专利名称：管棒光纤预型和方法
技术领域：
本发明涉及光纤预型，特别是管棒(RIT，rod in tube)类的预型，还涉及使用RIT预型拉拔光纤的方法。
背景技术：
用来传送数据和信息的光纤通常这样生产，将玻璃纤维预型棒的一端插入到一垂直纤维拉拔炉的口内，随着该棒的下降到炉内热区，棒的插入端被加热，形成一个柔软的玻璃熔液滴，然后从该熔液滴拉拔出光学纤维(光纤)。预型棒本身例如可用改进的化学汽相沉积(MCVD)法制出，使该棒得到一个沿着该棒轴向延伸的能折射的芯部区域和一个环绕芯部区域的包覆区域。见美国专利4,217,027(1980.08.12)，其所有相关部分被本文参考引用。
′027专利这样公开说，用MCVD法生产预型棒包括将气体如SiCl4和GeCl4沿轴向通过一个空心的石英玻璃管，环绕管子轴线转动该管同时从外面用火炬加热，其时气体在管内通过，这样就造成一层亚微米大小的玻璃微粒沉积在管子的内周。沿着管子长度反复移动火炬，就可在管内沉积上多层玻璃微粒。一旦形成确定的层数，管子就再一次被加热一直到软化并坍缩成结实的棒形，其时沉积的玻璃微粒形成芯部区域，而坍缩的玻璃管形成包覆区域。
但所说MCVD法会对玻璃管的最大壁厚加以限制。因为，当壁厚增加时，从外面移动的火炬到管内含有反应剂的气体的热传递率会减小。如果没有足够的热传递，在沉积的玻璃层内能发生气泡或不完全的烧结。为了克服这个情况，火炬在外面移动的速率就须放慢，从而沉积每一玻璃微粒层所需的总时间就会增加。然而该MCVD法所能容许的最大管壁厚度对生产某些用途所需的光纤来说仍然是不合适的，因为这种光纤在拉拔的纤维上须有足够数量的包覆层。这个问题可用管棒(RIT)的方法克服。
在RIT的方法中，将一个例如用MCVD法制造的预型棒沿轴向插入到一个所谓玻璃外包管内。加热外包管使它软化并坍缩到预型棒上，其时外包管玻璃与预型棒上的包覆层凝固在一起。这样得到的光纤的外(包覆层)直径可以比单独从MCVD预型棒得到的直径来得大，然后可从这个组合的预型棒和外包管进行拉拔。这个方法有时也被称为“包覆层一并拉拔”或ODD。并见本发明人共同拥有的美国专利申请No.09/515,227，申请日为2000年2月29日，题为“制造具有多个外包覆层的光纤预型并由此制出光纤的设备和方法”，其所有相关部分被本文参考引用。
按照在上述′227申请中所公开的方法，预型棒被定位在第一外包管内，第二外包管设在第一外包管之外。预型棒和外包管被这样加热使外包管部分坍缩在棒的一端上，成为一个整体的多外包层的预型棒。这个外包覆棒的一端随后被竖立地插入到一个垂直的纤维拉拔炉内，当外包管的其余部分都被坍缩并与棒上的包覆层凝固在一起时便可生产出具有所需外直径及芯部对包覆层质量比的ODD纤维。
预型棒也可以是只具有所需芯部材料的实心玻璃棒而将外包管作为要被拉制纤维上包覆材料的唯一来源。因此如上结合RIT法说明的预型棒今后将被简单地称为“芯棒”，不管该棒制有一个包覆材料的外层，还是只具有芯部材料。
在实行已知的RIT法时有一个与纤维拉拔前添加的加热工序有关的问题，其时包括一个芯棒及一个或多个同轴外包管的预型在一端要被加热而后被冷却凝固并密封使芯棒和周围的外包管被保持在一起，以便在开始拉拔时插入到拉拔炉内。这个预备工序并不是合适的，因为它带来相当多的添加费用，包括要作巨大投资的外包层车床、热源和材料搬运设备。该工序由于先把玻璃预型冷却、以后再在纤维拉拔炉内重新加热，还在预型内产生相当大的应力，这种应力极易使预型开裂和断裂，并会大量增加修补率、废品和废料。另外，在努力缓解这个问题时必须采用特殊措施，例如在拉拔纤维时增加预型在拉拔炉内的插入时间。
发明内容
