專利名稱：采用內(nèi)外并行沉積制造光纖料坯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造光纖料坯的方法和設(shè)備，更具體地說，涉及一種采用等離子火炬并包括一步或多步基本上同時進(jìn)行內(nèi)部沉積和/或固結(jié)與外部沉積和/或固結(jié)的制造光纖料坯的方法和設(shè)備。
問題陳述各種各樣制造光纖料坯的方法和設(shè)備在光纖工業(yè)中已經(jīng)公知并在與之相關(guān)的出版物中做了描述。例如，美國專利6,253,580(“580專利”)描述了一種等離子體外部蒸氣沉積(“POVD”)法制造合成二氧化硅管。按照“580專利”制造的合成二氧化硅管可作為基材或套管用于采用改良的化學(xué)蒸氣沉積(“MCVD”)方法制造光纖料坯。另外，按照“580專利”制造合成二氧化硅管的加工速率和產(chǎn)品質(zhì)量根據(jù)目前通行的許多標(biāo)準(zhǔn)衡量頗受青睞。然而，加工速率和質(zhì)量的進(jìn)一步改進(jìn)永遠(yuǎn)是可人的。不過，成本也是另一個總是要考慮的因素。
現(xiàn)有技術(shù)記載了大量制造料坯及其它與纖維有關(guān)的玻璃和二氧化硅產(chǎn)品的方法。這些方法包括MCVD方法，例如，公開在美國專利3,982,916中，授予Miller，和4,217,027，授予MacChesney。這些還包括等離子化學(xué)蒸氣沉積方法，例如，公開在授予Geittner等人的美國專利4,741,747和4,857,091。另外還包括采用射頻(“rf”)等離子的MCVD方法，正如公開在，例如，授予Jaeger等人的美國專利4,262,035和授予Fleming等人的4,331,462，以及采用等離子火炬的MCVD方法，例如公開在授予Partus等人的美國專利5,397,372和5,692,087中。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，以上列舉的專利所公開的工藝和方法就目前和未來對生產(chǎn)速率和纖維質(zhì)量的要求而言存在著各種不同的缺點。
現(xiàn)有技術(shù)公知的其他方法包括外蒸氣沉積法(“OVD”)，公開在授予Keck的美國專利3,737,292和授予Blakenship的美國專利3,932,162，以及蒸汽軸向沉積(“VAD”)法，公開在，例如，授予Izawa等人的美國專利4,062,665和4,224,04。不過，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，上面列舉的專利所公開的工藝和方法存在各種各樣缺點，例如包括，料坯成形必須單獨實施沉積二氧化硅的燒結(jié)或固結(jié)步驟。
另外一些制造料坯的已知方法包括采用，例如，等離子火炬，例如公開在授予Fleming等人的美國專利5,578,106中，或者氫氧焰，例如公開在授予Perry的美國專利4,596,589和授予Baumgart的美國專利4,820,322中，在基礎(chǔ)料坯外套上一層或多層管并將其熔塌的方法。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，所有這些方法的缺點包括，例如，要求套管過程。
現(xiàn)有技術(shù)還包括表面包層方法，正如授予Drourt的美國專利5,522,007所公開的。這些方法包括采用等離子火炬在基礎(chǔ)料坯表面沉積玻璃包層而累積成大直徑料坯的步驟。表面包層的典型缺點在于它需要增加一個或多個額外步驟，即，必須首先制造基礎(chǔ)料坯，隨后添加表面包層，從而增加了時間和設(shè)備成本。
在光纖工業(yè)中已知，一種能降低成本和提高加工速率的方法可制造較大料坯。例如，正如Glodis等人在美國專利6,105,396(“396專利”)中報道的，可制成一種能產(chǎn)生大約400km纖維的料坯。
制造較大料坯的好處表現(xiàn)在纖維制造的至少兩個階段或步驟中——料坯制造步驟和纖維牽伸步驟。關(guān)于第一步驟，采用較大料坯帶來的直接好處在于，料坯越大，它生產(chǎn)出的纖維長度就越長。
例如，制造較大料坯耗費(fèi)的準(zhǔn)備和檢查時間比制造較小料坯的準(zhǔn)備和檢查時間多不了多少。這是一個重要的因素，因為制造料坯的初期準(zhǔn)備連同加工后檢查一起占到料坯制造所需時間當(dāng)中相當(dāng)大的百分率。因此，當(dāng)采用較大料坯時將獲得更多加工效率的凈增加，假如其制造期間準(zhǔn)備和檢查時間保持與較小料坯所需基本上相同的話。
纖維質(zhì)量的改進(jìn)是采用較大料坯帶來的另一個好處。這是因為，抽絲基本上就是料坯體積的拉長。較大直徑的料坯具有較大單位長度的體積，因此當(dāng)與較小直徑料坯相比時，只需要較短的線尺寸段的料坯就能成形同樣長度的纖維。料坯的光學(xué)質(zhì)量通常沿長度變化。因此，既然較大料坯要求較小長度來產(chǎn)生規(guī)定長度的纖維，那么從它抽出的纖維相應(yīng)地將具有比從較小料坯抽出纖維所看到的低的單位長度變化率。
當(dāng)制造較大料坯時還必須滿足其它指標(biāo)，才能使其較大尺寸提供制造效率的實際可用的提高。低設(shè)備成本就是這些指標(biāo)之一。就是說，通過制造較大料坯能獲得的成本降低將由于要求最低采購量和新設(shè)備投入的方法的采用而得到最大限度地發(fā)揮。
有關(guān)MCVD方法和制造較大料坯的另一個問題是流經(jīng)中空或管內(nèi)空腔的摻雜劑的不完全氧化。原因是，基礎(chǔ)玻璃化學(xué)品如SiCl4，以及摻雜劑化學(xué)品，如GeCl4、POCl3和SF6，一起流入空腔中。由于存在多種反應(yīng)物，因此將導(dǎo)致多種化學(xué)反應(yīng)。多種化學(xué)反應(yīng)的典型效應(yīng)是，僅有一種基本上完成，該反應(yīng)常常是SiCl4蒸汽與O2之間的反應(yīng)。相反，多數(shù)摻雜劑氧化反應(yīng)常常進(jìn)行得不完全。例如，在傳統(tǒng)MVCD法制造鍺-摻雜的二氧化硅的過程中，很大一部分摻雜劑以GeCl4的形式出現(xiàn)在氣態(tài)流出物中。發(fā)表的報告，例如，“光纖制造用MCVD方法中的鍺化學(xué)”，《光波技術(shù)》，LT-5，第二期，1987，277-285，指出，高達(dá)70％流入到空腔中的初始鍺以GeCl4的形式存在于流出物中。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種利用在二氧化硅管上的等離子沉積制造光纖料坯的設(shè)備和方法，其中該方法的至少一部分實施二氧化硅在管內(nèi)和管外的并行沉積、固結(jié)，或沉積/固結(jié)。所描述的實施方案中某些階段在管的內(nèi)和外表面之一沉積煙炱但不固結(jié)，并行地在其它內(nèi)外表面則同時發(fā)生沉積和固結(jié)。其它步驟實施并行沉積但不固結(jié)，隨后進(jìn)行并行固結(jié)，而在此并行固結(jié)期間發(fā)生或不發(fā)生附加煙炱沉積。與現(xiàn)有技術(shù)相比，總沉積速率的提高是由于煙炱在管內(nèi)外表面的并行沉積所致。沉積速率也由于本發(fā)明根據(jù)要求的內(nèi)外表面沉積和要求的內(nèi)外表面固結(jié)來設(shè)定等離子火炬橫向移動速度而得到提高。
本發(fā)明的設(shè)備和方法達(dá)到此種在管的內(nèi)外表面同時成形二氧化硅層是采用各種不同方法實現(xiàn)的，它們沿著旋轉(zhuǎn)的管子橫向移動等離子體，選擇性地注入引起反應(yīng)的化學(xué)品到空腔或管內(nèi)空間中，同時選擇性地注入其它引起反應(yīng)的化學(xué)品到等離子體中。被注入到空腔中的各種化學(xué)品統(tǒng)稱為“CFIT”，而注入到等離子體中的化學(xué)品則統(tǒng)稱為“CFOT”，這些化學(xué)品由于來自等離子火炬的熱量而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這些化學(xué)反應(yīng)造成在管內(nèi)和/或管外一種或多種下列操作煙炱的沉積，此前沉積的煙炱的固結(jié)從而形成玻璃質(zhì)二氧化硅層，或者同時的煙炱沉積及其固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層。內(nèi)部與外部的操作可以是一樣的，或者在內(nèi)部進(jìn)行一種，而在外部進(jìn)行另一種。等離子火炬沿管子一個方向橫向移動過去與等離子體沿相反方向返回時實施的操作可以各不相同。玻璃質(zhì)二氧化硅層可以是摻雜或未摻雜的，這取決于CFIT和CFOT化學(xué)品的組成。因此，術(shù)語“玻璃質(zhì)二氧化硅層”和“二氧化硅層”每一個的定義既包括摻雜也包括未摻雜的二氧化硅，除非明確指出或者從其上下文清楚地看出其它含義。
本發(fā)明設(shè)備包括工件旋轉(zhuǎn)設(shè)備，例如，玻璃加工車床，用于夾緊并圍繞中心軸線轉(zhuǎn)動中空管狀二氧化硅件；等離子火炬用可移動支座；夾緊在可移動支座上的具有等離子體發(fā)生盤管的等離子火炬，用于發(fā)生入射到中空管狀二氧化硅件外表面上的等離子火焰；第一平移致動器，用于使可移動支座和等離子火炬平行于中心軸線地以可選平移速度移動；第二平移致動器，用于選擇性地移動可移動支座朝向或離開中心軸線以便使盤管與管狀件外表面之間保持選擇的距離；原料化學(xué)品控制進(jìn)料器，用于在管狀件不斷旋轉(zhuǎn)的同時選擇性注入CFIT原料化學(xué)品到管狀件空腔內(nèi)；以及另一個原料化學(xué)品控制進(jìn)料器，用于選擇性注入CFOT原料化學(xué)品到等離子火炬產(chǎn)生的等離子火焰中。
任選地，一種距離敏感元件有效地連接在第二平移致動器上，用于檢測與等離子火炬有關(guān)的參照點和管狀件外表面之間的距離，并根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)出信號。一種處理器根據(jù)該距離信號和規(guī)定距離值發(fā)出平移控制信號。第二平移致動器接受該平移控制信號并根據(jù)它動作。
本發(fā)明一個方面是制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供二氧化硅管狀件，該二氧化硅管狀件具有包圍著沿中心軸線延伸的圓柱體空腔的內(nèi)表面，并具有與中心軸線同軸的外表面，(b)圍繞中心軸線轉(zhuǎn)動該二氧化硅管狀件，(c)在管外表面形成外玻璃質(zhì)二氧化硅層，與此并行地在管內(nèi)表面形成選擇性地?fù)诫s的內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層，(d)在外玻璃質(zhì)二氧化硅層上沉積外煙炱層，(e)使在步驟(d)沉積的外煙炱層固結(jié)成外玻璃質(zhì)二氧化硅層，與此并行地沿管長度在管外表面形成外玻璃質(zhì)二氧化硅層，與此并行地在管內(nèi)表面形成選擇性地?fù)诫s的內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層，以及(f)重復(fù)步驟(d)和(e)直至形成預(yù)定厚度內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層。
