專利名稱：在外部氣相沉積法中制備光纖預制棒的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖預制棒的制備，更具體地說，涉及在外部氣相沉積法(OVD)中通過控制預制棒上的火焰水解物(soot)顆粒的沉積處理來制備高品質光纖預制棒的方法和設備。
背景技術：
現在，使用諸如MCVD(改進的化學氣相沉積法)、OVD(外部氣相沉積法)、VAD(氣相軸向沉積法)和PCVD(等離子化學氣相沉積法)等多種方法來制備光纖預制棒。在這些方法當中，OVD法得到了廣泛的使用，因為它可以確保高沉積速率并使得能夠制備大型光纖預制棒。
參照圖1，在所述的OVD法中，通過在芯棒2上沉積諸如SiO2和GeO2等火焰水解物顆粒3來制備預制棒4。根據如下所述的化學反應式，在1100℃或高于1100℃，當使用諸如H2或CH4等燃氣和諸如H2O等氧氣燃燒產物來水解前體氯化物SiCl4或用載氣O2直接氧化SiCl4時，生成尺寸大約為1μm的SiO2，該SiO2是用于制備光纖預制棒的火焰水解物顆粒。
化學反應式1
GeCl2在芯棒2上沉積時，它通過上述的水解或氧化反應變成了GeO2。諸如SiO2和GeO2等火焰水解物顆粒沉積的機理是熱泳。熱泳是指當細顆粒存在于具有溫度梯度的氣體中時，由于所述的顆粒與氣體分子之間的動量交換，所述的顆粒從高溫區向低溫區移動。熱泳由如下方程表示。
方程1Vt＝-(Kv/T)/ΔT其中，Kv為熱泳常數，ΔT是溫度梯度。
根據方程1，可以看出溫度梯度顯著地影響顆粒的沉積。在OVD法中，水解或氧化生成的諸如SiO2和GeO2等火焰水解物顆粒隨著從噴燈1中噴射出的高溫氣體一起移動。所述的火焰水解物顆粒通過溫度梯度在經過芯棒2的周圍時沉積并聚集在芯棒2上，從而制備出預制棒4。
通常，為了進行上述處理，應良好地供應作為燃氣的氧氣和氫氣以便更好地反應。然而，一般不可能通過提供充分的熱流來保持與預制棒的表面旋轉速度和體積相應的適當溫度，因為隨著沉積的進行，預制棒的外徑增加，于是預制棒的表面旋轉速度和體積增加。此外，現有技術不能為所述的顆粒在火焰中的生長提供足夠的時間。
另一方面，在用于燒結其上沉積了火焰水解物顆粒的預制棒4的燒結處理中，由于顆粒的結合，預制棒的體積和長度收縮高達20到30％，并且預制棒的外徑也減少10到30％之多。因此，應單獨進行用于去除在燒結處理中生成的諸如氫氧根(OH-)或氣泡等許多雜質的處理。
為了解決這些問題，在美國專利No.4,731,103中公開了根據處理的進程來移動噴燈，從而保持噴燈和預制棒之間的距離不變的方法。
圖2所示為SiO2顆粒的尺寸，其隨著從噴燈中輸出的SiCl4氣體穿過火焰的時間而增長，該時間與噴燈和預制棒之間的距離成正比。參照圖2，應當理解，SiCl4在穿過火焰的過程中生長為越來越大的SiO2顆粒。為了獲得高品質的光纖預制棒，優選地應沉積具有適當尺寸的顆粒。在上述美國專利中所公開的根據處理的進程移動噴燈，從而保持噴燈和預制棒之間的距離的方法適于控制沉積的顆粒具有恒定的尺寸，但不能解決由熱流不足引起的火焰水解物顆粒沉積濃度失衡的問題。
圖3a到3d所示為現有技術中隨著預制棒半徑的變化的沉積濃度和沉積顆粒尺寸。參照圖3a，應當理解，在沒有沿垂直方向控制噴燈的情況下，沉積在預制棒上的顆粒尺寸隨預制棒的半徑的增加而逐漸減小。此外，沉積在預制棒上的火焰水解物沉積濃度隨半徑的增加而減少，如圖3b所示。圖3c所示為上述美國專利的結果，其中噴燈和預制棒的距離保持不變。在此情況中，盡管沉積的顆粒的尺寸不變，但是火焰水解物的沉積濃度還是減少，如圖3d所示，因為預制棒的表面移動速度隨所述的半徑的增加而加快。
圖4所示為在沉積濃度隨外徑的增加而減少的情況下，在燒結過程中溫度梯度和燒結速率沿預制棒半徑的分布。由于是在單獨的燒結爐中進行所述的燒結處理，所以是從其外表面加熱預制棒。因此，為了均勻增加整個預制棒的溫度，應從低溫開始緩慢加熱預制棒，這使得制備預制棒所需的時間延長了。此外，由于濃度從內圍到外圍減少，如圖4所示，在預制棒的外圍的燒結速度要快得多，這導致預制棒燒結不徹底，并且會由于預制棒內部和外部的收縮差異而在預制棒中產生裂紋。
