專利名稱：光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括而言涉及光纖和制造方法，更準確地說，涉及一種光纖預制棒和光纖預制棒制造方法。
相關(guān)技術(shù)描述光纖從玻璃預制棒制造而得。如F.DiMarcello等在“FiberDrawing and Strength Properties”，Optical Fiber Communications，Vol.1，Academic Press，Inc.，1995，179-248頁所述，通常將預制棒豎直設(shè)置在拉絲塔中，使一部分預制棒向下放到熔爐區(qū)域中。放置到熔爐區(qū)域中的該部分預制棒開始軟化，并且該預制棒的下端形成所謂“頸縮區(qū)域”，在該處玻璃從最初的預制棒橫截面面積流動成光纖的所需橫截面面積。從該頸縮區(qū)域的下端拉出光纖。
該光纖通常包含可選擇地摻雜折射率增大元素如鍺的高純度石英玻璃芯，可選擇地摻雜折射率減小元素如氟的高純度石英玻璃的內(nèi)包層和未摻雜石英玻璃的外包層。在某些制造方法中，通過形成外包層管作為外包層，并單獨形成包含芯材料和內(nèi)包層材料的芯棒，制造出形成這類光纖的預制棒。然后將芯棒插入外包層管中。如例如共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No.5,240,488中所述(其內(nèi)容在此被結(jié)合引作參考)，可通過溶膠-凝膠過程形成外包層管，或者該管從石英坯料拉制而成。這種外包層管為可在市場上購得的。
可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的多種汽相沉積方法中任何一種制造芯棒，包括汽相軸向沉積(VAD)，外部汽相沉積(OVD)和內(nèi)部汽相沉積(IVD)，或者改良的化學汽相沉積(MCVD)。例如，MCVD涉及到使高純度氣體，例如包含硅和鍺的混合氣體通過石英玻璃管(作為基管)內(nèi)部，同時用來回移動的熱源加熱該管的外部，且此熱源一般為氫氧噴燈。在管子的加熱區(qū)，發(fā)生將粒子沉積在管壁上的汽相反應。這種形成在噴燈前面的沉積物，在噴燈通過時被燒結(jié)。連續(xù)多次重復該過程，直至沉積了所需量的二氧硅和/或摻有鍺的二氧化硅。
一旦完成沉積，則加熱該主體，使基管塌縮，獲得實心棒，其中該基管構(gòu)成內(nèi)包層材料的外圍部分。為了獲得最終的預制棒，通常將外包層管放置在芯棒上并緊緊圍繞該芯棒，并加熱該部件，塌縮成堅固的實心預制棒，如共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No.4,775,401中所述，其內(nèi)容在此引作參考。
雖然從使用MCVD制造的預制棒生產(chǎn)光纖制品早已是經(jīng)濟上可行，不過仍然尋求成本進一步降低。一種比較有前途的方法是增加預制棒產(chǎn)量。有若干參數(shù)影響預制棒產(chǎn)量，并且設(shè)計上的進步導致塌縮時間縮短，以更快的速度橫向來回移動等。最為關(guān)注的參數(shù)為反應和沉積速度。
在最初引入MCVD時，顯然沉積速度有限。在操作條件下反應物流動導致噴射出大量顆粒物質(zhì)，不過俘獲相對較少。在大多數(shù)情況下，排出的反應產(chǎn)物比沉積的要多。研究涉及首先確定增加沉積的機制，然后增大沉積速度。根據(jù)所述機制，“熱遷移”粒子在相對較冷的基管壁方向存在溫度梯度。參見50Journal of App.Phys.，5676(1979)。美國專利No.4,263,032描述了通過熱遷移裝置增強沉積的方法。一種實施方式依靠對管子加熱區(qū)域的下游水冷卻產(chǎn)生的增強的熱遷移驅(qū)動場。參見在此引作參考的美國專利No.4,302,230。
美國專利No.4,262,035中描述了一種增大MCVD處理中反應速度的方法。在這種MCVD物質(zhì)中，一射頻等離子體熱源產(chǎn)生溫度為數(shù)千攝氏度的發(fā)光“火球”。使高反應速度成為可能，并且由于溫度梯度較大，沉積效率提高。與火焰MCVD不同，其狀態(tài)允許高反應速度，同時避免排出氣體中存在可見的顆粒物質(zhì)。歐洲使用據(jù)稱是在真空室中使用微波等離子體的方法制造光纖預制棒。在這種等離子體化學汽相沉積方法中，由于與真空相應的低反應物引入速度限制了這種等離子體化學汽相沉積方法的速度(Kuppers等，TechnicalDigest International Conference Integrated Optics，Optical FiberCommunication-Tokyo，Japan，page 319，1977)。