本發(fā)明這個方面例如是這樣實施步驟(c)和(e)的沿旋轉(zhuǎn)管狀件第一方向以第一正向(forward)橫向移動速率TF1橫向移動等離子火焰，其間注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔內(nèi)，使之沿第一方向流動并且，并行地，注射CFOT化學(xué)品到等離子體中。就步驟(c)和(e)的該范例實施而言，等離子體的發(fā)生和第一橫向移動速率應(yīng)使得，等離子體沉積上外煙炱層并固結(jié)該煙炱，而就步驟(e)而言，與CFOT化學(xué)品一致地，也使在步驟(d)沉積的煙炱固結(jié)成外玻璃質(zhì)二氧化硅層。等離子體的發(fā)生和第一正向橫向移動速率也可導(dǎo)致，與外玻璃質(zhì)二氧化硅層的沉積和固結(jié)基本上同時地，該等離子體實現(xiàn)內(nèi)煙炱顆粒的沉積及其并行固結(jié)為根據(jù)CFIT化學(xué)品選擇性摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅內(nèi)層。
本發(fā)明第一方面可這樣實施步驟(d)，例如，以第一反向橫向移動速率TR1沿第一方向的反方向橫向移動該等離子體，其間基本上沒有CFIT化學(xué)品流入到空腔中，其間注射CFOT化學(xué)品到等離子體中，在此，等離子體、CFOT化學(xué)品和第一反向橫向移動速率使得煙炱與CFOT化學(xué)品相一致地沉積但基本不固結(jié)。
本發(fā)明第二方面是一種包括下列步驟的光纖料坯制造方法(a)提供二氧化硅管狀件，該二氧化硅管狀件具有包圍著沿中心軸線延伸的圓柱體空腔的內(nèi)表面，并具有與中心軸線同軸的外表面，(b)圍繞中心軸線轉(zhuǎn)動該二氧化硅管狀件，(c)沿管長度在管外表面以上形成外玻璃質(zhì)二氧化硅層，與此并行地沿管長度從管內(nèi)表面朝內(nèi)形成選擇性地?fù)诫s的內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層，(d)在外玻璃質(zhì)二氧化硅層上沉積外煙炱層并，與沉積外煙炱層并行地，在內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層上沉積選擇性地?fù)诫s的內(nèi)煙炱層，(e)使在步驟(d)沉積的外煙炱層固結(jié)，與此并行地在管外表面形成外玻璃質(zhì)二氧化硅層，與此并行地固結(jié)在步驟(d)沉積的內(nèi)煙炱層，與此并行地在管內(nèi)表面形成玻璃質(zhì)二氧化硅層，以及(f)重復(fù)步驟(d)和(e)直至由這些步驟形成預(yù)定厚度玻璃質(zhì)二氧化硅層。
本發(fā)明第二方面例如可這樣實施步驟(c)和(e)沿旋轉(zhuǎn)管狀件第一方向以第二正向橫向移動速率TF2橫向移動等離子火焰，其間注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔內(nèi)，使之沿第一方向流動并注射CFOT化學(xué)品到等離子體中。就步驟(c)和(e)的該范例實施而言，等離子體的發(fā)生和第二橫向移動速率應(yīng)使得，等離子體沉積上外煙炱層并固結(jié)該煙炱，而就步驟(e)而言，與CFOT化學(xué)品一致地，也使在步驟(d)沉積的外煙炱固結(jié)成外玻璃質(zhì)二氧化硅層。另外，與外玻璃質(zhì)二氧化硅層的沉積和固結(jié)基本上同時，等離子體實現(xiàn)內(nèi)煙炱顆粒的沉積及其并行固結(jié)以及在步驟(d)沉積的內(nèi)煙炱層固結(jié)成根據(jù)CFIT化學(xué)品選擇性摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅內(nèi)層。
按照本發(fā)明第二方面的方法可這樣實施步驟(d)，例如，以第二橫向移動速率TR2沿第一方向的反方向橫向移動該等離子體，其間注射CFIT化學(xué)品到空腔中使之沿第一方向流動并注射CFOT化學(xué)品到等離子體中，在此，等離子體、CFIT化學(xué)品、CFOT化學(xué)品和第二橫向移動速率使得，根據(jù)CFIT化學(xué)品沉積內(nèi)煙炱層并根據(jù)CFOT沉積外煙炱層但基本上不固結(jié)。
本發(fā)明第三方面是一種包括下列步驟的光纖料坯制造方法(a)提供二氧化硅管狀件，該二氧化硅管狀件具有包圍著沿中心軸線延伸的圓柱體空腔的內(nèi)表面，并具有與中心軸線同軸的外表面，(b)圍繞中心軸線轉(zhuǎn)動該二氧化硅管狀件，(c)在管狀件外表面上沉積外二氧化硅煙炱層，與此并行地從管狀件內(nèi)表面朝內(nèi)沉積內(nèi)煙炱層，(d)并行地固結(jié)在步驟(c)沉積的外煙炱層和內(nèi)煙炱層，使之分別成為外玻璃質(zhì)二氧化硅層和內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層，以及(f)重復(fù)步驟(d)和(e)直至由這些步驟形成預(yù)定厚度玻璃質(zhì)二氧化硅層。
本發(fā)明第三方面的方法例如可這樣實施步驟(c)沿旋轉(zhuǎn)管狀件第一方向以第三正向橫向移動速率TF3橫向移動等離子火焰，其間注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔內(nèi)，使之沿第一方向流動并且，并注射CFOT化學(xué)品到等離子體中。等離子體的發(fā)生和第三橫向移動速率應(yīng)使得，等離子體與CFOT化學(xué)品一致地沉積上外煙炱層以及，并行地根據(jù)CFIT化學(xué)品實現(xiàn)內(nèi)煙炱層的沉積。
本發(fā)明第三方面的方法的步驟(d)例如可這樣實施，沿第一方向的反方向以第三反向橫向移動速率TR3橫向移動等離子體，優(yōu)選不注射有實際意義數(shù)量的CFOT化學(xué)品到等離子體中且不注射有實際意義數(shù)量的CFIT化學(xué)品到空腔中。第三反向橫向移動速率TR3被設(shè)定為能使在步驟(c)沉積的內(nèi)煙炱層和外煙炱層分別固結(jié)成內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層和外玻璃質(zhì)二氧化硅層。
本發(fā)明第四方面類似于第二方面，但在管內(nèi)表面上的二氧化硅沉積和固結(jié)步驟不同。本發(fā)明第四方面是包括下列步驟的制造光纖料坯的方法(a)提供二氧化硅管狀件，該二氧化硅管狀件具有包圍著沿中心軸線延伸的圓柱體空腔的內(nèi)表面，并具有與中心軸線同軸的外表面，(b)圍繞中心軸線轉(zhuǎn)動該二氧化硅管狀件，(c)在管狀件外表面沉積外煙炱層，并行地在管狀件內(nèi)表面沉積基本純二氧化硅內(nèi)煙炱層，(d)在管狀件外表面沉積第二外煙炱層，并行地固結(jié)該沉積的第二外煙炱層和在步驟(c)沉積的外煙炱層使之成為外玻璃質(zhì)二氧化硅層，并行地注射摻雜劑化學(xué)品到圓柱體空腔中并固結(jié)該摻雜劑化學(xué)品和內(nèi)基本純二氧化硅煙炱層使之成為內(nèi)摻雜玻璃質(zhì)二氧化硅層，以及(e)重復(fù)步驟(c)和(d)直至形成預(yù)定厚度外玻璃質(zhì)二氧化硅層和內(nèi)摻雜玻璃質(zhì)二氧化硅層。
本發(fā)明第四方面的方法這樣實施步驟(c)，例如注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔內(nèi)使之沿某一流動方向流動并，在CFIT化學(xué)品流動的同時，沿CFOT化學(xué)品注入到等離子體中的方向的反方向以第四反向橫向移動速率TR4沿旋轉(zhuǎn)管狀件橫向移動等離子火焰。該CFIT化學(xué)品促使基本純二氧化硅煙炱的形成。在此種實例中，等離子體的發(fā)生和第四反向橫向移動速度使得等離子體根據(jù)CFOT化學(xué)品沉積外煙炱層并，并行地根據(jù)CFIT化學(xué)品實現(xiàn)內(nèi)基本純二氧化硅煙炱層的沉積。
本發(fā)明第四方面的方法這樣實施步驟(d)，例如以第四正向橫向移動速率TF4沿流動方向橫向移動等離子體，其間注射CFOT化學(xué)品到等離子體中，其間還注射CFIT到空腔中，在此，CFIT化學(xué)品包括用于改進(jìn)在步驟(c)沉積的基本純二氧化硅內(nèi)煙炱層折射指數(shù)但不影響附加二氧化硅煙炱形成的摻雜劑。步驟(d)期間第四正向橫向移動速率和流動的CFIT化學(xué)品，就該步驟的范例實施而言，應(yīng)使得，用于改進(jìn)在步驟(c)沉積的基本純二氧化硅內(nèi)煙炱層折射指數(shù)的摻雜劑與基本純二氧化碳煙炱層固結(jié)形成根據(jù)CFIT化學(xué)品摻雜的內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層，但不影響附加二氧化硅煙炱的形成。
本發(fā)明第五方面類似于第一方面，但在二氧化硅在管外表面沉積和固結(jié)的步驟上不同。本發(fā)明第五方面是一種包括下列步驟的制造光纖料坯的方法(a)提供二氧化硅管狀件，該二氧化硅管狀件具有包圍著沿中心軸線延伸的圓柱體空腔的內(nèi)表面，并具有與中心軸線同軸的外表面，(b)圍繞中心軸線轉(zhuǎn)動該二氧化硅管狀件，(c)在管狀件外表面沉積基本純二氧化硅外煙炱層，并行地在管狀件內(nèi)表面沉積二氧化硅內(nèi)煙炱層，并固結(jié)所沉積的煙炱成為玻璃質(zhì)二氧化硅內(nèi)層，(d)固結(jié)在步驟(c)沉積的基本純二氧化硅煙炱外層使之成為基本純玻璃質(zhì)二氧化硅外層，以及(e)重復(fù)步驟(c)和(d)直至形成預(yù)定厚度外玻璃質(zhì)二氧化硅層和內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層。
本發(fā)明第五方面的方法這樣實施步驟(c)，例如沿旋轉(zhuǎn)管狀件第一方向以第五正向橫向移動速率TF5橫向移動該等離子火焰，其間注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中使之沿第一方向流動，并注射CFOT化學(xué)品到等離子體中。優(yōu)選地選擇能促進(jìn)基本純二氧化硅煙炱形成的CFOT化學(xué)品。等離子體的發(fā)生和第五正向橫向移動速率TF5應(yīng)使得等離子體根據(jù)CFOT化學(xué)品沉積基本純二氧化硅煙炱外層并，并行地，根據(jù)CFIT化學(xué)品實現(xiàn)二氧化硅煙炱內(nèi)層的沉積。
本發(fā)明第五方面的方法這樣實施步驟(d)，例如沿第一方向的反方向以第五橫向移動速率TR5橫向移動該等離子體，但不注入促進(jìn)在步驟(c)沉積的煙炱進(jìn)一步形成的CFIT化學(xué)品，且不影響附加二氧化硅煙炱的形成。第五反向橫向移動速率能固結(jié)在步驟(c)沉積的基本純二氧化硅煙炱外層，從而成為基本純玻璃質(zhì)二氧化硅外層。
本發(fā)明第一到第五方面的一個變換方案包括管狀件垮塌(熔塌)成為料坯的步驟。此種變換方案的例子這樣實施垮塌步驟產(chǎn)生一種等離子體，它具有相對于管狀件外表面而言規(guī)定的垮塌溫度曲線，并沿管狀件長度反復(fù)移動等離子火炬。
垮塌步驟的一種變換方案包括周期地調(diào)節(jié)溫度曲線和管狀件內(nèi)外表面間的壓差，直至管狀件垮塌成為料坯。
垮塌步驟的另一種變換方案，與沿垮塌中的管狀件長度反復(fù)橫向移動等離子火炬的至少一部分過程并行地，在管狀件外表面以上形成附加玻璃質(zhì)二氧化硅層的步驟。此種變換方案的例子是通過注射CFOT化學(xué)品到反復(fù)橫向移動中的等離子體中來實現(xiàn)附加玻璃質(zhì)二氧化硅層的形成的。
