采用等温、低压等离子沉积技术制作光纤的方法

摘要

本发明公开了一种采用等温、低压等离子沉积技术制作光纤的方法。开发了一种在基管内沉积材料的基于等温、低压的方法，该方法尤其有助于形成光纤预成形件，其形成极窄的反应区，在该反应区内发生更均匀、有效的沉积。已经发现多组等温等离子操作条件，其能产生狭窄的沉积区，保证沉积的材料是透明玻璃而不是烟灰微粒。基管的排出端与真空系统连接，真空系统依次与用于移除和中和反应副产品的洗涤器装置连接。这样选择操作条件，使得热的等离子不会将大量的热量传递至基管，已经发现，基管内这种热量的存在会使反应物材料蒸发(生成烟灰)，并形成热点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在基管(substrate tube)内沉积材料的等离子技术， 尤其涉及一种等温、低压方法，其使得在管内形成极窄的反应区，在该反应区 内发生更均匀、有效的沉积。

背景技术

光纤通常包括任选地掺杂有折射率高的元素(如锗)的高纯度硅玻璃芯、 任选地掺杂有折射率低的元素(如氟)的高纯度硅玻璃的内覆层、以及未掺杂 质的硅玻璃的外覆层。在某些制造方法中，用于制成这种光纤的预成型件是这 样制作的：采用用于外覆层的玻璃管(称为再覆层管)，以及单独地形成包括 芯体和内覆层材料的芯棒。芯棒由本领域技术人员公知的各种气相沉积方法中 的任意一种制成，包括气相轴向沉积法(VAD)、外部气相沉积法(OVD)以 及改进的化学气相沉积法(MCVD)。例如，改进的化学气相沉积法(MCVD) 包括将高纯度的气体(例如包含硅和锗的气体混合物)通过硅管内部(也称“基 管”)，同时，以横向移动的氢氧火矩加热该硅管的外部。在硅管的加热区，发 生气相反应，粒子沉积于管壁上。该沉积物形成于火矩的前端(称为“下游”)， 随着火矩的通过，该沉积物被烧结。该过程被连续地重复，直到沉积了需要的 量的硅和/或掺杂有锗的硅。一旦沉积完成，则加热主体(body)，以使基管崩 塌(collapse)，并获得加固的芯棒，其中基管构成内覆层材料的外侧部分。为 获得最终的预成型件，通常将再覆层管(overladding tube)放置于芯棒的上部， 并对这些构件加热，使之崩塌为最终预成型件结构。

作为对改进的化学气相沉积法(MCVD)的一种替代，也可采用等离子化 学气相沉积(PCVD)方法。在等离子化学气相沉积方法中，基管穿过微波辐 射器(也称催化腔或催化头)，微波辐射器在基管的内部和周围形成电磁场。 电磁场和进料(feed)(例如SiCl₄，GeCl₄和O₂)的交互作用使得基管内产生非 等温的低压等离子区。然后化学反应能形成将自身沉积于基管内部的玻璃粒 子。在等离子化学气相沉积中，需要外部热源(如炉子)在沉积过程中加热基 管，以确保沉积的玻璃是随后可熔化为透明玻璃的形式。一旦沉积完成，则加 热主体，以使基管(以类似于改进的化学气相沉积法的方式)崩塌，并获得加 固的芯棒，其中基管构成内覆层材料的外侧部分。为获得最终的预成型件，通 常将再覆层管放置于芯棒的上部，并对这些构件加热，使之崩塌为最终预成型 件结构。

当前这些利用改进的化学气相沉积或者等离子化学气相沉积提供预成型 件材料的沉积的方法表现出由于在这些方法中固有的较长的沉积区宽度(即在 任何给定的瞬间沿基管的沉积范围)所导致的沉积问题。在改进的化学气相沉 积法中，将玻璃前体的蒸汽通过一个密封件导入长度大体为一米至三米的基管 的端部。蒸汽遇到反应区并转化氧化物，该氧化物像烟灰一样沉积在基管壁的 内侧。这些沉积区的宽度通常比反应区宽，并可达到基管总长的10-30％。结 果，沉积于基管端部的材料有时显示为厚度不均匀，从而对预成型件整体有不 利影响。此外，当多成份合成物(例如锗硅酸盐)被沉积时，沉积区域可能由 于区域功能不同而产生的成份不均匀，因为玻璃成份的反应速率不同。

