专利名称：通过椭圆度的改善最终具有低pmd的光纤预制棒的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种通过光纤椭圆度的改善制造最终具有低PMD(偏振模色散)的光纤预制棒(perform)的方法，并且特别涉及一种通过优化与温度相关的缩棒(collapse)速率、喷灯的移动速度及缩棒处理期间中空预制棒内压和外压之间的差来改善光纤的椭圆度及PMD的方法。
此外，本发明涉及一种方法，该方法通过经几次缩棒处理在封闭中空预制棒之前保持中空预制棒的内径在2mm至4mm范围内的一固定值来改善PMD，并且然后采用蚀刻一起封闭中空预制棒，以将折射率下降(dip)现象减小到最少。
背景技术：
一般而言，通过在高温下拉伸包括一纤芯(core)和包层(clad)的预制棒，制造广泛用作波导以用于光传输的光纤。
众所周知，用于制造光纤预制棒的方法一般分为外侧沉积法或内侧沉积法。
在内侧沉积法情况下，通过如MCVD(改进化学气相沉积)技术将火焰水解法(soot)产生气体如SiCl4、GeCl4、POCl3与氧一起注入到一管件(tube)中。然后，通过一喷灯(torch)加热该管件，以通过热氧化方式促使在管件内表面中沉积，由此形成包层和纤芯。
当在上述处理中形成包层和纤芯时，在管件中存在一中空部分。因此，要求进一步进行缩棒处理，通过从外侧施加热量至包层和纤芯以使该管件更紧密。
缩棒处理是非常重要的处理，其相当大地影响光纤预制棒的几何结构。例如，如果管件10的椭圆度、纤芯1及包层2没有图1中的预制棒剖面所示的适宜，则PMD增加，并且因此对光传输特性带来不良影响。
考虑到椭圆度关键取决于受热中空预制棒的粘滞性及表面张力，并且该粘滞性和表面张力易于随如温度这样的因素而改变，为了得到充分的椭圆度，获得在缩棒处理中相关因素的最佳数据是很重要的。
此外，在上述的缩棒处理中，在高于沉积处理温度的2000至2300℃温度下加热完成纤芯沉积的中空预制棒，以便降低中空预制棒的内径和外径。在该温度下，中空预制棒的内壁和外壁同时达到软化温度，由此产生了滞流。此刻，可知由于中空预制棒的内压和外压之间的差异，产生朝向最小化中空预制棒表面能量方向的表面张力，并且也产生朝向中空预制棒的内圆周的滞流。因此，考虑到缩棒速率极大地受中空预制棒的内压和外压之间的差异及受热中空预制棒的粘滞性和表面张力的影响，并且该粘滞性和表面张力易于随如温度、加热时间、内径和外径这些因素而改变，就可知椭圆度的改善与缩棒速率紧密相关。
另一方面，由于在高于沉积处理温度的2000至2300℃温度下加热完成纤芯沉积的中空预制棒，因此可能出现GeO2的挥发，GeO2为纤芯中的一种添加剂。
因此，GeO2的浓度在沉积的纤芯的内表面上下降，由此产生一指标(index)下降，例如在纤芯中心处折射率的下降，如图9所示。此外，挥发的GeO气体间或重新在热源的前面凝结为GeO2并且然后分散在纤芯中，所以在纤芯中心可能产生一指标峰值，此处的折射率再一次升高。
由于由单模中折射率不对称引起的微曲和静电应力导致损耗增加，折射率的指标下降和指标峰值及产生的轴向不均匀可使PMD恶化，并且可能严重降低多模带宽。
因此，为了蚀刻掉具有低折射率的部分，进行一次蚀刻处理以流入一种蚀刻气体如C2F6、C3F8、C4F10，并且然后进行最后的缩棒处理(此后，称为“一封闭处理”)，用以消除内侧孔以制造一玻璃棒，来制造一光纤预制棒。
然而，由高温引起的GeO2的挥发也可能出现在封闭处理中。因此，为了防止该挥发，优选恰好在封闭处理之前最小化中空预制棒的内侧表面积。
尽管在缩棒处理之后最小化中空预制棒的内径，然而该内径在蚀刻处理期间由于内部水压而增加，所以，在封闭处理中最小化或防止GeO2的挥发仍然受到限制。
发明内容
针对上述问题设计出本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种缩棒方法，用于通过优化与中空预制棒的温度相关的缩棒速率、喷灯的移动速度及中空预制棒的内压和外压之间的差，改善光纤的椭圆度和PMD(偏振模色散)。
此外，本发明的另一个目的是提供一种方法，用于通过经几次缩棒步骤在封闭中空预制棒之前保持该中空预制棒的内径为2至4mm范围内的一固定值来改善PMD，并且然后与蚀刻处理一起进行封闭中空预制棒，以最小化折射率下降现象。
