CN1303023C - 制造光学预制件的方法和装置以及生产出的光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造光学预制件的方法和装置，其中一层或多层掺杂或未掺杂的玻璃被沉积在一中空基底管的内表面上，沉积是通过将玻璃形成化合物的一种或多种活性气体混合物施加到所述中空基底管的内部，然后在所述中空基底管中产生非等温等离子体，然后所述预制件进入到收缩工序以便形成实心杆子，光纤就是由此杆子抽拉出的。

Description

制造光学预制件的方法和装置以及生产出的光纤

本发明涉及制造光学预制件的方法和装置，其中一层或多层掺杂或未掺杂的玻璃被沉积在一中空基底管的内表面上，沉积是通过将玻璃形成化合物的一种或多种活性气体混合物施加到所述中空基底管的内部然后在所述中空基底管中产生非等温等离子体进行的，随后，内表面具有沉积工序中获得的多层玻璃的所述中空基底管或预制件进行了收缩工序以形成实心杆子，光纤由此实心杆子抽出。本发明还涉及用这样的方法和装置获得的光纤。

从美国专利4,746,345得知一种从中空基底管制造实心石英玻璃预制件的方法，其中包括两个石英管和线圈的等离子体燃烧器沿中空基底管的长度方向被往复移动。等离子体被点燃并被保持在包围待收缩的基底管的气氛中，其中所述等离子体燃烧器的尺寸比基底管的长度小很多。

从美国专利5,203,691得知一种燃烧器，其被用于将中空基底管收缩成实心预制件，但是此工序不用等离子体。

从美国专利4,314,833，4,844,007以及Re.30.635中可知一种制造光纤的方法。用此方法制成的光纤包括掺杂的石英玻璃芯部和未掺杂的石英玻璃覆层。可选的，此光纤可包括掺杂或未掺杂石英玻璃芯部：掺杂的石英玻璃第一覆层和未掺杂石英玻璃外覆层。掺杂剂依其类型可增加或减小硅石的折射系数。掺杂剂如GeO₂，Al₂O₃和TiO₂将增加折射系数，而掺杂剂如B₂O₃或F将减小折射系数。在光纤中，芯层材料的折射系数比围绕此芯层的玻璃层的折射系数高。芯层折射系数可以是阶梯式增长或抛物线式增长。

上述的两个美国专利中，在抽拉塔中抽拉出光纤的预制件是通过两个单独步骤制成的，即，(1)将数层薄的掺杂的或未掺杂的石英层沉积在中空预制件或基底管的内表面上，随后，(2)收缩或压缩工序，其中之前获得的内部已涂有石英层的中空基底管通过沿该管移动高温加热装置形成为最终的实心预制件。根据该已知的PCVD工序，掺杂的或未掺杂的石英层在中空基底管内部的沉积是通过在所述基底管中存在的活性气体混合物中产生等离子体而进行的。所述活性气体混合物通过控制系统保持所希望的化学成分和所希望的低压，所述等离子体由微波射线产生，微波射线的能量从设置在基底管外部的一个谐振器结合到基底管中的被离子化的活性气体混合物中。一个所谓的圆形对称玻璃层沉积，它在中空基底管的纵向方向上基本均匀，该沉积是通过相对于此中空基底管沿纵向方向移动该谐振器获得。为达到一个最优的沉积工序，通过把整个基底管和移动的谐振器放置在一个可移动的炉子中将所述中空基底管保持在大约1200℃的温度上，其中所述谐振器设置有绝缘外壳以确保其正常工作，并且还要对所述谐振器进行冷却。完成上述的沉积工序后，内部沉积有玻璃层的基底管被手工从PCVD设备上取下，随后安放在一个收缩设备中。通常，氢氧燃烧器或电炉被用于收缩工序，此时中空基底管在数次通过中被形成为想要的实心预制件。如此形成的实心杆子，也称为预制件，其外部可能涂覆有附加玻璃，被安放在抽拉塔中，光纤从此抽拉塔中抽拉出。

