CN1582261A - 用于在光纤制造中确定拉制张力的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制造光纤的方法包括以下步骤：制造玻璃芯棒；测量在该芯棒的多个部分处的折射率型面，以便获得相应的多个折射率型面；处理所述多个折射率型面，以便确定拉制张力变化准则；将玻璃灰体沉积在所述芯棒上，以便获得玻璃预制品；使所述玻璃预制品固结；以及通过向所述光纤施加拉制张力而由所述玻璃预制品拉制所述光纤，其中，拉制张力根据所述拉制张力变化准则而变化。

Description

用于在光纤制造中确定拉制张力的方法

本发明涉及一种用于制造光纤的方法和组件。特别是，本发明涉及一种用于制造具有沿长度的基本均匀光学特性的光纤的方法以及用于制造该光纤的组件。而且，本发明涉及一种用于确定光纤拉制处理的拉制张力变化准则的方法和装置。

光纤包括由覆层材料环绕的芯，该覆层材料的折射率低于该芯的折射率。根据光纤的类型以及它所希望的性能特征，在光纤截面中的折射率径向分布可以简单或者复杂。折射率型面的典型实例是：阶梯折射率的单模光纤，它有在芯内基本均匀的折射率，且折射率在芯-覆层的交界面处急剧减小；用于使高带宽多模光纤中的移动通讯漂移(intermodal dispersion)减至最小，该光纤在芯区域有类似抛物线的径向形状；以及通常用于分散转移光纤，并称为“分段芯”型面，它有中心的三角形部分以及环绕该中心三角形的低尺寸阶梯部分。

众所周知，用于制造光纤的方法包括首先制造玻璃质材料的玻璃预制品，然后由所述预制品拉制出光纤。

玻璃预制品通常通过利用炉子将玻璃灰体(soot)沉积在合适柱形基质上，并通过固结所形成的玻璃体而制造。通常使用的沉积技术例如MCVD(改进的化学蒸气沉积)、OCD(外部蒸气沉积)和VAD(蒸气相轴向沉积)。

名称为Corning Glass Works的专利EP367871公开了一种用于通过OVD方法获得光纤的方法。该方法首先包括将包含基体玻璃和增大折射率的掺杂剂的玻璃颗粒沉积到芯轴(定义为沉积支承件)上。然后除去该芯轴，并使所形成的灰体预制品固结，以便形成芯预制品。该芯预制品进行拉伸，且它中间的孔封闭，以便形成芯棒或棒。然后将覆层玻璃灰体沉积在芯棒上(包覆处理)，以便获得最终的预制品，该预制品再进行固结和拉制，以便获得光纤。

例如如US5641333中所述，预制品固结处理可以通过将多孔预制品置于固结炉中来进行，在该固结炉中，该预制品进行干燥和烧结。在用于获得芯预制品的固结处理中，第一干燥气体混合物(该混合物通常包含氦气和干燥剂例如氯气)可以流入预制品的孔内(在干燥步骤中或者在整个固结处理中)。干燥剂也可以流过该炉(例如见US4165223)。该干燥步骤减小了预制品的残余OH含量，从而在形成的光纤中减小了由OH引起的吸收损失。烧结步骤产生了致密、基本透明的玻璃预制品，它将用于包覆步骤，或者用于拉制成光纤。整个多孔预制品可以在烧结步骤开始之前干燥；也可选择，预制品可以进行梯度固结处理，从而通过接近和经过炉的热区而使预制品的各个部分的温度增加和减小。当接近热区时，预制品部分变得足够热，以致于干燥气体混合物能够与玻璃中的OH离子反应，但是预制品温度并没高到使预制品的孔隙度减小至阻挡干燥气体流动。当预制品部分到达热区的最大温度区域时，孔隙尺寸减小，预制品元件完全烧结和净化。

还根据US5641333，在固结处理过程中，掺杂剂可以从多孔预制品的芯部通过孔运动至覆层部分，从而产生在芯边缘的掺杂剂耗竭区域以及在相邻覆层的相应掺杂剂富含区域；该组合称为“扩散尾”。

本申请人注意到，在前述固结处理中，由于逐渐将预制品插入炉子的热区，预制品的不同纵向部分受到稍微不同温度的处理，这使得掺杂剂朝着较低浓度区域的转移不同。因此，可能导致在预制品的不同纵向部分的折射率型面不同。

本申请人还证实，折射率型面沿光纤变化的另一可能原因是由于在芯预制品拉伸处理过程中的动态波动。实际上，本申请人注意到在该处理中(该处理例如可以如EP367871中所述进行，即通过使用拉制炉来加热预制品，并用马达驱动的牵引机来从加热的预制品中拉出玻璃杆)，拉伸速度和温度的动态变化可能引起玻璃杆的直径变化，并因此使折射率型面沿玻璃杆变化。

最终的拉制处理通常在合适的拉制塔中进行，其中，最终的预制品沿垂直方向供给炉子，以便使它的底部熔融。该熔融材料再进行拉制和冷却，以便获得具有合适特征的光纤。这些特征通过合适设置拉制处理的参数来获得，该参数包括炉温和光纤拉制速度。

通常，拉制处理的整个持续过程在相同的处理条件下进行，即处理参数没有变化。特别是，光纤通常以恒定张力进行拉制。在拉制过程中保持恒定张力对于使光纤具有均匀光学特征的重要性例如在US5079433(它涉及在拉制过程中监测光纤张力的方法)中和在US5961681(它教导通过根据时间降低炉内的温度而使张力在拉制过程中基本恒定)中进行了说明。

与在恒定张力下拉制不同的已知情况例如由US5851259(其中，在拉制过程中施加给光纤的张力进行调节(根据半正弦、三角或梯形的波形)，以便抑制在锗掺杂光纤中的Brillouin散射损失)和由US2001/0003911(其中，施加给光学预制品底端的热量变化，以便调节拉制张力，从而改变沿光纤的局部色散，从而获得色散转变光纤)提出。

