专利名称：一种高沉积速率pcvd工艺制作光纤芯棒的方法
技术领域：
本发明涉及管内法光纤芯棒的制备工艺，尤其是用较高沉积速率和沉积效率的等离子体化学气相沉积工艺(即PCVD工艺)来制造通信用石英光纤芯棒。
由于管外法沉积工艺采用外延沉积方式，沉积速率主要取决于反应气体流量大小而不受热源温度场的影响，能达到很高实际值，但管外法沉积工艺的实际沉积效率也严重受到反应气流与靶棒的有效接触面积的影响，尤其对于气相沉积开始阶段的芯棒的制造过程，其反映出沉积效率与沉积速率呈相反变化的趋势，例如目前常规的OVD工艺在制造普通单模芯棒时平均沉积效率不足50％。此外，对于掺杂成分要求严格、折射率剖面复杂的光纤芯棒，管外法沉积工艺的水解反应显得难以实现或难以精确控制。
MCVD工艺气相反应所需的热源必须通过石英衬管的热传导实现，为确保反应区温度的均匀性和石英衬管的几何尺寸，沉积速率受制于衬管材料的导热系数。美国专利U.S.Pat.6,122,935公布了一种高沉积速率的MCVD制造工艺，但其以纯硅计的沉积速率仅能达到约0.6g/min。此外，MCVD工艺反应产物随气流向后漂移的沉积过程限制了其实现很高沉积效率的可能。
作为公知技术的PCVD工艺，其核心的气相沉积基本过程如下在接近绝对真空的低压条件下，反应物气体在高频微波的直接作用而被电离成携带巨大能量的等离子体，这种等离子体具有非常高的活性，能迅速发生物理化学反应而形成纯硅或掺杂的高温氧化物，在温度较低的石英管内壁直接以玻璃态沉积。PCVD沉积工艺的反应机理决定其具有如下特征1、等离子体间的反应属于非均相反应过程，本质上不受温度的影响，因此减少了反应过程对温度的敏感性，使PCVD工艺沉积温度较低，衬管不易变形；2、谐振腔产生的微波能透过衬管直接耦合到负压的反应区域，使沉积过程不受衬管热传导性能的影响，实际沉积速率的大小不受衬管热容量的限制，这也是PCVD工艺作为管内法沉积工艺区别于MCVD工艺的显著特征；3、PCVD工艺负压等离子化的反应机理不同于其它气相沉积工艺氯化物水解反应的反应机理，反应速率快，沉积效率高(可精确控制在大于90％的范围)，多组分、高掺杂容易；4、由于气体电离不受衬管热容量的限制，高频谐振腔可以快速移动，从而使每一沉积层的厚度控制在微米级，因此折射率剖面分布控制更为精确。尽管PCVD工艺采用的热源——高频微波可以直接作用于反应气体，但由于以前受制于高频微波系统输出功率的大小和稳定性，沉积速率难以有显著提高，例如，现有的第四代PCVD沉积设备，其稳定输出可达到的最大功率约3千瓦，相应的沉积速率难以超过1.8g/min。因此，与管外法气相沉积工艺相比较，尽管PCVD工艺能精确控制芯棒复杂的折射率剖面，但沉积速率低的问题一直是制约管内法高效率制造光纤预制棒的技术瓶颈。随着光纤芯棒规格的增大和光纤拉制长度的增加，如何提高PCVD工艺的沉积速率，以便降低光纤芯棒的制造成本，提高生产效率，达到以较低的生产成本制作性能优良的光纤芯棒已成为一个亟待解决的问题。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为采用等离子体化学气相沉积，在圆管形的石英衬管内壁上沉积纯硅或掺杂的氧化硅层，包括流经石英衬管的原料气体(或蒸气)，石英衬管穿过筒形的谐振腔且周期转动，同时谐振腔沿石英衬管轴向往复移动，其特征在于高频系统的输出高频功率最大可达3～6KW(不包括3KW)；反应所需主要原料气体的流量最高可达以纯SiCl4蒸气计800～2000sccm，总O21500～5000sccm，以纯GeCl4蒸气计20～500sccm，以纯Freon蒸气计10～100sccm；可实现的最大沉积速率(以纯硅计)为1.80～3.50g/min，沉积完毕后，在缩棒设备上将沉积管熔缩成实心芯棒。
按上述方案，所述高频系统具有如美国专利US.6,372,305所描述的高频系统的结构特征，其稳定输出功率最大可达3～6KW。区别于低沉积速率PCVD工艺，对于沉积速率大范围变化或沉积厚度显著影响沉积管内径的沉积过程，可以采用渐变的高频输出功率进行沉积，其主要特征在于始末高频输出功率的变化率控制在-50％以内。
