CN101293732B

CN101293732B - 制造预制件的方法以及从此类预制件形成光纤的方法

Info

Publication number: CN101293732B
Application number: CN2008100912967A
Authority: CN
Inventors: J·A·哈特苏伊克; I·米利克维克; M·J·N·范斯特拉伦; R·H·M·德克斯; M·科尔斯滕
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2028-04-28
Also published as: US20090173107A1; EP1988064A1; CN101293732A; BRPI0801218A2; NL1033769C2; EP1988064B1; BRPI0801218B1; US7930903B2

Abstract

一种用于通过气相沉积过程制造光纤预制件的方法，其中创建等离子体条件，并且其中该等离子体在中空衬底管供给侧附近的反转点和排放侧附近的反转点之间沿着中空衬底管的纵向轴线来回移动，从而与一个阶段相关的烟灰沉积发生的位置在轴线方向上和与其他一个或者多个阶段相关的烟灰沉积发生的位置隔开。

Description

制造预制件的方法以及从此类预制件形成光纤的方法

技术领域

本发明涉及一种通过气相沉积过程制造光纤预制件的方法，该方法包括以下步骤：

i)提供具有供给侧和排放侧的中空玻璃衬底管，

ii)经由所述中空衬底管的供给侧向所述中空衬底管的内部提供掺杂或未掺杂的玻璃成形气体，

iii)在所述中空衬底管的内部创造温度和等离子体条件，从而影响所述中空衬底管的内表面上的玻璃层的沉积，所述沉积被认为包括多个独立的阶段，每个阶段具有初始折射率值以及最终折射率值并且包括多个玻璃层的沉积，所述等离子体在所述中空衬底管的供给侧附近的反转点和排放侧附近的反转点之间沿着所述中空衬底管的纵向轴线来回移动，同时烟灰(soot)沉积发生在所述衬底管的供给侧处，以及

iv)将在步骤iii)中获取的所述衬底管固化为所述预制件。

本发明进一步涉及一种形成光纤的方法，其中在一端对光学预制件进行加热，随后从该光学预制件拉丝出光纤，并且本发明还涉及一种预制件。

背景技术

此类方法本质上从以本申请人名义的荷兰专利NL 1 023 438中已知。

使用本发明，通过内部化学气相沉积技术(CVD)，尤其是通过等离子体化学气相沉积(PCVD)形成光纤预制件，其中可能掺杂的反应(reactive)玻璃成形气体在中空玻璃衬底管内反应，导致在该中空衬底管的内表面上沉积了一个或多个玻璃层。在衬底管的一侧，即，供给侧，提供此类反应气体，并且作为该特殊过程条件的结果，它们在衬底管的内部形成玻璃层。能量源沿着该衬底管的长度来回移动，从而形成该玻璃层。能量源(尤其是等离子体发生器)提供高频能量，从而在衬底管的内部生成等离子体，在该等离子体条件下，反应玻璃成形气体将发生反应(等离子体CVD技术)。然而，还可能尤其是借助于衬底管的外侧的燃烧器(burner)或经由环绕该衬底管的熔炉(furnace)以热的形式提供能量。上述技术通常都具有以下内容，即能量源相对于衬底管来回移动。

上述技术的缺陷在于以下事实：即作为能量源往复运动的结果，瑕疵可以在反转点附近的沉积层发展。此类瑕疵称作“锥度(taper)”，在该上下文中，进一步区分几何锥度和光锥度。将术语“几何锥度”理解为意味着全部沉积的厚度，即所有玻璃层的厚度，其沿着该管的长度不是常数。将术语“光锥度”理解为意味着光学性质，其主要由实际拉丝的光纤来确定，并且其沿着该预制件的长度不是恒定的。光锥度较小程度上是由层厚度的偏差引起的，但是主要是由沿着预制件长度上的折射率或折射率分布的偏差引起的。除了对于几何锥度的充分控制，还希望折射率对比度Δ中的偏差可以在预制件的最大长度上尽可能地小，从而实现对将要形成的光纤的光学性质的充分控制。

