專(zhuān)利名稱(chēng)：制造光纖基體的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積(MCVD)法制造光纖預(yù)制件的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
MCVD法是這樣的方法其中通過(guò)使用沿著石英玻璃管的長(zhǎng)度方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的熱源加熱石英玻璃管，同時(shí)將至少含有玻璃原料的氣體從該石英玻璃管的一端輸入到石英玻璃管中，從而將玻璃層沉積在石英玻璃管的內(nèi)表面上。其中以上述方式沉積了玻璃層的石英玻璃管經(jīng)過(guò)塌縮，就可以得到光纖預(yù)制件。在這種情況下，這種光纖預(yù)制件可以是可被直接拉制成光纖的預(yù)制件，或者可以是在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理(在其外表面上合成玻璃材料或者研磨其外周表面)之后能夠被拉制成光纖的預(yù)制件。
在按照MCVD法制造預(yù)制件的工藝過(guò)程中，當(dāng)使用熱源加熱被輸送到石英玻璃管中的原料氣體時(shí)，在加熱位置上反應(yīng)生成的玻璃煙塵在該加熱位置的下游附著在石英玻璃管的內(nèi)表面上，從而形成玻璃煙塵層。因此，從石英玻璃管的原料氣體導(dǎo)入側(cè)的加熱起始端開(kāi)始，玻璃煙塵的沉積量逐漸增多，并且從某個(gè)位置開(kāi)始其沉積量達(dá)到穩(wěn)定。玻璃煙塵層經(jīng)過(guò)加熱而燒結(jié)成為玻璃層。
隨著玻璃煙塵的沉積量增多，燒結(jié)玻璃煙塵層時(shí)所產(chǎn)生的收縮力也增大。在燒結(jié)玻璃煙塵層時(shí)，石英玻璃管的原料氣體導(dǎo)入側(cè)(其中玻璃煙塵沉積量小)上的收縮力與排氣側(cè)(其中玻璃煙塵沉積量大)上的明顯不同。玻璃煙塵層的收縮力隨著處于石英玻璃管的位置不同而變化，這使得石英玻璃管的收縮行為不一致，并導(dǎo)致以下缺陷石英玻璃管的外徑在長(zhǎng)度方向上不一致，被沉積在石英玻璃管中的玻璃層的厚度在長(zhǎng)度方向上不均勻。
因此，關(guān)于按照MCVD法制造預(yù)制件的工藝，人們已經(jīng)提出了多種建議。例如，所建議的技術(shù)方案之一是，為了控制石英玻璃管，通過(guò)調(diào)節(jié)被輸入到緩沖室(被設(shè)置在石英玻璃管的排氣側(cè))中的緩沖氣體的量而對(duì)石英玻璃管施加內(nèi)壓，使其與收縮力達(dá)到平衡，并且使石英玻璃管不產(chǎn)生收縮(參見(jiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。另一種技術(shù)是，控制由石英玻璃管排放的氣體量，從而控制石英玻璃管的內(nèi)壓(參見(jiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)2)，并且另一種技術(shù)是，將惰性氣體與原料氣體一起從石英玻璃管的原料氣體導(dǎo)入側(cè)輸入到石英玻璃管中，從而可以通過(guò)調(diào)節(jié)惰性氣體的輸入量來(lái)控制石英玻璃管的內(nèi)壓(參見(jiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)3)。石英玻璃管的內(nèi)壓是指石英玻璃管的絕對(duì)內(nèi)壓與大氣壓之間的壓差，即表壓。
在近期的一種按照MCVD法制造光纖預(yù)制件的工藝中，要求將玻璃煙塵以高沉積速率(沉積速率超過(guò)0.5g/分鐘)沉積到薄壁(壁厚不超過(guò)5mm)的石英玻璃管內(nèi)，從而提高預(yù)制件的生產(chǎn)率。在這種情況下，由于石英玻璃管的管壁薄，因此它容易變形。由于被沉積的玻璃煙塵較厚，所以位于石英玻璃管的兩端的玻璃煙塵層的收縮力的差異變得很大。結(jié)果，預(yù)制件外徑的精度明顯下降。當(dāng)為了保持管的尺度均一性而調(diào)節(jié)管的內(nèi)壓來(lái)對(duì)抗收縮力時(shí)，兩端的內(nèi)壓之差大幅度增加到5倍或更高。因此，為了防止外徑精度下降，就必須擴(kuò)大石英玻璃管的內(nèi)壓的調(diào)節(jié)范圍并提高調(diào)節(jié)速度。
但是，專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2和3所公開(kāi)的技術(shù)不能完全滿(mǎn)足上述擴(kuò)大石英玻璃管的內(nèi)壓的調(diào)節(jié)范圍并提高調(diào)節(jié)速度的要求。例如，在專(zhuān)利文獻(xiàn)1和2的技術(shù)中，如果試圖擴(kuò)大石英玻璃管的內(nèi)壓的調(diào)節(jié)范圍并提高調(diào)節(jié)速度，則在用來(lái)控制緩沖氣體的輸入量和氣體排放量的裝置被設(shè)置成靈敏地響應(yīng)石英玻璃管的內(nèi)壓變化的情況下，石英玻璃管的內(nèi)壓不能趨向于目標(biāo)適當(dāng)值，這是因?yàn)樵谡{(diào)節(jié)之后，石英玻璃管的內(nèi)壓變成對(duì)目標(biāo)適當(dāng)值的過(guò)度響應(yīng)的值，因此內(nèi)壓被立即重新調(diào)節(jié)以消除與該過(guò)度響應(yīng)的值相對(duì)應(yīng)的壓力差。因此，由于石英玻璃管的內(nèi)壓發(fā)生波動(dòng)，可能會(huì)產(chǎn)生形狀不好的石英玻璃管。另外，當(dāng)管的內(nèi)壓快速下降時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由煙塵回流而造成的故障。
專(zhuān)利文獻(xiàn)3的技術(shù)具有另外的問(wèn)題原料氣體的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率以及玻璃煙塵的沉積效率可能會(huì)發(fā)生改變，這是因?yàn)閷?duì)惰性氣體的流速的調(diào)節(jié)使得與惰性氣體一起輸送的原料氣體的流速發(fā)生變化。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.56-45845專(zhuān)利文獻(xiàn)2日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.59-217633專(zhuān)利文獻(xiàn)3日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.2002-274861發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決的問(wèn)題本發(fā)明提供制造光纖預(yù)制件的方法和設(shè)備，在按照MCVD法制造光纖預(yù)制件的工藝過(guò)程中，該方法和設(shè)備可以防止石英玻璃管的收縮波動(dòng)、并且可以連續(xù)地進(jìn)行符合要求的生產(chǎn)。
解決問(wèn)題的措施為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種制造光纖預(yù)制件的方法。該方法包括在石英玻璃管中沉積玻璃層的步驟，在該步驟中，使用在石英玻璃管的長(zhǎng)度方向上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的熱源從外部加熱該石英玻璃管，同時(shí)將至少含有玻璃原料的氣體輸入石英玻璃管中。在這種方法的沉積步驟中，將一個(gè)或多個(gè)排氣部分和一個(gè)或多個(gè)緩沖氣體導(dǎo)入部分分別與所述石英玻璃管相連接，并且對(duì)由排氣部分排放的氣體量或者被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行反饋控制，并且按照與石英玻璃管上的加熱位置相對(duì)應(yīng)的流速模式，對(duì)由排氣部分排放的氣體量和被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少另一個(gè)量進(jìn)行模式控制。
