CN110304823A - 多芯光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造多芯光纤的方法，包括形成环形封端孔的步骤，该环形封端孔从玻璃棒的第一端朝向第二端轴向延伸；加热环形封端孔的底部并软化被环形封端孔包围的中心棒的步骤；将中心棒朝向第一端侧拔出，由环形封端孔形成柱状封端孔，并将玻璃棒作为包层材料的步骤；将支撑管连接到第一端的连接步骤；所述连接步骤之后，将芯棒插入到柱状封端孔中的插入步骤；以及所述插入步骤之后在加热包层材料的第二端附近的部分并且使包层材料和芯棒一体化的同时，对包层材料与芯棒进行拉丝的拉丝步骤。

Description

多芯光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造多芯光纤的方法。
背景技术
插棒拉丝法(rod-in drawing method)是制造光纤的方法之一。插棒拉丝法通过以下方式来制造光纤：将芯棒插入到以垂直方向排列的包层材料的孔中，并在拉丝炉中将芯棒和包层材料加热一体化的同时，对芯棒和包层材料进行拉丝(参见日本未审查专利申请公开No.58-217443)。此外，日本未审查专利申请公开No.2016-175779描述了一种通过使用包层管和芯棒来制造多芯光纤的插棒拉丝法，所述包层管具有形成为沿着轴向延伸的多个孔，所述芯棒各自插入到对应的一个孔中。
插棒拉丝法对于增大多芯光纤母材的尺寸方面具有以下优点。即由于在母材阶段形成多个孔，并且插入孔中的芯棒在拉丝炉中一体化的同时被拉丝，因此不需要在母材阶段进行一体化处理。此外，由于一体化和拉丝是垂直进行的(在垂直方向)，因此与利用卧式车床的处理相比，母材可以容易地增加尺寸。
参照附图对日本未审查专利申请公开No.2016-175779的第二比较例中公开的制造多芯光纤的方法进行了描述。图7是说明图，其示出了该方法中用于多芯光纤的包层材料600。左侧为纵向剖视图，右侧为前视图。包层材料600具有沿玻璃棒610的轴向延伸的通孔640。图8是概念图，其示出了芯棒650插入到包层材料600中的状态。为防止所插入的芯棒650在拉丝过程中脱落，通过焊接或其他连接方式连接了用于密封通孔640的第一端的密封部件630。
发明内容
本发明提供了一种制造多芯光纤的方法，该方法包括插棒拉丝步骤而不需要密封部件。
提供了根据本发明的一个方面的一种制造多芯光纤的方法，该方法包括：形成多个环形封端孔的步骤，所述多个环形封端孔沿玻璃棒的轴向从第一端朝向第二端延伸；加热所述多个环形封端孔的底部并使多个中心棒软化的步骤，所述多个中心棒中的每个中心棒被所述多个环形封端孔中相对应的一个孔所包围；将所述多个中心棒朝向第一端侧拔出，由所述多个环形封端孔形成多个柱状封端孔，并将所述玻璃棒作为包层材料的步骤；将支撑管连接到所述包层材料的第一端的连接步骤；所述连接步骤后，将芯棒一一对应地插入到所述多个柱状封端孔中的插入步骤；以及所述插入步骤之后，在加热所述包层材料的第二端附近的部分并且使包层材料和芯棒一体化的同时，对包层材料与芯棒进行拉丝的拉丝步骤。
在根据本发明的一个方面的制造多芯光纤的方法中，软化中心棒的步骤可以包括将环形封端孔的底部设置在加热器中。在根据本发明的一个方面的制造多芯光纤的方法中，拔出所述中心棒的步骤优选在第一端朝下同时玻璃棒垂直直立的状态下拔出中心棒。所述制造方法还可包括在拔出中心棒的步骤之后，去除柱状封端孔中残留的残余物的步骤。在这种情况下，所述制造方法可进一步包括在去除柱状封端孔中残留的残余物的步骤后，清洗柱状封端孔的内部的步骤。
根据本发明的方面，能够在无需焊接作为附加部件的密封部件的情况下，制造具有多个柱状封端孔的包层材料；降低了由焊接密封部件引起的对工作性能和设备成本等的影响；防止了杂质进入通孔以及密封部件整体脱落的发生；并且可以稳定制造具有高质量的多芯光纤。
附图说明
图1为根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中的拉丝步骤的概念图。
图2A和2B为在根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中，具有环形封端孔的包层材料的概念图，图2A的左侧是剖视图,图2A的右侧是前视图，图2B是透视剖视图。
图3是示出了用于形成图2A和图2B中的环形封端孔的工具的实例的透视图。
