一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置及其制造光纖預(yù)制芯棒方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置及其制造光纖預(yù)制芯棒方法，尤其涉及在改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工藝中，通過(guò)在高溫下控制沉積基管外徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)基管軸向外徑變化的修正、外徑均勻性的維持、以及圓度的維持，從而保證軸向和徑向沉積速率的均勻性，使得制作的芯棒以及拉制的光纖有均勻的徑向和軸向幾何特性和折射率剖面。包括原料供給管道、旋轉(zhuǎn)接頭、卡盤、石英基管、氫氧焰噴燈、外徑測(cè)量?jī)x、廢渣收集盒和氮?dú)夤艿溃辉瞎┙o管道與旋轉(zhuǎn)接頭相連接，安置于化學(xué)氣相沉積車床卡盤上的石英基管中，外徑測(cè)量?jī)x安裝于氫氧焰噴燈的基座上，廢渣收集盒安置于化學(xué)氣相沉積車床卡盤上的末端，氮?dú)夤艿肋B接在廢渣收集盒上。
【專利說(shuō)明】一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置及其制造光纖預(yù)制芯棒方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置及其制造光纖預(yù)制芯棒方法，尤其涉及在改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工藝中，通過(guò)在高溫下控制沉積基管外徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)基管軸向外徑變化的修正、外徑均勻性的維持、以及圓度的維持，從而保證軸向和徑向沉積速率的均勻性，使得制作的芯棒以及拉制的光纖有均勻的徑向和軸向幾何特性和折射率剖面。 【背景技術(shù)】
[0002]光纖預(yù)制棒的制造方法主要有四種:外部氣相沉積法(0VD)、軸向氣相沉積法(VAD)、改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD，F(xiàn)CVD),以及等離子體化學(xué)氣相沉積法(PCVD)。它們可單獨(dú)作為制作光纖預(yù)制棒的方法或者兩者相互結(jié)合或與其它方法相結(jié)合制作光纖預(yù)制棒。
[0003]光纖是將光纖預(yù)制棒置于熔爐中加熱后拉成一定外徑的細(xì)絲，再在細(xì)絲表面涂覆兩層或多層涂料而制成的。
[0004]改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD，F(xiàn)CVD)工藝，又稱作管內(nèi)法，是一種將氣相原料化學(xué)反應(yīng)的生成物沉積在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的玻璃管內(nèi)部的方法。在這種工藝中，一根玻璃管被裝夾于玻璃車床上。氣相原料混合物被通入玻璃管中，熱源(氫氧火焰或熔爐)沿管子往返移動(dòng)，使原料在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使沉積在管內(nèi)壁的反應(yīng)生成物玻璃化。熱源沿管子每往返移動(dòng)，就生成一層玻璃。制造一根光纖預(yù)制棒芯棒需沉積10~250層。芯棒制作中，可以通過(guò)改變沉積過(guò)程中原料的成分實(shí)現(xiàn)漸變或階躍折射率變化，從而得到設(shè)計(jì)的折射率剖面。沉積結(jié)束后在高溫下將玻璃管熔縮成實(shí)心光纖預(yù)制芯棒。然后將實(shí)心芯棒與套管組成預(yù)制棒，或者在實(shí)心芯棒表面再沉積外包層形成預(yù)制棒，最后在拉絲塔上拉絲。
[0005]在管內(nèi)法制造光纖預(yù)制棒的工藝中，原料氣體SiCl4、GeCl4、P0Cl3、氣態(tài)氟化物，氧氣、氦氣、氯氣等需要在1500~2050°C高溫下才能反應(yīng)形成化學(xué)生成物和玻璃化。由于使用的玻璃管通常壁厚較薄，長(zhǎng)時(shí)間外部熱源的高溫加熱很容易造成玻璃管徑向的變形和塌陷，從而造成玻璃管不圓度以及軸向外徑的不均勻性的增大。玻璃管幾何特性的惡化將影響玻璃管內(nèi)的溫度分布的軸向和徑向均勻性，改變?cè)蠚怏w的反應(yīng)效率和生成物的沉積效率。最終導(dǎo)致光纖預(yù)制棒芯棒幾何尺寸以及折射率剖面徑向上的不對(duì)稱性和與軸向上的不均勻性。進(jìn)而影響預(yù)制棒拉制成光纖的光學(xué)參數(shù)與幾何參數(shù)控制，例如:光纖模場(chǎng)直徑，PMD，芯層不圓度，芯包同心度等。所以在運(yùn)行中有必要保持玻璃管內(nèi)有I~5Torr正壓以減小和避免玻璃管的變形。