如前所述，本申请人认识到折射率型面沿光纤变化的两种不同可能原因：在固结过程中的非均匀热处理以及在拉伸过程中的动态波动。折射率型面纵向变化的光纤将使它的光学传播参数(例如模式色散、模场直径和截断波长)相应变化。除了特殊情况，这些变化都不希望。

因此，本申请人解决了这样的问题，即尽管在固结和拉伸过程中有所述不利影响，也能够制造使光学传播参数沿光纤基本均匀的光纤。

本申请人发现，通过测量在芯棒或最终预制品的不同纵向部分中的折射率型面，并使用该测量结果来控制在拉制处理过程中的光纤张力，可以获得具有基本均匀的光学传播参数的光纤。特别是，通过进行数字模拟，可以建立为了使光学传播参数沿光纤的变化最小而在拉制处理过程中要施加的张力的变化准则，在该数字模拟中，从沿芯棒或最终预制品测量折射率型面开始，判断拉制张力的变化对预定传播参数的影响。

本申请人发现，为了获得所述均匀的光学性质，优选是取决于对插入的芯棒的折射率型面的测量，这不仅根据拉制张力，还根据要环绕所述芯棒沉积的覆层的量(即在包覆处理中施加在芯棒上的灰体的质量)，因为这些参数也影响在拉制张力和折射率型面之间的关系。

根据本发明的第一方面，本发明涉及一种用于确定光纤拉制处理的拉制张力变化准则的方法，该方法包括以下步骤：

测量在适于拉制成光纤的玻璃预制品的多个部分处或者在适于确定光纤的中心部分的芯棒的多个部分处的折射率型面，以便获得相应的多个折射率型面；以及

处理所述多个折射率型面，以便确定拉制张力变化准则。

处理该多个折射率型面优选是包括模拟使拉制张力变化对多个折射率型面的各折射率型面的影响。

处理多个折射率型面可以包括：确定目标函数，该目标函数将至少预定光学传播参数与拉制张力以及与沿玻璃预制品或芯棒的标准纵坐标分别联系起来；以及找出在拉制张力值以及标准纵坐标的平面中使得目标函数最佳化的通路。

根据第二方面，本发明涉及一种用于制造光纤的方法，它包括以下步骤：

制造玻璃预制品；

测量在该玻璃预制品的多个部分处的折射率型面，以便获得相应的多个折射率型面；

处理该多个折射率型面，以便确定拉制张力变化准则；以及

通过向光纤施加拉制张力而由玻璃预制品拉制光纤，它包括根据拉制张力变化准则来改变拉制张力。

另外，用于制造光纤的方法包括以下步骤：

制造玻璃芯棒；

测量在该芯棒的多个部分处的折射率型面，以便获得相应的多个折射率型面；

处理该多个折射率型面，以便确定拉制张力变化准则；

将玻璃灰体沉积在芯棒上，以便获得玻璃预制品；

使该玻璃预制品固结；以及

通过向光纤施加拉制张力而由玻璃预制品拉制光纤，它包括根据拉制张力变化准则来改变拉制张力。

优选是，处理步骤包括模拟使拉制张力变化对多个折射率型面的各折射率型面的影响。

处理步骤可以包括：确定目标函数，该目标函数将至少预定光学传播参数与拉制张力以及与沿玻璃预制品或芯棒的标准纵坐标分别联系起来；以及找出在拉制张力值以及标准纵坐标的平面中使得目标函数最佳化的通路。

处理步骤还可以包括确定要沉积在柱形玻璃体上的玻璃灰体的量，例如通过对各所述部分模拟使沉积的玻璃灰体量变化对多个折射率型面的各折射率型面的影响。

改变拉制张力可以包括改变光纤拉制的速度。也可选择，因为拉制光纤包括使玻璃预制品处于玻璃熔融温度下，改变拉制张力可以包括改变玻璃熔融温度。

根据另一方面，本发明涉及一种用于确定光纤拉制处理的拉制张力变化准则的装置，它包括：用于测量沿柱形玻璃体的折射率型面的装置，该柱形玻璃体适于形成光纤的至少中心部分；以及处理单元，用于处理该测量的结果，以便获得拉制张力变化准则。适于形成光纤的至少中心部分的柱形玻璃体可以为芯棒或最终玻璃预制品。该最终玻璃预制品适于形成整个光纤。

