CN1014047B - 用于包覆光学纤维预制棒的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了用来外覆预制棒(22)的方法和装置。预制棒对准并插入外覆管(30)，预制棒的外径和管的内径要使管和棒之间的间距不超过预定值。管和其中的棒沿长度方向的各部分依次地进入受控加热区，同时管内气压保持在远小于管外气压的水平。这使管塌缩到预制棒上，从而提供了相对于光纤芯来说基本同心的外覆预制件。

Description

本发明涉及使玻璃管塌缩在玻璃棒上以提供光学纤维预制棒的方法和装置。

对光学纤维需求的增加促进了增加MCVD（改进的化学气相沉积）过程的生产能力的努力。然而，MCVD过程的速率受到基底管的壁厚的限制。为获得具有最佳光学和几何特性的光学纤维，预制件的芯与覆盖物的质量比必须在特定的范围内。增加基底管的质量以获得更大的预制件需要将基底管的壁制得更厚。然而，增加基底管的壁厚减小了对含反应物的气体的热传导速率，从而增加了沉积每层玻璃颗粒所需的时间。如果基底管的壁太厚，则会发生不充分的热传导，这会导致气泡的形成或不完全的烧结。

可增加MCVD工艺的生产能力的一种方法是首先制造具有大于所需芯与覆盖物质量比的下覆盖预制件。将这个预制件插入到称为外覆盖管的玻璃管中，然后上述玻璃管塌缩到预制件上。这称为棒和管技术。最好是使得由于覆盖造成的预制芯周围材料的任何附加偏心率最小。

将预制件插入外覆盖管是由手工完成的。在现在的测试水平下，还未发现预制件与管的内表面的接触是有害的。然而，应减小外覆盖管和下覆盖预制件间的径向不平行度，否则得到的拉制纤维芯的偏心率太大，使得该拉制纤维与其它纤维间的正确连接受到阻碍，已有更完善的将玻璃棒插入玻璃管的方法和装置。

1985年3月19日发布的H.Matsumura等的美国专利 第4，505，729号公开了用于制造光学纤维预制件的方法，其步骤是上面讨论的棒和管技术的变形。根据Matsumura等人的方法，一层掺杂的玻璃粒子沉积在石英基底管的内壁上。然后在管内的气压稍稍降低的同时，其中插有同轴棒的基底管塌缩，以提供在其上有截面为椭圆的覆层或套层的预制件。

所需要的并且看来不能由现有技术提供的是用于高效地外覆盖预制棒而不减低纤维强度或芯同心度的方法和装置。需要的方法和装置应使其中插入玻璃预制棒的玻璃管塌缩到棒上得到的预制件具有在棒和管之间的交接面上无气囊的基本同心的层。所需要的方法和装置将增加现有工厂设备的能力。因为光纤生产的增加可被产品率的减少而抵消，所以必须注意保证用于棒和管生产的所需塌缩过程不会导致产品率的减少。

前述问题已由本发明的提供包覆预制件的方法和装置所解决，首先提供具有预定光学和几何特性的并且基本是直的棒和管。使预制棒与管对准，然后使它们之间发生相对移动，以使棒的相当大部分位于管内。预制棒的外径和位于其外围的管的内径之差不超过预定的值。管和其内的棒沿长度的相继部分被放到受控加热区中，同时在管的外部和内部之间建立压力梯度使外部气压明显大于内部的气压。

在较好的实施方案中，管内的气压被控制得比环境气压小很多。在较好的实施方案中，管内的气压大约为0.15-0.2个大气压，而环境气压为一个大气压。

在附图中：

图1是用来将预制棒插入管中，使它们准直并将管塌缩在预制棒上的装置的透视图;

图2是本发明的方法和装置提供的外覆预制件的端截面图;

图3是纵剖视图，显示了位于管中的预制棒，为清楚起见预制棒的直径和管的内径之差被夸大了;

图4是图3的管和棒的端截面图;

图5-7是一组描绘管中预制棒的准直的图;

图8是部分纵剖视图，显示了沿其中装有预制棒的管移动以使管塌缩在预制棒之上的喷焰器。

图9是可在拉制光纤时用来使管塌缩在预制棒上以外覆棒的另一装置;