本發(fā)明第一到第五方面的又一種變換方案，可連帶或不帶其它變化，包括，在垮塌步驟完成后，通過POVD在料坯上形成附加玻璃質(zhì)二氧化硅層的又一步驟。
本發(fā)明第一到第五方面的另一種變換方案，不論帶或不帶其它變換方案之一或多項，與一個或多個沉積或固結(jié)步驟并行或散亂交替地實施一種步驟，包括測定從相對于等離子火炬的參照點到管狀件外表面之間距離并根據(jù)感知的距離移動等離子火炬以便在參照點和外表面之間保持規(guī)定的間隙。
本發(fā)明另一個方面是包括下列步驟的制造料坯的方法(a)提供二氧化硅管狀件，該二氧化硅管狀件具有包圍著沿中心軸線延伸的圓柱體空腔的內(nèi)表面，并具有與中心軸線同軸的外圓柱體表面，(b)圍繞中心軸線轉(zhuǎn)動該二氧化硅管狀件，(c)在管外表面以上沿管長度形成外二氧化硅層，并行地從管內(nèi)表面朝內(nèi)沿管長度沉積內(nèi)煙炱層，(d)重復(fù)步驟(c)直至由這些步驟形成預(yù)定厚度的外玻璃質(zhì)二氧化硅層或內(nèi)煙炱層，(e)干燥管狀件連同所形成的外玻璃質(zhì)二氧化硅層和沉積的煙炱層，(f)固結(jié)該沉積的內(nèi)煙炱層，以及(g)使管狀件垮塌成料坯。
本發(fā)明第一到第六方面的一種變換方案，不論帶或不帶一種或多種其它變化，采用可被等離子火焰腐蝕掉的低質(zhì)原料管。該腐蝕過程移動等離子火焰，后者也將管內(nèi)部加熱。管內(nèi)部受到的等離子加熱導(dǎo)致與腐蝕并行的煙炱在管內(nèi)部的沉積和/或固結(jié)。
該變換方案的范例方法具有兩個步驟。第一步反復(fù)橫向移動等離子體，以從外面腐蝕管子并，優(yōu)選并行地在管內(nèi)表面沉積二氧化硅煙炱和/或?qū)⒍趸锜熿乒探Y(jié)為玻璃質(zhì)二氧化硅。當(dāng)原料管被腐蝕掉時第一步驟即告完成，從而留下由固結(jié)在原料管內(nèi)表面上的玻璃質(zhì)二氧化硅組成的新管。第二步驟實施前面描述的本發(fā)明方法所并行實施的內(nèi)/外沉積和/或沉積/固結(jié)，其間利用新管作為起始管。第一步驟可按照與第二步驟用來沉積和固結(jié)內(nèi)煙炱的同樣方式沉積內(nèi)煙炱和固結(jié)該煙炱。替代地，第一步驟可采用不同于第二步驟用來沉積和/或固結(jié)煙炱到內(nèi)表面的方法沉積和/或固結(jié)煙炱到內(nèi)表面上。
該變換方案的一個范例第一步驟包括步驟(A)，它沿著原料管橫向移動等離子火焰，其間注射CFIT化學(xué)品到空腔中。橫向移動以速率E1進(jìn)行。速率E1應(yīng)使得等離子火焰腐蝕原料管的外表面并導(dǎo)致二氧化硅煙炱顆粒沉積在管內(nèi)熱區(qū)的下游，并將該煙炱顆粒固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層。在步驟(A)的終點，原料管變薄，而在原料管的內(nèi)表面形成一個玻璃質(zhì)二氧化硅的薄新管。步驟(A)一直重復(fù)到原料管完全被腐蝕掉。新管由，隨著等離子體橫向移動將原料管腐蝕掉而不斷沉積和固結(jié)的玻璃質(zhì)二氧化硅反復(fù)層組成。
鑒于上面指出以及其它現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，本發(fā)明的目的是用于高速率生產(chǎn)光纖料坯的設(shè)備和方法。
本發(fā)明另一個目的是用于高速率生產(chǎn)大直徑光纖料坯的設(shè)備和方法。
本發(fā)明又一個目的是省略現(xiàn)有技術(shù)已知方法中使用的固結(jié)、燒結(jié)和夾套中的一個或多個步驟的高速率生產(chǎn)光纖料坯的方法和步驟。
本發(fā)明又一個目的是用于增加摻雜劑在管狀件內(nèi)的結(jié)合，同時也提高加工速率的方法。
本發(fā)明這些和其它目的、特征和優(yōu)點在本領(lǐng)域技術(shù)人員參考附圖閱讀了下文有關(guān)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的較詳細(xì)描述之后，將變得了然和更好地理解，在附圖中，相同的特征用相同的數(shù)字代號標(biāo)識。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明固定設(shè)備總裝側(cè)視圖；圖2展示本發(fā)明第一方面的方法的范例步驟流程圖；圖3展示本發(fā)明第二方面的方法的范例步驟流程圖；圖4展示本發(fā)明第三方面的方法的范例步驟流程圖；圖5展示本發(fā)明第四方面的方法的范例步驟流程圖；圖6展示本發(fā)明第五方面的方法的范例步驟流程圖；圖7展示本發(fā)明第六方面的方法的范例步驟流程圖。
發(fā)明詳述1.定義為本說明的目的，將采用下面的定義，除非另行指出或者從上下文清楚看出與上下文相當(dāng)?shù)哪骋缓x成立“選擇性地?fù)诫s的”包括從零摻雜濃度直至任意濃度的任何摻雜劑范圍，這里賦予“摻雜劑”按照該術(shù)語在纖維光學(xué)技術(shù)中普通和常用用法的含義。
“在…上”，當(dāng)指的是管狀件外表面時，既包括，相對于管狀件縱向中心軸線而言，與外表面接觸也包括位于其徑向朝外一定距離的位置關(guān)系；以及“在…上”，當(dāng)指的是管狀件內(nèi)表面時，既包括，相對于管狀件縱向中心軸線而言，與內(nèi)表面接觸也包括位于其徑向朝內(nèi)一定距離的位置關(guān)系。
2.說明圖1展示可用于實施本發(fā)明所述方法和方法的諸方面的范例設(shè)備。圖1中畫出的范例設(shè)備包括玻璃-加工車床2，例如，德國制造商Herbert Arnold公司供應(yīng)的型號T3080。該范例玻璃加工車床2包括機(jī)頭4、尾座6、機(jī)頭座軸8和尾座軸10。機(jī)頭座軸8由機(jī)頭4內(nèi)的軸承支撐(未畫出)，可圍繞AX軸線旋轉(zhuǎn)。同樣，尾座軸10由尾座6內(nèi)的軸承(未畫出)支撐，使得它能夠圍繞同一AX軸線旋轉(zhuǎn)。管狀件12穿過并被支撐在機(jī)頭座軸8和尾座軸10上。管狀件借助卡盤或夾緊裝置(未畫出)夾緊在機(jī)頭8和尾座10每一個上。此種設(shè)備乃是與本領(lǐng)域相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的。管狀件12延伸至穿過機(jī)頭座軸8，穿過尾座軸10，穿過尾座6中的內(nèi)孔(未畫出)直至尾氣系統(tǒng)11。尾氣系統(tǒng)11將氣體從管狀件12的空腔12a引導(dǎo)到室外。
電機(jī)和軸(未畫出)將旋轉(zhuǎn)力直接施加到機(jī)頭8和尾座10上。轉(zhuǎn)軸8和10，以及因此管狀件12旋轉(zhuǎn)的速率R，在這里被稱作每分轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)，正如技術(shù)上公知的，可選擇。
范例玻璃加工車床2還包括托架14，其由托架平動機(jī)構(gòu)(未畫出)沿著A1和A2方向帶動。方向A1和A2彼此相反并平行于A軸線。一個高頻等離子等溫火炬16安裝在托架14上。范例高頻等離子等溫火炬16描述在美國專利6,253,580(“580專利”)中，在此將其全部內(nèi)容收作參考。等離子等溫火炬16需要的動力由高頻(HF)無線電波發(fā)生器(未畫出)供應(yīng)，它可以是不在車床上的裝置?？捎糜诨鹁?6的發(fā)生器的例子是型號IG 120/3000，由制造商Huttenger電子公司(德國)制造，或者等效的市售供應(yīng)裝置。
上面所描述的圖1玻璃加工車床2通過用可沿著車床軌道(未畫出)移動的托架14載著火炬16而能沿著A1和A2方向移動等離子火炬16。一種替代的實施方案(未畫出)采用固定托架(未畫出)，和可沿A1和A2方向協(xié)調(diào)移動的機(jī)頭(未畫出)和尾座(未畫出)。制造商，例如，德國的Herbert Arnold公司提供一種玻璃加工車床，具有固定托架、可移動機(jī)頭和尾座，以及用于協(xié)調(diào)移動機(jī)頭和尾座的機(jī)構(gòu)。具有固定機(jī)頭和固定尾座以及移動托架14的玻璃加工車床的主要優(yōu)點是尺寸。缺點，其中的許多具有與現(xiàn)場有關(guān)的重要性(site-specific weight)，包括托架14用的移動機(jī)構(gòu)(未畫出)具有短的結(jié)構(gòu)壽命和/或高維修率。另一個缺點是，一般很難將用于隔絕環(huán)境的結(jié)構(gòu)連接在移動托架上。
圖1顯示一種由等離子火炬16產(chǎn)生的范例等離子體16a。等離子體16a具有的頻率(未標(biāo)出)部分地取決于具體使用的CFIT和/或CFOT，因此對于這里所描述的相關(guān)步驟中每一個步驟來說都可能不同。HF(高頻)發(fā)生器的頻率由等離子體頻率確定。HF發(fā)生器的頻率選擇和操作頻率很容易采用POVD現(xiàn)有技術(shù)中已有標(biāo)準(zhǔn)和選擇原則來實施。等離子體16a的溫度曲線用POVD技術(shù)中已知的方法來確定，就典型而言，包括改變HF發(fā)生器三極管(未畫出)的陽極(未畫出)電壓或陽極電流(未畫出)。等離子火炬16，因此也就是等離子體16a，與管狀件12之間的間距可由一種，例如，可移動臺座來控制，該臺座響應(yīng)距離感知裝置，例如，超聲波距離敏感元件(未畫出)或電荷耦合裝置(CCD)攝像機(jī)(未畫出)利用幀抓取軟件(frame grabbingsoftware)發(fā)出的控制信號(未畫出)而沿著垂直于AX軸線的方向移動等離子火炬16。適當(dāng)CCD攝像機(jī)的例子包括PulnixTM TM-1-1和KodakTM ES 1.0。
參見圖1，圖中畫出的用于實施這里所描述方法及其每種變換方案的范例設(shè)備還包括氣體儲罐或源20，它向等離子火炬16提供等離子氣體(未畫出)；以及第一化學(xué)儲罐，或CFOT源22，它提供注入到等離子火炬16中的等離子沉積和/或摻雜劑用化學(xué)品(未畫出)。圖1設(shè)備還包括提供注入到管狀件12的空腔12a中的沉積和/或摻雜劑用化學(xué)品的第二化學(xué)品儲罐或CFIT源24。儲罐22和24每一個，正如從下面的方法詳述中看出的，優(yōu)選地包括大量較小儲罐或源(未畫出)，每個具有流動控制裝置(未畫出)。這有利于構(gòu)成注入到等離子體的CFOT化學(xué)品和注入到管狀件12空腔12a中的CFIT化學(xué)品混合物的選擇和改變。流動控制裝置(未畫出)可以是市售供應(yīng)的裝置(未畫出)，可由許多與本發(fā)明有關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的供應(yīng)商購得。
第一連接管線20a提供從氣體儲罐或源20到等離子火炬16盤管(未畫出)底座的流道，正如“580專利”所描述的，以及第二連接管線22a提供從第一化學(xué)品儲罐或源22到火炬16的注射口(圖1中未畫出)的流道，亦如“580專利”所描述。每一個連接管線20a和22a中包括流動控制裝置(未畫出)。類似地，第三連接管線24a提供從第二化學(xué)品儲罐或源24到管狀件12空腔12a的流道。如圖所示，該實例的第三連接管線24a包括伸入到管狀件12的空腔12a一端12a’內(nèi)部，并與機(jī)頭座軸6的位置基本上重合地延伸的遠(yuǎn)端部分24a’。支撐結(jié)構(gòu)26，如圖1實例中所示，固定在機(jī)頭4上以便在空腔的端部12a’的基本上中心部位支撐遠(yuǎn)端部分24a’。