在這種情況下，可以這樣進(jìn)行反饋控制可以通過(guò)測(cè)量石英玻璃管的內(nèi)壓來(lái)控制由排氣部分排放的氣體量和被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少一個(gè)量，從而使測(cè)得的內(nèi)壓與對(duì)每個(gè)加熱位置設(shè)定的目標(biāo)值達(dá)到一致?？晒┻x用的另一種方式是，可以這樣進(jìn)行反饋控制通過(guò)測(cè)量每個(gè)加熱位置附近的石英玻璃管的尺度，可以控制由排氣部分排放的氣體量和被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少一個(gè)量，從而使石英玻璃管的測(cè)量尺度可以達(dá)到預(yù)定的尺度。
在后一種情況下，可以預(yù)先計(jì)算出石英玻璃管的內(nèi)壓最佳值(該值可以使測(cè)量尺度與預(yù)定的目標(biāo)值達(dá)到一致)，并且可以控制石英玻璃管的內(nèi)壓使其與計(jì)算出的最佳值達(dá)到一致。所述尺度可以是石英玻璃管的外徑、內(nèi)徑和壁厚中的至少一者。
玻璃層的沉積速率可以等于或大于0.5g/分鐘，并且在石英玻璃管的內(nèi)壓的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，最大值與最小值之比可以為2倍或2倍以上。而且，在沉積玻璃層之后，石英玻璃管的外徑沿長(zhǎng)度方向的波動(dòng)量可以等于或小于±1mm。并且，石英玻璃管的內(nèi)壓的變化速率可以是每秒-50Pa到每秒+50Pa，并且石英玻璃管的內(nèi)壓等于或小于+20Pa的持續(xù)時(shí)間可以不到2秒。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種光纖預(yù)制件制造設(shè)備。該設(shè)備包括氣體供應(yīng)系統(tǒng)，用于將至少含有玻璃原料的氣體從石英玻璃管的一端輸入該石英玻璃管中；排氣部分和緩沖氣體導(dǎo)入部分(至少具有排氣部分)，其總數(shù)為兩個(gè)或兩個(gè)以上，所有這些部分都被連接到石英玻璃管的另一端；熱源，其在石英玻璃管的長(zhǎng)度方向上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)；位置檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)熱源在石英玻璃管上的加熱位置；第一控制裝置，用于按照與加熱位置相對(duì)應(yīng)的流速模式，對(duì)由排氣部分排放的氣體量或者被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行控制；以及第二控制裝置，用于對(duì)由排氣部分排放的氣體量和被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少另一個(gè)量進(jìn)行反饋控制。
所述設(shè)備還可以包括壓力測(cè)量裝置(用于測(cè)量石英玻璃管的內(nèi)壓)，并且第二控制裝置可以反饋控制由排氣部分排放的氣體量或者被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少一個(gè)量，使得石英玻璃管的內(nèi)壓可以與對(duì)每個(gè)加熱位置設(shè)定的目標(biāo)值達(dá)到一致。作為可供選用的其它方式，該設(shè)備還可以包括尺度測(cè)量裝置(用于測(cè)量石英玻璃管在熱源的每個(gè)加熱位置附近的尺度)，并且第二控制裝置可以反饋控制由排氣部分排放的氣體量和被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少另一個(gè)量，使得由尺度測(cè)量裝置測(cè)得的石英玻璃管的尺度可以與該管的預(yù)定目標(biāo)尺度達(dá)到一致。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)即使是在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)石英玻璃管的內(nèi)壓時(shí)，本發(fā)明的光纖預(yù)制件制造方法和設(shè)備也能使石英玻璃管的內(nèi)壓快速趨向于目標(biāo)值，而不會(huì)引起調(diào)節(jié)操作的過(guò)度響應(yīng)。因此，即使是在薄壁的石英玻璃管中以高沉積速率沉積玻璃層時(shí)，也可以防止石英玻璃管的收縮波動(dòng)，從而連續(xù)地進(jìn)行符合要求的生產(chǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的第一實(shí)施方案的示意圖；圖2是根據(jù)第一實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的控制單元的操作框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的第二實(shí)施方案的示意圖；圖4是根據(jù)第二實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的控制單元的操作框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的第三實(shí)施方案的示意圖；圖6是根據(jù)第三實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的控制單元的操作框圖；圖7(a)和7(b)示出以管的內(nèi)壓的目標(biāo)值和測(cè)量值以及緩沖氣體的流速對(duì)加熱位置所作的圖，其中圖7(a)是對(duì)比例1的圖，圖7(b)是對(duì)比例2的圖；圖8示出以實(shí)施例1中的管的內(nèi)壓的目標(biāo)值和測(cè)量值以及緩沖氣體的流速對(duì)加熱位置所作的圖；圖9示出以實(shí)施例2中的管的內(nèi)壓的目標(biāo)值和測(cè)量值以及緩沖氣體的流速對(duì)加熱位置所作的圖；圖10示出以表1所示的管的內(nèi)壓的最大值/最小值之比對(duì)沉積速率所作的圖；圖11示出以表2所示的各個(gè)例子中的玻璃管外徑的波動(dòng)值對(duì)沉積速率所作的圖；圖12示出以表2所示的各個(gè)例子中的玻璃棒直徑的波動(dòng)值對(duì)沉積速率所作的圖；圖13示出采用實(shí)施例4中的石英玻璃管內(nèi)壓的變化上限作為參數(shù)，以石英玻璃管的外徑值對(duì)該石英玻璃管的長(zhǎng)度方向上的位置所作的圖。
附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明1光纖預(yù)制件制造設(shè)備3石英玻璃管5，6玻璃管9支撐臺(tái)11緩沖室13熱源14輔助熱源15壓力計(jì)17排氣部分21第一緩沖氣體導(dǎo)入部分21b流速控制裝置22第二緩沖氣體導(dǎo)入部分22b流速控制裝置25位置檢測(cè)裝置27控制單元27a第一控制裝置27b第二控制裝置29煙塵31煙塵收集單元33玻璃層101光纖預(yù)制件制造設(shè)備117流速控制裝置
201光纖預(yù)制件制造設(shè)備227控制單元227a第一控制裝置227b最佳壓力計(jì)算單元227c第二控制裝置230尺度測(cè)量裝置231CCD照相機(jī)232圖像分析處理裝置實(shí)施本發(fā)明的最佳方式下面將參考

本發(fā)明的實(shí)施方式。附圖用于解釋?zhuān)皇怯脕?lái)限制本發(fā)明。在附圖中，為了避免重復(fù)解釋?zhuān)嗤母綀D標(biāo)號(hào)表示相同的部分。附圖中的尺度比例不必準(zhǔn)確。