图10是另一实施方案，其中使管在拉制光纤时塌缩在预制棒上。

现在参考图1，显示了由数字20代表的装置，它用来提供预制件21（见图2），上述预制件包括预制棒22和外覆24。预制棒22包括各自具有预定光学和几何特性的芯和外覆。做为例子，预制棒22可由熟知的称为改进的化学气相沉积（MCVD）的过程制造。对于MCVD过程的公开，见前面所提及的美国专利第4，217，027号，它被这里的参考所包括。

为改进生产效率，预制棒22具有外覆盖24。这是通过提供由具有预定光学和几何特性的玻璃所制的管30（见图1和3-4），并使预制棒22位于管30中，再使管塌缩在棒上（见图2）而完成的。为了有助于保证塌缩管和插入其中的芯之间的同心度，管30必须很直。

由图1可见，管30固定在垂直延伸的纵向轴31上。管30也固定在方向卡盘32上，上述卡盘固定在支在垂直车床架37的下臂 35上的支架33上，使得管30是铰接的并可相对其基点在任意方向上作枢点移动，有利的是，下卡盘32还在管30的外表面提供密封。预制棒22从上面的卡盘34上吊下并与管对准。卡盘41支在上臂43上，所述上臂43由车床架上伸出。然后，分别在下和上车床臂35和43之间作相对运动，从而也在管和预制棒间作相对运动，使预制棒的相当长的一部分位于管内。

为保持管30相对于预制棒22的基本同心采取以下步骤。预制棒22必须相当直。而且，在预制棒22的外表面和管30的内壁之间的任一点处的间隙44（见图4）得到控制。这是通过选择管30和预制棒22使外覆盖管30的内径和预制棒的外径之间的差在外径为17.5毫米的棒和内径为19毫米的管的情况下为不大于预定的1.5毫米的间距。当然，棒须在管内与管同心放置（见图4），以提供所希望的不大于约0.75毫米的均匀间距44。

虽然最好在一开始预制棒22就在管30的中央，但是这个目的在插入时并不总能达到，棒有时在塌缩前就与管接触或不处在同心状态（见图5）。只要有塌缩前的接触或非同心状态，获得的外覆预制件的中心就会偏离由MCVD过程提供的预制棒22的中心。由预制棒22芯的中心到预制棒和外覆盖30组合的中心的距离称为偏心度。

所以，为减小管30中预制棒22的塌缩前偏心度，管被加有补偿。这个动作是由管在其基点上的方向联接帮助实现的，方向联接允许在任何方向上作枢轴运动。

在塌缩开始之前，预制棒22的位置相对于管30作垂直调整。开始，操作者环境管30的上端安放中心环51（见图6）。例如， 在中心环51中放置的是弹性材料的套53。弹性材料使预制棒22和管30固定在一起，并使棒在环的位置处位于管30的中心。然后环状喷焰器60被置于预制棒自由端（见图6）下方约10厘米处，上述喷焰器具有类似于1984年10月16日以J.R。Nis和C。D.Spainhour的名义的美国专利第4，477，244号所示喷焰器的结构，并在此作为参考。喷焰器60，例如可为氢氧喷焰器，围在管30的整个外围。当然，也可用只包围管30一部分的喷焰器，当使管30和棒22沿纵向轴旋转时，喷焰器60充分加热管30，使管在喷焰器所在之处改变自己的位置并形成移动63（见图7），同时也使管对于预制棒22中心定位。实际上，通过加热管30的特定位置并使其与预制棒22准直，管30被除去了应力。

偏移63的作用是使相当部分的预制棒22与管30达到同心准直，位移大大降低了预制棒22与管30的壁相碰的可能性。

在位移63形成后，移去中心装置，然后使环状喷焰器60由管30的基底移到顶端65（见图1）。喷焰器60在管30的顶端或其附近停留预定的时间，使在该点处管将预制棒22密封。

当喷焰器60开始在管30的顶端或附近停留预定时间时，具有延伸部分72通过臂35和支架33并联到管的下端的装置70（见图1）被用来控制管内的气压，使其比管外小很多。结果，在真空的帮助下，完成了管30的顶端部分对预制棒22的密封。例如在较好的实施方案中，管内的气压可在约0.15至0.2个大气压的范围内。优点在于，方向卡盘32可起真空接头的作用，通过它与管30的密封，管和棒22之间的真空得以保持。

