CN102826749A - 制造光学预制件的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造光学预制件的装置和方法，公开了一种用于使由石英玻璃制成的中空基管收缩成光学预制件的装置，其中所述中空基管的内部设置有可包括也可不包括一种或多种掺杂物的一个或多个玻璃层，所述装置包括能够沿所述基管的长度方向移动的热源，其特征在于，在所述中空基管的一端，所述中空基管的内部存在中央设置有开口的插入管，气体能够穿过所述开口并被供给至所述基管的内部。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将由石英玻璃制成的中空基管收缩成光学预制件的装置和方法。
背景技术
根据本申请人的荷兰专利1030749、1033769、1034059、1036343、1037163、1037164、1033763、1034058和2002422可获知用于制造光学预制件的装置本身。
美国专利6,490,889涉及一种用于制造光纤预制件的方法和设备，其中，稀土掺杂材料的混入浓度相当高，并且对该预制件的截面几何形状进行设计以促成良好的模式扰动。对粉尘包覆管进行脱水、煅烧、烧结和径向收拢，从而得到最终的共掺杂光纤预制件。
美国专利5,131,936涉及一种还包括位于支撑管的内部并且沿着该支撑管的轴延伸的内管的设备。在该内管的内部配置有高纯度的金属丝纤维，其中需要这种金属的氧化物，从而经由该金属丝形成构成反应物之一的化合物。
美国专利7,793,612涉及光纤的制造以及使用等离子体炬所进行的材料的沉积和烧结。
美国专利4,952,225涉及玻璃管的内部掺杂，即将一种或多种掺杂物混入该管的内层、具体为通过以下操作使难以变成气相但适合变成液体的任何掺杂物至少以前体形式混入：在雾状物输送管的入口端位于管坯外部的状态下，使雾状物输送管的出口端放置于管坯的内部空间内，并且将掺杂雾状物经由其入口端供给至雾状物输送管，从而使输送管排出掺杂雾状物以将雾状物的液滴沉积到内表面上来形成掺杂物。
美国专利6,311,902涉及使用气体输送管的化学输送系统所用的喷嘴和密封设备，并且涉及取代常用的插孔式配置，经由喷嘴、即固定至气体输送管的输送端或远端的分散式喷嘴将材料引入至管状构件的内部的工艺。
DE 3430197涉及玻璃光纤预制件的内部沉积制造方法的工艺以及用于执行该工艺的设备，其中，将包覆气体混合物经由供给管线一直引入到燃烧器的加热区，在该加热区中，该包覆气体混合物经由开口向着管的内壁以特定方式被吹出，该包覆气体混合物和未凝结反应产物的残留物经由吸引管线被去除。
美国专利4,235,616涉及一种通过如下操作来形成预制件以及由此产生的光纤丝的方法：改善对在该预制件自身的基管内所形成的颗粒材料的热传递。
英国专利申请GB 2093829涉及一种用于制造玻璃光纤预制件的方法：在细长的圆筒状基底的表面上形成主要包括一种或多种氧化物的包层，与该基底共轴地支撑具有穿过管壁的多个穿孔的管，在上述管和基底之间设置有环形空间，并且使包括氧气和所述蒸汽以及可选的附加载气的混合气体流入上述环形空间内。
使用根据前述文献可获知的方法，通过内部化学气相沉积(CVD)工艺、特别是等离子化学气相沉积(PCVD)工艺来形成光纤预制件，其中，有可能掺杂的活性玻璃形成气体在中空基管的内部发生反应，这导致一个或多个玻璃层沉积到中空基管的内表面上。将这种活性气体供给到基管的一侧、即供给侧上，并且作为特定工艺条件的结果在该基管的内部形成玻璃层。没有沉积到中空基管的内部的成分经由该基管的还被称为排出侧的另一端被排出。使能量源沿着基管的长度往返移动，从而形成玻璃层。能量源、具体为等离子体发生器供给高频能量，由此在基管的内部产生等离子体，在这种等离子体条件下，活性玻璃形成气体将发生反应(等离子体CVD技术)。然而，还可以通过加热、具体为利用位于基管的外侧上的燃烧器或者经由包围基管的炉来供给能量。前述技术的共同特征是能量源相对于基管往返移动这一事实。
