專利名稱：等離子體化學(xué)汽相淀積裝置和制造光纖、預(yù)制棒及套管的方法以及由此制造的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種進行等離子體化學(xué)汽相淀積(PCVD)的裝置，通過這種裝置可以將一層或多層氧化硅(silica)淀積在一個細(xì)長的玻璃質(zhì)襯底上，該裝置包括一個細(xì)長的微波波導(dǎo)體，微波波導(dǎo)體延伸至一個諧振腔，諧振腔大致圍繞一圓筒軸呈圓筒狀對稱，襯底可以沿此圓筒軸放置。
這里的術(shù)語“氧化硅”應(yīng)被理解為SiOx形式的任何物質(zhì)，無論是否是化學(xué)計量的，也無論是晶態(tài)的還是非晶態(tài)的。
這種裝置在例如光纖制造領(lǐng)域中是公知的，并且可以用于制造通常所稱的預(yù)制棒，由這種預(yù)制棒可以拉制光纖。在一種公知的制造這種預(yù)制棒的方法中，一個直的(例如由石英構(gòu)成的)玻璃質(zhì)襯底管在其內(nèi)側(cè)的圓筒形表面上涂覆有多層摻雜的氧化硅(例如摻鍺的氧化硅)。這可以通過以下方式實現(xiàn)沿諧振腔的圓筒軸放置襯底管，并且在管內(nèi)注入(例如)包括O2、SiCl4和GeCl2的氣體混合物；在諧振腔內(nèi)同時產(chǎn)生局部等離子體，引起Si、O和Ge的反應(yīng)，從而在襯底管內(nèi)側(cè)表面上直接淀積形成摻Ge的SiOx。由于這種淀積僅產(chǎn)生于局部等離子體附近，諧振腔(和等離子體)必須沿襯底管的圓筒軸擺動，以均勻涂覆其整個長度。當(dāng)涂覆結(jié)束時，襯底管被熱縮為一根棒，棒具有摻Ge的氧化硅芯體部分和環(huán)繞的未摻雜氧化硅包層部分。通常，這種棒的尺寸在大約1m長和2cm粗的量級。如果棒的一端被加熱而變得熔化，就可以從棒拉制細(xì)的玻璃纖維(通常在大約為125μm粗的量級)并且纏繞在卷軸上；玻璃纖維具有與棒對應(yīng)的芯體部分和包層部分。因為摻Ge的芯體具有比未摻雜的包層高的折射率，光纖可以起到波導(dǎo)體的作用，例如用于傳播光通信信號。應(yīng)當(dāng)指出的是，注入襯底管的氣體混合物還可以包含其它成分；例如，添加C2F6可以使摻雜的氧化硅的折射率減小。還應(yīng)當(dāng)指出的是，在拉制程序之前，預(yù)制棒可以放置在通常所稱的套管(由未摻雜的氧化硅構(gòu)成)中，以提高在最終的光纖中未摻雜的氧化硅相對于摻雜的氧化硅的含量。
這種光纖用于電信用途時要求光纖是無缺陷(例如摻雜物濃度的不均勻、不希望的斷面橢圓度等缺陷)的，因為當(dāng)光纖長度大時，這些缺陷可能導(dǎo)致所載信號的嚴(yán)重衰減。因此，PCVD工藝高度均勻是重要的，因為所淀積的PCVD層的質(zhì)量將最終決定光纖的質(zhì)量；相應(yīng)地，諧振腔中產(chǎn)生的等離子體(圍繞諧振腔的圓筒軸)高度旋轉(zhuǎn)對稱是很重要的。另一方面，如果預(yù)制棒可以做得較粗，制造工藝的經(jīng)濟效益將大大提高，因為這樣可以從單根棒得到更大長度的光纖。然而，這兩個目標(biāo)是難以統(tǒng)一的，因為為了允許使用較粗的襯底管而增大諧振腔的直徑通常會導(dǎo)致等離子體旋轉(zhuǎn)對稱性變劣；另外，只有消耗高得多的微波功率才能產(chǎn)生這種等離子體。
本發(fā)明的目的是要緩和這種兩難局面。更具體地講，本發(fā)明的目的是要提供一種PCVD裝置，采用這種裝置可以產(chǎn)生具有改善的旋轉(zhuǎn)對稱性的等離子體。尤其是，本發(fā)明的目的在于這種裝置應(yīng)當(dāng)可以適應(yīng)較粗的襯底管。另外，本發(fā)明的目的在于這種新的裝置應(yīng)當(dāng)具有較低的微波功率消耗。