锥度的劣势是预制件的有用长度有限，这意味着从一个预制件中可以获取的光纤量较小。除此之外，由于所述锥度，光纤的性质在沿着光纤的长度上可能不恒定。

美国专利No.4,741,747涉及一种制造光纤预制件的方法，其中对所谓的端锥度的减小旨在通过在反转点区域中作为时间函数非线性地移动等离子体和/或沿着玻璃衬底管的长度改变等离子体的密度而发生。

欧洲专利申请No.0 038 982涉及一种制造光纤预制件的方法，其中等离子体发生器沿着衬底管的长度移动，该等离子体发生器产生热区域，从而所述热区域可以被认为是所谓的“一前一后的热区域”，其包括至少两个区域，即区域I和区域II。

欧洲专利申请No.0 333 580涉及一种制造光纤预制件的方法，其中使用可变功率微波发生器，但是其中没有使用沿衬底管长度在两个反转点之间来回移动的非等温等离子体。

从英国专利公开GB 2 118 165已知一种制造光纤预制件的方法，其中热源在沿衬底管轴向上的速率是根据特定的数学方程式的，所述速率是沿所述管的热源位置的函数，从而要求玻璃层的总沉积厚度在沿所述管的长度上基本上是常数。

从以本申请人名义许可的美国专利No.5,188,648中已知一种制造光纤预制件的方法，其中在等离子体每次到达衬底管气体进口点附近的反转点时，中断等离子体的移动，同时玻璃沉积继续，等离子体移动的该中断至少持续0.1秒。

本发明人已经发现了所谓的烟灰沉积在沉积步骤iii)期间发生在衬底管的供给侧处，该烟灰沉积将其本身表现为中空衬底管内表面上的环，该环还沿着衬底管的特定长度扩展。假设此类烟灰沉积作为沉积发生区域中相对低密度的等离子体的结果发生。进一步假设沉积过程开始时中空衬底管内表面上的温度在此类烟灰环的形成中起到非常重要的作用。此类烟灰环的出现将对于预制件的有效长度具有不利的影响。毕竟，衬底管中烟灰环的区域不能用于由其来形成符合所需产品规格的光纤。所谓的烟灰沉积的另一个缺点在于以下事实，即如果多个烟灰环或多或少地重叠，则玻璃层存在显著的破碎风险，这意味着不希望的预制件棒的损耗。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种制造光纤预制件的方法，其中使不希望发生的玻璃层的破碎最小化。

本发明的另一个目的是提供一种制造光纤预制件的方法，通过该方法，获取具有从该预制件拉丝出光纤的最大有效预制件长度的预制件。

在技术领域中涉及的方法是根据本发明的，其特征在于衬底管的供给侧附近的反转点位置在步骤iii)中是沿衬底管的纵向轴线偏移的，从而与一个阶段相关的烟灰沉积发生的位置在轴向上和与其他一个或多个阶段相关的烟灰沉积发生的位置隔开。

通过使用此类特征达到一个或多个上述目的。因此，本发明人发现了沿衬底管长度的烟灰环的系统的定位防止了各种烟灰环之间的重叠的发生，从而最小化了层破碎的发生。因此，希望衬底管的供给侧附近的反转点位置对于沉积过程的每个阶段处于合适的位置。本申请中使用的术语“阶段”应当理解为意味着沉积过程的一部分，其中沉积具有特定折射率值的玻璃层，该折射率值可以是常数或表现出梯度。例如，在简单步长指数分布中，可以区分纤芯和包层，其中纤芯沉积和包层沉积可以被认为是两个独立的阶段。纤芯的折射率可以具有扁平分布，即，恒定折射率值，或表现出特定梯度的分布，例如抛物线梯度。在包括具有每个不同折射率值的外壳或薄片组成的W型折射率分布的情况中，包括多个玻璃层的每个外壳可以被认为是独立阶段，该阶段包括衬底管的供给侧附近的反转点自身拥有的位置，特别是在所讨论的阶段的沉积开始处设置该反转点，并且在所讨论的阶段的沉积过程期间其保持固定。当随后另一个阶段的沉积开始时，重新设定供给侧处的反转点位置，并且其在所讨论的阶段期间保持固定。使用此类供给侧附近的反转点的特定的、依赖于阶段的定位，该定位是在每个阶段的开始时设置的，有效地防止了一个阶段的烟灰环表现为与其他一个或多个阶段的烟灰环重叠。因为根据本发明的方法不存在烟灰环重叠的问题，所以将不存在不希望的层破裂，并且衬底管的有效预制件长度将大于烟灰环重叠情况中的衬底管的有效预制件长度。