對MCVD方法沉積速度的一種特有的限制是已經(jīng)沉積的材料層。具體來說，一旦所沉積的材料層達到一定厚度，當熱源越過基管時，熱源發(fā)出的熱不再能夠到達基管未沉積材料位置的內(nèi)部。并且，基管塌縮成光纖預制棒需要花費非常長的時間，致使該方法造價過高。增大基管壁直徑并不能解決這個問題，因為局限性在于基管壁內(nèi)側(cè)積累的沉積層厚度。另外，增大熱源發(fā)出的熱量會引發(fā)多種其他問題，諸如基管壁熔化。
另外，按照當前的實踐，通常MCVD方法制造出能生產(chǎn)600千米光纖的預制棒，不過顯然，需要更大光纖長度。
因此，迄今為止工業(yè)中存在致力于解決上述和/或其他缺陷和不足的未述及的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種由光纖預制棒制造光纖的設(shè)備和方法，最好使用改良的化學汽相沉積(MCVD)制造光纖預制棒，不過也可以適用其他預制棒制造方法。簡言之，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法制造的光纖，包括長度從大約1200千米到大約3000千米的光纖。該光纖最好具有大約125微米的標準外徑。另外，在一個實施例中，該光纖可以具有直徑為大約8微米的芯。這些尺寸符合工業(yè)標準，不過極大增大了由本發(fā)明制造出的光纖段的生產(chǎn)率。
簡單而言，一種制造光纖芯棒的示例方法可以大致概括為本發(fā)明的下列步驟提供一具有縱軸的玻璃基管；在該玻璃基管中通過例如改良的化學汽相沉積(MCVD)方法沉積化學物質(zhì)；將該基管塌縮成光纖預制棒，并通過沿縱向壓縮該塌縮的預制棒來增大預制棒直徑。所述方法還可以包括將該芯棒插入一外包層管中，并將外包層管塌縮到該芯棒上，以形成一光纖預制棒。增大直徑產(chǎn)生更短的預制棒，可將該預制棒疊置在一外包層管中，以產(chǎn)生更長的預制棒。當疊置該芯棒時，與現(xiàn)有技術(shù)的600千米長度相比，本發(fā)明的預制棒能制造大約1200到大約3000千米的連續(xù)光纖。
本發(fā)明具有許多優(yōu)點，下面僅描述其中幾個作為例子。施加的壓縮導致本發(fā)明的光纖預制棒比傳統(tǒng)光纖預制棒大，而仍然保持適當?shù)男九c包層比。因此，在光纖拉制過程中，無需停止拉絲機和重新裝載光纖預制棒，從而能更快、更有效地制造光纖。此外，本發(fā)明的光纖，雖然縱向長度較長，不過具有工業(yè)中標準使用的外徑和芯徑。通過在光纖芯棒制造過程中壓縮光纖預制棒，克服了MCVD方法的尺寸局限性。
本發(fā)明的其他優(yōu)點為設(shè)計簡單，與較短光纖一樣在使用期間耐用而可靠，并且易于實現(xiàn)大批量商業(yè)制造。另外，不必重新設(shè)計或者重新構(gòu)造已經(jīng)配備有MCVD處理裝置的光纖制造設(shè)備來制造長度較長的光纖。顯然，本發(fā)明的某些實施例可能具有除上述優(yōu)點以外，或取代上述優(yōu)點的優(yōu)點。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)下面的附圖和詳細描述，顯然可以想到本發(fā)明的其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點。所有這些附加的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點均包含在本說明之內(nèi)，處于本發(fā)明范圍之內(nèi)，并受所附權(quán)利要求的保護。
附圖簡要說明參照附圖能更好地理解本發(fā)明的多個方面。附圖中的部件不必依照比例繪出，而將重點放在清楚說明本發(fā)明的原理。此外，在附圖中，相同附圖標記在多個附圖中均表示相應部分。