根據(jù)本發(fā)明，這些和其它目的是由開頭段落中描述的一種裝置實現(xiàn)的，該裝置的特征在于諧振腔大體為環(huán)形，它具有內(nèi)圓筒壁和外圓筒壁；內(nèi)圓筒壁包括一個狹縫，狹縫在圍繞圓筒軸的整個圓周中延伸；波導(dǎo)體具有一縱軸，縱軸大致垂直于圓筒軸并且與狹縫不相交。
根據(jù)本發(fā)明的裝置利用了許多構(gòu)思，這些構(gòu)思組合給出了優(yōu)異的結(jié)果。首先，由于諧振腔是環(huán)形而不只是開口的圓筒，它基本上是封閉的，這允許更有效地產(chǎn)生駐波；環(huán)形諧振腔的內(nèi)壁中的狹縫則是唯一的途徑，由此可以通過漏場由這種駐波產(chǎn)生等離子體。第二，由于微波波導(dǎo)體的縱軸不與狹縫相交，由波導(dǎo)體傳輸?shù)奈⒉芰坎荒苤苯舆M入等離子體，這在諧振腔中形成了更為可控的和高效的波形模式激勵。尤其是，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的這種裝置用于在襯底管的內(nèi)側(cè)表面上淀積氧化硅時，這些因素的組合產(chǎn)生了以下的有益效果1)將微波能量耦合于等離子體較少地依賴于各種“負(fù)載”因素，例如注入襯底管(等離子體在此管中產(chǎn)生)的氣體混合物的流速、成分和壓強；2)所產(chǎn)生的等離子體呈現(xiàn)為更“強”，其中Si·、O·和SiO·自由基(radical)比已有技術(shù)的裝置中更多地產(chǎn)生；
3)對于給定的微波功率水平和“負(fù)載”(參見1))，到達襯底管的內(nèi)壁的自由基數(shù)比已有技術(shù)的裝置中要多。
結(jié)果，在給定的微波功率水平下可以實現(xiàn)大得多的氧化硅淀積速率。此外，GeO2摻雜物摻入所淀積的氧化硅中的效率可顯著提高。與所產(chǎn)生的等離子體的旋轉(zhuǎn)對稱性明顯好于已有技術(shù)這種因素結(jié)合，即使對于大于常規(guī)情況的襯底管直徑，本發(fā)明的這些方面也能直接地顯示出新裝置的技術(shù)性和經(jīng)濟性優(yōu)點。
應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語“微波波導(dǎo)體”在這里包括寬的范圍，并且應(yīng)當(dāng)被理解為能夠有效地將微波能量從產(chǎn)生裝置(例如速調(diào)管)傳輸至諧振腔的任何裝置。尤其是，這個術(shù)語包括諸如天線、同軸波導(dǎo)體、波導(dǎo)體管等裝置。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個特定實施例的特征在于波導(dǎo)體的縱軸不平分諧振腔，即，波導(dǎo)體的“口”在沿諧振腔圓筒軸的方向上相對于諧振腔的兩端是不對稱的(即不位于中心)。由于這種措施，將微波能量耦合于產(chǎn)生的等離子體更少地依賴于“負(fù)載”。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一實施例的特征在于諧振腔在平行于其圓筒軸的方向上的長度小于λ/2，其中，λ是由波導(dǎo)體傳輸?shù)奈⒉ㄝ椛涞恼婵詹ㄩL。這種措施考慮了狹縫在諧振腔和等離子體之間產(chǎn)生的電容耦合，并且總體上有助于促進在要求的頻率上的諧振。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的再一實施例的特征在于均在平行于圓筒軸的方向上測量的狹縫的寬度W和諧振腔的長度L滿足關(guān)系式W≤L/10。這種相對窄的狹縫有利于在所產(chǎn)生的等離子體中形成高的電場強度。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個特定實施例的特征在于在諧振腔的每個開口端之外并且鄰近諧振腔設(shè)置有一個扼制部件(choke)。