按上述方案，对于选定流量的原料气体，随着高频输出功率的增大，其沉积效率逐步趋近100％。为了避免过高或过低输出功率带来的不利影响，一般要根据实际的沉积速率控制实际的沉积效率，随着沉积速率的提高，合适高频功率对应的沉积效率降低，但维持在90％以上，其典型值为92～98％。
按上述方案，为了确保每次沉积的厚度在微米级，根据实际沉积速率的大小，可以调节高频系统的移动速率，一般实际沉积速率越大选用的移动速率越高，其最大移动速率为15000～40000mm/min。
按上述方案通入大流量的反应所需原料气体的技术方案与传统的技术方案的不同之处在于实现大流量气体或蒸气的精确控制。对于标准状态下为气态的氧气或Freon，采用大量程的气体流量计控制。对于标准状态下为液态的SiCl4或GeCl4，其供料方式包括两种技术方案1)纯蒸气供料，即采用辅助加热控温的方式用合适的气体流量计直接控制大流量的蒸汽进行供料；2)预混合蒸气供料，即采用氧气鼓泡的方式促进SiCl4或GeCl4液体挥发，形成预混合的蒸气，再经过大量程的气体流量计进行供料。
按上述方案，石英衬管所处保温炉炉腔温度为1000～1200℃。本技术方案区别于传统之处是在保温炉两端添加辅助加热棒，对炉温沿衬管轴向进行分段式控制，一般要求进气端炉温高于平均温度约10～80℃，以便于对反应原料进行预热。出气端炉温根据实际沉积效率进行优化。
本发明的有益效果在于1、在保持PCVD工艺折射率剖面分布控制精确的基础上，有效提高PCVD工艺的沉积速率，提高了生产效率；2、由于沉积效率可达90％以上，因此显著降低了原料成本和能耗，实现了以较低的成本制造出性能优良的光纤芯棒；3、由于沉积速率的提高，掺杂量便于更精确控制，可使折射率剖面控制精度进一步提高。
实施例1采用高沉积速率PCVD工艺实现3.5g/min的沉积速率。谐振腔高频系统具有如美国专利U.S.6,372,305所描述的高频系统的特征，最大输出功率能达6KW；SiCl4或GeCl4采用纯蒸气供料方式，大流量计的选型如下表-1。经工艺参数优化后实现以纯硅计的沉积速率为3.46g/min，沉积效率为91％，选用的高频功率为5900W，谐振腔的最高移动速度为40000mm/min，炉温分布采用三段式控制，进气端炉温高于平均温度约75℃。沉积完毕后熔缩成实心芯棒。表-1 用于3.5g/min沉积速率PCVD工艺的流量计
实施例2采用高沉积速率PCVD工艺制作拉丝能力达400km光纤的普通单模G652光纤大芯棒，谐振腔高频系统具有如美国专利U.S.6,372,305所描述的高频系统的特征，最大输出功率能达6KW，沉积芯层时谐振腔的最高移动速度为15000mm/min；选用2.56g/min沉积速率和约94％的沉积效率为光纤芯棒制备包层的工艺参数，1.83g/min沉积速率和约98％的沉积效率为制备芯层的工艺参数，炉温分布采用三段式控制，进气端炉温高于平均温度约15℃。沉积完毕后熔缩成实心芯棒。其各工艺参数见表-2。表-2 优化后主要PCVD工艺参数--G652
表-3列出了采用高沉积速率PCVD沉积工艺制造的G652光纤关键指标和典型值。从表中所列数据的典型值可以看出本发明的方案制备的单模光纤芯棒所拉光纤的指标完全满足行业技术标准。与低沉积速率的PCVD工艺制造的光纤指标相比，可以认为高沉积速率的PCVD沉积工艺保持了PCVD工艺精确控制折射率剖面的优势，同时可以看出高沉积速率的PCVD沉积工艺有利于降低光纤衰耗水平。表-3 高沉积速率PCVD工艺制造的普通单模G652光纤的主要性能指标
实施例3采用高沉积速率PCVD工艺制备拉丝能力达100km光纤的GIMM62.5光纤芯棒，其中炉温分布采用三段式控制，芯层中采用渐变高频功率进行沉积，高频功率的变化率为-46％，谐振腔的最高移动速度为40000mm/min，具体制作参数见表-4。沉积完毕后熔缩成实心芯棒。表-4 优化后主要PCVD工艺参数--GIMM62.5