作為解決這一問題的另一例子是采用以下方法，該方法通過增加諸如氫氣和氧氣等燃氣供給速率，以便補充由于預制棒直徑的增加所引起的預制棒單位表面積上的熱流不足。然而，熱流的增加使得火焰溫度升高，從而影響了顆粒的生長和沉積。由于這種原因，控制沉積在預制棒上的火焰水解物顆粒仍然非常困難。
發明內容
設計本發明以解決現有技術的上述問題，因此本發明的目的是提供制備光纖預制棒的方法和設備，在OVD(外部氣相沉積)法中，該方法能夠在芯棒上沉積諸如SiO2等火焰水解物顆粒的同時，通過控制沉積顆粒的沉積濃度和尺寸來防止生成裂紋、雪球狀物和因預制棒的尺寸較大而導致的不完全玻璃化，同時縮短燒結預制棒所需的時間，從而縮短制備預制棒所需的時間。
為了實現上述目的，本發明提供在OVD(外部氣相沉積)法中，通過在旋轉芯棒的表面上沉積火焰水解物顆粒來制備光纖預制棒的方法，該顆粒由噴燈噴射的燃氣反應生成，其中，在沉積所述的火焰水解物顆粒時，該方法通過保持預制棒表面上一個點的軌跡速度恒定或逐漸減少，以控制沉積在預制棒上的火焰水解物顆粒的沉積濃度，使該濃度保持恒定而不隨預制棒的半徑變化，或朝著預制棒的外圍逐漸增加。
在沉積火焰水解物顆粒時，通過逐漸減少預制棒旋轉的角速度或者逐漸減少預制棒和噴燈之間的相對水平速度，可以使上述軌跡速度保持恒定或逐漸減小。
此外，在沉積火焰水解物顆粒時，還可以逐漸增加與預制棒表面上一個點相接觸的燃氣的供給速率。
根據本發明的另一方面，還提供了在OVD法中通過在旋轉芯棒的表面上沉積火焰水解物顆粒來制備光纖預制棒的方法，該顆粒由噴燈噴射的燃氣的反應生成，該方法包括如下步驟(a)設置預制棒的初始半徑、旋轉的初始角速度、該預制棒和該噴燈之間的初始相對水平速度和該噴燈的燃氣的初始供給速率；(b)使用所述初始半徑、初始角速度和該預制棒和該噴燈之間的初始相對水平速度來計算預制棒的表面上一個點的初始軌跡速度；(c)測量在某一時刻t的預制棒的半徑，該半徑隨火焰水解物顆粒的沉積逐漸增加；(d)根據所述某一時刻t的預制棒的半徑計算該預制棒表面上的一個點在該時刻t的軌跡速度；以及(e)控制該預制棒旋轉的角速度和/或該預制棒和該噴燈之間的相對水平速度，使得該時刻t的軌跡速度等于或小于其初始軌跡速度。
為了實現上述目的，本發明還提供了在OVD中通過在旋轉芯棒上沉積火焰水解物顆粒來制備光纖預制棒的設備，該設備包括預制棒旋轉單元，其用于旋轉在其上形成預制棒的芯棒；噴燈，其用于供應燃氣以生成火焰水解物顆粒；噴燈水平移動裝置，其用于相對于預制棒水平地移動噴燈；與所述的噴燈連通的流量控制裝置，其用于控制燃氣的供給速率；半徑測量裝置，其用于測量所述預制棒的半徑，該半徑隨著所述的火焰水解物顆粒的沉積逐漸增加；以及過程控制裝置，其根據由所述的半徑測量裝置測得的預制棒半徑，控制所述的預制棒旋轉單元和/或噴燈水平移動裝置。
下面將結合附圖詳細描述本發明的優選實施方案的這些和其他特點、方面和優點。
圖1是示出根據現有技術在OVD法中制備光纖預制棒的設備的示意圖；圖2是示出SiO2火焰水解物顆粒的尺寸的圖，該尺寸隨前體SiO4穿過火焰的時間而增大；圖3a到3d是示出在根據現有技術制備預制棒時，沉積濃度和沉積顆粒的尺寸隨預制棒半徑的增加而變化的圖；圖4是示出在根據現有技術燒結預制棒時在預制棒中的溫度梯度和燒結速度的圖；圖5a到5c是示出在普通火焰水解物顆粒的沉積處理中預制棒表面上的一個點的軌跡速度的圖；圖6是示出預制棒表面溫度隨噴燈熱流的增加而變化的圖；圖7是示出預制棒表面溫度隨普通預制棒體積的增加而變化的圖；圖8是示出根據本發明制備光纖預制棒的設備的示意圖；圖9a和9b是說明根據本發明控制沉積顆粒的方法的流程圖；圖10a到10d是示出在根據本發明的實施方案制備預制棒時，沉積濃度和沉積顆粒的尺寸隨預制棒半徑的增加而變化的圖；圖11是示出在根據本發明的實施方案燒結預制棒時，溫度梯度和燒結速度隨預制棒半徑而變化的圖；圖12a到12d是示出在根據本發明的另一實施方案制備預制棒時，沉積濃度和沉積顆粒的尺寸隨預制棒半徑的增加而變化的圖；圖13是示出在根據本發明的另一實施方案燒結預制棒時，溫度梯度和燒結速度隨預制棒半徑而變化的圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖將詳細描述本發明的優選實施方案。