CN1130313C - 制造搀铒光学纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

一种使光学信号被光学纤维本身直接放大的用作光学放大器的搀铒光学纤维的制造方法和装置，该方法和装置能减少生产时间同时提高生产率。该方法包括以下步骤：封合沉积有包覆层和芯层的石英管的一端；将含有铒和其它添加元素的溶液注入石英管，从而在芯层中吸收该溶液；经过预定的时间期间之后，从石英管除去该溶液；通过已连接到石英管的连接管把石英管夹到夹盘上；再打开石英管的封合端；注射大量气体至石英管内；通过加热源加热连接管至预定的温度，从而加热引入石英管内的气体；旋转夹盘均匀加热石英管，从而缓慢干燥吸收在石英管芯层内的溶液；再用加热源加热石英管，由此软化该石英管，并将该石英管两端完全密封，从而得到具有空心圆柱体结构的光学纤维基体。

Description

制造搀铒光学纤维的方法
本发明涉及一种制造光学纤维的方法和装置，更特别涉及一种用于光学放大器以允许光学信号通过其直接放大的搀铒光学纤维的制造方法和装置，该方法和装置可以减少制造时间同时提高生产率。
在超高速信息通信网络中或在长距离通信网络中进行长距离信号传递的场合或在一个区域产生的光学信号以不同的方向在这样的通信网络中分支的场合，该光学信号的初始强度在其传递过程中被降低。因此，在此情况下，需要大大地放大该光学信号。为了这种需要，可以使用半导体放大器或光学放大器。特别是，半导体放大器作为一种超高速信息通信网络的基本元件已被广泛使用，因为它们可以直接将光学信号放大至所希望的水平而不需要复杂的信号加工过程。
这种光学放大器使用光学纤维例如含有铒(Er)的光学纤维，铒是一种用于内部放大光学信号的介质。
这种搀铒光学纤维可用各种方法来制造。最频繁使用和可靠的方法是改进的化学蒸汽沉积(MCVD)法。
以下的叙述就结合使用MCVD法制造搀铒光学纤维的情况来进行。
现结合图1和2叙述使用MCVD方法制造搀铒光学纤维基体的常规方法。
根据使用MCVD法的常规方法，连接管22首先在夹盘24的一端被夹住，如图2所示。一被称作“支撑管”的石英管10接在连接管22的另一端。石英管10用来制造搀铒光学纤维基体。随后，从原料供应系统由氧气传送的原料38例如SiCl4或GeCl4被供至石英管10内部。
接着，石英管10在旋转的同时被一外部加热源26(例如，氧气/氢气燃烧器)加热。在加热过程中，在石英管10内部发生一氧化反应。该氧化反应用以下方程式表示：
             
              根据此氧化反应，生产出含有杂质的石英基氧化物颗粒。该氧化物颗粒以沉积物32形式存在于石英管10的内表面。
当加热源26在石英管10纵向方向往复移动时由于加热过程进一步进行，颗粒沉积物32在石英管10的内表面被透明化的同时被烧结。结果，在石英管10的内表面形成一薄的玻璃层。
随后，重复以上程序直至石英管10内表面上的玻璃层达到所希望的厚度。
在形成玻璃层的过程中，首先形成相当于包覆层14的玻璃层部分，然后形成相当于芯层16的玻璃层。
为了利用由包覆层14和芯层16形成的石英管10来制造搀铒光学纤维(该纤维能直接放大光学信号至所希望的高度而不需要复杂的信号加工过程)，该石英管10在一端被封合之后就和夹盘24分离。
随后，将含有铒和其它添加元素的溶液注入其一端已被封合的石英管10内部。
然后将该石英管10在上述条件下维持所希望的时间期间，以便允许铒18在芯层16内被吸收至所希望的量。经过所希望的时间期间之后，把该溶液从石英管10除去。此时，芯层16已吸收了含有铒18和其它添加元素的溶液。
接着，石英管10再被夹到夹盘24上，然后打开其封合端。
然后夹盘24旋转从而转动石英管10以便防止在芯层16内吸收的溶液被突发性地集结于芯层16内，如图2所示。随后，将该石英管10按现状维持长时间期间，致使石英管10内吸收的溶液可以被风干。
在石英管10内被吸收的铒18以上述工序被完全干燥之后，再将该石英管10用加热源26在高温加热，致使其被软化。随后，将该石英管10两端完全密封。这样，就得到具有空心圆柱体结构的搀铒光学纤维基体。
然而，以上所述的方法包含干燥含有吸收在石英管10内的铒18和其它添加元素的溶液的步骤，由于该干燥步骤在自然的空气干燥状态中进行，因此要实行此干燥步骤就需要长时间期间，所以该方法是有疑问的。这导致延长了搀铒光学纤维基体的制造时间。结果，搀铒光学纤维基体的制造生产率被下降。而且，搀铒光学纤维基体的成本提高了。另外，由于石英管10在自然空气干燥状态被干燥可能出现不规则的未干燥现象。这种不规则的未干燥现象导致不均匀折射率分布。
现在结合图1和3叙述另一应用MCVD方法制造搀铒光学纤维基体的常规方法。在图3中，对应于图2中的那些各个元件用相同的参考号表示。
根据使用MCVD方法的此常规方法，连接管22首先被夹在夹盘24的一端，如图3所示。被称作“支撑管”的石英管10被接在连接管22的另一端。石英管10用于制造搀铒光学纤维基体。随后，从原料供应系统由氧气传送的原料38例如SiCl4或GeCl4被供至石英管10内部。
接着，石英管10在旋转的同时被一外部加热源26(例如，氧气/氢气燃烧器)加热。在加热过程中，在石英管10内部发生一氧化反应。该氧化反应用以下方程式表示：
          