在等离子化学气相沉积中，反应发生在产生的等离子区域内，等离子区域 的长度大体为基管总长度的10-20％。在改进的化学气相沉积中，等离子区内 的反应有变化，从而导致反应的成份的厚度和/或合成物有变化。因此，利用 等离子化学气相沉积方法在任何给定的时候沉积于基管内侧的玻璃的厚度和/ 或合成物是不均匀的。

此外，由这些方法制成的预成型件中的沉积芯体的直径和光学特性可沿沉 积长度而变化，这也影响最终的光纤的质量。并且，在改进的化学气相沉积中， 形成于反应区内的烟灰能够在基管的整个长度上移动，并且无论反应区的位置 在哪，其都可能将其自身沉积于沿基管的任意一点，因而导致沉积过程有一定 程度的不确定性。

鉴于上述缺陷，需要提高基管内沉积材料的质量。

发明内容

本发明解决了现有技术中依然存在的需要。本发明涉及一种用于在基管内 沉积材料的等离子技术，尤其涉及一种等温、低压等离子方法，该方法能构建 狭窄的反应区，在该反应区内会发生更均匀、有效的沉积。

根据本发明，已经发现等温、低压的等离子操作条件能在等离子区的上游 (即引入的反应物材料和等离子体之间的位置)产生狭窄的沉积区域。这些操 作条件取决于多个相互依赖的参数。本质上，关键目的是为构建狭窄反应区提 供足够的能量密度，而不是过度地提高热量，过度地提高热量会使基管的内表 面蒸发。

在本发明的一些实施例中，所述基管的排出端通过真空系统连接至洗涤器 装置，洗涤器装置用于排除和中和反应副产品。

本发明的一个方面，等温、低压沉积方法尤其非常适用于制造需要精确的 芯轮廓的光纤芯棒(例如，多模芯棒)，因为沉积发生在非常狭窄的区域(一 般大约为1厘米或更少)、非常薄的层上，并且不需要烧结。

本发明的优选实施例在等离子产生器设备中采用集线器型的线圈，因而将 产生的电磁场定形，从而使得等离子区限定的场可用于在较低能量下形成熔融 的玻璃粒子。

在阅读下面的描述和参考附图的过程中，本发明其它和进一步的方面和优 点将变得显而易见。

附图说明

下面参见附图。

图1示出了用于完成本发明的沉积过程的示例性装置；

图2是可用于作为该发明的装置中产生等离子部分的谐振线圈的示例性 集线器线圈的立体图；

图3(a)和(b)提供了非等温等离子区(图3(a))与等温等离子区(图3(b)) 的比较；以及

图4是多组操作参数的表格，其中各组操作参数用于形成按照本发明的等 温、低压沉积等离子。

具体实施方式

图1示出了示例性的装置10，其可用于执行本发明的低压、等温沉积方 法。如上所述，并如下详细描述的，装置10的多个操作参数被控制，以允许 紧邻产生的等离子区的上游形成极窄的沉积区。按照本发明的一个实施例，沉 积条件被控制为使得狭窄沉积区仅仅占传统基管长度的1％(与现有技术中改 进的化学气相沉积和等离子化学气相沉积方法中对应的10-30％的数值形成对 照)。更广泛地说，采用本发明教导的具体条件能产生1厘米或者更小的狭窄 沉积区。硅管12用于装置10内作为基管，在该基管内发生沉积，其中硅管 12的内径(ID)和外径(OD)是获得适当的成组的狭窄区沉积条件所要考虑 的两个操作参数，因为壁厚也影响壁内侧的温度和壁表面的化学反应。

装置10还包括化学制品的传输系统14，以通过形成于基管12第一端的 第一密封件16将一种或多种化学反应物(例如GeCl₄、SiCl₄、C₂F₆和O₂)输 送至基管12内。基管12通常安装于在玻璃的工作车床上，尽管图1中未示(并 且对该装置的操作而言也不是必须的)，车床在使基管12旋转的同时，保证第 一密封件16的完整性。基管12的相反端通过第二密封件18与真空排出系统 20连接。有利的是，排出系统20可与洗刷装置22连接，洗刷装置22用于移 除和中和任何反应副产品。在基管12安装于旋转车床上的实施例中，密封件 16和18包括能够保持管内的内部压力完整性的旋转型的密封件。洗刷装置的 使用是任选的。