权利要求
1.一种高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，采用等离子体化学气相沉积，在圆管形的石英衬管内壁上沉积纯硅或掺杂的氧化硅层，包括流经石英衬管的原料气体(或蒸气)，石英衬管穿过筒形的谐振腔且周期转动，同时谐振腔沿石英衬管轴向往复移动，其特征在于高频系统的输出高频功率最大可达3～6KW；反应所需主要原料气体的流量最高可达以纯SiCl4蒸气计800～2000sccm，总O21500～5000sccm，以纯GeCl4蒸气计20～500sccm，以纯Freon蒸气计10～100sccm；可实现的最大沉积速率(以纯硅计)为1.80～3.50g/min，沉积完毕后，在缩棒设备上将沉积管熔缩成实心芯棒。
2.按权利要求1所述的高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，其特征在于对于沉积速率大范围变化或沉积厚度显著影响沉积管内径的沉积过程，采用渐变的高频输出功率进行沉积，始末高频输出功率的变化率控制在-50％以内。
3.按权利要求1或2所述的高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，其特征在于沉积效率维持在90％以上，其典型值为92～98％
4.按权利要求1或2所述的高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，其特征在于谐振腔的最高移动速度为15000～40000mm/min。
5.按权利要求1或2所述的高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，其特征在于对于标准状态下为气态的氧气或Freon，采用大量程的气体流量计控制流量直接供料，对于标准状态下为液态的SiCl4或GeCl4，其供料方式采用纯蒸气供料或预混合蒸气方式进行供料。
6.按权利要求4所述的高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，其特征在于对于标准状态下为气态的氧气或Freon，采用大量程的气体流量计控制流量直接供料，对于标准状态下为液态的SiCl4或GeCl4，其供料方式采用纯蒸气供料或预混合蒸气方式进行供料。
7.按权利要求1或2所述的高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，其特征在于在保温炉两端添加辅助加热棒，对炉温沿衬管轴向进行分段式控制，石英衬管所处炉腔温度为1000～1200℃，进气端炉温高于平均温度10～80℃。
8.按权利要求4所述的高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，其特征在于在保温炉两端添加辅助加热棒，对炉温沿衬管轴向进行分段式控制，石英衬管所处炉腔温度为1000～1200℃，进气端炉温高于平均温度10～80℃。
9.按权利要求5所述的高沉积速率PCVD工艺制作光纤芯棒的方法，其特征在于在保温炉两端添加辅助加热棒，对炉温沿衬管轴向进行分段式控制，石英衬管所处炉腔温度为1000～1200℃，进气端炉温高于平均温度10～80℃。
全文摘要
本发明涉及一种高沉积速率PCVD工艺制作芯棒的方法，采用等离子体化学气相沉积，在圆管形的石英衬管内壁上沉积纯硅或掺杂的氧化硅层，包括流经石英衬管的原料气体(或蒸气)，石英衬管穿过筒形的谐振腔且周期转动，同时谐振腔沿石英衬管轴向往复移动，其特征在于高频系统的输出高频功率最大可达3～6KW；反应所需主要原料气体的流量最高可达以纯SiCl
文档编号C03B37/014GK1403397SQ0213919
公开日2003年3月19日 申请日期2002年10月23日 优先权日2002年10月23日
发明者童维军, 何珍宝, 罗杰 申请人:长飞光纤光缆有限公司