CN101293734B - 制造预制件以及由此获得的光纤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造预制件以及由此获得的光纤的方法，其中基管的供给侧附近的反转点的位置在沉积工艺的至少一部分期间沿基管的纵向轴移动。

Description

制造预制件以及由此获得的光纤的方法
技术领域
本发明涉及一种通过气相沉积工艺制造光纤预制件的方法，包括以下步骤：
i)提供具有供给侧和排出侧的中空玻璃基管；
ii)将掺杂的或非掺杂的玻璃成形气体经由供给侧提供到基管的内部；
iii)在基管内部产生等离子体条件，以通过在基管的供给侧附近的反转点和基管的排出侧附近的反转点之间沿基管的纵向轴来回移动等离子体来在基管的内表面上沉积玻璃层；
iv)将在步骤iii)中获得的管固化成预制件。
本发明进一步涉及一种形成光纤的方法，其中在一端加热光学预制件，随后从该光学预制件拔出光纤。
背景技术
前面提及的方法本身出自美国专利No.4,741,747，其中通过在至少一个反转点区域根据时间非线性移动等离子体和/或通过沿基管长度根据时间改变等离子体的强度，使端部锥形减小。术语“端部锥形”被理解为表示在基管端部处的沉积区域，其中沉积层的光学和几何特性不能保持不变。
美国专利No.5,188,648公开了一种减小几何端部锥形的方法。通过该专利，利用中断等离子体在玻璃成形气体供给侧的反转点的来回运动一段时间来实现。
美国专利No.5,145,509公开了一种通过将玻璃棒放置在基管中心来减小几何锥形的方法，玻璃棒的半径可在玻璃基管的内径的最大0.67倍和最小0.2倍之间，并且玻璃棒在沉积工艺刚一完成就被从基管内部移走，于是中空基管通过在高温熔缩转换成固体预制件。
申请号为WO 2004/101458 A1的国际专利申请中公开了一种减小锥形的方法，其中等离子体在反转点附近的第一端部区域的速率是根据沉积工艺中的时间和所述第一端部区域的位置而变化。术语“端部区域”被理解为其中等离子体速率是根据位置而变化的区域。
上述引用文献提及的方法中的问题之一是实际上几何锥形的优化将导致光学锥形并且反之亦然。
利用气相沉积工艺，其中等离子体在两个相对于基管具有固定位置的反转点间来回移动，本发明人发现纵向折射率分布曲线通常展现折射率的最大值。术语“纵向折射率分布曲线”被理解为表示在光学预制件中根据纵向位置的折射率的值。特别发现在供给侧附近的折射率的最大值出现在当等离子体根据时间沿着其非线性移动的那个长度被优化以便获得最大可用预制件长度的时候。术语“化学气相沉积工艺”指的是，例如，PCVD(等离子体化学汽相沉积)工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过气相沉积工艺制造光纤预制件的方法，其中光学锥形和几何锥形二者都同时达到最小。
本发明的另一目的是提供一种通过气相沉积工艺制造光纤预制件的方法，其中最大预制件长度可被用于形成光纤。
本发明的又一目的是提供一种通过气相沉积工艺制造光纤预制件的方法，其中在作为沉积结果的沉积玻璃层中产生的应力被减小。
前面提及的方法的特征在于，在步骤iii)的至少一部分期间，基管的供给侧附近的反转点的位置沿基管的纵向轴移动。
利用本发明所述的方法，一个或多个上述目的可被完成。
本发明人意外地发现通过在步骤iii)的至少一部分期间沿基管的纵向轴移动基管的供给侧附近的反转点的位置，前述基管的供给侧附近的折射率最大值可被减小。在此情况下他们进一步发现几何锥形上的影响被消除并且因此就可能增加可用预制件长度。
尽管锥形效应在基管的排出侧不如在基管的供给侧那么明显，还是可以在步骤iii)的至少一部分期间移动排出侧附近的反转点的位置。在气相沉积工艺期间沉积层中产生的应力以此方式被减小。
在另一个实施例中，在步骤iii)的至少一部分期间，基于时间线性地沿该基管的纵向轴移动该供给侧附近和/或该排出侧附近的反转点的位置。
在一个特殊实施例中，供给侧附近的反转点的位置往远离排出侧的方向移动。这种移动可以增加可用预制件长度。