術(shù)語“扼制部件”例如由A.C.Metaxax和R.J.Meredith在《工業(yè)微波加熱》(Peter Peregrinus有限公司(倫敦)，1983，ISBN0906048893，尤其是可參見其中第336和286-7頁)中作了說明。使用按這種方式設(shè)置在諧振腔的端部的扼制部件(例如λ／4波導(dǎo)體)具有許多優(yōu)點，包括所產(chǎn)生的等離子體在平行于圓筒軸的方向中的更好約束(定域)；減少了微波輻射向諧振腔的外部環(huán)境的泄漏，由此降低了可能對操作者健康帶來的危險。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的進一步的實施例的特征在于在波導(dǎo)體伸向諧振腔的區(qū)域中，波導(dǎo)體端接一個由波導(dǎo)體傳輸?shù)奈⒉赏干涞牟牧蠘?gòu)成的部件。這種低耗的、非離子化材料的端接部件的存在可防止在波導(dǎo)體和諧振腔壁之間產(chǎn)生電火花。這種材料的例子包括氮化硼、聚四氟乙烯(PTFE)、各種陶瓷和真空(例如維持于抽真空的玻璃容器中的真空)。
本發(fā)明還涉及一種制造光纖的方法，包括順序進行的以下步驟采用PCVD，在圓筒形的玻璃質(zhì)襯底管的內(nèi)側(cè)表面上淀積摻雜的氧化硅層；使襯底管熱縮形成一預(yù)制棒；使預(yù)制棒的一端變?nèi)鄄⑶矣纱死乒饫w。
根據(jù)本發(fā)明，這種方法的特征在于PCVD是在根據(jù)本發(fā)明的裝置(權(quán)利要求1-6中任一項要求保護的裝置)中進行的，其中，襯底管沿圓筒軸設(shè)置在諧振腔的內(nèi)壁之內(nèi)，襯底管和諧振腔大致是同軸的，并且諧振腔沿襯底管的長度(的至少一部分)前后移動。如此采用根據(jù)本發(fā)明的PCVD裝置允許更快和更經(jīng)濟地制造預(yù)制棒，并且還使預(yù)制棒的摻雜斷面呈現(xiàn)更好的旋轉(zhuǎn)對稱性；由此得到的光纖降低了信號衰減。
正如前面已描述的，在拉制光纖之前，預(yù)制棒可以被安裝一個氧化硅套管中，并且這個附加步驟應(yīng)當(dāng)被理解為落入了前段中所述的并在權(quán)利要求7中要求保護的方法的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明還涉及一種制造光纖預(yù)制棒的套管的方法。套管是(未摻雜)氧化硅的圓筒形管，它可以如此置于預(yù)制棒上預(yù)制棒和套管同軸。預(yù)制棒和套管的一個公共端然后被熔合在一起，光纖從這個熔合端拉制，并且隨著拉制工藝?yán)^續(xù)，預(yù)制棒和套管的剩余部分逐漸地熔合在一起。由于它位于預(yù)制棒的未摻雜的包層部分之外，套管不必具有高的光學(xué)質(zhì)量；按這種方式使用套管是在預(yù)制棒外側(cè)添加額外的氧化硅(由此使最終的預(yù)制棒加粗并且允許由其拉制出具有給定的直徑的更長光纖)的一種簡單、廉價的途徑。通常，套管是通過以下方式制造的采用外側(cè)汽相淀積(OVD)方法在襯底芯桿上淀積氧化硅層；隨后進行干燥、燒結(jié)和機加工處理程序，得到直徑在約4-5cm量級和壁厚在約1cm量級的管。這個直徑明顯大于襯底管的直徑(通常在約3cm量級)。
根據(jù)本發(fā)明，另一種制造光纖預(yù)制棒的套管的方法的特征在于采用PCVD方法在圓筒形玻璃質(zhì)套筒的內(nèi)側(cè)表面上淀積未摻雜的氧化硅層，PCVD是在根據(jù)本發(fā)明的裝置(權(quán)利要求1-6中任一項要求保護的裝置)中進行的，其中，套筒沿圓筒軸設(shè)置在諧振腔的內(nèi)壁之內(nèi)，套筒和諧振腔大致是同軸的，并且諧振腔沿套筒的長度(的至少一部分)前后移動。最后的產(chǎn)品(套筒+淀積的氧化硅)就是所要求的套管。
