[发明专利]形成粉灰预制体的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种使用VAD法(汽相轴向沉积法)在初始棒上高产率高沉积速率地形成纯二氧化硅粉灰预制体(soot preform)的改进的方法，从而生产一种光纤预制体。

现有技术的描述

为了避免其中混入金属杂质，通过所谓汽相合成法生产高纯度石英玻璃，特别是用于光纤预制体的玻璃制品。即把液体玻璃原料如SiCl₄和SiHCl₃蒸发并气化。把气化的玻璃原料引入到用高纯度氢气或烃作为燃料气，用高纯度氧气作为载气形成的火焰中，从而通过火焰水解反应和氧化反应形成玻璃粒子。然后，玻璃粒子沉积在作为靶的初始棒上，形成粉灰预制体。把该粉灰预制体在高温炉中玻化，从而生成石英玻璃。作为汽相合成法，一般使用VAD法或OVD法(外部汽相沉积法)。此后下文，由VAD法或OVD法得到的用于生产石英玻璃的粉灰预制体由初始棒和在该初始棒上的沉积玻璃粒子构成。

一般使用同轴多管燃烧器作为合成火焰的燃烧器。粉灰预制体的沉积速率由单位时间粉灰预制体的重量增量决定。为了提供粉灰预制体的沉积速率，使用一种所谓同轴多重火焰燃烧器。多重火焰燃烧器产生第一个火焰和第二个火焰。用于合成玻璃粒子的第一种火焰包含玻璃的原料气体、燃料气体和载气。一个或多个火焰分布在第一种火焰的外周边上，以便加热发生沉积的光纤预制体的表面。

通常在燃烧器末端提供用于调节火焰扩展(expanse)并防止第一种和第二种火焰由于干扰而产生的抖动的防护管。

在这种情况下，例如，已经提出通过在合成管末端提供防护管来控制火焰的扩展，用于根据在开始沉积粉灰预制体处产生的堆积密度差而减小裂纹产生。该防护管具有调节直径的开口端(日本专利申请公开Hei.5-345621)。

对在VAD法中玻璃棒外周边厚厚地形成的有一个芯的粉灰预制体，进行脱水和玻璃化，在粉灰预制体的界面上产生许多细小的孔隙。为了避免产生孔隙，已经提出一种使用一级燃烧器和二级燃烧器来形成粉灰预制体的方法。使用一级燃烧器在高纯度玻璃棒的外周形成粉灰预制体的第一层。该第一层的直径为玻璃棒直径的两倍或者更小。然后，使用二级燃烧器，在第一层的表面上形成该第一层外周上的第二层，同时玻璃棒和第一层之间的界面温度设定在900-1,000℃(日本专利未审公开Sho.63-248734)。

在VAD法中，在靶玻璃棒外周上沉积玻璃粒子，其中该玻璃棒由一个芯或一个芯和一个覆盖层组成，同时拉起该玻璃棒。

在该方法中，在粉灰预制体的堆积密度恒定的条件下，粉灰预制体的直径c相对于玻璃棒(包括芯和覆盖层)的直径b的比值必须恒定，从而使得芯直径对最终形成的粉灰预制体的直径是恒定的，因为芯直径a与玻璃棒的覆盖层直径b的比值b/a一般恒定。

附带地，如果粉灰预制体直径变大，玻璃粒子对粉灰预制体的沉积速率就会改善。取决于粉灰预制体的直径的增量，玻璃粒子的沉积效率得以提高。然而，在增大粉灰预制体外径的情况下，因为对燃烧器火焰扩展的限制，玻璃粒子对玻璃棒与粉灰预制体之间界面的结合性(下文称为“粉灰预制体的界面”)及粉灰预制体界面的加热变得不足。因此，在使玻璃预制体密实化时产生孔隙，因而不能获得良好的透明石英玻璃体。

另外，提供了增大原料气体量来提高沉积速率的另一种方法。如果原料气体量增大，形成的玻璃粒子增加，因此粉灰预制体也厚。然而，由于加热粉灰预制体的沉积表面的火焰保持不变，所以，产生了火焰扩展的缺乏。所以，在形成粉灰预制体的早期阶段可能产生开裂，从而导致粉灰预制体的外层部分堆积密度降低，从而粉灰预制体变脆弱。如果粉灰预制体界面的堆积密度降低，在经密实化的光纤预制体中在粉灰预制体界面上产生许多孔隙(下文中称为“界面孔隙”)。

为了防止界面孔隙，通过在生产粉灰预制体的步骤中扩大燃烧器直径或防护管开口端的直径来增大火焰量是一种有效的方法。即使燃烧器的尺寸和/或燃烧器开口端的直径在上述情况下增大，但是粉灰预制体的沉积面积仍然保持不变。所以，原料气体的产率是恒定的，但是玻璃粒子的绝对浪费量增大。而且，对加热粉灰预制体无贡献的氧气和氢气增加，从而总体上变得无效。

附带地，为了增大粉灰预制体尺寸而不产生界面孔隙，引入小尺寸的燃烧器作为在玻璃棒上沉积玻璃粒子的一级燃烧器是有效的。