在另一个实施例中，供给侧附近的反转点的位置还可以往排出侧的方向移动。在以上两种情况中作为沉积结果的玻璃中产生的应力被减小。玻璃中的应力减小可防止层脱落。层脱落发生在当沉积层的装入应力很高时，以至于随时间一层又一层沉积的层之间互相分离。发生层脱落的预制件，即使仅有一小部分，也不能用来形成光纤。
在又一个实施例中，排出侧附近的反转点的位置沿基管的纵向轴在供给侧的方向上移动。
在又一个实施例中，中空玻璃基管的供给侧附近的反转点位置沿该基管的纵向轴移动，以获得由此在该中空玻璃基管内部上沉积的玻璃层中的折射率值，该折射率值在该基管的纵向方向上基本上恒定，该玻璃层被认为是壳体，其中每一个都包括多个玻璃层的一个或多个另外的壳体被沉积在由此获得的该壳体上，其中该基管的供给侧附近的反转点的位置针对每个壳体的沉积来选择，以使得横截所述壳体的折射率值在该基管的纵向方向上基本恒定。
优选地，供给侧附近的反转点的位置移动量最大为等离子体长度的一半。术语“等离子体长度”被理解为平行于基管的纵向轴的长度。本发明人发现当供给侧附近的反转点的移动量大于等离子体长度的一半时，可用预制件长度将减小。可用预制件长度的减小或者归结于几何锥形的发生，或者归结于折射率的过度改变引起的光学锥形的发生，或者归结于两者的结合。术语“几何锥形”被理解为表示与光学预制件的几何特性相关的锥形。已经发现当供给侧附近的反转点的位置移动大于等离子体长度的最大一半时，可用预制件长度小于当供给侧附近的反转点的位置在整个沉积工艺中是固定时的情况。
其它特殊实施例在从属权利要求中给予限定。
如果希望，通过本发明获得的预制件可以在外部提供一层或更多层另外的玻璃层，例如通过将预制件放入石英玻璃管或通过外部沉积工艺涂抹硅石，或者通过两者的结合。该预制件，有或没有在外部提供一层或更多层另外的玻璃层，它的一端可以被加热，之后光纤可从那里拔出。
附图说明
将在下文中参考一系列附图更详细地解释本发明，然而应该注意的是，本发明不限于这些特殊实施例。
图1是实现本发明的基管的示意图，
图2表示当利用本发明的方法时等离子体的速率分布曲线，
图3表示两个预制件的纵向折射率分布曲线，
图4表示单一阶跃折射率光纤的径向折射率分布曲线，
图5表示W-型阶跃折射率光纤的径向折射率分布曲线。
具体实施方式
图1中，示意性地示出中空基管10，本发明的内部气相沉积工艺可以在其中进行。在具有供给侧20和排出侧30的基管10中，具有长度L的等离子体40在两组反转点(分别为A0、A1、A2和D0、D1、D2)之间来回移动。长度L被认为是等离子体40沿基管10的纵向轴延伸的长度。
供给侧20附近的反转点的位置分别用A0、A1和A2表示。排出侧30附近的反转点分别用D0、D 1和D2表示。等离子体40由围绕基管10的谐振器(未示出)产生。该谐振器连接到微波发生装置(未示出)并且将微波耦合进基管10以在基管10的内部产生等离子体条件。在一个特殊实施例中，基管10和谐振器被加热炉(未示出)包围。
位置A0对应于在步骤iii)的开始处供给侧20附近的反转点的位置。
位置D0对应于在步骤iii)的开始处排出侧30附近的反转点的位置。
供给侧20附近的反转点A0的位置在步骤iii)的至少一部分期间沿基管10的纵向轴移动。供给侧20附近的反转点A0的位置可以向A1(远离排出侧)或向A2(在排出侧的方向)移动。在一个优选实施例中，供给侧20附近的反转点A0的位置因此往远离基管10的排出侧30的方向移动，即，往A1的方向。当反转点A0的位置往远离基管10的排出侧30的方向移动，即，往A1的方向时，几何锥形上的效应将小于当供给侧20附近的反转点A0的位置往基管10的排出侧30的方向移动时的情况。
供给侧20附近的反转点的最大纵向移动优选地为等离子体40的长度L的一半。
考虑到沉积工艺可能持续一段时间，以数小时为数量级，同时等离子体40从供给侧附近的反转点传播到排出侧附近的反转点并且又回到供给侧附近的反转点的时间是以数秒为数量级，例如10秒，相对大量的离散位置将在A0和D0之间和A1或A2与D1或D2各自之间出现。
