ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР УСТРОЙСТВА ПЛАЗМЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ СТЕКЛОМАТЕРИАЛА ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ ПОДЛОЖКИ В ВИДЕ ТРУБКИ
CYLINDRICAL RESONATOR DEVICE OF PLASMA CHEMICAL DEPOSITION OF GLASS MATERIAL FROM VAPOR PHASE ON INNER SURFACE OF SUBSTRATE IN FORM OF TUBE

Настоящее изобретение относится к цилиндрическому резонатору устройства плазменного химического осаждения стекломатериала из паровой фазы на внутреннюю поверхность подложки в виде трубки.
Цилиндрический резонатор устройства плазменного химического осаждения стекломатериала из паровой фазы на внутреннюю поверхность подложки в виде трубки содержит наружную цилиндрическую стенку, выполненную с резонансной полостью, проходящей в периферийном направлении вокруг оси цилиндра, боковую стенку с частями, ограничивающими резонансную полость в направлении оси цилиндра, и щелевую структуру, расположенную в периферийном направлении вокруг оси цилиндра с обеспечением доступа микроволновой энергии из резонансной полости радиально внутрь упомянутой трубки, при этом щелевая структура содержит щелевые секции, которые взаимно смещены в направлении цилиндра.
В патентной публикации Европы ЕР 1867610, на имя компании Draka Comteq B.V., описано такое устройство для изготовления оптического волокна. Плазмоактивированное химическое осаждение из паровой фазы (PCVD) осуществляется на внутреннюю часть подложки трубки. В указанном процессе в качестве источника микроволновой энергии служит резонатор (обычно магнетрон). Как правило, резонатор совершает возвратно-поступательные перемещения в осевом направлении вдоль подложки трубки. В подложке трубки микроволновая энергия образует плазму, которая активирует реакцию, приводящую к осаждению тонких слоев кварца внутри подложки трубки. Подложка трубки и резонатор размещены внутри печи.
При инспектировании осажденного материала в подложке трубки наблюдается неоднородность толщины и/или коэффициента преломления вдоль осевого направления подложки трубки. Это явление оказывает сильное нежелательное воздействие на некоторые результирующие качественные параметры волокна, такие как ослабление (следы OTDR (оптический рефлектометр временной области)) и/или однородность диаметра модового поля в одномодовом волокне, и/или однородность параметра альфа в многомодовом волокне. Неоднородность толщины осаждения включает почти периодические неравномерности.
Причина указанных неравномерностей заключается в электромагнитном взаимодействии резонатора с окружающими элементами, которые по существу в основном представляют собой металлическую оболочку печи, использование которой является необходимым в конструктивных целях, а также для предотвращения вредного СВЧ-излучения из соображений охраны здоровья. Влияние электромагнитного взаимодействия усугубляется с увеличением количества осаждаемого стекломатериала из-за кумулятивного эффекта и ограниченных адаптивных свойств СВЧ-оборудования, например недостаточной эффективности дросселей. Также может иметь место продольная неоднородность осаждения вблизи концов подложки трубки из-за отражений микроволновой энергии, направляемой посредством плазмы в трубке, на концах печи. Неоднородность микроволновой энергии вдоль подложки трубки вызывает изменение продольного/переднего положения, относительно положения резонатора, вдоль подложки трубки, и таким образом вводятся отклонения мест осаждения, основанных на позиции резонатора.
2
Для уменьшения неоднородности толщины осаждения в патентной публикации US 2009/0022906 предложено перемещение печи вдоль осевого направления трубки. Результаты показывают, что такой подход является до некоторой степени эффективным для снижения неоднородности. Если неоднородность является слишком большой, например при очень толстом слое осадков стекломатериала (например, при площади поперечного сечения, превышающей примерно 350 mm) и/или при очень маленьких внутренних диаметрах (например, меньше примерно 20 мм), и/или при высокой скорости осаждения (например, больше примерно 2,5 г/мин), или при большой микроволновой мощности (например, больше примерно 5 кВт), и/или при более высоких требований к качеству, может потребоваться более высокий коэффициент уменьшения.
