專利名稱：用于光纖外包覆的煙怠壓制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地涉及利用用于光纖外包覆的煙怠壓制、用于制成具有多個孔或多根應力桿的光纖的設備和方法，并具體地涉及用于制成光纖預制件的方法和設備。
背景技術：
由于在OVD工藝的沉積效率方面的限制，用于制成光纖預制件的、諸如外氣相沉積(OVD)和氣相軸向沉積(VAD)工藝的傳統(tǒng)化學氣相沉積(CVD)工藝經(jīng)常僅利用初始的原 材料的一部分。因此，使用所得的“廢棄” 二氧化硅煙怠可潛在地導致原材料成本的大幅節(jié)省。相應地，已提出不同方法來利用在生產(chǎn)光纖預制件時否則就未被利用的二氧化硅煙怠。這些方法可有許多缺點，包括昂貴、復雜和/或耗時的工藝狀況以及設備，并可導致預制件具有比期望少的特性，這些特性諸如是在預制件密度和幾何形狀方面不可接受的可變性。存在在包覆部內(nèi)采用多個孔或多根應力桿來實現(xiàn)期望的光學特性的許多光纖應用場合。這些應用場合包括單偏振光纖、保偏光纖、彎曲不敏感光纖、光子晶體光纖、高數(shù)值孔徑光纖和無盡單模光纖。單偏振和保偏光纖通常包括中心芯部以及位于包覆部內(nèi)并在光纖芯部附近的多個氣孔或多根摻硼的應力桿(圖I)。這些光纖經(jīng)常通過諸如外氣相沉積(OVD)工藝來制造，其中，二氧化硅包覆玻璃例如通過八甲基四硅氧烷的高溫分解而沉積于玻璃芯棒上。OVD工藝是高度優(yōu)化、高產(chǎn)量的制造工藝。然而，包覆層的成形經(jīng)常是在使光纖輸出最大化時的限速步驟。此外，估計到在光纖預制件的包覆部的沉積過程中，八甲基四硅氧烷給料的高溫分解產(chǎn)物的至少50%沉積于玻璃芯棒上。然后，二氧化硅包覆煙怠層進行燒結，以產(chǎn)生二氧化硅芯部/包層玻璃坯件。單偏振和保偏光纖通常通過在這些芯部/包覆玻璃坯件內(nèi)部鉆出/機加工出精確的孔并且如果采用應力桿則通過將應力桿插入這些孔來制成。所得的組件可插入二氧化硅管或者進行外包覆、燒結、然后牽拉到單偏振或保偏光纖內(nèi)。然而，為了獲得良好的光學性能，鉆出的孔的尺寸必須非常精確并需要大量后處理，從而導致這些光纖的工藝成本增大。在另一組應用中，在包覆部內(nèi)存在多個孔。這種構造適于光子晶體光纖或彎曲不敏感光纖的應用場合。這些光纖一般使用堆積和牽拉工藝或通過在預制件內(nèi)鉆孔來制成。為了進一步提高光纖輸出并降低原材料成本和其它制造成本，期望制造在包覆部內(nèi)具有多個孔或多根應力桿的光纖的替代方法
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是用于制成光纖預制件的方法。該方法包括以下步驟(i)將多根桿放置于設備的模腔內(nèi)；(ii)將顆粒玻璃材料放置到模腔內(nèi)的桿和內(nèi)壁之間；以及
(iii)將壓力施抵顆粒玻璃材料，以抵靠多根桿對顆粒玻璃材料加壓。在一些實施例中，多根桿包括(i)至少一根玻璃桿和至少一根模桿；或者(ii)至少兩根玻璃桿。根據(jù)一些實施例，一根或多根玻璃桿是芯桿。根據(jù)一些實施例，多根玻璃桿是多根芯棒或多根應力桿。較佳地，各桿彼此共線地對準。根據(jù)一些實施例，較佳地，軸向地和/或徑向地施加壓力。根據(jù)一些實施例，壓力從模腔的至少一側進行施加。根據(jù)一些實施例，模腔的橫截面是圓形的。根據(jù)一些實施例，模腔的橫截面不具有圓對稱性 。根據(jù)一些實施例，設備包括外壁和內(nèi)壁，外壁圍繞內(nèi)壁，而內(nèi)壁圍繞內(nèi)腔；且至少徑向向內(nèi)施加壓力，并且施抵顆粒玻璃材料的壓力是25磅/平方英寸至250磅/平方英寸，以抵靠多根桿對顆粒玻璃材料加壓。在其它實施例中，軸向地施加壓力。例如，二氧化硅玻璃煙怠可沿軸向加壓以形成煙怠壓實體，該煙怠壓實體具有在玻璃芯部周圍的至少0. 