在按這種方式制造套管時，使用本發(fā)明顯示出與常規(guī)情況的很大差異。因為套管必需較粗，所使用的玻璃質(zhì)套筒(它用作襯底)也必須具有較大的直徑，并且諧振腔必須相應(yīng)地大到足以圍繞套筒。但是，這也會導(dǎo)致大范圍的等離子體，帶來了在等離子體的外圍區(qū)域中旋轉(zhuǎn)對稱性差的附帶危險。然而，正如已經(jīng)描述的那樣，即使在增大的直徑的情況下，根據(jù)本發(fā)明的PCVD裝置也能實現(xiàn)所產(chǎn)生的等離子體中旋轉(zhuǎn)對稱性的改善。此外，根據(jù)本發(fā)明的裝置以較低的微波功率實現(xiàn)了氧化硅的高效和快速淀積，使得大量的氧化硅可以很經(jīng)濟地淀積在套筒的內(nèi)側(cè)(以達到所需的套管厚度)。另外，與已有技術(shù)不同，根據(jù)本發(fā)明的方法是一步式工藝，它不需要干燥、燒結(jié)或機加工程序。
應(yīng)當(dāng)指出的是，這里描述了諧振腔沿襯底管或玻璃質(zhì)套筒的長度的移動，意欲表達相對移動，即，實際上，諧振腔或襯底都可以移動，只要存在兩者(沿它們共同的圓筒軸)的相對移動即可。
下面將采用示范性實施例和附圖
對本發(fā)明及其附帶的優(yōu)點進行進一步的說明，附圖為根據(jù)本發(fā)明的PCVD裝置的一部分的剖視圖。
示范性實施例附圖為根據(jù)本發(fā)明的PCVD裝置1的一部分的剖視圖。該裝置1包括一個細(xì)長的微波波導(dǎo)體3，波導(dǎo)體3將一個速調(diào)管(未示出)連接至一個諧振腔5，諧振腔5是圍繞圓筒軸7圓筒狀對稱的。諧振腔5大體為環(huán)形，它具有內(nèi)圓筒壁9和外圓筒壁11。內(nèi)圓筒壁9包括一個狹縫13，狹縫13在圍繞圓筒軸7的整個圓周中延伸(在垂直于圖面的平面中)。波導(dǎo)體3具有(中心)縱軸15，縱軸15大致垂直于圓筒軸7?？v軸15和狹縫13以如此方式彼此相對偏置軸15與狹縫13不相交。
諧振腔5在平行于圓筒軸7的方向上具有長度L，而(在相同方向上測量的)狹縫13的寬度為W。如圖所示，波導(dǎo)體3的縱軸15向一側(cè)偏置，以致于它不平分諧振腔5，即，在平行于軸7的方向上測量，縱軸15和諧振腔5的任一端面19、21之間的距離都不是L/2。
如圖所示，在波導(dǎo)體3伸向諧振腔5的區(qū)域中，波導(dǎo)體3端接一個微波透射體17；例如，這個微波透射體17可以采取TEFLON(聚四氟乙烯)“插塞”的形式。在進一步優(yōu)選的實施例中，L＜λ/2(其中，λ是由波導(dǎo)體3傳輸至諧振腔5的微波輻射的真空波長)，并且W≤L/10。
在裝置1的一個有益實施例中，靠近諧振腔5的每個端面19、21設(shè)置有一個扼制部件(未示出)。每個這種扼制部件可以采取環(huán)形的λ/4波導(dǎo)體的形式，其中心位于圓筒軸7上并且設(shè)置成緊靠(例如在幾毫米內(nèi))相關(guān)的端面19、21。
在諧振腔5的內(nèi)壁9內(nèi)存在一個直徑為D的開口的圓柱形孔4，并且它沿圓筒軸7延伸。一個襯底管(未示出)可以放置在這個孔4內(nèi)并沿這個孔滑動。
在使用時，一種氣體混合物可以沿孔4注入，并且裝置1可用于在孔4的一部分內(nèi)產(chǎn)生等離子體(未示出)，正如前面所描述的那樣。
權(quán)利要求
1．一種進行等離子體化學(xué)汽相淀積的裝置，通過這種裝置可以將一層或多層氧化硅淀積在一個細(xì)長的玻璃質(zhì)襯底上，該裝置包括一個細(xì)長的微波波導(dǎo)體，微波波導(dǎo)體延伸至一個諧振腔，諧振腔大致圍繞一圓筒軸呈圓筒狀對稱，襯底可以沿此圓筒軸放置，其特征在于諧振腔大體為環(huán)形，它具有內(nèi)圓筒壁和外圓筒壁；內(nèi)圓筒壁包括一個狹縫，狹縫在圍繞圓筒軸的整個圓周中延伸；波導(dǎo)體具有一縱軸，縱軸大致垂直于圓筒軸并且與狹縫不相交。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于縱軸不平分諧振腔。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，其特征在于諧振腔在平行于其圓筒軸的方向上的長度小于λ/2，其中，λ是由波導(dǎo)體傳輸?shù)奈⒉ㄝ椛涞恼婵詹ㄩL。
