光纤及其制造方法

专利名称：光纤及其制造方法
技术领域：
本发明概括而言涉及光纤和制造方法，更准确地说，涉及一种光纤预制棒和光纤预制棒制造方法。
相关技术描述光纤从玻璃预制棒制造而得。如F.DiMarcello等在“FiberDrawing and Strength Properties”，Optical Fiber Communications，Vol.1，Academic Press，Inc.，1995，179-248页所述，通常将预制棒竖直设置在拉丝塔中，使一部分预制棒向下放到熔炉区域中。放置到熔炉区域中的该部分预制棒开始软化，并且该预制棒的下端形成所谓“颈缩区域”，在该处玻璃从最初的预制棒横截面面积流动成光纤的所需横截面面积。从该颈缩区域的下端拉出光纤。
该光纤通常包含可选择地掺杂折射率增大元素如锗的高纯度石英玻璃芯，可选择地掺杂折射率减小元素如氟的高纯度石英玻璃的内包层和未掺杂石英玻璃的外包层。在某些制造方法中，通过形成外包层管作为外包层，并单独形成包含芯材料和内包层材料的芯棒，制造出形成这类光纤的预制棒。然后将芯棒插入外包层管中。如例如共同转让的美国专利No.5,240,488中所述(其内容在此被结合引作参考)，可通过溶胶-凝胶过程形成外包层管，或者该管从石英坯料拉制而成。这种外包层管为可在市场上购得的。
可通过本领域技术人员已知的多种汽相沉积方法中任何一种制造芯棒，包括汽相轴向沉积(VAD)，外部汽相沉积(OVD)和内部汽相沉积(IVD)，或者改良的化学汽相沉积(MCVD)。例如，MCVD涉及到使高纯度气体，例如包含硅和锗的混合气体通过石英玻璃管(作为基管)内部，同时用来回移动的热源加热该管的外部，且此热源一般为氢氧喷灯。在管子的加热区，发生将粒子沉积在管壁上的汽相反应。这种形成在喷灯前面的沉积物，在喷灯通过时被烧结。连续多次重复该过程，直至沉积了所需量的二氧硅和/或掺有锗的二氧化硅。
一旦完成沉积，则加热该主体，使基管塌缩，获得实心棒，其中该基管构成内包层材料的外围部分。为了获得最终的预制棒，通常将外包层管放置在芯棒上并紧紧围绕该芯棒，并加热该部件，塌缩成坚固的实心预制棒，如共同转让的美国专利No.4,775,401中所述，其内容在此引作参考。
虽然从使用MCVD制造的预制棒生产光纤制品早已是经济上可行，不过仍然寻求成本进一步降低。一种比较有前途的方法是增加预制棒产量。有若干参数影响预制棒产量，并且设计上的进步导致塌缩时间缩短，以更快的速度横向来回移动等。最为关注的参数为反应和沉积速度。
在最初引入MCVD时，显然沉积速度有限。在操作条件下反应物流动导致喷射出大量颗粒物质，不过俘获相对较少。在大多数情况下，排出的反应产物比沉积的要多。研究涉及首先确定增加沉积的机制，然后增大沉积速度。根据所述机制，“热迁移”粒子在相对较冷的基管壁方向存在温度梯度。参见50Journal of App.Phys.，5676(1979)。美国专利No.4,263,032描述了通过热迁移装置增强沉积的方法。一种实施方式依靠对管子加热区域的下游水冷却产生的增强的热迁移驱动场。参见在此引作参考的美国专利No.4,302,230。
美国专利No.4,262,035中描述了一种增大MCVD处理中反应速度的方法。在这种MCVD物质中，一射频等离子体热源产生温度为数千摄氏度的发光“火球”。使高反应速度成为可能，并且由于温度梯度较大，沉积效率提高。与火焰MCVD不同，其状态允许高反应速度，同时避免排出气体中存在可见的颗粒物质。欧洲使用据称是在真空室中使用微波等离子体的方法制造光纤预制棒。在这种等离子体化学汽相沉积方法中，由于与真空相应的低反应物引入速度限制了这种等离子体化学汽相沉积方法的速度(Kuppers等，TechnicalDigest International Conference Integrated Optics，Optical FiberCommunication-Tokyo，Japan，page 319，1977)。
对MCVD方法沉积速度的一种特有的限制是已经沉积的材料层。具体来说，一旦所沉积的材料层达到一定厚度，当热源越过基管时，热源发出的热不再能够到达基管未沉积材料位置的内部。并且，基管塌缩成光纤预制棒需要花费非常长的时间，致使该方法造价过高。增大基管壁直径并不能解决这个问题，因为局限性在于基管壁内侧积累的沉积层厚度。另外，增大热源发出的热量会引发多种其他问题，诸如基管壁熔化。
