CN1989078A - 用于制造光纤的方法、用于制造光纤的预制件、光纤和设备 - Google Patents

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Abstract

用于制造光纤的方法包括下列步骤：将具有第一主轴线(x1)和外表面(111)的一次光纤预制件插入到具有第二主轴线(x2)和内表面(120)的薄壁外包管(12)中，以使所述外表面(111)和内表面(120)限定内部空间(15)；使得一次预制件(11)在外包管(12)内保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主轴线(x1、x2)基本上相互对准；将外包颗粒(13)供给到由壳体(125)限制在外包管(12)下端处的内部空间(15)内；利用连接件(3)在被限制在外包管(12)上端的内部空间(15)内产生负压的状态，所述连接件(3)用于使一次光纤预制件(11)和外包管(12)定位；以及在其下端对未经处理的二次预制件(1)(所述二次预制件包括一次预制件(111)、外包管(12)和外包颗粒(13))加热至软化状态，以便于同时或随后从中拉丝出光纤(5)。

Description

用于制造光纤的方法、用于制造光纤的预制件、光纤和设备
技术领域
本发明涉及用于制造光纤的方法和设备，还涉及用于制造光纤的预制件以及涉及根据所述方法制造的光纤。
背景技术
在文献[1]，Mool C.Gupta的Handbook of PHOTONICS，CRCPress，1997 Boca Raton的10.7章第445-449页中描述了光纤(诸如当前用在超高速数据通信网络中的纤维)的制造。光纤制造的主要程序步骤是：制造玻璃毛坯(下面称作预制件)、从预制件中拉丝出纤维以及在纤维上涂覆用于保护所述纤维免受触摸(handling)以及免受环境影响的材料。
根据文献[1]，基本上存在三种形成预制件的方法，即，改进的化学气相淀积(MCVD)、外气相沉积法(OVD)以及轴向气相沉积法(VAD)。
在拉丝过程中，从上方将预制件装入熔炉的拉丝部分中同时使用牵引器从底部将其拉出。之后将纤维缠绕在鼓上同时监控抗拉强度。拉丝期间的温度在2000℃的边界上。在从熔炉中排出之后，在缠绕在鼓上之前纤维以可紫外光固化的涂层涂覆。
如文献[2]，美国6,519,974 B1中所述的，MCVD法具有优于其他方法的一些优点。在MCVD法中，通过在大约1800℃的温度下混合氯化物蒸气和氧气将连续的SiO2层和包括氧化锗、磷及氟的掺杂剂沉积在熔结石英管的内侧上。在层沉积程序中，首先铺设包覆层、之后沉积将构成芯的层。在层的沉积之后，在存在Cl2和He的情况下加热内层石英管以构成致密石英杆。
如文献[2]中进一步描述的，单独使用MCVD法具有以下固有局限性，即，其不适合于制造直径大于25mm的预制件。为了克服该局限性，在实践中MCVD法通常与所谓的外包法结合使用，这可制造较大的预制件，因此提高了纤维制造工艺的生产率。通常来说，传统外包法包括：将杆形预制件放置在由适合的外包材料制成的管内部、将杆和管熔化在一起以形成二次预制件、以及从二次预制件中拉出包括密封在包覆层中的芯的光纤。实现MCVD法的高生产率需要三个基本步骤：通过内部沉积制备一次光纤预制件、对一次光纤预制件进行外包以获得二次光纤预制件、并最终从二次光纤预制件中拉出光纤。
在[2]中，发现分别执行这三个步骤需要以下几项：
a)需要大量时间，因此对生产率具有负作用；
b)包覆一次光纤预制件的步骤需要大量氧和氢；以及
c)如果一次光纤预制件较大的话，在外包步骤需要施较大量热量。
为了克服这些缺点，例如在文献[3]美国专利第2,980,957中提出了外包步骤和拉丝步骤的组合。文献[3]中公开的方法包括以下步骤：在拉丝阶段之前，在芯杆和与之同心布置的外包管之间形成高真空，并进一步形成受控低真空，以便于可控地抵消拉拔力并使得管状件逐渐缩入到(collapse into)芯杆与外包管之间的空间中。在组合外包步骤和拉丝步骤阶段的一个问题是必须高精度地控制真空的应用，从而使得所完成的光纤具有现代通信应用所需的充足的强度和光学性能。