[0006]為了保證玻璃管內(nèi)壓力高于外部壓力，傳統(tǒng)管內(nèi)法沉積工藝通常在玻璃管末端廢渣盒內(nèi)通入恒定流量的穩(wěn)定氣體，如氮?dú)?，但不限于氮?dú)?。也有通過(guò)調(diào)整穩(wěn)定氣體的流量保持玻璃管內(nèi)外有I~5T0rr正壓。這兩種方法雖然基本保證了沉積過(guò)程中玻璃管圓度，但是沒有完全解決玻璃管外徑軸向的不均勻性問(wèn)題。[0007]因此，在改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD，F(xiàn)CVD)制造光纖預(yù)制棒工藝中，如何維持與修正沉積的玻璃管外徑，從而間接地使玻璃管徑向的不對(duì)稱性與軸向的不均勻性，以及玻璃管內(nèi)的加熱溫度，原料氣體的反應(yīng)效率和生成物的沉積效率得到有效的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的是所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于基管外徑維持與修正外徑均勻性控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置及其制造光纖預(yù)制芯棒方法，它不僅基本消除了實(shí)心光纖預(yù)制棒芯棒不圓度與軸向外徑的不均勻性，而且提高原材料的利用效率，降低了成本；還增加了拉制光纖用光纖預(yù)制芯棒的有效長(zhǎng)度，改善光纖成品合格率。
為了以下敘述方便，將本發(fā)明所涉及到的術(shù)語(yǔ)解釋如下:
預(yù)制棒:是由芯層和包層組成的徑向折射率分布符合光纖設(shè)計(jì)要求可拉制成所設(shè)計(jì)光纖的玻璃棒或組合體；
基管:管狀的基底管，符合一定幾何要求的摻氟或者純石英玻璃管；基管又稱為石英基管。
[0009]沉積:光纖原材料在一定的環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成摻雜的石英玻璃的工藝過(guò)程;
熔縮:將沉積后的空心玻璃管在一定的熱源下逐漸燒成實(shí)心玻璃棒的工藝過(guò)程； 芯棒:含有芯層和部分包層的預(yù)制件；
套管:滿足一定截面積和尺寸均勻性的純石英玻璃管；
折射率差(Sn):光纖預(yù)制棒中某一部分的折射率與純石英玻璃折射率的差；
正向移動(dòng):噴燈從玻璃管進(jìn)氣端向出氣端運(yùn)行。玻璃管拋光，腐蝕，和沉積總是發(fā)生在正向移動(dòng)。
[0010]反向移動(dòng):噴燈從玻璃管出氣端運(yùn)行到進(jìn)氣端。在玻璃管拋光，腐蝕，和沉積過(guò)程中，玻璃管不需要加熱，噴燈高速完成反向移動(dòng)。
[0011]往返:完成一次正向移動(dòng)和一次反向移動(dòng)。
[0012]步驟:一個(gè)步驟可以包括一個(gè)或多個(gè)往返。在一個(gè)步驟中，各個(gè)往返的原料氣體的流量可以不同但是閥門的狀態(tài)是不變的。
[0013]一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置及其制造光纖預(yù)制芯棒方法是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置包括原料供給管道、卡盤、旋轉(zhuǎn)接頭、石英基管、氫氧焰噴燈、外徑測(cè)量?jī)x、廢渣收集盒和氮?dú)夤艿馈?br> [0014]原料供給管道與旋轉(zhuǎn)接頭相連接，安置于化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床卡盤上的石英基管中，各種所需氣體通過(guò)原料供給管道輸入。在氫氧焰噴燈中噴出的氫氧火焰高溫作用下，石英基管中的原料發(fā)生反應(yīng)并沉積在石英基管的內(nèi)壁上。外徑測(cè)量?jī)x安裝于氫氧焰噴燈的基座上，用于實(shí)時(shí)測(cè)量石英基管的外徑。廢渣收集盒安置于化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床卡盤上的末端，收集石英基管內(nèi)未沉積的原料氣體。氮?dú)夤艿肋B接在廢渣收集盒上。
[0015]所述石英基管作為沉積基底管，其長(zhǎng)度為500~1500mm，外徑為20~40mm，壁厚為I~4mm η[0016]一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的方法包括如下步驟:
I)石英基管裝夾:將石英基管4安置于化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床卡盤上，再將石英基管一端與進(jìn)氣尾管對(duì)接，另一端與廢渣尾管對(duì)接。裝夾時(shí)進(jìn)氣尾管與旋轉(zhuǎn)接頭連接，廢渣尾管與廢渣盒連接。