图4是说明了在根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中，软化并拔出中心棒的步骤的概念图。
图5是说明了在根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中，去除中心棒的残余物的步骤的概念图。
图6是在根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中的包层材料的剖视图。
图7是示出了根据现有技术的多芯光纤用包层材料的概念图，图7左侧为纵向剖视图，图7的右侧为前视图。
图8为示出了图7中芯棒插入到包层材料中的状态的概念图。
参考符号列表
10拉丝装置，20拉丝炉，21加热器，30芯棒，40支撑管，41压力控制器，50多芯光纤，100包层材料，101第一端，102第二端，103底部，104残部，105锥形部，110环形封端孔，112中心棒，120切削工具，130加热器，140柱状封端孔，160珩磨工具，600包层材料，610玻璃棒，630密封部件，640通孔，650芯棒
具体实施方式
在日本未审查专利申请公开No.2016-175779的第二比较例中公开的现有技术的制造多芯光纤的方法中，密封部件用于密封包层材料的通孔的第一端。密封部件要求是锥形的，以在拉丝开始时在加热母材的末端部分、使玻璃的一部分熔融并且使该玻璃的一部分滴落的步骤(滴落液滴)中减小该玻璃的一部分的尺寸。母材尺寸增大并且焊接密封部件所需的热容量明显增大，造成可加工性、设备成本等方面的问题。此外，在焊接过程中热源和加热气氛中所含的水分、有机物质或过渡金属等杂质可容易地进入密封的通孔。质量上可能会出现问题。另外，由于在拉丝过程中待焊接的部分被选择性加热且该部分易于升到高温，所以在下游步骤中焊接的密封部件整体容易脱落，导致稳定制造中出现严重的问题。
以下将参照附图对根据本发明的优选实施方案的制造多芯光纤的方法进行描述。在下面的描述中，假设不同附图中具有相同参考符号的构成是相同的构成或类似的构成，并且可以省略其冗余描述。
图1是在根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中的拉丝步骤的概念图。在拉丝装置10中，在垂直方向的上下位置处设置有压力控制器41、保持部42和包括加热器21的拉丝炉20。拉丝装置10通过加热、软化、熔融和一体化包层材料100和芯棒30，并由锥形部105对一体化的包层材料100和芯棒30进行拉丝，从而制造多芯光纤(MCF)50。
根据本实施方案的制造多芯光纤的方法依次包括包层材料制作步骤、连接步骤、插入步骤和拉丝步骤。在包层材料制作步骤中，如下所述，通过在玻璃棒中形成沿着轴向方向延伸的多个孔而制作包层材料100。在连接步骤中，将支撑管40连接到包层材料100的第一端101(图1中的上端)。在插入步骤中，在连接步骤后将芯棒30插入到包层材料100的多个柱状封端孔140(每个封端孔具有圆形截面)中的每个孔中。在拉丝步骤中，在插入步骤后利用拉丝装置10加热处于包层材料100的第二端(图1中的下端)的锥形部105，使包层材料100和芯棒30软化、熔融、一体化和拉丝，由此制造了MCF50。
以下将更具体地描述拉丝步骤，支撑管40由保持部42保持，并且连接到支撑管40上的包层材料100和芯棒30垂直地设置于拉丝炉20中，其中，每根芯棒都被插入到包层材料100的多个柱状封端孔140中相对应的一个孔中。然后，位于支撑管40上方的压力控制器41调节包层材料100的多个柱状封端孔140内的气氛和大气压，并且拉丝炉20加热包层材料100和芯棒30的下端部分。将构成多芯光纤母材的包层材料100和芯棒30加热至等于或高于工作点的温度，使之软化、熔融和一体化；然后形成液滴。在控制形成的液滴的外径的同时对液滴进行纺丝(拉丝)。由此制造MCF50。
虽然图中没有示出，但在拉丝炉20中拉丝的MCF50之后通过涂覆树脂的涂覆模具和使树脂硬化的紫外线(UV)炉而成为涂覆的光纤，并被缠绕在卷筒上。更具体而言，涂覆初级树脂，并使初级树脂硬化。然后，涂覆次级树脂，并通过例如紫外线照射的方式使次级树脂硬化。由此，提供了具有两层树脂层的覆层。因为提供了具有两层或两层以上的树脂层的覆层，所以与裸光纤接触的初级树脂层可以阻止外力直接传导到光纤上，此外，次级树脂层可以防止外部的伤害。