圖1為能實現(xiàn)本發(fā)明方法的設(shè)備實施例的正視圖，表示光纖預制棒的壓縮。
圖2為使用傳統(tǒng)MCVD方法形成的光纖預制棒在壓縮之前的折射率分布曲線。
圖3為所形成的光纖預制棒在壓縮過程之后的折射率分布曲線。
詳細說明正如此處將更詳細描述的，本發(fā)明的設(shè)備和方法可能制造出更長光纖，特別是外徑和芯徑符合工業(yè)標準的光纖。具體來說，本發(fā)明的設(shè)備和方法包括更大的預制棒，能更加連續(xù)地進行光纖拉制操作，節(jié)省成本并提高光纖制造過程中的效率。根據(jù)這些原則，現(xiàn)在將參照附圖進行說明。
圖1表示適合于實現(xiàn)本發(fā)明實施例的設(shè)備10。光纖預制棒12由兩個夾具14，16支撐，其中至少一個夾具可縱向移動。最好，此光纖預制棒12可由玻璃制成。夾具14，16能旋轉(zhuǎn)光纖預制棒12，并且至少一個夾具，也可以是兩個夾具能提供沿光纖預制棒12縱軸方向的壓縮運動。設(shè)置一熱源18，該熱源18能沿光纖預制棒12長度來回移動，例如沿導軌20來回移動，從而提供管12的不連續(xù)加熱部分22。此處所述的熱源來回移動并非指熱源18本身必須沿管12移動，而表示熱源18相對管12移動的任何技術(shù)，包括移動熱源18，移動管12，或者同時移動熱源18與管12。
可由本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的任何適當技術(shù)制造光纖預制棒12，例如外部汽相沉積(OVD)，汽相軸向沉積(VAD)，內(nèi)部化學汽相沉積(ICVD)，或改良的化學汽相沉積(MCVD)。光纖預制棒12一般是基于石英的，不過也可以為適合于制造光纖的其他材料。同樣光纖預制棒18可具有任何所需雜質(zhì)/折射率分布。
熱源18為任何在沉積過程中所需壓縮期間能開始和繼續(xù)沉積材料的熱源。一般，熱源為等溫等離子體噴燈，如共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No.5,861,047中所述。等離子體由氧氣例如純氧組成，或者由氧氣和諸如氬的惰性氣體組成。對本文而言，術(shù)語“熱源”與術(shù)語“噴燈”互換使用。其他熱源18包括但不限于熔爐，火焰和激光器。
可在加熱之前有選擇地確定沉積過程后形成的芯棒的以棒長度方向位置為函數(shù)的原始的芯分布。通常通過測量折射率分布，例如通過使用PK Technology預制棒輪廓描繪器確定所述分布。一般在足夠數(shù)量點處測量直徑，以合理反映整體分布，且點的特定數(shù)量取決于特定應用和所需處理精度?？蓪⑦@種芯分布信息直接輸入計算機24。根據(jù)所述分布，可確定必須對芯徑進行何種調(diào)節(jié)，并且更重要的是，可確定必須在何處進行這些調(diào)節(jié)，以便獲得所需的分布。一般可以計算出這些調(diào)節(jié)量，和/或輸入同一臺計算機中。
一旦確定了芯分布，則開始熱處理。在來回移動過程中，源18加熱預制棒12的局部區(qū)域22，一般從大約1500℃加熱到2700℃。一般，這些局部區(qū)域構(gòu)成大約2到大約10mm(沿縱軸測量)預制棒12，取決于熱源類型和設(shè)備結(jié)構(gòu)。
當這些區(qū)域22處于加熱狀態(tài)時，可通過CPU24和監(jiān)視器26以及任何接線和導線調(diào)節(jié)區(qū)域22的直徑，這些部件一起構(gòu)成控制系統(tǒng)，監(jiān)視和控制夾具14，16通過壓縮運動施加給預制棒12的壓力大小。具體來說，壓縮運動將增大芯和預制棒直徑，并且通過增大特定長度預制棒12內(nèi)的體積(通過粘滯流動)，形成其中有沉積材料的總體上更大的預制棒12。在CPU24發(fā)出的信號的控制下，通過適當裝置25，由一個或兩個夾具14，16彼此相對的運動實現(xiàn)壓縮運動。