5克/立方厘米、較佳是至少0. 65克/立方厘米且更佳是至少0. 75克/立方厘米(例如，0. 75克/立方厘米至I. 2克/立方厘米，或者0. 8克/立方厘米至I. I克/立方厘米)的密度。在其它實施例中，軸向和徑向向內(nèi)施加壓力，這可以同時或者可以不同時進行。例如，施抵顆粒玻璃材料的壓力可以是25磅/平方英寸到250磅/平方英寸，以將顆粒玻璃材料加壓成至少0. 5克/立方厘米、較佳是至少0. 65克/立方厘米且更佳是至少0. 75克/立方厘米(例如，0. 75克/立方厘米至I. 2克/立方厘米，或者0.8克/立方厘米至I. I克/立方厘米)的密度。在其它的實施例中，模腔具有矩形橫截面，且壓力施加到矩形空腔的一個或多個側壁，這可以同時或可以不同時進行。例如，施抵顆粒玻璃材料的壓力可以是25磅/平方英寸到250磅/平方英寸，以將顆粒玻璃材料加壓成至少0. 5克/立方厘米、較佳是至少0. 65克/立方厘米且更佳是至少0. 75克/立方厘米(例如，0. 75克/立方厘米至I. 2克/立方厘米，或者0. 8克/立方厘米至I. I克/立方厘米)的密度。在另一實施例中，內(nèi)壁包括具有相互交叉的指部的卷起板。通過沿相反方向拉動相互交叉的指部來施加徑向向內(nèi)的壓力，以減小卷起板的直徑。在下面的詳細描述中將闡述本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，它們對本領域的技術人員來說部分地可從該說明書中變得顯而易見，或可通過如本文(包括下面的詳細描述、權利要求書以及附圖)所述那樣來實踐本發(fā)明認識到。應予理解的是，上面的總體說明和下面的詳細說明都提供了本發(fā)明的實施例，并意在提供概況或框架以便理解如所要求保護的本發(fā)明的性質和特征。包括附圖是為了提供對本發(fā)明的進一步理解，附圖包括在本說明書中并構成本說明書的一部分。附圖示出本發(fā)明的各實施例并與描述一起用于解釋本發(fā)明的原理和運作。


圖I示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的、用于形成光纖預制件的模具組件的示意圖；圖2示意地示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的、用于形成光纖預制件的分段的模具本體；圖3示意地示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的、聯(lián)接至超聲源的模具組件；圖4示意地示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的、加載有未擠壓的二氧化硅玻璃煙怠的模具組件和超聲源的剖視圖；
圖5A和5B示意地示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的、加載有二氧化硅玻璃煙怠的模具組件和超聲源的剖視圖；圖6示意地示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的、用于形成玻璃芯棒周圍的煙怠壓實體的模具組件和超聲源的剖視圖；圖7示意地示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的、包括形成于玻璃芯棒周圍的煙怠壓實體的光纖預制件組件；圖8A示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例生產(chǎn)的光纖預制件；圖SB示意地示出根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例生產(chǎn)的另一光纖預制件；圖8C示意地示出由圖8A中所示的光纖預制件生產(chǎn)的光纖；圖9示意地示出根據(jù)本發(fā)明的較佳方法可使用的設備的局部側向剖視圖