CN1159589A - 制造具有低级化方式色散的光纤的方法 - Google Patents

制造具有低级化方式色散的光纤的方法 Download PDF

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Abstract

所公开的制造光纤(43)的方法涉及在由预制件(41)拉制光纤时给光纤加以交替为顺时针和逆时针方向的扭旋，使得在光纤上加上永久性螺旋。转矩通过新装置施加，新装置是一辊子(15)，其几何形状使得光纤在辊子的表面交替地沿一个方向及其相反方向滚动。新技术有利于以相对较高的速度拉制低PMD(极化方式色散)光纤。

Description

制造具有低极化方式色散 的光纤的方法
本领域的技术人员都知道，“单模”光纤实际上支持两种不同的极化方式，在通常的单模光纤中，两种方式以略微不同的相位速度传播，产生(通常不希望出现的)极化方式色散(PMD)。
美国专利5,298,047公开一种制造低PMD单模光纤的有用方法，该方法涉及在由预制件拉制光纤时加一转矩给光纤，所加转矩通常交替变化方向，即，使光纤绕其轴按顺时针和逆时针方向交替扭旋。光纤将交变的扭旋传递到热区，那里光纤玻璃是软的，从而可在光纤上永久地印上一个“螺旋”。也参见美国专利5,418,881号。
’047号专利告诉人们一种施加转矩的技术，其涉及前后振动导辊。该技术非常有效，有利于低PMD光纤的大量生产。然而，在最近以比现在所用速度更高的拉制速度拉制光纤的工作中，我们认识到，用已有技术实现更高的拉制速度至少相当困难，因为导辊需要以不实际的高速度振动。于是非常需要一种可行的用交变冻结自旋(从而有低PMD)制造光纤的方法，其可以比已有技术更高的拉制速度使用。本申请即公开这样一种方法。
图1，2和3a)到3d)说明本发明的工艺使用的实例性元件的几何形状；
图4简要给出实现本发明的装置的实施例。
本发明如权利要求所限定。本发明的制造光纤的方法包括以下步骤：制备光纤预制件，至少加热预制件的一部分，由加热的预制件拉制光纤，使光纤上加上一螺旋。进行拉制时，预制件不转动，给光纤加一转矩，从而使光纤绕其纵向轴旋转，从而在由预制件拉制光纤时使光纤上加上螺旋。施加的转矩使所加上的螺旋按顺时针方向和逆时针方向交替进行。
重要的是，给光纤施加转矩的过程包括提供一个元件，其有一个表面和一个轴，能够绕轴旋转，将该元件的表面与正从预制件拉制的光纤相接。元件如此选择：在元件的一个完整旋转的第一部分，与元件所述表面垂直的方向与所述轴的加角度φ小于90°，在元件所述完整旋转的第二部分所成的角度φ大于90°。
如上所述，已有技术方法涉及在角2θ内(特别)剧烈地前后振动导辊(见’047号专利的图4)。而根据本发明所述的方法采用选定几何形状的静止的辊子(所述“元件”)。使得当从预制件拉制光纤且光纤与元件表面相接时，旋转的元件自动给光纤加一个顺时针和反时针交替的转矩。使螺旋的空间频率超过10圈/米是很容易的。要强调的是，该元件的轴与元件表面法方向间的角度所述关系在旋转元件表面的任意给定点都要满足(如在最靠近热区的点；见图4)，所述点相对于拉制塔是静止的。于是，该点在旋转元件的表面上划出一闭合轨迹，在该点与表面垂直的方向在元件转动时指示该点表面变化的倾角。
现在描述元件实施例的几何形状。考虑一直径为D的实心圆柱体(如圆铝台)，再考虑将圆柱平行地切两次，切面相对于圆柱的轴倾斜，与其中一个切面垂直的方向与圆柱轴所成的角度为θ(θ≠0)。见图1，其中标号11-16分别代表圆柱，两个平行的“切面”，圆柱的轴，两切面所形成的部分，和与其中一个平行切面垂直的方向。
接下来，考虑将这样形成的主体部分15放在一表面(如，钻压台)上，沿与表面垂直的方向在该主体部分上钻一孔(17)，使孔的轴与中心线14的交点在平行面12和13间的中间平面中。所得到的主体部分至少原则上可用作上面所指的“元件”。孔17的尺寸可容纳元件绕其转动的轴。
上面按制造该元件的过程描述的元件示例性几何形状仅是用于说明的目的，并不意味着根据本发明所述的可旋转元件必须按照所描述的来制造。
图2简略地给出主体部分15的平面图和侧视图。应该知道，15的两个平面是椭圆形的。
图4所画是根据本发明所述的光纤拉制装置40的实施例。标号41-48分别代表光纤预制件，拉丝炉，光纤，直径监视器，涂覆器，涂覆层密度监视器，固化台，涂覆层直径监视器。装置的410部分中的一组辊子包括主导轴401，例如用于将光纤导向取出卷轴。主导轴401给由光纤驱动的辊子15、492和493提供拉力并确定拉制速度。标号15代表上述元件。
应该注意，元件15的位置使其接收在拉制轴上光纤，还用来将光纤从拉制轴引开。本领域的那些技术人员应该知道图4没有给出可选的导辊，其(例如)可位于元件15上游离元件不远的位置(如在48和15之间)，用来减小光纤平行于元件15的轴的前后运动传输到监视装置(如48)。
当光纤通过沿元件15圆周的一段时，就使元件15旋转，转速由拉制速度和直径D确定。元件15的表面一般不与元件的旋转轴平行。实际上，考虑一个相对于拉制塔固定的位置(如，元件15的表面上，位于与拉伸方向平行且与15的轴相交的线494上的点)，在该点与表面垂直的方向向494的一侧移动，直到达到最大偏差θ，而后反转方向，再向494另一侧移动直到最大-θ，这时又再反转方向。这点在图3a-3d中说明，图3a-3d给出初始位置(3a)，以及约距初始位置45°(3b)，90°(3c)和135°(3d)的位置。标号30代表与表面垂直的法线方向，31代表平行于元件轴的方向，32代表垂直于31的方向(如方向494)。正如可以看到的，角度φ在90－θ和90＋θ间变化，其中是φ是方向30和31的夹角。
转动的元件的斜面给光纤加一转矩，使光纤转动，又将扭旋(twist)传递给光纤。该扭旋沿光纤传播到热区，在那里光纤被塑性变形。在很短的时间内，光纤充分冷却，从而使变形冻结。从而将螺旋加在光纤上，大致如’047号专利所描述的那样。
当元件继续旋转时，光纤经过的表面倾斜度发生变化，直到变成零，然后再以相反的方向变化。这使光纤以相反的方向扭旋，产生反方向的冻结螺旋(frozen-in spin)。这种在顺时针方向和反时针方向间振荡的扭旋可大大减小，甚至消除光纤的机械扭旋，是本发明的重要方面。
本领域的那些技术人员应该知道，根据本发明所述的元件并不限于在元件的一个完整转动中表面倾斜度表现出一个完整的周期。至少原则上可提供在元件的一个完整转动中表面倾斜度出现多个完整周期的元件。然而，这样的元件更难制造，目前不是最佳的。
我们的经验表明，选择元件直径时需要考虑所用拉制塔的高度，较高的塔通常要求较大的直径。据信这与光纤扭旋时作用就象弹簧一样有关，在热区的转矩足以使粘滞的玻璃扭旋，并在光纤上加上螺旋之前，需要在元件处进行一定量的扭旋。拉制塔越高，热区出现扭旋前光纤中所要的扭旋越多。太小的周长会导致光纤中的扭旋在到达热区前消失。通过例子，我们已发现，6英寸直径的元件在高度为25-30英尺的塔上工作良好，但在70英尺的塔上则不行。我们认为假定拉制速度适中12英寸直径的元件在70英尺的塔上可能会令人满意，对于更高的拉制速度(如20m/s)，更大直径(如18英寸)的元件可能更好。本领域的那些技术人员无疑能很容易地确定具有给定拉制塔和拉制速度令人满意的元件直径。经常发现要选择的元件的直径大于等于从元件到热区距离的3％。元件的最大直径通常由在拉制塔底部所能获得的空间确定。
最大表面倾斜角(θ)是又一重要参数，较大的角度通常与更多的每米螺旋数相联系。我们使用的元件，θ到15°，产生约25-30个螺旋/米。可以很容易确定，每米这样多的螺旋数与光纤大的旋转速度有关。例如，对于5m/s的拉制速度，30螺旋/米相当于约9000rpm的光纤转速。极高的光纤转速(如)在给光纤加涂层时会引起一些问题，目前不是最好的。通常，最大表面倾斜度在3-15°的范围内，对应的角度φ的最大变化在75和105°之间，最小变化在87°和93°之间。通常所选的条件使产生的光纤每米有1个或更多螺旋，最好是4个或更多。
元件的表面与涂敷后的光纤接触，我们发现如果元件的接触是抛光的就更理想了。对于具有相对较小的最大表面倾斜度(如θ≤5°)的元件尤其是这样。
在29英尺的拉制塔上以3m/s的速度由专门制备的具有离轴纵向孔的预制件拉制光纤。如上所述的元件大致如图4所示放置。元件直径8英寸，最大表面倾斜度15°。完成光纤拉制后，用光学显微镜检查光纤。由于凹下的孔而在光纤中出现的可见特征方便了检查。检查表明光纤中每米约有28个螺旋。