Кроме того, перемещение печи имеет дополнительный недостаток, поскольку оно сокращает эффективную длину сердечника за счет уменьшения длины полного хода салазок резонатора на расстояние, что отрицательно влияет на стоимость волокна.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в создании цилиндрического резонатора устройства плазменного химического осаждения стекломатериала из паровой фазы на внутреннюю поверхность подложки в виде трубки, согласно ограничительной части независимого пункта формулы, выполненного для создания на подложке трубки, другим способом, покрытия из стекломатериала, имеющего более однородную толщину. Для этого согласно настоящему изобретению щелевая структура содержит щелевые секции, которые являются взаимно смещенными в направлении цилиндра.
Благодаря использованию щелевых секций, смещенных в направлении цилиндра, порядок образования неравномерностей толщины осажденного материала в различных периферийных позициях на трубке также смещен в направлении цилиндра. При вращении подложки трубки, например, в пошаговом режиме указанный порядок чередуется с повторением, так что конечный продукт показывает значительно меньшие неоднородности.
Предпочтительно смещение между щелевыми секциями составляет примерно четверть плазменной (микроволновой) длины волны. Настройкой расстояния смещения и, при необходимости, взаимного различия в интенсивности между отдельными плазмами в трубке может быть достигнуто осаждение со значительно меньшей или даже нулевой неоднородностью толщины осажденного материала и/или коэффициента преломления. Таким образом, качественные параметры волокна, такие как ослабление (следы OTDR (оптический рефлектометр временной области)) и/или однородность ширины модового поля, могут быть значительно улучшены.
Разделением резонатора на секции, например на две половины, относительно плоскости симметрии питающего волновода может быть достигнуто генерирование двух плазм, которые могут быть смещены в продольном направлении трубки.
В целом, каждая щелевая секция обеспечивает возможность прохода микроволновой энергии радиально внутрь для генерирования плазм в подложке трубки. Как правило, каждая щелевая секция таким образом облегчает поддерживание соответствующих плазм. Предпочтительно интенсивности соответствующей проходящей микроволновой энергии по существу являются согласованными, так что во время работы устройства обеспечивается сбалансированная плазма. Кроме того, также обеспечивают согласование нагрузки плазмы.
Предпочтительно ширина щелевых секций, т.е. размер щелевого зазора в направлении цилиндра, выбирается взаимно различной, и таким образом достигается согласование нагрузок плазмы.
Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения сформулированы в пунктах приложенной формулы.
Далее будут описаны исключительно в качестве примеров варианты реализации настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематически показан вид сверху в разрезе известного устройства для осуществления процесса плазменного химического осаждения из паровой фазы;
на фиг. 2а схематически показан вид сверху в разрезе первого варианта реализации устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2b схематически показан вид сверху в разрезе второго варианта реализации устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2с схематически показан вид сверху в разрезе третьего варианта реализации устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3а схематически показан еще один вид сверху в разрезе устройства, показанного на фиг. 2с;
на фиг. 3b схематически показан вид устройства в разрезе, показанного на фиг. 2с, вдоль вертикальной плоскости симметрии СВЧ-волновода;
на фиг. 4а показан график, иллюстрирующий зависимость альфа от осевой позиции сердечника, изготовленного с использованием известного устройства; и
на фиг. 4b показан график, иллюстрирующий зависимость альфа от осевой позиции сердечника, изготовленного с использованием устройства согласно настоящему изобретению.
Следует отметить, что на чертежах показаны только предпочтительные варианты реализации согласно настоящему изобретению. На чертежах одинаковые номера позиций относятся к одинаковым или подобным элементам.