例如，反转点的位置可能随时间线性移动。优选地，供给侧附近的反转点的移动在整个步骤iii)期间发生，尤其是考虑到在所述步骤期间沉积玻璃层中产生的应力。由于同样的原因，排出侧附近的反转点的移动优选地在整个步骤iii)期间发生。
在步骤iii)的至少一部分期间，基管10的供给侧20附近的反转点的移动不必在一个和相同的方向上进行。这表示供给侧20附近的反转点的特殊位置在步骤iii)的至少一部分期间可多于一次地出现。因此，在步骤iii)的开始处的供给侧20附近的反转点的位置可能与在步骤iii)的结束处的供给侧20附近的反转点的位置相同，同时在整个气相沉积工艺中，或步骤iii)中，供给侧20附近的反转点在步骤iii)的至少一部分期间的移动确实可以在排出侧的方向和远离排出侧的方向两者上发生。
图2表示本方法的在步骤iii)期间的等离子体40的速率分布曲线。相对于基管10(见图1)的纵向轴的等离子体40(见图1)的位置标于横轴。等离子体40沿基管10的纵向轴传播的归一化速率标于纵轴。术语“归一化速率”被理解为表示相对于在B0-C区域中速率的速率，为了清楚，该区域中的速率被认为是不变速率。当等离子体40从供给侧20附近的反转点(见图1)向排出侧30附近的反转点的(见图1)方向传播时，等离子体40的速率在位置A0和B0之间或者A1或A2和B0之间的区域内增加到等于1的归一化的值。尽管不是必要的，等离子体40在位置B0和C之间以基本上不变速率传播。等离子体40的速率在位置C和D0之间或者C和D1或D2之间的区域内降为0的值。一旦等离子体40从排出侧30附近的反转点向供给侧20附近的反转点传播时，速率在位置D0和C之间或者D1或D2和C之间的区域内增加，并且速率在位置B0和A0之间或者B0和A1或A2之间的区域内减小。在图2中，等离子体40假设在区域B0-C之间以恒定速率传播。
图3表示利用标准工艺制造的固化的预制件(1)和利用本发明的方法制造的固化的预制件(2)的纵向折射率分布曲线。在横轴上标出的是在预制件上的纵向位置或预制件的长度。两个预制件的长度都是约1200mm。位置0对应基管10的供给侧20并且位置1400对应基管10的排出侧30。容许极限3表示申请人确定的折射率的最小值和最大值。在折射率值超出这些容许极限的情况下，该预制件制造出的光纤将存在光学缺陷。
在图3中容许极限分别是0.33和0.4delta％，但是这些值不能被解释为被限定的。
值delta％可通过下式计算：
delta _ i % ≡ n i 2 - n c 2 2 n i 2
在该公式中，ni是在固化的预制件的径向位置i的折射率值并且nc是在固化的预制件的径向参考位置c的折射率值。例如值nc等于围绕纤芯的层的折射率值，该层也被称为“包层”。基于图4所示的光纤径向折射率分布曲线，例如，delta 1％可利用ni的值n1计算出。
纵向折射率分布曲线1示出落在前述容许极限3外的、围绕位置200的区域4中的折射率最大值。因此，预制件的分布曲线1的这部分将不适合形成光纤。
纵向折射率分布曲线2也示出了供给侧附近的折射率最大值，但是该值落在了容许极限3内。结果，具有折射率曲线2的预制件的可用预制件长度相比于通过现有技术制造的预制件，即，具有折射率曲线1的预制件的可用预制件长度增加了大约50mm。这相应于预制件长度的约5％的增加，或者，用光纤长度表示为普通的单模光纤实施例(见图4)中的30km或更多的增加。
除了关于可用预制件长度的上述改进以外，预制件2中比预制件1中在步骤iii)中沉积的玻璃中将建立更小的应力。
本发明的方法特别适用于所谓的阶跃折射率型(step-index)光纤的预制件的制造。该术语用于存在沉积层的至少一个壳体的具有径向折射率分布曲线的光纤，其中术语“壳体”被认为是在径向具有常数折射率值的多个层。这样的分布曲线的示例由图4和图5示出。
图4表示包括具有折射率n1的纤芯和具有折射率nc的包层的普通的阶跃折射率分布曲线。图5表示包括由具有折射率n1、n2和n3的壳体组成的纤芯和具有折射率nc的包层的W-型分布曲线。