[0017]2)拋光與內(nèi)壁腐蝕:將氧氣、含氟氣體和氯氣組成混合氣體通入石英基管中，在氫氧焰作用下含氟氣體分解并與石英基管內(nèi)壁發(fā)生反應(yīng)，溫度為1700~200(TC，往返I~5次對(duì)石英基管進(jìn)行火焰拋光，腐蝕，同時(shí)可以將石英基管外徑修正到設(shè)定值。在正向移動(dòng)中外徑測(cè)量?jī)x隨著氫氧焰噴燈一起移動(dòng)，移動(dòng)速度為50~200mm/min，每隔3~5mm測(cè)量并記錄下基管的實(shí)際外徑數(shù)據(jù)。將石英基管設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之間的偏差以及偏差隨著往返次數(shù)增加的累積誤差，根據(jù)偏差和記錄積累誤差計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定值為20~60L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)拋光和腐蝕過(guò)程中，實(shí)時(shí)不間斷地減小基管外徑測(cè)試值和設(shè)置值之間的偏差。再在反向移動(dòng)中計(jì)算出正向移動(dòng)的基管的平均外徑。
[0018]3)沉積與玻璃化:根據(jù)光纖的設(shè)計(jì)將沉積過(guò)程分為一個(gè)或多個(gè)步驟。每一個(gè)步驟包含往返10~250個(gè)往返次數(shù)。將SiCl4、GeCl4, POCl3、氧氣、氦氣、氯氣以及含氟氣體組成混合氣體通入基管，混合氣體總量為2000~5000mL/min，在1600~2050°C溫度下發(fā)生反應(yīng)，生成物沉積在石英基管內(nèi)壁上并玻璃化。每一個(gè)步驟按照其第一個(gè)往返的石英基管平均外徑，并基于每次往返基管外徑改變?cè)O(shè)定值為0.01~0.2mm，計(jì)算出每次往返需要控制的石英基管外徑設(shè)定值。同時(shí)，在正向移動(dòng)中外徑測(cè)量?jī)x隨著氫氧焰噴燈一起移動(dòng)，移動(dòng)速度為50~200mm/min，每隔3~5mm測(cè)量并記錄下石英基管實(shí)際外徑數(shù)據(jù)。將石英基管設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之間的偏差以及偏差隨著往返次數(shù)增加的累積誤差，根據(jù)偏差和記錄積累誤差計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定為20~60L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)石英基管沉積過(guò)程中，實(shí)時(shí)不間斷地減小石英基管外徑測(cè)試值和設(shè)置值之間的偏差。
[0019]4)熔縮:沉積過(guò)程完成后，在石英基管中通入氧氣與氯氣組成的混合氣體，混合氣體的流量為1000~4000mL/min，在高溫2200~2450°C下進(jìn)行熔縮處理。為了避免石英基管的不圓度增大，熔縮過(guò)程通常需要3~8個(gè)往返，同時(shí)保證管內(nèi)有-0.5Torr~0.5Torr壓力。為了減小芯層中心由于鍺的揮發(fā)而形成的中心凹陷，需要在芯棒中心孔徑收縮到2~5_，通入氧氣與含氟氣體組成的混合氣體，混合氣體的流量為100~200mL/min，對(duì)中心孔壁進(jìn)行腐蝕I~2次，最終在高溫2200~2450°C下進(jìn)行熔縮成實(shí)心的光纖預(yù)制芯棒。除了最后一次熔縮必須在反向移動(dòng)中完成，其余的熔縮既可以在正向移動(dòng)也可以在反向移動(dòng)完成。
[0020]本發(fā)明光纖預(yù)制芯棒制作方法中基于基管外徑維持與修正控制原理如下:
基于基管外徑維持與修正控制，每次基管外表溫度1600~2100°C正向移動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)不間斷地根據(jù)基管外徑實(shí)測(cè)值和設(shè)置值之間的偏差和積累誤差給出相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定值?？刂谱畲蟮奶攸c(diǎn)是運(yùn)用向前反饋控制原理，計(jì)算和記錄每一個(gè)位置的積累誤差并用于下一個(gè)往返的同一位置，迅速地減小軸向的不均勻性。實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定值的計(jì)算公式如下:
制作一根芯棒共有步驟:Total_St印當(dāng)前步驟:S=PHTotalStep 一個(gè)步驟共有往返次數(shù)(Pass): Total_pass 當(dāng)前的往返次數(shù)是=P=PHTotalpass 當(dāng)前的噴燈的位置是:Z 當(dāng)前的外徑測(cè)試值:OD (Z)
