用于光纤预制体内减少锥体的等温等离子体cvd系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于产生光纤预制体(preform)的化学气相沉积(CVD)系统，更具体地，涉及一种等温等离子体CVD系统，其被特别配置成减少不希望的轴向不均匀性(在几何和组成两方面)的产生，特别是发生在预制体基管(substrate tube)的端部部分处的轴向不均匀性。
[0002]发明背景
[0003]光纤预制体可以通过化学气相沉积(CVD)技术制备，其中形成玻璃的化学物质以管的内部涂覆有沉积材料的方式沉积在氧化硅基管的内部。在CVD工艺期间，将透明(vitreous)玻璃或其烟灰前体沉积在基管的确定长度上。为了最终形成具有期望光学性能的光纤，重要的是在CVD期间沉积的层沿基管的长度(即在轴线方向)展现出均匀的横截面面积，以及展现出均匀的折射率分布(或遵循预先设定的折射率分布形状)。
[0004]然而，不希望的轴向不均匀性经常发生在这些所希望的输出的一个或两个中，并且通常在邻近勾画出整个沉积区域的基管终端点的区域(这些终端的非均匀区域通常被称为“端部锥体”)最为明显.在非均匀性与横截面面积变化相关的情况下，将这些区域定义为“几何端部锥体”;“光学端部锥体”是用来指折射率在轴向方向不均匀的终端区域的短语。
[0005]过去尝试了几种方法以消除这些端部锥体的形成.例如，在改进的CVD(MCVD)工艺中，通过改变相关的外部热源(即“炬”)沿基板移动的速度，和/或化学反应物的流量，基管上邻近管的终端点处的沉积速率可以改变.由于在MCVD系统中的沉积区域相对长(即，沿着基管内部的大部分延伸，可能为30厘米以上的距离)，因此在一个轴向位置处的改变影响沉积材料的长度.结果，难以对预制体的性能进行精确、局部的改变。
[0006]在等离子体CVD(PCVD)工艺中，一种用于克服与产生端部锥体相关的问题的方法包括通过使用位于每一基管末端附近的外部热源来改变基管在其终端区域的壁温.另一种方法包括通过调节沉积能量源的输出功率来改变内部沉积反应速率。特别地，改变等离子体功率可以用来改变在基管端部区域中的沉积速率。另外的方法包括改变其它工艺参数，如保持在基管内的工艺压力.也已尝试了改变等离子体能量源相对于基管的速度和/或移动距离来试图解决端部锥体问题.
[0007]尽管这些技术中的一些已经在一定程度上有助于减少端部锥体的存在，但它们的能力都是有限的，因为这些技术都不能直接控制所沉积的玻璃材料的组成。即，这些现有技术不能实时调节在此过程中在给定时间或在沿基管的给定位置输送到沉积区的化学试剂的实际浓度。的确，与现有技术的系统相关的相对长的沉积区不可避免地在玻璃组成中产生轴向梯度，这是又一个不希望的结果.
[0008]此外，为解决该端部锥体问题而开发的各种技术往往与表现出约十分钟横穿时间(traverse time)的系统相关.横穿时间定义为能量源完全穿越基管的纵向范围(“轴向”方向)所需的时间长度。但是，更近期的系统是基于这样的设置:其中横穿时间减少到约数秒。现有技术的相对速度方法对于这些高速系统是不可行的.
【发明内容】
[0009]本发明针对于现有技术中存在的需求，本发明涉及用于产生光纤预制体的化学气相沉积(CVD)系统，更具体地，涉及一种等温等离子体CVD系统，其特别配置成减少不希望的轴向不均匀性(在几何和组成两方面)的发生，特别是发生在预制体基管的端部部分处的。
[0010]根据本发明，以在横截面面积和折射率分布两方面提供对所制光学预制体的精确控制的方式使用等温等离子体CVD系统.特别地，该系统和方法通过使试剂输送系统与基管内产生的等温等离子体的速度和/或位置同步来调整分布。
[0011]特别地，将等温等离子体CVD设备配置成产生具有良好限定边界的相对窄的沉积区，将沉积区的位置限制在等温等离子体正上游的狭窄区域.通过将沉积区的范围限制在该特定区域中，可以实时进行沉积参数的调节，以将预制体的几何和光学性能保持在限定的边界内.将用于化学物质的输送系统配置成在处理器的控制下能够改变各种试剂的流量，该处理器也能控制等温等离子体的运动.在一个实施方案中，已发现闪蒸器系统(代替鼓泡系统)能改善输送系统的响应时间。因而，用于控制等温等离子体相对于基管的相对运动(速度和位置)的可编程装置克服了基管终端形成锥体的倾向。
[0012]在一个实施方案中，本发明涉及一种用于在光纤预制体的制造过程中提供对基管内沉积的层的轴向分布控制的装置.该装置包括等离子体化学气相沉积(CVD)反应器，其配置成在预制体基管内产生等温等离子体，通过在基管内保持相对低的压力(例如，小于1个大气压)在基管内等温等离子体的上游形成狭窄的沉积区.射频(RF)能量源用于诱导等温等离子体的产生，该能量源包括围绕基管的线圈和用于引导电信号通过线圈的射频信号源.线圈本身配置成沿预制体基管的长度来回移动，也许附连到导轨或能够使得线圈相对于基管的物理运动(和因此控制等温等离子体的位置和缩小基管内的沉积区)的一些其它类型的系统.将输送系统连接到该反应器，用于将化学试剂引入到基管的狭窄沉积区。具体地，输送系统(相对于被引入的特定试剂和每一引入试剂的浓度)的操作与线圈(以及因此与等离子体)的运动同步，以提供对沉积在基管内壁上的材料的所需轴向控制.
