CN102815865A

CN102815865A - 用于制造光纤预制件的装置和方法

Info

Publication number: CN102815865A
Application number: CN2012101832133A
Authority: CN
Inventors: 中西哲也
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2012-12-12
Also published as: JP2012254888A; US20120312054A1; EP2532627A1

Abstract

本发明提供了一种用于制造光纤预制件的装置和方法，以避免装置受损并且成本低。通过将玻璃颗粒（3）沉积在玻璃棒（2）的周面上来制造光纤预制件的装置（1）包括：腔室（10）、等离子体炬（11）、玻璃颗粒供应部（12）、组分修正气体供应部（13）和排气部（14）。腔室（10）将被等离子体炬（11）加热的玻璃棒（2）的加热部包围。等离子体炬（11）利用等离子体火焰来加热玻璃颗粒（3）。玻璃颗粒供应部（12）将玻璃颗粒（3）导向腔室（10）中的玻璃棒（2）的加热部。组分修正气体供应部（13）将组分修正气体导入腔室（10）中，从而修正待沉积在腔室（10）中的玻璃棒（2）的加热部上的玻璃颗粒（3）的组分。

Description

用于制造光纤预制件的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于制造光纤预制件的装置和方法。

背景技术

光纤是通过将光纤预制件拉伸成纤维而制造成的。光纤预制件是通过制备包括芯层和光学包层的玻璃棒并且随后在玻璃棒的外周形成护套层而制成的。

日本专利申请公开H10-324537（专利文献1）描述了一种通过在玻璃棒的周面上沉积玻璃颗粒来形成护套层的方法。根据该方法，通过吹附技术供应玻璃颗粒，然后通过等离子体炬加热玻璃颗粒，以使玻璃颗粒沉积。该方法在下文中称为“等离子体吹附法”。而且，专利文献1描述了通过将卤素气体和玻璃颗粒一起吹附到玻璃棒的周面上来修正沉积到玻璃棒的周面上的玻璃颗粒的折射率的技术。通常，卤素气体是腐蚀性的，因此难以在防止制造设备受到损坏的同时实施该方法。

美国专利申请公开No.2005-0262876（专利文献2）描述了以如下方式形成护套层的方法：在将含有预定量掺杂物的玻璃颗粒吹附到玻璃棒的周面上的同时执行等离子体吹附法，因此，将具有预期折射率的玻璃颗粒沉积在玻璃棒的周面上。该方法不存在损坏制造设备的问题，但是因为这种折射率调整型玻璃颗粒价格昂贵，因此该方法难以制造出低成本的光纤预制件或光纤。

发明内容

本发明的目的是提供如上所述在避免装置损坏的同时以低成本制造光纤预制件的装置和方法。

本发明的制造光纤预制件的装置为通过在玻璃棒的周面上沉积玻璃颗粒来制造光纤预制件的设备，包括：（1）等离子体炬，其用于利用等离子体火焰来加热玻璃颗粒；（2）腔室，其将被等离子体炬加热的玻璃棒的加热部包围；（3）供应部，其独立于等离子体炬设置并且用于向所述腔室中的所述玻璃棒的加热部供应玻璃颗粒以及用于将组分修正气体供给至所述腔室中，而所述组分修正气体用于修正待沉积在所述腔室中的所述玻璃棒的加热部上的玻璃颗粒的组分；（4）排气部，其通过排气使所述腔室内为负压；以及（5）移动机构，其用于使所述等离子体炬、所述腔室、所述供应部和所述排气部沿着与所述玻璃棒的轴线平行的方向做相对移动。

在一个实施例中，本发明的制造光纤预制件的装置可以设计为使得所述供应部将玻璃颗粒和组分修正气体的混合物供给至所述腔室。或在另一实施例中，所述供应部可以包括：（a）第一供应部，其用于将玻璃颗粒供给至所述腔室；以及（b）第二供应部，其独立于所述第一供应部设置并且用于将所述组分修正气体供给至所述腔室。