菜單預(yù)設(shè)值
外徑測(cè)試點(diǎn)和玻璃管高溫變形點(diǎn)之間的距離:L 氮?dú)獾念A(yù)設(shè)值N2_set (S，P，Z)
每一個(gè)往返外徑改變量:dD (S)
外徑預(yù)設(shè)值0D_ recipe (S)
一個(gè)步驟中第一個(gè)正向移動(dòng)實(shí)測(cè)外徑平均值:0D_first 上個(gè)步驟中最后一個(gè)正向移動(dòng)實(shí)測(cè)外徑平均值:0D_last 外徑設(shè)置值:根據(jù)不同的控制有3種不同方法計(jì)算設(shè)定值:
A: 0D_set (S, P) =0D_recipe (S).用于以下 2 種情況: i:菜單第一個(gè)步驟的第一個(gè)往返。
[0021]i1:需要在高溫下將外徑修正到一個(gè)確定的值。
[0022]B: 0D_set (S, P) =0D_last,用于一下 2 種情況 1:只有一個(gè)往返的步驟(除第一個(gè)步驟)
?:含有多個(gè)往返的步驟的第一個(gè)往返 C:對(duì)于含有多個(gè)往返的步驟，從第二個(gè)往返開始:
0D_set(P) = 0D_first - (P_l)*dD (S)
外徑偏差:err (Z)= 0D_set (P)-OD (Z-L)
上個(gè)往返在該位置的積累偏差err_sum(P-l, Z)
比例常數(shù)B，積分常數(shù)J
總誤差:dE(Z) = err (Z) + errsum(P-l, Z)/J
外徑變化極限:MaxdD= B * D_set
氮?dú)庾兓瘶O限:dN2Max
氮?dú)庾兓?
如果 dE(Z) >MaxdD, dN2=dN2Max 如果 dE(Z)〈 -MaxdD, dN2=-dN2Max 否則 dN2 = (dE (Z) / MaxdD) * dN2Max 氮?dú)馐褂弥凳?
N2_out (S, P, Z) = N2_set (S, P, Z) + dN2
積累誤差值:err_Sum (P, Z) =err_Sum(P-l, Z) +err (Z)
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
I) 一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置與傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床相比，本發(fā)明是一種改進(jìn)化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床，新添加外徑測(cè)量?jī)x，用于記錄噴燈正向移動(dòng)中石英基管實(shí)際外徑，為石英基管外徑維持與修正控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2)沉積開始前拋光與內(nèi)壁腐蝕，降低或甚至消除石英基管內(nèi)壁的羥基含量；
3)沉積過(guò)程中，通過(guò)石英基管外徑設(shè)定值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)比較，計(jì)算出兩者之間的偏差以及偏差隨著往返次數(shù)增加的累積誤差，根據(jù)偏差和記錄積累誤差計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定為20~60L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)石英基管沉積過(guò)程中，實(shí)時(shí)不間斷地減小基管外徑測(cè)試值和設(shè)置值之間的偏差；
4)通過(guò)基于基管外徑維持與修正控制，消除光纖預(yù)制芯棒不圓度同時(shí)大大改進(jìn)了光纖預(yù)制芯棒軸向幾何特性與折射率剖面的特性；
5)芯棒熔縮過(guò)程中，當(dāng)芯棒中心孔徑收縮到2~5_時(shí)，通入氧氣與含氟氣體組成的混合氣體，混合氣體的流量為50~200mL/min，對(duì)中心孔壁進(jìn)行腐蝕I~2次，保證了芯棒最中間部分的質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
圖1是傳統(tǒng)方法所采用的化學(xué)氣相沉積(MCVD)設(shè)備的示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明方法所采用的改進(jìn)化學(xué)氣相沉積(MCVD)設(shè)備的示意圖。 [0025]圖3是本發(fā)明基管外徑不均性隨著沉積次數(shù)增加逐次被修正后的對(duì)比圖。
[0026]圖4是本發(fā)明基管外徑基于氮?dú)饪刂婆c外徑控制對(duì)比圖。
[0027]圖中:1、原料供給管道，2、旋轉(zhuǎn)接頭，3、卡盤，4、石英基管，5、氫氧焰噴燈，6、外徑測(cè)量?jī)x，7、廢渣收集盒，8、氮?dú)夤艿馈?br> 【具體實(shí)施方式】
