CN1663922A - 拉制期间旋转光纤预型的光纤生产设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明包括生产光纤的方法和设备。光纤生产方法包括提供从其中拉出光纤的光纤预型；当预型正被运送通过拉制加热炉的加热区域时，围绕光纤预型的纵向轴线旋转光纤预型；以及从旋转预型中拉出光纤。以较为适中、受控的方式旋转光纤预型，当光纤从其中拉出时会改进光纤预型的几何形状的均匀性，这转而又减少拉出的光纤中的传输损耗和绞接损耗。光纤预型的旋转可以是恒定的或变化的，并发生于单向或双向。本发明还包括一种光纤生产方法，其中，当预型运送通过加热炉时，预型被旋转，并给予从旋转预型中拉出的光纤以自旋。本发明通过减少光纤的几何形状变形改进总体光纤的几何形状、PMD以及它们相关的光纤传输损耗。

Description

拉制期间旋转光纤预型的光纤生产设备和方法
                    发明的背景
技术领域
本发明涉及光纤。更具体的是，本发明涉及具有降低的偏振模色散(PMD)和改进的几何形状均匀性的光纤的生产设备和方法。
背景技术
在光纤生产领域内，已采用多种技术以生产具有提高质量的光纤，诸如降低的光损耗和降低的偏振模色散(PMD)。许多形式的光纤损耗起因于存在于光纤中的几何形状变形，这常常由常规的光纤生产工艺造成。一般说来，光纤通常在拉制架中通过垂直悬挂光纤预型，并在受控速率下将其送入拉制加热炉而生产。预型在加热炉中软化，光纤从预型杆的软化端由位于纤维拉制架底部的绞盘或其它合适的装置拉出。
通常，预型中材料的不均匀分布和/或纤维拉制工艺期间不均匀的热工艺(加热和冷却)常常引起纤维的毛病，诸如纤维卷曲、纤维包层的非圆度，以及纤维芯区域和纤维包层区域的纵向变化。这种纤维几何形状的变形，如由于铰接纤维之间的纤维包层直径的变化，引起纤维损耗，诸如与将两根光纤铰接在一起相关联的损耗。
通常，PMD和某些纤维几何形状的变形通过在光纤从光纤预型拉出后给予其自旋而被降低。见，例如美国专利No.5298047和美国专利No.5418881，它们均委托给本申请的代理人，然而，因为许多纤维的几何形状变形是由于光纤预型的原始变形，诸如预型椭圆度和预型包层区域的非圆度引起的，因此对从预型拉出后的光纤进行自旋可能对总体纤维的几何形状只有有限的效果。
另一改进纤维的PMD的一般措施是快速自旋光纤预型。见，例如A.Ashkin等，应用光学，20(13)卷，2299页；A.J.Barlow等，应用光学，20(17)卷，2962页；和S.C.Rashleigh，激光聚焦，1983年5月。然而，在这些措施中，为有有利结果所需的预型自旋速率位于约2400-6000转/分(rpm)的范围内，这样的自旋速率对商业纤维生产是不适当的高。
因此，需要一种可应用的、商业实际的生产光纤的方法和设备，它通过降低纤维几何形状的变形、纤维的PMD和相关的纤维损耗改进纤维的传输质量。
发明内容
本发明的实施例包括生产具有改进的传输质量的光纤的方法和设备。该方法包括提供从其中拉出光纤的光纤预型；当预型正被运送通过拉制加热炉的加热区域时，围绕光纤预型的纵向轴线旋转光纤预型；以及从旋转预型中拉出光纤。以较为适中、受控的方式旋转光纤预型，当光纤从其中拉出时会改进光纤预型的几何形状均匀性，这转而又减少拉出的光纤中的传输损耗和接合损耗。根据本发明的实施例，光纤预型的旋转可以是恒定或可变的，并发生于一个方向或双向(如顺时针和/或逆时针)。本发明的实施例还包括一种光纤生产方法，其中，当光纤预型运送通过拉制加热炉时，光纤预型被旋转，并给予从旋转预型中拉出的光纤以自旋。本发明的实施例通过减少光纤的几何形状变形改进总体光纤的几何形状、纤维PMD以及它们相关的光纤传输损耗。
附图说明
图1是根据本发明实施例提出的光纤生产设备的横截面简图；而
图2是根据本发明实施例提出的光纤生产方法的示意流程图。
具体实施方式