因此，以上描述的预制件制造工序可考虑分为两个单独的工序步骤，每个步骤在单独的设备中进行。一个严重缺陷是：因为基底管的冷却是在管转移时进行的，沉积在基底管内部上的层的内部应力将增加以致发生所谓的“层破裂”，这使得基底管不适于在抽拉塔中进行进一步处理。这种“层破裂”造成预制件损失，这种现象尤其出现在制造由于使用一种或多种掺杂剂引起的沉积层具有高折射率对比度或大的热膨胀系数差的预制件时。这种现象尤其在生产特别的各种多模纤维、传感应用纤维、光敏纤维、用于弥散补偿模块的纤维以及含有特殊的加强掺杂剂以便具有增益特性的纤维等时发生。在设计这些纤维时，使用高折射率对比度、高量度的掺杂剂和/或不同种类的掺杂剂是合适的。但是，现在商业上可用的生产技术只允许生产具有大约2％的最大折射率对比度的纤维，并且这种纤维通常是所谓的折射率渐变的光导纤维。因此生产特别的层具有比现有技术中已知的折射率对比度高的折射率对比度的纤维是较为理想的，尤其是数值高于2.5％的光纤。

如果决定在与未掺杂的石英结构大相径庭的光纤的具体层中使用掺杂剂，这将导致热膨胀系数的巨大差异。在现有技术中，制造光纤时，彼此相邻设置的各层的热膨胀系数最大差值3.2×10^-6K^-1被认为是可取的。另一方面，如果决定使用特殊掺杂剂，生产彼此相邻设置的各层的热膨胀系数差值大于上述数值，尤其大于3.4×10^-6K^-1的光纤是较理想的。

应当这样理解：如果基底管中具有热膨胀系数差大的各层，各层间的应力差在冷却时可能出现，这将导致各层中破裂纹理的产生，并且，更坏的情况是导致整个预制件的破裂。并且，在实践中，越来越明显的是上述单独工序步骤会造成缺陷，尤其在将基底管从PCVD设备取下然后安放到收缩设备中时，这些操作可能造成基底管内表面的结垢。

因此，本发明的一个方面是提供不具有以上提到的现有技术中问题的制造光学预制件的方法和装置。

本发明的另一方面是提供制造光学预制件的方法和装置，其中光学预制件被形成以便具有高折射率对比度的光纤可以从其中抽拉。

本发明的另一方面是提供制造光学预制件的方法和装置，其中光纤可以从所述光学预制件中抽出，光纤由热膨胀系数差别很大的一层或多层构成。

但本发明的另一方面是提供制造光学预制件的方法和装置，其中非等温等离子体均被用于收缩工序和沉积工序。

本发明的又一目的是提供光学预制件的方法和装置，其中沉积工序和收缩工序在同一装置，即，集成PCVD/压缩机中进行。

本发明的特征在于收缩工序包括步骤：

1)设置一由保护管包围的中空基底管，此保护管相对于所述中空基底管固定，所述中空基底管沿其大致整个长度被保护管所包围，

2)设置围绕此保护管的谐振器，

3)向中空基底管外圆周与保护管内圆周之间的环形空间充入等离子体形成气体，

4)在所述环形空间中产生非等温等离子体，

5)相对于保护管沿纵向方向往复移动此谐振器，以便将此中空预制件收缩成一个实心杆子，随后对其进行控制冷却。

步骤1)描述的保护管的使用使使用相同的微波能源成为可能，所述相同的微波能源用于沉积工序也用于收缩工序。因此，收缩工序中将被使用的等离子体在中空基底管的外圆周和保护管的内圆周之间的环形空间中产生，等离子体产生方式使得正被使用的微波能较高而谐振器速度低。此外，保护管和基底管的特殊构造，尤其是基底管沿其基本整个长度被保护管所包围，使得基底管能够进行可再生的可控制的收缩。在本说明书中，术语“中空基底管”或“预制件”被一致地使用。这两个术语实际上可以被本领域技术人员当作同义词，在这种情况下层是否已经沉积到其内部就变得明显了。

在一个特殊实施例中，在沉积工序中，将一高温气体通入中空基底管外圆周和保护管内圆周之间的环形空间中是较理想的。这就使基底管的外壁达到与使用外部燃烧室的情况相同的温度成为可能。

另一方面，在一特殊实施例中，可能以一种方式进行本收缩工序，这种方式使得用于沉积工序的相同等离子体也被用于进行第一收缩步骤。这样的实施例使基底管外圆周直径与保护管外圆周直径间的直径差比原来小得多。除此之外，比使用大直径差的情况，在本实施例中，圆形等离子体在环形空间中产生的条件要优越得多。