首先，基于發明人可能以最佳方式適當地定義術語的概念以描述其自己的發明的事實，不應限于普通或字典中的含義來解釋在本說明書和權利要求中使用的術語和措辭，而應將這些術語和措詞視為包括符合本發明各技術方面的含義和概念。因此，本說明書中描述的和圖中繪制的構造僅是本發明最優選的實施方案，而并未顯示本發明的所有技術方面。因此，應當理解，可能存在可由這些實施方案替代的各種等同方式和變化方式。
在本發明的一個實施方案中，制備了沉積濃度均勻而不隨預制棒的半徑變化的預制棒。為此目的，調整該預制棒的旋轉速度、該預制棒和噴燈之間的相對水平速度和燃氣的供給速率，以控制火焰水解物顆粒的生長機制。此時，按如下方法計算應用于本實施方案的預制棒旋轉速度、預制棒和噴燈之間的相對水平速度和燃氣的供給速率。
首先描述控制預制棒的旋轉速度和水平速度的方式。圖5a所示為通過OVD(外部氣相沉積)法制備預制棒時，預制棒11的表面上的一個點(A)的水平速度(v)和旋轉角速度(ω)，圖5b所示為預制棒11的表面上的該點(A)在噴燈32(見圖8)附近環繞移動時所遵循的螺旋軌跡，圖5c所示為預制棒11的表面上的一個點(A)的速度矢量。軌跡速度(V)即所述的預制棒表面上的該螺旋移動的點的速度，它按如下方程表達為預制棒半徑(R)的函數。
方程2V=(Rω)2+v2]]>在方程2中，如果預制棒的水平速度(v)和旋轉角速度(ω)恒定，則該預制棒11上該點(A)的軌跡速度隨預制棒11的半徑增加而逐漸增加，并且預制棒的體積也與半徑(R)的平方成比例增加。此外，如果相同的熱流作用在預制棒上，則每單位表面積的熱流比初始時的情況減少了，因此在預制棒表面上的一個點(A)的溫度隨著該處理的進行而逐漸降低。
在單位時間的熱流固定的情況下，假設在該處理開始的位置，預制棒的半徑為R0，該預制棒11和噴燈32之間的相對水平速度為v0，該預制棒的旋轉角速度為ω0。并且，如果還假設該處理過程中在某時刻t，該預制棒的半徑為Rt，水平速度為vt，旋轉角速度為ω0，則在預制棒表面上的這個點穿過噴燈32火焰的處理過程中，其初始軌跡速度Vo和軌跡速度Vt可以按下列方程表達。
方程3Vo=vo2+(R0ω0)2]]>方程4Vt=vt2+(Rtωt)2]]>如果象方程3和4那樣不考慮噴燈的熱流，則可以根據該處理中半徑(R)的變化，使用軌跡速度(V0和Vt)控制預制棒的旋轉角速度(ω)和水平速度(v)，從而使得預制棒表面的溫度保持恒定。然而，隨著半徑(R)的增加，由于預制棒11的體積隨著半徑的平方成比例增加，所以如果噴燈32的熱流不增加，則為了使預制棒的表面溫度保持恒定或逐漸增加，該預制棒表面上的點的軌跡速度應當逐漸降低。
因此，如果預制棒的體積和熱容是常數，則可以根據單位時間內穿過單位熱流的預制棒面積來確定該預制棒表面上的一個點(A)的溫度。換句話說，其表面溫度顯示了如下方程所示的比例公式。
方程5 其中，ht為某時刻t的噴燈熱流，Vt為每一處理中預制棒表面上的一個點的軌跡速度，該軌跡速度如方程4所定義。H(ht)為來自噴燈的燃氣的供給速率(ht)的函數，它影響預制棒的溫度，該函數為單調遞增函數，滿足當ht2＞ht1時H(ht2)＞H(ht1)的關系。
然而，由于預制棒的體積和熱容隨著預制棒半徑的增加而增加，如果將相同熱流作用在相同尺寸上達相同時間，則相比于具有更小體積和熱容的預制棒，所述的表面溫度將變低。因此，對于在單位時間內穿過單位熱流的預制棒面積，該預制棒的表面溫度具有如下方程所示的關系。