等離子火炬16將被用于這里所描述的所有沉積、固結(jié)和垮塌步驟。所描述的步驟包括同時地沉積煙炱到管狀件內(nèi)外表面，以及與沉積并行地固結(jié)內(nèi)外表面煙炱之一或二者。煙炱在外表面的沉積和固結(jié)是一種如“580專利”所描述的POVD過程。二氧化硅內(nèi)表面的沉積和/或固結(jié)是這樣實現(xiàn)的隨著等離子體沉積外煙炱(層)，令CFIT化學(xué)品穿管子流過。傳到管內(nèi)部的熱量于是被CFIT化學(xué)品的存在利用，后者與沉積煙炱起反應(yīng)和/或固結(jié)該沉積的煙炱，同時也固結(jié)此前的行程所沉積的煙炱。就某一特定等離子行程而言，在管狀件內(nèi)外表面是否沉積煙炱，則由隨著等離子火炬不斷橫向移動而啟閉CFOT和CFIT的流動來確定和控制。另外，煙炱可以一邊沉積一邊固結(jié)，或者可以只沉積而不固結(jié)，留待等離子火焰的后續(xù)行程來固結(jié)。煙炱是否固結(jié)取決于等離子火炬的橫向移動速率，以及管狀件的旋轉(zhuǎn)速率和等離子火焰的溫度曲線。另外，整個沉積速率可因等離子火炬的正向行程期間的同時沉積而加速，其中“正向”指的是CFIT化學(xué)品流過管狀件空腔的方向，并因反向橫向移動期間選擇性和同時的沉積并固結(jié)而加速。
對于這里描述的所有等離子沉積、沉積/固結(jié)和垮塌步驟而言，優(yōu)選隨著其直徑的增加(沉積)或減少(垮塌)維持盤管(未畫出)與管狀件圓柱體外表面之間的距離。具體要維持的距離取決于因地制宜的因素，包括等離子體的能量及其發(fā)生盤管的幾何形狀。關(guān)于沉積，鑒于隨著二氧化硅按照這里所描述的方法不斷沉積管狀件的外徑增加，該距離優(yōu)選地以動態(tài)方式不斷調(diào)節(jié)。一種范例實施方法是安排距離感知器件來探測針對等離子火炬的參照點如器件本身，與管狀件外表面之間的距離。上面描述的圖1實例設(shè)備包括此種器件，并包括一種致動器機(jī)構(gòu)，用于根據(jù)敏感元件發(fā)出的信號和規(guī)定參照間距來移動等離子火炬靠近或離開AX軸線。因此，可以看出，優(yōu)選地，這里所描述的所有等離子沉積和固結(jié)步驟都包括根據(jù)管狀件外直徑的等離子體自動間距保持步驟。然而，還應(yīng)理解，自動間距調(diào)節(jié)并非必須的，而在替代的方案中，可采取定期手動調(diào)節(jié)等離子火炬與管狀件之間的距離。
圖2顯示本發(fā)明制造光纖料坯的第一方法。圖2是顯示諸步驟組合的步驟流程，但不限于在任何特定設(shè)備上實施。圖2流程圖旨在描述該方法和使該方法得以在任何建造用來完成每一步驟的設(shè)備上實施，圖1不過是該方法的一個例子。然而，為幫助理解本發(fā)明，將參照圖1的設(shè)備來描述圖2的范例操作。
方框200代表將管狀件如圖1的工件12裝入到某一設(shè)備如圖1的車床2中的任務(wù)。如上所述，管狀件12具有圓柱體空腔12a，具有如圖1所示直徑D1，并具有所示外徑D2。D1的開始值稱之為D1初始，D2的開始值稱為D2初始。步驟202以R每分轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)圍繞A軸線轉(zhuǎn)動管狀件12。范例D2初始是57mm±10mm，對應(yīng)的范例R是60RPM±10RPM。R旋轉(zhuǎn)速率可在這里所描述的整個過程中一直采用，因此，除非另行指出，一律理解為，旋轉(zhuǎn)速率R是該R速率。同樣，在步驟202，等離子體，例如，圖1的等離子體16a，由位于等離子火炬如代號16內(nèi)部的盤管(未畫出)發(fā)生。如上所述，等離子火炬16可以是按照“580專利”所公開的等離子火炬。
參見圖1所示范例設(shè)備，等離子氣體的流動通過開啟等離子氣體儲罐20的流動控制閥(未畫出)來實施。該實例使用的等離子氣體是氧和氮的混合物，摻以氬或氦以便改進(jìn)等離子火焰溫度曲線的控制性能。進(jìn)而，在步驟202，盤管(未畫出)被置于與管狀件圓柱體外表面一定距離(未畫出)，作為規(guī)定溫度曲線建立的一部分。范例間距值為約5cm，但其它間距值也可使用，具體取決于等離子火炬的具體構(gòu)造和功率設(shè)定。
參見圖2，在步驟204，用于外部蒸氣沉積的CFOT化學(xué)品流開始，按照例如，“580專利”那樣，注入到等離子體中。在圖1所示范例設(shè)備的情況下，CFOT化學(xué)品的流動通過開啟CFOT化學(xué)品源或儲罐22的流動控制閥(未畫出)來實現(xiàn)，從而導(dǎo)致流經(jīng)流道22a并進(jìn)入到火炬16的注射噴嘴(圖1中未畫)中。范例CFOT化學(xué)品包括SiCl4，作為基礎(chǔ)玻璃組分；氧載體；SF6，用于降低折射指數(shù)；和/或TiCl4，用于增加折射指數(shù)同時也改善纖維的機(jī)械強(qiáng)度。
還有，在步驟204，CFIT化學(xué)品的流開始進(jìn)入到沿第一方向，代號A1，旋轉(zhuǎn)的管狀件12的空腔12a中。就本說明而言，涉及等離子火炬16沿AX軸線方向的術(shù)語“正向”是指CFIT化學(xué)品流過空腔12a的方向。在圖1的實例中，“正向”是從機(jī)頭4，在此CFIT化學(xué)品被注入，到尾座6。
步驟204的CFIT化學(xué)品包括SiCl4作為沉積用基礎(chǔ)玻璃組分，以及選自GeCl4和POCl3中的一種或多種以提高二氧化硅的折射指數(shù)，以及SF6、SiF4、CF4和BCl3用以減少折射指數(shù)，連同O2作為載氣。當(dāng)這些CFIT化學(xué)品到達(dá)等離子體熱區(qū)時，便發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。該化學(xué)反應(yīng)將形成二氧化硅或摻雜二氧化硅的煙炱顆粒，取決于所使用的具體化學(xué)品，并且該顆粒將與載氣沿相同方向流動并沉積在管狀件內(nèi)表面的下游。
參見圖1，等離子火炬16的起始位置靠近機(jī)頭8，后者支撐著管狀件12的端12a’，也就是CFIT化學(xué)品由流道24a的遠(yuǎn)端24a’輸入的那一端。
接著，在步驟206，等離子火炬16(以及等離子體16a)沿正向以第一正向橫向移動速率TF1橫向移動。TF1的范例值，假定外徑D2初始是57mm和旋轉(zhuǎn)速率R是60RPM，則為20cm/min。隨著等離子體16a，連同CFOT化學(xué)品沿管狀件12橫向移動，一層外煙炱顆粒在等離子體射入的外表面120D的運(yùn)動區(qū)域(未編號)上沉積并固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅外層。與所述玻璃質(zhì)二氧化硅外層的形成的同時，在內(nèi)表面12ID上沉積內(nèi)二氧化硅煙炱顆粒并根據(jù)CFIT化學(xué)品固結(jié)為玻璃質(zhì)二氧化硅內(nèi)層。
第一正向橫向移動速率TF1應(yīng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)速率R和等離子火焰的溫度曲線來選擇，以便使管外表面和管內(nèi)其反面的溫度足以使相應(yīng)沉積的煙炱顆粒固結(jié)。因此，單一步驟206正向行程一旦完成，一個玻璃質(zhì)二氧化硅內(nèi)層便根據(jù)CFIT化學(xué)品以及一個玻璃質(zhì)二氧化硅外層根據(jù)CFOT化學(xué)品，沿管狀件12的基本上全長形成，從機(jī)頭座軸8一直延伸到尾座軸10。
接著，在步驟208，測定內(nèi)表面12ID上沉積的摻雜玻璃質(zhì)二氧化硅的總厚度。步驟208的測定可優(yōu)選通過采用非接觸方法，例如，光學(xué)厚度計(未畫出)或超聲波儀表(未畫出)測定管狀件的壁厚來實施。所考慮的光學(xué)厚度計包括但不限于，不在車床上的BenchMikeTM，由制造商Beta LaserMike供應(yīng)。
如果厚度小于規(guī)定值，表示為TH1，則過程接著執(zhí)行步驟210，于是停止步驟204的CFIT化學(xué)品流入空腔12a。該流動的停止可利用，例如，裝在第一和第二化學(xué)品儲罐或源22和24內(nèi)的市售供應(yīng)流動控制器件(未畫出)來實現(xiàn)。CFOT化學(xué)品的流動仍維持。隨后，在步驟212，等離子火炬16以第一反向橫向移動速率TR1沿反向，標(biāo)為，在圖1范例設(shè)備中的，A2。反向橫向移動速率TR1設(shè)定成使等離子體的溫度曲線根據(jù)CFOT化學(xué)品沉積二氧化硅煙炱顆粒外層，但不固結(jié)該顆粒的數(shù)值。實現(xiàn)外二氧化硅顆粒沉積但不固結(jié)的速率TR1一般高于同時沉積/固結(jié)所采用的橫向移動速率。例如，采用60RPM的旋轉(zhuǎn)速率R，觀察到TR1等于40cm/min時可獲得步驟210所要求的外煙炱層沉積層。這大大高于20cm/min的步驟206橫向移動速率TF1。
由于CFIT化學(xué)品向空腔12a中的流動在步驟210期間被切斷，故在該步驟終點，在內(nèi)表面12ID上基本上沒有煙炱的附加沉積。
隨后，過程返回到步驟206，并分別與CFIT和CFOT化學(xué)品相一致地沉積另一玻璃質(zhì)二氧化硅內(nèi)層和外層。第一正向橫向移動速率TF1，例如20cm/min的范例速率，將足以將在步驟210沉積的外煙炱層，也連同正在沉積的煙炱，固結(jié)為外玻璃質(zhì)二氧化硅層。也重復(fù)測定步驟208。
步驟206沿正向以速率TF1橫向移動等離子火炬16，以便并行沉積煙炱和將其固結(jié)在內(nèi)表面，同時沉積并固結(jié)煙炱到外表面上，隨后實施步驟208的測定和以速率TR1實施步驟210和212的煙炱沉積，這一過程一直重復(fù)到步驟208檢測到其厚度不小于TH1。但步驟208檢測到厚度不小于TH1時，過程轉(zhuǎn)向步驟2 14，它關(guān)斷CFOT和CFIT化學(xué)品，隨后通過往返橫向移動等離子火炬16實施垮塌料坯的步驟216。
步驟216的垮塌一旦完成，該過程即可視為完成。然而，該過程可以繼續(xù)去進(jìn)行步驟218并實施外等離子蒸氣沉積，其間利用等離子火炬16加上CFOT化學(xué)品，直至料坯達(dá)到要求的總外徑。
要知道，圖2所示細(xì)分的具體步驟，例如，步驟202、204和206，不過是為解釋該方法及其同時的內(nèi)外煙炱沉積。在實際操作中，步驟202和204，以及210和212可以合并成單一并行步驟。同樣地，在實施上述方法中，諸步驟不一定要按照圖2所畫的順序進(jìn)行。例如，步驟204的開啟CFOT和CFIT化學(xué)品本可先于標(biāo)為步驟202的管狀件開始旋轉(zhuǎn)。
還應(yīng)了解，測定步驟208可以周期地針對步驟206的正向沉積/固結(jié)進(jìn)行，而不是每次完成這一步驟之后做一次。
參見方框216’，一種本發(fā)明上述范例的變換方案在垮塌步驟的一部分期間實施等離子體外蒸氣沉積(POVD)。步驟216’的POVD例如可這樣實施這一操作即，在垮塌操作期間注射CFOT化學(xué)品到等離子體中。優(yōu)選的是，由于維持垮塌步驟216和216’期間的熱和壓力參數(shù)的重要性，步驟216’在垮塌操作的晚期階段不實施POVD。
還應(yīng)理解，本發(fā)明的創(chuàng)新方面可按照一種省去步驟210和212，而僅采用步驟204和206的正向行程的方式來實施。盡管可能將降低生產(chǎn)速率，但是通過在步驟206每一程終點返回到起點的過程中去掉等離子體的沉積功能，使得此種實施有可能應(yīng)用于某些場合。