另外，按照当前的实践，通常MCVD方法制造出能生产600千米光纤的预制棒，不过显然，需要更大光纤长度。
因此，迄今为止工业中存在致力于解决上述和/或其他缺陷和不足的未述及的需要。

发明内容
本发明提供一种由光纤预制棒制造光纤的设备和方法，最好使用改良的化学汽相沉积(MCVD)制造光纤预制棒，不过也可以适用其他预制棒制造方法。简言之，根据本发明一个实施例的方法制造的光纤，包括长度从大约1200千米到大约3000千米的光纤。该光纤最好具有大约125微米的标准外径。另外，在一个实施例中，该光纤可以具有直径为大约8微米的芯。这些尺寸符合工业标准，不过极大增大了由本发明制造出的光纤段的生产率。
简单而言，一种制造光纤芯棒的示例方法可以大致概括为本发明的下列步骤提供一具有纵轴的玻璃基管；在该玻璃基管中通过例如改良的化学汽相沉积(MCVD)方法沉积化学物质；将该基管塌缩成光纤预制棒，并通过沿纵向压缩该塌缩的预制棒来增大预制棒直径。所述方法还可以包括将该芯棒插入一外包层管中，并将外包层管塌缩到该芯棒上，以形成一光纤预制棒。增大直径产生更短的预制棒，可将该预制棒叠置在一外包层管中，以产生更长的预制棒。当叠置该芯棒时，与现有技术的600千米长度相比，本发明的预制棒能制造大约1200到大约3000千米的连续光纤。
本发明具有许多优点，下面仅描述其中几个作为例子。施加的压缩导致本发明的光纤预制棒比传统光纤预制棒大，而仍然保持适当的芯与包层比。因此，在光纤拉制过程中，无需停止拉丝机和重新装载光纤预制棒，从而能更快、更有效地制造光纤。此外，本发明的光纤，虽然纵向长度较长，不过具有工业中标准使用的外径和芯径。通过在光纤芯棒制造过程中压缩光纤预制棒，克服了MCVD方法的尺寸局限性。
本发明的其他优点为设计简单，与较短光纤一样在使用期间耐用而可靠，并且易于实现大批量商业制造。另外，不必重新设计或者重新构造已经配备有MCVD处理装置的光纤制造设备来制造长度较长的光纤。显然，本发明的某些实施例可能具有除上述优点以外，或取代上述优点的优点。另外，本领域技术人员根据下面的附图和详细描述，显然可以想到本发明的其他系统、方法、特征和优点。所有这些附加的系统、方法、特征和优点均包含在本说明之内，处于本发明范围之内，并受所附权利要求的保护。
附图简要说明参照附图能更好地理解本发明的多个方面。附图中的部件不必依照比例绘出，而将重点放在清楚说明本发明的原理。此外，在附图中，相同附图标记在多个附图中均表示相应部分。


图1为能实现本发明方法的设备实施例的正视图，表示光纤预制棒的压缩。
图2为使用传统MCVD方法形成的光纤预制棒在压缩之前的折射率分布曲线。
图3为所形成的光纤预制棒在压缩过程之后的折射率分布曲线。
详细说明正如此处将更详细描述的，本发明的设备和方法可能制造出更长光纤，特别是外径和芯径符合工业标准的光纤。具体来说，本发明的设备和方法包括更大的预制棒，能更加连续地进行光纤拉制操作，节省成本并提高光纤制造过程中的效率。根据这些原则，现在将参照附图进行说明。
图1表示适合于实现本发明实施例的设备10。光纤预制棒12由两个夹具14，16支撑，其中至少一个夹具可纵向移动。最好，此光纤预制棒12可由玻璃制成。夹具14，16能旋转光纤预制棒12，并且至少一个夹具，也可以是两个夹具能提供沿光纤预制棒12纵轴方向的压缩运动。设置一热源18，该热源18能沿光纤预制棒12长度来回移动，例如沿导轨20来回移动，从而提供管12的不连续加热部分22。此处所述的热源来回移动并非指热源18本身必须沿管12移动，而表示热源18相对管12移动的任何技术，包括移动热源18，移动管12，或者同时移动热源18与管12。
可由本领域技术人员所知的任何适当技术制造光纤预制棒12，例如外部汽相沉积(OVD)，汽相轴向沉积(VAD)，内部化学汽相沉积(ICVD)，或改良的化学汽相沉积(MCVD)。光纤预制棒12一般是基于石英的，不过也可以为适合于制造光纤的其他材料。同样光纤预制棒18可具有任何所需杂质/折射率分布。
热源18为任何在沉积过程中所需压缩期间能开始和继续沉积材料的热源。一般，热源为等温等离子体喷灯，如共同转让的美国专利No.5,861,047中所述。等离子体由氧气例如纯氧组成，或者由氧气和诸如氩的惰性气体组成。对本文而言，术语“热源”与术语“喷灯”互换使用。其他热源18包括但不限于熔炉，火焰和激光器。