在本发明的特殊实施方式中，对于步骤iii)中的每个阶段，供给侧附近的反转点位置在排放侧的方向上沿衬底管的纵向轴线偏移。因此，由于防止了各种沉积阶段的烟灰环重叠，从而防止了层破碎。层破碎归咎于以下事实，即高应力水平将引起在玻璃中的不规则的位置处发生破碎，该不规则尤其发生在烟灰环中。

本发明人已经发现，当一个阶段的烟灰沉积和其他阶段的烟灰沉积之间的轴向间距至少是2mm时，将不会有层破碎，并且该轴向间距优选是至少5mm。将术语“轴向间距”理解为意味着衬底管长度方向上的距离。至少2mm的轴向间距意味着具有特定宽度的一个阶段的烟灰沉积从其他一个或多个阶段的烟灰沉积移动至少2mm，在该情况中，烟灰沉积重叠的可能性最小。因此，本发明人提出烟灰环的系统的定位方法，从而防止了预制件中的层破碎。因此，希望选择供给侧附近的反转点的正确位置并且在沉积过程之后，随后确定衬底管上烟灰环的轴向宽度。对于每个沉积阶段，希望确定尤其是衬底管供给侧附近的烟灰环的宽度以及谐振器反转点的位置。可以通过制造预制件来执行此类测量，在该预制件中，气体供给侧的反转点在每个阶段中在排放侧方向上偏移。因此，在全部沉积过程已经终止之后，检查由此获取的预制件以确定每个阶段烟灰环的开始位置和宽度。

如果烟灰环的宽度大于5cm，则特别希望在所讨论的阶段中增加供给侧处的衬底管的温度。本发明人已经发现温度的增加已经影响了烟灰环的宽度。一旦已经执行前述操作，就已经获取了关于每个阶段的气体供给侧处的反转点的准确位置的信息，并且在此类方式中，每个阶段的烟灰环不重叠。使用本方法，因此可能防止衬底管供给侧处的层破碎。

本发明人已经进一步发现如果供给侧处的衬底管温度具有相对低的值，例如低于1000℃，则烟灰环的宽度将出现不希望的增加。在此类环境中，优选地增加衬底管的供给侧的温度，使得每个阶段的烟灰沉积的宽度最大是10cm，优选地最大是5cm。

由于上述层破碎主要发生在衬底管的供给侧，排放侧附近的反转点的轴向位置将至少在步骤iii)的一部分期间是固定的。

本发明进一步涉及一种形成光纤的方法，其中加热光学预制件的一端，随后使用通过本方法获取的预制件从该光学预制件中拉丝出光纤。

本发明进一步涉及一种形成光纤的中空玻璃衬底管，首先通过将所述衬底管塌缩为大块的棒，即预制件，并且加热该预制件的一端以及从加热端拉丝出光纤，该中空玻璃衬底管在其内部具有一个或多个烟灰环，其中所述一个或多个烟灰环之间的纵向间距优选地为沿该中空玻璃衬底管的纵向测量的至少2mm，尤其至少是5mm。而且，此类中空玻璃衬底管特征尤其在于所述一个或多个烟灰环中的每个的宽度为沿该中空玻璃衬底管的纵向测量的最大10cm，特别地是最大5cm。