，其中，設備的撓性內(nèi)壁的任一側上的壓力大致相等；圖10示意地示出根據(jù)本發(fā)明的較佳方法可使用的設備的局部側向剖視圖，其中，設備的撓性內(nèi)壁和剛性外壁之間的空氣已大部分去除；圖11示意地示出根據(jù)本發(fā)明的較佳方法可以使用的設備的局部側向剖視圖，其中玻璃桿在設備的內(nèi)腔內(nèi)居中；圖12示意地示出根據(jù)本發(fā)明的較佳方法可使用的設備的局部側向剖視圖，其中玻璃煙怠放置于玻璃桿和撓性內(nèi)壁之間的內(nèi)腔中；圖13示意地示出根據(jù)本發(fā)明的較佳方法可使用的設備的局部側向剖視圖，其中玻璃煙怠通過在剛性外壁和撓性內(nèi)壁之間提供加壓流體來進行加壓；圖14示意地示出根據(jù)本發(fā)明的較佳方法可使用的設備的局部側向剖視圖，其中加壓流體大部分已從剛性外壁和撓性內(nèi)壁之間去除；圖15示出從設備去除并準備進行清潔和固結的被壓制的煙怠/棒組件的局部側向剖視圖；圖16A和16B示出根據(jù)本發(fā)明的較佳方法可使用的、帶有相互交叉的指部的板的側視圖，其中在圖16A中，板材處于展開位置，而在圖16B中，板材處于卷起位置；以及圖17A-17C是根據(jù)在此所示和所述的一個或多個實施例的、用于形成光纖預制件的三個更示例性的模具組件的示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將具體參照本發(fā)明的目前較佳的實施例，這些實施例的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中都用相同的附圖標記來表示相同或類似的部件。本發(fā)明的一個實施例涉及用于制成光纖預制件的方法和設備，其包括將諸如玻璃煙怠的顆粒玻璃材料放置于多根桿周圍并對其進行加壓。多根桿可以例如是多根模桿和/或多根玻璃桿。例如，玻璃桿可包括芯棒和至少一根應力桿。在另一不例性實施例中，例如，玻璃桿可包括多根芯棒。較佳地，桿具有圓形橫截面，但還可采用具有其它橫截面的桿。桿可具有相同的尺寸或可呈不同的尺寸。示例性的方法和設備適于制成光纖預制件，并可用于制成在包覆部內(nèi)具有多個孔或多根應力桿的光纖，并在制造光纖時采用煙怠壓制?？墒褂眠@些示例性的制造方法來制成的光纖實施例的示例包括單偏振光纖、保偏光纖、彎曲不敏感光纖、多芯光纖、多芯光纖帶和光子晶體光纖。芯棒是指固結的玻璃桿，其包括光纖的芯玻璃的至少一部分，該部分最終將使用芯棒由預制件牽拉出。芯棒可包括光纖的包覆玻璃的至少一部分，該部分最終將使用芯棒由預制件牽拉出。替代地，芯棒可由多孔煙怠包覆層來圍繞。應力桿是指具有與包覆玻璃不同的折射率和/或不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)的固結的玻璃桿。應力桿較佳地在預制件內(nèi)偏離中心定位，并且例如可以是摻硼的二氧化硅(即，固結的摻硼的二氧化硅桿)或共摻雜有硼和氟的二氧化硅。應力桿可以例如具有純二氧化 硅的外涂層或者可以位于二氧化硅管的內(nèi)部。根據(jù)一些實施例，形成光纖預制件組件的包覆部的方法包括將玻璃芯棒和附加的玻璃桿(例如，應力桿)定位在模具組件的模腔內(nèi)。例如二氧化硅玻璃煙怠的顆粒玻璃材料可加載到模腔內(nèi)，因而，玻璃芯棒和應力桿由諸如二氧化硅玻璃煙怠的顆粒玻璃材料圍繞。模腔內(nèi)的諸如二氧化硅玻璃煙怠的顆粒玻璃材料可沿軸向和/或徑向擠壓，以使煙怠壓實體形成于桿的周圍，例如形成于玻璃芯棒和諸如應力桿的附加玻璃桿的周圍。應力桿和/或芯桿周圍的被壓制的顆粒玻璃材料(例如，煙怠壓實體)可具有至少0. 5克/立方厘米(SP，0. 5g/cm3)的密度。例如，被壓制(擠壓)的顆粒玻璃材料的密度可以是0. 6g/cm3、0. 7g/cm3、0. 75g/cm3、0. 8g/cm3、0. 9g/cm3、lg/cm3、I. lg/cm3 或 I. 2g/cm3。