优选是，处理单元包括用于模拟使拉制张力变化对测量的折射率型面的影响的装置。

本发明还涉及一种用于测量光纤的组件，它包括：

用于产生柱形玻璃体的装置，该柱形玻璃体适于形成光纤的至少中心部分；

如前所述用于确定拉制张力变化准则的装置；以及

拉制装置，用于拉制光纤，它包括拉制张力调节装置，用于根据拉制张力变化准则来调节拉制张力。

该组件还可以包括：沉积装置，用于将玻璃灰体沉积在柱形玻璃体上，以便获得玻璃预制品；以及固结装置，用于该玻璃预制品固结。

拉制张力调节装置可以包括：玻璃熔融炉；以及控制单元，用于根据所述拉制张力变化准则向该炉发送控制信号。

也可选择，拉制张力调节装置可以包括：牵引装置，用于由玻璃预制品拉出光纤；以及控制单元，用于根据拉制张力变化准则向该牵引装置发送控制信号。

处理单元还可以包括用于模拟使沉积的玻璃灰体量变化对测量的折射率型面的影响的装置。

下面将参考附图更详细地进行说明，附图中：

图1是本发明的组件的方框图；

图2示意表示了折射率测量装置，该折射率测量装置为图1的组件的一部分；

图3是蒸气沉积装置的示意图，该蒸气沉积装置是图1的组件的一部分；

图4示意表示了拉制塔，该拉制塔是图1的组件的一部分；

图5是表示根据本发明用于制造光纤的方法的不同步骤的流程图；

图6是通过蒸气沉积处理可获得的可能折射率型面；

图7是图5的一个步骤的子步骤的流程图；

图8表示了图5的步骤的可选处理步骤；

图9表示了图5的一个步骤的子步骤；以及

图10a、10b和10c表示了模拟和实验的结果。

图1以方框形式示意表示了根据本发明用于制造具有均匀光学特征的光纤的组件1的主要部件。

组件1包括：

测量装置2，用于测量柱形玻璃体例如芯棒和玻璃预制品的折射率型面，并处理该测量结果，以便获得处理控制信息；

蒸气沉积装置3，用于将玻璃灰体沉积在柱形基质例如芯棒上；

拉制塔4，用于由最终的预制品拉制光纤；以及

中心控制单元5，该中心控制单元5与测量装置2电连接，用于接收处理控制信息，并与蒸气沉积装置3和拉制塔4电连接，以便根据所述处理控制信息来控制它们的工作。

所述处理控制信息包括在拉制处理过程中要向最终预制品的坐标z处的纵向部分施加的拉制张力T的变化准则T(z)，优选是还包括在包覆沉积处理过程中要沉积在芯棒上的包覆层质量OM的最佳值。如后面所述，折射率的测量以及拉制处理的控制是本发明的基本方面，而在包覆沉积处理中对包覆层质量的控制只是本发明的优选方面。

测量装置2例如可以为US4227806或US4726677中所述类型，这些文献被本文参引。而且，用于测量芯棒或预制品的折射率型面的仪器可以由NETTEST，Copenhagen，丹麦(预制品分析器2600)而购得。

根据US4227806，为了测量玻璃预制品的折射率型面，使激光束扫描该预制品，并当射束离开该预制品时测量它的偏转角度。标绘出该偏转角度相对于入射射束位置的曲线图，并组合该曲线图以便提供曲线，该曲线与具有已知参数的理论曲线图进行比较，以便确定光纤预制品的参数。如US4726677中所述，折射率型面还可以由测量的偏转角度直接计算出来。当θ(x)是在离预制品轴线距离为X处入射到预制品上的射束所形成的偏转角度，然后，该射束的、最接近预制品轴线的半径r(x)由下式给出：

$r\left(x\right)=x\·\exp (-\frac{1}{\mathrm{\π}}\·\underset{x}{\overset{R}{\∫}}\frac{\mathrm{\θ}\left(t\right)\mathrm{dt}}{\sqrt{t^2-x^2}})$

其中R是预制品半径，t是积分变量。在半径r(x)处的折射率n[r(x)]由下式给出：

$n\left(r\right)=n\left(R\right)\·\exp (\frac{1}{\mathrm{\π}}\·\underset{x}{\overset{R}{\∫}}\frac{\mathrm{\θ}\left(t\right)\mathrm{dt}}{\sqrt{t^2-x^2}})$

其中n(R)是预制品在它的表面处的折射率。使用这些等式来形成光纤预制品折射率型面优选是使用前面US4227806的方法，因为这些等式用于更大级别(class)的折射率型面。

参考图2，装置2可以包括：玻璃腔室6，用于容纳与轴线8同轴的芯棒7；以及平台9，该平台可平行于轴线8运动。优选是腔室6充满折射率匹配液态(例如滑油)，该折射率匹配液态的折射率基本与芯棒7的折射率相同。

装置2还包括安装在平台9上的以下部件：

激光器10，用于产生平行激光束11；

第一透镜12，用于将激光束11聚焦在芯棒7上；

第二透镜13，用于从芯棒7的相对侧接收激光束11，并再次校准该激光束；

柱形透镜14，用于将射束11压缩成一维；以及

位置检测器15，用于检测射束11的位置。

镜子(未示出)也可以用于将由激光器10发出的射束11导向第一透镜12。该镜子可以是由振动子控制的可旋转镜，用于使射束扫描在芯棒7部分上。

检测器15和透镜14间开的距离等于第二透镜13的焦距f2。因此，当最初入射到离轴线8距离为x处的射束影响到检测器(在折射之后)时，距离d(x)偏离检测器的中心，偏转角度θ(x)由下式给出：

$\mathrm{\θ}\left(x\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{d\left(x\right)}{f_2}\right).$

为了增大空间分辨率，在采集数据之前可以进行系统的聚焦，例如以US4726677中所述的方法。

检测器15具有相应的电子元件(未示出)，该电子元件提供了指示射束11位置的电输出。装置2还包括处理单元16，该处理单元用于接收所述电子元件的输出，并提供所考虑的芯棒部分的折射率型面。在对玻璃体的预定数目的间开部分上进行测量之后，处理单元16还用于处理测量数据，以便获得在包覆沉积处理中施加在芯棒7上的包覆层质量OM的最佳值以及在拉制处理中施加在光纤上的张力的最佳变化准则T(z)。特别是，该处理提供了OM值和准则T(z)，从而可以获得具有基本均匀光学传播特征的光纤。通过单元16进行的该处理操作将在下面详细介绍。

单元16与中心控制单元5电连接，用于向单元5提供指示所述准则T(z)和包覆层质量OM的信号。

参考图3，蒸气沉积装置3包括：支承部件17，用于支承芯棒7的一端；马达18，用于保持芯棒7的相对端，并用于使芯棒7绕它的轴线旋转；以及燃烧器19，用于使玻璃灰体沉积在芯棒7上，以便形成最终的预制品20(在它的形成过程中由虚线表示)。燃烧器19固定在机动滑动件21上面，该机动滑动件21再安装在引导件22上，该引导件22允许滑动件21平行于芯棒7滑动。因此，燃烧器19能够以可控制的方式沿该方向平移。

