[发明专利]一种提高PCVD原料气体沉积均匀性的系统、方法和应用

说明书

本发明公开了一种提高PCVD原料气体沉积均匀性的系统、方法和应用，涉及光纤预制棒生产技术领域。该系统包括衬管、微波发生器和内设测温探头的保温炉；其中，保温炉沿衬管的轴向方向依次设有气端、中间端和泵端区域；微波发生器在各区域的预设输出功率相同；该系统还包括PLC控制单元，其被配置为，根据测温探头反馈的实时位置的设定温度，确定气端区域终止位置或中间端区域起始位置、中间端区域终止位置或泵端区域起始位置，并在气端区域起始位置、泵端区域起始位置改变微波发生器的实际输出功率，且在气端区域和泵端区域维持改变的实际输出功率恒定。本发明操作简单，自动化作业程度高，实现了衬管沉积段整体沉积的均匀性，且有效降低了制棒成本。

技术领域

本发明属于光纤预制棒生产技术领域，具体涉及一种提高PCVD原料气体沉积均匀性的系统、方法和应用，特别涉及一种提高PCVD原料气体沉积均匀性的系统、一种提高PCVD原料气体沉积均匀性的方法以及该系统或方法在制备光纤预制棒芯棒中的应用。

背景技术

PCVD(等离子体化学气相沉积)是一种等离子体化学气相沉积方法，利用PCVD工艺制备光纤预制棒是利用微波做热源，同时辅助使用保温炉对反应衬管进行保温并提供恒定温场。反应原料为SiCl₄、O₂，同时GeCl₄和C₂F₆等作为掺杂剂参与反应调整预制棒的折射率。反应开始时，微波激活原料气体产生等离子体，等离子体重新结合释放出大量的热并形成玻璃薄层沉积于衬管内表层。如此反复多次，玻璃薄层堆积形成5-10mm厚度的空心衬管，衬管再经过电炉的熔缩、腐蚀最终形成实心的预制棒，预制棒长度一般为1000-1300mm。

在现有的PCVD沉积工艺中，SiCl₄、GeCl₄等原料在料柜中保持恒温恒压状态。沉积开始后，气化的原料经由导气管进入衬管，微波沿衬管轴向移动使原料玻璃化，反应后的尾料从衬管另一端被真空泵抽出。通常PCVD沉积得到的预制棒存在轴向不均匀问题。沉积不均匀位置一般集中在预制棒气端0-100mm，泵端0-200mm。一种普遍的因素是PCVD沉积中保温炉温度设定影响。保温炉的气端温度设定值一般要高于保温炉体中间温度。这是因为气体原料在进入玻璃衬管时的温度一般低于110℃，在衬管微波反应区前端易形成冷斑。冷斑是未充分玻璃化的原料附着衬管内壁形成，应力作用大，影响预制棒品质。将气端温度提高，气体原料在进入微波作用区之前在衬管内充分的预热，可以有效减免冷斑现象的形成。但气端温度的提高会影响该区域内Ge的沉积效率，Ge高温下加速挥发并随衬管内气流方向移动，在衬管中间位置进行二次沉积或变成尾料被真空泵抽走。预制棒的光学折射率出现不均，气端折射率要小于中间折射率，气端预制棒拉制的光纤更易出现光纤参数不合格问题。保温炉的泵端温度一般也较高，这是因为衬管内气体原料流向泵端过程中，将部分热量带至泵端。同时人为地将泵端温度提高可以避免反应尾料在衬管末端位置形成沉积层裂纹或沉积料团堵塞。但泵端温度高同样降低了Ge的沉积效率，使预制棒在该区域的折射率降低。

目前针对PCVD沉积温度高导致Ge掺杂效率低带来的不均匀性问题，通常的解决方案是对温度进行调控，使整体保温炉温场趋于均匀。专利CN108046583A公开了将玻璃衬管的两端焊接气端延长管和泵端延长管，在气端延长管上增设预热管段加温装置，通过加温装置对经过预热管段的反应气体进行预热来避免进气段沉积层裂纹的产生。这种方法对气体原料的预热不充分，延长管增加光纤成本。美国专利US2009/0022906公开了将保温炉沿衬管轴向移动，该方法对预制棒均匀性有改善，但会对预制棒有效棒长造成影响，增加光纤成本。并且这种方法设备比较复杂。

因此，目前存在的问题是急需研究开发一种提高PCVD原料气体沉积均匀性的系统、方法和应用。

发明内容