模腔可設計成實現(xiàn)芯棒、玻璃桿(例如，應力桿)和外部被壓制的煙怠形式之間的期望幾何形狀。模腔的橫截面形狀可以是圓形或橢圓形或其它按要求的形狀，以在固結成坯件以及在將坯件牽拉成光纖之后實現(xiàn)不同玻璃桿之間的特定幾何關系。具體的形狀可需要按經(jīng)驗來改型，以補償軸向定位的玻璃桿周圍的煙怠的各向異性的收縮。替代地，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，制成光纖預制件的方法和設備包括將諸如玻璃煙怠之類的顆粒玻璃材料放置于(較佳為圓柱形)模桿的周圍、且如果采用芯棒則還放置于芯棒的周圍并對其進行加壓。例如，可利用模桿來代替應力桿，以在所得預制件中產(chǎn)生氣孔。更具體地，模桿從被壓制的顆粒玻璃或煙怠壓實體(對應于預制件的包覆部)移除，從而在預制件的煙怠壓實體層內(nèi)留有空穴。預制件可固結，以使空穴留在預制件內(nèi)，然后，所得的煙怠預制件可牽拉成光纖。如上所述，然后，模腔內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠可沿軸向和/或徑向擠壓，因而，煙怠壓實體形成于模桿周圍(在移除模桿之前)和/或玻璃芯棒周圍。模腔的橫截面形狀可以是圓形、橢圓形或其它按要求的形狀，以在固結成坯件并將坯件牽拉成光纖之后實現(xiàn)不同的玻璃桿和模桿元件之間的特定幾何關系。根據(jù)另一實施例，用于制成光纖預制件的方法包括如上所述將諸如玻璃煙怠之類的顆粒玻璃材料放置于芯棒和/或(較佳是圓柱形)模桿的周圍并對其進行加壓。所得本體通過在700° C到1100° C之間的溫度下、I到3小時之間的處理來部分地燒結(預燒結)，這產(chǎn)生通過在單獨的顆粒之間形成玻璃頸來加強的多孔煙怠預制件。在預燒結步驟之后，多孔煙怠預制件可更容易進行處理。然后，預燒結的預制件可采用本領域中已熟知的方法完全燒結成玻璃光纖預制件，或機加工成期望的形狀，隨后進行燒結。此外，在此以及另一實施例中，代替芯棒，芯模桿可例如放置于模腔的中心處。附加的模桿和/或玻璃桿也放置在模腔內(nèi)，然后顆粒玻璃被加壓(擠壓)，從而形成被壓制的顆粒玻璃(例如，煙怠壓實體)。然后，在燒結之前，移除(芯)模桿，并將芯棒插入到其位。相似地，代替多根芯棒可采用多根模桿，然后，顆粒玻璃被擠壓從而在模桿周圍形成煙怠壓實體。然后，在燒結之前，移除(芯部)模桿，并將芯棒插入到其位。在又一實施例中，用于制成光纖預制件的方法包括將諸如玻璃煙怠的顆粒玻璃材料放置于芯棒和多根模桿的周圍并對其進行加壓。即，可以采用模桿來代替應力桿，以在所得的預制件內(nèi)產(chǎn)生多個氣孔。更具體地，從被壓制的顆粒玻璃(例如，對應于預制件的包覆部的煙怠壓實體)中移除模桿，從而在所得的預制件的被壓制層內(nèi)留有空穴。空穴的數(shù)目可大于5，例如大于50，或大于100以及甚至大于200。預制件可固結成多個空穴留在預制 件內(nèi)，然后，所得的煙怠預制件可牽拉成包含具有多個空穴的區(qū)域的光纖例如，低頻帶損失光纖或光子晶體光纖。如上所述，模腔內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠可沿軸向和/或徑向擠壓，以使煙怠壓實體形成于玻璃芯棒和模桿周圍?？昭〝y帶區(qū)域可包括包覆部的僅一部分。例如，包覆部可包括具有多個空穴的內(nèi)部區(qū)域，而外部區(qū)域沒有空穴。在此情況下，可能需要附加的玻璃/煙怠放置步驟來制成包覆部的其余部分。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，用于制成光纖預制件的方法和設備包括(i)將諸如玻璃煙怠的顆粒玻璃材料放置于芯棒和(較佳為圓柱形)模桿的周圍并對其進行加壓；以及