装置3还包括未示出的气体供给系统，用于向燃烧器19供给产生玻璃灰体所需的气体。

装置3与控制单元5电连接，以便接收用于滑动件21和马达18的控制信号。实际上，控制单元5提供用于起动沉积处理的控制信号，然后当已经沉积了等于OM的包覆层质量时停止该沉积处理。同一控制单元可以用于控制气体供给系统，以便当处理开始时向燃烧器19供给气体，并当处理结束时停止气体供给。

参考图4，拉制塔4包括多个部件，这些部件基本沿垂直拉制方向对齐(使用术语“塔”的原因)。选择垂直方向来进行拉制处理的主要步骤是因为需要利用重力，以便从最终玻璃预制品20上获得可以拉制出光纤23的熔融材料。

详细地说，塔4包括：用于支承和供给预制品20的装置24；炉子25，用于进行预制品20底部的控制熔融；牵引装置26，用于从预制品20上拉出光纤23；以及用于缠绕该光纤23的装置27。

炉子25可以为设计成产生预制品的控制熔融的任意类型。可以用于塔4的炉子的实例如US4969941和US5114338中所述。炉子25可以提供有温度传感器28，该温度传感器28设计成产生表示炉子25内部温度的信号。炉子温度是可以在拉制处理过程中变化以便改变拉制张力的处理参数。

而且，支承装置24优选是包括预制品位置传感器29，该预制品位置传感器29提供表示在该瞬时熔融的预制品20部分的标准纵坐标z的信号。

优选是，在炉子25的出口有张力监测装置30，该张力监测装置30设计成产生表示光纤23的张力的信号。监测装置30例如可以为美国专利5316562中所述类型，或者为US5079433中所述类型。装置30还可以沿塔4进行不同定位，特别是可以在炉子25和牵引装置26之间的任意位置。

拉制塔4还可以包括直径传感器31，在这里所述的特殊实施例中，该直径传感器31位于装置30的下面，它设计成产生表示没有任何涂层的光纤23的直径的信号。优选是，直径传感器31还执行表面缺陷检测器的功能，从而检测在光纤23的玻璃中的缺陷，例如气泡或杂质。直径传感器31例如可以为干涉仪类型。适于该范围的仪器是由CERSA，Park Expobat 53，Plan de Campagne，F13825，Cabries，Cedex，France制造的LIS-G模件。这种传感器特别设计成产生第一信号和第二信号，该第一信号与检测直径值和预定直径值之间的差值成正比，而该第二信号表示任何表面缺陷的存在。

冷却装置32可以位于炉子25和直径传感器31下面，例如可以是有冷却空腔的类型，该冷却空腔设计成使冷却气体流通过。冷却装置32布置成相对于拉制方向同轴，因此，离开炉子25的光纤23可以通过该冷却装置。冷却装置例如可以是如US5314515中所述的类型，或者是如US4514205中所述的类型。冷却装置32可以提供有温度传感器(未示出)，该温度传感器设计成提供冷却空腔中的温度指示。因为光纤拉制的速度通常相对较高，因此冷却装置32必须能够使光纤23快速冷却至适于随后处理步骤的温度，特别是适于后面所述的表面涂覆的温度。

优选是，塔4还包括第一和第二涂覆装置33、34，该第一和第二涂覆装置33、34位于沿垂直拉制方向在冷却装置32的下面，并设计成当光纤经过时分别使第一保护涂层以及包覆在该第一保护涂层上的第二保护涂层沉积在光纤23上。特别是，各涂覆装置33、34包括：相应施加单元33a、34a，该施加单元33a、34a设计成将预定量的树脂施加在光纤23上；以及相应固化单元33b、34b，例如为UV灯烤箱，用于固化该树脂，从而提供稳定的涂层。涂覆装置33、34例如可以为US5366527中所述类型，并可以根据要形成于光纤23上的保护涂层的数目而为多于或少于两个。

牵引装置26位于涂覆装置33、34的下面，且优选是为单滑轮或双滑轮类型。在所示实施例中，牵引装置26包括单个马达驱动滑轮35，该马达驱动滑轮35设计成沿垂直拉制方向拉制光纤23。牵引装置26可以提供有角速度传感器36，该角速度传感器36设计成在工作过程中产生指示滑轮35的角速度的信号。因此，在拉制处理过程中，滑轮35的转速以及因此光纤的拉制速度是可以在拉制处理过程中变化的处理参数，以便使光纤23的拉制张力产生变化。

当在拉制处理过程中光纤23的直径产生不希望的变化时，直径传感器31的信号可以用于自动改变光纤23的拉制速度，以便再次回到预定直径值。实际上，当直径减小至低于预定界限值时，拉制速度减小，该减小量与直径的减小成正比，而当直径增大至高于预定界限值时，拉制速度增大，该增大量与直径的增大成正比。使用直径传感器信号和表面缺陷传感器的实例如US5551967、US5449393和US5073179中所述。直径传感器和表面缺陷传感器的数目和结构可以与这些文献所述不同。

塔4还可以包括用于调节光纤23在牵引装置26下游的张力的装置。装置37设计成平衡在滑轮35和缠绕装置27之间的光纤23张力的任何变化。优选是，装置37包括：第一和第二滑轮37a、37b，该第一和第二滑轮37a、37b空转地安装在固定位置；以及第三滑轮37c，该第三滑轮可在它自身重量和光纤23的张力的作用下自由地垂直运动。实际上，当光纤23的张力不希望地增加时，滑轮37c升高，且当光纤23的张力不希望地减小时，滑轮37c降低，从而保持所述张力恒定。滑轮37c可以提供有垂直位置传感器(未示出)，该垂直位置传感器设计成产生表示滑轮37c的垂直位置的信号，因此指示光纤23的张力。