按照本发明，外包的光纤预型包括一个芯棒和一个外包管。该外包管具有第一开口端和与第一开口端相对的第二开口端。外包管的第一开口端的尺寸可以进入到垂直纤维拉拔炉的口内。有一塞子被支承在外包管的第一开口端内，而芯棒沿轴向被设置在该管内使当该管的第一开口端进入拉拔炉的口内而下降到炉内热区时，芯棒的远端(即下端)的向下运动受到塞子的限制。
按照本发明的另一方面是一种拉拔光纤的方法，该方法包括将一芯棒插入到一外包管内，在外包管的开口的远端插入一个塞子，并将该塞子固定在远端附近。外包管的远端被定位得可以插入到一个垂直光纤拉拔炉的口内。外包管下降到炉内并被加热到塞子和外包管都被软化并融合在一起，外包管于是坍缩到芯棒上，产生熔液滴，从该熔液滴可以拉制出具有所需性能的光纤。
为了更好了解本发明，可参阅下面结合附图和权利要求所作的说明。
图1为按照本发明的管棒(RIT)预型下部在立面上的剖视图。
图2为图1中的预型在环绕其轴线转动90°并准备插入到垂直光纤拉拔炉的口内时RIT预型下部的立视图。
图3为一立面的剖视图，示出RIT预型下部在下降到炉内热区后产生熔液滴可用来拉制纤维。
图4为一图表，示出按照本发明拉制光纤的方法所包括的工序。
图5为与图1相似的剖视图，示出有一第二管同轴地插置在芯棒和图1中的管子之间。
具体实施例方式
图1示出按照本发明的管棒(RIT)的光纤预型10的剖面图。图2示出图1中的预型10在环绕其长轴线A转动90°后预型10下部的立面图。
在所示实施例中，光纤预型10包括一个芯棒18和一个玻璃外包管20，其下部如图1和2所示。芯棒18可用上述MCVD法制得，或用等同的方法如汽相轴向沉积法(VAD)或外侧汽相沉积法(OVD)，可不受限制。而且如同早先提到过，芯棒18可单独用所需的芯部材料制成。外包管20可采用商业上供售的石英玻璃管。管20下端或远端的外周最好制成截圆锥形，有一沿径向向内的斜度T，例如约为24度，如图2所示，整个光纤预型10的远端或下端16可被定位成一个稳定的机械组合件以便在开始进行光纤拉制过程时插入到垂直光纤拉拔炉14的口12内。
斜度角T与预型10的下端16在光纤拉拔炉14的热区15内软化而形成玻璃熔液滴时所呈现的缩颈倾斜度13(见图3)近似，适当选用斜度角T能使拉拔光纤的预型的可用轴向长度达到最大，而且还可缩小熔液滴17的大小，从而使光纤在初始时容易从预型内拉出。
圆柱形塞子22被支承在玻璃外包管20的开口远端的内侧。塞子22例如可由商业上供售的天然或合成的熔融石英或等同的材料制成。沿着一条与外包管轴线A垂直的轴线O(见图1)，在外包管20远端的圆锥形壁的两个在直径上相对的位置上用钻削或其他方法制有两个孔24、26。用一个销钉28从其中的一个孔24、26插入，穿过塞子内的横向孔30，与管壁上另一个相对孔接合，便可将塞子22固定在外包管20上。销钉28例如可由商业上供售的熔融石英或等同的材料制成。
在装配预型10时外包管10可先被水平地放置，将芯棒18的上端(未示出)沿轴向从外包管的开口远端插入。最好，芯棒18和外包管20的尺寸被这样制定使在外包管20的内周和插入棒18的外周之间有一径向间隙G例如为1mm+/-0.5mm。然后将塞子22放置在管20的远端，使塞子横向孔30的两端分别与倾斜管壁上的孔24、26对准，再将销钉28插入如上所述。
然后将装配好的RIT光纤预型10竖起、设定如图2所示以便插入到炉14内，其时芯棒18的远端(即下端)32被塞子22堵住使它不能下滑到管20的远端之下。在通过拉拔炉的口12下降而进入热区如图3所示时，预型的远端16被加热到一个温度(典型地为2100℃或更多)，在该温度玻璃软化，塞子22、销钉28和外包管20坍缩并融合在一起。另外，芯棒18的远端32和外包管20在塞子22以上的部分也被软化，外包管坍缩在芯棒上产生熔液滴17。这种坍缩可被促进，只要按实行传统的RIT法时典型地采用的方式将部分真空例如约为-26英寸Hg连通到预型10上端芯棒18和外包管20之间的间隙内即可。一旦生成溶液滴17，便可按传统方式拉拔出连续的光纤。
