CN106458695B - 用于制备烟炱预制件和玻璃光纤的方法 - Google Patents

用于制备烟炱预制件和玻璃光纤的方法 Download PDF

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Abstract

一种形成光纤的方法包括下述步骤：形成二氧化硅基包覆材料的烟炱毛坯,其中烟炱毛坯具有顶部表面以及0.8g/cm2‑1.6g/cm3的本体密度。在烟炱毛坯的顶部表面中钻孔至少一个孔。在至少一个孔中设置至少一个芯体坯棒元件。对烟炱毛坯和至少一个烟炱芯体坯棒元件进行固结来形成固结的预制件。将固结的预制件拉制成光纤。

Description

用于制备烟炱预制件和玻璃光纤的方法
本申请根据35U.S.C.§120要求于2014年04月08日提交的美国专利申请系列号14/247,894的优先权权益，本文以该申请为基础并将其全部内容结合于此。
发明领域
本发明总体涉及一种用于制备预制件的方法，所述方法包括下述步骤：在烟炱毛坯钻孔用于设置芯体坯棒，且涉及用于从这种预制件形成光纤的方法。
技术背景
数据传送快速接近用于单模光纤传输系统的极限容量。使用多芯体光纤已新兴作为一种解决方案，其实现光纤容量的进一步增加。多芯体光纤允许使用空间分割倍增进行平行的传输。多芯体光纤使传输容量增加N倍，其中“N”是多芯体光纤中的芯体的数目。用于制造多芯体光纤的几种常规方法较复杂且不适用于大量生产。在堆叠和拉制法中，通常堆叠芯体玻璃杆，并插入玻璃管来形成预制件。这种方法总体上是复杂的，且不容易放大。在另一种方法中，在玻璃基材中钻孔，并在孔中放置芯体坯棒。但是，难以精确地钻孔进入玻璃杆，且需要昂贵的高精确超声钻孔机器。甚至使用这种钻孔机器时，可钻孔的孔的距离也受限，由此限制了预制件尺寸。
概述
根据一种实施方式,一种形成光纤的方法包括下述步骤：形成二氧化硅基包覆材料的烟炱毛坯,其中烟炱毛坯具有顶部表面以及0.8g/cm3-1.6g/cm3的本体密度。在烟炱毛坯的顶部表面中钻孔至少一个孔。在至少一个孔中设置至少一个芯体坯棒元件。对烟炱毛坯和至少一个烟炱芯体坯棒元件进行固结来形成固结的预制件。将固结的预制件拉制成光纤。
在另一种实施方式中,一种形成烟炱毛坯的方法包括下述步骤：使用二氧化硅基烟炱材料来形成烟炱体。对烟炱体进行部分地固结来形成烟炱毛坯，其具有顶部表面和0.8g/cm3-1.6g/cm3的本体密度。在烟炱毛坯的顶部表面中钻孔多个孔。
又在另一种实施方式中,一种形成多芯体光纤的方法包括下述步骤：形成二氧化硅基材料的烟炱体。对烟炱体进行部分地固结来形成烟炱毛坯，其具有0.8g/cm3-1.6g/cm3的本体密度和表面密度小于1.6g/cm3的顶部表面以及与所述顶部表面相反的底部表面。在顶部表面中钻孔多个孔，其中孔不到达底部表面。将多个芯体坯棒插入多个钻孔的孔。对烟炱毛坯和芯体坯棒进行固结来形成固结的预制件。将固结的预制件拉制成多芯体光纤。
在以下的详细描述中提出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
本文所述的方法是更易于放大的，且得到与用于制备这些预制件和光纤的现有方法相比更经济和更不复杂的用于制备预制件和光纤的制备方法,特别是多芯体光纤。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与文字描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图简要说明
图1是根据本发明的用于形成光纤的一种方法的工艺流程图；
图2是根据本发明的烟炱体的俯视透视图；