为了达到上述目的，本发明提供了一种通过在缩棒处理中优化一中空预制棒的缩棒速率来改善光纤的椭圆度与PMD的方法，其中该缩棒处理具有几次缩棒步骤，并且每次缩棒步骤的缩棒速率为0.01至0.06mm/min。优选的，该缩棒处理包括3至5次缩棒步骤及一次封闭步骤，并且用于加热管件的喷灯的移动速度设置在2至24mm/min范围内，以使得预制棒管件展现令人满意的表面张力，以获得令人满意的椭圆度。
还优选的，加热管件以使得管件表面的温度为2000至2300℃，管件内压和外压之间的差为0至10mmWC，并且喷灯的移动速度为2至24mm/min。
根据本发明的另一个方案，还提供一种用于缩棒一光纤预制棒的方法，其中经过几次缩棒步骤仅在封闭步骤之前保持中空预制棒的内径在2至4mm范围内的某一个值，并且然后与蚀刻处理同时进行封闭步骤。
根据本发明，可以改善光纤预制棒的椭圆度和PMD。
在下面参考附图的详细说明中将更全面的描述本发明的优选实施例的这些及其他特征、方案及优点，在附图中图1为示出一种已经经过传统缩棒处理的光纤预制棒的剖面图；图2为示意性示出在根据本发明的缩棒处理之前进行的预处理的剖面图，其中在中空预制棒的内壁上形成一火焰水解法产生物质的沉积层；图3为示出经过图2的预处理所获得的一光纤预制棒的剖面图；图4为用于说明根据本发明的一个实施例的缩棒处理剖面图；图5为用以说明根据本发明用于改善椭圆度的工序流程图；图6为示出根据图5的工序经过缩棒处理所获得预制棒的剖面图；图7为示出由于图5的工序而具有一改善的椭圆度特性的光纤预制棒的剖面图；图8为用于说明随每一次缩棒中的缩棒速率，椭圆度的变化的图；图9示出了在缩棒处理之后的预制棒中出现的折射率下降；及图10示出了根据本发明该实施例，消除了指标下降的预制棒纤芯的折射率。
具体实施例方式
此后，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。
首先，图2为一下视剖面图，用于说明在一中空预制棒的内壁上形成一火焰水解法产生气体的沉积层的过程，作为根据本发明的缩棒处理的预处理。参考图2，当以一固定速度沿圆周方向旋转由例如石英玻璃制成的管件10时，将火焰水解法产生气体11例如SiCl4、GeCl4及POCl3与氧一起注入到管件10中。然后，通过沿管件10的纵向方向移动具有半圆柱形状的喷灯13，加热管件10，以使得在管件10的内壁上沉积透明玻璃层。此刻，控制火焰水解法产生气体11的浓度，以在沉积一包层/纤芯的同时调整沉积层的折射率。
在此，喷灯13可以改变为各种形状，并且可采用例如像氧气/氢气炉及等离子体喷灯的各种加热装置。
图3为示出仅在堵塞(clog)管件10之前通过重复进行上述处理所获得预制棒的剖面图。如图3所示，在管件10的内壁上形成一包层/纤芯沉积层12，而在管件10的中心处仍存在一空区(hollow)。
接下来，进行一次缩棒处理，通过使该中空预制棒缩为一个整体除去管件10中的空区。
图4为用于说明缩棒处理的示意剖面图。参考图4，通过沿圆周方向以一固定的速度旋转管件10，沿管件10的纵向方向移动喷灯13，同时加热管件10的外表面。然后使受热部分紧缩并逐渐除去管件10中的空区。
在此，可以调整缩棒处理，以移动管件10而固定喷灯13。
此外，也可以变更喷灯13具有一环形，以使得喷灯13加热管件10周围，而不必旋转管件10。
在本发明中，由SUS、石英、Al2O3及ZrO2中的至少一种制成的辐射保护盘14，其具有抗热及抗氧化性，可安装在喷灯13的两侧，以减少热辐射损失并由此提高缩棒速率。
此外，本发明可通过图5的流程图中所示的工序改善预制棒的椭圆度。参考图5，首先将管件的表面温度设为2000至2300℃(步骤S10)。此刻，可以预备如本申请的申请人在韩国专利申请号1998-0032447中所公开的多个喷灯13，以增大热传递所影响的管件10的面积。
然后，调整管件中的流率，以将管件10的内压和外压之间的差，即由在管件10中温度或气流引起的压力与从管件10的外侧应用的喷灯火焰的压力之间的差，保持为0至10mmWC(步骤S20)。在此优选采用氧气(O2)用于调整管件10中的流率。此外，用于加热的喷灯也产生压力，并且由具有如喷灯的形状及气体流速这些因子的函数决定喷灯火焰的压力。
接下来，沿管件10的纵向方向以2至24mm/min的速度移动喷灯13，以使得管件10随后沿其纵向方向缩棒。