附图说明

本发明将在下文中通过多个示例得以更详细地解释，然而应该注意与此相关的是本发明不限制于此类示例。

图1示意性地示出了衬底管；

图2示意性地示出了等离子体在该衬底管上来回移动的速率分布；

图3-9示意性地示出了在固化的预制件上测量的各种折射率分布；

固化的预制件的折射率分布对应于从此类预制件中拉丝的光纤的折射率分布。

具体实施方式

将玻璃成形气体的混合物在图1中示出的中空玻璃衬底管10的供给侧20处提供给中空玻璃衬底管10，从而影响中空衬底管10内部上的沉积。未沉积的气体和在用于形成玻璃层的反应中形成的任何气体在衬底管10的排放侧30处排放。为了影响玻璃层的沉积，使用完全环绕中空衬底管10的谐振器(未示出)，等离子体40在衬底管10的内部生成，该等离子体40在沉积过程期间在供给侧20附近的反转点和排放侧30附近的反转点之间来回移动。该谐振器和中空衬底管10通常由熔炉(未示出)包围。在沉积过程的开始，中空衬底管10的供给侧20附近的反转点设定在位置A0。当该反转点保持在A0处时，如图3中示意性地示出，具有对应于值n3的折射率的多个玻璃层沉积在衬底管10的内部。在具有折射率值n3的玻璃层的沉积之后，可以认为该沉积是一个独立的阶段，供给侧20附近的反转点偏移到位置A1，在这之后，第二沉积阶段发生，其中具有折射率值n2的玻璃层被沉积，如图3所示。之后，对于最终的沉积阶段，供给侧20附近的反转点位置偏移到位置A2，其中具有折射率值n1的玻璃层被沉积。应该理解沉积阶段的数量可以根据需要设置。

在图2中示意性地示出等离子体40的速率分布，其中中空玻璃衬底管10的位置示出于横轴上并且等离子体40的归一化速率，尤其是谐振器的归一化速率被示出于纵轴上。图2清楚地示出了当等离子体从A0移到B0，其中B0对应于图1中A0的右侧位置时，该等离子体的速率增加。在B0-C的延伸中，其中等离子体40因此从供给侧20移向排放侧30，等离子体40的速率原则上保持恒定。在点C附近，等离子体40的速率将减小到零值，其中等离子体40返回到反转点D0附近的供给侧20。在特定沉积阶段，延伸A0-B0-C-D0经历了很多次。

在图3中，标号n_c对应于衬底管的折射率值。在上述沉积过程期间，因此，其中可以区分三个阶段，排放侧30附近的反转点位置保持不变。然而，还可能在沉积过程期间偏移排放侧30附近的反转点，在该情况中，可以占据对应于D0、D1或D2的位置。为了实现衬底管10上每个沉积阶段的烟灰环之间的至少5mm的轴向间距，位置A0设置在0mm，位置A1设置在30mm并且位置A2设置在60mm，这意味着供给侧20附近的反转点在上述每个阶段中在排放侧30的方向上在距离上偏移了30mm。而且，反转点附近的加速和减速对于每个阶段的供给侧和排放侧两者保持恒定。

图4示意性地示出了固化预制件(未示出)的折射率分布，其中沉积过程事实上包括两个独立阶段，即，在折射率值对应于衬底管S的折射率值的包层C或外壳的中空衬底管(未示出)的内部的沉积，以及其中沉积具有对应于纤芯K的折射率值n1的玻璃层的沉积阶段。

图5示意性地示出了固化预制件(未示出)的折射率分布，其中该沉积过程包括四个独立阶段，即，首先是具有折射率值n_c的包层C的衬底管S的内部的沉积，之后是具有折射率值n3的外壳、具有折射率值n2的外壳以及具有折射率值nl的纤芯部分K的沉积。在上述四个阶段的沉积期间，在每个阶段的开始确定中空衬底管的供给侧附近的反转点，并且在所讨论的阶段期间保持恒定，所述反转点针对每个阶段占据唯一的位置。

图6示意性地示出了固化预制件(未示出)的折射率分布，其中可以区分三个独立阶段，即具有折射率值n_c的包层1 C1、具有折射率值n_c的包层2 C2以及具有折射率值n1的纤芯部分、具有不同化学合成物但是具有相等的折射率值的包层1和包层2。在每个独立阶段的沉积过程的开始设定供给侧附近的反转点位置，之后，针对每个后续阶段，重新确定供给侧附近的反转点。

