有的技術出現。 本發明就是一種在一部預型體沈積設備上，實現折射率 分佈最佳控制及最高產能的方法。此種結合折射率分佈最佳 控制及最高產能的方法，稱為『直立大量同步沈積法』 V L S D。V L S D ( V e r t i c a 1 L a r g e - nil m b e r S y n c h r ο n i z e Deposition)。VLSI)將如同半導体VLSI在同一晶圓片上同步 製程的方法一樣，VLSD&亦具有在同一部設備同步完成大數 量光纖預形管的能力。VLSD法能以最經濟而高產能方法達到 高品質光纖製造的目的。 V L S D法主要是組合以下三種方法同時達到本發明的目 的： 一、垂直取代水平 創新石英管垂直的直立架設及反應熱源 垂直方向沿石英管移動沈積的方法，取代石英管水平架設及 化學反應熱源水平方向沈積移動的製造方法。 =、固定取代旋轉 創新石英管固定不動的方法，取代石英 官隨沈積次數連續轉動或角度轉動的方法。

第14頁 1261073 五、發明說明（π) 三、多管取代單管創新以一台設備多管並列及反應熱源同 步同速沈積製造多支預型管的簡化設備方法，取代多台設備 沈積製造多支預型管的倍増設借方法。 以上是相對於先前技術缺點所要解決的問題，本發明所 提出解決的方法。並說明如下： 其一、石英官直立架設最符合自然法則，最能呈現圓管内部 均勻沈積，達到折射率分佈精確對稱的原理。直立架設的石 英管和人直立自然同向。符合人的最佳靈活作業的方便利 盈。如將實％多官製造時，其所形成的整排石英管之預型體 操作面與人直立操控同面向。這也解決先前技術缺點三之多 管多台沈積没備所造成平面空間變大的問題；直立使平面擺 佈成為立體，節省空間。 其一、石英官直立且石英管固定不轉動，不但可以簡化水平 架設兩端同步轉動的夾頭使機槭複雜度降低。而且可將旋轉 接頭改成固定接頭以保持管内外的氣密及減少耗材支出；並 減低傳輸損失。這解決先前技術缺點一及二，並以其更簡單 的結構去簡化先前技術缺點三所要解決的一台設備多管製造 所增加複雜度及成本的問題。 ，二、内沈積法先天低沉積速率的缺點，己往唯一解決方法 疋以一機一管式的倍增沈積設備數量如圖六方式。但在水平 架設並以傳統昂貴的破璃車床做預型體沈積，這提高了每單 t產品（每支預形管）對設備成本的付出，也提高了每單位產 品（每支預形管）對廠房使用成本的付出。今以本發明法一及

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多管同時沈積成為可能。創新 同時製造多支預型管的方式及 時之許多相同機構予以共用及 化設備複雜度及減少設備體 ^例如以共用同步驅動裝置、 5皆振腔控制系統···等共用取代 五、發明說明（12) 法一之改變促使在一部設備上 法三多管並列於一台設備上， 裝置，可將於其各管獨立製造 簡化可節省更多投入資金、簡 積。因此減少成本並增高產能 集中共用供料系統、共用同步 多管多台設備分開製造的裝置 η上：化時代的f展，莫不以積體化的電路進入大晶 Η上的同步夕晶片同時I化製造，成本倍數降低和產品一致 性所帶來的低廉，使更多人有能力購買才促成電子產。 之電腦、電信及電子消費性產品廣受使用，成為人人； 科，貢獻而倍受讚美！因此臺灣有機會成為代電腦王國= 種量產王國等美譽。今日本發明具有使最優秀最精確折射 分佈控制技術、最優秀折射率分佈結構多樣化及最潔淨的 沈積製造技術的保有下，同時又能簡化設備裝置及體積、 低&備成本及空間下，提高產量並達成經濟量產規模的功 能。那臺灣成為光纖製造王國，必將指日可待！ 【實施例内容】 以下結合圖七進一步說明本發明VLSD法用在一台機器沈 積十支光纖預型管的實施例子。本實施例以几⑽―P1Q機器來 做说明◊ VLSD-P1 0包括有氣體供應系統25，在此以舉其中第