[0013]在另一个实施方案中，本发明限定了提供对沉积在光纤预制体内的层的轴向分布控制的方法，包括以下步骤:将预制体基管插入化学气相沉积(CVD)反应器中；在预制体基管产生等温等离子体和位于该等温等离子体上游的沉积区，其中控制等温等离子体和沉积区以在基管内在轴向方向来回移动；将试剂从输送系统引入基管内的沉积区中，该输送系统配置成响应用于改变试剂组成和浓度的控制信号；和以产生沉积在基管内的层的所需轴向折射率分布控制的同步方式控制基管内等离子体的移动和进入沉积区中的试剂流.
[0014]在以下讨论的过程中，通过参照附图，本发明的其他和进一步的实施方案和方面将变得清楚。
【附图说明】
[0015]现在参照附图，
[0016]图1是根据本发明的可用于以控制沉积材料的轴向折射率分布的方式执行低压力、等温等离子体CVD的示例性沉积装置的简化示意图；
[0017]图2是图1的装置的一部分的详细示意图，示出了相关的试剂输送系统，将其配置和控制为在等温等离子体CVD制造工艺过程中提供对光纤预制体的精密的分布控制；和
[0018]图3示出了图2结构的替代实施方案，包括使用闪蒸装置作为等离子体CVD装置的输送系统.
【具体实施方式】
[0019]如将在下面详细讨论的，本发明涉及一种等温等离子体CVD装置和制造光纤预制体的相关方法，它提供对预制体的横截面面积和折射率分布的改进的轴向控制.该装置和方法基于使用低压(即，小于约1个大气压)等温等离子体CVD工艺，其产生沉积热区，将该沉积热区狭窄地约束于基管内等温等离子体正“上游”的区域.产生狭窄沉积区(其通常小于基管总长度的5% )的能力允许沉积参数的连续改变和快速响应的能力，以及根据需要调节各成分流以维持所需的轴向折射率分布形状。调节试剂浓度作为经过的工艺时间和/或线圈位置的函数的能力(即，使输送系统与等离子体产生系统的操作同步)提供了对沿光纤预制体的轴向折射率分布形状的精确控制。
[0020]特别地，通过优化试剂输送响应时间，以允许化学试剂流与等离子体产生能量源(通常为线圈)的位置和速度同步，提供了沉积分布的调整.在线圈沿基管的单一横穿过程中，可以独立调节化学试剂如SiCl4、GeC14、C2F6、SiF4、P205、B203、AlCl3、Ti02等。可以例如通过配置输送线以减少气体的流动时间(即，增加气体流量)和/或通过将输送系统设置成尽可能靠近等离子体CVD装置而优化输送同步.
[0021]图1示出了示例性的装置反应器10，其可以结合本发明的教导使用以制造具有对轴向折射率分布形状(无论是“均匀”分布，还是任何其他期望类型的基于轴向的精密的分布特征)的改进控制的光纤预制体.将反应器10示出为在一对端部支撑体14和16之间支撑预制体基管12。将支撑体14和16配置成稳定基管12的位置，以及提供管的旋转运动，如由图1中的箭头所示.基管12本身通常由玻璃质熔融氧化硅形成，用等离子体CVD工艺沿着基管12的内表面沉积玻璃材料的附加层。
[0022]通过RF能量源20在基管12内产生等温等离子体18，该RF能量源包括布置成包围基管12外部部分的RF线圈22和用于输送能量至RF线圈22的RF信号源24。提供的信号在基管12的由RF线圈22包围的部分中产生电磁场。对于本发明的目的，已经发现，使用集线器线圈(concentrator coil)是RF线圈22的优选实施方案，因为集线器线圈将会以相对小的体积形成电磁场.在一个具体的实施方案中，可以使用水冷式射频集线器线圈。
[0023]在气态化学试剂的引入时(显示为图1中的“试剂流”，并且更详细地示出在图2和3中)，通过使电磁场与气态试剂耦合产生了等温等离子体18。的确，对于本发明的目的，“等离子体”定义为物理性质类似于蒸气，但含有自由电子、离子物质和中性粒子(通常具有约为零的净电荷)的大量气态材料.更特别地，当形成等离子体的离子和电子显示出基本相同的温度并具有基本相同的能量水平时，产生了 “等温”等离子体。重要地，在本发明的装置中使用等温等离子体允许化学物质的反应与预制体材料的沉积发生在等离子体18的正“上游”，图1中示出为沉积区40.
[0024]正如本讨论中使用的，认为术语“上游”是指等温等离子体18和用于将试剂引入到基管12的(一个或多个)入口之间的基管部分。该特定的上游沉积机制导致通过均质颗粒形成和生长而产生熔融玻璃颗粒(与烟灰相对)，其中这些熔融玻璃颗粒然后热泳(thermophoretically)沉积在等离子体18的上游，在区域40内。即，沉积发生在试剂进入等离子体区域之前.狭窄热区(等离子体的中心部分)为反应和热泳沉积提供了高浓度的热量，同时也增加了在沉积制备时基管侧壁上的温度。因此，随着射频线圈22横穿基管12，并且等温等离子体同样地沿着基管12内移动，等离子体“上游”的受热区成为沉积发生的区域。
[0025]通过在等离子体CVD反应器内保持低压力(S卩，低于大气压，例如约1个大气压)，产生的沉积区将被约束在狭窄区域(数量级为约1-5%的管长度，一般约一厘米或更小)，在与等离子体的边界处具有明确“边缘低压力还有助于减少非