圖3顯示本發(fā)明另一同時沉積方法的范例步驟流程圖。圖3范例流程圖所示方法類似于上面提到圖2時所描述的方法，只是在步驟212的反向行程期間維持CFIT化學(xué)品的流動。因此圖3與圖2相同，只是去掉了步驟210的切斷CFIT化學(xué)品并將步驟212換成212’，將步驟206換成步驟206’。步驟212’與圖2的步驟212不同之處在于，一個二氧化硅煙炱層，與CFIT化學(xué)品一致地沉積在管狀件內(nèi)表面，并行地，二氧化硅煙炱外層仍如步驟212那樣進(jìn)行沉積。同樣地，圖3的步驟206’與圖2的步驟202的不同之處在于，除了如步驟206所描述的那樣沉積并固結(jié)新的內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層之外，正向行程以速率TF2固結(jié)上一次重復(fù)步驟212’所沉積的內(nèi)煙炱層。
步驟206’的正向橫向移動速率被標(biāo)為TF2，而反向橫向移動速率標(biāo)為TR2，以便說明。然而，視設(shè)計選擇和因地制宜的物理參數(shù)而定，圖3的步驟212’反向橫向移動速率TR2可等于圖2步驟212的反向橫向移動速率TR1。
圖3的范例流程圖所描述的方法就內(nèi)二氧化硅層而言，沉積速率比圖2方法的高。該方法特別適合制造單一模式料坯，因為單一模式纖維一般就其折射指數(shù)曲線而言具有比較簡單的模式。更具體地說，單一模式料坯通常不要求在斷面摻雜劑濃度上明顯多得多的變化并且一般不采用高摻雜劑濃度。再者，圖3流程圖所畫出的方法具有高加工速率。降低單一模式纖維的售價增加了較高加工速率的效益。
圖4顯示本發(fā)明另一同時沉積方法的步驟流程圖。方框400與上面描述的方框200相同，代表將一種諸如圖1的物品12的管狀件安裝到例如，圖1的車床2中的任務(wù)。步驟402開啟等離子體并使它與管狀件的初始外徑之間具有規(guī)定間隙以取得規(guī)定的溫度曲線。
接著，在步驟404，CFOT化學(xué)品開始流入到等離子火炬中，如同，例如，“580專利”所述，并且CFIT化學(xué)品開始流入到旋轉(zhuǎn)管狀件12的空腔12a中。該方法接著轉(zhuǎn)入步驟406，它以速率TF3沿正向橫向移動等離子火炬，此處如上所述，“正向”指的是CFIT化學(xué)品流過管狀件空腔的方向。隨后，等離子火炬沿著管狀件以速率TF3橫向移動朝向尾座6，這可利用圖1的范例設(shè)備。速率TF3根據(jù)旋轉(zhuǎn)速率R和等離子體16a的溫度曲線選擇，以便使等離子體的熱量僅沉積，而不隨后顯著固結(jié)在管狀件的內(nèi)外表面。這不同于圖2方法的正向通過步驟206，和圖3的步驟206’，后兩種方法的步驟都是在管狀件內(nèi)外表面并行地實施沉積和固結(jié)。TF3的范例值是40cm/min。
一旦完成步驟406的正向行程，在管狀件的內(nèi)外表面，沿著諸如，從機(jī)頭座軸8到尾座軸10之間跨度的長度上沉積上一層煙炱。隨后，該過程轉(zhuǎn)入步驟408，它停止向等離子火炬的CFOT化學(xué)品和向管狀件空腔的CFIT化學(xué)品流動。隨后，在步驟410，等離子火炬16以第三反向橫向移動速率TR3沿反向橫向移動，從而使內(nèi)外煙炱層固結(jié)為玻璃質(zhì)二氧化硅層。范例TR3值是20cm/min。
接著，步驟412探測沉積在管狀件內(nèi)表面的玻璃質(zhì)二氧化硅層總厚度。如果該總厚度小于閾值TH3，過程將返回到步驟404，開始CFOT化學(xué)品向等離子火炬和CFIT化學(xué)品向空腔12a中的流動。隨后，過程轉(zhuǎn)入到步驟406沿正向橫向移動等離子火炬并在管狀件內(nèi)外表面沉積另一層煙炱，隨后到步驟408和410，使煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅。
如果步驟412探測到管狀件內(nèi)外表面沉積的玻璃質(zhì)二氧化硅總厚度不小于TH3，則過程轉(zhuǎn)入步驟414，通過往返橫向移動等離子火炬使料坯垮塌。一旦步驟414垮塌完成，過程即可認(rèn)為完成。
圖4方法的另一個方面以414’表示，實施針對步驟414所描述的垮塌步驟，即，在至少部分垮塌操作期間它另外還向等離子體中注入CFOT化學(xué)品。因此，步驟414’沉積煙炱并將它固結(jié)成附加玻璃質(zhì)二氧化硅，其間管狀件逐漸垮塌。由于在垮塌操作的較遲階段必須更小心地控制熱量，特別是在封口前的最后行程和封口步驟期間，故優(yōu)選在此刻停止CFOT化學(xué)品。
圖4的本發(fā)明方法的另一個方面表示在步驟416中，它在步驟414產(chǎn)生的垮塌的料坯上實施POVD，正如例如在“508專利”中所描述的。
圖4的范例流程圖代表的方法特別適合制造多模式料坯。一個重要原因是，沿正向橫向移動方向，即，步驟406，的橫向移動速率維持一種只發(fā)生煙炱沉積而不發(fā)生實質(zhì)性固結(jié)的溫度。該較低溫度有利于摻雜劑如GeO2的化學(xué)反應(yīng)和結(jié)合。
圖5表示本發(fā)明另一種同時沉積方法的步驟流程圖。方框500代表將圖1的工件12安裝到如圖1車床2的設(shè)備中。步驟502以速率R開始管狀件的旋轉(zhuǎn)，開始等離子體并將它調(diào)節(jié)到與管狀件初始外表面一定間距以便使它具有規(guī)定溫度曲線。R的范例數(shù)值是60RPM，范例間距為約5cm。
接著，在步驟504，CFOT化學(xué)品開始流入到等離子火炬中，正如，例如，“580專利”所描述的，并且CFIT化學(xué)品開始流入到旋轉(zhuǎn)管狀件12的空腔12a中。CFIT化學(xué)品是促使僅生成基本純二氧化硅煙炱的那些。隨后，圖5的方法轉(zhuǎn)入步驟506，沿反向以第四橫向移動速率TR4橫向移動等離子火炬。如上所述，“正向”和“反向”分別指沿著CFIT流過管狀件空腔的反向及其相反反向。采用圖1的范例設(shè)備，“反向”總是離開尾座6的方向。
速率TR4根據(jù)旋轉(zhuǎn)速率R和等離子體的溫度曲線來選擇，以便使得，在步驟506期間，等離子火焰16a的熱量在管狀件內(nèi)表面沉積基本純二氧化硅煙炱層，并與CFOT化學(xué)品一致地在管狀件外表面沉積二氧化硅煙炱層。速率RT4必須滿足，基本純二氧化硅內(nèi)煙炱層基本不固結(jié)。原因是，步驟510，如下所述，在固結(jié)該煙炱期間將注射具有摻雜劑化學(xué)品的CFIT，例如，GeCl4，于是該煙炱和摻雜劑將固結(jié)成，在GeCl4的情況下，以鍺摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅層。如果在步驟506沉積的基本純二氧化硅煙炱已固結(jié)，則在步驟510注入的摻雜劑就可能向二氧化硅內(nèi)擴(kuò)散得不充足。
經(jīng)過步驟506后，該方法轉(zhuǎn)入步驟508，在此，改變CFIT化學(xué)品，以便將引起二氧化硅煙炱生成的化學(xué)品切斷，或者送入放空系統(tǒng)(未畫出)，于是僅包括改變待固結(jié)內(nèi)煙炱層的折射指數(shù)的化學(xué)品，例如，GeCl4。隨后，過程轉(zhuǎn)入步驟510，沿正向以第四正向橫向移動速率TF4沿著管狀件橫向移動等離子火焰16a。。橫向移動速率TF4應(yīng)使得等離子火焰16a的熱量固結(jié)在步驟506沉積的基本純二氧化硅煙炱內(nèi)層，并借助CFIT化學(xué)品改變其折射指數(shù)，從而形成按照CFIT化學(xué)品選擇性摻雜的內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層。與內(nèi)玻璃質(zhì)摻雜二氧化硅層形成并行地，等離子體16a在管狀件外表面以上沉積附加二氧化硅煙炱，與此同時，將該煙炱和在步驟506沉積的外煙炱固結(jié)成按照CFOT化學(xué)品摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅外層。第四正向橫向移動速率TF4一般都低于第四反向橫向移動速率TR4。
在步驟510的終點，形成內(nèi)玻璃質(zhì)二氧化硅層，它基于在步驟506沉積的基本純二氧化硅煙炱和在步驟510引入到空腔中的CFIT指數(shù)-改性化學(xué)品，并形成玻璃質(zhì)二氧化硅外層，基于在步驟506沉積的煙炱和在步驟510沉積的煙炱，二者都在步驟510固結(jié)。
步驟510以后，步驟512探測沉積在管狀件上沉積的玻璃質(zhì)二氧化硅層的總厚度。如果該總厚度小于閾值TH4，則過程返回到步驟504，將CFIT化學(xué)品改回到促使僅形成基本純二氧化硅煙炱的化學(xué)品，并沿反向以速率TR4橫向移動等離子火炬。這將沉積上另一個基本純二氧化硅煙炱內(nèi)層和按照CFOT的二氧化硅煙炱外層。如果步驟510探測到在管狀件內(nèi)表面沉積的摻雜玻璃質(zhì)二氧化硅總厚度不小于TH4，則過程轉(zhuǎn)入步驟512，通過往返橫向移動等離子火炬使料坯垮塌。一旦步驟512垮塌完成，這個過程便認(rèn)為完成了。
圖5方法的另一個方面實施步驟512’，以替代512。步驟512’，如上所述，在至少一部分垮塌操作期間注射CFOT化學(xué)品到等離子體中，以沉積和固結(jié)附加煙炱使之成為附加玻璃質(zhì)二氧化硅層。也如上所述，優(yōu)選的是，在固結(jié)的較晚階段停止注入CFOT，以便能更好地控制最終料坯垮塌期間的溫度和壓力。
圖5方法的另一個方面是在步驟512或512’產(chǎn)生的垮塌的料坯上實施等離子外蒸氣沉積的步驟514，正如，例如，在“508專利”中描述的。
圖5的該范例流程圖代表的方法特別適合制造多模式料坯。它之所以特別適合，部分地因為它提供摻雜劑如GeO2或F的結(jié)合的改進(jìn)。再者，管狀件內(nèi)的工藝環(huán)境能更好地控制。更具體地說，步驟506的反向橫向移動期間唯一的反應(yīng)是產(chǎn)生基本純二氧化硅煙炱的SiCl4的反應(yīng)。這使我們能通過控制等離子火焰16a的溫度曲線更好地控制未摻雜二氧化硅煙炱的斂集密度或孔隙率。另外，步驟510期間的過程限制在改變折射指數(shù)的CFIT化學(xué)品和O2以及其它載氣的注入，和使它們與以前沉積的二氧化硅固結(jié)，而不形成附加的二氧化硅煙炱。這使得改變折射指數(shù)的CFIT化學(xué)品能發(fā)生更加完全的氧化反應(yīng)。后者的好處是比典型MCVD過程的明顯改善，因為這些過程一般有過量氯氣存在于管內(nèi)，它們使摻雜劑的氧化反應(yīng)在熱力學(xué)上變得不利。
圖5方法與傳統(tǒng)MCVD方法相比能獲得改進(jìn)的摻雜劑氧化的原因包括在步驟506沉積純二氧化硅煙炱，隨后在步驟510注入摻雜劑，其間煙炱和摻雜劑固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層。傳統(tǒng)MCVD方法連同摻雜劑一起注入形成二氧化硅煙炱的SiCl4。如上所述，結(jié)果是摻雜劑的氧化不完全，其中很大比例隨同排出物一起排走。圖5的方法通過在步驟506的沉積期間僅引入SiCl4，隨后在固結(jié)步驟510期間注入摻雜劑化學(xué)品如GeCl4，從而將不同的反應(yīng)分開進(jìn)行。