在本发明的制造光纤预制件的装置中，用于产生所述等离子体炬的等离子体的线圈优选地设置在所述腔室的外部。另外，在构成所述等离子体炬的部件之中，设置在所述腔室内部的部件优选地由能够抵抗卤素气体所引起的腐蚀的非导电材料制成或者覆盖有能够抵抗卤素气体所引起的腐蚀的非导电材料。

优选地，本发明的制造光纤预制件的装置还包括温度监视器，所述温度监视器用于监视所述腔室中所述玻璃棒的加热部的表面温度或者所形成的玻璃层的表面温度。还优选的是，本发明的装置还包括直径监视器，所述直径监视器用于监视所述腔室中的所述玻璃棒的加热部的外径或所形成的玻璃层的外径。优选地，本发明的装置还包括玻璃颗粒监视器，玻璃颗粒监视器用于监视从所述供应部供应至所述腔室的玻璃颗粒的粒径和流量。在这种情况下，优选地，本发明的装置还包括控制单元，所述控制单元用于调节从所述供应部供应至所述腔室的玻璃颗粒的量，该调节步骤可以基于由所述玻璃颗粒监视器监视到的颗粒粒径和流量中的任一个或两个来进行。

本发明的制造光纤预制件的方法包括：从独立于等离子体炬设置的供应部向腔室中的玻璃棒的加热部供应玻璃颗粒和组分修正气体；用排气部对所述腔室的内部进行排气以使所述腔室为负压；使所述等离子体炬、所述腔室、所述供应部和所述排气部沿着与玻璃棒的轴线平行的方向做相对移动；以及用所述等离子体炬的等离子体火焰来加热所述玻璃颗粒并且将所述玻璃颗粒沉积到所述玻璃棒的周面上以使组分修正气体修正所述玻璃颗粒的组分。

在本发明的制造光纤预制件的方法中，所述组分修正气体可以为含有用于降低玻璃颗粒的折射率的掺杂物的气体或者为含有用于提高玻璃颗粒的折射率的掺杂物的气体。含有用于降低玻璃颗粒的折射率的掺杂物的气体可以为包含氟或硼的气体。所述组分修正气体可以为包含卤族元素的气体。

根据本发明，可以以低成本制造光纤预制件，且避免制造设备受损。

附图说明

图1是示出作为用于制造光纤预制件的装置的本发明实施例的概念示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明。在附图中，用相同的附图标记表示相同的元件，并且将省略重复的说明。

图1是示出作为用于制造光纤预制件的装置的本发明实施例的概念示意图。用于制造光纤预制件的装置1为通过在玻璃棒2的周面上沉积玻璃颗粒3来制造光纤预制件的设备，且装置1包括：腔室10、等离子体炬11、玻璃颗粒供应部（第一供应部）12、组分修正气体供应部（第二供应部）13以及排气部14。在图1中，省略了腔室10的一些部分的图示以显示出腔室10的内部。

玻璃棒2由作为主成分的石英玻璃制成且通过诸如VAD、OVD、MCVD或PCVD等气相沉积法形成为大致柱形形式，并且玻璃棒2具有至少一个区域用作用于导光的芯层。玻璃棒2还可以具有围绕芯层区域的包层区域。在该实施例中，光纤预制件是通过在玻璃棒2的周面上形成护套层而制成的。

在根据该实施例形成护套层之前，光学包层区域可以通过VAD、OVD、MCVD、棒塌缩法（rod-in-collapse）或其它类似的方法形成在玻璃棒2的周面上。而且，为了移除存在于玻璃棒2的表面上的杂质，优选的是在根据该实施例形成护套层之前通过氢氧炬或等离子体炬对玻璃棒2的表面进行火焰抛光（fire polish）。或者，还优选的是通过氟化氢而不是火焰抛光来移除表面层。

