CN1276889C - 制造光纤预制坯的方法和用于这种制造光纤预制坯的方法的燃烧设备 - Google Patents

制造光纤预制坯的方法和用于这种制造光纤预制坯的方法的燃烧设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光纤预制坯的制造方法和用于这种方法的燃烧设备。在这种制造方法中，当玻璃颗粒在从燃烧器排出的氢氧火焰中被合成，从而通过在开始部件的半径方向沉积玻璃颗粒来形成多孔光纤预制坯的时候，从燃烧器中排出的原料气体或者原料气体和附加气体的混合气体的流率vm(m/sec)与惰性气体的流率vs(m/sec)之间的关系是-0.06vm+1.4≤vs≤-0.02vm+1.8，和vs≥0.40。而从燃烧器排出的原料气体的流量Vm(l/min)和惰性气体的流量Vs(l/min)之间的关系是Vs/Vm≤0.2。

Description

制造光纤预制坯的方法和用于这种 制造光纤预制坯的方法的燃烧设备
技术领域
本发明涉及一种制造光纤预制坯的方法，和使用该方法制造光纤预制坯的燃烧设备，其中通过在氢氧火焰中反应原料气体和在开始部件的***的半径方向沉积它，合成玻璃颗粒。
背景技术
通过拉伸光纤预制坯制造光纤。另外，制造光纤预制坯的方法的例子包括VAD，OVD，MCVD和PCVD等方法。特别地，OVD(外表气相沉积)方法是用来制造光纤预制坯的方法，包括，把水解的和氧化的四氯化硅(SiCl4)，四氯化锗(GeCl4)等一起利用氢和氧燃烧合成玻璃颗粒，把玻璃颗粒(粉尘)沉积在圆锥形开始部件的外周的半径方向，该开始部件是由玻璃材料制成的，其设有芯部，绕该轴旋转来制造由多层组成的多孔层形式的多孔光纤预制坯，和通过在电烤炉内脱水和烧结把它转变成透明玻璃。
通过拉伸这种光纤预制坯制造的光纤具有更高的纯度和其它特性。
例如在OVD方法中，在形成多孔光纤预制坯的步骤中使用的燃烧器10的末端具有如图1所示的结构。
第一喷嘴1设置在该燃烧器10的末端的中心，并且第二喷嘴2设有与第一喷嘴1相同的中心轴，绕着该第一喷嘴1设置。另外，第三喷嘴3形似地设有与第一喷嘴1相同的中心轴，绕着第二喷嘴2设置，第四喷嘴4设有与第一喷嘴1相同的中心轴，绕着第三喷嘴3设置。另外，多个具有小直径的第五喷嘴5在第二喷嘴2和第三喷嘴3之间设置为第一喷嘴1的同心圆。
另外，第一喷嘴1用作第一端口11，在第一喷嘴1和第二喷嘴2之间的部分用作第二端口12，在第二喷嘴2和第三喷嘴3之间的部分用作第三端口13，在第三喷嘴3和第四喷嘴4之间的部分用作第四端口14，而第五喷嘴5用作第五端口15。
在OVD方法中为了合成玻璃颗粒，通常把例如SiCl4和诸如氧或氢的添加气体的混合气体被当作原料气体从第一端口11被输入，由氩等组成的密封气体被从第二端口12输入，氢从第三端口13输入，而氧从第四端口14和第五端口15输入。
然而，使用这种燃烧器10制造光纤预制坯的方法具有下面的问题。
当原料气体，氧和氢被输入到燃烧器10的氢氧火焰上时，玻璃颗粒通过发生在火焰中的水解反应(火焰水解)而被合成。尽管这些玻璃颗粒正常地沉积在开始部件的表面上，但一部分粘附到燃烧器10的末端。用这种方式，当玻璃颗粒粘附到燃烧器10的末端的时候，上述端口被堵塞，导致例如有缺陷地制造多孔的光纤预制坯的问题。
另外，已经粘附到燃烧器10的末端的玻璃颗粒(SiO2颗粒)的集合在和燃烧器10分离后也粘附到多孔光纤预制坯的表面。假如多孔光纤预制坯在这种状态被烧结，在光纤预制坯内形成气泡，从而不能制造满意的光纤预制坯。
另外，伴随着近些年来高速通信需求的增长，光纤的产量已经增长，光纤预制坯倾向于变大。结果，使用的原料气的量也增加了，从而导致粘附到燃烧器的末端上的玻璃颗粒的量相应地增加，而这又导致了上述问题变得更严重。
发明内容
考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种制造光纤预制坯的方法，其能有效地制造满意的光纤预制坯和用于使用这种方法制造光纤预制坯的燃烧设备。