圖6顯示本發(fā)明另一種同時沉積方法的步驟流程圖。在方框600，沿著管狀件如圖1的工件12被裝入到如圖1車床2之類的設(shè)備中。步驟602開始以速率R旋轉(zhuǎn)管狀件，開啟等離子體并將它相對于管狀件初始外表面按規(guī)定間距定位以便使該表面具有規(guī)定的溫度曲線。R的范例值是60RPM，范例間距為約5cm。在步驟604，POVD用的CFOT化學(xué)品開始流入到等離子體中，如同，例如，“580專利”所描述的。優(yōu)選的是，由該圖6方法實施的POVD使用的CFOT化學(xué)品被選擇成能促使形成基本純二氧化硅煙炱的，即，未摻雜的。也是在步驟604，CFIT化學(xué)品開始流入到旋轉(zhuǎn)管狀件12的空腔12a中。優(yōu)選的是，CFIT化學(xué)品促進(jìn)二氧化硅煙炱和GeO2摻雜劑的形成。所描述的后續(xù)步驟將該二氧化硅煙炱和GeO2固結(jié)成鍺摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅層。
接著在步驟606，等離子火炬16(和等離子體16a)沿正向以第五正向橫向移動速率TF5橫向移動。TF5的范例值，假定外徑D2初始等于57mm和旋轉(zhuǎn)速率是60RPM，則是20cm/min。隨著等離子體16a連同CFOT化學(xué)品沿管狀件12橫向移動過去，一層外煙炱顆粒沉積在等離子體射入的外表面12OD的運(yùn)動區(qū)域(未標(biāo)代號)。速率TF5應(yīng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)速率R和等離子火焰的溫度曲線選擇，使得管外表面的溫度為約1800℃，同時管內(nèi)溫度為約1500℃。該溫度不足以固結(jié)外煙炱顆粒的未摻雜(純)二氧化硅層。然而，在空腔12a內(nèi)的溫度將導(dǎo)致GeO2摻雜的SiO2內(nèi)煙炱顆粒，與CFIT化學(xué)品一致地在內(nèi)表面12ID上的同時沉積和那些GeO2摻雜的二氧化硅內(nèi)煙炱顆粒同時固結(jié)為氧化鍺摻雜的二氧化硅層。
等離子火炬16一旦完成一步606正向行程，一個外煙炱層便成形在管狀件外表面12OD上，并且一個氧化鍺摻雜的二氧化硅層成形在內(nèi)表面12ID上。
接著在步驟608，步驟604——向等離子體16a中流入CFOT化學(xué)品和向空腔12a中流入CFIT化學(xué)品都停止。隨后，在步驟610，等離子火炬16以第五反向橫向移動速率TR5沿反向A2，也就是與流動方向A1相反的反向，橫向移動。第五反向橫向移動速率TR5被設(shè)定為能使等離子體16a的溫度曲線固結(jié)在步驟206沉積的外二氧化硅煙炱層。鑒于CFOT化學(xué)品已切斷，因此在等離子體沿A2反向橫向移動返回期間沒有二氧化硅沉積在外表面12OD上，導(dǎo)致在步驟606期間已在12OD上沉積但尚未固結(jié)的煙炱層發(fā)生固結(jié)的速率TR5一般地高于橫向移動速率TR1。例如，采用60RPM的旋轉(zhuǎn)速率，30cm/min的TR5，據(jù)觀察，可達(dá)到在步驟606沉積的外煙炱層符合要求的固結(jié)。這明顯高于20cm/min的步驟606的橫向移動速率TR5。
在步驟610終點，在內(nèi)表面12a上形成一層氧化鋯摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅，并在外表面12OD上形成一層未摻雜玻璃質(zhì)二氧化硅。
接著，在步驟612，測定沉積在內(nèi)表面12ID上的氧化鋯摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅總厚度。如果該厚度小于閾值TH5，則重復(fù)步驟606沿正向以速率TF5橫向移動等離子火炬16，以便并行地沉積煙炱并將其固結(jié)在內(nèi)表面，同時在外表面沉積煙炱，隨后進(jìn)行步驟608和610，以固結(jié)該外表面煙炱。當(dāng)步驟612探測到厚度不小于TH5，于是過程轉(zhuǎn)入步驟614，關(guān)斷CFOT和CFIT化學(xué)品，隨后轉(zhuǎn)入步驟616，通過往返橫向移動等離子火炬16使料坯垮塌。
一旦完成步驟618的垮塌，整個過程便認(rèn)為完成。然而，該方法可轉(zhuǎn)入步驟618并采用等離子火炬16配合CFOT化學(xué)品實施外等離子蒸氣沉積，直至料坯達(dá)到所要求的總外徑。
圖7顯示本發(fā)明另一同時沉積方法的范例步驟流程圖。參見圖7，該方法從方框700開始，即，將管狀件如工件圖1的工件12注入到諸如圖1車床2的設(shè)備中。步驟702開始以速率R轉(zhuǎn)動管狀件，開啟等離子體并將它相對于管狀件初始外表面按規(guī)定間距定位以便使該表面具有規(guī)定的溫度曲線。R的范例值是60RPM，范例間距為約5cm。接著，在步驟704，CFOT化學(xué)品開始注入到等離子火焰16a中，同時CFIT化學(xué)品沿方向A1流入到空腔12a中。隨后，方法轉(zhuǎn)入步驟706，并沿管狀件正向以速率TF6橫向移動該等離子火焰16a。速率TF6應(yīng)選擇為，能在管狀件外表面既沉積又固結(jié)，并行地在內(nèi)表面沉積煙炱。在步驟706終點，在管狀件外表面形成按照CFOT化學(xué)品摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅層，以及在內(nèi)表面，與按照CFIT化學(xué)品摻雜的二氧化硅煙炱顆粒層。隨后，該方法轉(zhuǎn)入步驟708，沿管狀件、A2方向以第六反向橫向移動速率TR6橫向移動返回。像正向橫向移動速率TF6一樣，速率TR6應(yīng)選擇為能導(dǎo)致在管狀件外表面既沉積又固結(jié)，并在內(nèi)表面僅沉積。因此，在完成一次步驟706和708的重復(fù)以后，在管狀件外表面形成兩層玻璃質(zhì)二氧化硅，并在內(nèi)表面形成兩層二氧化硅煙炱。
在完成步驟708以后，過程轉(zhuǎn)入步驟710，并測定沉積的二氧化硅的厚度。如果測定的厚度不等于或大于閾值TH6，則過程返回到步驟706，隨后步驟708在管狀件外表面沉積另外2個玻璃質(zhì)二氧化硅層和在內(nèi)表面沉積另外2個二氧化硅煙炱層。
如果步驟710測定厚度不小于閾值TH6，則過程轉(zhuǎn)入步驟712，并將CFIT改變?yōu)镺2、Cl2和He的氣體混合物。這些CFIT化學(xué)品起到干燥在步驟706和708沉積的煙炱的作用。隨后，過程轉(zhuǎn)入步驟714，以速率T10沿管狀件長度橫向移動等離子火焰16a至少一次。需要的確切橫向移動次數(shù)可通過分析試樣的含濕量來確定。本發(fā)明人觀察到，等離子火焰16a橫向移動一次就足夠了。橫向移動速率T10和等離子火焰16a的溫度曲線應(yīng)設(shè)定得僅發(fā)生煙炱顆粒的干燥，而不發(fā)生固結(jié)。步驟716的干燥操作以后，過程轉(zhuǎn)入步驟718，使管狀件垮塌，并在此過程中固結(jié)在步驟706和708沉積的二氧化硅煙炱和摻雜劑，并在步驟714進(jìn)行干燥。
按照圖7方法制造的料坯的測定含濕量不足幾個ppb的水平。
本發(fā)明在制造光纖料坯方面具有顯著優(yōu)勢和效益。重要優(yōu)點是其在管狀件內(nèi)外表面同時沉積所達(dá)到的生產(chǎn)速率。該生產(chǎn)速率由于，如上所述，在正常沉積步驟期間，即，垮塌步驟之前的沉積期間，乃至垮塌步驟期間都可進(jìn)行外部沉積，而得到進(jìn)一步提高。因此，本發(fā)明提供一種大料坯的高速率制造方法，而不需要像現(xiàn)有技術(shù)那樣要求附加步驟、設(shè)備和時間。這可清楚地從制造較大料坯的典型方法中看出，這些方法或者沉積附加包層-玻璃，例如美國專利5,522,007所描述的那樣，或者采取插套另一根管子的步驟。
本發(fā)明的另一個好處部分地源于其等離子火炬的采用。等離子火炬不像典型MCVD那樣要使用氫氣和氧氣，因此避免了水的產(chǎn)生。正因為如此，等離子火炬能進(jìn)一步降低H2和OH-擴(kuò)散到芯內(nèi)的潛在危險，這在采用MCVD方法時卻會遇到。采用等離子火炬的另一個好處是，它具有比氫氧火炬大得多的功率，從而允許將料坯做到直徑等于或大于125mm。另一個好處是，本發(fā)明的方法全都采用類似于現(xiàn)有MCVD和PCVD方法使用的管子。再一個好處是，沉積的二氧化硅通常將具有非常低的含濕量，因為在料坯制造期間，沉積層通過沉積管壁而與周圍環(huán)境隔絕，沉積物不受氫氧熱源產(chǎn)生和驅(qū)趕到沉積區(qū)域的H2或其它含氫種，像OH-，的進(jìn)一步污染。
以上的說明假定，原料管狀件，例如，圖1的工件12，被結(jié)合到了最終料坯中。然而，可以使用低強(qiáng)度管，它將在沉積步驟期間被等離子火焰腐蝕掉。更具體地說，在過程開始時，CFIT化學(xué)品在空腔內(nèi)引起的化學(xué)反應(yīng)將，隨著等離子體將外表面逐漸腐蝕掉，在內(nèi)表面導(dǎo)致沉積或沉積/固結(jié)。經(jīng)過沉積步驟的多次重復(fù)以后，原料管將被完全腐蝕掉，僅留下內(nèi)表面沉積過程形成的質(zhì)量好、強(qiáng)度高的玻璃。并行的內(nèi)/外沉積隨后便以該新管作為標(biāo)靶繼續(xù)進(jìn)行。這樣做允許使用低強(qiáng)度犧牲標(biāo)靶管，從而提供料坯設(shè)計方面的更大自由度。就是說，在原料管的折射指數(shù)上它不受任何限制。
雖然已通過某些優(yōu)選實施方案公開了本發(fā)明，但這些不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易看出，尚可能存在這些實施方案的變換方案，每個都屬于本發(fā)明范圍內(nèi)，該范圍應(yīng)由下面的權(quán)利要求規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供一種管狀件，具有中心軸線、圓柱體空腔、包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，該內(nèi)表面和外表面圍繞中心軸線彼此同軸；(b)同時地，在外表面沉積外二氧化硅煙炱層并將該外二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，和在內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層；(c)在外圓柱體表面沉積第二外二氧化硅煙炱層；(d)同時地在外表面沉積外二氧化硅煙炱層并將外二氧化硅煙炱層和所述第二外煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，和在內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將該內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層；以及(e)重復(fù)步驟(c)和(d)直至形成預(yù)定厚度所述玻璃質(zhì)二氧化硅層。
2.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(d)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第一橫向移動速率(TF1)沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TF1應(yīng)，與在外表面的所述沉積和固結(jié)并行地，使等離子火焰導(dǎo)致在管狀件內(nèi)表面的所述沉積和固結(jié)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(c)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第二速率TR1沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中，其中TR1應(yīng)使等離子火焰，與CFOT化學(xué)品一致地，實現(xiàn)第二外二氧化硅煙炱層的沉積，但基本不固結(jié)。