缠绕装置27包括卷轴38和机动装置39，该机动装置39用于支承卷轴38并使该卷轴38运动。卷轴38有轴线38a，并确定了用于光纤23的柱形支承表面。装置39设计成支承卷轴38，并使该卷轴绕轴线38a旋转。

缠绕装置27还包括光纤供给滑轮40，该光纤供给滑轮40可以安装在机动滑动件(未示出)上，该机动滑动件可沿平行于卷轴轴线38a的轴线40a运动，且该光纤供给滑轮40设计成接收来自张力调节装置37的光纤23，并沿基本垂直于轴线38a的方向将光纤23供给卷轴38。在缠绕光纤23的处理过程中，滑轮40的控制运动使得光纤23进行螺旋缠绕。

也可选择，滑轮40可以安装在固定支承件上，卷轴38以控制方式沿轴线38a运动。

可以提供还一滑轮41，以便将光纤23从张力调节装置37导向滑轮40a。如果需要，可以使用任何其它滑轮。

控制单元5与沿塔4存在的所有传感器和检测器电连接，并与塔4的、可从外部控制操作的所有部件电连接。控制单元5设计成根据预设处理参数值、前述折射率测量结果以及根据由沿塔4布置的传感器和检测器产生的信号来控制拉制处理的各个步骤。在单元5以及塔4的、与该单元5连接的各个部分之间的信息交换通过电子接口(未示出)来进行，该电子接口能够将由所述单元5产生的数字信号转变成适于操作各个部件的模拟信号(例如电压)，还能够将由传感器和检测器接收的模拟信号转变成可由所述单元5解释的数字信号。

特别是，可以提供以下接口：第一接口，该第一接口与炉子25相连，从而允许单元5向炉子25发送控制信号以便控制它的温度，也允许能够接收来自温度传感器28的信息；第二接口，该第二接口与牵引装置26相连，以便控制滑轮35的角速度，并接收来自与所述拉制装置26相连的角速度传感器36的信息；以及第三接口，该第三接口与缠绕装置27相连，从而允许单元5向机动装置39发送控制信号，以便控制卷轴38的旋转和平移速度，并接收来自与缠绕装置27相连的角速度和线速度传感器(未示出)的信号。

下面将参考图5介绍形成用于光纤的玻璃预制品的方法。该方法包括以下步骤。

在第一步骤中(方框100)，通过沉积装置(未示出)将多种化学物质沉积在柱形芯轴(未示出)上，该柱形芯轴例如由氧化铝或其它陶瓷材料制成。特别是，装置3或本领域已知的任何其它蒸气沉积装置可以用于该步骤。所述物质通常包括硅和锗，它们作为氧化物(SiO2和GeO2)而沉积，该氧化物将随后形成光纤的芯和覆层内部部分。

在该沉积处理过程中，芯轴设置成绕它的轴线旋转，燃烧器在预定运动范围内平行于芯轴轴线地往复运动预定次数，以便产生预定直径和长度的灰体本体。

在灰体沉积过程中，反应剂流量可以变化，以便通过化学物质的控制沉积而获得预定的折射率型面。例如，可以产生如图6所示的折射率型面(n是折射率，r是半径)，它通常为色散转变光纤，具有在中间的、高度为Δn的三角形部分(顶点在中心)以及在侧部的阶梯状部分。

该第一步骤的产品是玻璃材料的柱形预制品，称为“芯预制品”，它将形成光纤的芯和内部覆层区域。

在第二步骤(方框200)中，在从芯预制品中抽出芯轴，从而在其中留下中心孔之后，芯预制品在已知类型的炉子(未示出)中进行干燥和固结处理，该步骤包括将Cl₂和其它气体供给中心孔中，以便减小在预制品中包含的氢氧离子(-OH)和水原子。这样，获得了玻璃化的芯预制品，其中，该中心孔的直径小于初始芯预制品。

申请人证实，在固结处理过程中，芯预制品的不同纵向部分可以受到不同的热过程，并暴露在不同气体中。该非均匀温度处理可以导致折射率型面沿该预制品变化。

在第三步骤(方框300)中，在中心孔内产生真空之后(例如在US4810276中所述)，玻璃化的芯预制品布置在已知类型的垂直炉(未示出)中，用于使它的底端熔化。该熔化的玻璃材料通过牵引装置向下拉伸，从而形成预定直径的柱形细长部件。在该步骤中，表面张力使得孔的壁压缩。例如可以使用在专利申请WO01/49616中所述类型的牵引装置，这样，在拉伸过程中，使细长部件进行扭转，从而生成非常直的杆状部件(即没有内在的形状缺陷)。

申请人已经证明，在芯预制品拉伸处理过程中，拉伸速度的动态波动可能使得玻璃杆的直径变化，这可能影响折射率型面沿玻璃体的均匀性。

在进一步冷却之后，对这样制成的细长部件进行切割，以便获得多个杆，称为“芯棒”，它的长度通常为大约1米，外径通常为大约10-20mm。

在第四步骤(方框400)中，通过使用前述测量装置2来对各个芯棒在多个部分处进行折射率型面测量。然后，装置2处理这些数据，且作为该步骤的结果，它将信号发送给控制单元5，该信号载有要在拉制处理中施加的拉制张力的最佳准则T(z)以及要在包覆处理中沉积在芯棒上的最佳包覆层质量OM，如后面所述。

在第五步骤(方框500)，各芯棒用作进行进一步蒸气沉积处理(“包覆”)的基质，该进一步蒸气沉积处理类似于第一步骤中的蒸气沉积处理，并通过沉积装置3来进行。该沉积处理包括在芯棒上沉积多种化学物质(通常包括SiO₂)，它们将随后形成光纤的覆层的外部部分。该步骤的产品是低密度柱形预制品，下文中称为“最终预制品”。控制单元5能够通过已知马达18的转速、滑动件21的平移速度以及供给燃烧器19的玻璃产物母体的流量来确定沉积在芯棒7上的包覆层质量等于OM时的时间。当到达该时间时，控制单元停止沉积处理。