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的示意圖。在根據(jù)第一實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備1中，通過(guò)MCVD法在石英玻璃管的內(nèi)圓周表面上沉積玻璃層，從而形成光纖預(yù)制件。設(shè)備1包括支撐臺(tái)9，其分別通過(guò)支撐用玻璃管5和6來(lái)支撐圓筒狀石英玻璃管3的兩端。在圖1中，石英玻璃管3是沿長(zhǎng)度方向水平設(shè)置的，但石英玻璃管3也可以被垂直設(shè)置。支撐臺(tái)9具有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖中未示出)，用于使石英玻璃管3繞其中心軸旋轉(zhuǎn)。
光纖預(yù)制件制造設(shè)備1包括原料氣體供應(yīng)系統(tǒng)(圖中未示出)，用于將玻璃原料氣體從石英玻璃管3的一端(圖1中的左端)輸入石英玻璃管3中；緩沖室11，其與石英玻璃管3的另一端相連；熱源13，其裝在支撐臺(tái)9上，使得它可以沿石英玻璃管3的長(zhǎng)度方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以用于加熱石英玻璃管3；壓力計(jì)15，用于測(cè)量石英玻璃管3的內(nèi)壓；第一緩沖氣體導(dǎo)入部分21和第二緩沖氣體導(dǎo)入部分22以及排氣部分17，它們通過(guò)緩沖室11連接到石英玻璃管3的另一端；位置檢測(cè)裝置25，用于檢測(cè)熱源13在石英玻璃管3上的加熱位置；以及控制單元27，用于控制被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分21和22中的氣體量，以將石英玻璃管3的內(nèi)壓控制在所需的數(shù)值。
從原料氣體供應(yīng)系統(tǒng)輸送到石英玻璃管3的一端的氣體含有作為玻璃原料氣體的鹵化物(如SiCl4、GeCl4、POCl3、SiF4等)和硅氧烷(如(CH3)6-Si2O等)；以及作為載氣的氧氣、氦氣等。緩沖室11的設(shè)置是以用于調(diào)節(jié)石英玻璃管3的內(nèi)壓的。煙塵收集單元31被連接到緩沖室11的底部，用于回收這樣的煙塵29，該煙塵從石英玻璃管3的末端排放到緩沖室11中而未被附著到石英玻璃管3的內(nèi)圓周表面上。
熱源13是燃燒器，其使用火焰13a(例如氫氧火焰或等離子體火焰)將石英玻璃管3加熱到預(yù)定溫度。也可以使用爐子(例如感應(yīng)電爐或電阻爐)或者激光器(例如CO2激光器)作為熱源。在第一實(shí)施方案中，還裝有輔助熱源14，用于加熱玻璃管6，從而防止煙塵被附著到支撐用玻璃管6(位于石英玻璃管3的另一端)上。被支撐在支撐臺(tái)9上的石英玻璃管3沿箭頭F所示的方向旋轉(zhuǎn)，從而使熱源13均勻地加熱管3的整個(gè)圓周。在第一實(shí)施方案中，控制原料氣體的供應(yīng)以及熱源13的加熱操作，使得玻璃層的沉積速率等于或大于0.5g/分鐘。
壓力計(jì)15是壓力測(cè)量裝置，其通過(guò)檢測(cè)緩沖室11(與石英玻璃管3相通)的內(nèi)壓來(lái)間接測(cè)量石英玻璃管3的內(nèi)壓。用壓力計(jì)15測(cè)量的石英玻璃管3的內(nèi)壓值被傳輸?shù)娇刂茊卧?7，以用于反饋控制。
與緩沖室11相連的排氣部分17包括排氣管17a，其與緩沖室11連通；以及排氣控制閥17b，用于通過(guò)調(diào)節(jié)排氣管17a的開(kāi)度來(lái)控制由緩沖室11排放的氣體量。第一緩沖氣體導(dǎo)入部分21和第二緩沖氣體導(dǎo)入部分22分別具有被裝在管線(xiàn)21a和22a的中間位置上的流速控制裝置21b和22b，管線(xiàn)21a和22a與緩沖室11相通?？梢酝ㄟ^(guò)流速控制裝置21b和22b，將供應(yīng)給管線(xiàn)21a和22a并輸送到緩沖室11中的壓力調(diào)節(jié)用緩沖氣體的量分別控制在所需的流速。供應(yīng)給各管線(xiàn)21a和22a的緩沖氣體是例如氧氣或惰性氣體。
在第一實(shí)施方案中，位置檢測(cè)裝置25(被裝在熱源13上)測(cè)量從石英玻璃管3的一端到熱源13的水平距離，由此檢測(cè)在石英玻璃管3上被熱源13加熱的加熱位置H1。由位置檢測(cè)裝置25檢測(cè)到的加熱位置H1被傳輸?shù)娇刂茊卧?7。
圖2是根據(jù)第一實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的控制單元的操作框圖?？刂茊卧?7包括第一和第二控制裝置27a和27b?？刂茊卧?7還收集有以下數(shù)據(jù)石英玻璃管3的內(nèi)壓與管的尺度變化之間的關(guān)系、以及石英玻璃管3的內(nèi)壓與其氣體輸入量之間的關(guān)系。另外，控制單元27還具有這樣的計(jì)算模式，該計(jì)算模式可以基于上述數(shù)據(jù)計(jì)算出保證石英玻璃管對(duì)于每個(gè)加熱位置H1都具有適當(dāng)內(nèi)壓的氣體輸入量。
第一控制裝置27a從位置檢測(cè)裝置25接收到熱源13的加熱位置H1的信息。并且，根據(jù)基于計(jì)算模式對(duì)各個(gè)加熱位置H1所確定的流速模式，第一控制裝置27a通過(guò)流速控制裝置21b控制從第一緩沖氣體導(dǎo)入部分21輸入緩沖室11中的氣體量。在與第一控制裝置27a不同的系統(tǒng)中，第二控制裝置27b基于計(jì)算模式對(duì)每個(gè)加熱位置H1計(jì)算出石英玻璃管3的內(nèi)壓目標(biāo)值，并通過(guò)流速控制裝置22b控制被輸送到緩沖室11中的氣體量，從而使石英玻璃管3的內(nèi)壓測(cè)量值(由壓力計(jì)15輸出該值)可以與目標(biāo)值達(dá)到一致。
在光纖預(yù)制件制造設(shè)備1中，熱源13從外部加熱石英玻璃管3，同時(shí)將玻璃原料從石英玻璃管3的一端輸入石英玻璃管3中，從而使玻璃層33沉積在石英玻璃管3的內(nèi)表面。在此沉積過(guò)程中，從緩沖氣體導(dǎo)入部分21和22輸入到緩沖室11中的氣體量由第一控制裝置進(jìn)行模式控制，并由第二控制裝置進(jìn)行反饋控制，從而通過(guò)控制單元27將石英玻璃管3的內(nèi)壓控制到預(yù)定值。模式控制非常有利于快速地在寬范圍內(nèi)改變加給石英玻璃管3的內(nèi)壓。反饋控制非常有利于細(xì)微精確地調(diào)節(jié)石英玻璃管3的內(nèi)壓。
因此，通過(guò)結(jié)合性質(zhì)不同的模式控制和反饋控制，可以控制石英玻璃管的內(nèi)壓，并使其趨向于目標(biāo)適當(dāng)值，從而即使是在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)石英玻璃管3的內(nèi)壓時(shí)，也不會(huì)引起調(diào)節(jié)操作的過(guò)度響應(yīng)。因此，即使是在薄壁的石英玻璃管3中以高沉積速率沉積玻璃層33時(shí)，也可以連續(xù)地進(jìn)行符合要求的生產(chǎn)，同時(shí)可以防止石英玻璃管3的尺度波動(dòng)。
將其內(nèi)圓周表面上已經(jīng)沉積了預(yù)定厚度的玻璃層的石英玻璃管3進(jìn)一步加熱，通過(guò)塌縮而形成實(shí)心棒，從而成為光纖預(yù)制件。在這種實(shí)心化過(guò)程中，可以使石英玻璃管直接收縮而成為實(shí)心棒，或者可以使石英玻璃管3塌縮，而與之前已插入管3的空腔中的玻璃棒一體化。
在第一實(shí)施方案中，石英玻璃管3的內(nèi)壓由裝在緩沖室11上的壓力計(jì)15直接測(cè)量。但是，也可以將壓力計(jì)15裝在排氣部分17，或者裝在石英玻璃管3的原料氣體導(dǎo)入側(cè)一端，或者類(lèi)似位置。例如，當(dāng)壓力計(jì)15被裝在排氣部分17時(shí)，石英玻璃管3的內(nèi)壓可以通過(guò)與排氣部分的壓力進(jìn)行相對(duì)比較而間接確定。