           根据此氧化反应，生产出含有杂质的石英基氧化物颗粒。该氧化物颗粒以沉积物32形式存在于石英管10的内表面。
当加热源26在石英管10纵向方向往复移动时，由于加热过程进一步进行，颗粒沉积物32在石英管10的内表面被透明化的同时被烧结。结果，在石英管10的内表面形成一薄的玻璃层。
随后，重复以上程序直至石英管10内表面上的玻璃层达到所希望的厚度。
在形成玻璃层的过程中，首先形成相当于包覆层14的玻璃层部分，然后形成相当于芯层16的玻璃层。
为了利用由包覆层14和芯层16形成的石英管10来制造搀铒光学纤维(该纤维能直接放大光学信号至所希望的高度而不需要复杂的信号加工过程)，该石英管10在一端被封合之后就和夹盘24分离。
随后，将含有铒和其它添加元素的溶液注入其一端已被封合的石英管10内部。
然后将该石英管10在上述条件下维持所希望的时间期间，以便允许铒18在芯层16内被吸收至所希望的量。经过所希望的时间期间之后，把该溶液从石英管10除去。此时，芯层16已吸收了含有铒18和其它添加元素的溶液。
接着，石英管10再被夹到夹盘24上，然后打开其封合端。
然后夹盘24旋转从而转动石英管10以便防止在芯层16内吸收的溶液被突发性地集结于芯层16内，如图3所示。在石英管10的转动过程中，石英管10的外表面被加热器30在低温缓慢加热，而加热器30垂直于石英管10的纵向方向，由此使在石英管10内吸收的溶液被缓慢干燥。
在石英管10内被吸收的铒18根据以上工序被完全干燥之后，再将该石英管10用加热源26在高温加热，致使其被软化。随后，将该石英管10两端完全密封。这样，就得到具有空心圆柱体结构的搀铒光学纤维基体。
石英管10中吸收的含有铒18和其它添加元素的溶液，根据上述图3所示方法被干燥，与图2所示的自然空气干燥法相比，可以大大降低干燥时间。这是因为石英管10的外表面被加热器30在温暖的温度缓慢加热，而加热器30垂直于石英管10的纵向方向，由此使得吸收在石英管10中的溶液被干燥。然而，即使在这种情况下，也需要几个小时来干燥该石英管10。结果由于此方法要用长时间期间制造搀铒光学纤维基体，因此也是有疑问的。结果搀铒光学纤维基体的制造生产率被下降。而且，搀铒光学纤维基体的成本提高了。另外，由于石英管10用加热器30产生的热干燥可能出现不规则的未干燥现象。这种不规则的未干燥现象导致不均匀折射率分布。由于使用加热器30干燥石英管10，因此需要附加的时间和费用来安装加热器30。况且，加热器30的不正确安装可造成搀铒光学纤维基体制造中的差错。
因此，本发明的目的是提供一种制造搀铒光学纤维的制造方法和装置，该方法和装置能均匀干燥吸收在基体芯层中的含有铒和其它添加元素的溶液。
本发明的另一目的是提供一种制造搀铒光学纤维的制造方法和装置，其中石英管的内部用氧气和一加热源干燥，从而降低了干燥时间。
本发明的另一目的是提供一种制造搀铒光学纤维的制造方法和装置，其中制造搀铒光学纤维基体的时间减少，从而实现生产率的提高。
本发明的另一目的是提供一种制造搀铒光学纤维的制造方法和装置，其中制造搀铒光学纤维基体的成本被降低。
本发明的另一目的是提供一种制造搀铒光学纤维的制造方法和装置，其中实现搀铒光学纤维基体的均匀折射率分布。
本发明的另一目的是提供一种制造搀铒光学纤维的制造方法和装置，其中不使用加热器干燥石英管内部，由此避免不必要成本的发生以及制造中产生偏差。
根据一个方面，本发明提供一种制造可用作光学放大器的搀铒光学纤维的方法，它包括以下步骤：(a)将一连接管与夹盘夹住，该管有一连接端，它接在适于制造光学纤维基体的石英管的一端；(b)提供原材料至该石英管内部；(c)当用在石英管纵向方向往复移动的外部加热源加热石英管的同时转动石英管，由此在石英管的内表面形成颗粒沉积物，同时烧结并透明化该颗粒沉积物；(d)重复步骤(c)，从而在石英管的内表面形成一包覆层；(e)重复步骤(c)，同时改变步骤(d)的原料的量，从而在包覆层上形成芯层；(f)封合石英管的另一端；(g)从夹盘沿石英管分离连接管；(h)将含有铒和其它添加元素的溶液注入石英管，由此，该溶液吸收在石英管芯层中；(i)经过预定的时间期间之后，从石英管除去该溶液；(j)沿石英管10再把连接管夹到夹盘上；(k)再打开石英管的封合端；(l)注射大量气体至石英管内；(m)通过加热源加热连接管至预定的温度，从而加热引入至石英管内的气体；(n)旋转夹盘均匀加热石英管，从而缓慢干燥吸收在石英管芯层内的溶液；和(o)再用加热源加热石英管，由此软化该石英管，并将该石英管两端完全密封，从而得到具有空心圆柱体结构的光学纤维基体。
根据另一个方面，本发明提供一种在石英管内通过吸收含有铒和其它添加元素的溶液制造搀铒光学纤维基体的装置，该管沉积有包覆层和芯层，然后干燥该石英管的内部，该装置包括：夹住并转动沉积有包覆层和芯层的石英管的夹盘；连接到石英管并适于将石英管接到夹盘的连接管；提供气体至该石英管内部的气体源；加热引入到石英管内部的气体的加热源，从而缓慢和均匀地干燥该吸收铒的石英管。
从以下实施例的叙述并结合附图便可明白本发明的其它目的和方面，在这些图中：
图1是根据熟知的MCVD方法制造光学纤维的图解示意图；
图2是用自然空气干燥方法干燥搀铒光学纤维的常规方法图解示意图；
图3是用加热器干燥搀铒光学纤维的另一常规方法图解示意图；
图4是用一加热源(氧气/氢气燃烧器)干燥搀铒光学纤维的方法图解示意图；
参见图4，图解根据本发明实施例制造搀铒光学纤维的装置。在图4中，对应于图2和3中的那些各个元件用相同的参考号表示。特别是，根据本发明用MCVD方法，在铒光学纤维基体的制造中，该装置用于干燥在石英管内吸收的含有铒和其它添加元素的溶液。
如图1和4所示，该装置包括夹盘24，它用于固定根据MCVD方法沉积有包覆层14和芯层16的石英管10并转动固定的石英管10。连接管22固定安装在夹盘24的一端。该连接管22用于将石英管10连接到夹盘24。在该连接管22之下，配置着产生热缓慢加热石英管10的加热源26，该石英管吸收含有铒18和其它添加元素的溶液。在该石英管10内，也引入所要求量的气体20。
为了提高干燥石英管10内部的效率，使用氧气作为气体20。对于加热源26，使用氧气/氢气燃烧器，在引燃期间只向其提供氢气而不提供氧气，或者在加热源26的引燃操作过程中只向加热源26提供氢气。
现在，结合图1和4详细叙述使用根据本发明的上述装置制造搀铒光学纤维的方法。
根据本发明使用MCVD工序的方法，用于制造搀铒光学纤维基体的石英管10，首先被连接到连接管22。然后将此连接管22夹到夹盘24上，如图4所示。随后，从原料提供系统以氧气流输送的原料38例如SiCl4或GeCl4被供至石英管10的内部。
随后，石英管10在被夹盘24旋转的同时被一外部加热源26(即，氧气/氢气燃烧器)加热。在此加热过程中，在石英管10内部发生一氧化反应。该氧化反应用以下方程式表示：
             