文献[2]中提到的另一个方面是芯杆和外包管的同心性。在文献[4]美国专利第4,820,322中公开了一种方法，该方法：可用同心芯杆和包覆物制造强力纤维、使用真空促进外包管的缩入、以及可以独立制造阶段或以与纤维的拉丝相组合的连续程序的方式实践。如文献[2]中所述的，文献[4]中公开的方法在芯杆与外包管之间的间隙上具有限制；管内径不能超过杆直径到多过某一量。另外，该实施例组合缩入管和拉出纤维不使用确定方式(affirmative means)将杆置于管中心，而是依赖固有自定中心力达到同心性，人们认为当从杆-管预制件的尖端中拉出纤维时存在所述固有自定中心力。
为了改进上述技术，在[2]中已提出了一种方法，该方法允许在同时熔化杆和外包管时从杆-管预制件中拉出光纤。该管中杆方法使用可进行压力差的精细调节的低强度真空源。还可供芯杆与外包管的可控对齐以确保在所拉出的纤维中实现期望的包覆层圆周均匀性。通过将气体流引入到连接件(adjioner)而实现低强度真空，该连接件将具有第一主轴线及外表面的一次光纤预制件和具有第二主轴线及限定了内部空间的内表面的外包管保持同轴地对齐，它们一起作为二次预制件组件。根据伯努利定理，流过邻接处中的槽的气体流产生减压的状态，因此部分地排空外包管与一次光纤预制件之间的空间。流过槽的流速将决定空间中气压减小到哪种程度。
根据文献[2]，与管中杆程序的实现相关的主要问题集中在对齐程序和精确控制的真空的施加上。然而，除这些已知的主要问题以外，从管中杆预制件中生产高质量光纤所需的成本也一直是个问题。
因此最好提供可从管中杆预制件中生产高质量光纤的改进方法和设备。
具体地，最好提供可在显著降低的成本下从管中杆预制件中制造高质量光纤的方法。
另外，最好提供允许减少对于杆-管预制件的杆和管的对齐精确度的要求以及减少对于用于控制用于顺序地或同时进行预制件熔化和纤维拉出所需的真空的精确度的要求的方法。
另外，最好制造可与本发明方法结合使用的杆-管预制件，以及从所述杆-管预制件中拉出高质量光纤。
另外，最好制造这样一种杆-管预制件，其允许以减少的劳动强度改变从所述杆-管预制件中拉出的光纤的特性。
发明内容
本发明的上述和其他目的由根据权利要求1的方法、根据权利要求6的二次预制件、根据权利要求9的光纤以及根据权利要求10的设备来实现。
用于制造光纤的方法包括下列步骤：
将具有主轴线和外表面的一次光纤预制件插入到具有第二主轴线和内表面的外包管中，以使所述外表面和内表面限定内部空间；
使得一次预制件在外包管内保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主轴线基本上相互对准；
将外包颗粒供给到由壳体限制在外包管下端处的内部空间内；
利用连接件在被限制在外包管上端的内部空间内产生负压的状态，所述连接件用于使一次光纤预制件和外包管定位；以及
利用温度范围最好在2100℃至2250℃的范围内的炉在其下端对未经处理的二次预制件(所述二次预制件包括一次预制件、外包管和外包颗粒)加热至软化状态，同时从中拉丝出光纤，或者
利用炉对未经处理的二次预制件(所述二次预制件包括一次预制件、外包管和外包颗粒)在其基本整个长度上加热以获得处理后的二次预制件，在随后的阶段中从中拉丝出光纤。
由于炉所提供的热能以及由于在预制件中和预制件外部存在的已形成的压力差，将导致外包管皱缩并将熔融外包颗粒压制在一次预制件上。
外包管和外包颗粒的外包材料将形成实际上的均质层，如[2]中所述的，在传统杆和管应用中，当其皱缩时，该均质层以与粗外包管相同的方式连接一次预制件。
如[2]中所述的，可同时执行二次预制件的熔化和纤维拉丝。然而，为了在当前或另一个处理位置获得处理后的二次预制件(在随后的处理阶段中可从中拉丝出光纤)，也可在预备处理阶段中处理所述未经处理的二次预制件。
然而本发明产生了优越于上述现有技术的若干优点：
摒弃通过在一次预制件上套上具有厚壁的外包管制造二次预制件的已知方法。取而代之，使用具有薄壁的外包管并且在一次预制件与外包管的内部空间之间填充硅石颗粒。因此避免了用厚壁制造外包预制件的劳动强度和成本。取代具有厚壁的昂贵的硅石管，可使用硅石颗粒。