在前述的在中空基管的内部沉积一个或多个玻璃层的沉积工艺中，这些玻璃层通常将会具有不同的性质。特别地，一个阶段的沉积与另一阶段的沉积之间的差异可能由于这两个阶段之间的折射率值之差而被观察到。然而，折射率值不必在所有情形下均不同。事实是，还已发现可以通过改变所使用的例如锗和氟的混合物来在基管的内部沉积多个不同类型的玻璃，不同玻璃层的折射率值可以完全相同。
在沉积完成之后，使由此获得的中空基管收缩或压实从而获得闭合的实心块状预制件。使热源沿当下仍具有中央通路的基管的长度方向移动的这种收缩操作导致基管的内直径缩小，最终得到还被称为实心预制件的完全闭合管。为了获得这种完全闭合预制件，通常需要进行多次还被称为行程的往返移动。由此所获得的外直径通常约为2cm~4cm的初级预制件一般配置有通过附加工艺步骤形成的一个或多个附加玻璃层。对于所谓的单模预制件，外直径最终约为8cm~12cm，对于所谓的多模预制件，外直径约为3cm~6cm，之后通过对一端进行加热并执行拉伸操作来从这种预制件获得玻璃光纤。
本发明人已发现光波在这种玻璃光纤内的传输可能受到不利影响，这种现象还被称为衰减。上述光信号的衰减主要是由所谓的瑞利(Rayleigh)散射、吸收和弯曲这三种原因所引起的。假定吸收主要是由玻璃内的污染物所引起的。例如，可以认为水(OH基团)为导致玻璃光纤内吸收的最主要原因。OH基团导致在光谱内产生峰约为1250nm~1385nm的所谓的水峰。
如前面所述，在预制件制造工艺中执行所谓的收缩步骤，在该收缩步骤中，将内部设置有掺杂和/或未掺杂的玻璃层的中空基管放置到所谓的径向收拢单元中，由此使该中空基管转换成实心预制件。如果中空基管内的玻璃层包含任何杂质，则作为该收缩工艺的结果，上述杂质将会被直接引入预制件棒的芯内。这将会对前述衰减产生极其严重的影响。
此外，本发明人还发现OH分子可被看作不期望的杂质之一，其中该OH分子被看作是玻璃与来自环境的水分发生反应的副产物。
与来自环境的水分有关的问题可以采用多种方式来应对。如根据本申请人的欧洲专利EP 1670729可获知，收缩步骤例如可以在特定条件的大气环境下执行。
另一方式是在收缩工艺期间使用氟利昂作为蚀刻气体，以在认为混入有OH时去除芯的一部分。这种方法的缺陷在于：在收缩操作的最后阶段，如果中空基管沿着其全长闭合定形，则在闭合操作期间无法向该中空基管的内部供给氟利昂来蚀刻除去被OH所污染的其余层。这意味着闭合操作期间可能仍然存在如此混入的OH基团的不利影响。
此外，本发明人已发现作为水扩散到基管的内部的结果而发生所谓的“水致渐缩(water taper)”。该“水致渐缩”的结果是：不期望的OH峰将会从最小值、即中空基管首先闭合时的值增大为最大值、即中空基管最后闭合定形时的值。该结果导致从特定预制件棒所获得的光纤的平均OH峰值将会劣化。
发明内容
因而，本发明的目的是提供一种制造光学预制件的装置和方法，以防止前述的水致渐缩或使其最少。
本发明的另一目的是提供一种用于制造光学预制件的装置和方法，从该光学预制件可以获得衰减大幅降低了、特别是在波长1250nm~1385nm处的衰减大幅降低了的光纤。
本发明的又一目的是提供一种用于制造光学预制件的装置和方法，特别是在将中空玻璃基管转换成实心光学预制件的收缩或径向收拢阶段的装置和方法。
如引言部分所述的本发明的特征在于：在中空基管的一端，在中空基管的内部存在中央设置有开口的插入管，气体可穿过该开口，从而可被供给至该基管的内部。
因而，本发明人已发现：在进行收缩操作时将插入管放置于中空基管的一端内，这有利于控制OH基团混入最终预制件棒内的程度。本发明人认为，要供给至插入管的中央开口的气体由于如此设置在基管的内部中的“气体幕帘”而防止了主要来自沉积工艺和收缩工艺所使用的设备的管以及连接件的水/水分进入。插入管的外直径小于周围的基管的内直径。因而，环形空间、即插入管和基管之间的空间利用从该插入管流出的气体形成气体锋面(gas front)，其中该气体锋面防止了水分进入中空基管内。插入管本身具有输入口和排出口，其中要供给至中央开口、即输入口的气体将从该插入管的另一端、即排出口离开该插入管。
要注意，本发明仅涉及中空玻璃基管将会转换成实心光学预制件的收缩或径向收拢阶段，并且不应当与内部化学沉积工艺混淆。