             
根据此氧化反应，生产出含有杂质的石英基氧化物颗粒。该氧化物颗粒以沉积物32形式存在于石英管10的内表面。
当加热源26在石英管10纵向方向往复移动时由于加热过程进一步进行，颗粒沉积物32在石英管10的内表面被透明化的同时被烧结。结果，在石英管10的内表面形成一薄的玻璃层。
随后，重复以上程序直至石英管10内表面上的玻璃层达到所希望的厚度。
在形成玻璃层的过程中，首先形成相当于包覆层14的玻璃层部分，然后形成相当于芯层16的玻璃层。芯层16的配方是从包覆层14所用的配方中通过改变原料38的量而实现的。
为了利用由包覆层14和芯层16形成的石英管10来制造能直接放大光学信号至所希望的高度而不需要复杂的信号加工过程的搀铒光学纤维，该石英管10首先在一端被封合。在石英管10的一端封合的原因是当含有铒18和其它添加元素的溶液被注入石英管10内部时，该溶液和铒18可能从石英管10的内部泄放。然后将石英管10与夹盘24分离。
随后，将含有铒和其它添加元素的溶液注入其一端被封合的石英管10内部。
然后将石英管10在上述条件维持所希望的时间期间，从而允许铒18在芯层被吸收至所希望的量。为了允许含有铒18和其它添加元素的溶液容易地渗入，此时芯层16具有不完全玻璃结构的颗粒。
经过所希望的时间期间之后，从该石英管10除去该溶液。此时，该芯层16已吸收含有铒和其它添加元素的溶液。
接着，石英管10被夹在夹盘24上，然后打开其封合端。
然后将大量气体20加入石英管10的内部，如图4所示。氧气被用作气体20来提高干燥效率。
使用加热源26，然后将连接管22在等于或低于硝酸挥发点的温度均匀加热。在加热过程中，夹盘24旋转使得石英管10转动从而均匀加热连接管22(均匀加热气体20，即氧气)同时防止芯层16中吸收的溶液不规则地聚集在芯层16中。通过此加热，含有铒和其它添加元素的溶液被缓慢加热。
石英管10中吸收的铒18在上述工序中被完全干燥之后，将石英管10用加热源26在高温再加热，致使它被软化。随后该石英管10的两端被完全密封。这样就得到具有空心圆柱体结构的搀铒光学纤维基体。
根据上述本发明的方法和装置，可以大大降低制造用于光学放大器的搀铒光学纤维所用的时间。在用溶液加成方法制造搀铒光学纤维中，用于干燥该溶液所用的时间取决于芯层的条件。假定用相同的含铒溶液分别形成相同的芯层，使用加热器的图2常规方法可降低干燥时间至图1的在自然空气干燥方法中所用干燥时间的大约1/5。根据本发明，可以降低干燥时间至用加热器的图2方法所用干燥时间的大约1/2。因此本发明提供有效降低的制造搀铒光学纤维所用时间至常规方法所用时间的大约1/4。这导致大大降低搀铒光学纤维基体的制造时间。结果搀铒光学纤维基体的制造生产率提高。此外，搀铒光学纤维基体的成本被大大降低。由于将氧气供至石英管的内部并在适当的温度加热，因此在石英管中吸收的铒溶液可在石英管的转动方向和石英管的纵向方向被均匀干燥。因此，在石英管的内部可以防止出现不规则未干燥现象。另外，不需要使用任何附加的加热装置例如加热器，因为石英管的内部通过用于包覆层和芯层的沉积的加热源来干燥。因此，可以排除安装分开的加热装置所产生的时间损失和操作错误。
尽管为了说明的目的已揭示了本发明的优选实施例，但本领域的熟练人员都知道不背离如所附权利要求中所揭示的本发明的范围和精神，可以有各种改进、补充和替代。