方程6 其中，L(Rt)為預制棒半徑的函數，預制棒的半徑影響預制棒體積，該函數為單調遞增函數，滿足當Rt＞R0時L(Rt)＞L(R0)的關系。
圖6是示出在預制棒體積為常數的情況中，該預制棒的表面溫度隨噴燈熱流的增加而變化的圖。圖中的曲線分別是燃氣供給速率函數H(ht)，表示預制棒表面溫度隨著噴燈熱流的增加而增加。此外，根據該圖還應當理解，表面溫度隨預制棒體積的增加而降低。
圖7是示出預制棒的表面溫度隨預制棒體積的增加而變化的圖，其中每條曲線均是體積函數L(Rt)。從圖中可以看出，當熱流為常數時，預制棒的表面溫度隨預制棒的體積的增加而降低。此外，還應當理解，該表面溫度隨熱流的增加而升高。
在進行此處理時，為了通過使用方程6來保持預制棒表面溫度恒定，在此處理中的某一時刻t，由預制棒的旋轉速度(Rωt)和水平速度(vt)確定的軌跡速度(Vt)應滿足如下方程。
方程7 因此，某一時刻t的軌跡速度(Vt)結果滿足如下方程。
方程8Vt=vt2+(Rtωt)2=(H(ht)H(h0))(L(R0)L(Rt))vo2+(R0ω0)2]]>由于校正函數H(ht)和L(Rt)是根據產品種類和處理條件的不同而分別得到的，所以無法將它們表示為確切的公式，但這些函數優選落在如下范圍之內。
方程91≤H=(H(ht)H(h0))<1.5,--0.1<L=(L(R0)L(Rt))≤1]]>現在，描述根據本發明的實施方案使用上述方程控制預制棒的旋轉速度和水平速度的操作，該操作使得火焰水解物顆粒在預制棒上以均勻的沉積濃度沉積。
圖8是示出根據本發明制備光纖預制棒的設備的示意圖。參照圖8，該預制棒制備設備包括高溫等離子噴燈32，其安裝在與由石英制成的芯棒10相稱的位置，用于供應氧氣和燃氣，使得火焰水解物顆粒在預制棒11上沉積；預制棒旋轉單元40，其安裝在與噴燈32相稱的位置，用于旋轉芯棒(或預制棒)，使得火焰水解物顆粒在所述的芯棒上均勻地沉積；水平移動裝置41，其用于在水平方向上移動芯棒(或預制棒)或噴燈32，使得火焰水解物顆粒在芯棒10的長軸方向上均勻地沉積；噴燈垂直移動裝置42，其用于在垂直方向上移動噴燈32，以控制需沉積在預制棒11上的火焰水解物顆粒的尺寸；流量控制裝置30，其用于控制供應給噴燈32的燃氣和氧氣的供給速率；作為測量裝置的傳感器20，其用于測量預制棒11的半徑，該半徑隨火焰水解物顆粒在芯棒上的沉積而增加；以及過程控制裝置50，其用于根據傳感器20測量的半徑，計算預制棒的旋轉速度、噴燈的水平速度、燃氣的供給速率以及噴燈和預制棒之間的距離，并輸出計算得到的數值。
在此，當測量預制棒的半徑變化時，傳感器20的安裝優選是將光發射元件和光接受元件彼此面對面地分別安裝于該預制棒的兩側。此外，預制棒旋轉單元40、噴燈水平移動裝置41和噴燈垂直移動裝置42可以采用步進電動機或伺服電動機，以便根據輸入信號來移動預制棒或噴燈。
圖9a和9b是說明根據本發明制備預制棒的方法的流程圖。現在參照圖9a和9b描述如圖8所示設備的操作。
圖9a所示為本發明的一個實施方案，其中顯示了如何利用預制棒的旋轉速度和噴燈的水平速度來控制預制棒表面上一個點的軌跡速度的方法，以此可保持火焰水解物顆粒的沉積濃度恒定而不隨預制棒的半徑變化。在此，使用噴燈32和預制棒11之間的距離來控制沉積的顆粒的尺寸，這將在隨后加以描述。
首先，給過程控制裝置50輸入初始設置值(步驟S100)。該初始設置值包括預制棒的初始半徑(R0)、旋轉的初始角速度(ω0)、初始水平速度(v0)和燃氣的初始供給速率(h0)。
過程控制裝置50根據設置的初始值通過使用預制棒的旋轉速度(Rω0)和水平速度(v0)計算并存儲初始軌跡速度(V0)(步驟S110)。初始軌跡速度(V0)表示由預制棒表面上一個點劃出的軌跡的移動速度。為了計算初始軌跡速度(V0)，將預制棒的所述旋轉速度和水平速度代入方程3中。
隨著處理的進行，傳感器20探測預制棒11的半徑變化，然后給過程控制裝置50傳送一個即時半徑值(步驟S120)。