上述问题能够通过光纤预制坯的制造方法被解决，这种方法包括步骤：在从燃烧器排出的氢氧火焰中产生玻璃颗粒，该燃烧器装备有至少第一端口，其排出原料气体或者原料气体和在中心提供的附加气体的混合气体，和第二端口，其排出惰性气体，其设置有与第一端口相同的中心轴，绕着第一端口设置；通过在开始部件的***的半径方向沉积玻璃颗粒制造多孔的光纤预制坯；和烧结该多孔的光纤预制坯；其中，从燃烧器中排出的原料气体或者原料气体和附加气体的混合气体的流率vm与惰性气体的流率vs之间的关系是-0.06vm+1.4≤vs≤-0.02vn+1.8，且vs≥0.40，其中流率vm、vs的单位是m/sec；并且其中所述原料气体的流量Vm与惰性气体的流量Vs之间的关系是Vs/Vm≤0.2，其中流量Vm、Vs的单位是l/min。
在上述制造光纤预制坯的方法中，添加到原料气体中的附加气体最好是氧气或氢气。
上述问题也能够通过用于制造光纤预制坯的燃烧设备被解决，该燃烧设备包括气体流动通道，所述通道可应用到上述用于制造光纤预制坯的方法中，所述燃烧设备包括：燃烧器，其设有至少第一端口，第一端口排出原料气体或者原料气体和在中心提供的附加气体的混合气体，和第二端口，其排出惰性气体，设置有与第一端口相同的中心轴和绕着第一端口设置；气体供应源，其把原料气体，易燃气体，助燃气体和惰性气体提供给燃烧器；和气体控制单元，其控制这些气体的流量或者流率。
附图说明
图1是显示用于制造光纤预制坯的燃烧器的例子的示意图。
图2是表示，根据本发明制造光纤预制坯的方法中，原料气体或者原料气体和附加气体的混合气体的流率vm(m/sec)与惰性气体的流率vs(m/sec)之间的关系的曲线图。
具体实施方式
下面给出本发明的详细解释。
图1是显示用于制造光纤预制坯的方法的燃烧器的例子的示意图，然而，各个引用符号的解释被省略。
用于制造本发明的光纤预制坯的燃烧器大致包括燃烧器10，例如如图所示，把原料气体，燃烧气体，助燃气体和惰性气体提供给该燃烧器10的气体供应源在图中没有显示，控制这些气体的流量或流率的控制单元在图中没有显示。
燃烧器10是具有大约40到60mm的外径的圆柱形状，并且典型地由石英玻璃形成。
另外，第一喷嘴1的内径大约是2.5到6mm，第二喷嘴2的内径大约是4到10mm，第三喷嘴3的内径是大约25到45mm，第四喷嘴4的内径是大约35到55mm，和每个第五喷嘴5的内径是大约1到2mm。另外，从第一喷嘴1的中心到第五喷嘴5的中心的距离是大约10-30mm。
通过使构成燃烧器10的每个喷嘴的内径在上述范围，按照下面描述的方式，光纤预制坯能被制造。
气体供应源是由充满原料气体，氧气，氢气，惰性气体等的气罐(未示出)构成，并通过气体供应线(未示出)被连接到燃烧器10的后端。
另外，气体控制单元由电磁阀，流量控制器等构成，被设置在上述气体供应线的中点，通过该流量控制器控制气体的流量或流率。
在制造本发明的光纤预制坯的方法中，首先，例如SiCl4或GeCl4的原料气体，或者原料气体和诸如氧气(O2)或氢气(H2)等的附加气体的混合气体被从第一端口11提供，由诸如氩气(Ar)的惰性气体构成的密封气体从第二端口12提供，诸如氢气的燃烧气体从第三端口13提供，诸如氧气的助燃气体从燃烧器10的第四端口14和第五端口15提供，在圆柱形开始部件的表面上提供有玻璃材料，其设有芯部并绕着该轴旋转。结果，通过在燃烧器10的氢氧火焰中的水解反应，玻璃颗粒被合成，并且这些玻璃颗粒被沉积在开始部件的表面上的半径方向上，从而获得多孔的光纤预制坯。在这种情况下，从第二端口12排出的密封气体阻止了在燃烧器10的末端附近由水解反应导致的玻璃颗粒的台成，这种反应是由于从第一端口11提供的原料气体与水蒸汽的接触导致的，水蒸汽是由在从第五端口15提供的助燃气体和从第三端口13提供的燃烧气体之间的反应导致的。
接着，产生的多孔光纤预制坯被放置在电烤炉中，并且被烧结成透明玻璃，同时在氦气(He)或者其它惰性气体中脱水从而获得圆柱形的光纤预制坯。这里，从第一端口11排出的原料气体或者原料气体和附加气体的混合气体的流率被表示为vm(m/sec)，而从第二端口12排出的密封气体的流率被表示为vs(m/sec)，这两个流率之间的关系较佳为-0.06vm+.1.4≤vs≤-0.02vm+1.8，和vs≥0.40，更好地，为-0.06vm+1.5≤vs≤-0.02vm+1.7，和vs≥0.5。
