способ получения заготовок волоконных световодов

Формула изобретения

Способ изготовления заготовок волоконных световодов, включающий осаждение на боковую поверхность затравочного штабика стеклообразующих окислов путем подачи парогазовой смеси галогенидов соответствующих элементов в пламя газовой горелки, перемещающейся вдоль штабика, отличающийся тем, что парогазовую смесь подают в кольцевой зазор между затравочным штабиком и соосно расположенной с ним трубкой, установленной вместе с горелкой на движущемся суппорте станка для изготовления заготовок, трубка перемещается синхронно с горелкой, при этом парогазовую смесь подают под углом 10-60° к оси затравочного штабика, ширина кольцевого зазора находится в пределах от 0,8 до 1,5 D, где D - диаметр струи парогазовой смеси на входе в кольцевой зазор, длину трубки устанавливают от 10 до 30h, где h - ширина кольцевого зазора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства заготовок для волоконных световодов (ВС) и может быть использовано на стекольных заводах, производящих ВС.

Известен способ получения кварцевых заготовок методом парофазного осевого осаждения для последующей вытяжки ВС [1]. Согласно этому способу пары галогенидов кремния, бора, фосфора, олова и кислородно-водородная смесь подаются через неподвижную многосопельную горелку. Образующиеся окислы кремния, бора, фосфора и др. в порошкообразном виде оседают на торце затравочного штабика. Результатом этого процесса является формирование пористой заготовки, которая после дегидротации сплавляется в сплошной штабик - заготовку. Необходимый профиль показателя преломления формируется путем подачи в каждое сопло парогазовой смеси соответствующего состава, а также за счет диффузии частиц окислов.

Основным недостатком метода является значительная сложность получения заданного профиля показателя преломления легирующих примесей.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ OVD - метод внешнего парофазного осаждения [2]. В OVD пары галогенидов кремния, бора и др. подаются в многосопельную газовую горелку, которая имеет возможность возвратно-поступательного движения вдоль затравочного штабика. При этом частицы аэрозольных окислов, образующиеся в пламени горелки в процессе гидролиза, осаждаются на боковую поверхность затравочного штабика в виде порошка. После окончания процесса осаждения затравочный штабик вынимают и пористая заготовка остекловывается в прозрачный цилиндр при температуре 1400°-1700°С.

Недостатком известного способа является низкий КПД (малая эффективность осаждения окислов), т.к. более 60% аэрозольных частиц не осаждаются на затравочный штабик.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности осаждения аэрозольных окислов на заготовку ВС.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления заготовок волоконных световодов, включающем осаждение на боковую поверхность затравочного штабика стеклообразующих окислов путем подачи парогазовой смеси галогенидов соответствующих элементов (кремния, бора, фосфора, олова) в пламя газовой горелки, перемещающейся вдоль штабика, парогазовую смесь подают в кольцевой зазор между затравочным штабиком и соосно расположенной с ним трубкой большего диаметра. При этом трубка перемещается синхронно с горелкой. Парогазовую смесь подают под углами 10°-60° к оси затравочного штабика, а ширина кольцевого зазора находится в пределах от 0,8 D до 1,5 D, где D - диаметр струи парогазовой смеси на входе в кольцевой зазор. Длину трубки устанавливают от 10 h до 30 h, где h - ширина кольцевого зазора.

Подача парогазовой смеси в кольцевой зазор между затравочным штабиком и соосно расположенной с ней трубкой намного увеличивает длину пути аэрозольных окислов над поверхностью штабика. Это повышает эффективность КПД процесса, т.к. большая часть окислов осаждается на поверхности затравочного штабика.

Заявляемые углы, длина трубки и ширина кольцевого зазора обеспечивают условия, при которых почти все частицы окислов движутся в нужном направлении. Положение трубки фиксировано относительно пламени горелки, а движение трубки синхронно с движением горелки, поэтому ширина кольцевого зазора и длина зоны осаждения аэрозольных окислов остаются неизменными в процессе получения заготовки.

Уменьшение зазора менее 0,8 D (где D - диаметр струи парогазовой смеси) приводит к значительному снижению толщины осаждаемого окисла и возникновению пузырей на заготовке, т.к. крупные частицы порошкообразных окислов с внешней трубки осаждаются на заготовку. Увеличение зазора более 1,5 D также снижает толщину осаждаемого окисла, так как большая часть аэрозоля проходит вдали от поверхности заготовки.

Уменьшение длины трубки до 6 h, где h - ширина кольцевого зазора, снижает толщину остеклованного слоя из-за снижения возможности многократного столкновения частиц аэрозоля с поверхностью заготовки. Увеличение длины трубки более 30 h не приводит к увеличению толщины осаждаемого окисла.

Кроме того, в предлагаемом способе не требуется дополнительная операция остекловывания заготовки, так как пламя горелки остекловывает порошок при каждом проходе. Это обеспечивается тем, что окисление галогенидов происходит при большой температуре в пламени горелки, а осаждаются окислы впереди по ходу движения горелки при более низкой температуре. Поэтому пламя горелки остекловывает порошок слой за слоем.