图3是具有在其中钻孔的孔的烟炱毛坯的俯视透视图，其由图2的烟炱体形成；
图4是图3的烟炱毛坯的俯视透视图，其具有设置在其中的芯体坯棒；
图5是根据本发明的烟炱体的另一实施方式的俯视透视图；
图6是具有在其中钻孔的孔的烟炱毛坯的俯视透视图，其由图5的烟炱体形成；
图7是图6的烟炱毛坯的俯视透视图，其具有设置在其中的芯体坯棒和玻璃杆；
图8是根据本发明的预制件的俯视透视图，其由图7中所示的烟炱毛坯形成；
图9是从图8所示预制件拉制的光纤的俯视透视图；
图10A是烟炱毛坯的俯视平面视图，其具有含4个钻孔的孔的正方形构造；
图10B是烟炱毛坯的俯视平面视图，其具有含8个钻孔的孔的2x4构造；
图10C是烟炱毛坯的俯视平面视图，其具有含7个钻孔的孔的六方晶格构造；以及
图10D是烟炱毛坯的俯视平面视图，其具有含12个钻孔的孔的环构造。
详细描述
下面详细参考本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
用于形成预制件和最终形成光纤的方法的一种实施方式总体参见图1。图2-9显示在图1所示的整个方法中的各种步骤中形成烟炱体10,烟炱毛坯12,预制件14,和光纤16。在图1所示的实施方式中,形成光纤16的方法包括下述步骤：(1)形成烟炱体10和(2)部分地固结烟炱体10来形成烟炱毛坯12。(3)然后，在部分地固结的烟炱毛坯12中钻孔孔20,和(4)将芯体坯棒22插入孔20。(5)然后，固结烟炱毛坯12和芯体坯棒22来形成玻璃预制件14。(6)拉制玻璃预制件14来形成光纤16。如本文所述的方法特别可用于形成多芯体光纤16,但也可用于制备单芯体光纤16。需要多芯体光纤16来通过空间分割倍增实现平行的传输。纤维16的传输能力增加N倍，其中N是多芯体光纤16中芯体的数目。因此,相对于单芯体光纤16，多芯体光纤16实现提高的传输。
图2-4显示通过烟炱压制方法形成的烟炱体10和烟炱毛坯12的实施方式,图5-9显示通过外侧气相沉积("OVD")方法形成的烟炱体10和烟炱毛坯12的实施方式。如下文所更加详细描述，本文所述的钻孔烟炱毛坯12的方法可与用于烟炱体10的这些形成方法中任一种联用。
如图2和图5所示,烟炱体10总体是圆柱形形状，具有顶部表面24,与顶部表面24相反的底部表面26,以及互连顶部表面24和底部表面26的圆周壁28。烟炱体10由二氧化硅基材料制成，其适于包覆光纤16。在一种实施方式中,烟炱体10是SiO2材料。在替代实施方式中,SiO2材料可用例如下述的元素进行掺杂：F,B,Ge,Er,Ti,Al,Li,K,Rb,Cs,Cl,Br,Na,Nd,Bi,Sb,Yb,或其组合，或者已知用于包覆光纤16的其它元素。
图2所示的烟炱体10的实施方式通过烟炱压制法来形成。通常，在烟炱压制法中，将颗粒烟炱材料沉积进入模具腔体，贴着模具中的颗粒烟炱材料施加压力来形成密实化烟炱体10。烟炱压制法通常在25psig到250psig的压力下来实施，且颗粒烟炱材料可径向地压缩、轴向地压缩、横向地压缩或者用任意其它方法进行压缩，以形成密实化烟炱体10。通过烟炱压制法形成的密实化烟炱体10通常具有0.8g/cm3的初始本体密度。如下文所更加详细描述，密实化烟炱体10优选地进行部分地固结，以达到用于钻孔的优选的本体密度和表面密度。
图5所示的烟炱体10的实施方式通过OVD法来形成。通常，在这种方法中，绕着惰性杆的外周，为惰性杆层状设置二氧化硅基烟炱颗粒。烟炱颗粒通过下述来形成：使超纯蒸气例如氯化硅通过燃烧器，其中蒸气在火焰中反应来形成精细二氧化硅基烟炱颗粒，其随后在惰性杆上沉积。在沉积过程中旋转惰性杆来绕着惰性杆形成均匀的烟炱体10。在结束沉积之后，优选地从烟炱体10取出惰性杆,通过烟炱体10的中央轴线32留下中央孔30，如图5所示。在OVD方法之后，烟炱密度通常是约0.5g/cm3。为了将烟炱体10的本体密度增加到所需的范围,烟炱体10优选地进行部分地固结来达到用于钻孔的优选的本体密度和表面密度，如下文所更加详细描述。还可使用用于形成烟炱体10的替代形成方法，例如气相轴向沉积(“VAD”)法或其它已知方法。