На фиг. 1 схематически показан вид сбоку в разрезе известного устройства для осуществления процесса плазменного химического осаждения из паровой фазы. Устройство 1 содержит по существу цилиндрический резонатор 2. Устройство также содержит СВЧ-волновод (не показан), который направляет микроволны в резонатор 2. СВЧ-волновод предпочтительно имеет прямоугольную форму, которая позволяет сформировать оптимальную границу раздела между волноводом и резонатором 2. Устройство может быть использовано для осуществления процесса плазменного химического осаждения из паровой фазы.
Резонатор 2 имеет наружную цилиндрическую стенку 4, заключающую резонансную полость 5. Указанная полость имеет по существу вращательную симметричную форму относительно оси цилиндра С. Резонатор 2 дополнительно имеет части боковой стенки 6а, 6b, ограничивающие резонансную полость 5 в направлении цилиндра CD.
Резонатор 2 дополнительно содержит внутреннюю цилиндрическую стенку 8, ограничивающую резонансную полость 5 в радиальном направлении R к оси цилиндра С. Фактически, полость 5 имеет кольцевую форму. Внутренняя цилиндрическая стенка 8 имеет щель 9, равномерно проходящую в периферийном направлении Ci вокруг оси цилиндра С. Посредством щели 9 микроволновая энергия из резонансной полости 5 может входить в трубчатое внутреннее пространство 10, окруженное резонатором 2.
Щель 9 по существу является небольшим радиальным волноводом, проходящим между полостью 5 и внутренней стороной резонатора 2, т.е. в трубчатое внутреннее пространство 10. В основном, щель 9 может иметь такую же ширину, что и сама полость 5, или меньше, например до нескольких миллиметров. В целом, щель имеет периферийный размер, ширину и радиальный размер. Периферийный размер представляет собой длину щели 9 в периферийном направлении Ci вокруг полости 5, в то время как ширина представляет собой ширину щели в направлении цилиндра CD. Кроме того, радиальный размер представляет собой глубину щели в радиальном направлении R.
Согласно описанным вариантам реализации периферийный размер щелевых секций больше их ширины. Устройство 1 размещено в печи (не показано) для определения рабочей температуры во время осуществления процесса плазменного химического осаждения из паровой фазы.
4
4
2
2
6
Во время работы известного устройства 1 микроволны, сгенерированные СВЧ-генератором, таким как магнетрон или клистрон (не показано), вводятся во второй конец СВЧ-волновода и затем направляются через волновод в резонатор 2. Следует отметить, что микроволны также могут поступать в волновод другим способом, например посредством дополнительных волноводов. В резонансной полости 5 аккумулируется микроволновая энергия. Микроволновая энергия частично поступает посредством щели 9 в трубчатое внутреннее пространство 10 и генерирует в подложке трубки 11 плазму для осуществления процесса плазменного химического осаждения из паровой фазы (PCVD). При правильном выборе расхода газа (например, SiCl, GeCl, О, CF и т.п.) и возвратно-поступательном перемещении резонатора 2 вдоль подложки трубки 11 стекломатериал осаждается на внутренней поверхности 11а подложки трубки 11, которая вставлена в трубчатое внутреннее пространство 10, как показано на фиг. 3а, и таким образом покрывает трубку несколькими слоями стекла, осаждаемого на внутренней стенке. Из указанной трубки путем сжатия может быть получена твердая преформа или сердечник, из которого в результате дополнительной обработки может быть изготовлено оптоволокно.
На фиг. 2а-2с схематически показан вид сверху в разрезе соответственно первого, второго и третьего вариантов реализации устройства согласно настоящему изобретению. Как показано на чертеже, щель 9 представляет собой щелевую структуру, содержащую пару щелевых секций 9а, 9b, которые являются взаимно смещенными в направлении цилиндра CD.
Каждая из щелевых секций 9а, 9b, показанных на фиг. 2а-2с, проходит в периферийном направлении Ci в пределах полукруга.
Периферийное крайнее положение первой щелевой секции 9а по существу совпадает с периферийным исходным положением второй щелевой секции, так что щелевые секции 9а и 9b не перекрываются в периферийном направлении Ci. Пара щелевых секций 9а, 9b обращена друг к другу на противоположных сторонах вокруг трубчатого внутреннего пространства 10 при наблюдении в направлении цилиндра CD. Ступенчатые щелевые секции 9а, 9b образуют щелевую структуру, которая проходит в периферийном направлении в виде полного круга.