由于外包颗粒的活动性，一次预制件的外表面与外包管的内表面之间的内部空间或间隙均匀地填充有硅石颗粒。因此导致一次预制件与外包管之间的未对准。除消除对齐问题以外，由于外包管未受控制地未皱缩到自由间隙中而是稳定地压制在支撑颗粒上，因此降压的控制是非关键性的。
优选地，最好将薄壁外包管的内径选择为比一次预制件的外径大至少1.5倍并比其壁直径大10倍以上。然而，实际上可实现由相关元件的机械强度支持的任何尺寸的。
另外，优选地，所述外包管在其下端装有成圆锥形形成的壳体，以使得外包管和一次预制件的壁在其下端相遇并且硅石颗粒可填充到内部空间中。由于优选实施例中的一次预制件在其下端也包括圆锥形形状，因此显著地促进对准程序。
在安装连接件之前或安装连接件之后，通过设在其中的通道将由具有小直径的颗粒(例如，粉末)构成的外包颗粒插入到内部空间中。
外包颗粒可为纯的或掺杂的合成硅石粉末，可根据所制造的纤维的期望特性选择所述合成硅石粉末。在[6]美国专利6,047,568中描述了使用溶胶凝胶技术制造硅石粉末的方法，此外，在[7]美国专利6,334,338中描述了其他的溶胶凝胶技术，用于在拉丝处理期间实现更高的拉丝力和减小断裂危险。因此本发明还提供了高灵活性以满足客户需求。
附图说明
已描述了本发明的一些目的和优点，结合附图阅读以下描述可明白其他的目的和优点，其中：
图1示出了具有第一主轴线x1的一次预制件11；
图2示出了根据本发明方法的具有第一主轴线x2的薄壁硅石管12用作外包管12，在其下端具有圆锥形壳体125；
图3示出了保持在外包管12中的中央插入位置中的一次预制件11，其中所述第一和第二主轴线x1、x2基本上彼此对准；
图4示出了具有一次预制件11和具有内部空间15的图3的外包管12的未经处理的二次预制件1，所述内部空间15是由一次预制件11的外表面111和外包管12的内表面限定的，填充有外包颗粒13；
图5示出了图4的二次预制件1，其中连接件3部分地插入于外包管12中，将一次预制件11保持在集中位置中并在其上侧封闭并密封内部空间15；
图6示出了二次预制件1，具有连接件3，其允许通过沟道38插入外包颗粒13；
图7详细地示出了图5的二次预制件1的上端；
图8示出了用于图4二次预制件1的连接件3；
图9示出了图6连接件3的截面图，其中提供了用于外包颗粒13的插入的沟道38；以及
图10示出了用于从图5的二次预制件1中拉出光纤的设备。
具体实施方式
图1示出了具有第一主轴线x1、外径d1和外表面111的一次预制件11。这样一个预制件的制造已经如上所述。
图2示出了薄壁硅石管12，具有第一主轴线x2、内径d2、外径d20和内表面120。下端包括圆锥形壳体25的薄壁硅石管12根据本发明方法用作外包管12。这种硅石管从几个制造商获得。
图3示出了在外包管12内被固定在中心插入位置的一次预制件11，其中所述第一和第二主轴线x1、x2基本上相互对准。
外包管12的圆形壁的直径d20例如比其内径d2小10倍。但是，所述直径d2/d20的比值可高达50或者更大。外包管12的内径d2与一次预制件11的外径d1的比值d2/d1例如在1.5至5或者更大的范围内。
因此，由一次预制件11的外表面111和外包管12的内表面120限定的内部空间15的体积较大，即，比一次预制件11的体积大几倍。
图4示出了具有图3的一次预制件11和外包管12的未经处理的二次预制件1，内部空间15充填有外包颗粒13，根据在拉丝过程中的所需性能或者考虑到其以后的性能而选择的纯的或者掺杂合成硅石颗粒或者粉末。
图1a、2a、3a和4a示出了沿着图1至4中的线s的一次预制件11、外包管12和外包颗粒13的横截面。
图5示出了图4的二次预制件1，具有插入在外包管12中的连接件3，连接件3将一次预制件11固定在中心位置并且在上侧封闭和密封内部空间1。在本发明的该实施例中，在安装连接件3之前外包颗粒13已经被插入到内部空间15中。
图6示出了对准的并且被连接件3覆盖的一次预制件11和外包管12，连接件3包括槽38，外包颗粒13可通过通道38被插入。
具有第一主轴线x3的图5和图6中所示的连接件3还包括抽真空通道32、33，利用真空泵22可通过抽真空通道32、33对充填有外包颗粒3的二次预制件1抽真空。