将玻璃棒2设置在水平或竖直的车床上。在这种情况下，将支撑用玻璃棒连接至玻璃棒2的各端，并且用车床保持支撑用玻璃棒。车床能够使玻璃棒2绕玻璃棒2的轴线旋转。

装置1通过在以上述方式设置在车床上的玻璃棒2的周面上沉积玻璃颗粒3来制造光纤预制件。将玻璃棒2的被等离子体炬11加热的加热部包围的腔室10防止组分修正气体从非加热部周围泄漏。装置1具有移动机构，所述移动机构用于使腔室10、等离子体炬11、第一供应部12、第二供应部13和排气部14作为一个单元沿着与玻璃棒2的轴线平行的方向做相对移动。

等离子体炬11利用等离子体火焰来加热玻璃颗粒3。用于喷射等离子体火焰的等离子体炬11的喷嘴被布置为使得等离子体火焰到达玻璃棒2的被腔室10包围的加热部。对于将等离子体炬11点火，如果将诸如碳等导电物质导入被围绕等离子体炬11的线圈包围的区域并同时向线圈施加高频电压，则受到感应加热的导电物质会将等离子体点火。在这样点火的情况下，杂质可能容易扩散，因此可取的是在等离子体炬11的喷嘴不面对玻璃棒2的位置处进行点火。例如，期望的是在点火时将等离子体炬11转移到支撑用玻璃棒的位置。

在等离子体炬11和腔室10之间存在间隙的情况下，可以设置用惰性气体密封间隙的机构。这将能防止玻璃组分修正气体从腔室10中泄漏出去并且防止等离子体炬11被气体腐蚀。用于产生等离子体炬11的等离子体的线圈优选地设置在腔室10外。在构成等离子体炬11的部件之中，位于腔室10内部的那些部件优选地由抵抗卤素气体腐蚀的非导电材料制成或被上述非导电材料覆盖。这将能避免等离子体炬11的诸如腐蚀等劣化。

独立于等离子体炬11设置的第一供应部12将玻璃颗粒（石英颗粒）3导向腔室10中玻璃棒2的加热部。第一供应部12的喷嘴布置在腔室10的内部。第一供应部12的喷嘴面对玻璃棒2并且被调节成使得所喷射出的玻璃颗粒3可以被等离子体火焰加热从而附着到玻璃棒2上。优选地，第一供应部12的喷嘴具有用于依照玻璃颗粒3在玻璃棒2的周面上的沉积情况而移动的机构。玻璃颗粒3的喷出利用用于运载玻璃颗粒3的载气来执行。期望的载气为N2和O2。尽管也可以使用稀有气体，但是由于稀有气体趋于离子化，所以需要注意可能对等离子体炬11造成的破坏以及火花。

第二供应部13将组分修正气体导入腔室10中，从而修正将要沉积在腔室10中玻璃棒2的加热部上的玻璃颗粒3的组分。第二供应部13的气体喷嘴布置在腔室10的内部。第二供应部13的气体喷嘴大致面对玻璃棒2并且被调节为使所喷射出的气体可以与被等离子体火焰加热的玻璃颗粒3反应。第二供应部13的气体喷嘴优选地装有依照玻璃颗粒3在玻璃棒2的周面上的沉积情况而移动的机构。

组分修正气体可以为用于降低玻璃颗粒的折射率的掺杂气体或者为用于提高玻璃颗粒的折射率的掺杂气体。在任一种情况下，低成本制造具有期望折射率分布的光纤预制件均是可能的。含有氟或硼的气体能够用作用于降低玻璃颗粒的折射率的掺杂气体。使用含有氟或硼的气体能降低合成玻璃的折射率，因此能够以低成本制造出纯石英芯层光纤。

含有卤族元素的气体适于用作组分修正气体。卤素易于与玻璃反应因此适于作为掺杂物引入，卤族元素能够优选地用于控制折射率。能够用作含卤素气体的气体实例包括SiF₄、CF₄、CHF、SF₆和C₂F₆。因为由SF₆和碳氟化合物分解而产生的气体趋于腐蚀由玻璃制成的等离子体炬11，因此期望的是用不具有导电性的保护膜覆盖腐蚀性气体所接触到的等离子体炬11的喷嘴。