在第六步骤(方框600)中，最终预制品通过与第三步骤中所述基本相同的过程来干燥和固结，以便获得玻璃化的最终预制品。

在第七(最后)步骤(方框700)中，最终预制品进行拉制，以便获得光纤。详细地说，预制品20由装置24垂直支承，并由此供给炉子25内，以便使该预制品的底部进行控制熔融。由该熔融材料形成的光纤23通过牵引装置26向下拉动，并通过缠绕装置27而缠绕在卷轴38上。控制单元5可以调节在处理过程中的预制品供给速度和光纤缠绕速度，特别是与拉制速度的新值相适应。在该处理过程中，在预制品供给速度和拉制速度之间的比例应当平均等于光纤直径和预制品直径之间的平方比。

根据本发明，拉制根据在第四步骤中确定的张力准则T(z)来进行。为了使张力T根据准则T(z)来变化，控制单元5可以选择干涉牵引装置26，以便改变拉制速度，或者干涉炉子25，以便改变炉中的温度。在一个实例中，控制单元5和牵引装置26的组合定义为拉制张力调节装置，而在另一实例中，控制单元5和炉子25组合定义为拉制张力调节装置。与炉子25相连的传感器28以及与牵引装置26相连的传感器36提供了对控制单元5的反馈信号，这使得能够分别精确控制炉子35内的温度以及拉制速度。

而且，在处理过程中，张力监测装置30向控制单元5提供表示光纤23的张力的反馈信号，该反馈信号可以由控制单元5利用，以便使选定的张力调节参数(即拉制速度或炉温度)沿正确的方向变化。特别是，控制单元使检测的张力与由位置传感器29提供的标准纵坐标z相关(除了校正因素之外，由传感器29提供的标准坐标z等于经过装置30的光纤部分的标准坐标)，并使该值与在由测量装置2预先计算的目标准则T(z)中与坐标z相对应的值进行比较，并改变张力调节参数，从而使所述两值之间的差值减小。

当拉制光纤时，冷却装置32使光纤23冷却，且第一和第二涂覆装置33、34将第一和第二保护涂层施加在该光纤23上。而且，直径传感器31将它的检测信号供给控制单元5，且控制单元5可以使用该信号来干涉牵引装置26，以便稍微改变拉制速度。

下面将参考图7的流程图更详细地介绍测量折射率型面的步骤(第四步骤)。

该步骤开始于测量在芯棒7的多个m部分S_i(i＝1、2、...m)处的折射率型面n(r)(方框410)，这些部分优选是等间距，从而获得多个曲线n_i(r)。测量根据前述US4227806和US472667的教导来进行。而且，各部分的曲线n(r)这样确定，即通过测量所述部分的第一折射率型面n′(r)；在使芯棒绕它的轴线旋转90之后测量相同部分的第二折射率型面n″(r)；对这两个曲线n′(r)和n″(r)进行平均，且在所形成的曲线中对两半(左侧和右侧)进行平均。然后将不同部分的曲线n_i(r)储存在处理单元16中。

然后，处理单元16对这些曲线进行模拟和进一步操作。

在模拟(方框420)时，处理单元16判断折射率型面将怎样受到在拉制处理中玻璃体的拉伸、在包覆层沉积处理中施加的包覆层质量以及在拉制处理过程中拉制张力的变化的影响。特别是，考虑多个n不同的包覆层质量值OM_j(j＝1、2...n)和多个p不同的张力值T_k(k＝1、2...p)。本申请人证明，拉伸玻璃体和施加包覆层质量使得n(r)曲线中在r轴线上的刻度(scale)产生变化，同时改变拉制张力使得n(r)曲线中在n轴线上的刻度产生变化。因此获得曲线n_ijk(r)的m×n×p矩阵，其中，各曲线n_i(r)产生具有不同r-刻度和n-刻度变化因素的n×p不同曲线。

然后，处理单元16对于各个曲线n_ijk(r)求解(方框430)具有该折射率型面的光纤中的电磁辐射的麦克斯韦传播方程，并通过使用例如由Qing-Yu-Li在“Propagation characteristics of single-modeoptical fibre with arbitrary refractive index profile：the finitequadratic element approach”J.Lightwave Technology 9(1991)22中所述的方法来确定至少预定光学传播参数P的值，该预定参数P由通过求解麦克斯韦方程而建立的传播条件而得出。在考虑的优选实例中，考虑了多个q参数P₁(1＝0、1、...q)。可能参数的实例是在1530nm的波型色散、在1565nm的波型色散、在1550nm的波场直径MFD以及截断波长。

然后，处理单元16使所述参数P₁的值与预定最小值和/或最大值P_1，min和P_1，max比较(方框440)。特别是，处理单元16考虑了目标函数G，该目标函数G测量使光纤在规格中的可能性，并考虑模拟错误的标准偏差。函数G可以涉及不同参数P₁如下：

$G={\mathrm{\Π}}_1[1-Q\left(\frac{P_1-P_{1,\min }}{{\mathrm{\σ}}_1}\right)-Q\left(\frac{P_{1,\max }-P_1}{{\mathrm{\σ}}_1}\right)]$

其中，Q(z)是递减函数，它在z＝0时为1，且当z接近无限是将接近零。当只强调一个条件时，该条件可以是在最大值的条件或者在最小值的条件，在前述公式中将没有涉及其它条件(最小值或最大值)的部分。对于各个不同曲线n_ijk(r)计算函数G，该函数G的最大值为1，从而获得值G_ijk的m×n×p矩阵。

根据上述表达式，对于包覆层质量OM_j的各个考虑值，可以联系拉制张力和沿芯棒的标准纵坐标z的相应两个不同离散函数G_ik。对于该示例函数G_ik，可以通过三次多项式差值(样条)来得出(方框450)相应的连续函数G(T，z)。因此，对于n个不同的包覆层质量值OM_j，将找到n个不同的连续函数G_j(T，z)。