(ii)當移除模桿時，將另一材料定位在所得的空穴(孔)內(nèi)。即，如上所述，可以采用模桿來代替應力桿，以在所得的預制件內(nèi)產(chǎn)生多個氣孔。更具體地，從被壓制的顆粒玻璃或煙怠壓實體(對應于預制件的包覆部)中移除模桿，從而在所得的預制件的被壓制層內(nèi)留有空穴或孔，且這些孔填充有另一種材料。在此實施例的一個示例中，這些孔隨后填充有第二顆粒玻璃組合物，諸如摻硼二氧化硅煙怠(例如，以產(chǎn)生摻硼的應力桿)。對包括芯棒、摻硼的煙怠和被壓制的外包覆材料(煙怠壓實體)的預制件組件進行燒結，因而，外包覆材料和摻硼煙怠實現(xiàn)完全的致密。然后，可牽拉所得的固結預制件以產(chǎn)生光纖。在此實施例的另一示例中，在某些應用場合中，諸如摻硼煙怠的玻璃粉末(將用于填充空穴)會與玻璃煙怠太過反應，以至于在固結之后無法保持期望的應力作用。為了避免反應，制有一個或多個空穴的預制件可填充有具有薄壁的二氧化硅管，且管本身填充有玻璃粉末(例如，摻硼的二氧化硅粉末)。致密的二氧化硅玻璃管阻止相鄰的大表面面積的煙怠之間進行反應，并使摻硼的煙怠粉末能夠在預制件固結之后提供期望的物理特性。在此實施例的第三示例中，制有空穴的預制件可直接固結成玻璃，從而產(chǎn)生具有從幾何上與芯棒對準的空穴的固結玻璃坯件?？昭商畛溆卸喾N材料，包括玻璃桿或粉末、金屬桿、線材或粉末以及半導體桿或粉末。填充有第二相的坯件可重新固結、重新牽拉成較小直徑的棒，或牽拉成光纖。顆粒玻璃材料可以是未摻雜的二氧化硅，或者顆粒玻璃材料可以被摻雜?？赡艿膿诫s劑包括至少 F、B、Ge、Er、Ti、Al、Li、K、Rb、Cs、Cl、Br、Na、Nd、Bi、Sb、Yb 及其組合。顆粒玻璃材料可留在噴霧煙怠上或者留在來自CVD工藝的煙怠(“CVD廢棄煙怠”)上，諸如留在來自OVD工藝的煙怠(“0VD廢棄煙怠”)上或留在來自VAD工藝的煙怠(“VAD廢棄煙怠”)上，或者玻璃煙怠來自諸如沙或不同類型的玻璃煙怠的混合物或沙和玻璃煙怠的混合物之類的任何其它二氧化硅源。顆粒玻璃材料可以未經(jīng)處理(例如，不包含有附加的凝結劑或溶劑的二氧化硅煙怠或CVD廢棄煙怠)或者可以用一種或多種凝結劑或諸如水或有機溶劑的溶劑來進行處理。在較佳的實施例中，顆粒玻璃材料未經(jīng)處理。較佳地，顆粒玻璃材料具有從0. I到I. 0克/立方厘米,甚至更佳地從0. 2到0. 7克/立方厘米，諸如從0. 3到0. 5克/立方厘米，例如約0. 38克/立方厘米的密度。模桿可包括剛硬的非彈性材料，諸如是碳、特富龍、鋁、鋼、賽隆、碳化硅或其它類似的機械耐久材料摻硼的二氧化硅較佳地包含5到25%之間的氧化硼，更佳地15到22%之間的氧化硼，以提供足以在保偏光纖設計中有用的應力場。較佳地，摻硼的二氧化硅粉末具有0.4到 I. 0克/立方厘米之間的振實密度，較佳地在最終被壓制的二氧化硅的煙怠體的0. I克/立方厘米密度內(nèi)?？捎糜诎焦探Y的預制件的空穴內(nèi)、然后牽拉成在中心芯棒周圍的幾何設計的陣列的金屬可包括Cu、Ag、Au、W和Ga?？砂焦探Y預制件的空穴內(nèi)、然后牽拉成在中心芯棒周圍的幾何設計的陣列的半導體包括諸如Si3N4和Si3N4/SiC之類的材料?，F(xiàn)在將詳細參照各種示例性的實施例，它們的示例在附圖中示出。只要有可能，就在所有附圖和說明書中都用相同的附圖標記來表示相同或類似的部件。在圖6中示出形成光纖預制件的方法的一個實施例。在所不的實施例中，玻璃芯棒、玻璃桿和/或模桿定位在圓柱形模腔內(nèi)，且二氧化硅玻璃煙怠加載到模腔內(nèi)。振動能量和壓力施加于二氧化硅玻璃煙怠，以擠壓二氧化硅玻璃煙怠并形成圍繞玻璃芯棒和其它桿的致密煙怠壓實體。煙怠壓實體形成光纖預制件組件的包覆部，而玻璃芯棒形成光纖預制件組件的芯部。如果有偏離中心地定位在模腔內(nèi)的玻璃桿，這些玻璃桿會形成光纖預制件組件的應力桿部。此后，光纖預制件組件可固結以形成光纖預制件。