Полость 5 содержит две полостные части, соответствующие щелевым секциям, и проходит в периферийном направлении вокруг оси цилиндра CD.
Смещение D между щелевыми секциями 9а, 9b составляет примерно четверть рабочей длины волны плазмы, так что влияние электромагнитного взаимодействия со стенками печи является минимальным, предпочтительно тогда, когда подложка трубки вращается, как описано ниже. Более конкретно, смещение между щелевыми секциями 9а и 9b является примерно больше 5 мм, предпочтительно находится в диапазоне примерно 30-50 мм.
Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 2а, резонатор 2 содержит два по существу идентичных полублока 2а, 2b, которые расположены со смещением D относительно друг друга в направлении цилиндра CD. Согласно показанному варианту реализации первый резонансный блок 2а удерживается в цилиндрическом положении известного резонатора 2, в то время как второй резонансный блок 2b расположен со смещением на расстояние D.
На фиг. 2b, 2с показаны дополнительные варианты реализации устройства согласно настоящему изобретению. Как показано на чертеже, щелевые секции 9а, 9b смещены относительно друг друга в направлении цилиндра CD. Как показано на фиг. 2b, каждая из щелевых секций 9а, 9b сдвинута во взаимно противоположных направлениях относительно положения щели 9 в известном резонаторе, показанном на фиг. 2а. Следует отметить, что также могут быть использованы другие конструкции щелевой секции, например, выполненные расположением щелевых секций в местах, которые никак не связаны с расположением щели в известном резонаторе.
Как показано на фиг. 2с, расположение первой щелевой секции 9b подобно расположению щели в известном резонаторе, показанном на фиг. 2а, в то время как вторая щелевая секция 9а расположена со смещением более чем на половину длины L резонатора 2 в направлении цилиндра CD. Согласно вариантам реализации, показанным на фиг. 2а, 2b, наружная цилиндрическая стенка 4 резонатора 2 является по существу однородной в периферийном направлении Ci. Резонансная полость 5 в целом имеет по существу вращательную симметричную форму. Резонатор 2 может быть выполнен как одно целое. В противном случае, резонатор может быть выполнен модульным способом, например с использованием полуцилиндрических резонансных блоков 2а, 2b. Согласно вариантам реализации, показанным на фиг. 2а, 2с, могут быть использованы в основном два идентичных резонансных блока 2а, 2b. Две плазменные половины в целом предпочтительно являются идентичными в отношении энергопотребления и взаимного расположения. Резонансные блоки 2а, 2b физически проходят через область с высокой напряженностью поля и область с низкой напряженностью поля в печи в разное время. Поскольку подложка трубки 11 вращается при каждом проходе резонатора, результирующее влияние на осаждение является более однородным в отношении коэффициента преломления и/или толщины осажденных слоев по сравнению с осаждением, которое происходит в известном устройстве, показанном на фиг. 1.
На фиг. 3а схематически показан еще один вид сверху в разрезе устройства, показанного на фиг. 2с, в то время как на фиг. 3b схематически показан вид в разрезе устройства по фиг. 2с вдоль вертикальной плоскости Р симметрии СВЧ-волновода. Как показано на фиг. 3b, периферийное крайнее положение Р1 первой щелевой секции 9а по существу совпадает с периферийным исходным положением второй щелевой секции 9b. Схожим образом периферийное конечное положение Р2 второй щелевой секции 9b по существу совпадает с периферийным исходным положением первой щелевой секции 9а, так что щелевые секции 9а, 9b не перекрываются в периферийном направлении Ci. Пара щелевых секций 9а, 9b обращена друг к другу на противоположных сторонах вокруг трубчатого внутреннего пространства 10 при наблюдении в направлении цилиндра CD. Как указано выше, устройство согласно настоящему изобретению содержит СВЧ-волновод, имеющий конец 7, проходящий через наружную цилиндрическую стенку 4 в резонансную полость 5, для направления микроволн в полость 5.
