CN1384808A - 空心光纤预制棒的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种从固结炉中取出预制棒时将预制棒的再潮湿减少到最低程度的方法以及由其制造芯棒和/或光纤的方法。取出过程中,将上述的固结预制棒,特别是它的中心线孔,暴露在重质惰性气体如氩气、氪气或氙气中。该方法减少了再潮湿量,从而同时改善了制成光纤的衰减性能。该方法在1383纳米波长区产生有益的衰减降低。

Description

空心光纤预制棒的保护方法
发明领域
本发明一般涉及固结的玻璃预制棒以及制造预制棒、芯棒和光纤的方法。本发明更具体地涉及减少预制棒固结后再潮湿(re-wetting)的方法。
发明背景
将固结的高纯度玻璃预制棒加工成芯棒(或称为毛坯)的方法在本领域中是已知的。玻璃烟尘例如可通过火焰水解法淀积在旋转的基材如氧化铝芯轴上。上述的玻璃烟尘可含有合适的掺杂剂。各种火焰水解法记载在美国专利3,737,292、3,823,995和3,884,550中。烟尘预制棒的芯部分通过将预定量的各种气体通入燃烧器火焰中形成。通入这些气体会产生各种氧化物，例如包括二氧化硅和二氧化锗。这些氧化物淀积在旋转的芯轴上，直到形成有合适直径的芯轴部分。如有需要，可以引入不同百分数的氧化物，产生如美国专利3,823,995中所述的各种芯棒折射率分布。芯部分形成后，一般就可用二氧化硅进行包覆，直到达到最终的烟尘预制棒直径。众所周知，包层部分固结以后，产生低于芯部分的折射率。折射率的差异或者可通过预掺(down dope)包层获得。
火焰水解法(较好用外层蒸汽淀积法(OVD))完成后，从外层蒸汽淀积车床上取下淀积了烟尘的芯轴。预制棒上一般包括一段与之构成整体的把手部分。然后从预制棒中取出芯轴，得到烟尘预制棒。该预制棒有一个沿其轴向长度延伸并位于该预制棒中心线的孔。然后用一个二氧化硅塞状部件插入该孔的下端。然后将该预制棒装入并保持在固结炉中。首先将氯气通入固结炉的马弗罩内，有助于从该预制棒中除去水分，特别是氯气渗透到烟尘预制棒的空隙中，能驱去其中所含的OH、H2或H2O。然后在高温(一般约为1450-1600℃，视预制棒的组成而定)下进行加热，直到淀积的烟尘固结，转变成具有优异光学性能的实心高纯度玻璃。一般对预制棒进行的是梯度固结，这是美国专利3,933,454揭示的一种技术。在该技术中，先固结预制棒的底端，然后沿预制棒逐渐向上固结，直到完成为止。应当认识到，在固结过程中，二氧化硅塞状部件与预制棒的下端结合在一起，并将其完全密封。
本领域中普通技术人员知道，固结预制棒或中间层芯棒中若含有OH、H2或H2O，都会降低由其制成光纤的光学性能。即使降低少量的残留OH、H2或H2O，也会大大有益于制成光纤的dB/km损耗(衰减)。中心线孔中的OH、H2或H2O含量是特别成问题的，因为例如在大多数光纤中，正是在中心线孔部位或其周围产生最大场强的光学信号。因此，减少预制棒中的OH、H2或H2O会为光纤用户降低系统成本，因为再生器、放大器之类的光学部件可以装在更远的位置。因此，除去OH、H2或H2O对光纤来说是一个重要问题。
预制棒固结好后，就从固结炉中取出，转移到充氩的储藏容器中。然后在真空下对预制棒进行拉制，封闭中心线孔，并按本领域中普通技术人员已知的方法拉伸成具有恒定直径的芯棒。然后将芯棒切成许多段，再把每段用SiO2烟尘包覆到合适的直径，再次固结产生无孔的预制棒。然后把制成的预制棒转移到拉制炉中拉制成光纤。
从芯棒固结炉中取出预制棒的过程中遇到的一个问题，是中心线部分(即孔)的再潮湿。本申请中所述的“再潮湿”是指OH、H2或H2O重新分散、扩散或以其他方式淀积在固结玻璃上或其中。再潮湿的过程是发生在从固结炉中取出预制棒时。由于浮力和温度梯度效应，空气会代替中心线孔中的气体。由于空气中存在的水分，OH、H2或H2O会重新分散、扩散或淀积到固结预制棒上或其中，特别是在其中心线的地方。已经对减轻预制棒再潮湿的方法作了相当大的努力，因为衰减的任何改善会降低最终用户的系统成本。虽然这些努力是成功的，但它们导致了附加的步骤和费用。