在以下说明中，相同的标号标明相同的部件，以加强通过附图的说明对发明的了解。此外，虽然下文讨论了特征、结构和布置，但应明白，这只是为了说明目的。相关领域的技术人员将认识到，只要不偏离本发明的精神和范围，其他步骤、结构和布置均是可用的。
现参看图1，图中所示是根据本发明实施例提出的光纤生产设备10的横截面简图。通常，光纤的生产是通过逐渐加热光纤预型12，再将预型的已加热部分拉制成光纤(总体表示成14)。预型12由诸如加热炉或拉制加热炉24的热源加热。预型12通常由卡盘18或其他适当的预型夹持装置从第一端16垂直向下悬挂。卡盘18受控地将预型12的第二端22下拉进入加热炉24，它将该部分预型加热至约2000-2200℃。当预型12通过加热炉24的加热区域时，预型12逐渐软化至尖端，在此处光纤被适当的装置，如位于加热炉24之下的绞盘37从预型12的软化端拉出。
预型12通常由石英玻璃制成，它具有要求的掺杂物剖面以改变其折射率。预型12具有纵向轴线28，并包括一个或多个区域，包括如芯区域和围绕芯区域形成的一个或多个保护包层区域。
存在若干生产光纤预型的常规工艺，包括改良的化学汽相沉积(MCVD)工艺、汽相轴向沉积(VAD)工艺、外侧汽相沉积(OVD)工艺，以及等离子体化学汽相沉积(PCVD)工艺。通常，包层区域通过应用管中杆(RIT)工艺围绕现存包层区域塌陷一根或多根外部包覆管而增大尺寸。见如美国4820322，它与本申请被共同拥有，并通过参考而包含于本文中。
许多用于生产光纤预型和纤维的工艺常常引起预型和/或纤维在几何形状上的不均匀。例如，许多预型不是足够的圆，或者所具的芯区域不圆。还有，控制的纤维在零应力下不总是完美的直线，这被称为纤维卷曲。此外，一个或多个预型包层区域常常设有一致的直径，从而围绕芯区域不对称。
这些几何形状不均匀性中有许多是由不均匀的材料分布和不均匀的热工艺造成的。即，当预型通过加热炉的加热区域时，控制加热炉或其他热源没有沿周边通过整个预型提供均匀的加热。同样，在随后的冷却工艺期间从已加热预型拉出的光纤常常不总是沿周边被均匀地冷却。这样的不均匀热工艺引起前述的几何形状不均匀性，这成为光纤传输性能下降的原因之一。例如，具有较大卷曲和/或不均匀包层直径的纤维成为绞接在一起的纤维的传输损耗的原因之一。
根据本发明的实施例，以适中、受控方式旋转光纤预型会改进预型区域的几何形状不均匀性，这造成由此拉出的光纤具有改进的传输质量，诸如降低的光学损耗以及降低的偏振模色散(PMD)。预型的旋转是在纤维从其中拉出前进行的。根据本发明的替代性实施例，预型旋转，而从其中拉出的纤维则在其冷却时，如以美国专利No.5418881中讨论的方式进行自旋，该专利与本申请被共同拥有，并通过参考而包含于文中。根据本发明实施例生产的光纤所具有PMD系数通常小于约0.2皮秒/(千米)1/2。
现参看图2，并继续参看图1，图2是根据本发明实施例提出的光纤生产方法40的简化流程图。方法40的一个步骤42是提供光纤预型12。如本文先前讨论的，提供的预型12通常是一根玻璃棒，它具有纵向轴线28及被一个或多个包层区域围绕的芯区域。预型12由若干适当工艺，如MCVD、VAD和RIJ工艺的任一工艺制成。
方法40的另一步骤44是加热光纤预型12。预型12的加热是使预型12逐渐通过加热炉24的加热区域或其它适当的热源而实现的。预型12在其第一端16被卡盘18或适于夹持和定位预型12的其它装置或机构加以紧固。通常，卡盘18从第一端16垂直悬挂预型12，并将预型12的第二端22逐渐下降进入加热炉24。当预型12通过加热炉24的加热区域时，预型12逐渐软化得足以允许光纤从其中拉出。
根据本发明的实施例，方法40的另一步骤46是相对热源24旋转光纤预型12。通常，热源24是静止的，这样，根据本发明的实施例，当卡盘18移动预型12通过加热炉24的加热区域时，卡盘18还围绕光纤预型12的纵向轴线28旋转光纤预型12。应用在预型12通过热源24的加热区域的同时，相对热源24旋转预型12，本发明的实施例提供贯通整个预型几何形状的一致、均匀的加热，此均匀加热促进预型和从预型拉出的光纤的几何形状的改进。根据本发明的替代性实施例，能适中、受控地旋转的热源在光纤预型直线地通过加热炉加热区域的同时围绕预型12的纵向轴线28旋转。