[0028]參照附圖1~4，一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置包括原料供給管道1、卡盤3、旋轉(zhuǎn)接頭2、石英基管4、氫氧焰噴燈5、外徑測(cè)量?jī)x6、廢渣收集盒7和氮?dú)夤艿?。
[0029]原料供給管道I與旋轉(zhuǎn)接頭2相連接，安置于化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床卡盤上的石英基管4中，各種所需氣體通過(guò)原料供給管道輸入。在氫氧焰噴燈5中噴出的氫氧火焰高溫作用下，石英基管4中的原料發(fā)生反應(yīng)并沉積在石英基管4的內(nèi)壁上。外徑測(cè)量?jī)x6安裝于氫氧焰噴燈5的基座上，用于實(shí)時(shí)測(cè)量石英基管4的外徑。廢渣收集盒7安置于MCVD車床卡盤3上的末端，收集石英基管4內(nèi)未沉積的原料氣體。氮?dú)夤艿?連接在廢渣收集盒7上。
[0030]所述石英基管4作為沉積基底管，其長(zhǎng)度為500~1500mm，外徑為20~40mm，壁厚為I~4mm。
[0031]下面結(jié)合附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置及其制造光纖預(yù)制芯棒方法:
本發(fā)明所涉及的MCVD光纖預(yù)制芯棒制造設(shè)備示意圖如圖2所示，其中原料供給管道I與旋轉(zhuǎn)接頭2相連接，安置于化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床卡盤3上的石英基管4中，各種所需氣體通過(guò)原料供給管道I輸入。在氫氧焰噴燈5高溫作用下，石英基管4中的原料發(fā)生反應(yīng)并沉積在石英基管4前方的內(nèi)壁上。外徑測(cè)量?jī)x6安裝于氫氧焰噴燈5的基座上，用于實(shí)時(shí)測(cè)量石英基管4的外徑。廢渣收集盒7安置于化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床卡盤3上的末端，收集石英基管4內(nèi)未沉積的原料氣體和粉末。氮?dú)夤艿?連接在廢渣收集盒7上。
[0032]一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒方法包括如下步驟:
I)石英基管裝夾:將石英基管4安置于化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床卡盤3上，再將石英基管4 一端與進(jìn)氣尾管對(duì)接，另一端與廢渣尾管對(duì)接。裝夾時(shí)進(jìn)氣尾管與旋轉(zhuǎn)接頭2連接，廢渣尾管與廢渣盒7連接。
[0033]2)拋光與內(nèi)壁腐蝕:將氧氣、含氟氣體和氯氣組成混合氣體通入管中，在氫氧焰作用下含氟氣體分解并與基管4內(nèi)壁發(fā)生反應(yīng)，溫度為1700~200(TC，往返I~5次對(duì)石英基管4進(jìn)行火焰拋光，腐蝕，同時(shí)可以將石英基管4外徑修正到設(shè)定值。在正向移動(dòng)中外徑測(cè)量?jī)x6隨著氫氧焰噴燈5 —起移動(dòng)，移動(dòng)速度為50~200mL/min，每隔3~5mm測(cè)量并記錄下石英基管4的實(shí)際外徑數(shù)據(jù)。將石英基管4設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之間的偏差以及偏差隨著往返次數(shù)增加的累積誤差，根據(jù)偏差和記錄積累誤差計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定值為20~60L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)拋光和腐蝕過(guò)程中，實(shí)時(shí)不間斷地減小石英基管4外徑測(cè)試值和設(shè)置值之間的偏差。在反向移動(dòng)中計(jì)算出正向移動(dòng)的石英基管4的平均外徑。
[0034]3)沉積與玻璃化:根據(jù)光纖的設(shè)計(jì)將沉積過(guò)程分為一個(gè)或多個(gè)步驟。每一個(gè)步驟包含往返10~250個(gè)往返次數(shù)。將SiCl4、GeCl4, POCl3、氧氣、氦氣、氯氣以及含氟氣體組成混合氣體通入石英基管4，混合氣體總量為2000~5000mL/min，在1600~2050°C溫度下發(fā)生反應(yīng)，生成物沉積在石英基管4內(nèi)壁上并玻璃化。每一個(gè)步驟按照其第一個(gè)往返的石英基管4平均外徑，并基于每次往返石英基管4外徑改變?cè)O(shè)定值為0.01~0.2mm,計(jì)算出每次往返需要控制的石英基管4外徑設(shè)定值。