因此，需要一种简单而有成本效益的减少固结后预制棒再潮湿量的方法。
发明概述
本发明提供一种制造固结(consolidated)预制棒的改进方法。本发明的方法能把固结预制棒的再潮湿降低到最低程度。特别是，本发明的方法能在固结后(如从固结炉取出后)把预制棒中心线孔的再潮湿降低到最低程度。由于本发明方法能把预制棒的再潮湿降低到最低程度，所以能制造出质量更高、衰减更低的光纤。
本发明的另一方面提供一种固结预制棒的制造方法，该方法包括如下步骤：
在从固结炉中取出预制棒然后将其转移到另一个容器(如储藏容器)的过程中，使所述固结预制棒的中心线孔连续暴露于重质惰性气体中，把所述中心线孔的再潮湿减少到最低程度。上述的重质惰性气体优选为氩、氪或氙。重质惰性气体更好保持在中心线孔中，直到该中心线孔端点封闭为止。
最好在固结炉中的最后阶段就通入重质惰性气体。从固结炉中取出后，即将预制棒直立，使重质惰性气体保留在中心线孔中。然后将固结的预制棒转移到也充有重质惰性气体的储存容器中。因此，由于在从固结炉中转移到储藏容器中的过程中，中心线孔充满重质惰性气体，中心线孔的再潮湿就减少到最低程度，这是因为重质惰性气体可用作防止空气渗入的屏蔽物。
从储藏容器中取出后，固结的预制棒可用于产生芯棒。这是在拉制芯棒的过程中，将其中心线孔在真空条件下封闭。再对形成的芯棒段进行包覆，再次固结，产生二次固结的预制棒。由这种二次固结的预制棒可拉制光纤。
在本发明更详细的方面，提供一种光纤预制棒的制造方法。该方法包括：提供有中心线孔的烟尘预制棒，该中心线孔的下端用塞状部件塞住；在炉中将所述的预制棒固结；对所述的预制棒施加重质惰性气体，清除其中心线孔中存在的任何其它气体；在将所述中心线孔连续暴露在重质惰性气体中的同时取出预制棒。
阅读了如下的详细说明、权利要求书和附图后，可理解本发明的其它方面。
附图简介
图1是用外层蒸汽淀积法制成的烟尘预制棒的侧截面图。
图2是用玻璃塞状部件塞住的烟尘预制棒的下端部分。
图3是放在固结炉中的烟尘预制棒的示意图。
图4是一次固结预制棒的侧截面图。
图5是芯棒段制造方法的示意图。
图6是芯棒段的侧截面图。
图7是二次固结预制棒的侧截面图。
图8是光纤制造方法的示意图。
发明的详细描述
现在参照附图详细描述本发明的优选实施方案。如有可能，在所有的图中用相同数字表示相同或相似的部件。制造固结预制棒的本发明方法中的第一步骤表示在图1中。在该步骤中，用蒸汽淀积法或火焰水解法在一根基本上呈圆柱形、逐渐变细的氧化铝芯轴上形成烟尘预制棒20。本领域中普通技术人员已知，烟尘预制棒20包括芯层28和包层30。芯层和包层28、30的淀积方法是将各种气体(如H2、O2、SiCl4、GeCl4)通入燃烧器，在预制棒20所有部分上产生各种氧化物烟尘淀积物(如SiO2和GeO2)。按箭头a和b所示方向使芯轴22和预制棒20同时旋转和来回移动，以便淀积均匀的烟尘层。也可以在芯轴22旋转时，将燃烧器26横向移动。在芯轴22的一端提供一个把手34。该把手有个扩大部分36。该扩大部分用来在整个加工过程中夹住预制棒20。在淀积烟尘前，有个合适的衬套38置于把手和芯轴之间。
在烟尘淀积步骤后，取出芯轴22，形成沿预制棒20中心线延伸的中心线孔40。最终的预制棒20包括芯层28和包层30，它具有图2所示的插入预制棒与把手34反向的下端的纯二氧化硅部件42。(图2仅画出预制棒的下端)。固结后，该二氧化硅部分就封住预制棒的下端。
然后如图3所示，将一个夹持器43(仅画出一部分)连接到烟尘预制棒20上，并将该预制棒插入到图3所示的炉44的加热区41中。在约900-1200℃让烟尘预制棒20在各种气体中(如由气源56供给的氯气)暴露一段合适的时间，将其干燥。然后在例如1450-1600℃的高温下和由气源54供给的氦气气氛中将预制棒20加热进行固结一段合适的时间，如图4所示。固结步骤后，将下端48完全密封的固结预制棒拉到炉44的顶部45，即其最上部，该部分保持约900-1200℃的恒温。在将固结的预制棒46暴露于重质惰性气体(下文中称为“HIG”)，如氩气、氙气或氪气的情况下让其冷却30-60分钟左右。此时按上述通入氦气和氯气相同的常规方式仍将重质惰性气体通入炉管中。在浮力和温度梯度的作用下将中心线孔40中的氦气或其它气体吹除掉，然后再充入重质惰性气体。术语“重质惰性气体”是指比氮气更重的惰性气体。