图2是表示，本发明制造光纤预制坯的方法中，原料气体或者原料气体和附加气体的混合气体的流率vm(m/sec)与密封气体的流率vs(m/sec)之间的关系的曲线图。在图中由A表示的部分是较好的范围。
假如密封气体的流率vs小于-0.06vm+1.4(m/sec)，原料气体和水蒸汽在气体合成燃烧器10的附近的氢氧火焰中反应，导致了玻璃颗粒的合成并且增加了把这些玻璃颗粒粘附到燃烧器10的表面上的可能性。假如密封气体的流率vs大于-0.02vm+1.8(m/sec)，在玻璃颗粒的合成期间，在氢氧火焰中的水解反应的效率降低，从而降低了玻璃颗粒沉积在开始部件上的表面上的速率。另外，假如密封气体的流率vs小于0.40(m/sec)，不能充分地获得密封气体的效率。
在制造本发明的光纤预制坯的方法中，假如从第一端口11排出的原料气体或者原料气体和附加气体的混合气体的流量被表示为Vm(l/min)，而从第二端口12排出的由例如氩的惰性气体组成的密封气体的流量被表示为Vs(l/min)，这两个流量之间的关系较佳为Vs/Vm≤0.2，实际上为0.15-0.2。假如Vs/Vm大于0.2，密封气体的流量变得非常大，这是不希望的，因为它促使原料气体的反应效率降低。
根据本发明的制造光纤预制坯的方法，在形成多孔光纤预制坯期间，粘附到燃烧器的末端的玻璃颗粒被消除。另外，由于玻璃颗粒被沉积在开始部件的表面上的速率能被增加，所以提高了制造效率。
另外，根据本发明的用于制造光纤预制坯的燃烧设备，由于玻璃颗粒的沉积速率能被增加，而没有把玻璃颗粒粘附到燃烧器的末端，即使使用的密封气体量减少，制造成本能被降低。
下面使用图1简要地说明本发明的特定实施例，从而更清楚本发明的效果。
实施例1
首先，准备由石英玻璃构成的圆柱形的开始部件。接着，该开始部件的两端用夹子夹住，该开始部件被水平地布置。另外，当绕着其中心轴旋转开始部件时，使用如图1所示的多个燃烧器，玻璃颗粒被同时地合成，并且玻璃颗粒被沉积在旋转开始部件的半径方向上，同时平行于开始部件的纵向方向移动燃烧器10，从而获得圆柱形多孔光纤预制坯。
此时，其它多孔光纤预制坯在以下过程中被制造，改变原料气体和氧气和用作附加气体的密封气体的流量以及同时改变原料气体，氧气和密封气体的流率，然后测量在燃烧器10的末端上的玻璃颗粒的沉积率和确定存在的粘附的玻璃颗粒。
这些结果显示在表1中。
表1
  例序号   1   2   3   4   5   6
  原料气体流量Vm(l/min)   6.0   6.0   6.0   6.0   5.0   5.0
  氧气流量(l/min)   3.0   3.0   3.0   3.0   2.0   2.0
  原料气体流率vm(m/sec)   6.3   6.3   6.3   6.3   4.9   4.9
  密封气体流量Vs(l/min)   1.0   1.5   2.0   2.5   1.0   1.5
  密封气体流率Vs(m/sec)   0.75   1.12   1.49   1.87   0.75   1.12
  -0.06vm+1.4(m/sec)   1.02   1.02   1.02   1.02   1.11   1.11
  -0.02vm+1.8(m/sec)   1.67   1.67   1.67   1.67   1.70   1.70
  Vs/Vm   0.17   0.25   0.33   0.42   0.20   0.30
  在燃烧器末端粘附有玻璃颗粒   是   否   否   否   是   否
  玻璃颗粒的沉积率(g/min)   25.1   24.7   24.5   17.7   21.2   21.3
根据表1的结果，当密封气体流率vs小于-0.06vm+1.4时，玻璃颗粒确认粘附到燃烧器10的末端，并且当密封气体流率vs大于-0.02vm+1.8时，玻璃颗粒的沉积率确实被降低。
实施例2
除了减少在实施例1中使用的燃烧器10的第二端口12的截面积之外，多孔光纤预制坯以与实施例1中相同的方式被制造，玻璃颗粒的沉积率被测量，并且确认玻璃颗粒粘附到燃烧器10的末端。