在进行步骤1)-4)时使中空基底管和保护管保持水平位置，在步骤5)期间使中空基底管旋转，是尤其有利的。

为了取得基底管的均匀收缩，步骤5)期间，所述等离子体最好适合于所述环形空间增大的容积。

在第3)步骤中，最好是氩和氧的混合物被用作合适的等离子体形成气体，其中收缩工序过程中的压力最好小于50毫巴，尤其是10-25毫巴。

应当理解的是收缩成完全实心杆子在步骤5)中可以提前结束，对于这种收缩，如上文描述的，可以使用沉积工序中使用的相同等离子体和/或环形空间中产生的等离子体。这种提前结束对于特殊产品是合适的，或是为了使预制件的封闭发生在抽拉塔的熔化区中。

最好是，保护管由比待收缩的中空基底管具有更高塑化温度的陶瓷材料制成，以防止包围中空基底管的保护管在步骤5)过程中塑化。

在一特殊实施例中，重复使用保护管以进行1)-5)步骤是可能的，保护管最好设置有冷却装置，例如通过在保护管外壁中形成中空通道，以防止保护管提前收缩。

在一特殊实施例中，第1)步骤中使用的保护管最好也作为实心预制件的套管，这意味着收缩工序包括附加步骤6)，步骤6)包括将谐振器相对于保护管沿纵向方向往复移动以便收缩保护管，然后对其进行控制冷却。在该实施例中，该保护管可以被当作实心预制件的套管，此后，整体被作为一个完整的预制件安放到抽拉塔中以便产生光纤。

尤其是，沉积工序和收缩工序在同一装置中进行，其中执行旋转通过的构造被设计成使最终获得的实心预制件和保护管的移除以简单的方式进行。为获得这样的构造，支持保护管和基底管端部的夹具具有开口构造。

应当知道，步骤3)中使用的气体可以包括一种或多种玻璃形成化合物，使得额外的沉积发生在中空保护管的内圆周和/或外圆周上。

使用本发明，制造具有高折射率对比度或沉积在中空基底管内部的各层的热膨胀系数差距大的光学预制件是可能的。

因此本发明还涉及一种光纤，其特征在于折射率对比度

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{n_i^2-n_{\mathrm{cl}}^2}{2\·n_i^2}\·100\%$

其中：

Δ_i表示指定层i的热射率对比度，

ni表示层i的折射率，

n_cl表示覆层即光纤外层的热射率，

具有一个数值其中Δ_i＞2.5％，尤其是Δ_i＞3％。

本发明还涉及一种光纤，其特征在于在25-300℃温度下测量的热膨胀系数

$\mathrm{\α}=\frac{l}{l_0}\·\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\ΔT}}\left[K^{-1}\right]$

其中：

l＝在T₁的长度

l₀＝在T₀的长度

ΔT＝(T₁-T₀)

Δl＝(l-l₀)

具有数值α＞3.4×10^-6K^-1，尤其α＞4.0×10^-6K^-1。

本发明还涉及实施上面描述的独立的设备权利要求中限定的方法的装置。

将基底管收缩成实心或非实心预制件的设备，包括旋转所述基底管的装置，加热所述基底管的装置和支撑所述基底管的装置，其特征在于，所述设备还包括基本沿其整个长度将保护管安装到所述基底管周围的装置，将气体供给到所述中空基底管的外圆周与所述保护管内圆周之间的环形空间中的装置，以及在所述环形空间中产生非等温等离子体的装置。

本发明将在下面通过举例和参考附图更详细地进行解释。但是值得注意的是本发明绝不会局限于一个特殊例子和一张附图。

所附附图示意性地表明本发明中保护管及其基底管的位置。

例子

附图所示的结构1包括玻璃层(用附图标记6表示)已经沉积到基底管3的内表面上的情况。基底管3或预制件3由保护管4包围，保护管4由产生等离子体的装置2包围，尤其是沿保护管4的长度被移动的谐振器。预制件3的外圆周及保护管4内圆周之间的环形空间(用5标出)中等离子体的产生造成预制件3的收缩以便取得一个实心或非实心杆子。

本发明已被实施，预制件设计为掺杂有掺杂剂A(GeO₂)。其产生的最大折射率对比度高于2.5％，这层的热膨胀系数与覆层热膨胀系数之差大于3.4×10^-6K^-1。本发明也已被实施，其中的预制件掺杂有上述的掺杂剂A以及物质B作为共同掺杂剂。在这种情况下，这层的热膨胀系数与覆层的热膨胀系数之差大于4×10^-6K^-1。

