《一種製造光纖預製件的方法及裝置》是杭州富通昭和光通信股份有限公司於2003年1月3日申請的專利，該專利的申請號為03114747X，公布號為CN1424270，授權公布日為2003年6月18日，發明人是羊榮金、曹松峰、吳興坤、兒玉喜直、山本岳彥。
《一種製造光纖預製件的方法及裝置》涉及一種製造光纖預製件的方法及裝置。它主要是將種棒經法蘭管置於反應容器內並使其下端與噴槍相對，種棒上連線圓柱形氣流整流體，該整流體的下端鄰近種棒下端；並從法蘭管上端向下導入壓力為0.5×10～2.0×10帕、溫度為20～600℃的整流氣流，使該整流氣流流經氣流整流體與法蘭管之間的空隙後，再由排氣口排出。可以保證在整個沉積過程中反應容器內壓力及氣流的基本穩定，並及時向外排出未沉積成型的SiO2、GeO2微粒，有效減小反應容器內的溫度波動、光纖預製件的生長不均等問題，並進一步增大光纖預製件的有效長度和提高其原料利用率。
2016年12月7日，《一種製造光纖預製件的方法及裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種製造光纖預製件的方法及裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種製造光纖預製件的方法及裝置
- 公布號：CN1424270
- 授權日：2003年6月18日
- 申請號：03114747X
- 申請日：2003年1月3日
- 申請人：杭州富通昭和光通信股份有限公司
- 地址：浙江省富陽市銀湖開發區
- 發明人：羊榮金、曹松峰、吳興坤、兒玉喜直、山本岳彥
- Int.Cl.：C03B37/012、C03B37/014、C03B37/018、G02B6/00
- 代理機構：浙江翔隆專利事務所
- 代理人：戴曉翔
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
無機光導纖維在通訊行業已受到廣泛套用，其中石英系光纖以其光損耗低、適用光波範圍廣、適應長距離通訊等優點而成為無機光導纖維的主導。在製造石英系光纖預製件的方法中，有一種汽相軸向沉積法（VAD法），它採用的製造裝置包括一個帶有排氣口的反應容器，反應容器下部設定有一組大致朝向排氣口的噴槍，在反應容器內豎向設定種棒。製造光纖預製件時，將種棒豎直置於反應容器內與噴槍對應，將氫氣和氧氣通入噴槍並在反應容器內點燃產生氫氧焰，將氣體原料SiCl4（四氯化矽）、GeCl4（四氯化鍺）經噴槍送至氫氧焰中，令其發生水解反應，生成SiO2（二氧化矽）、GeO2（二氧化鍺）微粒並沉積在種棒的下端，同時旋轉種棒並將其向上提升，使微粒在種棒下端沉積成內外兩層具有不同光學折射率的圓柱形光纖預製件。這種製造方法和裝置的排氣效果差，導致未能沉積的SiO2（二氧化矽）、GeO2（二氧化鍺）微粒較多地滯留在反應容器內，導致以下缺陷：
1、SiO2、GeO2微粒以一定的壓力噴射至種棒上形成預製件的同時，使反應容器記憶體在一定程度的氣流紊亂，影響光纖預製件的成形；
2、隨著光纖預製件沉積長度的增加，未沉積到預製件上的剩餘SiO2、GeO2微粒不斷地沉積在溫度較低的反應容器壁上（尤其是排氣口上側）形成鏡面，導致熱量反射，反應容器傳熱能力變化，致使反應容器內的溫度逐漸上升，最終導致沉積過程不穩定，沉積速率波動。