通常根據(jù)預處理分布和尺寸與所需分布和尺寸的比較，由與夾具14，16相連的控制系統(tǒng)控制壓縮運動量。此控制系統(tǒng)包括監(jiān)視器26和控制器24，以及連接它們的任何導線或連接器。例如，圖1表示一種與部件25相連用于移動夾具14或16或者同時移動夾具14和16的任選的控制器，或者中央處理裝置(CPU)24。監(jiān)視器26與CPU24相連，CPU24還連接用于夾具16的移動裝置25。監(jiān)視器22監(jiān)視預制棒12的分布和/或直徑，并將具有分布和/或直徑信息的信號發(fā)送給CPU24。然后CPU24可以將該分布和/或直徑信息與預先確定的所需分布和/直徑進行比較。之后CPU24可以向部件25發(fā)送信號，以針對施加給預制棒12的壓縮量移動夾具16和/或18?；蛘撸梢允止崿F(xiàn)壓縮的監(jiān)控與調(diào)節(jié)。
當熱源18沿預制棒12來回移動時，可施加連續(xù)的壓縮運動，以提供所需的尺寸和/或分布。還可以斷斷續(xù)續(xù)施加或者不施加縱向壓縮運動，例如如果在特定加熱區(qū)域22預制棒12已經(jīng)具有所需直徑。
在一最佳實施例中，將預制棒12設(shè)置成其縱軸基本垂直。通常通過將把手(未表示)固定到預制棒12的端部，然后將把手插入夾具14，16中，能對預制棒12的整個長度進行加熱。垂直設(shè)置可減小或消除重力對預制棒12的軟化、粘滯區(qū)域的非均勻的影響。如果不垂直設(shè)置，則重力有可能使預制棒12軸向不精確，和/或?qū)е轮瞥傻念A制棒12彎曲。通常，在加熱期間旋轉(zhuǎn)預制棒12，以提高加熱均勻性。相對等離子體噴燈，一般預制棒旋轉(zhuǎn)大約10到大約60rpm。對于15到30mm的預制棒直徑而言，等離子體噴燈的典型來回移動速度為大約1到大約10厘米/分鐘(一般，預制棒直徑越大，則來回移動速度越慢，因為更厚的預制棒12需要更多加熱)。因此，對于優(yōu)選的150mm管尺寸，典型來回移動速度為大約3厘米/分鐘。
對于圖1中所示類型的實施例，不過其中(a)僅上夾具16能作壓縮運動，和(b)噴燈18沿預制棒12以下降的速度來回移動，并隨之調(diào)節(jié)預制棒直徑大小。噴燈沿預制棒12的縱軸以速度vt來回移動，且上夾具16以速度vc(沿管的縱軸方向)移動，根據(jù)vc＝vt(1-(dc/dd)2) (1)其中dc為加熱之前特定區(qū)域的初始芯徑，dd為該區(qū)域所需的芯徑。由壓縮運動產(chǎn)生的速度vc為正。對于其他實施例，根據(jù)此處的教導，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以想出類似算法設(shè)計。
而較大芯棒能制造較大預制棒，例如能提供至少1200km，或者至少2400km，并且最好至少大約3000km石英光纖的預制棒。光纖拉制過程期間，可將預制棒疊置在外包層管中，從而利用雙段預制棒獲得的低折斷率和高生產(chǎn)率的優(yōu)點。
在一最佳實施例中，所制造的光纖具有大約125μm的總外徑，大約8μm的芯徑。工業(yè)中常常使用125μm直徑光纖，從而光纜、連接器、外殼和光纖帶設(shè)計通常符合標準的125μm直徑光纖。通過下面作為示例的實例，將進一步理解本發(fā)明。
實例舉一個使用MCVD方法形成的傳統(tǒng)預制棒的折射率分布示例。圖2中具有以位置為函數(shù)繪出的折射率分布圖30。曲線32是使用標準MCVD方法制造的典型預制棒的折射率分布。芯徑為大約5mm。曲線34為一最佳實施例中通過壓縮預制棒獲得的目標分布。在本例中，芯徑優(yōu)選為8.33毫米(mm)。圖3表示經(jīng)過壓縮的預制棒(曲線42)的分布，其在目標曲線44頂部或頂部附近下降。壓縮之后預制棒的芯徑為大約8.3mm，非常接近于目標值。圖3表明不僅實現(xiàn)了芯徑目標值，而且保持折射率分布特征未受損害，甚至在本發(fā)明最佳方法中得到改善。
未經(jīng)壓縮的預制棒在拉制之前直徑為大約90mm，而經(jīng)過壓縮的預制棒在拉制之前直徑為大約150mm?？蓪⒋罅窟@種預制棒疊置在一外包層管中，并且拉制過程可持續(xù)更長時間而不中斷該過程，從而增加了生產(chǎn)率，并節(jié)省光纖制造過程的時間和成本，以及增加可制造出的光纖長度。