如图1所示，装置10包括等温等离子产生器30，等温等离子产生器30 用于在基管12内产生足够能量密度的等离子，以给被输送的物质提供所需要 的化学反应。在大多数情况下，产生器30这样安装于可移动的台(未示)上， 使得其能够平行于安装的基管的轴线而移动，如图1双端的箭头所示。等温等 离子产生器30包括谐振线圈32，谐振线圈32被定位于环绕管12的较短范围， 如图1所示。射频信号源34与谐振线圈32连接，其用于向谐振线圈32提供 射频信号，从而在管12内产生电磁场。因而引入的化学反应物和电磁场的结 合形成能量密度足够的等离子体，以引起材料在管12的内表面的沉积。

虽然对于所有可能的操作条件不都需要执行该过程，但是该装置也可使用 一个外部加热设备(例如炉子或线性燃烧器(linear burner))，以在沉积阶段 控制基管的温度。外部加热确保了沉积材料很好地粘附于基管上，并避免沉积 过程中发生材料破裂。如上所述，当确定是否需要外部加热设备时，管壁的厚 度自身也是一个考虑的因素。

根据本发明，产生了“等温”等离子，意味着等离子内的离子和电子为大 致相同的温度。相反，传统等离子化学气相沉积系统采用非等温的等离子，其 中电子具有比离子高得多的能量。重要的是，按照本发明采用等温等离子，使 得反应和沉积在紧邻等离子的“上游”发生，如图1中所示的区域40。

在上面这些全部的描述中，所使用的术语“上游”是指基管的第一密封件 16与产生的等温等离子之间的部分。这种特殊的上游沉积机制通过同质的粒 子的形成和增长而导致产生熔融玻璃粒子(与烟灰相对照)，然后这些熔融的 玻璃粒子载热固体地(thermophoretically)沉积于等离子的上游，区域40内。 即，沉积发生在反应物进入等离子区之前。狭窄的加热区(在等离子的中部的 几英寸内)为反应和载热固体沉积提供了热量的高度集中，而等离子进一步向 下加热管壁，以使其为沉积预备，提高基管12的侧壁上的温度。因此，等离 子产生器30穿过基管12，等离子“上游”的加热区是沉积发生的区域。内壁 的温度足以使得当玻璃粒子粘附于内壁上时熔化至熔融状态，从而形成均匀的 玻璃膜。重要的是，该发明的沉积方法的参数被控制为，使得反应区不被加热 至基管开始蒸发(或者分解)而不是熔化的温度。在该结构中采用低压(即， 小于大气压，例如10托)和等温等离子相结合，使得沉积区极狭窄(属于管 长的1％的一类，一般为大约1厘米或更小)，并在等离子的边界具有确定的“边 缘”。低压还有助于减小非常高温度的等离子的热含量，从而基管和反应物不 被蒸发。

在传统的射频等离子的应用中，通常采用螺线管状的线圈来产生电磁场。 相反，对本发明的特殊应用(即等温、低压状态)而言，已经发现集线器线圈 (即形成场的线圈集中于更小的体积)特别有优势。尤其是在一个特殊的实施 例中，可采用水冷射频集线器线圈32形成产生的等离子区，这样可使用更低 能的电源。图2是可用于本发明的等离子产生器30的一个示例性的水冷集线 器线圈的简化立体图。

图3包含一对照片，其描绘了非等温结构与等温结构产生的等离子的差 别，二者都是采用射频源在相同的低压状态下产生的。图3(a)示出了产生的非 等温等离子，其被示出为沿基管长度的大部分的略微地放大、扩展。相反，图 3(b)示出了本发明的结构中采用的产生的等温等离子。可清楚看出，在邻近谐 振线圈的区域内包含更多的等温等离子，其具有很好地限定的边界，尤其是在 上游端。如上所述，正是由于等温等离子的上游端存在很好地限定的边界，使 得产生了这种从“没有等离子”到“等离子”的非常狭窄的过渡区，实质上所 有的化学反应和沉积都发生在该过渡区(即，图1中示出的区域40)。等温等 离子基本上作为载热固体的“塞子”，强制实质上所有的微粒沉积于等离子的 上游。