在这种情况下，可以在纺丝步骤中串联布置用于涂覆树脂层的模具，或者也可以用同时涂覆两个层的模具来涂覆树脂层。然而，模具并不限于此。在后一种情况中，可以降低拉丝塔的高度，从而可以降低拉丝设施的施工成本。由此所形成的两个树脂层的次级树脂层优选具有一定的厚度，以保持对外部伤害的抵抗能力。一般来说，厚度优选为20μm以上。
待制造的MCF50优选符合国际电信联盟电信标准化委员会(ITU-T)的国际标准G.652.D。此外，MCF50优选具有符合G.657.A1、G.657.A2和G.657.B3的弯曲损耗特性。因此，MCF50可以以低损耗连接到符合G.652.D的通用单模光纤上，并且可在传输系统中以与G.652.D的光纤同样的方式进行处理。
MCF50的芯和总体上包覆芯的包层可以采用本领域技术人员能够想到的折射率结构，例如，阶跃折射率(SI)型、梯度折射率(GI)型、W型或沟道型，以获得包括芯间串扰和限制损耗在内的传输特性的合适值。适当设置MCF50的芯间串扰和限制损耗的设计指南已经从理论上得到了阐明，可以参考已发表的指南等进行设置。
MCF50的芯可以具有相同或不同的传播常数。MCF50可以是其中每个芯作为单独的通道的未耦合芯MCF，也可以是其中多个芯作为跨越该多个芯的超通道的耦合芯MCF。
MCF50的每个芯都是由含有二氧化硅(SiO2)作为主要成分的玻璃制成的。包层材料100可由SiO2玻璃制成，且可包含氟(F)和氯(Cl)中的至少一者，或可不包含氟或氯。
芯棒30可采用气相玻璃合成法制备，如气相轴向沉积(VAD)、外部气相沉积(OVD)、改性化学气相沉积(MCVD)或等离子体活化化学气相沉积(PCVD)。此外，芯棒30还可以通过VAD、OVD、MCVD、插棒塌缩法(rod-in-collapse)或与之类似的方法而具有中间光学包层。
此外，在光纤进入模具时，还可以通过这样的装置来进行拉丝，该装置控制玻璃的冷却速度从而将裸光纤的表面温度控制在理想的温度。在控制冷却速度的装置内流动的气体的雷诺数较小是更期望的，这是因为发生湍流时产生并且施加到纺成的光纤上的振动会减小。
除了紫外线强度，还可以对紫外线炉的内部温度进行反馈控制，以适当控制树脂的硬化速度。紫外线炉可采用磁控管或紫外发光二极管(LED)。UV LED的光源不产生热量，因此UV LED可以额外地设置用来提供热空气以将炉内温度升高到合适的温度的机构。从树脂中解吸附的组分可能粘附在紫外线炉的炉管的内表面，并且在拉丝过程中到达覆层的紫外线的功率可能发生变化。因此，可以提前监控在拉丝过程中紫外线功率的下降程度，并可以以使照射在覆层上的紫外线功率基本保持恒定的方式设定拉丝时间。可以监控从炉管中漏出的紫外线，并可以控制照射在覆层上的紫外线的功率恒定。这使光纤在整个光纤长度上具有均匀的断裂强度。
制造具有在玻璃棒的轴向方向延伸的多个柱状封端孔的包层材料的方法包括以下步骤：(1)在玻璃棒的轴向方向上从第一端朝向第二端形成环形封端孔的步骤，(2)加热环形封端孔的底部并软化被环形封端孔包围的中心棒的步骤，以及(3)将中心棒朝向第一端侧拔出并形成柱状封端孔的步骤。这些步骤如下所述。下面的描述中提到的图2A、2B、4、5和6示出了在横向方向上的包层材料100。然而，方向并不限于此。具有柱状封端孔的开口的第一端有利地被设置在垂直方向的下侧。
环形封端孔的形成
图2A和2B是在根据本发明实施方案的制造多芯光纤的方法中具有环形封端孔的包层材料100的概念图，图2A的左侧是剖视图，图2A的右侧是前视图，图2B是当包层材料100的一部分沿着图2A的X和Z线切割并从图2A的下方观察时的透视图。环形封端孔(具有环形截面的封端孔)110形成为沿玻璃棒(在拉丝装置10中使用的包层材料100)的轴向从第一端101朝向第二端102延伸。环形封端孔110具有底部103，该底部103相对于第二端102留有预定的厚度。形成多个环形封端孔110。中心棒112在被空间环包围的状态下形成。
图3是示出了用于形成环形封端孔的工具的实例的透视图。为了在玻璃上进行机械钻孔，通常使用末端具有金刚石等的管状切削工具120。然而，钻孔方法并不限于此。当利用末端具有金刚石等的管状切削工具120在包层材料100上钻孔时，中心棒112处于被延伸自第一端101的环形封端孔110所包围的状态中。形成了多个环形封端孔110。尽管图2B示出了四个环形封端孔110作为例子，但可根据拉丝状态、包层材料尺寸等适当地设置孔的数量和孔的位置。
被环形封端孔包围的中心棒的软化