在第一實(shí)施方案中，通過(guò)調(diào)節(jié)被輸入緩沖室11中的氣體量，來(lái)控制石英玻璃管3的內(nèi)壓。但是，也可以調(diào)節(jié)由排氣部分17排放的氣體量，或者可以既調(diào)節(jié)排氣量又調(diào)節(jié)氣體輸入量，用這樣的方法代替調(diào)節(jié)氣體輸入量的方法來(lái)控制石英玻璃管的內(nèi)壓。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的示意圖。圖4是根據(jù)第二實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的控制單元的操作框圖。第二實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備101與第一實(shí)施方案的不同之處在于由緩沖室排放的氣體量受模式控制。
光纖預(yù)制件制造設(shè)備101具有控制單元127。相應(yīng)地，光纖預(yù)制件制造設(shè)備101與光纖預(yù)制件制造設(shè)備1在結(jié)構(gòu)上的部分不同之處在于前者省略了第二緩沖氣體導(dǎo)入部分22，并且將流速控制裝置117裝在排氣部分17的排氣管17a上。但是，該設(shè)備的其它部件都與光纖預(yù)制件制造設(shè)備1相同。控制單元127收集有以下數(shù)據(jù)對(duì)于每個(gè)加熱位置H1石英玻璃管3的內(nèi)壓與管尺度的變化之間的關(guān)系，以及排氣量與石英玻璃管3的內(nèi)壓之間的關(guān)系，并且，控制單元127還具有這樣的計(jì)算模式，該計(jì)算模式能基于上述數(shù)據(jù)計(jì)算出保證石英玻璃管對(duì)于每個(gè)加熱位置H1都具有適當(dāng)內(nèi)壓的排氣量。
第一控制裝置127a從位置檢測(cè)裝置25接收加熱位置H1的信息，并根據(jù)基于計(jì)算模式對(duì)加熱位置H1所確定的流速模式，通過(guò)流速控制裝置117控制由排氣部分17排放的氣體量。第二控制裝置127b基于計(jì)算模式計(jì)算出石英玻璃管3對(duì)于各個(gè)加熱位置H1的內(nèi)壓目標(biāo)值，并通過(guò)流速控制裝置21b控制被輸入緩沖室11中的氣體量，從而使石英玻璃管3的內(nèi)壓測(cè)量值(由壓力計(jì)15輸出該值)與目標(biāo)值達(dá)到一致。
除了流速控制裝置117以外，被連接到緩沖室11的排氣部分17還包括排氣管17a，其與緩沖室11連通；以及排氣控制閥17b，用于通過(guò)調(diào)節(jié)排氣管17a的開(kāi)度來(lái)控制由緩沖室排放的氣體量，這與第一實(shí)施方案是一樣的。通過(guò)使用調(diào)節(jié)排氣控制閥17b的開(kāi)度的方法就可以控制排氣量。即使是在如光纖預(yù)制件制造設(shè)備101一樣根據(jù)加熱位置H1的移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)由排氣部分17排放的氣體量時(shí)，也可以快速地在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)石英玻璃管3的內(nèi)壓，從而表現(xiàn)出與第一實(shí)施方案相同的作用和效果。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的示意圖。根據(jù)第三實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備201對(duì)第一實(shí)施方案中的光纖預(yù)制件制造設(shè)備1進(jìn)行了部分改變。設(shè)備201包括CCD照相機(jī)231，用于拍攝石英玻璃管3在加熱位置附近的形狀；以及尺度測(cè)量裝置230，尺度測(cè)量裝置230具有圖像分析處理裝置232，用于分析CCD照相機(jī)231拍攝的圖像，并計(jì)算出石英玻璃管3的尺度(外徑、內(nèi)徑或壁厚)。
第三實(shí)施方案所具有的控制單元227包括第一控制裝置227a，用于按照流速模式控制被輸入第一緩沖氣體導(dǎo)入部分21中的氣體量，其中流速模式是對(duì)應(yīng)于熱源13在石英玻璃管3上的加熱位置H1而預(yù)先確定的；最佳壓力計(jì)算單元227b，用于確定使石英玻璃管3上各個(gè)加熱位置H1附近的石英玻璃管3的測(cè)量尺度達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)管尺度，所必需的石英玻璃管3的內(nèi)壓最佳值；以及第二控制裝置227c，用于反饋控制被輸入第二緩沖氣體導(dǎo)入部分22中的氣體量，從而使壓力計(jì)15的測(cè)量值(由壓力計(jì)15檢測(cè))與最佳壓力計(jì)算單元227b計(jì)算出的最佳值達(dá)到一致。在第三實(shí)施方案中，最佳壓力計(jì)算單元227b由尺度測(cè)量裝置230的圖像分析處理裝置232的分析結(jié)果得到石英玻璃管3在各個(gè)加熱位置附近的尺度信息。
在光纖預(yù)制件制造設(shè)備201中，通過(guò)以下方法將玻璃層33沉積在石英玻璃管3中在將玻璃原料從石英玻璃管3的一端輸入石英玻璃管3中的同時(shí)，使用熱源13從外部加熱石英玻璃管3。同時(shí)，控制單元227控制從緩沖氣體導(dǎo)入部分21和22輸入緩沖室11中的氣體量，以將石英玻璃管3的內(nèi)壓調(diào)節(jié)到所需的值，從而實(shí)現(xiàn)用MCVD法制造光纖預(yù)制件。
圖6是根據(jù)第三實(shí)施方案的光纖預(yù)制件制造設(shè)備的控制單元的操作框圖。在控制單元227中，第一控制裝置227a和第二控制裝置227b各自獨(dú)立地控制氣體輸入量。第一控制裝置227a從位置檢測(cè)裝置25接收到熱源13的每個(gè)加熱位置H1的信息，并進(jìn)行模式控制，其中基于接收到的信息，根據(jù)預(yù)先確定的流速模式調(diào)節(jié)被輸入第一緩沖氣體導(dǎo)入部分21中的氣體量，以使石英玻璃管3的內(nèi)壓改變到預(yù)定的壓力。
與第一控制裝置227a的處理過(guò)程并行的是，最佳壓力計(jì)算單元227b通過(guò)尺度測(cè)量裝置230測(cè)出石英玻璃管3上每個(gè)加熱位置H1附近的外徑尺寸，將其作為石英玻璃管3的尺度，并由此進(jìn)行最佳壓力計(jì)算步驟，以確定石英玻璃管3的內(nèi)壓最佳值，從而使測(cè)量的管尺度可以與預(yù)定的目標(biāo)管尺度達(dá)到一致。
第二控制裝置227c基于石英玻璃管3的內(nèi)壓測(cè)量值對(duì)被輸入第二緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量進(jìn)行反饋控制，從而使石英玻璃管3的內(nèi)壓測(cè)量值(由壓力計(jì)15檢測(cè))與最佳壓力計(jì)算單元227b計(jì)算出的最佳值達(dá)到一致?？梢栽诓挥?jì)算石英玻璃管3的最佳內(nèi)壓的情況下對(duì)被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分21和22中的氣體量進(jìn)行控制，使得石英玻璃管3的測(cè)量尺度都與對(duì)應(yīng)于熱源13的每個(gè)加熱位置H1而預(yù)先確定的目標(biāo)尺度達(dá)到一致。
與使用設(shè)備1制造光纖預(yù)制件的情況一樣，在使用設(shè)備201制造光纖預(yù)制件的方法中，在按照MCVD法制造光纖預(yù)制件的工藝過(guò)程中通過(guò)進(jìn)行模式控制和反饋控制來(lái)控制石英玻璃管3的內(nèi)壓，從而在通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的熱源13從外部加熱石英玻璃管3時(shí)，就可以防止石英玻璃管3的外徑產(chǎn)生偏差。
在這種情況下，如第一實(shí)施方案一樣，為了調(diào)節(jié)石英玻璃管3的內(nèi)壓，通過(guò)輸入與熱源13的加熱位置H1相對(duì)應(yīng)的氣體量來(lái)進(jìn)行模式控制，這種模式控制非常有利于快速地在寬范圍內(nèi)改變施加給石英玻璃管3的內(nèi)壓。另一方面，在光纖預(yù)制件制造設(shè)備201中，為了對(duì)氣體輸入量進(jìn)行反饋控制，基于內(nèi)壓測(cè)量值(由壓力計(jì)15檢測(cè))和最佳壓力計(jì)算單元227b計(jì)算出的石英玻璃管3的最佳內(nèi)壓來(lái)進(jìn)行反饋控制，這種反饋控制非常有利于將石英玻璃管3的尺度精確細(xì)微地調(diào)節(jié)到預(yù)定的目標(biāo)值。