对于各所述G_j(T，z)函数，可以在T-z平面找到路径T(z)，G(T，z)函数沿该路径最大(即最佳)，同时

$\frac{\∂G}{\∂T}{|}_z=0$

(或者G＝G(T₀，z)、或者G＝G(T_p，z)，当在给定位置z处，G在所考虑的张力范围的一个极值(T₀，T_p)处最大)。该路径是将用于拉制处理中的最佳T(z)函数。

最后，在前述n个值OM_j中确定(方框470)最佳包覆层质量OM，因为与T(z)曲线相关的该质量提供了G的最高值。

在该处理步骤结束时，处理单元16向控制单元5供给包含关于最佳准则T(z)和最佳质量OM的信息的信号，以便如前所述用于控制包覆层沉积处理和拉制处理。

作为实际情况的一个实例，直径为1cm且长度为110cm的芯棒7可以考虑进行分析：

十等分部分S₁、S₂、...S₁₀；

在5200g和7100g之间的、以100g为间隔的二十个包覆层质量值OM₁、OM₂、...OM₂₀；以及

在200和350g之间的、以25g为间隔的七个拉制张力值T₁、T₂、...T₇。

因此，在第二模拟结束时，获得10×20×7曲线n_ijk(V)的矩阵。在求解各所述曲线的麦克斯韦方程之后，例如可以考虑下面的条件：

在1530nm的色散(D1530)＞2ps/nm/Km；

在1565nm的色散(D1565)＜6ps/nm/Km；

10.0μm＞在1550nm的MFD＞9.2μm。

因此计算下面的校正参数G：

$G=[1-Q\left(\frac{D_{1530}-2}{{\mathrm{\σ}}_{1530}}\right)]\·[1-Q\left(\frac{6-D_{1565}}{{\mathrm{\σ}}_{1565}}\right)]\·[1-Q\left(\frac{\mathrm{MDF}-9.2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MDF}}}\right)-Q\left(\frac{10.0-\mathrm{MDF}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MDF}}}\right)]$

对于各个曲线n_ijk(r)，因此获得相应的10×20×7矩阵的G_ijk值，并如前述进行随后的操作。

本发明的处理也可以以另外的可选方式进行，其中，不是在芯棒7上检测折射率型面，而是在拉制处理之前直接在最终预制品20上检测。

当用于容纳最终预制品时，测量装置2的腔室6优选是充满折射率匹配液态(例如滑油)，该折射率匹配液态的折射率基本与预制品20的覆层部分的折射率相同。

因此，处理如流程图8所示进行变化，其中，这里以400′表示的、测量折射率型面的步骤变化成在使最终预制品固结的步骤(方框600)之后和在拉制光纤的步骤(方框700)之前。

在该可选处理中，包覆处理显然并不受到(在之前进行的)折射率型面测量的影响，所述测量结果只是用于干涉拉制处理。这时，测量折射率型面n(r)的处理(方框400′)可以如下面参考图9所述进行。

在第一步骤(方框410′)中对最终预制品20的多个m部分S_i(i＝1、2、...m)进行测量，方法与前面对芯棒7所述相同，这样获得多个m曲线n_i(r)。不同部分的曲线n_i(r)储存在处理单元16中。

然后进行模拟(方框420′)，其中，处理单元16判断折射率型面怎样受到拉制处理中对玻璃体的拉伸以及在拉制处理过程中拉制张力的变化的影响。特别是，考虑了多个p不同张力值T_k(k＝1、2、...p)。如前所述，玻璃体的拉伸将导致在n_i(r)曲线中在r轴线上的刻度变化，同时，改变拉制张力使得这些曲线在n轴线上的刻度变化。因此，可以获得曲线n_ik(r)的m×p矩阵，其中，各曲线n_ik(r)产生具有不同n刻度变化因素的p个不同曲线。

然后，处理单元16对于各个曲线n_ik(r)求解(方框430′)具有该折射率型面的光纤中的电磁辐射的麦克斯韦传播方程，并确定预定光学传播参数P₁的值。然后，处理单元16确定(方框440′)包括n_ik(r)曲线的目标函数G值的m×p矩阵G_ik。

由G_ik矩阵，处理单元16通过三次多项式差值(样条)来得出(方框450′)相应的连续函数G(T，z)，其中z为沿预制品的标准纵坐标。

然后，处理单元16在T-x平面中确定路径T(z)，G(T，z)函数沿该路径T(z)最大，即

$\frac{\∂G}{\∂T}{|}_z=0$

(或者G＝G(T₀，z)、或者G＝G(T_p，z)，当在给定位置z处，G在所考虑的张力范围的一个极值(T₀，T_p)处最大)。该路径是将用于拉制处理中的最佳T(z)函数。

本申请人进行了模拟和实验，以便证明本发明方法的效果。特别是，已经证明了拉制张力变化对前述参数D1530、D1565和MFD的效果。

图10a、10b和10c分别涉及前述P₁参数D1530、D1565和MFD。横坐标是指拉制光纤的标准长度，纵坐标对应于所述P₁参数在各图中，曲线a是在300g恒定拉制张力下拉制的光纤的模拟曲线，曲线b是第一个四分之一在250g张力且其余3个四分之一在300g张力的情况下拉制的光纤的模拟曲线，而曲线c是在与曲线b相同条件下拉制的光纤的实验曲线。虚线表示所述参数的最大和/或最小值(根据规格)。

可以看到，沿恒定张力进行拉制将导致所述参数沿光纤有较高变化，有超过规格界限的危险，张力的合适变化可以减小参数的变化范围。特别是，可以保证参数保持充分远离规格界限。