图7示意性地示出了固化预制件(未示出)的折射率分布，其中该沉积过程包括两个阶段，即第一阶段，其中沉积具有折射率值n_c的包层C，接下来沉积具有折射率值n1的纤芯部分K。图7清楚地示出了该纤芯部分表现出折射率梯度。在每个阶段的开始确定供给侧附近的反转点。

图8中示出的折射率分布基本上对应于图7所示出的，除了纤芯部分现在表现出代替图7中示出的抛物线梯度的线性梯度。

图9中示出的折射率分布基本上对应于图7所示出的，除了图9中示出的折射率分布，其中纤芯的抛物线梯度已经开始于纤芯部分的边缘，同时在图7的折射率分布中，折射率值首先表现出“跳跃”，之后该折射率值符合抛物线梯度。

特别地，本发明目的在于设置供给侧附近的反转点的位置，从而与此类阶段相关的烟灰环将不与其他一个或多个阶段的一个或多个烟灰环重叠。

Claims

1.一种通过气相沉积过程制造光纤预制件的方法，所述方法包括以下步骤：

i)提供具有供给侧和排放侧的中空玻璃衬底管，

iii)在所述中空衬底管的内部创造温度和等离子体条件，从而影响所述中空衬底管的内表面上的玻璃层的沉积，所述沉积被认为包括多个独立的阶段，每个阶段具有初始折射率值以及最终折射率值并且包括多个玻璃层的沉积，所述等离子体在所述中空衬底管的供给侧附近的反转点和排放侧附近的反转点之间沿着所述中空衬底管的纵向轴线来回移动，同时烟灰沉积发生在所述衬底管的供给侧处，以及

iv)将在步骤iii)中获取的所述衬底管固化为所述预制件，其特征在于所述衬底管的供给侧附近的所述反转点位置沿步骤iii)中的所述衬底管的纵向轴线偏移，从而与一个阶段相关的烟灰沉积发生的位置在轴线方向上和与其他一个或多个阶段相关的烟灰沉积发生的位置隔开。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对步骤iii)中的每个阶段，所述供给侧附近的反转点的位置在所述排放侧的方向上沿着所述衬底管的纵向轴线偏移。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，多个独立的阶段中的一个阶段的烟灰沉积和其他阶段的烟灰沉积之间的轴向间距至少是2mm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述轴向间距至少是5mm。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述衬底管的供给侧附近的反转点的轴向位置在步骤iii)中的每个阶段的开始处设置，并且在所述阶段期间是固定的。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤iii)中设置所述供给侧附近的衬底管的温度，从而每个阶段的所述烟灰沉积具有沿着所述衬底管的纵向轴线测量的最大10cm的宽度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，设置所述温度，从而每个阶段的所述烟灰沉积具有沿着所述衬底管的纵向轴线测量的最大5cm的宽度。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述排放侧附近的反转点的轴向位置至少在步骤iii)的部分期间是固定的。

9.一种形成光纤的方法，其中在一端对光学预制件进行加热，随后从所述光学预制件拉丝出光纤，其特征在于，使用如根据权利要求1-8中的任意一项或多项获取的所述预制件。

10.一种用作预制件的中空玻璃衬底管，所述预制件用于通过加热所述预制件的一端并且从所述加热端拉丝出光纤从而形成光纤，所述预制件在其内部具有一个或多个烟灰环，其特征在于，所述一个或多个烟灰环之间的轴向间距优选地为沿着所述中空玻璃衬底管的纵向测量的至少2mm。

11.根据权利要求10所述的中空玻璃衬底管，其特征在于，所述一个或多个烟灰环之间的轴向间距优选地为沿着所述中空玻璃衬底管的纵向测量的至少5mm。

12.根据权利要求10或11所述的中空玻璃衬底管，其特征在于，所述一个或多个烟灰环的每个的宽度为沿着所述中空玻璃衬底管的纵向测量的最大10cm。