3、由於未沉積到預製件上的剩餘SiO2、GeO2微粒也會在已沉積成形的預製件上附著以及前述在反應容器內壁形成鏡面的原因，造成了光纖預製件沿軸線方向生長的不均勻，比如沿軸線方向上各處的包芯比（即具有不同光學折射率的圓柱形外層與內層直徑的比值）波動較大等沉積質量上的缺陷。
4、因沉積在反應容器內壁上的SiO2、GeO2微粒剝落而附著在正在沉積成形的光纖預製件的表面上，形成密度較小的區域，在後續工序中對光纖預製件進行玻璃化時，該區域易產生氣泡，這樣會導致在光纖預製件拉製成光纖的過程中產生斷纖現象。
發明內容
專利目的
《一種製造光纖預製件的方法及裝置》要解決的技術問題和提出的技術任務是克服2003年1月前光纖預製件製造過程中所存在的技術缺陷，提供一種可以調整反應容器內氣流的光纖預製件的製造方法及其裝置，以保證在整個沉積過程中反應容器內壓力及氣流的基本穩定，並及時向外排出未沉積成型的SiO2、GeO2微粒，有效減小反應容器內的溫度波動、光纖預製件的生長不均等問題，並進一步增大光纖預製件的有效長度和提高其原料利用率。
技術方案
《一種製造光纖預製件的方法及裝置》特徵是：
a、準備：在側面有排氣口、下部有噴槍的球形反應容器的上部連線法蘭管，將種棒經法蘭管置於反應容器內並使其下端與噴槍相對，種棒上連線圓柱形氣流整流體，該整流體的下端鄰近種棒下端；
b、頂吹風：從法蘭管上端向下導入壓力為0.5×10～2.0×10帕、溫度為20～600℃的整流氣流，使該整流氣流流經氣流整流體與法蘭管之間的空隙後，再由排氣口排出；所述整流氣流為乾燥空氣、氮氣或惰性氣體中的一種；
c、沉積成形：先將氫氣和氧氣通入兩噴槍，在反應容器內產生氫氧焰；再將氣體原料SiCl4、GeCl4送入噴槍，氣體原料在氫氧焰中發生氫氧水解反應，生成SiO2、GeO2微粒並沉積在種棒上逐漸形成光纖預製件，同時勻速旋轉並提升種棒；
d、待光纖預製件達到預定長度時，停止導入氣體原料、氫氣和氧氣以及整流氣流，將光纖預製件提升至法蘭管外；
e、在整個製造過程中，排氣口始終排氣。
一種製造光纖預製件的裝置，包括一上部接有法蘭管的反應容器，該反應容器下部有噴槍，其側面有排氣口，其特徵是一根種棒經所述的法蘭管置於反應容器內，種棒下端與噴槍相對，種棒上連線與其同軸的圓柱形氣流整流體。
所述的製造光纖預製件的裝置，其特徵是所述的整流體上部形狀為空心圓柱體，下部形狀為空心錐體。
所述的製造光纖預製件的裝置，其特徵是所述的氣流整流體由兩個對稱的半圓柱單元組成。
所述的製造光纖預製件的裝置，其特徵是所述的半圓柱單元上端開設軸向槽。
所述的製造光纖預製件的裝置，其特徵是所述的半圓柱單元上端開設“L”形槽。
改善效果
1、按照上述方法，①消除了反應容器內氣流紊亂的現象，從反應容器上端向下導入的氣流可以縮小未沉積成形而剩餘的SiO2、GeO2微粒在反應容器內遊動的空間，減少微粒在反應容器內滯留的時間，並可以有效地將其排出反應容器之外，而不使其附著在反應容器內壁上，保證反應容器內的溫度穩定，減少波動；②由於剩餘的SiO2、GeO2微粒被儘快地排出反應容器之外，因此其附著在已成形的光纖預製件上的機會大大減少，從而可以保證光纖預製件沿軸線方向生長均勻，尤其是外徑均勻；③由於沒有SiO2、GeO2微粒附著在反應容器內壁上，因此也不會有SiO2、GeO2玻璃微粒從反應容器壁上剝落而附著在光纖預製件的表面上而形成密度不均勻的區域，從而可以防止光纖預製件在後續的玻璃化工序後產生氣泡；④由於導入的整流氣流沿法蘭管和反應容器的內壁向下流動，可以有效地阻止未沉積成形而剩餘的SiO2、GeO2微粒靠近反應容器內壁並沉積在其上，同時阻止導入的整流氣流直接流至已成形的光纖預製件上，有效避免光纖預製件表面在製造過程中開裂；⑤由於增加氣流整流體，可以保證在沉積過程中時刻以上述4條優勢進行沉積，有效避免沉積初期反應容器內氣體流場不穩定的現象，節約原料、提高產品成品率並降低產品成本。