为了缩棒其中沉积有火焰水解法产生气体的中空预制棒，利用管件的表面张力和管件内压和外压之间的差。缩棒速率与处理时间成反比。此外，缩棒速率与{内压和外压之间的差+表面张力}/{管件粘滞度}成正比。然而，由于椭圆度与缩棒速率一致也与{内压和外压之间的差+表面张力}/{管件粘滞度}成正比，为了减少用于缩棒处理所需的时间至最大限度及降低预制棒的椭圆度，应当适当选择压差和管件粘滞度。管件的粘滞度以温度的指数函数改变，并且管件的温度受管件的厚度和加热时间(即喷灯停留的时间)影响。因此应当根据管件及沉积层的给定厚度，设置加热温度与喷灯的前进速度及管件内的压力。
图8为示出椭圆度随缩棒速率的变化的图，其中作为一个实例，中空预制棒外径为30.5mm及内径为22.5mm，并且在进行缩棒处理之前沉积层厚度为5mm。
参考图8，如果每一次缩棒步骤的缩棒速率低于0.06mm/min，则椭圆度变得低于0.3％。根据实验结果，表明从具有少于0.3％的椭圆度的预制棒拉伸的光纤示出小于
的PMD(偏振模色散)。
在每一次缩棒步骤中小于0.01mm/min的缩棒速率的值，其表明非常低的可生产性，不包括在本发明中，尽管椭圆度优异。
实验实例在此实验实例中，在管件以20rpm旋转的条件下重复三次缩棒步骤，并且主要因素如内压和外压之间的差及管件中氧气的流速在每一次缩棒步骤中为不同设置，如表1所示。
表1
即使管件以30或40rpm旋转时，仍可改善光纤的椭圆度。
另一方面，为了通过在缩棒处理之后进行蚀刻以消除或最小化管件中具有折射率缺陷(defect)的层，应当最小化管件的内侧表面积，以防止GeO2挥发。为此，在缩棒步骤之后，即刚好在封闭步骤之前，使管件中空区的大小为大约2至4mm，由此最小化纤芯中心处的折射率缺陷。
在经过缩棒步骤使中空预制棒中一定大小的空区成为2至4mm内的一确定值后，为了限制由蚀刻引起的中空预制棒内径的增加，本发明采用与蚀刻处理一起封闭该中空预制棒，由此最小化或消除折射率缺陷。
在本发明的另一个实施例中，改变喷灯的移动速度而保持管件中压力和温度恒定，以维持中空预制棒的内径恒定。管件中的空区的大小至少为2mm，以最小化制造预制棒中的次品，并且管件中的空区的大小至多为4mm，以在拉伸光纤时不出现折射率下降。
图10示出了根据本实施例所制造的光纤的纤芯中心处的折射率，其中在总共五次缩棒步骤的四次缩棒步骤中保持管件的内径在2mm，并且然后与采用蚀刻气体的流速比(O2/C2F6)为5.7的蚀刻处理一起进行封闭步骤。
与图9不同，在图10中预制棒纤芯的折射率图中消除了纤芯中心处的折射率缺陷。
此外，在用于制造一用来拉伸一光纤的预制棒杆(rod)的封闭步骤中，优选在管件10中施加大小为-5至-7.5mmWC的较小负压来封闭中空预制棒，而不改变预制棒的几何结构。
此外，在本发明中，为了防止缩棒速率下降，优选为通过向中空预制棒中流入具有相对高的热扩散系数的惰性气体来最小化中空预制棒的内部温度和外部温度之间的差。惰性气体例如可选自He及Ar。
在经过上述缩棒处理之后，作为一个实例，预制棒显示一剖面，其中包层/纤芯沉积层12填充在具有令人满意的椭圆度的管件10中，如图6所示。
根据折射率，包层/纤芯沉积层12可分为包层区域和纤芯区域，如图7中所示。因此可以获得具有与图1的光纤预制棒相比极好的椭圆度的光纤预制棒。
工业实用性根据基于本发明的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，可通过调整应用于预制棒的温度和压力，优化缩棒处理期间严重影响预制棒几何结构的粘滞性和表面张力。
因此，与公知技术的椭圆度超过2.0％及PMD超过 的公值相比，本发明可改善椭圆度小于0.3％及PMD少于 此外，通过采用本发明，通过在缩棒处理期间将具有高热扩散系数的气体流入到管件中可增加缩棒速率。
已经详细描述了本发明。然而，由于从这些详细描述，本发明的精神和范围内的各种变化和修改对熟悉本领域的技术人员是显而易见的，因此应当理解在说明本发明的优选实施例的同时，上述详细描述及特例是仅通过举例说明的方式给出的。
权利要求
1.一种用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，该中空光纤预制棒在一中空预制棒的内表面上具有一包层/纤芯沉积层，其中，该方法进行具有几次缩棒步骤的缩棒处理，并且每次缩棒处理的缩棒速率为0.01至0.06mm/min。