Кроме того, микроволновый генератор (не показан) соединен со вторым концом волновода.
Для уменьшения вероятности возникновения электрической дуги в конструкции резонатора устранены наружные края. Первый наружный край часто образуется на границе раздела между волноводом и полостью 5. В устройстве, показанном на фиг. 3 (а также в устройстве, показанном на фиг. 2b), ширина полости 5, т.е. внутреннее расстояние вдоль оси цилиндра С, по существу равна соответствующему размеру волновода, например стандартному размеру 3,4 дюйма, т.е. 86,38 мм, и таким образом можно избежать одного наружного края. Разность между шириной полости 5 и наибольшей стороной волновода может быть небольшой, т.е. меньше 10 мм, например меньше 5 мм или даже меньше 1 мм, особенно при использовании мощностей выше 6 кВт. Эффект образования дуги другого наружного края на границе раздела может быть минимизирован скруглением указанного края.
Во время работы устройства подложка трубки 11 расположена в трубчатом пространстве 10, окруженном резонатором 2.
Как показано на фиг. 3а, распространение микроволн через взаимно смещенные щелевые секции 9а, 9b вызывает образование плазм 22, 23 во внутренней части 25 трубки 11, которые вызывают осаждение стекломатериала 20, 21 на внутренней поверхности 11а подложки трубки 11. Осажденный стекломатериал имеет периодическую структуру, как показано на фиг. 3а, 3b. Толщина осажденного материала 20, 21 является неоднородной в направлении цилиндра CD. Осажденный материал 20 на левой стороне подложки трубки 11 и осажденный материал 21 на правой стороне подложки 11 имеют периодический профиль толщины. Из-за смещения плазм 22, 23 распределение толщины осажденного материала 20, 21 также является взаимно смещенным в направлении цилиндра CD. Определенное расстояние смещения может быть задано выбором соответствующего расстояния смещения между щелевыми секциями 9а, 9b. Предпочтительно расстояние смещения D составляет примерно четверть рабочей длины волны. Например, расстояние смещения D может быть выбрано примерно 30 мм, если рабочая частота резонатора составляет 2,46 ГГц.
При вращении подложки трубки 11 относительно оси цилиндра резонатора 2 во время действия плазмы осажденный материал 20 с левой стороны и осажденный материал 21 с правой стороны последовательно чередуются, так что распределение толщины общего осажденного материала становится более однородным и сглаживается.
Следовательно, коэффициент преломления осажденных слоев также становится более однородным.
Как показано на фиг. 3b, места расположения щелевых секций 9а, 9b являются симметричными относительно плоскости Р симметрии СВЧ-волновода, подающего в резонатор 2 микроволны W.
В данном случае ось цилиндра С проходит в плоскости Р симметрии СВЧ-волновода. Щелевые секции 9а, 9b являются радиальными волноводами, проходящими от полости 5 до трубчатого пространства 10, окруженного резонатором 2. В радиальных волноводах могут возникать радиальные моды электромагнитных полей. Общая внутренняя круговая секция щелевых секций 9а, 9b (360°), при формировании полного кольца, как показано на фиг. 1, больше длины волны применяемых микроволн и меньше двойной длины волны, существует три моды: вращательно-симметричная мода (вращательно-инвариантная) и две вращательно-асимметричные моды (т.е. зависимость sin(phi) и cos(phi) от угла/фазы).
Например, длина волны равна примерно 122 мм на рабочей частоте примерно равной 2,46 ГГц. В конфигурации, описанной выше со ссылкой на фиг. 3а, 3b, плоскость Р симметрии СВЧ-волновода совпадает с вертикальной плоскостью симметрии резонатора 2.