在包括具有径向常数折射率的多于一个壳体的实施例中，如前述的W-型分布曲线，例如，有可能确定每个壳体的反转点位置在本方法的步骤iii)的沉积期间的最适宜的移动。
本方法因此被认为是多个子步骤iii)，每个子步骤包括壳体的沉积。特别地，三个壳体由此可以在图5中分辨出，即，具有折射率n1、n2和n3的壳体，其中每个壳体在子步骤中形成并且其中必须确定每个壳体的反转点位置的最佳移动以获得所述壳体沿预制件长度的常数折射率值。
示例
图4中示出的具有径向折射率分布曲线的用于形成光纤的预制件是利用本发明的方法制造的。供给侧附近的反转点在整个步骤iii)期间向远离排出侧的方向移动。在图1和图2中这表示供给侧附近的反转点在步骤iii)期间从A0向A1移动。等离子体长度大约为20cm并且随时间线性地移动。总的移动是变化的，并且其在可用预制件长度上的效应是可以确定的。
表
Figure GSB00000748286700081
通过本发明制造的一批预制件中发生层脱落的预制件减少了约5％。

Claims (10)

1.一种利用气相沉积工艺制造光纤预制件的方法，包括以下步骤
i)提供具有供给侧和排出侧的中空玻璃基管；
ii)经由所述供给侧向所述基管内部提供掺杂或非掺杂的玻璃成形气体；
iii)在所述基管内部产生等离子体条件，以通过在所述基管的供给侧附近的反转点和所述基管的排出侧附近的反转点之间沿所述基管的纵向轴来回移动所述等离子体来在所述基管的内表面上沉积玻璃层；
iv)将在步骤iii)中获得的管固化成所述预制件，
其特征在于，所述基管的供给侧附近的反转点的位置在步骤iii)的至少一部分期间沿所述基管的纵向轴移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供给侧附近的反转点的位置沿所述基管的纵向轴向远离所述排出侧的方向移动。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，所述供给侧附近的反转点的位置沿所述基管的纵向轴的移动的量最大等于所述等离子体长度的一半。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，所述排出侧附近的反转点的位置在步骤iii)的至少一部分期间沿所述基管的纵向轴移动。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述排出侧附近的反转点的位置沿所述基管的纵向轴在所述供给侧的方向上移动。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，所述供给侧附近的反转点的位置的移动在整个步骤iii)期间发生。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述排出侧附近的反转点的位置的移动在整个步骤iii)期间发生。
8.根据权利要求1-2的任一项所述的方法，其特征在于，中空玻璃基管的供给侧附近的反转点位置沿所述基管的纵向轴移动，以获得由此在所述中空玻璃基管内部上沉积的玻璃层中的折射率值，所述折射率值在所述基管的纵向方向上基本上恒定，所述玻璃层被认为是壳体，其中每一个都包括多个玻璃层的一个或多个另外的壳体被沉积在由此获得的所述壳体上，其中所述基管的供给侧附近的反转点的位置针对每个壳体的沉积来选择，以使得横截所述壳体的折射率值在所述基管的纵向方向上基本恒定。
9.根据权利要求1-2的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤iii)的至少一部分期间，基于时间线性地沿所述基管的纵向轴移动所述供给侧附近和/或所述排出侧附近的反转点的位置。
10.一种形成光纤的方法，其中在一端加热光学预制件，随后从所述光学预制件拉出光纤，其特征在于，所述预制件是根据前述权利要求1-9中任一项方法制造的。
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