同時(shí)，在正向移動(dòng)中外徑測(cè)量?jī)x6隨著氫氧焰噴燈5 —起移動(dòng)，移動(dòng)速度為50~200mm/min，每隔3~5mm測(cè)量并記錄下石英基管4實(shí)際外徑數(shù)據(jù)。將石英基管 4設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之間的偏差以及偏差隨著往返次數(shù)增加的累積誤差，根據(jù)偏差和記錄積累誤差計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定為20~60L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)石英基管4沉積過(guò)程中，實(shí)時(shí)不間斷地減小石英基管4外徑測(cè)試值和設(shè)置值之間的偏差。
[0035]4)熔縮:沉積過(guò)程完成后，在石英基管4中通入氧氣與氯氣組成的混合氣體，混合氣體的流量為1000~4000mL/min，在高溫2200~2450°C下進(jìn)行熔縮處理。為了避免石英基管4的不圓度增大，熔縮過(guò)程通常需要3~8個(gè)往返，同時(shí)保證管內(nèi)有-0.5Torr~0.5Torr壓力。為了減小芯層中心由于鍺的揮發(fā)而形成的中心凹陷，需要在芯棒中心孔徑收縮到2~5_，通入氧氣與含氟氣體組成的混合氣體，混合氣體的流量為100~200mL/min，對(duì)中心孔壁進(jìn)行腐蝕I~2次，最終在高溫2200~2450°C下進(jìn)行熔縮成實(shí)心的光纖預(yù)制芯棒。除了最后一次熔縮必須在反向移動(dòng)中完成，其余的熔縮既可以在正向移動(dòng)也可以在反向移動(dòng)完成。
[0036]實(shí)施例:
選用Heraeus F320-08石英基管4作為沉積基底管，外徑31.7mm,內(nèi)徑26.3mm,長(zhǎng)度1200mm,并將石英基管安置于化學(xué)氣相沉積(MCVD)車床卡盤3上。
[0037]將氧氣、SF6、氯氣組成混合氣體通入石英基管4中。在正向移動(dòng)中，在氫氧焰作用下與石英基管4內(nèi)壁發(fā)生反應(yīng)，溫度為1850°C，進(jìn)行火焰拋光及腐蝕，氫氧焰噴燈5往返I次。同時(shí)，外徑測(cè)量?jī)x6隨著氫氧焰噴燈5 —起移動(dòng)，正向移動(dòng)速度為145mm/min，外徑測(cè)量?jī)x6的測(cè)量點(diǎn)距尚氫氧焰噴燈5中心45mm。外徑設(shè)置值31.7mm。每隔3mm測(cè)量并記錄下石英基管4的實(shí)際外徑數(shù)據(jù)，在氫氧焰噴燈5反向移動(dòng)計(jì)算出石英基管4的平均外徑31.7mm。
[0038]將SiCl4、GeCl4、P0Cl3、氧氣、氦氣、氯氣與SF6組成混合氣體通入石英基管4，混合氣體總量為4500mL/min。正向移動(dòng)中，在1885°C溫度下發(fā)生反應(yīng)，石英基管4內(nèi)壁上沉積并玻璃化形成折射率凹陷層，氫氧焰噴燈5往返10次。在第一個(gè)往返中采用上一步驟中計(jì)算出的石英基管4平均外徑作為外徑設(shè)置值，在其余的往返中基于第一個(gè)往返外徑的平均值每次往返石英基管4外徑減少0.02mm,計(jì)算出每次往返需要控制的石英基管4外徑設(shè)定值。同時(shí)，外徑測(cè)量?jī)x6隨著氫氧焰噴燈5 —起移動(dòng)，正向移動(dòng)速度為145mm/min，每隔3mm測(cè)量并記錄下石英基管4實(shí)際外徑數(shù)據(jù)。將石英基管4設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之差與兩者之差隨著往返次數(shù)增加累積誤差，從而給出相應(yīng)的氮?dú)饪刂乒艿?中實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定為40~50L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)在石英基管4折射率凹陷層沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繉?shí)時(shí)地修正石英基管4外徑使得外徑的測(cè)量值和設(shè)置值之間的差趨近于零。