В конкретном случае СВЧ-волновод имеет прямоугольную форму, причем его меньшая сторона является перпендикулярной плоскости Р симметрии, так что его большая сторона является параллельной плоскости Р симметрии. В данном случае во время работы только одна мода существует в щелевых секциях 9а, 9b, общая длина внутренней окружности которых (360°), находится в пределах от одной до двух длин волны применяемых микроволн. Из-за симметрии поля и прямоугольного волновода компоненты электрического поля, параллельного плоскости Р симметрии, имеют нулевое значение.
Очень тонкая металлическая пластина может быть расположена в вертикальной плоскости без изменения функциональности всей конфигурации. В устройстве согласно настоящему изобретению используется принцип, суть которого состоит в том, что щель резонатора может быть разделена на секции при сохранении функциональности.
На фиг. 4а показан график, иллюстрирующий зависимость альфа (α) от осевой позиции сердечника, изготовленного известным устройством, например, как показано на фиг. 1. Параметр альфа является известной мерой, полученной из так называемого альфа-фактора многомодового сердечника с близким к параболическому профилем, и связан с неравномерностью толщины и/или изменениями коэффициента преломления вдоль осевой позиции сердечника.
В некотором осевом диапазоне позиций параметр альфа проявляется. Указанные почти периодические изменения параметра альфа в зависимости от осевой позиции оказывают значительное нежелательное воздействие на некоторые результирующие качественные параметры волокна, такие как ослабление, полоса пропускания, производительность системы и однородность указанных параметров вдоль волокна. Указанные изменения имеют период примерно 6 см, который обусловлен электромагнитным взаимодействием с внутренними стенками печи, в которой размещено устройство 1.
На фиг. 4b показан график, иллюстрирующий зависимость альфа (α) от осевой позиции сердечника, изготовленного устройством 1 согласно настоящему изобретению. В данном случае кривая параметра альфа является более гладкой. Амплитуда отклонений значительно меньше амплитуды отклонений кривой сердечника, изготовленного известным устройством, как показано на фиг. 4а. В результате также являются улучшенными качественные параметры волокна, например ослабление, полоса пропускания, производительность системы и однородность указанных параметров вдоль волокна.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами реализации. Технический результат настоящего изобретения иллюстрируется параметром альфа (α), измеренным на сердечниках для многомодового волокна, по причине его чувствительности. Настоящее изобретение также улучшает такие параметры, как ослабление и однородность по диаметру модового поля в одномодовом волокне, и оказывает положительное действие на однородность дисперсии и значения длины волны отсечки в одномодовых волокнах с управляемой дисперсией, таких как волокна со смещенной дисперсией или с ненулевой смещенной дисперсией. Подразумевается, что могут быть использованы различные варианты.
Резонатор может содержать дополнительные модули, в которых могут быть размещены описанные выше компоненты. Кроме того, внутренняя поверхность полости является по меньшей мере частично электрически проводящей. Таким образом, стенки предпочтительно выполнены из металлического материала, такого как сталь. Следует отметить, что щелевая структура может содержать больше двух щелевых секций, например три или четыре щелевые секции, которые формируют замкнутое кольцо при наблюдении в направлении цилиндра CD.
В показанных вариантах реализации щелевые секции расположены таким образом, что периферийное крайнее положение первой щелевой секции по существу совпадает с периферийным исходным положением второй щелевой секции, так что указанные щелевые секции соединяются в периферийном направлении Ci.
Однако, в основном, могут быть использованы другие компоновки, например обеспечивающие возможность перекрытия щелевых секций или их смещения в периферийном направлении Ci.
Термины "резонатор" и "резонансная полость" используются в настоящей заявке для идентификации известных в области техники конструкций. Однако указанные термины не должны быть истолкованы как исключающие варианты, в которых отсутствует микроволновой резонанс, например в случаях без существенного отражения и без значительного поглощения микроволновой энергии в плазме. Другие такие варианты являются очевидными для специалиста и должны быть истолкованы как подпадающие под объем защиты настоящего изобретения, определенный в следующих пунктах приложенной формулы.