上述情况是非常简单的情况，它考虑了拉制张力在处理过程中的简单变化。在实际情况中，本发明方法可以考虑在拉制处理过程中改变拉制张力预定次数，以便减小光学传播参数的变化。

本领域技术人员应当知道，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明的所述实施例进行各种改变和变化。

例如，显然折射率型面测量可以在各种适于拉制成光纤的预制品上进行，特别是也可以在由VAD或MCVD沉积处理产生的预制品上进行。

而且，应当知道，尽管为了简明而表示和介绍了单个控制单元5，但是沉积装置3和拉制塔4可以由不同控制单元控制，该控制单元能够接收来自测量装置2的、怎样执行相应处理步骤的相应信息，以便减小折射率型面沿最终光纤的变化。

还应当知道，在最简单的方面，本发明的方法包括根据测量的折射率型面(在芯棒或在最终预制品中)来改变拉制张力，以便生成具有基本均匀光学传播参数的光纤。例如如前所述处理测量的折射率型面是提供要施加的拉制张力在拉制处理过程中的变化的最佳准则的优选方法。

Claims (19)

1.一种用于确定光纤拉制处理的拉制张力变化准则的方法，包括以下步骤：

测量在适于拉制成所述光纤的玻璃预制品的多个部分处的折射率型面，以便获得相应的多个折射率型面；以及

处理所述多个折射率型面，以便确定拉制张力变化准则。

2.一种用于确定光纤拉制处理的拉制张力变化准则的方法，包括以下步骤：

测量在适于形成光纤的中心部分的芯棒的多个部分处的折射率型面，以便获得相应的多个折射率型面；以及

处理所述多个折射率型面，以便确定拉制张力变化准则。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：处理所述多个折射率型面包括模拟使拉制张力变化对所述多个折射率型面的各折射率型面的影响。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，处理所述多个折射率型面包括：确定目标函数，该目标函数将至少预定光学传播参数与拉制张力以及与沿玻璃预制品或芯棒的标准纵坐标分别联系起来；以及找出在拉制张力值以及所述标准纵坐标的平面中使得所述目标函数最佳化的通路。

5.一种用于制造光纤的方法，包括以下步骤：

制造玻璃预制品；

测量在该玻璃预制品的多个部分处的折射率型面，以便获得相应的多个折射率型面；

处理所述多个折射率型面，以便确定拉制张力变化准则；以及

通过向所述光纤施加拉制张力而由所述玻璃预制品拉制所述光纤，它包括根据所述拉制张力变化准则来改变所述拉制张力。

6.一种用于制造光纤的方法包括以下步骤：

制造玻璃芯棒；

测量在该芯棒的多个部分处的折射率型面，以便获得相应的多个折射率型面；

处理所述多个折射率型面，以便确定拉制张力变化准则；

将玻璃灰体沉积在所述芯棒上，以便获得玻璃预制品；

使所述玻璃预制品固结；以及

通过向所述光纤施加拉制张力而由所述玻璃预制品拉制所述光纤，它包括根据所述拉制张力变化准则来改变所述拉制张力。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中：处理步骤包括模拟使拉制张力变化对所述多个折射率型面的各折射率型面的影响。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其中，处理步骤包括：确定目标函数，该目标函数将至少预定光学传播参数与拉制张力以及与沿玻璃预制品或芯棒的标准纵坐标分别联系起来；以及找出在拉制张力值以及所述标准纵坐标的平面中使得所述目标函数最佳化的通路。

9.根据权利要求6所述的方法，其中：处理所述多个折射率型面包括确定要沉积在所述柱形玻璃体上的所述玻璃灰体的量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：确定要沉积的所述玻璃灰体的量包括对各所述部分模拟使所述沉积玻璃灰体量变化对所述多个折射率型面的各折射率型面的影响。

11.根据权利要求5或6所述的方法，其中：改变所述拉制张力包括改变光纤拉制的速度。

12.根据权利要求5或6所述的方法，其中：拉制所述光纤包括使所述玻璃预制品处于玻璃熔融温度下，且改变所述拉制张力包括改变所述玻璃熔融温度。

13.一种用于确定光纤拉制处理的拉制张力变化准则的装置，包括：用于测量沿柱形玻璃体(7；20)的折射率型面的装置(2)，该柱形玻璃体适于形成光纤(23)的至少中心部分；以及处理单元(16)，用于处理所述测量的结果，以便获得所述拉制张力变化准则。

14.根据权利要求13所述的装置，其中：处理单元(16)包括用于模拟使拉制张力变化对测量的折射率型面的影响的装置。

15.一种用于制造光纤(23)的组件(1)，包括：

用于产生柱形玻璃体(7；20)的装置(3)，该柱形玻璃体适于形成光纤的至少中心部分；

如权利要求13或14所述用于确定拉制张力变化准则的装置；以及

拉制装置(4)，用于拉制所述光纤(23)，它包括拉制张力调节装置(5、25；5、26)，用于根据拉制张力变化准则来调节拉制张力。

16.根据权利要求15所述的组件，还包括：沉积装置(3)，用于将玻璃灰体沉积在所述柱形玻璃体(7)上，以便获得玻璃预制品(20)；以及固结装置，用于所述玻璃预制品(20)固结。

17.根据权利要求15所述的组件，其中，拉制张力调节装置(5、25)包括：玻璃熔融炉(25)；以及控制单元(5)，用于根据所述拉制张力变化准则向所述炉(25)发送控制信号。

18.根据权利要求15所述的组件，其中，拉制张力调节装置(5、26)包括：牵引装置(26)，用于由玻璃预制品(20)拉出光纤；以及控制单元(5)，用于根据所述拉制张力变化准则向所述牵引装置(26)发送控制信号。

19.根据权利要求15所述的组件，其中：处理单元(5)包括用于模拟使沉积的玻璃灰体量变化对测量的折射率型面的影响的装置。

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