按照本发明，RIT预型10可用较简单的方式装配，不需在纤维拉拔前采用分开的加热工序将部分外包管20连结到芯棒18上。由于省略这个在前面的加热工序，制造费用可显著减少而从预型10得到的产量可增加。另外，各种预型大小和纤维型式(如单式或复式)都可用本发明实现。
结合图1在下面表I和II中列出的装配的RIT预型10的典型尺寸和倾斜角示出有一个范围广的预型大小可被提供。
表I尺寸毫米(典型)D1(管20在倾斜部以上的外直径) 60到200D2(管20的内直径) 20到75S1(塞22露出端的轴向长) 10S2(塞22的轴向长) (倾斜部的轴向长+S1)P1(销28的直径) 10到16P2(销孔30底面与管20远端之间的轴向距离) 10表II倾斜角度数(约)T24到27图4示出按照本发明拉制光纤的方法的各个工序。在工序50，将芯棒18沿轴向插入到外包管20内。在工序52，将塞子22插入到管20的远端并予以固定(例如使用销28)，使芯棒18的远端被塞子堵住不能从管的远端逸出。在工序54，将装配好的预型10的远端16插入到拉拔炉14的口12内。在工序56，将远端16下降到炉内热区15，将它加热到塞子22与外包管20融合。在工序58，外包管坍缩在软化的芯棒上产生熔液滴，由此开始可拉制出具有所需性能的光纤。
除了单一外包管20外，可将一个或多个添加的外包管同轴地固定在外包管20的周围，这样来开始多外包层光纤拉拔过程。例如在图5中可以看到在一按照本发明的光纤预型10′有一与芯棒18′同轴而位在芯棒18′和外包管20之间的第二个或在内的外包管60的下部。这样，管60和芯棒18′就都可被塞子22限制住，不让它们相对于管20而向下运动。
图5中的在内的外包管60具有这样的内直径D3以便在它与芯棒18′之间造成一个径向间隙(例如约为1mm+/-0.5mm)。于是可将部分真空与芯棒18′和在内的外包管60之间的径向间隙以及管60和在外的外包管之间的间隙连通以资当预型10在拉拔炉14内被加热时可促进两个管20、60互相坍缩并坍缩到芯棒18′上。
由于在光纤拉拔的过程中有一个要点是芯棒及其相关的外包管应以相同的速率进给到炉14内，因此在某些情况下可能需要提供设施阻挡潜在的芯棒18(或18′)相对于外包管的垂直向上的轴向运动或滑动。
在预型10的顶面上的合适的阻挡设施可使芯棒的顶面保持在相对于外包管的顶面为恒定的位置上，因此可以减少或否定择优进给的可能性。在目前较优的实施例中，在外的外包管20的顶面沿径向向内被阻塞或成梯形，致使外包管的内直径小于芯棒18的外直径，从而当塞子22被固定在外包管的下端(倾斜)部时芯棒的顶边与外包管20的被阻塞的壁非常接近。这样在整个RIT光纤的拉制过程中，芯棒18的轴向运动不论是向下还是向上就都被限制，因此芯棒和外包管在通过光纤拉拔炉14时可保持一个恒定的进给率。
上面介绍了本发明的较优实施例，但应知道本行业的行家们在不离开本发明的创意和范围的情况下是能对本发明作出各种修改和变化的，而本发明理应包括所有这些修改和变化，只要它们是在所附权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种外包覆的光纤预型，适宜设立在具有内部热区的垂直光纤拉拔炉的炉口，该预型包括一个芯棒；一个外包覆管，该管具有一个可插入拉拔炉口内的开口远端和一条管轴线；和一个塞子，固定在外包覆管远端附近；以及芯棒沿轴向设置在外包覆管内，使当管子的远端进入垂直拉拔炉口内而下降到炉内热区时，芯棒下端的向下运动受到设在管子远端的塞子的抑制。