可在加热之前有选择地确定沉积过程后形成的芯棒的以棒长度方向位置为函数的原始的芯分布。通常通过测量折射率分布，例如通过使用PK Technology预制棒轮廓描绘器确定所述分布。一般在足够数量点处测量直径，以合理反映整体分布，且点的特定数量取决于特定应用和所需处理精度。可将这种芯分布信息直接输入计算机24。根据所述分布，可确定必须对芯径进行何种调节，并且更重要的是，可确定必须在何处进行这些调节，以便获得所需的分布。一般可以计算出这些调节量，和/或输入同一台计算机中。
一旦确定了芯分布，则开始热处理。在来回移动过程中，源18加热预制棒12的局部区域22，一般从大约1500℃加热到2700℃。一般，这些局部区域构成大约2到大约10mm(沿纵轴测量)预制棒12，取决于热源类型和设备结构。
当这些区域22处于加热状态时，可通过CPU24和监视器26以及任何接线和导线调节区域22的直径，这些部件一起构成控制系统，监视和控制夹具14，16通过压缩运动施加给预制棒12的压力大小。具体来说，压缩运动将增大芯和预制棒直径，并且通过增大特定长度预制棒12内的体积(通过粘滞流动)，形成其中有沉积材料的总体上更大的预制棒12。在CPU24发出的信号的控制下，通过适当装置25，由一个或两个夹具14，16彼此相对的运动实现压缩运动。
通常根据预处理分布和尺寸与所需分布和尺寸的比较，由与夹具14，16相连的控制系统控制压缩运动量。此控制系统包括监视器26和控制器24，以及连接它们的任何导线或连接器。例如，图1表示一种与部件25相连用于移动夹具14或16或者同时移动夹具14和16的任选的控制器，或者中央处理装置(CPU)24。监视器26与CPU24相连，CPU24还连接用于夹具16的移动装置25。监视器22监视预制棒12的分布和/或直径，并将具有分布和/或直径信息的信号发送给CPU24。然后CPU24可以将该分布和/或直径信息与预先确定的所需分布和/直径进行比较。之后CPU24可以向部件25发送信号，以针对施加给预制棒12的压缩量移动夹具16和/或18。或者，可以手工实现压缩的监控与调节。
当热源18沿预制棒12来回移动时，可施加连续的压缩运动，以提供所需的尺寸和/或分布。还可以断断续续施加或者不施加纵向压缩运动，例如如果在特定加热区域22预制棒12已经具有所需直径。
在一最佳实施例中，将预制棒12设置成其纵轴基本垂直。通常通过将把手(未表示)固定到预制棒12的端部，然后将把手插入夹具14，16中，能对预制棒12的整个长度进行加热。垂直设置可减小或消除重力对预制棒12的软化、粘滞区域的非均匀的影响。如果不垂直设置，则重力有可能使预制棒12轴向不精确，和/或导致制成的预制棒12弯曲。通常，在加热期间旋转预制棒12，以提高加热均匀性。相对等离子体喷灯，一般预制棒旋转大约10到大约60rpm。对于15到30mm的预制棒直径而言，等离子体喷灯的典型来回移动速度为大约1到大约10厘米/分钟(一般，预制棒直径越大，则来回移动速度越慢，因为更厚的预制棒12需要更多加热)。因此，对于优选的150mm管尺寸，典型来回移动速度为大约3厘米/分钟。
对于图1中所示类型的实施例，不过其中(a)仅上夹具16能作压缩运动，和(b)喷灯18沿预制棒12以下降的速度来回移动，并随之调节预制棒直径大小。喷灯沿预制棒12的纵轴以速度vt来回移动，且上夹具16以速度vc(沿管的纵轴方向)移动，根据vc＝vt(1-(dc/dd)2) (1)其中dc为加热之前特定区域的初始芯径，dd为该区域所需的芯径。由压缩运动产生的速度vc为正。对于其他实施例，根据此处的教导，本领域普通技术人员可以想出类似算法设计。
而较大芯棒能制造较大预制棒，例如能提供至少1200km，或者至少2400km，并且最好至少大约3000km石英光纤的预制棒。光纤拉制过程期间，可将预制棒叠置在外包层管中，从而利用双段预制棒获得的低折断率和高生产率的优点。
在一最佳实施例中，所制造的光纤具有大约125μm的总外径，大约8μm的芯径。工业中常常使用125μm直径光纤，从而光缆、连接器、外壳和光纤带设计通常符合标准的125μm直径光纤。通过下面作为示例的实例，将进一步理解本发明。