4.權(quán)利要求2的方法，其中步驟(d)注入CFIT化學(xué)品使之沿基本平行于中心軸線的流動方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
5.一種制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供一種原料管狀件，具有中心軸線、圓柱體空腔、包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，該內(nèi)表面和外表面圍繞中心軸線彼此同軸，所述原料管狀件可被等離子火焰腐蝕；(b)按如下所述在所述原料管狀件內(nèi)形成新管狀件(b1)利用等離子火焰同時地在內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層，并將該內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，(b2)以所述等離子火焰從管狀件外表面腐蝕其材料，以及(b3)重復(fù)步驟(b1)和(b2)直至，所述管狀件被腐蝕掉從而形成包含所述玻璃質(zhì)二氧化硅層的所述新管狀件直至所述管狀件被腐蝕掉，所述新管狀件具有包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，所述內(nèi)表面和所述外表面圍繞中心軸線彼此同軸，(c)同時地在所述外圓柱體表面沉積外二氧化硅煙炱層并將該外二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，以及在所述內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，(d)在所述外圓柱體表面沉積第二外二氧化硅煙炱層；(e)同時地在所述外圓柱體表面沉積外二氧化硅煙炱層并將外二氧化硅煙炱層和所述第二外煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，并在所述內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將該內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層；以及(f)重復(fù)步驟(d)和(e)直至形成預(yù)定厚度所述玻璃質(zhì)二氧化硅層。
6.權(quán)利要求5的方法，其中步驟(e)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于所述外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動新管狀件；以及以第一橫向移動速率(TF1)沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TF1應(yīng)，與在所述外表面的所述沉積和固結(jié)并行地，使等離子火焰導(dǎo)致在該新管狀件內(nèi)表面的所述沉積和固結(jié)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(d)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動新管狀件；以及以第二速率TR1沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中，其中TR1應(yīng)使等離子火焰，與CFOT化學(xué)品一致地，實現(xiàn)第二外二氧化硅煙炱層的沉積，但基本不固結(jié)。
8.權(quán)利要求6的方法，其中步驟(e)注入CFIT化學(xué)品使之沿基本平行于中心軸線的流動方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
9.一種制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供一種管狀件，具有中心軸線、圓柱體空腔、包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，該內(nèi)表面和外表面圍繞中心軸線彼此同軸；(b)同時地，在外圓柱體表面沉積外二氧化硅煙炱層并將該外二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，和在內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層；(c)在外圓柱體表面沉積第二外二氧化硅煙炱層，并行地在內(nèi)表面沉積第二二氧化硅煙炱層；(d)同時地在外圓柱體表面沉積外二氧化硅煙炱層并將外二氧化硅煙炱層和所述第二外煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，和在內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將該內(nèi)煙炱層和第二內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層；以及(e)重復(fù)步驟(c)和(d)直至形成預(yù)定厚度所述玻璃質(zhì)二氧化硅層。
10.權(quán)利要求9的方法，其中步驟(d)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第一橫向移動速率(TF1)沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TF1應(yīng)，與在所述外表面的所述沉積和固結(jié)并行地，使等離子火焰導(dǎo)致在該管狀件內(nèi)表面的所述沉積和固結(jié)。
11.權(quán)利要求9的方法，其中步驟(c)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第二速率TR2沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TR2應(yīng)使等離子火焰與CFOT化學(xué)品一致地沉積第二外二氧化硅煙炱層但基本不固結(jié)，并與CFIT化學(xué)品一致地沉積第二內(nèi)二氧化硅煙炱層但基本不固結(jié)。
12.權(quán)利要求10的方法，其中步驟(d)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
13.一種制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供一種原料管狀件，具有中心軸線、圓柱體空腔、包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，該內(nèi)表面和外表面圍繞中心軸線彼此同軸，所述原料管狀件可被等離子火焰腐蝕；(b)按如下所述在所述原料管狀件內(nèi)形成新管狀件(b1)利用等離子火焰同時地在內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將該內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，(b2)以所述等離子火焰從管狀件外表面腐蝕其材料，以及(b3)重復(fù)步驟(b1)和(b2)直至，所述管狀件被腐蝕掉從而形成包含所述玻璃質(zhì)二氧化硅層的所述新管狀件直至所述管狀件被腐蝕掉，所述新管狀件具有包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，所述內(nèi)表面和所述外表面圍繞中心軸線彼此同軸，(c)同時地在所述外表面沉積外二氧化硅煙炱層并將該外二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，以及在所述內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，(d)在所述外表面沉積第二外二氧化硅煙炱層和在內(nèi)表面沉積第二二氧化硅煙炱層；(e)同時地在所述外圓柱體表面沉積外二氧化硅煙炱層，并將外二氧化硅煙炱層和所述第二外二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，并在所述內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將該內(nèi)煙炱層和所述第二內(nèi)二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層；以及(f)重復(fù)步驟(d)和(e)直至形成預(yù)定厚度所述玻璃質(zhì)二氧化硅層。
14.權(quán)利要求13的方法，其中步驟(e)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于所述外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動新管狀件；以及以第三橫向移動速率(TF2)沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TF2應(yīng)使等離子火焰在新管狀件內(nèi)表面造成所述沉積和固結(jié)，并行地在所述外表面造成所述沉積和固結(jié)。
15.權(quán)利要求13的方法，其中步驟(d)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于所述外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動新管狀件；以及以第四橫向移動速率TR2沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時以第一速率注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中，其中TR2應(yīng)使等離子火焰，與CFOT化學(xué)品一致地實現(xiàn)第二外二氧化硅煙炱層的沉積但基本不固結(jié)，和第二內(nèi)二氧化硅煙炱層的沉積但基本不固結(jié)。
16.權(quán)利要求14的方法，其中步驟(e)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
17.權(quán)利要求15的方法，其中步驟(d)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
18.一種制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供一種管狀件，具有中心軸線、圓柱體空腔、包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，該內(nèi)表面和外表面圍繞中心軸線彼此同軸；(b)同時地，在外圓柱體表面沉積外二氧化硅煙炱層和沉積內(nèi)煙炱層；(c)同時地將外二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層和將內(nèi)二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層；和(d)重復(fù)步驟(b)和(c)直至形成預(yù)定厚度所述玻璃質(zhì)二氧化硅層。