如第一實(shí)施方案一樣，通過(guò)結(jié)合性質(zhì)不同的模式控制和反饋控制，可以快速調(diào)節(jié)石英玻璃管的內(nèi)壓，并使其趨向于目標(biāo)適當(dāng)值，從而即使是在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)石英玻璃管3的內(nèi)壓時(shí)，也不會(huì)引起調(diào)節(jié)操作的過(guò)度響應(yīng)。因此，即使是在薄壁的石英玻璃管3中以高沉積速率沉積玻璃層33時(shí)，也可以連續(xù)地進(jìn)行符合要求的生產(chǎn)，同時(shí)可以防止石英玻璃管3的尺度波動(dòng)。
受石英玻璃管3的內(nèi)壓影響的石英玻璃管3的尺度是石英玻璃管3的外徑、內(nèi)徑或壁厚，并且可在最佳壓力計(jì)算步驟中監(jiān)控這些尺度中的至少一者通過(guò)選擇測(cè)量所述尺度所需的測(cè)量裝置和測(cè)量方法，可以確定易于測(cè)量的尺度參數(shù)。只要可以精確測(cè)量，石英玻璃管3的外徑、內(nèi)徑和壁厚中的任何一個(gè)都可以作為尺度參數(shù)。這樣有助于提高反饋控制的控制精度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定保持石英玻璃管3的尺度的預(yù)制件生產(chǎn)過(guò)程。
測(cè)量石英玻璃管3的尺度所采用的方法可以是通過(guò)對(duì)CCD照相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行處理來(lái)測(cè)量石英玻璃管3的外徑、內(nèi)徑或壁厚的方法；或者是使用激光外徑測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量石英玻璃管3在各個(gè)加熱位置附近的外徑的方法；或者是使用透射X射線(xiàn)測(cè)量外徑、內(nèi)徑或壁厚的方法；或者是通過(guò)用聲波輻射石英玻璃管3或用光照射石英玻璃管3，并對(duì)聲波的傳播時(shí)間或光的光路長(zhǎng)度進(jìn)行分析來(lái)測(cè)量石英玻璃管3的壁厚的方法。
在按照MCVD法制造光纖預(yù)制件的工藝中，隨著玻璃層33在石英玻璃管3中的沉積速率被增大到(例如)等于或大于0.5g/分鐘時(shí)，石英玻璃管3中的玻璃層的沉積量在長(zhǎng)度方向上的變化往往會(huì)更大，因此石英玻璃管3的內(nèi)壓調(diào)節(jié)范圍加大。在這種情況下，如以上各個(gè)實(shí)施方案所述，將模式控制(適于快速地在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)管的內(nèi)壓)與反饋控制(適于在窄范圍內(nèi)細(xì)微精確地控制管的內(nèi)壓)結(jié)合在一起是非常有效的。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)制件產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)，并且通過(guò)提高沉積速率可以提高預(yù)制件產(chǎn)品的生產(chǎn)率。
在煙塵收縮而使管徑縮小之后，通過(guò)管的內(nèi)壓可以使管的外徑再次增大。因此，在預(yù)定條件下進(jìn)行反饋控制的情況中，由于管尺度的測(cè)量位置可能處于收縮狀態(tài)、膨脹狀態(tài)，或者是膨脹后狀態(tài)，所以該反饋控制可能不能很好地實(shí)施。例如，當(dāng)在收縮或膨脹過(guò)程中測(cè)量外徑時(shí)，所述控制可能會(huì)施加過(guò)大的內(nèi)壓，從而使管大大膨脹。此外，由于膨脹后狀態(tài)的位置是在玻璃變透明的部分之后的10到50mm處，因此如果在膨脹后狀態(tài)的位置上測(cè)量外徑，則所述控制可能會(huì)滯后，因此為了補(bǔ)償這種滯后，管的內(nèi)壓可能會(huì)被大幅度地改變，從而導(dǎo)致外徑周期性地劇烈波動(dòng)。
當(dāng)MCVD法的沉積速率等于或大于0.5g/分鐘并且在煙塵沉積量增多時(shí)，容易出現(xiàn)這種管外徑波動(dòng)大的現(xiàn)象。已知的是在加熱區(qū)寬(例如加熱區(qū)的長(zhǎng)度等于或大于50mm)的情況(其中管的外表面溫度等于或高于1600℃)下，容易出現(xiàn)外徑波動(dòng)大的現(xiàn)象。
為了避免這種外徑波動(dòng)大的現(xiàn)象，優(yōu)選的是，在沿管的長(zhǎng)度方向的多個(gè)位置處測(cè)量外徑，并且基于測(cè)量的結(jié)果估計(jì)出管的膨脹后的外徑，進(jìn)行預(yù)見(jiàn)性控制。結(jié)果，可以抑制外徑的劇烈波動(dòng)。管的測(cè)量位置優(yōu)選為包括以下位置直徑尚未開(kāi)始縮小的位置、直徑正在減小的位置、正在膨脹的位置，以及膨脹結(jié)束的位置。
術(shù)語(yǔ)“預(yù)見(jiàn)性控制”是指例如這樣的方法其中基于測(cè)量位置和各個(gè)測(cè)量位置的外徑來(lái)預(yù)測(cè)管徑縮小和膨脹的速率以及膨脹后的外徑，計(jì)算出當(dāng)前作用在管上的內(nèi)壓將被增大或縮小的程度，由此進(jìn)行控制。作為可供選用的另一種方式，“預(yù)見(jiàn)性控制”是指這樣的方法其中在每個(gè)外徑測(cè)量位置處測(cè)量溫度，或者通過(guò)傳熱公式由另外的位置測(cè)量的溫度值來(lái)推測(cè)溫度，并基于上述溫度來(lái)確定管的粘度，從而推測(cè)出由表面張力造成的管徑縮小或膨脹的程度，從而推測(cè)出膨脹后的外徑。
在快速升高壓力或降低壓力時(shí)，如果控制被滯后，則外徑變化大。因此，當(dāng)控制中使用變化大的外徑時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生相反方向的變形(在膨脹的情況中直徑快速減小，或者在直徑縮小的情況中快速膨脹)。如上所述，外徑容易發(fā)生周期性的劇烈波動(dòng)，但通過(guò)將管的內(nèi)壓的變化速率限制在等于或小于±50Pa/s的范圍內(nèi)，可以避免這種波動(dòng)。
實(shí)施例1將實(shí)施例1、對(duì)比例1和對(duì)比例2所制備的石英玻璃管的實(shí)際內(nèi)壓進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)施例1中，使用光纖預(yù)制件制造設(shè)備1，由第一控制裝置按照加熱位置對(duì)緩沖氣體的輸入量進(jìn)行模式控制，由第二控制裝置對(duì)緩沖氣體的輸入量進(jìn)行反饋控制，從而使管的內(nèi)壓可以達(dá)到目標(biāo)值；而在對(duì)比例1中，僅實(shí)施反饋控制；在對(duì)比例2中，僅實(shí)施模式控制。
在上述任一個(gè)例子中，所用的石英玻璃管的外徑均為34mm，壁厚均為4mm，長(zhǎng)度均為800mm，并且都含有0.2重量％的C1。使用熱等離子體燃燒器作為熱源。燃燒器往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度(即石英玻璃管上加熱位置的移動(dòng)速度)為100mm/分鐘。將石英玻璃管外表面的最高溫度控制在2200℃，將玻璃層的合成速率控制在1g/分鐘。玻璃層與純石英玻璃的折射率之差的目標(biāo)值為0.40％。此外，將緩沖室裝在管的一端，將緩沖室的內(nèi)壓視為管的內(nèi)壓。確定排氣量，使得在沒(méi)有緩沖氣流的情況下，管的內(nèi)壓為約-20Pa。在上述這些條件下，通過(guò)MCVD法沉積5層玻璃層。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在上述條件下實(shí)施MCVD法時(shí)，當(dāng)加熱位置在原料氣體導(dǎo)入端(玻璃煙塵層少量沉積的位置)附近時(shí)，石英玻璃管的內(nèi)壓必須為約+50Pa。當(dāng)加熱位置在排氣端(玻璃煙塵層大量沉積的位置)附近時(shí)，石英玻璃管的內(nèi)壓必須為約+400Pa。