在使用烟炱压制法,OVD法,VAD法或其它已知方法进行初始形成之后,烟炱体10优选地进行部分地固结来达到预定的烟炱毛坯12的本体密度，然后进行钻孔。部分固结包括将烟炱体10加热到低于用于形成烟炱体10材料的正常烧结峰值温度的温度,任选地在氦气气氛下。暴露时间和温度将取决于烟炱体10的尺寸和取决于二氧化硅基烟炱材料的组成或存在任何掺杂剂而变化。在一些实施方式中,如果在没有进行部分固结的情况下，因为形成烟炱体10的方法，烟炱体10具有在所需的范围之内的密度，那么无需独立的部分固结步骤，且无需形成根据本发明的烟炱毛坯12。
根据本发明的烟炱体10优选地具有40mm-200mm的直径,和优选的10cm-100cm的长度。一般来说,对于在这种适当尺寸范围的烟炱体10,部分固结温度优选地是700℃-1300℃且保持1小时-3小时的时间来形成具有多孔烟炱材料的部分地固结的烟炱毛坯12，其通过在单独的颗粒之间形成玻璃颈部来强化。在一些实施方式中,在将烟炱体10在部分固结温度下保持预定时间来形成烟炱毛坯12之后,将烟炱毛坯12在相对于室温升高但小于部分固结温度的温度下保持一时间段，从而允许烟炱毛坯12进一步固结以及与如果使烟炱毛坯12立刻回到室温相比更缓慢地冷却。
优选的在部分固结之后的烟炱毛坯12的本体密度是0.8g/cm3-1.6g/cm3。更优选的本体密度是1.0g/cm3-1.6g/cm3,和更优选的是1.2g/cm3-1.5g/cm3的本体密度。另一优选的本体密度是1.2g/cm3的本体密度。优选的烟炱毛坯12表面密度小于1.6g/cm3,和甚至更优选的烟炱毛坯12的表面密度小于1.5g/cm3，从而促进将孔20钻孔进入烟炱毛坯12。本文所述的本体密度和表面密度用于提供足以用于钻孔的体强度和机械强度，同时与完全固结的玻璃相比是更容易进行钻孔的材料,与进入完全固结的玻璃预制件的孔相比，这允许在烟炱毛坯12中钻孔更深和更精确的孔20。
在形成和任选地部分地固结烟炱毛坯12之后,以预定构造在烟炱毛坯12的顶部表面24中钻孔多个孔20，从而容纳芯体坯棒22,如图3和图6中所示的实施方式所示。在这些实施方式中，在烟炱毛坯12的顶部表面24中钻孔4个孔20，从而容纳用于具有4个传输路径的多芯体光纤16的4根芯体坯棒22。在烟炱毛坯12钻孔且用于容纳芯体坯棒的孔20优选地具有5mm-20mm的直径。钻孔的孔20优选地不延伸穿过烟炱毛坯12的底部表面26,这使得在孔20下方位置的至少一小部分的烟炱毛坯12来支撑芯体坯棒22。
如图4和图7中显示的实施方式所示,在烟炱毛坯12的顶部表面24中钻孔孔20之后，将芯体坯棒22插入钻孔的孔20。用于本文所述的实施方式的芯体坯棒22优选地具有圆形横截面。用于本发明的芯体坯棒22优选地使用二氧化硅基材料来制备,且芯体坯棒22的至少一部分是至少部分地固结的,芯体坯棒22的至少一部分是用于光纤的传输芯体玻璃。芯体坯棒22任选地包含使用传输玻璃形成的内部部分34和使用包覆材料形成的外部部分36。锗常用作掺杂试剂来形成用于芯体坯棒22的传输玻璃。或者,芯体坯棒22的外部部分36可为未固结的烟炱包覆材料。此外，用于本发明的芯体坯棒22可使用任何已知方法来形成，例如烟炱压制,OVD法,VAD法,或任何其它已知的用于形成芯体坯棒22的方法,且在形成预制件14之前，芯体坯棒22可为或不为完全固结的。可使用用于形成芯体坯棒22的任何已知替代。用于本发明的芯体坯棒22可设计用于多模纤维应用、保持偏振的纤维应用、光子晶体纤维应用、以及单模多芯体光纤应用和单芯体纤维应用。用于图4和图7显示的实施方式的芯体坯棒22还具有至少稍微小于钻孔的孔20的直径,这允许将芯体坯棒22插入烟炱毛坯12的顶部表面24中的钻孔的孔20。