2、《一種製造光纖預製件的方法及裝置》的製造裝置，通過在反應容器上部的法蘭管內設定氣流整流體，進一步地將該氣流整流體連線在種棒上，在使用過程中，氣流整流體隨著種棒的旋轉提升而上升，可以達到如下效果：①可以有效地消除反應容器內氣流的紊亂現象；②在從法蘭管上端向下導入氣流時，迫使氣流僅沿反應容器內壁向下流動，其間，可以對整流氣流加熱，以防止冷氣流直接與玻璃微粒沉積體接觸，光纖預製件表面溫度快速下降所致的光纖預製件表面開裂現象的發生；③由於氣流沿反應容器內壁向下流動，對反應容器內壁具有一定的清洗作用，阻止SiO2、GeO2微粒沉積在反應容器內壁；④氣流調整單元與玻璃微粒沉積體之間的距離可以調節，從而可以得到更好的整流效果；⑤在沉積反應初期，光纖預製件的上端在被提升經過法蘭管與反應容器的結合部時，反應容器內氣體流場基本不受光纖預製件上部形狀變化的影響，從而節約原料、提高產品收率；⑥便於安裝拆卸，節約工時。
附圖說明
圖1為《一種製造光纖預製件的方法及裝置》製造裝置的結構示意圖。
圖2為氣流整流體的第一種結構示意圖。
圖3為氣流整流體的第二種結構示意圖。
圖4為氣流整流體的第三種結構示意圖。
圖5為整流體接頭的第一種結構示意圖。
圖6為整流體接頭的第二種結構示意圖。
技術領域
《一種製造光纖預製件的方法及裝置》涉及一種製造光纖預製件的方法及裝置，屬光導纖維的製造領域。
權利要求
1、一種製造光纖預製件的方法，其特徵是：
a、準備：在側面有排氣口（9）、下部有噴槍（7、8）的球形反應容器（4）的上部連線法蘭管（1），將種棒（5）經法蘭管（1）置於反應容器（4）內並使其下端與噴槍（7、8）相對，種棒上連線圓柱形氣流整流體（3），該整流體的下端鄰近種棒下端；
b、頂吹風：從法蘭管（1）上端向下導入壓力為0.5×10～2.0×10帕、溫度為20～600℃的整流氣流，使該整流氣流流經氣流整流體（3）與法蘭管之間的空隙後，再由排氣口（9）排出；所述整流氣流為空氣、氮氣或惰性氣體中的一種；
c、沉積成形：先將氫氣和氧氣通入兩噴槍（7、8），在反應容器（4）內產生氫氧焰；再將氣體原料SiCl4、GeCl4送入噴槍，氣體原料在氫氧焰中發生氫氧水解反應，生成SiO2、GeO2微粒並沉積在種棒上逐漸形成光纖預製件（6），同時勻速旋轉提升種棒（5）；
d、待光纖預製件達到預定長度時，停止導入氣體原料、氫氣和氧氣以及整流氣流，將光纖預製件（6）提升至法蘭管（1）外；
e、在整個製造過程中，排氣口（9）始終排氣。
2、根據權利要求1所述的製造光纖預製件的方法，其特徵是所述的整流體（3）上部形狀為空心圓柱體，下部形狀為空心錐體（11）。
3、一種製造光纖預製件的裝置，包括一上部接有法蘭管（1）的反應容器（4），該反應容器下部有噴槍（7、8），其側面有排氣口（9），其特徵是一根種棒（5）經所述的法蘭管（1）置於反應容器（4）內，種棒下端與噴槍（7、8）相對，種棒上連線與其同軸的圓柱形氣流整流體（3）。
4、根據權利要求3所述的製造光纖預製件的裝置，其特徵是所述的整流體（3）上部形狀為空心圓柱體，下部形狀為空心錐體（11）。
