CN101302076A - 提高光纤预制件中低包层-纤芯比(D/d)的芯棒的D/d比 - Google Patents

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Abstract

通过将多个芯体块端对端地插入到玻璃套筒中制造光纤预制件，其中芯体块的包层－纤芯直径比(D/d)在1－4的范围内。套筒和插入其中的芯体块垂直地安装在炉上并被加热，使得套筒拉长，其外径缩小而形成芯棒，从该芯棒可以截取D/d比大于5的芯棒段。灰渣外包层沉积在芯棒段的圆周上，直到沉积灰渣的直径构造成预定的值。芯棒段和沉积灰渣外包层被固结以形成制成的光纤预制件。预制件的D/d比优选地大约为15或更大，光纤可以直接从预制件中拉制。

Description

提高光纤预制件中低包层-纤芯比(D/d)的芯棒的D/d比
技术领域
本发明涉及用于拉制光纤的玻璃预制件的制造。
背景技术
为了降低与光纤预制件的制造有关的成本，在实施制造的过程中应当执行尽可能少的步骤。但是，目前在制造这样的预制件时，实际上需要大量的加工步骤。例如，为了制造OFS Fitel公司已有的AllWave
Figure A20071018511800041
光纤，玻璃预制件起初按如下的步骤制造：
1.采用例如已知的蒸气轴向沉积(VAD)工艺制造初始的芯体；
2.为了分析的目的，将VAD芯体伸长为中间芯棒；
3.进行折射率的测量，并将芯棒进一步伸长到预定的尺寸；
4.为芯棒套上适当尺寸的外包层玻璃套管或套筒。
参见美国专利号6131415(2000年10月17日)。还参见美国专利申请公开号2006/0216527(2006年9月28日)，其公开了一种通过将多个芯棒段插入到两个或更多个同心外包层套管中最里面的一个来进行装配的光纤预制件，并参见美国专利号6460378(2002年10月8日)，其公开了一种多外包层光纤预制件。这些专利参考文献的所有相关部分通过引用结合在此。
当从预制件中拉制出来时，上面提到的AllWave光纤的外(包层)直径为125微米，典型的内芯直径为8.3微米。AllWave光纤的主要特征是波长为1385纳米时它的光损耗不超过0.31dB/km。低损耗主要归因于玻璃纤维中，特别是在光纤的纤芯中或纤芯区域附近的羟基(OH)杂质水平的降低。
上面的步骤1中获得的初始的VAD芯体通常由包围内芯的外部包层制成。包层外径与纤芯的直径之比称为芯体的D/d比，其中D是外包层的直径，d是内芯的直径。典型的VAD芯体的D/d比在3-6的范围内。但是D/d比为4或更小的芯体(称作“低D/d比”芯体)是常见的，并且事实上也是优选的，因为它们可以获得比相同尺寸且具有较高的D/d比的芯体更大的纤维产量。也就是说，当通过减小纤芯直径(d)而增加给定尺寸的芯体的D/d比时，芯体产生的有用光纤的产量也减小了，并且生产给定量的光纤的总成本也大大增加了。
上面的步骤2和3包括许多玻璃加工程序且非常耗时。并且，由于初始的VAD芯体在其整个长度上不可以总是具有一致的横截面，在步骤2中的中间芯棒很难获得一致的直径。因此会导致不想要的废料。
在步骤4中，外包层玻璃套筒的形成和制备也包括许多步骤且成本很高。例如，典型的外包层套筒按如下步骤制造：
A.提供一根适合灰渣(soot)沉积的目标棒或杆。这样的杆通常由氧化铝形成。
B.在杆上沉积硅玻璃灰渣，直到获得预定重量的沉积灰渣。沉积的灰渣物的重量可达到几百磅。
C.在灰渣沉积完成时，移除氧化铝的杆以便中心孔保留在灰渣物中。
D.灰渣物借助于特殊的夹具放置在烧结炉中进行脱水，然后灰渣物在接近1500℃的高温下被固结。固结物通常称为玻璃套筒。
E.由于套筒内中心孔的壁通常比较粗糙，因此需要进行机械磨削和研磨来确保壁的表面足够光滑。
F.由于多个喷枪通常用于步骤B中的灰渣沉积过程中，套筒的外径(OD)在套筒的长度上通常不是一致的。因此必须对套筒外周进行机械磨削以减小套筒OD的这种偏差。