第一供应部12和第二供应部13可彼此独立地设置或者作为共同供应部而设置。在这种共同供应部的情况下，玻璃颗粒和组分修正气体被作为混合物导入腔室10中。设置共同供应部能简化设备构造。

连接至腔室10的排气部14对腔室10的内部进行排气以使腔室内为负压。期望的是安装用于测量腔室10中压力的压力计并且设置用于控制排气压力以使这样测量到的压力为预定值的机构。期望的是排气部14布置在既不妨碍等离子体火焰稳定性又不妨碍玻璃颗粒3沉积在玻璃棒2上的位置处。

通过使用用于制造光纤预制件的装置1，将玻璃颗粒3从第一供应部12导向腔室10中玻璃棒2的加热部。同时，通过第二供应部13将组分修正气体导入腔室10中，并且通过排气部14对腔室10的内部进行排气以使腔室内为负压。被吹附到玻璃棒2的周面上的玻璃颗粒3受到等离子体炬11的等离子体火焰加热并且沉积到玻璃棒2的周面上，而通过组分修正气体来修正组分。腔室10、等离子体炬11、第一供应部12、第二供应部13和排气部14作为一个单元沿着与玻璃棒2的轴线平行的方向相对地横移。而且，玻璃棒2绕其轴线旋转。因此，光纤预制件的护套层是通过执行玻璃颗粒3的吹附和沉积步骤直到获得期望厚度的玻璃层为止来形成的。

根据该实施例，可以通过使用用于防止诸如卤素气体等组分修正气体扩散至所需要部件之外的腔室10来避免制造设备受损，因此能够以低成本制造出具有期望折射率分布的光纤预制件。而且，由于设置腔室10而限制了空间，因此可以减少要使用的组分修正气体的量。

在形成护套层的处理中，期望的是通过温度监视器来监视玻璃棒2的加热部的表面温度或者所形成的玻璃层的表面温度。为了获得期望温度，测量在处理期间玻璃棒2或所形成的玻璃层的表面温度，并且可以基于如此测量到的温度调节供给到等离子体炬11中的气体的流量以及施加到等离子体炬11的线圈中的电能。因此，可以防止玻璃颗粒3由于加热不充分而固化不足。还可以防止玻璃棒2由于过度加热而变形。

在形成护套层的处理中，优选地，通过直径监视器来监视玻璃棒2的加热部的外径或者所形成的玻璃层的外径。可以适当地使用激光直径监视器（例如，Keyence LS-5000）、CCD监视器（KeyenceXG-8000）等作为直径监视器。然而，能够使用任何类型的监视器，只要能够从大致远距离位置测量玻璃的外径即可。可以基于如此测量到的直径控制沉积玻璃层的数量，由此能够将护套层的厚度或光纤预制件的直径控制到期望值。

因为CCD监视器不仅能测量外径而且能够监视是否存在光纤的不合适光学特性和机械特性，诸如在所形成的玻璃层中产生的气泡，所以使用CCD监视器是尤其期望的。在采用CCD监视器的情况下，优选的是通过可变光阑或ND滤光器来减少或动态调节进入CCD照相机的光量，否则可见范围内的图像将由于等离子体火焰而变得太亮。

在形成护套层的处理中，还优选的是使用用于监视从第一供应部12导入腔室10中的玻璃颗粒3的粒径和流量的玻璃颗粒监视器。在这种情况下，优选的是根据这样由玻璃颗粒监视部件监视到的颗粒的粒径和/或流量来调节从第一供应部12导入腔室10中的玻璃颗粒3的量。这使得能够容易地制造出具有期望外径和折射率分布的光纤预制件。

用预制件分析器来检验这样制造出的光纤预制件的折射率分布。然后，将经检验而判断为可接受的光纤预制件保持在光纤拉丝塔中，并且将光纤预制件的下端部加热至工作点以上的温度，从而通过适当地拉丝将软化部分处理成光纤。在控制这样制备的光纤的直径的同时，使光纤穿过模具以覆有树脂并且使光纤穿过用于固化树脂的UV照射单元，从而制成树脂覆盖光纤束，随后将该树脂覆盖光纤束缠绕到卷线筒上。