5、根據權利要求3所述的製造光纖預製件的裝置，其特徵是所述的氣流整流體（3）由兩個對稱的半圓柱單元（10）組成。
6、根據權利要求5所述的製造光纖預製件的裝置，其特徵是所述的半圓柱單元上端開設軸向槽（14）。
7、根據權利要求5所述的製造光纖預製件的裝置，其特徵是所述的半圓柱單元上端開設“L”形槽（15）。
實施方式
如圖1所示，《一種製造光纖預製件的方法及裝置》的製造裝置包括球形反應容器4和連線於其上部的法蘭管1；球形反應容器4的中部左側固定排氣口9，其下部自下而上依次固定第一噴槍7和第二噴槍8，兩隻噴槍均朝向排氣口9，氣流整流體3和種棒5連線在引棒2下端的滑套16上並豎直置於反應容器4內，種棒的下端稍伸出在氣流整流體的下端並與噴槍對應；氣流整流體的直徑為最終製成的光纖預製件6直徑的0.5～1.5倍，隨著光纖預製件預定直徑的改變而改變，保證其與法蘭管1內壁之間有適當的縫隙供氣流通過，同時保證反應容器內的氣流穩定性。
圖2所示為氣流整流體的第一種結構，它由兩塊完全軸對稱的空心半圓柱單元10組成，其下部不閉合。在製造預製件的過程中，從法蘭管1上端引導至反應容器內的氣流沿法蘭管內壁與氣流整流體之間的空隙向下流動，在反應容器內形成穩定的氣體流動場，可以有效地減小光纖預製件在提升過程中對氣體流動場的影響。
圖3所示為氣流整流體的第二種結構，它同樣由兩塊完全軸對稱的空心半圓柱單元10組成，其下部閉合。下部閉合的形狀更有利於保證在光纖預製件沉積過程中氣流整流體的穩定。
圖4所示為氣流整流體的第三種結構，它是由兩個下端帶有錐面的空心半圓柱單元10構成的空心圓柱與空心錐體11的整合體。相比前兩種結構而言，它在保證光纖預製件沉積過程中氣流整流體本身穩定性和反應容器內部氣體流動場穩定性兩個方便都有較強優勢。
圖5所示為氣流整流體接頭的第一種結構，它通過兩個螺釘將種棒5和氣流整流體3連線至引棒下端的滑套16上，為了保證在沉積初期和末期種棒和光纖預製件的順利安裝和卸下，氣流整流體接頭上部開設與第一螺釘12對應的軸向槽14。
圖6所示為氣流整流體接頭的第二種結構，它同樣通過兩個螺釘將種棒5和氣流整流體3連線至引棒下端的滑套16上，為了保證在沉積初期和末期種棒和光纖預製件的順利安裝和卸下，氣流整流體接頭上部設有與第一螺釘12配合的“L”形槽15，該“L”形槽可以將半圓柱單元掛吊在第一螺釘上，相對於整流體接頭的第一種結構，使沉積開始前種棒的安裝以及沉積結束後光纖預製件的裝卸更易於操作。
- 實施例一
在排氣口9排氣的情況下，先用第一螺釘12將直徑為25毫米的種棒5安裝掛吊在滑套16上，然後用第二螺釘13將直徑為145毫米的氣流整流體3同樣安裝掛吊在滑套16上，再將種棒5和氣體整流體3從內徑為250毫米的法蘭管1上端的進風口插進球形反應容器4內，並使種棒5的下端與兩隻噴槍對應，通過引棒勻速旋轉提升種棒，排氣口9與排氣風機連線，其壓力控制在100帕左右，開始排氣；從法蘭管上端的進風口向反應容器內通入壓力約為2.0×10帕、溫度約為20℃的空氣整流氣流；之後向兩隻噴槍內通入氫氣和氧氣，並在反應容器內點燃產生約1000℃的氫氧焰，接著向第一噴槍7內以略高於大氣壓100帕的壓力、1.5克/分鐘的流量通入SiCl4（四氯化矽）氣體原料，以同樣的壓力、0.15克/分鐘的流量通入GeCl4（四氯化鍺）氣體原料，使之發生氫氧水解反應，生成SiO2、GeO2微粒並噴射沉積在種棒的下端，形成光纖預製件的圓柱形芯層；同時向第二噴槍8