这些结果显示在表2中。
表2
  例序号   1   2   3   4   5   6
  原料气体流量Vm(l/min)   6.0   6.0   6.0   6.0   5.0   5.0
  氧气流量(l/min)   3.0   3.0   3.0   3.0   2.0   2.0
  原料气体流率vm(m/sec)   6.3   63   6.3   6.3   4.9   4.9
  密封气体流量Vs(l/min)   1.0   1.2   1.5   2.0   1.0   1.5
  密封气体流率vs(m/sec)   1.16   1.40   1.75   2.33   1.11   1.11
  -0.06vm+1.4(m/sec)   1.02   1.02   1.02   1.02   1.11   1.11
  -0.02vm+1.8(m/sec)   1.67   1.67   1.67   1.67   1.70   1.70
  Vs/Vm   0.17   0.20   0.25   0.33   0.20   0.30
  在燃烧器末端粘附有玻璃颗粒   否   否   否   否   否   否
  玻璃颗粒的沉积率(g/min)   25.8   25.6   18.4   17.9   21.6   21.2
根据表2的结果，当密封气体流率vs大于-0.02vm+1.8时，尽管玻璃颗粒的沉积率确实被降低，但即使密封气体的流量比实施例1低，沉积率确实能够增加。

Claims (3)

1.用于制造光纤预制坯的方法，包括步骤：
在从燃烧器排出的氢氧火焰中产生玻璃颗粒，该燃烧器装备有至少第一端口，其排出原料气体或者所述原料气体和在中心提供的附加气体的混合气体，和第二端口，其排出惰性气体，其设置有与所述第一端口相同的中心轴，绕着所述第一端口设置；
通过在开始部件的***的半径方向沉积所述玻璃颗粒制造多孔的光纤预制坯；和
烧结所述多孔的光纤预制坯；
其中，从所述燃烧器中排出的所述原料气体或者所述原料气体和所述附加气体的所述混合气体的流率vm与所述惰性气体的流率vs之间的关系是
-0.06vm+1.4≤vs≤-0.02vm+1.8，且vs≥0.40，其中所述流率vm、vs的单位是m/sec；并且
其中所述原料气体的流量Vm与所述惰性气体的流量Vs之间的关系是
Vs/Vm≤0.2，其中所述流量Vm、Vs的单位是l/min。
2.根据权利要求1的制造光纤预制坯的方法，其特征在于，添加到所述原料气体中的所述附加气体是氧气或氢气。
3.一种用于制造光纤预制坯的燃烧设备，该燃烧设备包括气体流动通道，所述燃烧设备可应用到用于制造光纤预制坯的方法中，该方法包括步骤：
在从燃烧器排出的氢氧火焰中产生玻璃颗粒，该燃烧器装备有至少第一端口，其排出原料气体或者所述原料气体和在中心提供的附加气体的混合气体，和第二端口，其排出惰性气体，其设置有与所述第一端口相同的中心轴，绕着所述第一端口设置；
通过在开始部件的***的半径方向沉积所述玻璃颗粒制造多孔的光纤预制坯；和
烧结所述多孔的光纤预制坯；
其中，从所述燃烧器中排出的所述原料气体或者所述原料气体和所述附加气体的所述混合气体的流率vm与所述惰性气体的流率vs之间的关系是
-0.06vm+1.4≤vs≤-0.02vm+1.8，且vs≥0.40，其中所述流率vm、vs的单位是m/sec；并且
其中所述原料气体的流量Vm与所述惰性气体的流量Vs之间的关系是
Vs/Vm≤0.2，其中所述流量Vm、Vs的单位是l/min，
所述燃烧设备还包括：
燃烧器，其设有至少第一端口，第一端口排出所述原料气体或者所述原料气体和在中心提供的所述附加气体的所述混合气体，和第二端口，其排出所述惰性气体，设置有与所述第一端口相同的中心轴和绕着所述第一端口设置；
气体供应源，其把所述原料气体、易燃气体、助燃气体和所述惰性气体提供给所述燃烧器；和
气体控制单元，其控制这些气体的流量或者流率。
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