Claims (6)

1.制造光纤的方法包括：
a)提供光纤预制件(41)；
b)至少加热所述预制件的一部分，以产生一熔融区；
c)由加热的不转动预制件拉制光纤(44)，拉制步骤包括给光纤加一转矩以使光纤绕其纵轴旋转，从而在由预制件拉制光纤时在光纤上加上螺旋，所加转矩使加在光纤上的螺旋交替为顺时针方向和逆时针方向；
其特征在于
d)给光纤加转矩包括提供一有表面和轴并且能绕该轴转动的元件(15)，使所述元件的表面与正由预制件拉制的光纤接触，选择所述元件时要使得在元件的一次旋转中，与元件所述表面垂直的方向在元件旋转的第一部分与所述轴成的角度φ小于90°，而在元件所述旋转的第二部分，与所述轴成的角度φ大于90°。
2.权利要求1所述的方法，其中所述元件旋转的第一部分和第二部分中每个大致是该元件的半次旋转。
3.如权利要求1所述的方法，其中元件的直径为D，所选择的D大于自元件到所述熔融区距离的3％。
4.如权利要求1所述的方法，其中所选的元件使得所述角度φ至少在87°和93°之间变化，最多在75°和105°之间变化。
5.如权利要求3所述的方法，其中所选的D和光纤拉制速度使得由预制件拉制的光纤每米至少有1个螺旋。
6.如权利要求5所述的方法，其中所选的D和拉制速度使得光纤每米至少有4个螺旋。
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