[0039]將SiCl4、GeCl4、氧氣、氦氣、氯氣與SF6組成混合氣體通入石英基管4，混合氣體總量為4500mL/min。正向移動(dòng)中，在1990°C溫度下發(fā)生反應(yīng)，石英基管4內(nèi)壁上沉積并玻璃化形成包層，氫氧焰噴燈5往返13次。在第一個(gè)往返中采用上一步驟中氫氧焰噴燈5最后一次往返計(jì)算出的石英基管4平均外徑作為外徑設(shè)置值，在其余的往返中基于第一個(gè)往返外徑的平均值并基于每次往返石英基管4外徑減少0.1mm，計(jì)算出每次往返需要控制的石英基管4外徑設(shè)定值。同時(shí)，外徑測(cè)量?jī)x6隨著氫氧焰噴燈5 —起移動(dòng)，正向移動(dòng)速度為145mm/min，每隔3_測(cè)量并記錄下石英基管4實(shí)際外徑數(shù)據(jù)。將石英基管4設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之差與兩者之差隨著往返次數(shù)增加累積誤差，調(diào)節(jié)相應(yīng)的比例與積分參數(shù)，從而給出相應(yīng)的氮?dú)饪刂乒艿?中實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定為50~60L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)在石英基管4包層沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繉?shí)時(shí)地修正石英基管4外徑使得外徑的測(cè)量值和設(shè)置值之間的差趨近于零。
[0040]將SiCl4、GeCl4、氧氣、氦氣、氯氣組成混合氣體通入石英基管4，混合氣體總量為4500mL/min，在2040°C溫度下發(fā)生反應(yīng)，石英基管4內(nèi)壁上沉積并玻璃化形成芯層，氫氧焰噴燈5往返14次。在第一個(gè)往返中采用上一步驟中氫氧焰噴燈5最后一次往返計(jì)算出的石英基管4平均外徑作為外徑設(shè)置值，在其余的往返中基于第一個(gè)往返外徑的平均值，并基于每次往返石英基管4外徑減少0.1_，計(jì)算出每次往返需要控制的石英基管4外徑設(shè)定值。同時(shí)，外徑測(cè)量?jī)x6隨著氫氧焰噴燈5 —起移動(dòng)，正向移動(dòng)速度為145mm/min，每隔3mm測(cè)量并記錄下石英基管4實(shí)際外徑數(shù)據(jù)。將石英基管4設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之差與兩者之差隨著往返次數(shù)增加累積誤差，調(diào)節(jié)相應(yīng)的比例與積分參數(shù)，從而給出相應(yīng)的氮?dú)饪刂乒艿?中實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定為50~60L/min，通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繉?shí)時(shí)地修正石英基管4外徑使得外徑的測(cè)量值和設(shè)置值之間的差趨近于零。
[0041]沉積過(guò)程完成后，在石英基管4中通入氧氣與氯氣組成的混合氣體，混合氣體流量為2500mL/min，在高溫2200~2450°C下進(jìn)行熔縮處理。為了避免石英基管的不圓度變大，熔縮過(guò)程分5次往返，同時(shí)控制氮?dú)饬髁勘ＷC管內(nèi)有O~0.2Torr壓力。為了減小芯層中心由于鍺的揮發(fā)而形成的中心凹陷，需要在預(yù)制芯棒中心孔徑收縮到2_，通入氧氣與SF6組成的混合氣體，混合氣體流量為150mL/min，對(duì)中心孔壁進(jìn)行腐蝕2次，最終在高溫2450 V下進(jìn)行熔縮成實(shí)心的光纖預(yù)制芯棒
選用羥基含量小于或等于Ippm的合適尺寸的石英套管與實(shí)心的光纖預(yù)制芯棒組合成預(yù)定要求的光纖預(yù)制棒。將光纖預(yù)制棒安置在拉絲設(shè)備上，在2050°C左右的高溫下，將其拉絲成玻璃包層直徑為125 μ m,內(nèi)涂層直徑為190 μ m，外涂層直徑為245 μ m的光纖。該光纖的部分技術(shù)指標(biāo)如表1所示:
【權(quán)利要求】
1.一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置，其特征在于:包括原料供給管道、旋轉(zhuǎn)接頭、卡盤、石英基管、氫氧焰噴燈、外徑測(cè)量?jī)x、廢渣收集盒和氮?dú)夤艿? 原料供給管道與旋轉(zhuǎn)接頭相連接，安置于化學(xué)氣相沉積車床卡盤上的石英基管中，各種所需氣體通過(guò)原料供給管道輸入，在氫氧焰噴燈中噴出的氫氧火焰高溫作用下，石英基管中的原料發(fā)生反應(yīng)并沉積在石英基管的內(nèi)壁上，外徑測(cè)量?jī)x安裝于氫氧焰噴燈的基座上，用于實(shí)時(shí)測(cè)量石英基管的外徑，廢渣收集盒安置于化學(xué)氣相沉積車床卡盤上的末端，收集石英基管內(nèi)未沉積的原料氣體，氮?dú)夤艿肋B接在廢渣收集盒上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于基管外徑修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的裝置，其特征在于:所選石英基管其長(zhǎng)度為500~1500mm,外徑為20~40mm,壁厚為I~4mm。
