[发明专利]一种VAD法制备光纤预制棒的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种VAD法制备光纤预制棒的装置及方法，属于光纤制造技术领域。

背景技术

目前公知的光纤预制棒的制造工艺，典型的有管内法气相沉积工艺，如MCVD（modified chemical vapor deposition）改进化学气相沉积工艺和PCVD（plasma chemical vapor deposition）等离子体激发化学气相沉积法；以及管外法气相沉积工艺，如OVD（outside vapor deposition）外部气相沉积工艺和VAD（vapor axial deposition）外部轴向沉积工艺。

管内法气相沉积工艺，如PCVD工艺，采用SiCl4，GeCl4，O2等化学原料，通入高纯石英衬管内，利于微波源提供能量，激发等离子，发生化学反应，生成SiO2、GeO2等，沉积于管壁，后经过熔缩，得到实心芯棒，该工艺使用高纯硅锗料，高纯石英管材，原料成本较高；而且沉积速率受到管径的限制，很难得到有效提高，不利于产能的提高。

相比之下，管外沉积法，如VAD工艺，采用火焰氢化反应，生产SiO2、GeO2粉末，在预定的靶棒上进行沉积。在稳定可控的腔体气流条件下，通过控制火焰喷灯的位置，调整各反应气体用量，可沉积得到外径均匀的光纤预制棒粉棒。粉棒经过烧结，可得到大尺寸光纤预制棒。在沉积的过程中，通过控制通入GeCl4的用量，可调整折射率分布，拉丝后可得到各种不同用途的光纤。

VAD工艺过程在反应腔体内进行，将沉积靶棒固定在旋转卡盘上，匀速旋转。喷灯组件由芯层喷灯和多个包层喷灯组成。喷灯中心位置为料管，沉积时持续喷射出SiCl4/GeCl4/O2等混合气体；喷灯外围为H2/O2喷孔，点燃。调整各气体用量，可发生氢化反应，生产SiO2、GeO2等粉状物。

VAD工艺中粉棒生长的稳定性非常重要，它不仅是高沉积速率、大尺寸预制棒制备的前提，还决定了烧结后预制棒芯棒的轴向均匀性，也即是芯层直径，芯层折射率等沿棒长方向的一致性。芯棒均匀性差，必然会导致芯棒拉丝后出现一定比例的模场直径、截止波长不合格的光纤，增加了生产成本。影响生长稳定性的主要因素有：芯层、包层喷灯的位置及角度设置；各化学气体（包括硅锗料、氢气、氧气等）用量；腔体气流状态等。前两方面通过沉积参数的设定及调整可以很方便的实现；而腔体气流的稳定性受到抽风系统和气流的影响，较为复杂，很难保证长时间稳定。

SiCl4及GeCl4的水化反应生成大量的粉末，大部分被收集到靶棒上，其余一部分被抽风系统抽走，剩余一部分则残留在腔体内，附着于腔体内壁上。稳定的气流有利于将腔体内未收集下来的SiO2粉末及时排走，避免SiO2颗粒在腔体内壁附着，以减小粉状颗粒再次飘落到粉棒上面，造成其他芯棒缺陷；另一方面，稳定的气流有利于保持氢氧焰火焰的稳定，火焰与粉棒芯层及包层接触位置相对固定，有利于粉棒稳定生长。

反应腔体内气流的具体状况、是否平稳与腔体设计密切相关。早期的腔体设计方面已经有大量的尝试。如增加气体通入量，增加导流板（JP01-242431，JP02-2836321，US4740226，etc），该方式有利于整体腔体内的气流稳定性，同时减少未捕获粉尘颗粒附着在腔体内壁的几率，但当抽风压力发生波动时，气流也会变得不稳定，必然会影响生长的稳定性。

美国专利US7082791中，使用挡板的方式，将直接吹向Soot棒沉积区域的风挡住，目的是使该部分的火焰不受影响，同时减小沉积颗粒被带走的记录，提高收集率。但是被挡住区域压力较低，也会形成一定程度的涡流，影响火焰的稳定性，影响Soot棒的沉积。

Soot棒沉积过程中，芯层作为预制棒芯棒的核心，其生长状态至关重要，直接影响到芯棒的关键参数，如芯棒剖面，芯径及折射率沿棒长方向分布等。在整个反应腔体内壁压力很难保证稳定的情况下，控制芯层沉积区域的稳定成为反应腔体研究的关键。

为避免气流紊乱给芯层沉积带来影响，美国专利US7082791中用一定尺寸的隔板将芯层沉积部分单独分割开来，与包层沉积分开。腔体一分为二，之间有一定的间隙，腔体供风及排风管道处于腔体的上半部分，气流基本不会影响到芯层的沉积，芯层沉积产生的废气及未收集的粉尘从间隙排入到腔体上半部分的排气通道。这种方式下，上下两部分的压力不一样，可能导致在隔板间隙位置形成气流的扰动，芯层火焰由于没有辅助供风，本身稳定性下降；芯层沉积区域产生的未被搜集的SIO2颗粒附着在隔板顶部的几率很大，很容易在沉积过程中掉落到粉棒芯层部分的表面，导致缺陷的形成。

发明内容