在特定实施例中，期望插入管在其特定长度处设置有穿孔，供给至插入管的气体可以穿过这些穿孔而排出到基管的内部。穿孔的使用使得供给至插入管的气体能够在该基管的特定长度处排出，从而将会使来自环境的水分的可能进入最少化。
在特定实施例中，插入管在基管内部的位置可以是可移动的。因而，该插入管可以根据需要位于基管内部的任意期望位置。
此外，优选要供给至插入管的气体的流量是可调节的，在这种情况下，还期望要供给至插入管的气体的组成是可调节的。在收缩操作期间可以根据期望进行这些调节。
本装置要使用的热源可以是炉、燃烧器或等离子体焰。除此之外，在特定实施例中，可以期望在特定条件的环境、即空气湿度相对低的环境内执行本收缩操作。热源的功能是对玻璃基管的稳定性产生影响，以使得该管将发生径向收拢从而得到实心块状棒、即光学预制件。
本申请所涉及的基管可被看作如下基管，其中：该基管由石英玻璃制成，并且具有一端被看作供给侧而另一端被看作排出侧的两端。术语“供给侧”必须被解释为在内部气相沉积工艺期间供给有可能掺杂的玻璃形成气体的一侧。因此，排出侧可被看作用于排出没有沉积到中空基管的内部的成分的一侧。
在用于使由石英玻璃制成的中空基管收缩成实心光学预制件的本装置中，特别地，中空基管的内直径收缩成最终闭合形式。上述内直径的缩减优选通过使热源沿着基管的长度往返移动来进行。在前述收缩工艺的某时刻，基管完全闭合，这意味着基管的内直径已缩减为0。优选这种闭合首先在基管的一端发生。然后，通过使热源移动来使在基管的长度方向上延伸的剩余“开口”部分闭合。因此，在使基管沿着其全长闭合时，不再可能使任何气体穿过基管。最终，基管已转换成实心块状预制件。
因此，本发明具体涉及以下：在收缩操作期间，将插入管放置于当下仍为“开口”的基管内，同时经由该插入管向基管的内部供给气体。
本发明具体涉及收缩工艺的特定阶段、特别是基管的一端已闭合的时刻。在这种实施例中，期望将插入管放置于尚未闭合的另一端，以使得气体可以经由该插入管的中央开口供给到基管的内部，其中该气体将由于“另一”端闭合这一事实而在基管内循环，并且仅可以经由仍然“开口”的一端排出该基管。随后在热源沿着基管的长度、具体为向着仍保持“开口”的一端移动的状态下继续进行收缩操作，在该操作期间，利用经由插入管供给至基管的内部的气体对该基管的内部进行冲洗。换句话说，基管的固化工艺将会在远离首先闭合的一端的方向上发生，并且一旦基管在其总长内基本闭合、即内直径缩小为0，收缩工艺将会结束。
本发明人已特别发现在前述操作、即闭合工艺期间供给气体很重要。为了防止插入管在收缩工艺的最后阶段被封入基管内，期望将插入管从基管移除。
在特定实施例中，插入管配置于基管的排出侧附近；特别是在收缩操作期间基管的供给侧首先闭合的情况下期望这种位置。根据本发明的另一实施例，使基管完全闭合的步骤在该基管的排出侧开始。该步骤的好处在于供给侧存在纯度较高、污染较少且水分较少的玻璃层。
此外，本发明涉及一种用于使由石英玻璃制成的中空基管收缩成光学预制件的方法，其中所述中空基管的内部设置有可包括也可不包括一种或多种掺杂物的一个或多个玻璃层，在收缩工艺期间使热源沿着所述基管的长度移动，所述方法的特征在于，在所述收缩工艺期间，中央设置有开口的插入管被放置于所述基管的一端内，经由所述开口向所述基管的内部供给气体。
在本发明的特定实施例中，优选通过利用热源进行加热使基管的一端收缩成闭合端，其中，通过使热源沿着上述基管的长度移动来使该基管完全闭合，插入管被放置于尚未闭合的另一端，在进一步执行收缩操作期间经由该插入管向基管的内部供给气体。
因而，本发明涉及如下实施例：通过利用热源进行加热来使预制件的一端收缩成闭合端，之后将中央设置有开口的插入管放置于基管的尚未闭合的另一端，其中经由上述插入管的上述开口向基管的内部供给气体。
在特定实施例中，所供给的气体优选是所谓的干燥气体，其中该气体优选包括从包含O2、SF6和C2F6或者这三者的混合物的组中选择出的成分。这种气体特别适合于使来自环境的水/水分的不期望进入最少化。
此外，优选执行本方法，以使得基管的供给侧端是首先收缩成闭合端的端部，其中在先前执行的内部气相沉积工艺中从该供给侧端向中空基管的内部供给玻璃形成前体，从而获得一个或多个沉积玻璃层。在这种实施例中，插入管将被放置于基管的排出侧附近。