過程控制裝置50接收連續變化的所述半徑值，并基于該即時半徑值計算預制棒的即時軌跡速度(Vt)(步驟S130)。由于預制棒的半徑(R)隨處理的進行而逐漸增加，預制棒的旋轉速度和水平速度也增加，因此在處理過程中預制棒的所述軌跡速度也隨之增加。可以根據方程4計算預制棒逐漸增加的即時軌跡速度(Vt)，更優選使用方程8來計算即時軌跡速度(Vt)，在方程(8)中，可以輸入隨半徑的增加而變化的預制棒的體積和熱容的校正函數值。
在處理過程中根據半徑的變化計算所述軌跡速度后，過程控制裝置50將即時軌跡速度(Vt)與初始軌跡速度(V0)進行比較(步驟S140)。由于本實施方案的目的是保持火焰水解物顆粒的沉積濃度均勻，所以應保持預制棒的表面溫度恒定以便得到均勻的沉積濃度。因此，作為保持預制棒表面溫度均勻的條件，該實施方案保持預制棒的軌跡速度不隨預制棒半徑的增加而變化。
因此，在步驟S140中比較所述的軌跡速度之后，過程控制裝置50計算所需的預制棒旋轉速度(Rωt)和水平速度(vt)，以便使即時軌跡速度(vt)不背離所述的初始軌跡速度(步驟S150)。由于所述的軌跡速度是如方程3、4和8所示的預制棒旋轉速度和水平速度的組合，所以控制這兩個速度以保持該軌跡速度恒定。結果，由于預制棒的軌跡速度趨向于隨預制棒半徑的增加而逐漸增加，所以在本實施方案中相應地降低旋轉速度和噴燈的水平速度，以便保持軌跡速度恒定。
此后，過程控制裝置50根據計算得到的數值傳送控制信號(步驟S160)。換句話說，在所述的計算得到的數值中，分別給預制棒旋轉單元40傳送針對預制棒旋轉速度的控制值，給噴燈水平移動裝置41傳送針對水平速度的控制值。然后，預制棒旋轉單元40和噴燈水平移動裝置41根據所述的控制值調整旋轉速度和水平速度。
連續執行上述程序直至預制棒的半徑達到所需的數值。
圖9b所示為上述實施方案的變化形式，該變化形式用于控制軌跡速度以便使沉積在預制棒上的火焰水解物顆粒的濃度保持恒定。然而，在此變化形式中，改變了燃氣的供給速率，將該變化后的燃氣供給速率反映到對軌跡速度的控制。在此，使用噴燈和預制棒之間的距離來控制沉積的顆粒的尺寸，這將在隨后加以描述。
在此變化形式中，像前面的實施方案一樣，設置諸如預制棒的初始半徑(R0)、旋轉的初始角速度(ω0)、初始水平速度(v0)和燃氣的初始供給速率(h0)等初始設置數值，然后將其輸入到過程控制裝置50中(步驟S200)。
隨著處理的進行，傳感器20探測預制棒11的半徑變化，然后給過程控制裝置50傳送即時半徑值(步驟S210)。
過程控制裝置50接收連續變化的半徑數值，然后根據該即時半徑值計算燃氣的即時供給速率(ht)(步驟S220)。這時，由于燃氣的供給速率意味著與預制棒表面相接觸的熱流，所以可將預制棒的半徑(R)、預制棒的軌跡速度(Vo和Vt)、預制棒體積的變化(L(R))和燃氣的初始供給速率代入方程8，從而計算出燃氣的即時供給速率(ht)。
如果計算出了燃氣的即時供給速率，則過程控制裝置50給流量控制裝置30傳送所述的燃氣即時供給速率的計算值，然后流量控制裝置30根據從過程控制裝置50傳送過來的數值改變燃氣供給速率(步驟S230)。
由于預制棒表面溫度不僅依賴于燃氣供給速率而變化，還依賴于預制棒的軌跡速度而變化，所以過程控制裝置50根據變化了的燃氣供給速率和變化了的預制棒半徑計算出預制棒當前所需的軌跡速度(Vt)(步驟S240)。換句話說，通過將燃氣的初始供給速率(ho)和燃氣的即時供給速率(ht)代入方程8，得到校正函數H＝H(ht)/H(ho)的值，從而計算出即時軌跡速度(Vt)。
然后，過程控制裝置50計算與步驟S240中計算得到的軌跡速度相應的預制棒旋轉速度和水平速度(步驟S250)。由于該軌跡速度是預制棒的旋轉速度和水平速度的組合，所以通過將這兩個速度代入方程3或4中，可根據半徑(R)的變化，適當地計算得到旋轉速度(Rω)和水平速度(v)。