接着用夹持器43将固结的预制棒46从炉44中取出，并以直立的状态转移到储藏容器47中。为简明起见，图4的示意图用来表示炉44和储藏容器47。然而，应当注意到，在生产时，它们可是互相分离的部分。将储藏容器47设定在约600-900℃，最好约为600℃的合适温度。由于重质惰性气体比空气重，因此在转送过程中几乎没有一点空气重新进入中心线孔40中。因此，预制棒46的中心线孔40的再潮湿和再与水分的一般接触被减少到最低程度。如果有一些空气进入孔40，它很可能在把手34附近的无害部位。这些部位即使被湿气污染的话，也不会影响由其制成的光纤，因为把手部分34一般不用于制造有用的光纤。也可以将预制棒的顶端密封起来，将重质惰性气体封在里面。
然后进行一步拉制，可以按美国专利3,711,262所述的方法由固结的预制棒46直接拉制光纤。而且，可直接转送到有第二容器的拉制炉中。更好如图5所示，从储藏容器47中取出固结和冷却的预制棒46后，将其插入再拉制炉48中。该炉的加热区中加热到约1800-2100℃的温度。当预制棒下降到加热区41中后，一股熔融玻璃从预制棒46上滴落下来，通过冷却区50。此时对预制棒46的顶端(未画出)施加真空，以有助于封闭孔40。放在炉48下面的非接触式测量装置52测量从再拉制炉48中拉出的连续棒62的直径。连续棒62通过一组牵引轮60。这组牵引轮提供合适的力，拉伸出的连续棒62的适当直径d。配备合适的控制器59，它例如可以控制向下进料速度(用箭头63表示)、牵引轮60的拉制速度(用箭头61表示)或其它条件。向控制器59输入的数据是按拉制线63中非接触式传感器52提供的数据计算得到的连续棒62的直径。也可提供其它输入数据。当预定长度的连续棒62通过牵引轮时，切割器64(如火炬)启动，把连续棒62切割成图6中所示预定长度的芯棒段65。
按众所周知的外层蒸汽淀积法(如图1所示)再用SiO2对各个芯棒进行包覆，然后按上述的方法进行干燥和固结。这样产生图7所示的，中心孔完全封闭的二次固结预制棒27。该二次固结预制棒已是完整的光纤预制棒，具有拉制光纤所需的完整芯层和包层区。然后将该二次预制棒26插入图8所示的拉制炉68，制造具有改进衰减性能的高质量光纤70。更好是在炉68的加热区41中将预制棒67加热到1800-2100℃中，直到一股细的玻璃纤维从该二次预制棒67上滴落为止。纤维70在冷却区50中冷却，并通过非接触式传感器52，测量其直径。然后用一个或多个涂布器51涂覆耐磨涂层，如聚氨酯丙烯酸酯。该涂层一般可用合适的固化装置(未画出)固化。该固化装置例如可使用紫外辐射。纤维70的拉制是通过一组旋转的与纤维70接触的牵引轮进行的。向下送料速度63、纤维拉制速度61和其它条件通过一合适的控制器59进行控制，用以产生直径约为125微米(未涂覆)和约250微米(涂覆)的均匀光纤。然后将纤维绕在绕线轴72上。此时光纤引导器74横向来回移动(用箭头75表示)，确保光纤70均匀地分布在绕线轴72上。
应当认识到，虽然制造包含中心线孔的预制棒的外层蒸汽淀积法是优选的，但本发明也可采用任何合适方法制得包含中心线孔的预制棒。这些方法例如是内层蒸汽淀积法(IVD)或改进的化学蒸汽淀积法(MCVD)。另外，本发明的方法也适用于固结步骤到第二容器间的转送。
表1列出了按本发明方法将中心线孔40(图4)的再潮湿减少到最低程度后得到的衰减差。由此可见，通过在固结后用重质惰性气体充满中心线孔，并把孔中的重质惰性气体保持到封闭孔为止，可以将衰减减少7.7％左右。这种用重质惰性气体充满中心线孔的步骤例如可以在固结预制棒46制成时的炉中最后阶段进行，这时，用重质惰性气体如氩气吹洗炉管和固结预制棒46的中心线孔40。由本发明方法产生的改进光学性能有助于扩大再生器部件之间的距离。