必须选择要供给至插入管的气体流量以防止水扩散到该管内，其中要供给至插入管的气体流量至少为500scm，优选至少为1000scm。
为了获得完全闭合的块状预制件，优选在收缩操作的最后阶段之前不将插入管从基管的内部移除，在该移除之后基管转换成实心预制件。因而，防止了在基管的完全闭合期间发生任何水分进入。为了使中空基管完全闭合，期望在收缩工艺期间热源能够沿着基管的长度移动。该收缩操作具体可被看作如下工艺：通过使热源沿着基管的长度往返移动，该基管的内直径缩小、最终甚至缩减为0(在这种情况下为闭合)。在本径向收拢工艺之后，由此获得的预制件可以设置有一个或多个附加玻璃层。这种附加玻璃层将会使光学预制件外部的外直径增大。
为了防止中空基管的内部出现不期望的温度差，在特定实施例中，期望对要供给至插入管的气体进行预加热。在玻璃管变得略带粘性的温度下进行使石英玻璃基管径向收拢的步骤。中空基管和供给至插入管的气体之间出现的不期望的温度差可能导致存在于该中空基管内部的玻璃层产生小裂纹。
此外，本发明涉及一种用于制造光纤的方法，其中，对预制件的一端进行加热，并随后从该端拉制出由此形成的光纤，尤其优选使用通过执行上述方法、具体为该方法的收缩步骤所获得的预制件。
附图说明
现在将参考附图来说明本发明，然而，应当注意，这些附图不应当被理解成限制本发明的范围。
图1示意性示出在中空基管的内部存在插入管的情况下该中空基管内的情形。
图2示意性示出根据本发明的结构，其中插入管配置于基管的排出侧附近。
具体实施方式
图1是(内部设置有玻璃层(未示出)的)中空基管1的示意图，中空基管1内存在插入管2。由石英玻璃制成的中空基管可以包括一种或多种掺杂物。石英玻璃可被用作插入管2的适当材料。在图1中，将插入管2表示为还被称为毛细管的中空管；供给至插入管的内部的气体可以经由位于该插入管的一端的排气口排出。向插入管2的内部、即进气口供给用作冲洗气体的氧气，该气体在插入管2内的流动方向由箭头3来表示。氧气将会从插入管2的开口端、即排气口排出，并且以相反方向回流。上述回流的原因是已对基管1的供给侧(未示出)进行了收缩操作，使得该供给侧已经闭合。因而，氧气将会经由环形空间以相反方向、即向着基管1的排出侧从基管1排出，由此形成氧气的锋面(front)或“幕帘”，结果将会使由4所表示的来自环境的水的进入最少化。
在特定实施例中，插入管2可以沿着其长度设置有穿孔(未示出)，使得要供给至插入管2的气体不仅可以从其开口端排出，还可以从基管2的特定位置排出。尽管在图1中使用氧气作为要供给的气体，但很显然，除氧气以外，可以混合有一种或多种其它气体，其中这些气体防止了有害的H2O进一步进入基管内，在这方面具体要考虑例如两份或多份氧、SF6以及C2F6的混合物。
图1所示的情形具体在如下情况下发生：沉积操作已结束，并且由此设置有玻璃层的中空基管1必须通过进行热源(未示出)沿着基管1的长度移动的收缩操作来转换成闭合预制件。优选地，在热源沿着基管1的长度移动的收缩操作开始的时刻将插入管2放置于基管1的内部。在前述收缩操作的最后阶段，当基管1的仅很小长度尚未闭合时，将插入管2从基管1的内部移除，从而最佳利用环形空间内的“气体锋面”。由此获得的实心预制件的外部可以根据需要设置有一个或多个附加玻璃层，从而获得预期的外直径。
图2示意性示出根据本发明的装置，其中存在于基管1的内部的插入管2配置于基管1的排出侧附近。在图2中，示意性示出炉5，其中将炉5加热到高得足以对基管1进行收缩操作的温度，如图2示意性示出，该基管1的供给侧端部已经闭合。在基管1的一侧已经闭合之后，向插入管2供给氧气，其中氧气例如经由供给管线6、质量流量控制器7、阀8并随后经由旁路管线10被供给至插入管2。在该旁路管线中配置有阀9。优选地，在向插入管2实际供给氧气期间，阀12闭合。因而，经由插入管2向基管1的内部供给氧气，同时优选炉5在向着排出侧移动，以使得作为高温的结果对基管1进行完全收缩操作，同时在炉5的移动期间将期望气体供给至插入管2并且经由泵13排出。