如本文先前讨论的，常规的光纤预型生产工艺常常引起在预型中产生几何形状不均匀性。这样的不均匀性包括非圆形芯区域和/或包层区域、沿预型长度的变化的芯区域直径，以及不对称的包层区域(如沿预型长度的不一致的包层直径)。然而，根据本发明的实施例，在加热光纤预型的同时旋转光纤预型促使预型的软化部分变得几何形状更为均匀。
例如，预型的已加热、软化部分的旋转趋于使不同的预型区域，如芯区域和包层区域(多个包层区域)，更圆。预型通过加热区域的旋转向预型提供一致、均匀的热辐照和离心力，这促使预型软化部分中的各种几何形状不均匀性变得几何形状更为均匀。这样，先前在其生产期间形成在预型中的几何形状不均匀性减少和/或消失。例如，芯区域和/或包层区域(多个包层区域)变得更圆，它们沿预型长度的各自直径变得更一致。这样，从这种预型中拉出的光纤趋于几何形状更均匀，从而趋于具有较低的PMD和较少的由几何形状不均匀性引起的传输损耗。
根据本发明的实施例，卡盘18围绕光纤预型12的纵向轴线28以受控的方式旋转光纤预型12，其速率在约0至600转/分(rpm)的范围内。常规关于光纤预型自旋的讨论只涉及快速自旋(如6000rpm)，这在现有纤维生产工艺中是商业上不实际的。这样，虽然已考虑预型的快速自旋是常规的，但如此快速的预型自旋的商业不现实性已使纤维生产者脱离对预型的操作，因此代之自旋已从预型一旦拉出的纤维。见，如美国专利No.5418881。
还有，根据本发明的实施例，光纤预型12的旋转方式和/或频率是恒定或可变的。例如，在发明的一个实施例中，光纤预型的旋转速率是常数，并在单一方向(如顺时针)。然而本发明的实施例也允许在多个方向旋转，允许预型旋转的速度和/或方向是可变的。这样，根据本发明的某些实施例，预型在第一方向(如顺时针)以常速或以变速旋转，和/或在第二方向(如逆时针)以常速或以变速旋转。根据本发明的实施例，预型以转速(即常数和/或可变)和方向(即顺时针和/或逆时针)的任何组合加以旋转。
方法40的另一步骤48是从预型12拉出光纤14。拉制步骤48，如以常规方式加以实现。当预型12通过加热炉24的加热区域时，预型12变得足够的软，使铰盘37或其他合适的装置得以从预型12拉出光纤14。纤维14通过加热炉24与铰盘37之间的各种常规装置，如一个或多个测量装置31、退火装置32、冷却装置33、一个或多个涂层模具34、另一个测量装置35、固化装置36，以及纤维自旋装置38。绞盘37以常规方式将纤维14移动至卷线盘(未表示)。
根据本发明的替代性实施例，方法40包括步骤52，它在光纤14从预型12拉出后给光纤14以自旋。纤维自旋步骤52以常规方式，如在美国专利No.5298047讨论的进行，该专利与本申请被共同拥有，并通过参考而包含于文中。如在这些参考文献中讨论的，一旦光纤从光纤预型中拉出，给予光纤以自旋会减少光纤中的PMD。例如，通过改变纤维自旋装置38的定向，如通过将纤维自旋装置38围绕与拉制架轴线相平行的方向倾斜一个角度，给纤维以自旋。
这样，根据本发明的替代性实施例，将光纤预型加以旋转以改进预型中的几何形状均匀性，而将从旋转预型中拉出的光纤加以自旋以减少纤维中的PMD。因此，由本发明替代性实施例生产的光纤既得益于纤维由其拉出的预型的旋转，也得益于给予的自旋。也即，最终的纤维从几何形状更为均匀的预型中拉出，从而减少了由预型不均匀性以及PMD引起的传输损耗和绞接损耗的潜在源泉，并具有给予其中的自旋，从而减少PMD。根据发明的实施例，按照本发明实施例生产的光纤的PMD约小于0.2皮秒/(千米)1/2。
对本技术的技术人员而言，显然对本文说明的本发明实施例可进行许多改变和替换，只要不偏离由所附权利要求限定的发明的精神和范围，以及等同物的全部范围。