实例举一个使用MCVD方法形成的传统预制棒的折射率分布示例。图2中具有以位置为函数绘出的折射率分布图30。曲线32是使用标准MCVD方法制造的典型预制棒的折射率分布。芯径为大约5mm。曲线34为一最佳实施例中通过压缩预制棒获得的目标分布。在本例中，芯径优选为8.33毫米(mm)。图3表示经过压缩的预制棒(曲线42)的分布，其在目标曲线44顶部或顶部附近下降。压缩之后预制棒的芯径为大约8.3mm，非常接近于目标值。图3表明不仅实现了芯径目标值，而且保持折射率分布特征未受损害，甚至在本发明最佳方法中得到改善。
未经压缩的预制棒在拉制之前直径为大约90mm，而经过压缩的预制棒在拉制之前直径为大约150mm。可将大量这种预制棒叠置在一外包层管中，并且拉制过程可持续更长时间而不中断该过程，从而增加了生产率，并节省光纤制造过程的时间和成本，以及增加可制造出的光纤长度。
应该强调本发明的上述实施例仅是为了清楚理解本发明的原理而给出的可能的实施例。在基本不偏离本发明精神和原理的条件下，可对本发明上述实施例进行多种改变和变型。此处所有这些变型和改变均包含在本公开和本发明范围之内，并受下列权利要求的保护。
权利要求
1.一种制造光纤芯棒用的方法，包括提供一具有纵轴的玻璃基管；通过汽相沉积方法将材料沉积到所述玻璃基管中；将所述基管塌缩成光纤预制棒；监视所述预制棒的直径；并在检测到所需直径发生改变时，提供沿预制棒纵轴方向的压缩运动。
2.如权利要求1所述的方法，其中该汽相沉积过程包括沿所述光纤预制棒纵轴来回移动热源，以提供加热区域；和其中当该热源沿预制棒来回移动时，提供所述沿光纤预制棒纵轴的压缩运动。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述沿光纤预制棒纵轴的压缩运动导致该预制棒的芯径增大。
4.如权利要求1所述的方法，其中当热源沿预制棒整个长度来回移动时，连续施加所述沿光纤预制棒纵轴的压缩运动。
5.如权利要求1所述的方法，其中所制造的预制棒具有大约20毫米到大约54毫米的外径。
6.如权利要求1所述的方法，还包括在压缩光纤预制棒之后，将一个或多个所述预制棒插入一外包层管中，并将该外包层管塌缩到所述预制棒上，被包覆的预制棒具有足够多的材料以制造大约1200到大约3000千米的连续光纤。
7.如权利要求6所述的方法，其中将所述预制棒插入外包层管中还包括将多个预制棒叠置到该外包层管中。
8.如权利要求7所述的方法，其中该叠置的光纤预制棒能制造芯径为大约8微米的光纤。
9.如权利要求6所述的方法，还包括从所述一个或多个预制棒拉制光纤，其中所述光纤长度为从大约1200到大约3000千米。
10.如权利要求9所述的方法，其中所制造的光纤具有大约125微米的外径，和大约8微米的芯径。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述光纤预制棒具有大约150毫米的外径。
12.一种光纤预制棒，其中所述光纤预制棒能叠置在一外包层管中，从而制造一包覆的预制棒，具有足够多的材料以制造大约2400到大约3000千米的光纤。
13.如权利要求12所述的光纤预制棒，其中该叠置的光纤预制棒能制造具有均匀芯径分布的光纤。
14.如权利要求12所述的光纤预制棒，其中该叠置的光纤预制棒使用改良的化学汽相沉积由玻璃基管形成。
15.一种控制系统，包括一监视器，对光纤预制棒的芯径和分布其中至少之一进行监视；和一控制器，将所述预制棒芯径和分布其中至少之一与预定芯径和分布其中至少之一进行比较，并确定应该施加给所述预制棒的压力。
16.如权利要求15所述的控制系统，其中所述控制器为一中央处理装置(CPU)。
全文摘要
此处公开了用于制造光纤、光纤预制棒和光纤芯棒的设备和方法。具体来说，所述光纤预制棒的制造方法包括，在改良的化学汽相沉积过程中，将基管塌缩成一光纤预制棒，并沿纵轴方向压缩该光纤预制棒。从而形成更短但直径更大的光纤预制棒。因此在光纤制造过程中可叠置所述光纤预制棒，用于拉制出外径和芯径与工业标准中所用光纤相差不远的更长的光纤。
文档编号C03B37/012GK1502575SQ20031010270
公开日2004年6月9日 申请日期2003年10月22日 优先权日2002年11月25日
发明者詹姆斯·W·弗莱明, 斯里尼瓦斯·维姆利, 瓦斯 维姆利, 詹姆斯 W 弗莱明 申请人:菲特尔美国公司