G.为了获得上面的步骤3中的芯棒的护套，套筒被伸长到预定的尺寸。
因此，制造护套套筒包括许多成本高的步骤，也会带来许多伴生的废料。降低这些成本的一种方法是在中间芯棒上采用直接灰渣外包层工艺，这样，去除了多个与玻璃套筒有关的处理和加工步骤。
对于低D/d比的芯棒来说，在上面的步骤4中确保芯棒的外包层和护套套筒之间的界面保持清洁和免受沾污是非常重要的。此界面的质量对于从制成的预制件中拉制的光纤的性能来说是很关键的。由于在喷枪火焰内存在用于沉积灰渣包层的氢和氧，因此在低D/d比的芯棒表面上的直接灰渣外包层沉积通常将在芯棒表面上产生所谓的“湿”玻璃层。对于低D/d比的芯棒来说，由于湿玻璃层与位于纤芯附近、且光在其中传播的光纤包层区域交叠，湿玻璃层会阻止从预制件中拉制出所谓的低水峰或零水峰光纤(例如前面提到的AllWave光纤)。
总之，目前制造用于光纤的玻璃预制件的过程的两个特征导致很高的制造成本，即(1)相对较大数量的成本高且耗时的加工步骤，(2)用于套在芯棒外的玻璃套筒的制造。由于芯棒的低D/d比，与上面的步骤3和4中的套筒有关的成本不能简单地通过取代在步骤2中获得的中间芯棒上的直接灰渣外包层沉积过程而去除。这样的过程将把上面提到的湿玻璃层引入到芯棒内并削弱了光纤的性能。
发明内容
按照本发明，一种制造光纤预制件的方法包括以下步骤：将多个芯体块端对端插入具有确定外径的玻璃套筒内，芯体块具有已知直径的纤芯；以及将玻璃套筒和插入其中的纤芯块相对于炉子垂直地安装。套筒在炉子内被加热，直到套筒和插入其中的纤芯块伸长，且套筒的外径被缩小到预定的尺寸从而形成可从中截取一个或多个芯棒段的制成的芯棒。一定量的灰渣外包层沉积在芯棒段的外周上，直到灰渣外包层的外径达到预定的值。然后芯棒段和沉积的灰渣外包层被固结以获得光纤预制件。
按照本发明的另一方面，一种制造用于光纤预制件的芯棒的方法以下步骤：选择多个芯体块，其中所述芯体块的包层对纤芯直径比(D/d)在1-4的范围内；将芯体块端对端插入具有预定内外径的玻璃套筒内；以及将玻璃套筒和插入其中的芯体块相对于炉子垂直地安装。玻璃套筒在炉子内被加热，因此拉长了套筒和插入其中的芯体块，且套筒的外径被缩小到预定的尺寸从而形成D/d比大于5的制成的芯棒。
为了更好的理解本发明，下面的描述与附图和所附的权利要求书将共同作为参考。
附图说明
附图中：
图1示意性地表示按照本发明的用于光纤预制件制造的芯棒的结构；和
图2表示按照本发明的预制件的制造步骤的流程图。
具体实施方式
本发明克服了前面提到的通过结合了(除其它特征之外)直接灰渣外包层沉积工艺而在光纤预制件制造过程中降低成本的障碍。该方法允许减少玻璃加工步骤的数量，并提高了用于制造预制件的芯棒的包层对纤芯比(D/d)，而未削弱从预制件中拉制的光纤的性能和产量。
图1描述了按照本发明的用于制造玻璃预制件的芯棒的结构的一个实施例。在图1中，六个芯体块20、22、24、26、28、30起初被插入玻璃套管或套筒32中，然后套筒在炉中被加热，以借助于例如一个常规的拨取机构(未示出)将其伸长或拉长，从而使套筒32的外径被缩小。被拉长缩小的套筒32产生一个制成的芯棒40，从该芯棒可截取多个(例如6个)芯棒段42。例如，每个芯棒段42的外(包层)直径大约为70mm，长度大约为1900mm。图2示出本发明技术的多个步骤的流程图，详细的实施例在下面将进行描述。
实施例
1.选出多个初始VAD芯体块(例如6块)20、22、24、26、28、30，每一个的初始芯径大约为30mm，初始的包层直径大约为90mm。芯体块的包层对纤芯直径比(D/d)可以在1-4的范围内。将每个芯体块的两个轴向端基本上截取为平面，这样芯体块的长度大约为500mm。由于芯体块20、22、24、26、28、30不会直接暴露到氢/氧火焰处理，它们只能采用稀氢氟酸浸蚀或高压喷水进行清洁。