图4为说明了在根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中软化并拔出中心棒的步骤的概念图。在形成环形封端孔110后，在包层材料100的环形封端孔110的底部103的外周周围设置加热器130，加热器130加热底部103的外周。加热器130可采用电炉，如电阻炉、电弧炉或感应炉；或者燃料炉。然而，炉并不限于这些。通过使用加热器130用远红外线加热底部103的外周，在多个环形封端孔110的每个孔中的中心棒112的底部103能够基本上均匀地被软化，并且部分熔融。
中心棒的移除
在中心棒112的底部103基本上均匀地被软化且部分熔融后，如图4下部所示，当朝向第一端101侧(箭头方向)拔出中心棒112时，中心棒112在底部103附近扩展，然后被切断。中心棒112被切断后，如图4上部所示，在这样的状态下形成柱状封端孔140，其中切断后的残部104部分残留在底部103处。通过采用加热器130进行加热的构成，能够容易地拔出中心棒112，并且能容易地形成柱状封端孔140。需要注意的是，通过沿垂直方向拔出中心棒，中心棒拔出后的残余物留在柱状封端孔内的可能性较小。
在中心棒112已经被拔出的状态下，朝向第一端101的锥形残部104残留于柱状封端孔140的底部103。如果残留这样的残余物，则在将芯棒插入到柱状封端孔中时可能会生成残余碎片，并且残余碎片可能会混入柱状封端孔与芯棒之间的界面处。这是不优选的。若混入了残余碎片，则经拉丝的多芯光纤的光学特性和机械特性可能会劣化。
图5为说明了在根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中去除中心棒的残余物的步骤的概念图。如图5下部所示，可以将珩磨工具160(例如实心指向工具)插入到柱状封端孔140中，以用物理方式去除残余物。但是，去除方法并不局限于这种物理去除方法。例如，残余物可以用二氧化碳激光束照射，使之熔融或蒸发，然后去除。当残余物熔融时，可以以使柱状封端孔的开口沿垂直方向向下，从而防止残余物粘附在柱状封端孔的壁面上的方式进行该熔融。
通过去除例如残部104的残余物，柱状封端孔140成为图5上部所示的状态。然后，在柱状封端孔140中，优选进一步使用氟化氢水溶液等进行清洗步骤。研磨液、研磨残余物和多块玻璃碎片可能会残留在柱状封端孔140中。如果在这种状态下将柱状封端孔140用作MCF50的护套，则多芯光纤的光学特性和机械特性可能会劣化。在此构成下，由于进一步包括柱状封端孔的清洗步骤，可以对柱状封端孔的内部进行清洁。该清洗液可采用氟化氢水溶液；然而，清洗液并不限于此。由于进一步包括了去除残留在柱状封端孔内的残余物的步骤，因此可以稳定地制备出更高品质的多芯光纤。
图6为在根据本发明的实施方案的制造多芯光纤的方法中使用的包层材料的剖视图。第二端102附近的部分是锥形的，因此形成锥形部105以用于拉丝。在图2A、2B、4、5和6的步骤中，为使去除的残余物掉落并排出清洗液，具有柱状封端孔140的开口的第一端101期望设置在垂直方向上的下部。
本发明的方面不限于上述实施方案，可在本发明的范围内进行修改。

Claims (5)

1.一种制造多芯光纤的方法，该方法包括：
形成多个环形封端孔的步骤，所述多个环形封端孔沿玻璃棒的轴向从第一端朝向第二端延伸；
加热所述多个环形封端孔的底部并使多个中心棒软化的步骤，所述中心棒中的每个中心棒被所述多个环形封端孔中相对应的一个孔所包围；
将所述多个中心棒朝向所述第一端侧拔出，由所述多个环形封端孔形成多个柱状封端孔，并将所述玻璃棒作为包层材料的步骤；
将支撑管连接到所述包层材料的所述第一端的连接步骤；
所述连接步骤后，将芯棒一一对应地插入到所述多个柱状封端孔中的插入步骤；以及
所述插入步骤之后，在加热所述包层材料的所述第二端附近的部分并且使所述包层材料和所述芯棒一体化的同时，对所述包层材料与所述芯棒进行拉丝的拉丝步骤。
2.根据权利要求1所述的制造多芯光纤的方法，
其中，软化所述中心棒的步骤包括将所述底部设置于加热器中。
3.根据权利要求1或2所述的制造多芯光纤的方法，
其中，拔出所述中心棒的步骤包括在所述第一端朝下同时所述玻璃棒垂直直立的状态下拔出所述中心棒。
4.根据权利要求3所述的制造多芯光纤的方法，进一步包括在拔出所述中心棒的步骤后，去除所述柱状封端孔中残留的残余物的步骤。
5.根据权利要求4所述的制造多芯光纤的方法，进一步包括在去除所述柱状封端孔中残留的残余物的步骤后，清洗所述柱状封端孔的内部的步骤。
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