2.如权利要求1所述的预型，其特征在于，塞子由熔融的石英制成。
3.如权利要求1所述的预型，其特征在于，外包覆管的远端制出具有一定倾斜角的沿径向向内的斜度。
4.如权利要求3所述的预型，其特征在于，倾斜角约为24度。
5.如权利要求1所述的预型，其特征在于，在外包覆管远端附近的壁上制有至少一个孔，而塞子有一横向孔，并包括一个销钉，其尺寸与所说壁上的孔和塞子内的孔配合可用来将塞子保持在管子的远端。
6.如权利要求5所述的预型，其特征在于，销钉由熔融的石英制成。
7.如权利要求1所述的预型，其特征在于，芯棒和外包覆管的尺寸这样制定，使当将芯棒插入管内时形成一个约为1mm的径向间隙。
8.如权利要求1所述的预型，其特征在于，包括一个内包覆管，该管被同轴地布置在芯棒和外包覆管之间。
9.如权利要求8所述的预型，其特征在于，芯棒和内包覆管被这样制定尺寸并布置，使内包覆管的下端和芯棒的下端由于受到所说塞子的限制不能相对于外包覆管而向下运动。
10.一种拉制光纤的方法，包括沿轴向将芯棒插入外包覆管内；将塞子插入外包覆管的开口远端内并将塞子固定在所说远端附近；使外包覆管的远端定位以便进入具有热区的垂直光纤拉拔炉的炉口内；将外包覆管连同插入的芯棒和塞子下降到拉拔炉的热区内；在热区内加热外包覆管的远端一直到塞子和管软化并融合在一起；在拉拔炉的热区范围内使外包覆管坍缩在芯棒上；及产生由芯棒和外包覆管构成的熔液滴从而开始拉制具有所需性能的光纤。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括将一销钉插入使它通过塞子和在管壁上制出的至少一个孔，从而将塞子固定在外包覆管的远端。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括当管子在拉拔炉的热区内被加热时使销钉、塞子和外包覆管的远端一起被软化并融合。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括在使外包覆管的远端定位以便进入拉拔炉口内之前，将一内包覆管同轴地设置在芯棒和外包覆管之间。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括将部分真空连通到芯棒和外包覆管之间的间隙内使坍缩工序容易进行。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括在加热和坍缩的工序中限制芯棒相对于外包覆管的向上运动。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括在将管子下降到拉拔炉内热区之前，将外包覆管连同插入的芯棒和塞子保持在不受高温热处理的状态。
全文摘要
一种光纤预型，包括一个芯棒和一个包覆管，该管具有一个开口的远端，其尺寸可进入到垂直光纤拉拔炉的炉口内。有一塞子被固定在该管的远端区域内，而芯棒沿轴向被设置在包覆管内，当该管进入并下降到拉拔炉内热区时，由于塞子的阻拦，芯棒的远端受到限制不能向下运动。该管的远端在炉内热区被加热和塞子一起被软化并互相融合，于是该管坍缩在芯棒上产生熔液滴，从该熔液滴可拉制出具有所需性能的光纤。
文档编号C03B37/027GK1504432SQ0314539
公开日2004年6月16日 申请日期2003年7月7日 优先权日2002年12月4日
发明者约瑟夫·P·弗莱彻三世, 托马斯·J·米勒, 小约翰·A·伦内尔, 唐·H·史密斯, 彼得·鲍尔, 诺伯特·西比斯, 拉尔夫·萨特曼, 雷内·索瓦, A 伦内尔, J 米勒, 萨特曼, 西比斯, な访芩, 索瓦, 约瑟夫 P 弗莱彻三世, 鲍尔 申请人:菲特尔美国公司