4．根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于均在平行于圓筒軸的方向上測量的狹縫的寬度W和諧振腔的長度L滿足關(guān)系式W≤L/10。
5．根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于在諧振腔的每個開口端之外并且鄰近諧振腔設(shè)置有一個扼制部件。
6．根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于在波導(dǎo)體伸向諧振腔的區(qū)域中，波導(dǎo)體端接一個由波導(dǎo)體傳輸?shù)奈⒉赏干涞牟牧蠘?gòu)成的部件。
7．一種制造光纖的方法，包括順序進行的以下步驟采用等離子體化學(xué)汽相淀積，在圓筒形的玻璃質(zhì)襯底管的內(nèi)側(cè)表面上淀積摻雜的氧化硅層；使襯底管熱縮形成一預(yù)制棒；使預(yù)制棒的一端變?nèi)鄄⑶矣纱死乒饫w，其特征在于等離子體化學(xué)汽相淀積是在根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項要求保護的裝置中進行的，其中，襯底管沿圓筒軸設(shè)置在諧振腔的內(nèi)壁之內(nèi)，襯底管和諧振腔大致是同軸的，并且諧振腔沿襯底管的長度前后移動。
8．一種制造光纖預(yù)制棒的方法，包括順序進行的以下步驟采用等離子體化學(xué)汽相淀積，在圓筒形的玻璃質(zhì)襯底管的內(nèi)側(cè)表面上淀積摻雜的氧化硅層；使襯底管熱縮形成一預(yù)制棒，其特征在于等離子體化學(xué)汽相淀積是在根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項要求保護的裝置中進行的，其中，襯底管沿圓筒軸設(shè)置在諧振腔的內(nèi)壁之內(nèi)，襯底管和諧振腔是同軸的，并且諧振腔沿襯底管的長度前后移動。
9．一種制造光纖預(yù)制棒的套管的方法，其特征在于采用等離子體化學(xué)汽相淀積在圓筒形玻璃質(zhì)套筒的內(nèi)側(cè)表面上淀積未摻雜的氧化硅層，等離子體化學(xué)汽相淀積是在根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求的裝置中進行的，其中，套筒沿圓筒軸設(shè)置在諧振腔的內(nèi)壁之內(nèi)，套筒和諧振腔大致是同軸的，并且諧振腔沿套筒的長度前后移動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種進行等離子體化學(xué)汽相淀積(PCVD)的裝置,通過這種裝置可以將一層或多層氧化硅淀積在一個細(xì)長的玻璃質(zhì)襯底上,該裝置包括一個細(xì)長的微波波導(dǎo)體,微波波導(dǎo)體延伸至一個諧振腔,諧振腔大致圍繞一圓筒軸呈圓筒狀對稱,襯底可以沿此圓筒軸放置,在該裝置中:諧振腔大體為環(huán)形,它具有內(nèi)圓筒壁和外圓筒壁;內(nèi)圓筒壁包括一個狹縫,狹縫在圍繞圓筒軸的整個圓周中延伸;波導(dǎo)體具有一縱軸,縱軸大致垂直于圓筒軸并且與狹縫不相交。本發(fā)明還涉及采用所述裝置制造光纖、預(yù)制棒和套管的方法以及由此得到的光纖。
文檔編號H01J37/32GK1285008SQ98813827
公開日2001年2月21日 申請日期1998年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月31日
發(fā)明者A·H·E·布羅伊爾斯, M·J·N·范斯特拉倫, A·H·范貝根 申請人:等離子光纖維股份有限公司