在停留时间之后，使喷焰器60向下移动，经过管的长度。在喷焰器经过管30的长度时保持真空，并使管顺序进入加热区内，真空 使管30以相当的速度塌缩在预制棒22上（见图8）以提供图2的外覆预制件。控制加热区以避免过高的温度。通过较低的温度，在管的长度上建立了轴向温度梯度。因为通过加热区时管子的韧性，这使管30保持与预制棒22准直。

在喷焰器60经过管30的长度时，使管和预制棒22旋转。做这点是因为加热管30和棒22一般是不对称的。而且，管30和其中的预制棒22可能不是精确地位于喷焰器限制区域的中心。还发现用较慢的转速改进了棒和管的生产。增加速度会增加离心效应，反而造成离心度。在较好的实施方案中，转速约为10rpm（转/分）。

在此要说明，在本发明的较好的实施方案中，管30内部的气压降得比外界气压低。在比较好的实施方案中，这是通过真空接头卡盘32将管30联到真空源70而作到的。然而，可将管30外的气压增加到明显大于管内的气压以达到同样的结果。重要的是在管30的外部和内部之间有明显的压力梯度且外部的气压明显大于内部的。

本发明的方法和装置使管30塌缩到预制棒22上的速度大大加快。靠本发明的方法和装置，已达到约7厘米/分的塌缩速度。这可同无气压梯度的水平车床布置中约1厘米/分的塌缩速度作对比，上述布置不同于由MCVD过程生产预制件时所用的。众所周知，在那个过程中，预制管的塌缩是在管内的气压略高于大气压的情况下完成的。

上述气压梯度有助于加快管向棒的塌缩速率;然而，采取了其它步骤以避免在最后的预制件中的偏心度并使最后的预制件的外覆与预制棒芯同心。这些步骤包括控制管与棒之间的间距，控制加热区域，和控制管30和插入的棒间的初始同心度。通过控制加热区宽度和其 中的温度以及梯度特性，和通过控制管30和预制棒22之间的间距和初始同心度，可用真空帮助加快管的塌缩而不造成最后的预制件的偏心度。

与现有技术公布的预测相反，在使用本发明的方法和装置时，得到的外覆预制件的质量相当高。根据现有技术，在塌缩时的合理气压是需要的，但是使用真空会引起预制件部分的偏心度。例如，已知为了制造偏振的光纤，先制造光学预制管，然后在管中保持真空的条件下使其塌缩。真空使管中的偏心度增大，以至塌缩后的光纤比塌缩过程开始时的管子的偏心度大。非零偏心度典型地通过在塌缩的初始部分在管内包括真空来产生。然后在塌缩时加随管半径的减小而增加的内气压，使在管进一步塌缩时保持给定的偏心度。

已发现在其中的棒比起管来相对较小时，弄平管是相当简单的，现有技术依靠此原理在外覆管的最后结构中实现偏心度。然而，对于线度接近管的内径的棒，管就没有变平所需的足够空间。在本发明的方法和装置中，管30的内壁和预制棒22外表面之间的间距是被控的，并且足够地小使得偏心度减减至最小。

另外，根据现有技术，在塌缩中通过正内部气压的帮助可保持圆度，见1979年5月15日以W.G.Fronch和W.Tasker为名公布的美国专利第4，154，591号。然而，已发现象在MCVD通程的预制件塌缩中那样使用略大于大气压的气压还未能由所供外覆管提供可接受的结果。已发现用MCVD过程的正压技术的塌缩是不对称的，会导致形成气泡。相反，在使用本发明的方法和装置时，在预制棒和管的界面上不出现气泡。

很明显，得注意将最后的预制件产品的偏心度减至最小。如果在 车床上做，即使是垂直的，大部分的热被加到管30上，所以只有管变形。如果管30偏离中心，它会在一点处首先接触棒的表面，而附在棒上的材料就会固定。在首先发生粘附的点上管壁的厚度被固定。管30的其余部分继续塌缩，并且实际上管壁的厚度在增加。所以，管上最后与预制棒接触的地方的外覆预制件部分的壁厚最大，而首先接触预制棒的部分壁厚最小。一般地这两个位置在径向相对，造成不希望的偏心度。

与一些利用真空获得最后的棒和管截面的形状的现有技术不同，本发明的方法和装置是在保持棒和管的相当的同心度的同时造成相当快的管塌缩。例如，已发现由根据本发明的方法和装置造出的外覆预制棒拉出的光纤的偏心度小于一微米。