應該強調(diào)本發(fā)明的上述實施例僅是為了清楚理解本發(fā)明的原理而給出的可能的實施例。在基本不偏離本發(fā)明精神和原理的條件下，可對本發(fā)明上述實施例進行多種改變和變型。此處所有這些變型和改變均包含在本公開和本發(fā)明范圍之內(nèi)，并受下列權(quán)利要求的保護。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖芯棒用的方法，包括提供一具有縱軸的玻璃基管；通過汽相沉積方法將材料沉積到所述玻璃基管中；將所述基管塌縮成光纖預制棒；監(jiān)視所述預制棒的直徑；并在檢測到所需直徑發(fā)生改變時，提供沿預制棒縱軸方向的壓縮運動。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該汽相沉積過程包括沿所述光纖預制棒縱軸來回移動熱源，以提供加熱區(qū)域；和其中當該熱源沿預制棒來回移動時，提供所述沿光纖預制棒縱軸的壓縮運動。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述沿光纖預制棒縱軸的壓縮運動導致該預制棒的芯徑增大。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中當熱源沿預制棒整個長度來回移動時，連續(xù)施加所述沿光纖預制棒縱軸的壓縮運動。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所制造的預制棒具有大約20毫米到大約54毫米的外徑。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在壓縮光纖預制棒之后，將一個或多個所述預制棒插入一外包層管中，并將該外包層管塌縮到所述預制棒上，被包覆的預制棒具有足夠多的材料以制造大約1200到大約3000千米的連續(xù)光纖。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中將所述預制棒插入外包層管中還包括將多個預制棒疊置到該外包層管中。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該疊置的光纖預制棒能制造芯徑為大約8微米的光纖。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括從所述一個或多個預制棒拉制光纖，其中所述光纖長度為從大約1200到大約3000千米。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所制造的光纖具有大約125微米的外徑，和大約8微米的芯徑。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光纖預制棒具有大約150毫米的外徑。
12.一種光纖預制棒，其中所述光纖預制棒能疊置在一外包層管中，從而制造一包覆的預制棒，具有足夠多的材料以制造大約2400到大約3000千米的光纖。
13.如權(quán)利要求12所述的光纖預制棒，其中該疊置的光纖預制棒能制造具有均勻芯徑分布的光纖。
14.如權(quán)利要求12所述的光纖預制棒，其中該疊置的光纖預制棒使用改良的化學汽相沉積由玻璃基管形成。
15.一種控制系統(tǒng)，包括一監(jiān)視器，對光纖預制棒的芯徑和分布其中至少之一進行監(jiān)視；和一控制器，將所述預制棒芯徑和分布其中至少之一與預定芯徑和分布其中至少之一進行比較，并確定應該施加給所述預制棒的壓力。
16.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中所述控制器為一中央處理裝置(CPU)。
全文摘要
此處公開了用于制造光纖、光纖預制棒和光纖芯棒的設(shè)備和方法。具體來說，所述光纖預制棒的制造方法包括，在改良的化學汽相沉積過程中，將基管塌縮成一光纖預制棒，并沿縱軸方向壓縮該光纖預制棒。從而形成更短但直徑更大的光纖預制棒。因此在光纖制造過程中可疊置所述光纖預制棒，用于拉制出外徑和芯徑與工業(yè)標準中所用光纖相差不遠的更長的光纖。
文檔編號C03B37/012GK1502575SQ20031010270
公開日2004年6月9日 申請日期2003年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者詹姆斯·W·弗萊明, 斯里尼瓦斯·維姆利, 瓦斯 維姆利, 詹姆斯 W 弗萊明 申請人:菲特爾美國公司