专利名称：具有外包管的光纤预型件的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及光纤预型件，具体涉及用多个外包管制作的预型件。
先有技术用于传输数据和信息的光纤通常用下面方法生产，即将玻璃光纤预型件的一端下降到垂直光纤拉丝炉的炉口中，并在该预型件下降通过该炉子中的高温区域时加热该预型件。在预型件的受热端部形成软的玻璃滴，然后从该软玻璃滴拉出光纤。采用所谓管中杆(RIT)方法组装预型件。
在RIT预型件中，实心的玻璃杆沿轴向支承在圆筒形的玻璃外包管中。该玻璃杆仅由芯材料构成，或者具有周面的外包层材料。因此外包管在用组装的杆和管上拉出的光纤中起外包层源的作用。该玻璃杆在下面简称为“芯”杆，即使该杆通常具有外包层材料。
在拉光纤时，该管被加热，直至它软化，并塌缩在杆上，该管玻璃与杆上的外玻璃层结合成一体。然后从该结合的杆和管拉出具有相当厚外包层的光纤，这种拉丝工艺有时称为拉丝期间形成外包层工艺，或者简称为ODD工艺。还可参看题为“在同一炉子中塌缩多管组件和随后拉光纤”的美国专利No.6460378(2002年10月8日提出)和共有的题为“管中杆光纤预型件和方法”的2002年10月4日提出的美国专利申请No.10/309852。上述专利′378和专利申请′852的所有相关部分均作为参考包含在本文中。
按照′378专利中公开的一个实施例，芯杆放在第一外包管中，第二外包管套在第一外包管上。芯杆和两个外包管在这样的条件下受到加热，使得管部分塌缩在杆的一个端部上，由此形成整体的多包层预型件，随后将预型件的那一端插入到垂直光纤拉丝炉中。当管子进一步塌缩并与芯杆结成一体时，便可以在炉中拉出具有要求包层-芯质量比的ODD光纤。
因为适合的芯杆的长度通常远比市场上买的未切开的长度短，所以通常的作法是，在芯杆的上面叠放牺牲玻璃间隔件，以便得到与外包管长度匹配的内芯全长。然而一旦芯杆的所有材料被拉成光纤的芯时，必须废弃预型件的其余部分。因此这种方法无助于降低成本和形成持久的制造工艺。
还已知将多个段芯杆沿轴线在一条直线上端对端地焊接起来形成连续的长的芯杆。参考美国专利No.4195980(1980年4月1日提出)和No.4407677(1983年10月4日提出)。然而这是一个增加成本的额外加工步骤，并且负面影响用焊接部分拉出的光纤的质量，即由于焊接热源的作用，增加了羟基OH的浓度。也参考美国专利No.6434975(2002年8月20日提出)，该专利公开一种生产色散可控(DM)光纤的预型件，其中组装预型件，方法是选择性将多个芯杆小片插入到外包玻璃管中，相邻的芯杆小片具有不同的光学特性。
采用在长度和直径均较大的预型件可以得到成本低的优点。如上所述，芯杆的有效长度决定预型件的有用长度。但是用芯杆材料制造长杆例如长度大于2米的长度，是很困难的，因为有缺陷，例如形成气泡，或者光学特性差别超过规定范围。在切去单一长芯杆有缺陷部分后，通常只留下相当短的剩余部分。
在制备具有各种外包管的大尺寸预型件时，必须要达到满意的玻璃界面质量。在芯杆外周面和第一外包管内周面之间的界面是关键的，必须满足严格的材料特性要求。例如，羟基(OH)离子或者水浓度显著影响信号通过所谓零水峰或者低水峰(1383nm)光纤的信号衰减。这要求第一外包管用昂贵的高纯玻璃制造，如果预型件仅用一个外包管，则需要大量这样玻璃。在界面上起杂质作用而又影响所拉光纤光信号衰减的其他元素或者离子包括(但不限于)Cl、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Li、Ni、Cr、Cu、Ti、V和Zn。参考E.H.Soewmua，FlAAAxiwnxw(1973)at page 321，该文献已作为参考包含在本文中。
发明概要按照本发明，外包光纤预型件包括具有管轴线的第一玻璃的外包管和多个芯杆段，这些芯杆段沿轴线端对端地配置在第一外包管内。该管在与芯杆段的界面上具有给定杂质的第一浓度。该杂质影响用这种预型件所得光纤中的信号衰减。第二玻璃外包管共轴线地套在第一外包管上，具有给定杂质的第二浓度，该浓度大于杂质的第一浓度。