內以高於大氣壓100帕的壓力、10克/分鐘的流量通入SiCl4（四氯化矽）氣體原料，使之發生氫氧水解反應，生成SiO2微粒並噴射沉積在圓柱形芯層的表面，進而形成具有不同光學折射率的圓柱形光纖預製件6；使該反應在平衡狀態下進行一定時間，可以得到預定要求的光纖預製件；停止導入氣體原料、氫氣和氧氣以及整流氣流，待光纖預製件冷卻後，將該光纖預製件緩慢提升至法蘭管外結束反應；在取下光纖預製件時先取下氣流整流體，然後取下光纖預製件；由於其間向反應容器內導入了整流氣流，且該整流氣流在整流體的作用下沿反應容器內壁向下流動，使未沉積成形的SiO2、GeO2微粒較快地從排氣口排出，成形的光纖預製件生長均勻，無瑕疵，質量優良；同時由於氣體整流體的作用，保證了在沉積的整個過程中反應容器內氣體流動場的穩定性，使成形的光纖預製件沿軸向方向具有很好的均勻性。其間，由於整流氣流選用空氣，生產成本較低，同時由於導入壓力接近大氣壓，故可以不使用加壓設備而讓空氣自由地從進風口導入。
需要強調的是：在反應沉積初期，有一個沉積生長平衡的過程，即從SiO2、GeO2微粒開始在種棒上沉積到生長成合格的預製件期間，有一個直徑從細到粗再到均勻的過渡段，當該過渡段被提升至法蘭管與反應容器的結合部時，隨著它繼續被提升，其與結合部之間的縫隙大小產生變化，氣流的流速在此處也會產生變化，進而造成反應容器內的氣體流場波動，因此，通常會增加該過渡段的長度，甚至在該過渡段的後面又形成一個長度與其大致相同的新的過渡段，這無疑導致原料的浪費、生產成本的增加以及產品收率的降低。《一種製造光纖預製件的方法及裝置》由於在種棒上連線圓柱形氣流整流體，並在鄰近氣流整流體下端的種棒上開始沉積，因此，沉積成型的預製件緊鄰整流體，其上端的過渡段基本不會對反應過程產生影響，可以有效地減少原料的浪費，降低生產成本，提高產品收率。
- 實施例二
與實施例一不同之處是，從法蘭管上端的進風口向反應容器內通入壓力約為2.0×10帕的被加溫至200℃的氮氣整流氣流；使該反應在平衡狀態下進行一定時間，可以得到預定要求的的光纖預製件；由於整流氣流選用經加溫後的惰性氣體，與反應容器內的氣體溫差較小，可以更好地保持反應容器內的溫度穩定，反應效果更好。
對於整流氣流選用惰性氣體的情況，主要是因為惰性氣體的穩定性好，能夠更好地保證反應過程的穩定。
對於三種用於整流氣流的氣體，其溫度和壓力，可以根據實際需要進行選擇。
需要說明的是，在製造過程中，將整流氣流限制在壓力為0.5×10～2.0×10帕、溫度為20～600℃的範圍內，主要是與反應容器內的反應條件相適應，保證整流氣流能夠順暢地被導入反應容器內，並不會因為其溫度、壓力與反應容器內的溫度、壓力差異過大而影響反應容器內的反應過程（通常情況下，法蘭管上端進風口的溫度在20～600℃之間，排氣口的溫度在100～300℃之間，隨著整流氣流在反應容器內的向下流動，其溫度也逐漸升高，反應趨於平衡狀態），並在工藝上容易實施，不會因此而額外增加製造成本。
至於種棒和法蘭管的直徑，種棒的旋轉和提升速度，排氣口的壓力，向噴槍內通入氣體原料的壓力及流量等製造工藝參數，在實際製造過程中均可以根據需要進行調整，以保證沉積質量。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種製造光纖預製件的方法及裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