除了钻孔来容纳芯体坯棒22的孔20以外,如图6显示的实施方式所示,可在顶部表面24中钻孔额外的孔40，用于插入应力杆、金属杆、导电或屏蔽线或粉末或者半导体杆或粉末。通过钻孔额外的孔40或具有不同尺寸的孔，如本文所述的烟炱毛坯12钻孔方法可容易地容纳各种光纤设计和预定排布。可以预期终端应用所需的任何预定排布在顶部表面24中钻孔孔20,40。额外的孔40可在固结之前填充,或者可保持开放并在固结之后填充。
在图5-9显示的实施方式中,其中烟炱体10通过OVD法来形成,将额外的玻璃杆42插入中央孔30。玻璃杆42优选地是与用来形成烟炱体10的烟炱材料相同的材料。玻璃杆42用作组成烟炱体10的包覆材料的填料,且通常材料或构造与芯体坯棒22不同,但如有需要，中央孔30可用于插入额外的芯体坯棒22。
图8所示实施方式是固结的预制件14，其由图7所示的烟炱毛坯12来形成。图8所示的实施方式是固结的玻璃预制件14,其具有正方形4-纤维构造和用玻璃杆42密封的中央孔30。在插入芯体坯棒22,和任选地玻璃杆42或其它应力杆、金属杆、导电或屏蔽线或粉末或者半导体杆或粉末之后,烟炱毛坯12和芯体坯棒22进行固结来形成固结的玻璃预制件14。为了固结烟炱毛坯12和芯体坯棒22,将烟炱毛坯12和芯体坯棒22加热到最终烧结温度，并在该温度下保持足以实现烟炱毛坯12和芯体坯棒22的玻璃烧结的时间。在一些实施方式中,实施如烟炱毛坯12的氦气吹扫(purging)或氯干燥的准备步骤，然后将烟炱毛坯12加热到烧结温度。此外，在一些实施方式中，在烧结之后，将固结的预制件14保持在升高的温度(高于室温,低于烧结温度)下，这减缓固结的预制件14的冷却。
图9所示的实施方式是使用已知的纤维拉制方法(例如在再拉制炉中拉伸预制件14)从图8所示的预制件14拉制的光纤16。所得光纤16是多芯体光纤16，其具有嵌入在外包覆46之内的4个传输芯体44。在拉制过程中减小预制件14的直径以增加纤维16长度，且通过拉制过程来减小预制件14之内的芯体坯棒22的直径来形成传输芯体44。
当钻孔孔20时，可存在用于在烟炱毛坯12的顶部表面24中设置孔20的许多构造,且构造可在制备烟炱毛坯12之后决定。钻孔的孔20的各种样品构造参见图10A-10D。图10A-10D中显示的例子是在压制形成的烟炱毛坯12(不含来自除去惰性杆的孔30)上的。图10A显示具有4个钻孔的孔20的正方形构造。图10B显示具有8个钻孔的孔20的2x4构造。图10C显示具有7个钻孔的孔20的六方晶格构造。图10D显示具有12个钻孔的孔20的环构造。使用本文所述的方法，可容易地构建用于形成选定的光纤16所需的替代构造。
在一例子中,使用OVD法，将3,000g的SiO2颗粒材料施加到惰性杆，其铺设后密度是0.591g/cm3。从使用OVD法铺设的颗粒材料切割具有4英寸长度和63mm直径的烟炱体10，并除去惰性杆。通过在氦气基气氛下，在1275℃下保持3小时的时间段来部分地固结3,000g烟炱体10，从而形成部分地固结的烟炱毛坯12,然后再将烟炱毛坯12在950℃下保持4小时。在部分固结之后,烟炱毛坯12的表面密度是1.2g/cm3,且本体毛坯密度是1.04g/cm3。以正方形构造，为部分地固结的烟炱毛坯12钻孔4个孔20，且每一钻孔孔20与烟炱毛坯12的中央轴线32相距1英寸，并与另一个钻孔的孔20相距1英寸。