然后，過程控制裝置50根據計算得到的數值向每個設備傳送控制信號(步驟S260)。換句話說，在計算得到的數值中，分別給預制棒旋轉單元40傳送針對預制棒旋轉速度的控制值，并給噴燈水平移動裝置41傳送針對水平速度的控制值。然后，根據所述的控制值，預制棒旋轉單元40和噴燈水平移動裝置41分別調整旋轉速度和水平速度。
繼續該程序直到預制棒半徑達到所需的數值。
另一方面，在控制如上所述的預制棒旋轉速度(Rω)和水平速度(v)的同時，本發明還優選控制預制棒11和噴燈32之間的距離，從而使沉積在預制棒上的火焰水解物顆粒的尺寸保持恒定而不隨預制棒半徑而變化。于是，由過程控制裝置50進行控制，使預制棒和噴燈之間的距離保持其初始的距離。
為了更詳細地描述該控制處理，設置預制棒和噴燈之間的距離的初始值。如果開始所述的處理，傳感器20測量預制棒半徑的變化，并向過程控制裝置50輸入測量得到的數值。然后，過程控制裝置50根據預制棒變化后的半徑，計算保持預制棒和噴燈之間初始設置的距離所需的位移值。向噴燈垂直移動裝置42傳送計算得到的位移值，然后噴燈垂直移動裝置42將噴燈32垂直移動相當于該位移值的距離。
如果在制備預制棒時不調整預制棒11和噴燈32之間的距離，則沉積在預制棒上的諸如SiO2等火焰水解物顆粒將逐漸減少。在適當地與上述氧氣發生反應時，火焰水解物顆粒通常具有大約0.2～0.25μm的尺寸。然而，如果隨著預制棒半徑的增加預制棒11和噴燈32之間的距離沒有保持恒定，則沉積在預制棒上的火焰水解物顆粒的尺寸隨預制棒半徑的增加而減小，從而導致沉積濃度的減少。圖3a到3d所示為一個實施例，圖4所示為在燒結中由預制棒半徑增加導致的沉積濃度減少的結果。
圖10a到10d是示出在根據本發明的實施方案制備預制棒時，沉積濃度和沉積顆粒的尺寸隨預制棒半徑增加而發生的變化。在圖10a的情況中，根據本發明保持軌跡速度恒定，但不調整預制棒和噴燈之間的距離。如圖10b所示，盡管沉積在預制棒上的火焰水解物顆粒尺寸隨預制棒半徑的增加而逐漸減小，但不同于現有技術的是，沉積濃度并不顯著減少。在圖10c的情況中，根據本發明保持軌跡速度恒定，并且還調整預制棒和噴燈之間的距離保持恒定。在此情況中，如圖10d所示，盡管預制棒半徑增加，但保持沉積在預制棒上的火焰水解物顆粒尺寸恒定，沉積濃度也基本保持恒定。
此外，在隨著預制棒半徑增加而保持火焰水解物顆粒沉積濃度恒定的情況中，如圖11所示，在燒結預制棒時溫度梯度和燒結速度隨預制棒半徑而變化。例如，由于外部熱源和預制棒尺寸嚴重影響預制棒中的溫度梯度，所以盡管控制了沉積濃度和顆粒尺寸，但是溫度梯度改變不大。然而，相比圖4所示的現有技術的情況，燒結速度變得更加均勻。
圖12a到12d是在根據本發明的另一實施方案中，在沉積濃度隨預制棒半徑增加而沿向外方向增加的情況下，示出沉積濃度變化和火焰水解物顆粒尺寸變化的圖。在本實施方案中，為了增加向預制棒單位面積供應的熱流，隨著處理的進行，使預制棒表面上的一個點的軌跡速度(Vt)比初始軌跡速度(Vo)更慢，或者相對于燃氣的初始供給速率(ho)來增加燃氣的供給速率(ht)。
圖12a所示為保持軌跡速度恒定、燃氣供給速率增加但不調整預制棒和噴燈之間距離的情況。如圖12b所示，盡管火焰水解物顆粒的尺寸隨預制棒半徑的增加而減小，但是在預制棒半徑增加的同時，沉積濃度隨熱流的增加而增大。此外，圖12c所示為保持軌跡速度恒定、增加熱流并調整預制棒和噴燈之間距離使之保持恒定的情況。因此，在預制棒半徑增加時，沉積在預制棒上的火焰水解物顆粒尺寸保持恒定，并且在預制棒半徑增加的同時，熱流的增加導致了沉積濃度的增加，如圖12d所示。
根據本發明實施方案，在其火焰水解物顆粒沉積濃度隨預制棒半徑增加而增加的預制棒燒結時，溫度梯度和燒結速度沿預制棒半徑而改變，如圖13所示。換句話說，受燒結爐內壁產生的熱源的影響，預制棒中的溫度梯度沒有改變，但該預制棒中的燒結速度變得均勻。因此，可以大大縮短使溫度在整個預制棒中達到均勻所需的時間，并且由于燒結速度均勻，所以可以解決諸如裂紋或不完全玻璃化等許多問題。
現在，使用實驗例描述根據本發明在OVD法中控制待沉積的火焰水解物顆粒的方法。