一般地，围绕光纤的外周设置有如下两个或更多个涂层：主涂层，其用于避免光纤遭受外力的直接传递；以及副涂层，其用于防止受到外部破坏。在光纤拉丝工艺中可连续地布置用于为这些层施加各树脂涂层的模具。或者，可用一个模具同时施加两层。在后者的情况下，可以降低光纤拉丝塔的高度，因此可以降低光纤拉丝建筑物的建造成本。

在将用于控制光纤拉丝时刚制成的玻璃纤维的冷却率的设备设置在光纤拉丝炉和模具之间的情况下，能够利用设备将进入模具的裸光纤的表面温度控制到适当的温度。流入用于控制冷却率的设备中的气体的雷诺数越低越好，因为这样可以相应地减少气体的湍流可能对光纤造成的振荡。此外，降低玻璃纤维的冷却率能减少瑞利散射，因此能够获得具有较低传输损耗的光纤。

用于固化树脂的UV照射单元能够通过对其内部温度以及UV光强进行反馈控制来适当地控制树脂的固化率。优选地将磁控管和紫外线LED用于UV照射单元。在采用紫外线LED的情况下，光源本身不发热；因此，独立地设置用于导入温暖空气的机构，从而可以保持UV照射单元的内部温度合适。因为从树脂脱离的成分附着到UV照射单元的中央管的内壁面，所以到达涂层的UV光的能量在光纤拉丝工艺期间会发生变化。因此，可取的是在光纤拉丝工艺期间预先监视UV光能的降低程度以及根据光纤拉丝时间来调节UV光能，从而可以使照射到涂层的UV光的能量变得恒定。而且，可取的是监视从UV照射单元的中央管泄漏出去的UV光以及进行控制以使照射到涂层上的UV光能变得恒定。这使得能在光纤的整个长度上获得恒定的抗断强度。

优选地，在考虑到外部破坏的情况下将两个涂层中副涂层的厚度设计为适当的厚度。一般地，副涂层的厚度优选地不小于10μm，更优选地不小于20μm。将这样制备且缠绕到卷收卷线筒上的涂层光纤束用于诸如光缆或光纤软线等终端产品，其中涂层光纤束的涂层可根据需要而着色。

下面将对根据该实施例制造光纤预制件的实例进行说明。下面的实例中所描述的条件是示例性的，且能够根据要求的玻璃组分、沉积率、预制件尺寸等来修正。

实例1至实例5

在对腔室10中玻璃棒2的周面加热的同时，通过从第一供应部12吹送玻璃颗粒3，在玻璃棒2的该周面上形成护套层。（在实例5中，所使用的玻璃颗粒3为预先保持在Cl₂氛围中以去除玻璃颗粒表面上存在的吸附性水的玻璃颗粒）。在该处理中，通过用辐射温度计测量被加热的玻璃棒2的表面温度来控制供给至等离子体炬11中的气体的流量以及施加到等离子体炬11的线圈上的电能以使所形成的玻璃层的表面温度为预定温度。而且，组分修正气体从第二供应部13导入腔室10中。等离子体炬11、第一供应部12、第二供应部13、排气部14和腔室10作为一个单元多次地沿着玻璃棒2的轴线进行双向移动。这样，将氟化物添加到玻璃层中，因此获得折射率降低的护套层。

在实例1和实例2中，用CCD监视器不断测量所形成玻璃层的直径，并且针对最后十次横移来调节所导入的玻璃颗粒3的量，从而可沿着纵向获得预定直径。在实例3、实例4和实例5中，用CCD监视器不断地测量所形成玻璃层的外径，并且调节导入的玻璃颗粒3的量，从而可以使每层具有预定的外径。因此，制备出具有预定直径的光纤预制件。

针对上述各个实例，下表显示出了玻璃棒2的直径和长度、腔室10的容量、玻璃颗粒的平均粒径、玻璃颗粒的供应量、玻璃层的表面温度的控制值、组分修正气体的组分和流量、双向移动速度以及光纤预制件的最终直径。