Техническая реализация данного способа может быть осуществлена на установке, включающей химблок с растворами вышеуказанных галогенидов, станок типа токарного, на котором устанавливаются затравочный штабик, трубка, горелка, пирометр. Подача кислорода и водорода в горелку осуществлялась из отдельных коммуникаций. Химблок содержит расходомеры газа (ротаметры или РРГ), барбатеры, наполненные растворами галогенидов SiCl ₄, TiCl₄ и др., которые термостатируются при определенной температуре. Осушенный кислород через ротаметры поступает в барбатеры, пробулькивается через жидкий галогенид, например SiCl₄ и TiCl₄, вместе с парами SiCl₄, TiCl₄ поступает через пламя горелки в кольцевой зазор между затравочным штабиком и трубкой. Затравочный штабик закрепляется в патронах станка и в рабочем положении вращается вокруг своей оси. На движущийся вдоль затравочного штабика суппорт станка устанавливаются пирометр, газовая горелка, трубка, форсунка для подачи паров галогенидов в пламя горелки. Крепление форсунки позволяет направлять пары галогенидов под углами от 10° до 60° к оси затравочного штабика. Газовая горелка представляет собой, например, кольцевую или многосопельную кислородно-водородную горелку. Пламя горелки нагревает затравочный штабик и проплавляет осевший на него порошок, например, SiO₂. Температура пламени регулируется расходами потоков кислорода и водорода, а измеряется пирометром. Пары галогенидов поступают в пламя горелки, а образующиеся окислы кремния, титана, олова или бора на выходе из пламени поступают в кольцевой зазор между затравочным штабиком и трубкой. Соосно с затравочным штабиком закрепляется трубка, один из концов которой находится вблизи пламени горелки. Диаметр трубки больше диаметра затравочного штабика, что обеспечивает кольцевой зазор. Газовая горелка, трубка, форсунка и пирометр закреплены на суппорте станка в фиксированном положении относительно друг друга и затравочного штабика. При движении суппорта вдоль затравочного штабика это положение сохраняется. Скорость перемещения суппорта автоматически регулируется с пульта управления таким образом, что при рабочем (прямом ходе) скорость мала, а при обратном (не рабочем) скорость в несколько раз больше. Таким образом большая часть времени приходится на рабочий процесс.

Пример №1. Заявляемое техническое решение было реализованно на вышеописанной установке. При этом скорость подачи галогенида SiCl₄ составляла ˜0,33 литр/мин, температура нагретой заготовки 1620°-1660°С. Ширина кольцевого зазора между кварцевым затравочным штабиком и кварцевой трубкой была 1.5 см и равнялась диаметру струи парогазовой смеси. Длина трубки равнялась 20 см. Угол наклона струи парогазовой смеси галогенида SiCl₄ к оси кварцевого штабика устанавливали равным 45°. При этих условиях толщина осаждаемого остеклованного слоя SiCl ₂ составила 60 мкм за один проход. Таким образом заявляемое решение позволяет более чем в два раза повысить толщину осаждаемого окисла SiCl₂.

Пример №2. Способ реализован аналогично примеру №1, при этом угол наклона струи SiCl₄ к оси затравочного кварцевого штабика устанавливали 60°. В этих условиях толщина остеклованного слоя SiO₂ составила 40 мкм. Уменьшение толщины слоя окисла связано с тем, что часть аэрозоля не попадала в кольцевой зазор. Увеличение кольцевого зазора до 4 см не приводило к увеличению толщины остеклованного слоя, так как при этих условиях большая часть образующегося аэрозоля не осаждалась на нем.

Пример №3. Способ реализован аналогично примеру №1, за исключением того, что угол наклона струи к оси затравочного штабика устанавливали 10°. В этом случае происходило сильное размытие струи парогазовой смеси по сравнению с примером №1. Поэтому часть аэрозольных окислов не попадает в кольцевой зазор, что снижает толщину остеклованного слоя SiO₂ до 30 мкм. Увеличение ширины кольцевого зазора по тем же причинам, что и в примере №2, не приводило к увеличению толщины слоя SiO ₂.

Пример №4. Способ реализован аналогично примеру №1. При этом длина кварцевой трубки была 5 см. В этих условиях толщина остеклованного слоя SiO₂ составила 30 мкм. Снижение толщины слоя связанно с тем, что частицы аэрозольных окислов не успевают продиффундировать к поверхности штабика на таком коротком участке кварцевой трубки. Увеличение длины трубки более 40 см не приводило к увеличению толщины осаждаемого слоя SiO₂, так как на длине 30 h (где h - ширина зазора) частицы аэрозоля успевают продиффундировать к поверхности заготовки ВС.

Таким образом предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет более чем в два раза повысить эффективность осаждения окислов на заготовку ВС.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.В.Григорьянц, Г.А.Иванов, Ю.К.Чаморовский. Одномодовые волоконные световоды. Итоги науки и техники, т.1 - М.: ВИНИТИ, 1988 г.с.67-114.

2. Schultz P.K. Fabrication of optical waveguides by the outside vapor Deposition Process. || (Proc. IEEE - 1980. - 68, w 10. - p.1187-1190; EP 1065175 A.