按照本发明另一方面，组装光纤预型件的方法包括将多个芯杆段沿轴向端对端地插入具有轴线的第一玻璃外包管中，并且在与芯杆段的界面上，该第一外包管具有给定杂质的第一浓度，该杂质影响用这种预型件所得光纤中的信号衰减。第一外包管和芯杆段插入到第二玻璃外包管中，第二外包管具有给定杂质的第二浓度，该杂质的第二浓度大于第一杂质浓度。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和所附的权利要求书进行说明。
附图的简要说明这些附图是
图1立视横截面图，示出本发明的光纤预型件；图2是图1所示预型件下部分的详细横截面图；图3示出预型件插入垂直拉丝炉之前，该预型件相对于图2的图面绕其轴线转动90°时预型件的下部分；图4是横截面图，示出光纤预型件下放到图3所示拉丝炉高温区域之后，预型件的下部分，图中示出形成的软滴，以便拉光纤；图5是方块图，示出组装本发明预型件和用这种预型件拉光纤的步骤；图6是立视放大图，示出形成预型件一部分的间隔件；图7是图6所示间隔件的顶视图。
发明的详细说明图1示出本发明的光纤预型件10。图2是图1所示预型件下部分的放大横截面图。该预型件10基本上包括多个段圆柱形的芯杆18，这些芯杆沿轴向端对端地叠放在第一玻璃外包管20中，芯杆段18用一根长的具有外覆层的芯杆作成，该长的有外层芯杆可以采用已知的改进化学蒸汽沉积(MCVD)工艺或者用等效的工艺例如轴向蒸汽沉积(VAD)或者外侧蒸汽沉积(OVD)工艺制造，但不限于这些工艺。或者，各个芯杆段18仅仅包括没有外层的纤维芯材料。芯杆段18的轴向端面最好用例如金刚石锯锯成平的。
第一外包玻璃管20最好沿轴向配置在第二外包管21中，该第二外包管21可以从市场上买到，形式为石英玻璃圆筒。如附图所示，管21远端或者下端16的外周面最好形成为切头圆锥体，具有径向向内的例如24°锥角T(图2)。空心圆筒把手23(见图1)形成在管21的顶部，而短的玻璃间隔件25顶着把手23中轴向孔27的底部。在图6和7放大图中示出的间隔件25作成和配置成可以盖住第一外包管20的顶端29，并阻止芯杆段18在该管内的向上运动。该间隔件最好沿轴向从第二外包管21的底端插入到可以阻止间隔件进一步移入到管子把手23孔27中的位置，方法是采用例如在把手孔27上形成的环形凸出部或者径向台阶31防止这种运动。因此间隔件25还起着防止第一外包管20移动到把手孔27中的作用。
已经发现，形成第二外包管21的玻璃可以包括比第一外包管20中给定杂质的浓度更高的同一杂质浓度，而不会显著增加信号通过用组装预型件10所拉光纤的信号衰减。例如，周围环境将在芯杆的外周面和第一外包管内周面之间的界面上产生约2ppm(百万分二)的羟基离子OH。这一OH浓度加上芯杆中存在的剩余OH和典型的雷利散射损失，可能在波长1383nm形成每千米拉出光纤约0.028dB的衰减。对第一外包管的玻璃采用低浓度OH例如约0.2ppm的高纯度玻璃，该OH将增加约0.002dB/km衰减。但是如果第二外包管用OH浓度高到5.0ppm的玻璃制造时，则发现，第二外包管中存在的OH只造成约0.0015dB/km的光纤衰减。
因此，第一外包管20最好用高纯玻璃制造，并具有相当薄的管壁(例如在约4-6mm之间)，以便尽量降低成本。第二外包管21具有厚得多的壁厚度(例如约28mm)，以便使拉出的光纤达到要求的包层-芯质量比，而且可以用价格比第一外包玻璃管20玻璃价格低得多的玻璃制造。
图3的上半部分示出预型件相对于图2的图面绕其长轴线A转动90°时该预型件的下部分。如图3所示，整个光纤预型件10的下端部分16已被配置成稳定的机械组件，可以在光纤拉丝工艺开始时，插入到垂直光纤拉丝炉14的炉口12中。
锥角T近似于缩颈倾角13，如图4所示，当该下端部在光纤拉丝炉14高温区域15中软化时，该缩颈倾角由预型件的该下端部形成，因此形成软的玻璃滴17。正确选择锥角T可以尽量增加预型件10拉光纤可用的轴向长度，并且可以尽量减小滴17的大小，有助于开始从预型件拉出光纤。