實驗例1作為本發明實施方案的實際應用，可以得到以下處理條件，即為了使預制棒半徑增加30％而保持噴燈熱流恒定，以及為了使火焰水解物顆粒的尺寸變得均勻而在處理過程中保持預制棒和噴燈之間的距離恒定。對于供應的熱流來說，可以得到隨預制棒半徑的增加而變化的軌跡速度(Vt)，并根據所述的處理的特點適當地確定預制棒的旋轉速度(Rtωt)和水平速度(vt)。
表1
如果在保持實驗例1中的初始處理條件的同時增加半徑，則使用方程8根據預制棒半徑的增加計算軌跡速度，通過計算該軌跡速度而制得沉積濃度均勻的預制棒。見表1，應當理解從噴燈供應的熱流為常數1,000J/sec(焦/秒)，但軌跡速度從58.6m/sec(米/秒)變為46.64m/sec。根據本發明，應保持軌跡速度恒定。然而，由于預制棒的體積隨半徑的增加而改變，體積的校正值為0.8，所以使軌跡速度相對于初始軌跡速度降低。
實驗例2作為本發明的另一個實施方案的應用，在實驗例1的情況下，使燃氣的熱流增加20％，以便使預制棒的沉積濃度沿向外方向增加。本實驗例的處理條件如下表所示。
表2
在實驗例1中沉積濃度是均勻的，而實驗例2則不同，其中，通過使所供應的燃氣的熱流增加20％從而使預制棒的沉積濃度隨半徑的增加而相比實驗例1變高。例如，隨著半徑的增加，實際上軌跡速度的計算如下58.3×0.8×1.255.97m/sec。然而，在像實驗例1中保持軌跡速度恒定的情況下，增加熱流可以在預制棒的外部而不是內部增加沉積濃度，所以在燒結處理中可以增加燒結速度。
工業實用性預制棒的旋轉速度、預制棒和噴燈之間相對水平速度和燃氣的熱流是決定顆粒形成和沉積顆粒的濃度的關鍵因素。根據在OVD法中制備光纖預制棒的所述方法和設備，隨著預制棒的生長，通過控制預制棒的旋轉速度、預制棒和噴燈之間相對水平速度和燃氣的熱流，可以使沉積顆粒的濃度保持恒定或增加，從而有可能控制預制棒的燒結速度。此外，由于通過控制沉積顆粒的濃度和調整預制棒和噴燈之間的距離可以控制火焰水解物顆粒的尺寸，所以這樣不僅可增加預制棒的燒結速度，還可以防止在燒結處理中可能發生的不完全燒結和裂紋的生成。
已詳細描述了本發明。然而，應當理解，給出的詳細描述和具體實施例只是為了說明的用途，用于說明本發明的優選實施方案，而本領域的技術人員可以在不偏離本發明的精神和范圍的前提下根據該詳細的描述做出各種變動和修改。
權利要求
1.在OVD即外部氣相沉積法中制備光纖預制棒的方法，該方法通過在旋轉芯棒的表面上沉積由噴燈噴射的燃氣的反應生成的火焰水解物顆粒來制備光纖預制棒，其中，在沉積所述火焰水解物顆粒時，通過使所述的預制棒表面上一個點的軌跡速度保持恒定或逐漸減小，所述方法控制沉積在所述預制棒上的火焰水解物顆粒的沉積濃度保持恒定而不隨所述預制棒的半徑而變化，或者控制所述沉積濃度向所述預制棒的外圍方向逐漸增加。
2.如權利要求1所述的制備光纖預制棒的方法，其中，在沉積所述的火焰水解物顆粒時，逐漸減少所述預制棒旋轉的角速度，以使所述的軌跡速度保持恒定或逐漸減小。
3.如權利要求1所述的制備光纖預制棒的方法，其中，在沉積所述的火焰水解物顆粒時，逐漸減少所述的預制棒和所述的噴燈之間的相對水平速度，以使所述的軌跡速度保持恒定或逐漸減小。
4.如權利要求1所述的制備光纖預制棒的方法，其中，在沉積所述的火焰水解物顆粒時，逐漸增加與所述預制棒表面上一個點相接觸的燃氣的供給速率。
5.如權利要求1所述的制備光纖預制棒的方法，其中，在沉積所述的火焰水解物顆粒時，使所述的預制棒和所述的噴燈之間的距離保持恒定。
6.在外部氣相沉積法中制備光纖預制棒的方法，該方法通過在旋轉芯棒的表面上沉積由噴燈噴射的燃氣的反應生成的火焰水解物顆粒來制備光纖預制棒，所述的方法包括如下步驟(a)設置所述預制棒的初始半徑、旋轉的初始角速度、所述預制棒和所述噴燈之間的初始相對水平速度和所述噴燈的燃氣的初始供給速率；(b)通過使用所述初始半徑、旋轉的初始角速度和所述預制棒和所述噴燈之間的初始相對水平速度，計算所述的預制棒的表面上一個點的初始軌跡速度；(c)測量某一時刻t的預制棒的半徑，該半徑隨火焰水解物顆粒的沉積逐漸增加；(d)根據所述的時刻t的預制棒半徑計算所述的預制棒表面上一個點在所述時刻t的軌跡速度；和(e)控制所述預制棒旋轉的角速度和/或該預制棒和所述噴燈之間的相對水平速度，使所述的時刻t的軌跡速度等于或小于所述的初始軌跡速度。