或者这种等离子条件的关键是提供足够的能量密度，以形成狭窄的上游沉 积区，而无需提供导致基管的内壁被蒸发的太多热量。已经发现，有很宽范围 的等温等离子操作条件可提供这种狭窄的沉积区。具体而言，该“区域”被限 定为这样的区域：等离子上游的能量密度足够使得前体(precursor)发生反应， 并确保沉积的材料是熔融的玻璃，而不是烟灰。需要考虑多个相互依赖的因素， 包括(但不一定限于)等离子功率、基管的内部压力(低于大气压)、基管内 径、基管壁厚、基管的外部加热、反应物成份、反应物流速、等离子穿行速度、 等离子穿行长度以及等离子感应源。选择条件的目的是达到足够的能量密度， 使得如果温度太高，则能量密度传输有限量的热量至基管，从而使基管壁蒸发 的可能性最小；而如果温度太低，则避免在处理玻璃的过程中形成气泡。图4 的表中示出了多组可接受的条件，应当理解，这些值仅仅是示例性的，许多其 他的组合也将提供理想的等离子上游的狭窄反应区。

重要的是，狭窄沉积区使得沉积物沿着管的整个长度比传统的改进的化学 气相沉积和等离子化学气相沉积方法所获得的沉积物均匀得多。因此，本发明 的方法使得有更高产量的统一质量的光纤被从基管制成的预成型件中拉出。该 发明的方法还显示了比其它方法更高的沉积效率，因而就昂贵的原料而言，更 加节省成本。

尽管以前已将等温等离子被应用于沉积在基管内部，但是，这些现有方法 中的大部分都是采用大气压力等离子，而不是根据本发明所采用的低压(低于 大气压)等离子(例如，10托)。在大气压下，均匀形成的微粒将沉积为烟灰， 随后由等离子熔化。这种在大气压下的等离子沉积也会发生更宽的区域，因为 微粒在较高的气体密度的影响下会由气流向基管的下部冲洗。这些现有技术的 方法采用来自等离子的热量激发烟灰的沉积和反应，然后烧结沉积的烟灰层。 在大气压下，基管的气化温度基本上较高，而将基管加热至大于1700℃不存 在问题。过去使用的低压射频等离子是氩等离子。该沉积被作者们采用报告的 条件描述为，类似于微波等离子化学气相沉积的沉积和发生在没有粒子形成的 等离子的沉积。

一个重要的特征是该发明的低压、等温等离子方法明显地产生了熔融的玻 璃粒子，该熔融的玻璃粒子在进行入等离子区之前(即：等离子的“上游”) 沉积于基管壁上。在该发明的方法中不产生/沉积烟灰(soot)。此外，没有在 等离子区发生额外的沉积的迹象；所有的沉积均发生于紧邻等离子上游的狭窄 区域。并且，在本发明的方法中，等离子不用于任何“熔融”操作。即，由于 沉积的粒子是玻璃粒子而不是烟灰，因而无需烧结。事实上，达到这种熔融的 温度可能对该过程有害。

尽管上面的描述说明了在基管内的沉积过程，但应当理解，与产生狭窄沉 积区和消除烧结的处理步骤相关的该发明的特征也可应用于各种其他的沉积 方案。例如，在平面上(例如硅晶片)沉积可类似地通过在低压腔内产生等离 子来完成。实际上，沉积也可发生在除硅之外的材料上。可采用带有流动的反 应物流的转化装置或旋转基体沉积均匀的玻璃片。作为一种替换，也可沿着设 置于类似于低压环境中的芯棒的外表面形成沉积物。因此，不应将本发明的范 围理解为限定于基管内壁的沉积。

尽管描述了本发明的多个实施例，但应当理解，它们都是示例而非限制性 的。显然，对相关领域的技术人员而言，还可作出各种形式和细节上的改变而 不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不应当由上述任何一个实施例限制， 而是应当仅由下述的权利要求和它们的等同物限制。