在公开的实施例中，将圆柱形塞子22支承在第二玻璃外包管21的开口远端中，如图1-3所示。该塞子22采用例如市场上买的天然石英，或者合成的熔化石英，或者等效的材料制作。钻上或者用其他的方法形成孔24和26(见图2)，该孔在管下端径向相对位置，沿垂直于管子轴线A的轴线O，穿过管子21的锥形壁。该塞子用销钉28固定于管子21，该销钉从孔24和26中的一个孔插入，进入塞子中的横向孔30，从而穿过塞子的横向孔30，进入管壁上孔26、24中的相对孔。该销钉28用例如市场上买的人工合成熔凝石英或者等效的材料制作。
为了组装预型件，将间隔件25沿轴向插入第二外包管21的下端或者远端，随后插入包含芯杆段18的第一外包管20，然后再插入塞子22。在优选的组装方法中，该间隔件25、芯杆段18和塞子22在一开始便沿轴向装在一个细长的管架中，其中(a)在芯杆段的相对轴向端面之间，(b)在间隔件25和最上面的芯杆段之间和(c)在塞子22和最下面的芯杆段之间配置塑料球或者填充件。这种方法使得可以在管架的前端开口和轴向后端之间流过例如HF酸，然后用去离子水冲洗，从而将间隔件25、芯杆段18和塞子22冲洗干净。这些塑料填充件在玻璃部件25、18和22之间起衬垫作用，由此可以防止在清洗过程中这些部件被擦伤。
在完成清洗后，将间隔件从管型架的前端移出，并插入到第二外包管21的开口远端。然后采用例如推杆将芯杆段18逐渐推入管20中，该推杆穿入管架的后端，使得在沿轴向端对端地连续将一个一个的芯杆段18插入到第一外包管时，可以使这些塑料填充件掉下来，或者用其他方法除去。
一旦所有的芯杆段被插入到第一外包管20中以后，将该管20沿轴插入到第二外包管21中，直到管20的近端或者顶端顶着间隔件，并将该间隔件推压在把手孔27中的凸出部31中。然后将塞子22放入管21的远端，使得塞子孔30的相对两端与锥形管壁上的孔24和26对齐，然后将销钉28插入塞子孔和壁上的孔，从而将塞固定在管21的远端。芯杆段18和第一外包管20的尺寸最好定为，在管子20的内周面和插入芯杆段18的外周面之间形成例如约1mm±0.5mm的径向间隙G1。根据情况，可以采用更大的间隙。
在进入炉子14之前，使组装的预型件10垂直取向时，如图3安排的，利用塞子22可以堵住最下部的芯杆段18，防止管20的开口底端32(见图2)掉下来。在穿过拉丝炉炉口12和下降通过如图4所示的炉子高温区域之后，预型件的下端被加热到玻璃软化的温度(通常至少为2100℃)，并且图3中的塞子22和销钉28熔化并彼此熔接。在塞子22上面的最下面芯杆段和第一外包管20的一部分也软化。外包管21因此塌缩在管子20上，并且管子20塌缩在软化的芯杆段上，从而形成玻璃滴17。将预型件10上端部的位于芯杆段18和第一外包管20之间的间隙G1，抽成局部真空例如约-26英寸Hg的真空，有助于进行这种塌缩步骤，抽真空的方式通常采用进行常规RIT工艺所用的方式。最好还将第一和第二管20和21之间形成的另一径向间隙G2，利用例如在间隔件25上形成的例如槽或者通道，也抽成真空。见图6和7，在一旦玻璃滴形成后，便可以以常规方式在炉子14中拉出连续的光纤。
按照本发明，预型件10的组装相当简便，而不需要在拉光纤之前用单独的加热步骤将预型件的各个部分熔接在一起。去掉这种预备步骤，可以显著降低制造成本，利用这种预型件10可以提高生产率。另外，可以用本发明得到各种预型件尺寸和各种光纤(例如单模光纤或者多模光纤)。
在组装后，只需将预型件10放入到炉子中加热，直至第一和第二外包管20、21塌缩在芯杆段18上，随后便可以从炉中取出，以便在随后用在生产光纤的拉丝炉中。参考图2，在下面的表1-3中列出外直径D3在90-150mm之间的预型件10实施例的典型尺寸、锥角和OH浓度。