圖7(a)和7(b)是以管的內(nèi)壓的目標(biāo)值(目標(biāo)內(nèi)壓)和測(cè)量值以及緩沖氣體的流速對(duì)加熱位置所作的圖。圖7(a)是對(duì)比例1的圖，圖7(b)是對(duì)比例2的圖。在對(duì)比例1中，如圖7(a)所示，石英玻璃管內(nèi)壓的目標(biāo)值與測(cè)量值之間產(chǎn)生了約±40Pa的差值，因此石英玻璃管的外徑相對(duì)于基準(zhǔn)值產(chǎn)生了約±2mm的誤差。而且，根據(jù)石英玻璃管內(nèi)壓的目標(biāo)值與測(cè)量值的差異，緩沖氣體的輸入量從10SLM(在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下以升/分鐘為單位表示的流速)變化到46SLM。在對(duì)比例1中，由石英玻璃管制成的、長(zhǎng)500mm的實(shí)心玻璃棒具有直徑為5.5±0.2mm的玻璃層合成部分，該玻璃層合成部分與純石英玻璃的折射率差值為0.395±0.10％。因此，該實(shí)心玻璃棒的品質(zhì)不符合要求。
在對(duì)比例2中，排氣條件隨著緩沖氣體的輸入量的變化而變化，從而造成排氣部分被玻璃煙塵層沉積過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵所堵塞的故障。在對(duì)比例2中，如圖7(b)所示，石英玻璃管內(nèi)壓的目標(biāo)值與測(cè)量值之間產(chǎn)生了約±40Pa的差值，因此石英玻璃管的外徑相對(duì)于基準(zhǔn)值產(chǎn)生了約±2mm的誤差。而且，在對(duì)比例2中，緩沖氣體的輸入量隨著加熱位置的移動(dòng)從10SLM變化到45SLM。在對(duì)比例2中，由石英玻璃管制成的、長(zhǎng)500mm的實(shí)心玻璃棒具有直徑為5.7±0.2mm的玻璃層合成部分，該玻璃層合成部分與純石英玻璃的折射率差值為0.410±0.10％。因此，該實(shí)心玻璃棒的品質(zhì)不符合要求。
圖8是以實(shí)施例1中的管的內(nèi)壓的目標(biāo)值和測(cè)量值以及緩沖氣體的流速對(duì)加熱位置所作的圖。在實(shí)施例1中，被輸入第一緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體的量在模式控制下從2SLM變化到18SLM。另外，根據(jù)石英玻璃管的內(nèi)壓的測(cè)量值與目標(biāo)值的差異，被輸入第二緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體的量在反饋控制下從10SLM變化到20SLM。結(jié)果，石英玻璃管的內(nèi)壓與目標(biāo)值之差可以被限制在極小的數(shù)值±3Pa，達(dá)到了令人滿(mǎn)意的控制效果。
實(shí)施例2在實(shí)施例2中，使用光纖預(yù)制件制造設(shè)備201，由第一控制裝置根據(jù)加熱位置對(duì)緩沖氣體的輸入量進(jìn)行模式控制，由第二控制裝置對(duì)緩沖氣體的輸入量進(jìn)行反饋控制，從而使管的內(nèi)壓可以達(dá)到目標(biāo)值。圖9是以實(shí)施例2中的管的內(nèi)壓的目標(biāo)值和測(cè)量值以及緩沖氣體的流速對(duì)加熱位置所作的圖。所用的石英玻璃管和熱源與實(shí)施例1相同。在以下條件下制備預(yù)制件熱源移動(dòng)速度為150mm/分鐘，石英玻璃管的外表面的最高溫度為2200℃，玻璃層的沉積速率為1g/分鐘，玻璃層與純石英玻璃的目標(biāo)折射率差值為0.40％?？刂婆艢饬?，使得在沒(méi)有緩沖氣流的情況下石英玻璃管的內(nèi)壓可為約-30Pa。在這些條件下，通過(guò)MCVD法沉積10層玻璃層。
在具有圖5所示結(jié)構(gòu)的設(shè)備中，采用最佳壓力計(jì)算單元227b和第二控制裝置227c進(jìn)行反饋控制，使得石英玻璃管的外徑(通過(guò)CCD照相機(jī)231測(cè)量)在石英玻璃管3的長(zhǎng)度方向的整個(gè)區(qū)域上都可達(dá)到34mm的直徑。而且，被輸入第一緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量隨著加熱位置的移動(dòng)從8SLM變化到40SLM。根據(jù)石英玻璃管的內(nèi)壓的測(cè)量值與目標(biāo)值的差異，被輸入第二緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量在反饋控制下從10SLM變化到17SLM。通過(guò)使用最佳壓力計(jì)算單元227b和第二控制裝置227c進(jìn)行反饋控制，可以控制石英玻璃管3的內(nèi)壓，使得當(dāng)加熱位置在原料氣體導(dǎo)入端附近時(shí)，石英玻璃管的內(nèi)壓為約+45Pa；而當(dāng)加熱位置在排氣端附近時(shí)，石英玻璃管3的內(nèi)壓為約+415Pa。
在實(shí)施例2的制造過(guò)程中，石英玻璃管的內(nèi)壓與目標(biāo)值之差可以被限制在極小的數(shù)值±3Pa，達(dá)到了令人滿(mǎn)意的控制效果。而且，石英玻璃管的外徑是34.0±0.2mm，得到了比實(shí)施例1更令人滿(mǎn)意的結(jié)果。由此，由石英玻璃管制成的、長(zhǎng)500mm的實(shí)心玻璃棒具有直徑為5.6±0.1mm的玻璃層合成部分，該玻璃層合成部分與純石英玻璃的折射率差值為0.400±0.06％。因此得到了波動(dòng)小的令人滿(mǎn)意的品質(zhì)。
表1示出在通過(guò)MCVD法在石英玻璃管中沉積玻璃層的過(guò)程中，在0.2g/分鐘到2.0g/分鐘的各種沉積速率下，在原料氣流的下游側(cè)(在一個(gè)末端)使石英玻璃管的尺度保持不變所需的壓力(最大壓力)。在0.2g/分鐘到2.0g/分鐘中的任意一種沉積速率下，在原料氣流的上游側(cè)(在另一個(gè)末端)使石英玻璃管的尺度保持不變所需的壓力(最小壓力)都是+45Pa。圖10是以表1所示的管的內(nèi)壓的最大值/最小值之比對(duì)沉積速率所作的圖。
表1

在任意一種沉積速率下，使石英玻璃管的尺度保持恒定所需的壓力，對(duì)于管的一個(gè)末端側(cè)與另一個(gè)末端側(cè)而言是不同的。為了防止石英玻璃管3的尺度在長(zhǎng)度方向上發(fā)生波動(dòng)，必須隨著加熱位置的移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)石英玻璃管3的內(nèi)壓。隨著玻璃層33的沉積速率增大，必要的調(diào)節(jié)范圍(最大值/最小值之比)也趨于增大。優(yōu)選為將最大值/最小值之比設(shè)定為2倍或更高。如表1和圖10所示，當(dāng)該比值被設(shè)定為2倍或更高時(shí)，即使玻璃層33的沉積速率等于或大于0.5g/分鐘，石英玻璃管3的尺度也可以保持恒定。通過(guò)以等于或大于0.5g/分鐘的高沉積速率重復(fù)沉積玻璃層33，就可以穩(wěn)定地制造大型預(yù)制件。
在根據(jù)本發(fā)明的制造光纖預(yù)制件的方法中，如果預(yù)先確定外徑測(cè)量值(作為石英玻璃管3的尺度)與預(yù)定的目標(biāo)外徑之間的允許誤差，并且如果實(shí)際測(cè)量值在允許值的范圍內(nèi)，就可以省略基于外徑測(cè)量值與預(yù)定的目標(biāo)值之差來(lái)計(jì)算石英玻璃管3的內(nèi)壓最佳值的步驟，從而簡(jiǎn)化處理過(guò)程。而且，在這種情況下，如果所述的允許值是按照光纖化區(qū)域內(nèi)的數(shù)值來(lái)規(guī)定的，那么即使是在外徑出現(xiàn)尺寸誤差時(shí)，也可以將品質(zhì)保持在不對(duì)光纖造成實(shí)際損害的范圍內(nèi)。結(jié)果，可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格高產(chǎn)量地制造出具有穩(wěn)定品質(zhì)的產(chǎn)品。具體地說(shuō)，優(yōu)選的是，在后續(xù)的加工步驟中將被加工成光纖的區(qū)域中，將石英玻璃管3在沉積玻璃層33之后的外徑波動(dòng)量設(shè)定為等于或小于±1mm。