每一钻孔的孔20具有11mm直径，并钻孔3.5英寸深入烟炱毛坯12。将一单模纤维芯体坯棒22插入每一钻孔的孔20,且每一芯体坯棒22具有10mm的直径。将玻璃杆42插入通过除去惰性杆留下的中央孔30，从而堵塞中央孔30。将烟炱毛坯12,芯体坯棒22,和玻璃杆42设置在烧结炉中，用于固结。固结过程包含60分钟氦气吹扫，然后进行120分钟氯干燥过程。一旦干燥结束，开始初始升温到1125℃并保持60分钟。在初始升温到1125℃之后，将烧结炉的温度设定为1450℃，且下加料速度为4.5毫米/分钟，保持60分钟。在1450℃保持60分钟之后，从烧结炉的热区升起固结预制件14，并在950℃的温度下保持1小时，然后从烧结炉拉出，并冷却。然后，在再拉制炉中，将预制件14拉伸成15mm直径多芯体光纤16。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离权利要求书的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。

Claims (10)

1.一种形成光纤的方法,所述方法包括下述步骤：
利用二氧化硅基烟炱材料形成烟炱体；
部分地固结所述烟炱体，以形成二氧化硅基包覆材料的烟炱毛坯，且所述烟炱毛坯具有顶部表面和1.0g/cm3-1.6g/cm3的本体密度；
在所述烟炱毛坯的顶部表面中钻孔至少一个孔；
在至少一个孔中设置至少一个芯体坯棒元件；
固结所述烟炱毛坯和所述至少一个烟炱芯体坯棒元件来形成固结的预制件；和
将所述固结的预制件拉制成光纤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述烟炱体的步骤包括下述步骤：
绕着至少一根杆施加二氧化硅基烟炱材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述烟炱体的步骤包括下述步骤：
将二氧化硅基烟炱材料密实化成预定烟炱体。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，部分地固结密实化烟炱体的步骤包括将密实化烟炱材料暴露于小于用于烟炱材料的正常烧结温度的温度。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述烟炱毛坯具有1.0g/cm3-1.5g/cm3的本体密度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述烟炱毛坯具有1.2g/cm3-1.5g/cm3的本体密度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述烟炱毛坯具有1.2g/cm3的本体密度。
8.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述烟炱毛坯具有40mm-200mm的直径，和10cm-100cm的长度。
9.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，钻孔至少一个孔的步骤包括钻孔具有5mm-20mm直径的至少一个孔。
10.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述烟炱毛坯的顶部表面中钻孔至少一个孔的步骤包括下述中的一种：
以正方形图案钻孔4个孔；
以六方晶格图案钻孔7个孔；或者
以环图案钻孔12个孔。
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