表ID1(芯杆段18的外直径) 21mm-32mmD2(第一外包管20外直径)32mm-54mmD3(第二外包管21的外直径) 90mm-150mmW1(管20的壁厚)5mm-10.5mmW2(管21的壁厚)28.5mm-47.5mmG1(间隙) 1±0.5mm(典型值)G2(间隙) 1±0.5mm(典型值)S1(塞子22露出端的轴向长度)5mm-10mmS2(塞子22的轴向长度) (圆锥部分轴向长度+S1)P1(销钉28的直径) 9.75mm-15.75mmP2(销钉孔30底部和管子20远端之间的轴向间隔)15mm-20mm表II锥角T 约24-27°表III第一管20的OH浓度 ≤0.3ppm第二管21的OH浓度 ≥1.0ppm图5示出组装本发明光纤预型件和安排光纤预型件拉光纤丝的步骤。
在步骤50中，将间隔件25插入第二外包管21的远端，并放在邻接凸出部31的止动位置。在步骤51中将第一外包管20放到第二外包管21中，然后将芯杆段18接连地送入管子20的开口远端。在步骤52中，插入塞子22，并用销钉28固定于第二外包管21的远端，因此将第一外包管20的近端推压在间隔件25上，并可以防止芯杆段从第一外包管的远端32掉出来。在步骤54中，将组装预型件10的下端16插入到炉子中，例如图3和4所示的拉丝炉14中。
在步骤56中，将预型件10下端部15下放到炉子的高温区域中并使其受热，直至塞子22与第二外包管21的外周围部分熔合在一起。在步骤58中，管子20和21塌缩在变软的最下面芯杆段18上，由此可以形成玻璃滴17(图4)，以便开始拉出具有要求特性的光纤。
如上所述，将芯杆段18和第一外包管之间的径向间隙G1抽成局部真空，同时将第二外包管21和第一外包管20之间的径向间隙G2也通过间隔件25抽成真空。当预型件10在炉子中受到加热时，这有助于管子21塌缩在管20上。和间隙G1一样，间隙G2的尺寸最好约为1±0.5mm。
重要的是，所有的芯杆段18和相关的外包管20和21，在拉光纤期间应均匀地以同样的速度同步地通过炉子的高温区域，所以需要提供一种阻塞部件，防止芯杆段18相对于外包管可能的垂直向上运动或者滑动。第一外包管20顶部上的阻塞部件，例如与最上部芯杆段18接触的间隔件25，其作用是在拉光纤期间相对于外包管固定所有芯杆段18的位置。在公开的实施例中，芯杆段18受到约束，而不能相对于外包管20和21向上或者向下运动，因此对于组装预型件10的所有部件，均可以达到以恒定的速度通过炉子14的高温区域15。
本文中已经说明由多个叠置的芯杆段和至少两个具有不同物理特性的连续的玻璃外包管构成的光纤预型件。该芯杆段用单一的长芯杆形成，该长芯杆用例如金刚石锯从长杆上锯成段，从而确保相邻芯杆段的平端面彼此紧贴地叠置在最内管中，并且叠置芯杆段的长度接近外包管本身的长度，也可以采用三个或者更多个外包管来形成本发明的光纤预型件。第一外包管20本身可以为多个管子部分，这些管子部分可以轴向端对端地支承在第二外包管21内。
例如，外径为90mm的预型件可以包括薄的第一外包管，该外包管的壁厚约为5mm，羟基(OH)杂质浓度不大于0.3ppm，从而控制芯杆-管界面的质量。然后采用第二外包管，以便应用不太贵的光纤包层材料，而不影响光纤质量，该第二管的壁厚约为28mm，而羟基杂质浓度为1.0ppm或者更大。
芯杆段18切成可以填满第一外包管20的整个长度。相邻芯杆段紧密贴合不会负面影响拉丝工艺(例如光纤不断开)，但是会产生形式为线速度和光纤包层直径变化的明显不同的可识别“标记”。然后可以在后拉丝操作中，采用在这种技术中现在已知的工艺或者方法除去这些识别的结合区域。因为不存在芯杆段的预焊接，所以不会增加羟基浓度。
简言之，采用多层外包管可以用高质量玻璃(即杂质浓度低)来形成芯杆段和第一外包管之间的界面，而不需要一个或者多个外包管来满足更严格的纯度要求。因此，可以达到较长的预型件和较大的预型件直径，改进了工艺的效率，降低了制造成本，同时可以确保高质量的光纤。尽管上面提出本发明的优选实施例，但是技术人员应当明白，可以进行各种改型和变化，而不违背本发明的精神和范围。例如，本发明适用于上述美国专利6460378的多管组件，或者现有公开实施例中不包含类似于塞子22的塞子的其他组。因此，本发明包括属于以下所附权利要求书范围内的所有这些变型和改变。