尽管在图2中热源是炉5，但在特定实施例中可以使用例如气体燃烧器等的其它热源。除此之外，必须指出，图2所示的装置不限于这里所示的阀、管和控制器，而且本发明仅受限于权利要求书的用语。
此外，本发明不限于将插入管2放置于排出侧，但由于工艺原因，优选从供给侧开始收缩操作，以使得基管1的完全闭合将会在供给侧附近发生。尽管这里示出插入管为沿着其长度的直径恒定的管，但在特定实施例中可以改变上述管沿着其长度的直径，然而在这种情况下，插入管2的外直径必须小于基管1的内直径，从而能够由此创建用于形成“气体幕帘”的环形空间，其中该“气体幕帘”用于在中空基管1的收缩工艺期间防止水分不期望地进入到中空基管1的内部。
Claims (15)
1.一种用于使由石英玻璃制成的中空基管收缩成光学预制件的装置，其中所述中空基管的内部设置有可包括也可不包括一种或多种掺杂物的一个或多个玻璃层，所述装置包括能够沿所述基管的长度方向移动的热源，其特征在于，在所述中空基管的一端，所述中空基管的内部存在中央设置有开口的插入管，气体能够穿过所述开口并被供给至所述基管的内部。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述插入管在其特定长度处设置有穿孔，供给至所述插入管的气体能够穿过所述穿孔而排出到所述基管的内部。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述插入管在所述基管的内部的位置是能够移动的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，要供给至所述插入管的气体的流量和/或组成是能够调节的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述基管包括供给侧和排出侧，其中所述插入管配置于所述基管的排出侧。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述热源是炉、燃烧器或等离子体焰。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述插入管的外直径小于所述基管的内直径。
8.一种用于使由石英玻璃制成的中空基管收缩成光学预制件的方法，其中所述中空基管的内部设置有可包括也可不包括一种或多种掺杂物的一个或多个玻璃层，在收缩工艺期间使热源沿着所述基管的长度移动，其特征在于，在所述收缩工艺期间，中央设置有开口的插入管被放置于所述基管的一端内，经由所述开口向所述基管的内部供给气体。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过利用所述热源进行加热使所述基管的一端收缩成闭合端，其中所述插入管被放置于尚未闭合的另一端，在进一步执行收缩操作期间经由所述插入管向所述基管的内部供给气体。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所供给的气体包括从包含O2、SF6和C2F6或者这三者的混合物的组中选择出的成分。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述基管具有供给侧和排出侧，其中配置于所述基管的供给侧的端部是首先收缩成闭合端的端部。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，要供给至所述插入管的气体的流量至少为500scm，优选至少为1000scm。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，在所述基管闭合时将所述插入管从所述基管的内部移除。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于，对要供给至所述插入管的气体进行预加热。
15.一种用于制造光纤的方法，通过对预制件的一端进行加热并随后从所述预制件拉制出光纤来制造所述光纤，其特征在于，使用通过执行根据权利要求8至14中任一项所述的方法所获得的预制件。
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