3.一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的方法，其特征在于:包括如下步驟: 石英基管裝夾:將石英基管安置于化學(xué)氣相沉積車床卡盤上，再將石英基管一端與進(jìn)氣尾管對(duì)接，另一端與廢渣尾管對(duì)接，裝夾時(shí)進(jìn)氣尾管與旋轉(zhuǎn)接頭連接，廢渣尾管與廢渣盒連接； 拋光與內(nèi)壁腐蝕:將氧 氣、含氟氣體和氯氣組成混合氣體通入管中，在氫氧焰作用下含氟氣體分解并與石英基管內(nèi)壁發(fā)生反應(yīng)，溫度為1700~2000°C，往返I~5次對(duì)基管進(jìn)行火焰拋光，腐蝕，同時(shí)可以將石英基管外徑修正到設(shè)定值，在正向移動(dòng)中外徑測(cè)量?jī)x隨著氫氧焰噴燈一起移動(dòng)，移動(dòng)速度為50~200mm/min，每隔3~5mm測(cè)量并記錄下基管的實(shí)際外徑數(shù)據(jù)，將石英基管設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之間的偏差以及偏差隨著往返次數(shù)增加的累積誤差，根據(jù)偏差和記錄積累誤差計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定值為20~60L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)拋光和腐蝕過(guò)程中，實(shí)時(shí)不間斷地減小石英基管外徑測(cè)試值和設(shè)置值之間的偏差，再在反向移動(dòng)中計(jì)算出正向移動(dòng)的石英基管的平均外徑； 沉積與玻璃化:根據(jù)光纖的設(shè)計(jì)將沉積過(guò)程分為一個(gè)或多個(gè)步驟，每一個(gè)步驟包含往返10~250個(gè)往返次數(shù)，將SiCl4、GeCl4、POCl3、氧氣、氦氣、氯氣以及含氟氣體組成混合氣體通入石英基管，混合氣體總量為2000~5000mL/min，在1600~2050°C溫度下發(fā)生反應(yīng)，生成物沉積在石英基管內(nèi)壁上并玻璃化，每一個(gè)步驟按照其第一個(gè)往返的石英基管平均外徑，并基于每次往返石英基管外徑改變?cè)O(shè)定值為0.01~0.2mm,計(jì)算出每次往返需要控制的石英基管外徑設(shè)定值，同時(shí)，在正向移動(dòng)中外徑測(cè)量?jī)x隨著氫氧焰噴燈一起移動(dòng)，移動(dòng)速度為50~200mm/min，每隔3~5mm測(cè)量并記錄下石英基管實(shí)際外徑數(shù)據(jù)，將石英基管設(shè)定外徑值與實(shí)際外徑數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出兩者之間的偏差以及偏差隨著往返次數(shù)增加的累積誤差，根據(jù)偏差和記錄積累誤差計(jì)算出相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制氮?dú)饬髁吭O(shè)定為20~60L/min，來(lái)實(shí)現(xiàn)石英基管沉積過(guò)程中，實(shí)時(shí)不間斷地減小石英基管外徑測(cè)試值和設(shè)置值之間的偏差； 熔縮:沉積過(guò)程完成后，在基管中通入氧氣與氯氣組成的混合氣體，混合氣體的流量為1000~4000mL/min，在高溫2200~2450°C下進(jìn)行熔縮處理，為了避免基管的不圓度增大，熔縮過(guò)程通常需要3~8個(gè)往返，同時(shí)保證管內(nèi)有-0.5Torr~0.5Torr壓力，為了減小芯層中心由于鍺的揮發(fā)而形成的中心凹陷，需要在芯棒中心孔徑收縮到2~5_，通入氧氣與含氟氣體組成的混合氣體，混合氣體的流量為100~200mL/min，對(duì)中心孔壁進(jìn)行腐蝕I~2次，最終在高溫2200~2450°C下進(jìn)行熔縮成實(shí)心的光纖預(yù)制芯棒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于基管外徑維持與修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的方法，其特征在于:除了最后一次熔縮必須在反向移動(dòng)中完成，其余的熔縮既可以在正向移動(dòng)也可以在反向移動(dòng)完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于基管外徑修正控制制造光纖預(yù)制芯棒的方法，其特征在于:所選石英基管長(zhǎng)度為500~1500mm，外徑為20~40mm，壁厚為1~4mm。
【文檔編號(hào)】C03B37/018GK103922579SQ201410154694
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】徐希凱, 錢本華, 蔣新力, 陳金文, 周慧 申請(qǐng)人:中天科技精密材料有限公司