图5和图6还示出了供热源或者炉23，供热源或者炉23可使得二次预制件1的下端被加热到例如在2100℃至2350℃的范围内的温度。由于由炉23提供的热能和存在于二次预制件内外的所建立的压力差，外包管12将崩溃并且将熔融的外包颗粒13压在一次预制件11上。这样，外包管12的外包材料和外包颗粒13将形成连接一次预制件的基本均匀的层。
图5a和6a示意性地示出了熔化后的二次预制件1的横截面。
二次预制件1的熔融和纤维拉丝可同时进行。但是也可在纤维被拉丝之前完全处理二次预制件1。
图6详细地示出了图5的二次预制件1的上端的截面图。被插入到外包管12中的连接件3包括两个周向圆形沟槽，所述两个周向圆形沟槽具有密封元件，例如O形圈，以紧密地连接和密封外包管12的内表面120使得被连接件3限制的内部空间15、一次预制件11的外表面111和外包管12的内表面120以及下端的其壳体125可被抽真空。可通过设置在连接件3中的抽真空通道32和33以及通过将连接件3与真空泵22相连的管220进行抽真空。在抽真空后可利用关闭的阀221使得管220与连接件3相连。相反，为了产生负压条件，气体可被供给到连接件3中的相应通道中，如[2]中所述。
图7至图9中所示的连接件3还包括；与第一主轴线x3同轴对准的圆柱形开口31和与第一主轴线x3同轴对准的两个圆柱形部分35，圆柱形开口31具有等于一次预制件11的外径d1的直径d3，圆柱形部分35具有等于外包管12的内径d2的直径d4。因此，连接件3可被插入到外包管13中以使圆柱形部分35连接外包管12的内表面120，并且一次预制件11插入到圆柱形开口31中从而形成封闭的或者被密封盖39封闭的端部36。
为了使得连接件与外包管12的内表面120密封，提供两个连接所述圆柱形部分35的沟槽，密封元件91插入到所述沟槽中。
图8示出了用于图4的二次预制件1的连接件3，图9示出了图7的连接件3的截面图，通道38是为外包颗粒13的插入而提供的。在图9中，还示出了相对于连接件3的主轴线x3同心布置的第一抽真空通道32，其直径d5远大于邻接的圆柱形开口31的直径d3。
图10示出了用于从图5的二次预制件1拉出光纤5的设备。在二次预制件1被加热到其熔点并且光纤5已经拉后，形成被称为颈缩的角度区域。一个光纤5以半熔融状态从预制件出现并且通过直径监测仪24。光纤5继续被向下拉并且通过涂层涂布装置25，涂层涂布装置25涂布涂层以保护光纤5。光纤5还通过其他单元26、27以使得光学涂层固化并且监测在涂布涂层后的总的直径。接着，光纤5遭遇旋转设备28，旋转设备28可包括为光纤提供旋转的辊。接着，光纤25最后遭遇一系列辊(未示出)以在光纤被卷绕在鼓或者卷轴29上之前拉光纤。二次预制件1被安装在固定装置21中，固定装置21能够沿着其轴线x123可控地垂直移动并且最好围绕该轴线转动。另外，固定装置21可被设计成在二次预制件上施加振动以使得被提供到内部空间15中的外包颗粒13凝结。
上述内容仅是为了说明本发明的原理的应用。本领域技术人员可在不脱离本发明的保护范围的基础上采用其他布置。一次预制件11和外包管12的尺寸以及外包颗粒或者粉末13的量可在宽的范围内选择。重要的是，注意尺寸不限于上述示例。材料根据制造参数和被制造的光纤所需的性能来选择。可以各种方式设计连接件3的通道和开口31、32、33、38和密封装置34、39、91。在外包管12的下端处的壳体125可具有完全不同于圆锥状的形状。但是，壳体125和一次预制件的下端最好匹配以有助于对准。可以已知的方法施加和优化拉出光纤的条件(例如见[5]，EP 1384700A1)，以使优选操作参数，诸如炉温和拉丝速度可被找出。因此，这样的操作参数没有受到上述值限制。
参考文献：
[1]Mool C，光子学手册，CRC Press，1997Baca，Raton，第10.7章，第445-449页。
[2]美国，6,519,974B1
[3]美国专利，第2,980,957
[4]美国专利第4,820,322
[5]EP 1384700A1
[6]美国专利6,047,568
[7]美国专利6,334,338

Claims (10)