19.權(quán)利要求18的方法，其中步驟(b)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于所述外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第五橫向移動速率(TF3)沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TF3應(yīng)使等離子火焰與CFOT化學(xué)品一致地造成外二氧化硅煙炱層的所述沉積并與CFIT化學(xué)品一致地造成內(nèi)二氧化硅煙炱層的沉積。
20.權(quán)利要求18的方法，其中步驟(c)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于所述外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第六橫向移動速率TR3沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，其中TR3應(yīng)使等離子火焰實現(xiàn)內(nèi)二氧化硅煙炱層的所述固結(jié)和所述外二氧化硅煙炱層的所述固結(jié)。
21.權(quán)利要求19的方法，其中步驟(b)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
22.一種制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供一種原料管狀件，具有中心軸線、圓柱體空腔、包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，該內(nèi)表面和外表面圍繞中心軸線彼此同軸，所述原料管狀件可被等離子火焰腐蝕；(b)按如下所述在所述原料管狀件內(nèi)形成新管狀件(b1)利用等離子火焰同時地在內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將該內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，(b2)以所述等離子火焰從管狀件外表面腐蝕其材料，以及(b3)重復(fù)步驟(b1)和(b2)直至，所述管狀件被腐蝕掉從而形成包含所述玻璃質(zhì)二氧化硅層的所述新管狀件直至所述管狀件被腐蝕掉，所述新管狀件具有包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，所述內(nèi)表面和所述外表面圍繞中心軸線彼此同軸，(c)同時地在所述外表面沉積外二氧化硅煙炱層和在所述內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層；(d)同時地將外二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層并將內(nèi)二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層；以及(e)重復(fù)步驟(c)和(d)直至形成預(yù)定厚度所述玻璃質(zhì)二氧化硅層。
23.權(quán)利要求22的方法，其中步驟(c)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于所述外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第五橫向移動速率(TF3)沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TF3應(yīng)使等離子火焰與CFOT化學(xué)品一致地造成外二氧化硅煙炱層的所述沉積并與CFIT化學(xué)品一致地造成內(nèi)二氧化硅煙炱層的沉積。
24.權(quán)利要求22的方法，其中步驟(d)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動新管狀件；以及以第六速率TR3沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，其中TR3應(yīng)使等離子火焰實現(xiàn)內(nèi)二氧化硅煙炱層的所述固結(jié)和所述外二氧化硅煙炱層的所述固結(jié)。
25.權(quán)利要求23的方法，其中步驟(c)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
26.一種制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供一種管狀件，具有中心軸線、圓柱體空腔、包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，該內(nèi)表面和外表面圍繞中心軸線彼此同軸；(b)同時地，在外圓柱體表面沉積外二氧化硅煙炱層并在內(nèi)表面沉積基本純二氧化硅煙炱的內(nèi)煙炱層；(c)在外圓柱體表面沉積第二外二氧化硅煙炱層并將外二氧化硅煙炱層和所述第二外二氧化硅煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，并沉積摻雜劑到所述內(nèi)煙炱層上，并將內(nèi)煙炱層和摻雜劑固結(jié)成根據(jù)所述摻雜劑摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅層；以及(d)重復(fù)步驟(b)和(c)直至形成預(yù)定厚度所述玻璃質(zhì)二氧化硅層。
27.權(quán)利要求26的方法，其中步驟(b)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第七橫向移動速率(TF4)沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TF4應(yīng)使等離子火焰，與在外表面的所述沉積和固結(jié)并行地，造成所述摻雜劑在管狀件內(nèi)表面的沉積和固結(jié)。
29.權(quán)利要求26的方法，其中步驟(b)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動管狀件；以及以第八橫向移動速率TR4沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中，并注射CFIT化學(xué)品到空腔中，其中TR4應(yīng)使等離子火焰，與CFOT化學(xué)品一致地，實現(xiàn)第二外二氧化硅煙炱層的沉積但基本不固結(jié)，以及內(nèi)基本純二氧化硅煙炱層的沉積但基本不固結(jié)，并且CFIT化學(xué)品基本由SiCl4組成。
30.權(quán)利要求27的方法，其中步驟(b)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動與所述流動方向相反。
31.權(quán)利要求27的方法，其中步驟(c)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
32.一種制造光纖料坯的方法，包括下列步驟(a)提供一種原料管狀件，具有中心軸線、圓柱體空腔、包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，該內(nèi)表面和外表面圍繞中心軸線彼此同軸，所述原料管狀件可被等離子火焰腐蝕；(b)按如下所述在所述原料管狀件內(nèi)形成新管狀件(b1)利用等離子火焰同時地在內(nèi)表面沉積內(nèi)煙炱層并將該內(nèi)煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，(b2)以所述等離子火焰從管狀件外表面腐蝕其材料，以及(b3)重復(fù)步驟(b1)和(b2)直至，所述管狀件被腐蝕掉從而形成包含所述玻璃質(zhì)二氧化硅層的所述新管狀件直至所述管狀件被腐蝕掉，所述新管狀件具有包圍空腔的內(nèi)表面，和外表面，所述內(nèi)表面和所述外表面圍繞中心軸線彼此同軸，(c)同時地在所述外表面沉積外二氧化硅煙炱層和在所述內(nèi)表面沉積基本純二氧化硅煙炱的內(nèi)煙炱層；(d)同時地在所述外表面沉積第二外二氧化硅煙炱層并將外二氧化硅煙炱層和所述第二外煙炱層固結(jié)成玻璃質(zhì)二氧化硅層，和沉積摻雜劑到所述內(nèi)煙炱層上并將該內(nèi)煙炱層和摻雜劑固結(jié)成根據(jù)所述摻雜劑摻雜的玻璃質(zhì)二氧化硅層；以及(e)重復(fù)步驟(c)和(d)直至形成預(yù)定厚度所述玻璃質(zhì)二氧化硅層。
33.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(d)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動新管狀件；以及以第七橫向移動速率(TF4)沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中并注射CFIT化學(xué)品到圓柱體空腔中，其中TF4應(yīng)使等離子火焰，與在外表面的所述沉積和固結(jié)并行地，造成所述摻雜劑在新管狀件內(nèi)表面的沉積和固結(jié)。
34.權(quán)利要求32的方法，其中步驟(c)包括下列步驟產(chǎn)生具有相對于外表面的溫度曲線的等離子火焰；圍繞中心軸線以速率R轉(zhuǎn)動新管狀件；以及以第八橫向移動速率TR4沿所述外表面橫向移動該等離子火焰，同時注射CFOT化學(xué)品到等離子火焰中，并注射CFIT化學(xué)品到空腔中，其中TR4應(yīng)使等離子火焰，與CFOT化學(xué)品一致地實現(xiàn)第二外二氧化硅煙炱層的沉積但基本不固結(jié)，以及內(nèi)基本純二氧化硅煙炱層的沉積但基本不固結(jié)，并且CFIT化學(xué)品基本由SiCl4組成。
35.權(quán)利要求33的方法，其中步驟(c)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動與所述流動方向相反。
36.權(quán)利要求34的方法，其中步驟(d)注射CFIT化學(xué)品使之沿基本上平行于中心軸線的方向流動，且其中所述橫向移動沿所述流動方向。
全文摘要
采用在原料管內(nèi)外表面同時等離子沉積方法制造光纖料坯的方法和設(shè)備。轉(zhuǎn)動原料管狀件(12)，向等離子火炬(16)中選擇地注入CFOT化學(xué)品(22)并向管(12)空腔內(nèi)選擇地注入CFIT化學(xué)品(24)。等離子火炬沿著管狀件橫向移動從而同時地在內(nèi)外表面沉積煙炱。在沉積期間內(nèi)外表面之一或二者上的煙炱可被固結(jié)成二氧化硅層。等離子火炬(16)再次橫向移動以在內(nèi)外表面之一或二者上沉積附加煙炱和/或固結(jié)以前沉積的煙炱。過程一直重復(fù)到在管狀件上形成預(yù)定數(shù)量二氧化硅。隨后，將管狀件熔塌。任選地，在熔塌期間或以后實施附加等離子沉積。
文檔編號C03B37/014GK1653005SQ03810920
公開日2005年8月10日 申請日期2003年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月15日
發(fā)明者M·I·古斯科夫, E·B·達(dá)尼洛夫, W·哈莫勒, M·A·阿斯拉米, 武韜 申請人:纖維管有限公司