Claims (4)

1.一种在石英管内通过吸收含有铒和其它添加元素溶液，并干燥石英管内部制造搀铒光学纤维基体的方法，该石英管沉积有包覆层和芯层，该方法包括以下步骤：
(a)封合沉积有包覆层和芯层的石英管的一端；
(b)将含有铒和其它添加元素的溶液注入石英管，以便允许该溶液在石英管的芯层内被吸收；
(c)经过预定的时间期间之后，从石英管除去该溶液；
(d)通过已连接到石英管的连接管把石英管夹到夹盘上；
(e)再打开石英管的封合端；
(f)注射大量气体至石英管内；
(g)通过加热源加热连接管至预定的温度，从而加热引入石英管内的气体；
(h)旋转夹盘均匀加热石英管，从而缓慢干燥吸收在石英管芯层内的溶液；和
(i)再用加热源加热石英管，由此软化该石英管，并将该石英管两端完全密封，从而得到具有空心圆柱体结构的光学纤维基体。
2.根据权利要求1的方法，其中在步骤(f)引入石英管内部的气体是氧气，从而增强干燥石英管的效率。
3.根据权利要求1的方法，其中在加热源的引燃操作过程中只向加热源提供氢气。
4.根据权利要求1的方法，其中连接管在步骤(g)中被加热到的预定温度等于或小于硝酸的挥发温度。
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