在此將詳細描述形成光纖預制件組件的方法和用于形成光纖預制件組件的設備。參見圖1，用于形成光纖預制件組件的示例性模具組件100包括模具本體102、下壓板104和上壓板106。模具本體102限定在模具本體102的長軸114上居中并沿該長軸延伸的模腔108。模腔108可以是具有直SDm和長度L的圓柱形。模具本體102可包括剛硬的非彈性材料，諸如是碳、鋁、鋼、賽隆、碳化硅或其它類似的機械耐久材料。在一個實施例中，模具本體102可由單件制成，如圖I中所示。注意到也可使用具有非圓形橫截面的模具組件。例如，模腔108的橫截面可以是矩形或橢圓形?，F(xiàn)在參見圖2，示出模具本體的另一實施例。在此實施例中，模具本體是由沿軸向延伸的多個模具段132、134構成的分段模具本體130。在所示實施例中，模具段132、134可通過將緊固件插過沿模具段132的邊緣定位的緊固件孔136并插入沿模具段134的邊緣定位的對應螺紋孔138內(nèi)而緊固在一起。然而，應注意到模具段可使用多種其它緊固件和/或緊固技術來連結在一起。例如，模具段132可使用一條或多條帶(未示出)聯(lián)接至模具段134，這些帶圍繞組裝好的各段的周界延伸，由此將模具段132固定到模具段134。根據(jù)一個或多個實施例，模具本體102限定在模具本體102的長軸114上居中并沿長軸延伸長度L的模腔108。模腔108的橫截面形狀可以是圓形、非圓形(例如，橢圓形、六角形、不規(guī)則(例如D形))或其它設計的形狀，以獲得光纖的期望最終幾何形狀。模腔108可以單部件成形或可具有分段的構造。仍參見圖2，分段的模具本體130可用一材料(未示出)作襯底，以使分段模具本體130的內(nèi)表面大致連續(xù)。在一個實施例中，襯底材料可包括低摩擦聚合物材料，諸如聚四氟乙烯(PTFE)或類似材料。在另一 實施例中，襯底材料可包括非聚合物低摩擦材料，諸如碳素鋼或類似材料。襯底材料可包括抵靠模腔108的壁定位的一片襯底材料或施加于模腔108的涂層。襯底還可對應于后文或在說明書中所述的、用于模腔內(nèi)壁的材料，以使徑向壓力能夠施加于部分被擠壓的預制件。襯底材料可由具有這樣的彈性和屈服強度的任何材料制成，即，彈性和屈服強度足以當在例如是由乳膠材料制成的管的空腔內(nèi)受到最大正常操作壓力時充分彈性地徑向向內(nèi)變形而不經(jīng)歷塑性變形。然而，襯底材料可對應于內(nèi)壁，這將在下面作進一步討論。內(nèi)壁形成模具組件100的內(nèi)腔(模腔)的壁。這種模腔可使用同一模具組件100來提供徑向和軸向壓力的施加。應理解到，盡管圖2將分段的模具本體130示出為包括兩個模具段132、134，但分段的模具本體130可包括三個或更多個模具段，當接合在一起時這些模具段大致形成圓柱形模腔。模腔108的直徑Dm和模腔108的長度L 一般選擇成達到根據(jù)在此所述的煙怠壓制方法所制成的完全固結的光纖預制件的期望的最終尺寸。為了試驗的目的(例如，為了形成實驗室規(guī)模的光纖預制件)，采用直徑為44毫米、48毫米和89毫米和長度為61厘米的模腔來形成實驗室規(guī)模的光纖預制件，這種光纖預制件在固結之后具有從約3. 3厘米(使用44毫米直徑的模腔)到小于約7厘米(使用89毫米直徑的模腔)的外徑。然而，應理解到模具本體102和模腔108的尺寸可放大，以生產(chǎn)用于光纖的商品化生產(chǎn)的較大的光纖預制件。例如，為了生產(chǎn)較大的準備用于生產(chǎn)的光纖預制件，模具本體102的模腔108的直徑可以在20厘米量級上，這可在固結之后產(chǎn)生外徑在15厘米量級上的光纖預制件。此外，模腔的長度可以在2米或更大的量級上。用于選擇模腔直徑以實現(xiàn)期望的光纖預制件尺寸的標準將在此處作進一步討論。又參見圖1，下壓板104和上壓板106為大致盤狀并具有外徑比。