7.如權利要求6所述的制備光纖預制棒的方法，其中，在制備所述的預制棒時，使所述預制棒和所述噴燈之間的距離保持恒定。
8.如權利要求6所述的制備光纖預制棒的方法，其中，在步驟(e)中，控制所述的預制棒旋轉的角速度和/或該預制棒與所述噴燈之間的相對水平速度，使得在所述的時刻t的軌跡速度滿足下式0.1Vo＜Vt≤Vo式中，Vt是所述的時刻t的軌跡速度，Vo是初始軌跡速度。
9.如權利要求6所述的制備光纖預制棒的方法，該方法還包括控制所述時刻t的燃氣供給速率的步驟，以使所述燃氣供給速率等于或大于所述的燃氣初始供給速率。
10.如權利要求9所述的制備光纖預制棒的方法，其中，在步驟(e)中，控制所述的預制棒旋轉的角速度和/或該預制棒與所述噴燈之間的相對水平速度，使得在所述的時刻t的軌跡速度滿足如下方程Vt＝HLVo式中，Vt是所述的時刻t的軌跡速度，Vo是初始軌跡速度，H是所述的時刻t的燃氣供給速率的校正函數，其中1≤H＜1.5，L是所述的時刻t的軌跡速度的校正函數，其中0.1＜L≤1。
11.在外部氣相沉積法中制備光纖預制棒的設備，該設備通過在旋轉芯棒上沉積火焰水解物顆粒來制備光纖預制棒，該設備包括預制棒旋轉單元，其用于旋轉在其上形成預制棒的芯棒；噴燈，其用于供應燃氣以生成所述的火焰水解物顆粒；噴燈水平移動裝置，其用于相對于所述的預制棒水平地移動所述的噴燈；與所述的噴燈連通的流量控制裝置，其用于控制燃氣的供給速率；半徑測量裝置，其用于測量所述預制棒的半徑，該半徑隨著所述的火焰水解物顆粒的沉積逐漸增加；和過程控制裝置，根據所述的半徑測量裝置測得的預制棒半徑，控制所述的預制棒旋轉單元和/或噴燈水平移動裝置。
12.如權利要求11所述的制備光纖預制棒的設備，其中，所述的過程控制裝置控制所述的預制棒旋轉單元旋轉的角速度和/或所述的噴燈水平移動裝置的水平速度，使得隨著所述的半徑測量裝置測得的預制棒半徑的增加，所述的預制棒表面上一個點的軌跡速度保持恒定或逐漸減小。
13.如權利要求12所述的制備光纖預制棒的設備，其中，所述的過程控制裝置控制所述的預制棒旋轉單元旋轉的角速度和/或所述的水平噴燈的水平速度，使得在所述的時刻t的軌跡速度滿足下式0.1Vo＜Vt≤Vo式中，Vt是所述的時刻t的軌跡速度，Vo是初始軌跡速度。
14.如權利要求11所述的制備光纖預制棒的設備，其中，所述的過程控制裝置控制所述的流量控制裝置，以便使所述的燃氣供給速率隨所述的半徑測量裝置測得的預制棒半徑的增加而增加。
15.如權利要求14所述的制備光纖預制棒的設備，其中，所述的過程控制裝置控制所述的預制棒旋轉單元旋轉的角速度和/或所述的水平噴燈的水平速度，使得在所述的時刻t的軌跡速度滿足如下方程Vt＝HLVo式中，Vt是所述的時刻t的軌跡速度，Vo是初始軌跡速度，H是所述的時刻t的燃氣供給速率的校正函數，其中1≤H＜1.5，L是所述的時刻t的軌跡速度的校正函數，其中0.1＜L≤1。
全文摘要
本發明公開了在OVD(外部氣相沉積)法中，通過在旋轉芯棒的表面上沉積火焰水解物顆粒來制備光纖預制棒的方法，該顆粒由噴燈噴射的燃氣反應生成。在本方法和設備中，在沉積所述火焰水解物時，通過使所述的預制棒表面上一個點的軌跡速度保持恒定或逐漸減小，從而控制沉積在所述預制棒上的火焰水解物顆粒的沉積濃度保持恒定而不隨所述預制棒的半徑變化，或者控制沉積濃度向所述預制棒的外圍方向逐漸增加。
文檔編號C03B37/014GK1606534SQ03801778
公開日2005年4月13日 申請日期2003年9月30日 優先權日2002年10月17日
發明者李奉勛, 樸贊容 申請人:Lg電線有限公司