[发明专利]制备光纤预制棒的环形等离子体射流法和装置

说明书

相关申请的交叉参考

本申请是2003年8月01日提交的美国专利申请号10/631,720的部 分继续申请。

发明领域

本发明涉及光纤的制备，更特别是涉及材料使用等离子炬的沉积 和烧结。

问题

自从至少二十世纪70年代早期以来，已经制备了商业数量的光 纤。已知制备方法的一个实例是首先制备圆柱形预制棒(preform)，一 般由二氧化硅材料制备，然后将预制棒加热至粘稠状态，把它拉成纤 维。构成预制棒的二氧化硅材料通常与选择的化学物质混合，以赋予 期望的光学性能的横截面特性，尤其是关于折射率的光学性能。

Keck的美国专利(USP)第3,737,292号和Blankenship的美国专利第 3,932,162号描述的用于制备预制棒的一种实施例方法是外气相沉积 法(OV)。Izawa等的美国专利第4,062,665和4,224,046号均描述了通过 气相轴向沉积法(VAD)制备预制棒的已知方法的其它实例。

用于制备预制棒的已知方法的再一个实例是例如由Geittner等的 美国专利第4,741,747和4,857,091号两者描述的等离子体化学气相沉 积法(PCVD)。PCVD从薄壁的起动器管开始，该管在旋床内旋转，且 化学物质流过管内部。微波源产生非等温的等离子体，该等离子体诱 导多相化学反应，以在管的内表面上形成非常薄的玻璃层。重复该层 直至获得累积的期望厚度，于是该管塌陷成预制棒。该多相反应限制 玻璃沉积的速率，即沉积速率。PCVD法在预制棒尺寸上也具有限制。

例如，由Miller的美国专利第3,982,916号、MacChesney等的美国 专利第4,217,027号、Fleming等的美国专利第5,000,771号和Partus等的 美国专利第5,397,372和5,692,087号描述的改进的化学气相沉积 (MCVD)法，是用于制备预制棒的另外已知方法。

典型的MCVD法从将二氧化硅或石英管安装至旋床的可旋转卡 盘上开始。根据旋床的构造，管的纵轴是垂直或水平的。用旋床安排 化学释放系统，当它旋转时，该化学释放系统将不同的化学混合物注 入管的一端。为了沉积材料，当注入化学物质时，氧-氢化学火炬或等 离子炬沿旋转管的长度穿越(traversed)。火炬的穿越通常按化学物质流 动的下游方向穿过管内部。火炬火焰在管内部的区域内形成热条件。 热条件促进流过该区域的混合物内的化学反应。化学反应产生颗粒状 反应产物，例如二氧化硅SiO₂和二氧化锗GeO₂。通过化学混合物流动， 使这些反应产物在管内向下传送，且沉积在加热区下游的内表面上。 火炬在化学混合物流动的下游方向上移动，且当它到达已经沉积反应 产物的管区域时，它的热量具有两个效应。一个是加热内部导致在那 个区域内在化学物质流动中的上述反应，该反应如上所述进一步向下 游传递。另一个效应是当火炬位于上游时，它加热和熔化反应沉积的 反应产物，使反应产物熔化转化成二氧化硅玻璃。

当火炬已经穿越管的整个长度时，在管的内表面上形成二氧化硅 玻璃层。然后将火炬移回至其起始位置，且当化学物质注入管内部时 再沿长度穿越。这在通过先前的穿越沉积的二氧化硅玻璃层之上形成 另一个二氧化硅玻璃层。重复该过程，直至在管的内部上形成二氧化 硅层的所需厚度。然后将管加热并塌陷成为预制棒的固体棒。然后， 将预制棒加热并拉成光纤。

在MCVD中，基本化学过程是使用热源，以诱导均相的化学反应， 以形成灰粒，灰粒沉积在化学流的下游，且当热源在沉积区域内移动 时熔合成玻璃层。工艺条件需要在管内层流。沉积灰粒的主要驱动力 是依赖于反应区和管壁的温差的热泳力(thermophoretic force)。见例 如，Walker等，Journal of Colloid and Interface Science第69卷第1期， 第138页(1979年)，Walker等，Journal of the American Ceramic Society 第63卷第9/10期，第552页(1980年)，Simpkins等，Journal of Applied Physics第50卷第9期，第5676页(1979年)。