           表1-衰减结果
    氦气     氩气
    0.403dB/km     0.372dB/km
本领域中的普通技术人员知道，在不偏离本发明范围的条件下可以对本发明作各种改进和变化。因此，本发明将包括这些改进和变化，只要它们在所附权利要求书范围及其等价内容以内。

Claims (16)

1.一种固结预制棒的制造方法，该方法包括如下步骤：
在从固结炉中取出预制棒到将其转移到第二个容器中的过程中，使所述固结预制棒的中心线孔连续暴露于重质惰性气体，把所述中心线孔的再潮湿减少到最低程度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的重质惰性气体选自氩、氪和氙。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的暴露步骤发生在固结炉中从其顶部附近拉出预制棒进行冷却的最后阶段。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于由于浮力作用，从固结炉中取出预制棒时，所述的重质惰性气体留在其所述的中心线孔中。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于从所述的固结炉中取出所述的固结预制棒，且所述的中心线孔保持直立状态。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于当所述的固结预制棒放在充有重质惰性气体的储藏容器中时，进行附加的暴露步骤，该冷却容器与所述的固结炉是分开的。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于它还包括将所述固结预制棒冷却到600-900℃温度的附加步骤。
8.一种芯棒的制造方法，其特征在于它包括把按权利要求1所述方法制得的固结预制棒放入拉制炉中，制成芯棒。
9.一种包层的预制棒的制造方法，它包括对按权利要求8所述方法制成的芯棒进行包覆，制成包层的预制棒。
10.一种二次固结预制棒的制造方法，它包括将按权利要求9所述方法制成的包层预制棒固结成二次固结预制棒。
11.一种光纤的制造方法，它包括把按权利要求10所述方法制成的二次固结预制棒放入拉制装置中拉制光纤。
12.一种由按权利要求1所述方法制成的预制棒形成光纤的方法，它还包括把所述预制棒的变型放入拉制炉中制造光纤。
13.一种光纤预制棒的制造方法，它包括：
提供包括中心线孔的烟尘预制棒，
在炉中将所述的预制棒固结，产生固结的预制棒，
对所述的预制棒施加重质惰性气体，吹除所述中心线孔中存在的任何其它气体，
在将所述中心线孔连续暴露在重质惰性气体的情况下取出所述的预制棒，从而将所述中心线孔的再潮湿减少到最低程度。
14.一种固结光纤预制棒的制造方法，它包括如下步骤：
从固结所述的预制棒到封闭所述的中心线孔过程中，将所述固结预制棒的中心线孔连续暴露在重质惰性气体中，从而将所述中心线孔的再潮湿减少到最低程度。
15.一种光纤的制造方法，它包括：
提供包括中心线孔的烟尘预制棒，
将所述的烟尘预制棒插入炉中，
将所述的预制棒固结，产生固结的预制棒，
对所述的预制棒施加重质惰性气体，吹除所述中心线孔中存在的任何其它气体，
当将所述中心线孔连续暴露在重质惰性气体的情况下从所述的炉中取出所述的预制棒，从而将所述中心线孔的再潮湿减少到最低程度，
由所述的固结预制棒制造光纤。
16.一种光纤的制造方法，它包括：
提供包括中心线孔的烟尘预制棒，
将所述的烟尘预制棒插入炉中，
将所述的预制棒固结，产生固结的预制棒，
将所述的预制棒冷却到900-1200℃的温度，
对所述的预制棒施加重质惰性气体，吹除所述中心线孔中存在的任何其它气体，
在将所述中心线孔连续暴露在重质惰性气体的情况下从所述的炉中取出所述的预制棒，
将所述的固结预制棒放在充有重质惰性气体的储藏容器中，
由所述的固结预制棒制造光纤。
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