1.用于制造光纤的方法，包括下列步骤：
将具有第一主轴线(x1)和外表面(111)的一次光纤预制件(11)插入到具有第二主轴线(x2)和内表面(120)的薄壁外包管(12)中，所述外表面(111)和内表面(120)限定内部空间(15)；
使得一次预制件(11)在外包管(12)内保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主轴线(x1、x2)基本上相互对准；
将外包颗粒(13)供给到由壳体(125)限制在外包管(12)下端处的内部空间(15)内；
利用连接件(3)在被限制在外包管(12)上端的内部空间(15)内产生负压的状态，所述连接件(3)用于使一次光纤预制件(11)和外包管(12)定位；以及
利用炉(23)对未经处理的二次预制件(1)在其下端加热至软化状态，同时从中拉丝出光纤(5)，所述二次预制件包括一次预制件(111)、外包管(12)和外包颗粒(13)，或者
利用炉(23)对未经处理的二次预制件(1)在其整个长度上加热以获得处理后的二次预制件(1)，在随后的阶段中从中拉丝出光纤(5)，所述二次预制件包括一次预制件(111)、外包管(12)和外包颗粒(13)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外包管(12)的内径(d2)比一次预制件(11)的外径(d1)大至少1.5倍并比其壁直径(d20)大10倍以上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述外包管(12)包括以圆锥形形成的壳体(125)，和/或在安装连接件(3)之前或安装连接件(3)之后，通过设在其中的通道(38)将由具有小直径的颗粒构成的外包颗粒(13)插入。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述外包颗粒(13)可为纯的或掺杂的合成硅石粉末，所述合成硅石粉末是根据所制造的纤维(5)的期望特性选择的。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述炉(23)中的温度选择在2100℃至2350℃的范围内。
6.为制造光纤设计的二次预制件(1)，包括：具有第一主轴线(x1)和外表面(111)的一次光纤预制件(11)；以及具有第二主轴线(x2)、内表面(120)和在其下端的最好为圆锥形的壳体(125)的外包管(12)，所述一次预制件(111)基本上处于在外包管(12)内的中心插入位置以使外表面(111)和内表面(120)限定内部空间(15)，所述内部空间(15)至少部分地充填有外包颗粒(13)。
7.如权利要求6所述的二次预制件(1)，其特征在于，所述一次预制件(11)的上端和外包管(12)被连接件(3)固定和密封，所述连接件(3)具有第三主轴线(x3)并且包括：
a)与第三主轴线(x3)同轴对准的圆柱形开口(31)，所述圆柱形开口(31)具有等于第一预制件(11)的外径(d1)的直径(d3)，
b)与第三主轴线(x3)同轴对准的至少一个圆柱形元件(34、35)和密封件(91)，所述密封件(91)具有等于外包管(12)的内径(d2)的直径(d4)，以及
c)可与真空泵或者供气源(22)相连的抽真空通道(33)。
8.如权利要求7所述的二次预制件(1)，其特征在于，所述连接件(3)包括至少一个设计用于将外包颗粒(13)插入到内部空间(15)中的通道(38)和/或所述连接件(3)包括位于上端(36)的密封盖(39)，圆柱形开口31被引导通过所述上端(36)。
9.根据权利要求1至5中任意一项所限定的方法制成或从权利要求6至8中任意一项所限定的二次预制件中拉丝出的光纤(5)。
10.用于通过权利要求1至5中任意一项所限定的方法制造二次预制件(1)和/或光纤(5)的设备，包括用于固定和轴向移动、转动和/或振动二次预制件(1)的装置(21)以及炉(23)，并且如果适合的话，具有拉制和涂布被拉出的光纤(5)的装置。
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