控制加热区以使温度梯度比较陡。众所周知，加热区是由温度达到大约1600℃（这是在此所用玻璃的软化点）处延伸到温度降到该温度之下处的区域。对于用在图1的垂直车床安排中的喷焰器，温度由1600℃到其最高温的距离相当小，典型值约为10毫米。通过控制加热区避免了问题，使得加热区相当窄并相当陡。

另外，控制加热区使塌缩造成管30几乎所有的内表面都与预制棒连接。这有助于避免在管和棒之间形成导致光纤强度下降的气泡。而且，因为初始时采取的准直措施和因为加热区宽度不达到造成不稳定的程度，所以塌缩的管与棒同心。

可用图1所示布置的其它变型。例如，已证明可以将棒22取代管30固定在卡盘32上，而将管30取代棒固定在上方卡盘41上。本发明的方法和装置还可被用在当预制的棒和管前进入拉丝炉80（见图9）时将管30塌缩在预制棒22之上。在垂直车床布置 中，管30被加热，然后热能再辐射到棒中。在拉丝炉中，热能直接加到管30和预制棒22上。另外，炉中加热区的最高温度高于车床中的。这样，预制棒22和管30都经历了更高的温度，造成管30在炉中塌缩到棒22上时比在前述的车床塌缩技术中有更低的粘度和更高的流动性。而在共同拉制的过程中，轴对称的拉力同时作用在预制棒22和管30之上。在外覆的共同拉制技术中，较大的流动性和作用在预制棒22和管30的轴对称拉力联合对棒和管的组合提供了自中心机制，它的趋向与前述的管30中预制棒22的离心度相反。

在图9中可见，带有柄82的预制棒22由卡盘84上悬下。预制棒22进入管30的入口具有真空连接86为密封入口，并使管的内壁和棒的外表面之间的空间保持在预定气压上。预制棒22和管30延伸进炉子80，作为例子，它可以是氧化锆感应炉。

在预制棒22和管30输入炉子时，较好的实施方案中的真空源（未显示）通过真空接合器86联到管和预制棒之间的空间。炉80中管30长度的顺序部分被塌缩到预制棒22上，并从外覆预制件拉出光纤88。在炉子的下拉部分（在此管30和棒22同时变为流体），来自光纤的拉力被认为向管和棒提供了自中心机制。通过作用在预制棒22和管30上的轴对称拉力有助于对中。

在拉制的光纤88刚离炉处由装置91测量其直径，并将测量值作为控制系统的输入。在控制系统中，测得的直径与所需值比较，并产生输出信号去调整拉制速度，使光纤的直径趋向所需值。

在测量了光纤88的直径之后，由装置93在其上加防护涂覆层接着，在涂覆光纤88通过对中装置95，固化装置96，测量涂覆光纤外径的装置97后，移过铰盘99并卷在轴上用于以后光缆运用 前的测试和储存。保持光纤固有的高强度在将光纤成带，装套，联接和制成光缆过程中及在其运行寿命中是重要的。

当使用拉制炉塌缩管30时，因为温度更高而有更低的玻璃粘滞度。这种玻璃流动，但轴对称的拉力有助于同心拉伸预制棒22和塌缩在其周围的管30。典型地，在炉中升到最高温度的过程比使用环喷焰器更陡，但是棒经过加热区将比车床布置中更慢。因为管的塌缩与时间温度相关，又因为炉温是基本固定的，所以对加热区的控制是通过控制其沿管30的长度实现的。在管塌缩到棒上的区域温度梯度相当陡。

图10中显示了另一实施方案的安置，其中在拉光纤时管塌缩到预制棒上。例如，预制棒100由MCVD过程提供。具有内径略大于预制棒外径，并有柄102的管104被安置在预制棒的周围。管104在端头108处密封在棒上。然后，管的另一部分在多处110-110用管的内表面的边缘箍住棒。例如，开口111通过柄端102和通过支架卡盘112联到真空源以控制拉光纤时管内的气压。因为在由上卡盘支持棒和管时不用相当贵的预制件，所以这个安置最大限度地利用了这些预制件。

支持管柄102以使预制棒连同密封在其上的管悬到炉113上。然后，如图9所示的实施方案中，预制棒和管进入炉子，以便从中制出光纤114。在管104的线度减小时，调整管中的压强以保持它和管外间的梯度保持在控制范围内。