2.如权利要求1所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中该缩棒处理包括3至5次缩棒步骤及一次封闭步骤。
3.如权利要求2所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中所述缩棒步骤刚好在该封闭步骤之前使得该预制棒的内径保持在2至4mm范围的某一值，然后进行该封闭步骤。
4.如权利要求3所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中与蚀刻处理同时进行该封闭步骤。
5.如权利要求3所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中通过施加-7.5至-5mmWC的负压至管件内侧完成该封闭步骤。
6.如权利要求1所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中用于加热管件的喷灯的移动速度设置在2至24mm/min范围内，以使得该预制棒管件展现令人满意的表面张力，以获得令人满意的椭圆度。
7.如权利要求6所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中该喷灯选自一氧气/氢气炉及一等离子体喷灯。
8.如权利要求1所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中在该缩棒处理中，在加热管件的条件下确定每一次缩棒步骤中的缩棒速率，以使得管件表面的温度变为2000至2300℃ ，管件内压和外压之间的差为0至10mmWC，并且喷灯的移动速度为2至24mm/min。
9.如权利要求8所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中通过利用流入到管件中的气体控制所述的管件内压和外压之间的差，以及其中用作流入到管件中的气体的氧气的流速为20至3000sccm。
10.如权利要求1所述的用于缩棒一中空光纤预制棒的方法，其中不同地设置每一次缩棒步骤中的缩棒速率。
11.一种用于制造一光纤预制棒的方法，包括工序产生一中空光纤预制棒，该中空光纤预制棒在一预制棒管件的内表面上具有至少一包层/纤芯沉积层；为了优化该中空光纤预制棒的内径，通过加热该预制棒使该中空光纤预制棒缩棒，以使得该预制棒外圆周的表面温度为2000至2300℃；及为了形成一预制棒杆，通过除去该中空光纤预制棒中的空区来封闭该中空预制棒，其中，每一次缩棒处理及该封闭处理的缩棒速率为0.01至0.06mm/min。
12.如权利要求11所述的用于制造一光纤预制棒的方法，其中进行3至5次所述缩棒处理，并进行一次所述封闭处理。
13.如权利要求11所述的用于制造一光纤预制棒的方法，其中不同地设置每一次缩棒处理和该封闭处理的缩棒速率。
14.如权利要求11所述的用于制造一光纤预制棒的方法，其中在该缩棒处理中，用于加热该中空预制棒的表面的喷灯的移动速度为2至24mm/min。
15.如权利要求14所述的用于制造一光纤预制棒的方法，其中该喷灯选自一氧气/氢气炉及一等离子体喷灯。
16.如权利要求11所述的用于制造一光纤预制棒的方法，其中在该缩棒处理中，该预制棒管件内压和外压之间的差为0至10mmWC。
17.如权利要求11所述的用于制造一光纤预制棒的方法，其中该缩棒步骤刚好在该封闭步骤之前使得该预制棒的内径保持在2至4mm范围的某一值，然后进行该封闭步骤。
18.如权利要求17所述的用于制造一光纤预制棒的方法，其中与蚀刻处理同时进行该封闭步骤。
19.如权利要求17所述的用于制造一光纤预制棒的方法，其中通过施加-7.5至-5mmWC的负压至该管件内侧完成该封闭步骤。
全文摘要
本发明提供了一种通过椭圆度的改善最终具有低PMD(偏振模色散)的光纤预制棒的制造方法。该方法具有几个缩棒步骤，用于使具有在一预制棒管件中形成的一包层/纤芯沉积层的光纤预制棒缩棒，其中每次缩棒步骤中的缩棒速率为0.01－0.06mm/min。通过使用该方法，可改善光纤预制棒的椭圆度和PMD。
文档编号C03B37/018GK1592860SQ03801588
公开日2005年3月9日 申请日期2003年5月28日 优先权日2002年9月3日
发明者姜秉润, 文俊皓, 李奉勋, 朴耿巡, 金正珉 申请人:Lg电线有限公司