2.将芯体块轴向端对端地放置在大约3米长的玻璃套筒32内，该套筒的内外径使得将要制造的芯棒的D/d比大于大约5。见图2中的步骤50。例如，套筒32可以由纯硅玻璃或掺杂了氟或锗的硅玻璃形成。如图1所示，套筒32内相邻的芯体之间限定了接合部34。套筒32的内径可以大约为95mm，套筒的外径可以大约为180mm。
3.牺牲块或手柄(未示出)优选地连接到玻璃套筒32的底端，以防止当在下面的步骤4中套筒垂直安装时，容纳在套筒内的芯体块20、22、24、26、28、30脱离。如果所连接的块是管状的，它的内径优选地比容纳在套筒32内的芯体块的直径小。
4.将玻璃套筒32与容纳在其内的芯体块20、22、24、26、28、30垂直安装在石墨炉塔上，并进行伸长缩小(collapse-during-stretch)操作。见图2中的步骤52。典型的炉温可以接近或稍微大于2000℃。然后允许套筒组件被伸长或拉长，这样套筒的外径(OD)被缩小到例如60-70mm的范围中的OD，以形成总长度在例如20-30米之间的制成的芯棒40。见图2中的步骤54。由此，制成的芯棒40的D/d比大于初始的VAD芯体块20、22、24、26、28、30的D/d比，并且优选地大于5。
5.在伸长和缩小过程中或在伸长和缩小结束时，制成的芯棒40可以被“速动”截取以产生多个(例如6个)芯棒段42，每个芯棒段都具有确定长度，例如1900mm。见图2中的步骤56。具体地，芯棒40应当在沿其长度与相邻VAD芯体20、22、24、26、28、30之间接合部34重合的位置以及第一个芯体20和最后一个芯体30的向外朝向套筒32的端部36、38的区域中截取。具有不均匀截面的芯棒段42的端部应当被修整和废弃，这些端部包括例如在与芯体之间接合部34相对应的区域中的空隙。
6.在每个制成的(修整过)的芯棒段42上进行所需的测量，并直接在芯棒段42的外周上沉积预定量的废渣外包层以使制成的预制件获得想要的D/d比。例如，对于外径为70mm、D/d比大于5的芯棒段42，可以在其轴向两端和放置在用于制造外包层的灰渣沉积机器上的芯棒段42上连接适当的玻璃手柄。氢气和氧气中的每一种的典型的气体流速可以为大约每分钟几百升。四氯化硅(SiCl4)气体可以以大约每分钟几百克的速率流动。灰渣沉积到芯棒段42的圆周上，直到构造出例如大约300mm的外径。见图2中的步骤58。为了在芯棒段42的长度上获得均匀的灰渣包层直径，灰渣应当在超过芯棒段两端的一定的距离上沉积以便补偿在灰渣沉积过程中出现的已知的锥尖效果。
7.灰渣外包芯棒段放置在温度接近或大于1500℃的烧结炉内，以固结为透明的制成的预制件。见步骤60。固结的制成的预制件外径通常为200mm，长度可达3米。制成的预制件的D/d比可以大约为例如15或更大。
光纤可以从制成的预制件中拉制，例如通过将预制件直接放置到能够操纵这样尺寸的预制件的大的石墨或氧化锆拉制炉中。
芯体块20、22、24、26、28、30可以在它们被插入到玻璃套管或套筒32后且刚好在上面的步骤4中进行伸长缩小操作之前，进行如下所述的清洁过程。
I.将套筒32和插入其中的芯体块20、22、24、26、28、30安装在伸长塔上，并确保连接在套筒两端的手柄为管状的，以便通过手柄中的一个导入的气体可以流动通过存在于芯体块和套筒之间的间隙。
II.使一种或多种玻璃清洁气体，例如氯气、含氟的气体、纯氮气或上述气体的混合物流入套筒32。
III.将相关的炉温控制在大约1000-2200℃的范围内。
IV.以氯气或含氟的气体在高温下能够进行清洁工艺的速度移动套筒和插入其中的芯体块通过炉子。如果需要的话，可以多次通过来保证高质量的界面。
V.使反应清洁气体停止流动，并进行上面的步骤4中的伸长缩小操作。
本发明的方法去除了光纤预制件制造中所需要的许多典型加工步骤，包括但未限定于：
a.手柄与初始的VAD芯体连接和初始的芯体在炉中伸长的需要；
b.进一步伸长芯棒以使其尺寸与护套玻璃套筒匹配；
c.芯棒的氢氟酸浸蚀；和