通过将控制玻璃粘度的加热区温度和宽度，预制棒和外覆管之间间距和其中气压的大小，以及外覆管中预制棒的同心度最佳化，已制出了相当低偏心度的外覆预制件。所有这些参量影响着过程的速度和 所得到的光纤的几何特性，而光纤的强度则受加热区特性的影响。将这些参量最佳化得到了快速外覆过程，所述过程提供了强度和芯同心度满足当前商用光纤系统所需参数的光纤。在此描述的外覆过程大大提高了生产能力，同时又避免了光纤产生率的下降。

要理解前述的安置仅是本发明的描述。那些熟悉技术的人员设计的其它体现本发明原则方案包括在本发明的精神和范围之内。

Claims (9)

1、包覆光学纤维预制件的方法，其中设置的外覆管对于光学预制棒是基本同心的，所述方法包括如下步骤：

提供具有外径和纵轴的直光学预制棒；

提供由具有合适光学和几何特性的光学材料制造的外覆管，该外覆管具有一纵轴；

使预制棒位于管内，与其基本上同心；

使其中置有预制棒的管沿长度方向的相继部分进入具有受控温度梯度的较窄加热区；

所述方法的特征在于还包括下述步骤：

提供预制棒和外覆管，使管的内径和棒的外径之差较小，管和预制棒之间的间距不超过0.75毫米；

把预制棒在一端，把管在相对端支承在沿其纵轴方向上彼此基本固定的位置上；

使管的外部和内部之间建立气压梯度，并将其保持为外部气压大大高于内部气压，管内的气压在大约0.15至0.2个大气压的范围内，所述气压梯度与较窄加热区和较小的棒外径与管内径之差的结合使管塌缩与预制棒接触，并使外覆管相对于预制棒基本上同心，管的内径与棒的外径之差足够地小，从而基本上防止了管在塌缩到棒上时产生折皱。

2、根据权利要求1的方法，其中在连续增加管置入加热区的长度之前，使管的开口端部分将伸入管中的预制棒密封。

3、根据权利要求2的方法，其中使管的开口端部分将预制棒密封之前，通过将管联到真空源而建立气压梯度。

4、根据权利要求1的方法，其中将预制棒置于管中后，使预制棒接近管子入口处的部分相对于所述管子有相当的同心度。

5、根据权利要求1的方法，其中预制棒和管都有纵轴，并支承预制棒和管以使它们的纵轴基本上是竖直的，并且棒的一小部分伸出管的开放端，这一小部分棒和管的与所述开放端相对的一端受到了支承。

6、用于包覆光学纤维预制棒的装置，包括：

第一支承装置，用支承沿其纵轴基本上直的预制棒，从而使预制棒能绕其纵轴转动;

第二支承装置，用于支承由具有预定特性的光学材料制造的并具有一纵轴的管，从而使该管能绕其纵轴转动;

使预制棒和管绕其纵轴转动的装置;

加热装置，用于使其内带有棒的管沿其长度方向的相继部分进入受控加热区，同时使管和棒转动;

其特征在于

所述第一和第二支承装置使预制棒受到支承，并使其相当长的部分置入管内，管具有大于棒外径的内径，以使在它们之间提供较小的间距，所述间距不超过0.75毫米，所述第二支承装置支承所述管的一端，这一端与第一支承装置支承的棒的一端相对;

由所述加热装置有效提供的，使管和其中的棒连续增加进入较窄加热区长度的装置，在管的内部和外部之间建立并保持气压梯度，使管外的气压大大高于管内的气压，所述管内的气压在大约0.15至0.2个大气压的范围内，所述气压梯度与较窄加热区和较小的棒外径与管内径之差的结合使管塌缩到预制棒上，所述管的内径与棒的外径之差足够地小，从而防止了管在塌缩到棒上时产生显著的折皱。

7、根据权利要求6的装置，它还包括适于在棒伸入管处围在管周围的装置，用于使棒和管在该处互相同心安置。

8、根据权利要求6的装置，其中预制棒和管都有纵轴，并且所述第一和第二支承装置支承预制棒和管，使得它们的纵轴是竖直的。

9、根据权利要求8的装置，其中所述第二支承装置使管相对于其底端作枢轴转动，并且所述第一和第二支承装置使棒的一小部分伸出管的开放端，棒的这一小部分和管的与所述开放端相对的一端受到了支承。

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