Claims (21)

1.一种光纤制作方法，包括如下步骤：
提供光纤预型，该预型具有一纵向轴线；
在一热源中，当光纤预型由其通过时，至少加热部分光纤预型；
围绕光纤预型的纵向轴线相对热源放置光纤预型；以及
从已加热的、旋转的光纤预型中拉拔光纤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转步骤还包括，在小于约600转/分(rpm)的转速下，围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在旋转步骤中，以不变转速围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在旋转步骤中，以变化转速围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转步骤在第一旋转方向围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转步骤在第一旋转方向和与第一旋转方向相反的第二旋转方向之间，交替地围绕光纤预型的纵向轴线相对热源交替地旋转光纤预型。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转步骤还包括如下步骤，保持热源不旋转，并围绕光纤预型的纵向轴线旋转光纤预型。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转步骤还包括如下步骤，保持光纤预型不旋转，围绕光纤预型的纵向轴线旋转热源。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤，当光纤从光纤预型拉出时，自旋光纤。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光纤所具有的PMD系数约小于0.2皮秒/(千米)1/2。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，热源还包括加热炉。
12.一种制作光纤的设备，该设备包括：
热源，用于加热由此通过的光纤预型；和
卡盘，用于夹持光纤预型的一个端部，并运送光纤预型通过热源，
其中，光纤预型被拉成光纤，其中，光纤预型具有纵向轴线，并且，当光纤预型通过热源时，设备围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，设备在小于约600转/分(rpm)的转速下，围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，设备在不变转速下，围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，设备在变化转速下，围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
16.如权利要求12所述的设备，其特征在于，设备在第一旋转方向，围绕光纤预型的纵向轴线相对热源旋转光纤预型。
17.如权利要求12所述的设备，其特征在于，设备在第一旋转方向和与第一旋转方向相反的第二方向之间，围绕光纤预型的纵向轴线相对热源交替地旋转光纤预型。
18.如权利要求12所述的设备，其特征在于，热源保持不旋转，而当卡盘运送光纤预型通过热源时，卡盘围绕光纤预型的纵向轴线旋转光纤预型。
19.如权利要求12所述的设备，其特征在于，卡盘保持不旋转，而当卡盘运送光纤预型通过热源时，热源围绕光纤预型的纵向轴线旋转。
20.如权利要求12所述的设备，其特征在于，该设备还包括自旋装置，用于使光纤从预型拉出时自旋。
21.如权利要求12所述的设备，其特征在于，热源还包括加热炉。
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