表

在实例2中，通过同时降低双向移动速度和表面温度，使得即使在采用相对较长的玻璃棒的情况下也可以防止由于向下翘曲（弯曲）引起的变形。在实例4中，腔室10的容量为500升，结果，与腔室10的容量为1000升的情况相比，添加到玻璃层的氟的量与所供应的组分修正气体中的氟的量的比率提高了大约25%。

Claims

1.一种通过在玻璃棒的周面上沉积玻璃颗粒制造光纤预制件的装置，包括：

等离子体炬，其用于利用等离子体火焰来加热玻璃颗粒；

腔室，其包围被所述等离子体炬加热的玻璃棒的加热部；

供应部，其独立于所述等离子体炬设置并且用于向所述腔室中的所述玻璃棒的加热部供应玻璃颗粒以及用于将组分修正气体供给至所述腔室中，而所述组分修正气体用于修正待沉积在所述腔室中的所述玻璃棒的加热部上的所述玻璃颗粒的组分；

排气部，其通过排气使所述腔室内为负压；以及

移动机构，其用于使所述等离子体炬、所述腔室、所述供应部和所述排气部沿着与所述玻璃棒的轴线平行的方向做相对移动。

2.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的装置，其中，

所述供应部将玻璃颗粒和组分修正气体的混合物供给至所述腔室。

3.根据权利要求1所述的制造光纤预制件的装置，其中，

所述供应部包括：

第一供应部，其用于将玻璃颗粒供给至所述腔室；以及

第二供应部，其独立于所述第一供应部设置并且用于将所述组分修正气体供给至所述腔室。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造光纤预制件的装置，其中，

在所述腔室的外部设置有用于产生所述等离子体炬的等离子体的线圈。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制造光纤预制件的装置，其中，

在构成所述等离子体炬的部件之中，设置在所述腔室内部的部件由能够抵抗卤素气体所引起的腐蚀的非导电材料制成或者覆盖有能够抵抗卤素气体所引起的腐蚀的非导电材料。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造光纤预制件的装置，还包括：

温度监视器，其用于监视所述腔室中所述玻璃棒的加热部的表面温度或者所形成的玻璃层的表面温度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制造光纤预制件的装置，还包括：

直径监视器，其用于监视所述腔室中的所述玻璃棒的加热部的外径或者所形成的玻璃层的外径。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的制造光纤预制件的装置，还包括：

玻璃颗粒监视器，其用于监视自所述供应部供应至所述腔室的玻璃颗粒的粒径和流量。

9.根据权利要求8所述的制造光纤预制件的装置，还包括：

控制单元，其用于调节从所述供应部供应至所述腔室的玻璃颗粒的量，该调节步骤是基于由所述玻璃颗粒监视器监视到的颗粒粒径和流量中的任一项或两项来进行的。

10.一种制造光纤预制件的方法，所述方法包括：

从独立于等离子体炬设置的供应部向腔室中的玻璃棒的加热部供应玻璃颗粒和组分修正气体，所述组分修正气体用于修正待沉积在所述玻璃棒的加热部上的所述玻璃颗粒的组分；

用排气部对所述腔室的内部进行排气以使所述腔室内为负压；

使所述等离子体炬、所述腔室、所述供应部和所述排气部沿着与所述玻璃棒的轴线平行的方向做相对移动；以及

用所述等离子体炬的等离子体火焰来加热所述玻璃颗粒并且将所述玻璃颗粒沉积在所述玻璃棒的周面上。

11.根据权利要求10所述的制造光纤预制件的方法，其中，

所述组分修正气体含有用于提高玻璃颗粒的折射率的掺杂物。

12.根据权利要求10所述的制造光纤预制件的方法，其中，

所述组分修正气体降低玻璃颗粒的折射率。

13.根据权利要求12所述的制造光纤预制件的方法，其中，

所述组分修正气体包含氟或硼。

14.根据权利要求10至12中任一项所述的制造光纤预制件的方法，其中，

所述组分修正气体包含卤族元素。