實(shí)施例3采用MCVD法，使用光纖預(yù)制件制造設(shè)備201以如下方式將玻璃層沉積在石英玻璃管中在實(shí)施例3中，實(shí)施模式控制和反饋控制將管的外徑控制在預(yù)定值；在對(duì)比例3中，僅實(shí)施反饋控制將石英玻璃管的內(nèi)壓控制在預(yù)定值；在對(duì)比例4中，僅實(shí)施反饋控制將管的外徑控制在預(yù)定值。
在上述任意一個(gè)實(shí)施例和對(duì)比例中，所用的石英玻璃管的外徑均為42mm，壁厚均為3mm，長(zhǎng)度均為800mm，并且都含有0.2重量％的Cl。使用等離子體燃燒器(利用熱等離子體)作為熱源。燃燒器往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為140mm/分鐘。將石英玻璃管外表面的最高溫度控制在2200℃，玻璃層的沉積速率控制在0.2g/分鐘到3.0g/分鐘。在實(shí)施例3和對(duì)比例3、4中，管外徑的預(yù)定值是42mm。在上述這些條件下，通過(guò)MCVD法沉積20層玻璃層，并且對(duì)玻璃層沉積結(jié)束后石英玻璃管的外徑波動(dòng)以及由石英玻璃管制成的實(shí)心玻璃棒的直徑波動(dòng)進(jìn)行測(cè)量和比較(表2)。
通過(guò)使用CCD照相機(jī)拍攝600mm長(zhǎng)的中間部分(從管的兩端各扣除100mm長(zhǎng)的部分)的圖像并處理該圖像，測(cè)出石英玻璃管的外徑。測(cè)量玻璃棒在450mm長(zhǎng)的中間部分(從玻璃沉積體的一端扣除200mm長(zhǎng)的部分并且從其另一端扣除150mm長(zhǎng)的部分)處的直徑。
表2

圖11是以表2所示的實(shí)施例和對(duì)比例中的玻璃管的外徑波動(dòng)對(duì)沉積速率所作的圖。圖12是以表2所示實(shí)施例和對(duì)比例中的玻璃棒的直徑波動(dòng)對(duì)沉積速率所作的圖。測(cè)量結(jié)果表明，在對(duì)比例3和4中，管的外徑和棒的沉積部分的直徑隨著沉積速率的變化波動(dòng)都很大。但是，在實(shí)施例3中，管的外徑和棒的沉積部分的直徑波動(dòng)都很小，從而達(dá)到了令人滿(mǎn)意的品質(zhì)。
實(shí)施例4在以下情況下評(píng)價(jià)外徑波動(dòng)以1.5g/分鐘的沉積速率沉積玻璃層GeO2-P2O5-SiO2(與純SiO2的折射率差值為約0.3％)，同時(shí)使用熱等離子體燃燒器作為熱源來(lái)加熱石英玻璃管(其外徑為42mm，壁厚為3mm，并含有0.6重量％的氟)，使得管外表面的最高溫度為1800℃。圖13是以實(shí)施例4中的石英玻璃管的外徑對(duì)在石英玻璃管長(zhǎng)度方向上的位置所作的圖，其中使用石英玻璃管的內(nèi)壓的變化速率上限作為參數(shù)。在圖13中，(I)示出石英玻璃管的內(nèi)壓的變化速率沒(méi)有受到限制的情況(最大變化速率為±80Pa/s)，(II)示出管的內(nèi)壓的變化速率被限制為±60Pa/s的情況，(III)示出管的內(nèi)壓的變化速率被限制為±50Pa/s的情況，(IV)示出管的內(nèi)壓的變化速率被限制為±30Pa/s的情況，(V)示出管的內(nèi)壓的變化速率被限制為±10Pa/s的情況。在這些情況下，平均的管的內(nèi)壓分別為約+200Pa。
在情況(I)和(II)(管的內(nèi)壓的變化速率大)的條件下，管外徑的波動(dòng)量都大于±1mm，不能通過(guò)MCVD法得到符合要求的品質(zhì)。在情況(III)(變化速率被限制在±50Pa/s)的條件下，波動(dòng)量被抑制到等于或小于±1mm的程度，但大于情況(IV)(管的內(nèi)壓的變化速率被限制在±30Pa/s)。在情況(V)(管的內(nèi)壓的變化速率被限制在等于或小于±10Pa/s)的條件下，管的內(nèi)壓的變化速率極低，從而使其中煙塵沉積增厚的部分的直徑縮小。但是，在情況(V)中，外徑的波動(dòng)量可以被限制在等于或小于±1mm(直徑)。
因此，在單位時(shí)間的管的內(nèi)壓變化速率被限制為等于或小于±50Pa/s、更優(yōu)選被限制為等于或小于±30Pa/s的情況下，就可以抑制外徑波動(dòng)，并且可以符合要求地實(shí)施MCVD法。在限制內(nèi)壓的變化速率的情況下，可以使變化速率等于或大于±10Pa/s。
實(shí)施例5在圖1所示的石英玻璃管3中，大量不透明的煙塵被沉積在石英玻璃管3的下游區(qū)和支撐用玻璃管6中。使用煙塵清除裝置(圖中未示出)清除這些煙塵，并將其收集在煙塵收集單元31中，或從排氣部分17排出。但是，大量煙塵可能會(huì)殘留在石英玻璃管3的下游區(qū)和支撐用玻璃管6中，而不能被徹底清除。當(dāng)管的內(nèi)壓下降時(shí)，可能出現(xiàn)煙塵回流的現(xiàn)象。煙塵回流到有效部分將導(dǎo)致最終得到的光纖預(yù)制件中帶有缺陷，因此最好是阻止回流。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管的內(nèi)壓基本等于管外壓時(shí)容易出現(xiàn)煙塵回流的現(xiàn)象。
表3示出管的內(nèi)壓、內(nèi)壓持續(xù)時(shí)間和出現(xiàn)煙塵回流之間的關(guān)系的檢測(cè)結(jié)果。管的內(nèi)壓包括與目標(biāo)值偏差約±3Pa的內(nèi)壓值，持續(xù)時(shí)間包括偏差約±0.2秒的持續(xù)時(shí)間。由于不是每次都出現(xiàn)煙塵回流，因此在相同條件下進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)(N＝20)，并檢測(cè)煙塵回流出現(xiàn)的頻率。
表3

結(jié)果表明，煙塵回流的幾率隨著管的內(nèi)壓的減小而增大。還發(fā)現(xiàn)，煙塵回流的幾率隨著持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。因此，管的內(nèi)壓應(yīng)該優(yōu)選為大于+20Pa，并且即使是管的內(nèi)壓達(dá)到+20Pa，+20Pa的壓力也不能持續(xù)2秒或更長(zhǎng)的時(shí)間。
本發(fā)明包括由日本專(zhuān)利申請(qǐng)No.2004-053842(申請(qǐng)日2004年2月27日)的說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)、附圖和摘要所公開(kāi)的內(nèi)容。
工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明用于制造光纖預(yù)制件的方法和設(shè)備能夠制成在長(zhǎng)度方向上尺度波動(dòng)小的光纖預(yù)制件。所述方法和設(shè)備特別適用于在薄壁的石英玻璃管中以高沉積速率沉積玻璃層。