d.在用灰渣沉积制造护套套筒中使用杆，套筒纤芯的光滑化，和套筒外周的机加工。
可以预期采用这里公开的直接灰渣外包层沉积能够减少15％-30％或更多的制造成本。本发明的技术可以应用在源自VAD芯体的任何一种光纤预制件的制造中，对成本降低和光纤产量大大有益。
虽然前面对优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员可以理解的是，可以在不背离本发明的精神和范围的前提下，对本发明进行多种修改和改变，本发明包括下面的权利要求书范围内的所有修改和改变。

Claims (15)

1.一种制造用于光纤预制件的芯棒的方法，其特征在于：
选择多个芯体块，其中所述芯体块的包层对纤芯直径比(D/d)在1-4的范围内；
将芯体块端对端地插入具有预定的内外径的玻璃套筒中；
将玻璃套筒和插入其中的芯体块相对于炉子垂直地安装；
在炉子中加热玻璃套筒，从而将套筒和插入其中的芯体块拉长，并将套筒的外径缩小到预定的尺寸以形成D/d比大于5的制成的芯棒。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用蒸气轴向沉积(VAD)工艺形成芯体，并截取芯体以获得芯体块。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从制成的芯棒中截取一个或多个芯棒段。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，截取步骤通过在与玻璃套筒内相邻的芯体块之间限定的接合部重合的位置截取制成的芯棒进行。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在将芯体块插入到玻璃套筒后，通过使一种或多种气体流动通过套筒并加热套筒，来清洁芯体块。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由纯硅玻璃形成玻璃套筒。
7.权利要求1所述的方法，其特征在于，用氟或锗掺杂玻璃套筒。
8.一种制造光纤预制件的方法，其特征在于：
将多个芯体块端对端地插入具有确定的外径的玻璃套筒中，所述芯体块具有已知直径的纤芯；
将玻璃套筒和插入其中的芯体块相对于炉子垂直地安装；
在炉子中加热玻璃套筒，从而将套筒和插入其中的芯体块拉长，并将套筒的外径缩小到预定的尺寸以形成制成的芯棒；
从制成的芯棒中截取一个或多个芯棒段；
在芯棒段的外周上沉积一定量的灰渣外包层，并将沉积的灰渣外包层的外径构造为预定的值；
固结芯棒段和沉积灰渣外包层以获得制成的光纤预制件。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，采用蒸气轴向沉积(VAD)工艺形成芯体，并截取芯体以获得芯体块。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，选择芯体块和玻璃套筒，从而使制成的芯棒的包层对纤芯直径比(D/d)大于5。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过构造在芯棒段圆周上沉积的灰渣外包层的外径，从而使预制件的包层对纤芯直径比(D/d)大约为15或更大。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，由纯硅玻璃形成玻璃套筒。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用氟或锗掺杂玻璃套筒。
14.一种按照权利要求8所述的方法制造的光纤预制件。
15.如权利要求14所述的光纤预制件，其特征在于，预制件的包层对纤芯直径比(D/d)大约为15或更大。
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