权利要求
1.一种有外包管的光纤预型件，包括具有管子轴线的第一玻璃外包管和沿轴向方向端对端配置在第一外包管内部的多个芯杆段；第一外包管在与芯杆段的界面上具有第一浓度的给定杂质，该外包管具有第一壁厚度，该杂质影响用该预型件所拉光纤的信号衰减；第二玻璃外包管，共轴地套在第一外包管外侧；其中，第二外包管具有第二浓度的给定杂质，该第二浓度大于第一外包管中杂质的第一浓度，该第二外包管还包括第二壁厚度。
2.如权利要求1所述的光纤预型件，其特征在于，第二壁厚度大于第一壁厚度。
3.如权利要求1所述的光纤预型件，其特征在于，给定杂质是一组杂质中的一个杂质，该组杂质包括OH、Cl、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Li、Ni、Cr、Cu、Ti、V和Zn。
4.如权利要求1所述的光纤预型件，其特征在于，给定杂质是OH，OH的第一浓度不大于0.3ppm。
5.如权利要求1所述的光纤预型件，其特征在于，还包括配置在第二外包管近端的间隔件，用于阻止第一外包管和芯杆段向上述近端的方向运动。
6.如权利要求5所述的光纤预型件，其特征在于，该间隔件具有使真空与相应径向间隙相通的通道，该间隙(i)形成在芯杆段和第一外包管之间，(ii)形成在第一外包管和第二外包管之间。
7.一种组装光纤预型件的方法，包括第一插入步骤，将多个芯杆段沿轴向方向端对端地插入到第一玻璃外包管中，该外包管具有轴线，并在与芯杆段的界面上具有第一浓度的给定杂质，其中，该给定杂质影响用该预型件所拉光纤的信号衰减；第二插入步骤，将包含芯杆段的第一外包管插入到第二玻璃外包管中，该外包管具有第二浓度的给定杂质，其中，该第二浓度大于第一外包管的第一杂质浓度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括在进行第一插入步骤之前，将芯杆段装在细长的支架内，同时使芯杆段的相对轴向端表面彼此分开，并使流体清洁剂流入该支架，从而清洗该芯杆段。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括将组装的预型件放入炉子中；在炉子中加热该预型件，直至第一和第二玻璃外包管塌缩在芯杆段上；从炉子中取出预型件，以便随后用在光纤生产炉中。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括定位第二外包管的远端，以便进入拉丝炉；将包括第一外包管和芯杆段的第二外包管下放到拉丝炉中；当管子穿过拉丝炉中高温区域时，使第一和第二外包管塌缩在芯杆段上，由此形成玻璃滴；从上述玻璃滴拉出光纤。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括(i)在芯杆段和第一外包管之间的第一径向间隙中和(ii)在第一外包管和第二外包管之间的第二径向间隙中形成真空，由此促进完成塌缩步骤。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括在下放步骤和塌缩步骤期间，阻止第一外包管和芯杆段相对于第二外包管活动。
全文摘要
组装光纤预型件，其方法是将芯杆段沿轴向端对端地插入到第一玻璃外包管中，该外包管具有相当低的第一浓度给定杂质，该给定杂质影响用该预型件所拉光纤的信号衰减。将含有芯杆段的第一外包管插入到第二玻璃外包管中，该管具有第二浓度的给定杂质，该第二浓度大于第一浓度。第一外包管的壁厚度最好小于第二外包管的壁厚度。因此减少了制造第一外包管的高纯玻璃用量和伴随的制造成本。该芯杆段包括采用例如轴向蒸汽沉积法(VAD)生产的单一长芯杆的可利用的余料。
文档编号G02B6/036GK1837868SQ200510091570
公开日2006年9月27日 申请日期2005年8月23日 优先权日2005年3月23日
发明者约瑟夫·P·弗莱彻三世 申请人:古河电子北美公司