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖預(yù)制件的方法，該方法包括在石英玻璃管中沉積玻璃層的沉積步驟，該沉積步驟通過(guò)以下方式進(jìn)行將至少含有玻璃原料的氣體輸入所述石英玻璃管中，同時(shí)通過(guò)在該石英玻璃管的長(zhǎng)度方向上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的熱源從外部加熱該石英玻璃管，其中在所述沉積步驟中，將一個(gè)或多個(gè)排氣部分和一個(gè)或多個(gè)緩沖氣體導(dǎo)入部分分別與所述石英玻璃管相連接，并且對(duì)由所述排氣部分排放的氣體量或者被輸入所述緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行反饋控制，并且按照與所述石英玻璃管上的加熱位置相對(duì)應(yīng)的流速模式，對(duì)由所述排氣部分排放的氣體量和被輸入所述緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少另一個(gè)量進(jìn)行模式控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中這樣實(shí)施所述的反饋控制測(cè)量所述石英玻璃管的內(nèi)壓，并且對(duì)由所述排氣部分排放的氣體量或者被輸入所述緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行控制，使得所測(cè)量的內(nèi)壓可以與對(duì)每個(gè)加熱位置設(shè)定的目標(biāo)值達(dá)到一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中這樣實(shí)施所述的反饋控制測(cè)量所述石英玻璃管在每個(gè)加熱位置附近的尺度，并且對(duì)由所述排氣部分排放的氣體量或者被輸入所述緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行控制，使得所測(cè)量的尺度可以達(dá)到預(yù)定尺度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中，計(jì)算出使所測(cè)量的尺度與預(yù)定目標(biāo)值達(dá)到一致所需的內(nèi)壓的最佳值，并且控制所述石英玻璃管的內(nèi)壓以使其與所計(jì)算出的最佳值達(dá)到一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中，所述石英玻璃管的尺度是該石英玻璃管的外徑、內(nèi)徑和壁厚中的至少一者。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一項(xiàng)所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中，所述玻璃層的沉積速率等于或大于0.5g/分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中，在所述石英玻璃管的內(nèi)壓的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的最大值與最小值之比為2倍或2倍以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項(xiàng)所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中，在沉積所述玻璃層之后，所述石英玻璃管的外徑在所述石英玻璃管長(zhǎng)度方向上的波動(dòng)量等于或小于±1mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中的任一項(xiàng)所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中，所述石英玻璃管的內(nèi)壓的變化速率是每秒-50Pa到每秒+50Pa。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到8中的任一項(xiàng)所述的制造光纖預(yù)制件的方法，其中在所述沉積步驟中，所述石英玻璃管的內(nèi)壓等于或小于+20Pa的持續(xù)時(shí)間低于2秒。
11.一種光纖預(yù)制件制造設(shè)備，該設(shè)備包括氣體供應(yīng)系統(tǒng)，用于將至少含有玻璃原料的氣體從石英玻璃管的一端輸入該石英玻璃管中；排氣部分和緩沖氣體導(dǎo)入部分，其總數(shù)為兩個(gè)或兩個(gè)以上，所有這些部分都與該石英玻璃管的另一端相連接；熱源，其可以在該石英玻璃管的長(zhǎng)度方向上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)；位置檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)所述熱源在所述石英玻璃管上的加熱位置；第一控制裝置，用于按照與所述加熱位置相對(duì)應(yīng)的流速模式，對(duì)由所述排氣部分排放的氣體量或者被輸入所述緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行控制；以及第二控制裝置，用于對(duì)由所述排氣部分排放的氣體量和被輸入所述緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少另一個(gè)量進(jìn)行反饋控制。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光纖預(yù)制件制造設(shè)備，該光纖預(yù)制件制造設(shè)備還包括壓力測(cè)量裝置，用于測(cè)量所述石英玻璃管的內(nèi)壓；其中所述第二控制裝置對(duì)由所述排氣部分排放的氣體量或者被輸入所述緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行反饋控制，使得所述石英玻璃管的內(nèi)壓可以與對(duì)每個(gè)加熱位置設(shè)定的目標(biāo)值達(dá)到一致。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光纖預(yù)制件制造設(shè)備，該光纖預(yù)制件制造設(shè)備還包括尺度測(cè)量裝置，用于測(cè)量所述石英玻璃管在所述熱源的每個(gè)加熱位置附近的尺度；其中所述第二控制裝置對(duì)由所述排氣部分排放的氣體量和被輸入所述緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少另一個(gè)量進(jìn)行反饋控制，使得由所述尺度測(cè)量裝置測(cè)量的該石英玻璃管的尺度可以與該石英玻璃管的預(yù)定目標(biāo)尺度達(dá)到一致。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能使石英玻璃管的收縮波動(dòng)受到抑制的方法和設(shè)備，從而可以制成在長(zhǎng)度方向上均勻一致的光纖預(yù)制件。所述方法包括在石英玻璃管中沉積玻璃層的步驟。在該方法的在石英玻璃管中沉積玻璃層的所述步驟中，將總數(shù)為兩個(gè)或兩個(gè)以上的排氣部分和緩沖氣體導(dǎo)入部分與所述石英玻璃管相連接，并且對(duì)由排氣部分排放的氣體量或者被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的緩沖氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行反饋控制，并且按照與石英玻璃管上的加熱位置相對(duì)應(yīng)的流速模式，對(duì)上述氣體量中的至少另一個(gè)量進(jìn)行模式控制。所述設(shè)備包括氣體供應(yīng)系統(tǒng)；排氣部分和緩沖氣體導(dǎo)入部分，其總數(shù)為兩個(gè)或兩個(gè)以上；熱源；位置檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)熱源在石英玻璃管上的加熱位置；第一控制裝置，用于按照與加熱位置相對(duì)應(yīng)的流速模式，對(duì)由排氣部分排放的氣體量或者被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少一個(gè)量進(jìn)行控制；以及第二控制裝置，用于對(duì)由排氣部分排放的氣體量和被輸入緩沖氣體導(dǎo)入部分中的氣體量中的至少另一個(gè)量進(jìn)行反饋控制。
文檔編號(hào)C03B8/00GK1922114SQ20058000585
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者平野正晃, 中西哲也, 佐佐木隆, 山下泰一郎 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社