1261073 五、發明說明（13) 一支石英管1的氣體供應管路為例，其他各支石英管的氣體 供應方法相同。電腦控制系統2 6指揮氣体體供應系統2 5内的 SiCh、GeCU及HA各共用定溫供料槽。在此以2〇之^^々定 溫供料槽為例’ S i C 1 4定溫氣化分別流到流量控制器^ 6。流 量控制器1 6接受電腦控制系統定量控制輸出後，與來自” GeCh、〇2、CJ6或必要摻雜定量控制輸出的氣體在混合器^ 9 内混合並各自從接頭進入十支石英管内。為簡化實例說明， 設備的框架和保溫箱沒有列出。當所有石英管平放進入可打 =再鎖緊的兩端夾頭13及諧振腔12後，篕上各管的保溫爐 盍。十個並列連動的諧振腔即由電腦設定點同步地上下等長 度和同速度開始進行沉積。各石英管内部壓力由固定接頭U I方的壓力感測及控制器15迴授控制。其廢氣及未沈積粒子 經過過濾器至尾端的廢氣處理器22共同處理。負壓條件由丘 同真空幫泵21提供。 /、 # PC VD的製程由各放入石英管的諧振腔同時導入微波在其 f官内激發電漿（pi asHla)以對其内部通過化學氣相材料產生 吕内反$物沈積。各諧振腔丨2並沿著與地面垂直向並列架設 的各^英管，同步同速上下移動，各石英管内由諧振腔產生 電漿區走過所造成的沈積物，同時得以一層層累積至完成所 需厚度的光纖預型管為止❶此時的十支光纖預形管沈積 、:％成。完成的十支光纖預形管，可再以其上高溫的裝 ^進行炫縮成為實心的預形體再取出。或者直接取出移至^ 4的水平式破璃車床熔縮成為實心的預形體。 以上是一部VLSD — pi〇設備以十支石英管製造十支預形體

1261073 五、發明說明（14) 的倍數量產方法。此外可選取更高數量的同步沈積設備（如 十五至二十支型）來達到小設備高產能的目的。由於光纖預 形体製造，在沈積一支預形管的時間是熔縮製造成實心預形 體時間的三倍以上。所以熔縮設備的玻璃車床數量只要少數 幾部即足夠熔縮大數量產製出來的預形管。

第18頁 1261073 圖式簡單說明 【圖示部份】： 圖一 、MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition ) 改 良式化學氣相沈積法 圖二、P C V D ( P 1 a s m a - a c t i v a t e d C h e m i c a 1 V a ρ 〇 r Deposition)電漿激勵化學氣相沈積法 圖三、OVD (Outside Vapor Deposition)外化學氣相沈積法 圖四、VAD(Vapor-phased Axial Deposition)軸向化學氣相 沈積法 圖五、光纖結構 ® PCVD法石央官水平沈積傳統玻璃車床多臺機器架設方 式 圖七、PCVD法直立十管同步沈積製造光纖預塑管實例 【主要部分代表符號說明】 (11 )微波產生器 (1 3 )可對稱打開夾頭 (1 5 )壓力感測及控制器 (17)同步驅動馬達 (1 9 )混合器 (21 )真空幫泵 (23 )電漿產生區 (25)氣體供應系統 (27)旋轉接頭

(1 )到（1 0 )石英管 (1 2)諧振腔 (14)石英管兩端進出氣接頭 (1 6 )流量控制器 (1 8 )可定位滾珠螺桿 (2 0 ) S i C 1 4定溫供料槽 (22)廢氣處理器 (24)保溫爐 (2 6 )電腦控制系統

1261073 圖式簡單說明 (2 8 )氫氧焰 (3 0 )纖核 (2 9 )測溫器 (3 1 )纖殼

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Claims (1)

1. 、申請專利範圍 v 種直立大量同步管内沈積的井 係於„ A ·、 J義預型體製造方法， ::體製程沈積設備上，直立並列架設大數量的 加埶英管始終固定不轉動’並以各石英管外的 化战:依垂直方向沿石奂管同步上下移動對其内通過的 予乳相物作用，在管内各自沈積純矽或摻雜氧化層， |tT| Π w °J時獲得大數量的光纖預型管；依序完成沈積纖殼層及 核、層後，在熔縮設備上熔縮成實心預型體的方法。 、按權利要求1所述的直立大量同夕管内沈積的光纖預型 體@、生+ 衣k方法，其特徵在於石英管係以直立架設且始終固定 3不轉+動的方式進行管内沈積的方法。 '、按權利要求1或2所述的直立大量同步管内沈積的光纖 ，型體製造方法，其特徵在於以始終固定不轉動的方式進 仃管内沈積的石英管兩端，使用固定接頭連接進氣及排氣 之方法。 4、按權利要求1或2所述的直立大量同步管内沈積的光纖 t體製造方法，其特徵在於對始終固定不轉動石英官的 力J3熱裝置，採用圓對稱均勻提供化學反應能量給管内化學 5'相a反應物質以進行管内沈積的方法。 按權利要求1或2所述的直立大量同步官内沈積的光纖 =型體製造方法，其特徵係在同一台設備上以大數量石英 緊直立並列，其各加熱裝置集中共同裝設於同一驅動設備 ―而各加熱裝置對各自石英管施以沈積用能量’並以沿 石英官上下垂直移動的同步驅動方式做倍數沈積製造光 纖預型體之方法。

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