被使用的保护管是一个外径为34mm，壁厚为4mm的管子。被使用的基底管具有22mm的外径，2mm的壁厚。如果沉积材料有一个总共1mm的厚度，在收缩过程中基底管焙烧损失约为10％的情况下，收缩后可获得14.6mm的实心杆子。在安装了一个横截面积为300mm²的单独套管后，即可从中抽拉出想要的光纤的预制件。在直径为125μm的情况下，在PCVD工序中如果0.029mm的最后沉积层已被沉积为芯部材料，将会产生7μm的芯部直径。纤维中全部沉积层的直径为48.5μm。如果一个预制件有用长度为40cm，由此预制件可产生长度为15km的光纤。

Claims (18)

1.一种制造光学预制件的方法，其中一层或多层掺杂或未掺杂的玻璃被沉积在中空基底管的内表面上，沉积是通过将玻璃形成化合物的一种或多种活性气体混合物施加到所述中空基底管的里面然后在所述中空基底管中产生非等温等离子体进行的，随后，通过沉积工序沉积了玻璃层的所述基底管进行收缩工序以便形成实心杆子，光纤由此实心杆子抽出，其特征在于，所述收缩工序包括以下步骤：

1)设置由保护管包围的中空基底管，此保护管相对于所述中空基底管固定，所述中空基底管沿其整个长度被保护管所包围，

2)设置围绕此保护管的谐振器，

3)向中空基底管外圆周与保护管内圆周之间的环形空间充入等离子体形成气体，

4)在所述环形空间中产生非等温等离子体，

5)相对于保护管沿纵向方向往复移动此谐振器，以便将此中空预制件收缩成一个实心杆子，

其中，所述沉积工序和所述收缩工序在同一个装置中进行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进行步骤1)-4)时，所述中空基底管和所述保护管保持在水平位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中空基底管在步骤5)过程中被旋转，随后对其进行受控冷却。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5)期间，所述等离子体适合于所述环形空间的增加的容积。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，氩和氧的混合物被用作等离子体形成气体。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在收缩工序中压力小于50毫巴。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在收缩工序中压力为10-25毫巴。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉积工序中高温气体通入所述环形空间。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护管由陶瓷材料制成，该陶瓷材料比将被收缩的中空基底管的材料具有更高塑化温度。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，收缩工序包括一附加步骤6)，该步骤6)包括将谐振器相对于保护管沿纵向方向往复移动以便收缩保护管。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护管设置有冷却装置。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一种或多种玻璃形成化合物被加入到在步骤3)中使用的气体中。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，收缩成实心杆子在步骤5)中提前结束，对于这种收缩，使用沉积工序中使用的相同等离子体和/或所述环形空间中产生的等离子体。

14.一种光纤，其由权利要求1所述的方法制造，其特征在于折射率对比度

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{n_i^2-n_{c1}^2}{2\·n_i^2}\·100\%$

其中：

Δ_i＝具体i层的折射率对比度，

ni＝i层的折射率，

n_c1＝覆层或光纤维外层的折射率，

具有一个数值其中Δ_i＞2.5％。

15.根据权利要求14的光纤，其特征在于Δ_i＞3％。

16.一种光纤，其由权利要求1所述的方法制造，其特征在于在25-300℃温度下测量的热膨胀系数

$\mathrm{\α}=\frac{1}{1_0}\·\frac{\mathrm{\Δ}1}{\mathrm{\ΔT}}\left[K^{-1}\right]$

其中：

1＝在T₁的长度

1₀＝在T₀的长度

ΔT＝(T₁-T₀)

Δ1＝(1-1₀)

具有数值α＞3.4×10^-6K^-1。

17.根据权利要求16所述的光纤，其特征在于α＞4.0×10^-6K^-1。

18.将一层或多层玻璃层沉积到中空基底管的内表面上并将所述基底管收缩成一实心或非实心预制件的设备，包括将玻璃形成化合物的一种或多种活性气体混合物提供到所述中空基底管内部的装置，旋转所述基底管的装置，加热所述基底管的装置和支撑所述基底管的装置，其特征在于，所述设备还包括沿其整个长度将保护管安装到所述基底管周围的装置，将气体供给到所述中空基底管的外圆周与所述保护管内圆周之间的环形空间中的装置，以及在所述环形空间中产生非等温等离子体的装置。

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