壓板104、106的外徑W可以基本上與模腔108的直徑Dm —樣大，因而壓板104、106可定位在模腔108內(nèi)并沿模具本體102的長軸線114相對于彼此可滑動地定位。壓板104、106可由諸如鋁或鋼的金屬或塑料或具有合適耐久性的任何其它材料制成。下壓板104和上壓板106中的每個可分別包括(芯)孔112、110，這些孔延伸經(jīng)過壓板的中心，因而，當壓板104、106定位在模腔108內(nèi)時，孔112、110沿模腔本體102的長軸線114對中。每個孔112、110的直徑Db可一般對應于制成光纖預制件組件所用的玻璃芯棒115的直徑，這將在此作進一步詳細描述。下壓板104和上壓板106中的每個還可分別包括一個或多個孔112A、110A，這些孔延伸穿過壓板，以使在壓板114、116定位于模腔108內(nèi)時，孔112AU10A定位成相對于模具本體102的長軸線114偏離軸線。每個孔112A、IIOA的直徑D' b可一般對應于制成光纖預制件組件所用的應力桿115A或模桿115B的直徑，這將在此作進一步詳細描述。然而，在一些替代的實施例中，孔112、110和/或112AU10A不具有圓形橫截面。在這些替代的實施例中，孔112A、IlOA的尺寸和形狀較佳地與孔112A、IlOA的尺寸和形狀相同。例如，橢圓形孔可允許應力桿和/或模桿在所施加的壓力下運動，如果這種運動是期望的話(例如，如果徑向和軸向壓力施加于顆粒玻璃)。此外，在一些實施例中，應力桿或模桿可以不具有圓形的橫截面。如圖I中所示，壓板104、106分別包括內(nèi)表面116、118。當壓板104、106定位在模腔108內(nèi)時，內(nèi)表面116、118彼此相對。在圖I中所示實施例中，壓板104、106的內(nèi)表面116、118 —般是平坦的。然而，應理解到104、106的內(nèi)表面116、118可包括其它的表面幾何形狀。例如，壓板104、106的內(nèi)表面116、118可呈圓錐形或拋物線形狀，以對通過在模腔108內(nèi)擠壓壓板104、106之間的二氧化硅玻璃煙怠來形成的煙怠壓實體的端部進行成形，以改善煙怠壓實體在燒結時的形狀保持性。此外，壓板104、106的內(nèi)表面116、118可具有拋物線幾何形狀，以優(yōu)化經(jīng)由模具本體102引入模腔108內(nèi)的振動能量的反射和/消散。現(xiàn)參見圖3，模具組件100的模具本體102示出為聯(lián)接至超聲源150。超聲源150可用于將振動能量施加到模具本體102，該振動能量又傳播到模腔108內(nèi)。振動能量使加載到模腔108內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠流體化，由此減少相鄰的二氧化硅玻璃煙怠顆粒之間 的牽制或摩擦以及二氧化硅玻璃煙怠顆粒與模具內(nèi)部之間的摩擦，這又便于將二氧化硅玻璃煙怠沿模具長度L擠壓成與不施加振動能量相比更大和更均勻的密度。通過在煙怠壓實體(位于玻璃芯棒和應力桿和/或模桿周圍)的成形過程中施加振動能量產(chǎn)生的煙怠壓實體的更大和更均勻的密度生產(chǎn)出在固結成光纖預制件時具有從預制件的端部到預制件中心的非常小錐度的光纖預制件組件。即，由煙怠壓實體制成的玻璃的密度沿光纖預制件的軸向長度基本上是均勻的。應理解到詞組“光纖預制件組件”如在此所用是指具有多根桿和/或多個孔的煙怠壓實體，當固結時，該煙怠壓實體形成至少包括如下構件的光纖預制件
(i)諸如應力桿的玻璃桿，和/或在移除模桿之后留下的孔；以及(ii)對應于煙怠壓實體的玻璃包覆部。通常，光纖預制件組件將還包括嵌入煙怠壓實體的玻璃芯棒，該玻璃芯棒在固結時形成預制件的芯部。注意到在一些實施例中，代替芯棒，中心定位的模桿可插入模腔中心。在完成擠壓之后、燒結之前，移除模桿，且芯棒115插入由模桿留下的空穴中。超聲源150借助于波導152和安裝套環(huán)154連接至模具本體102。在所示實施例中，安裝套環(huán)154包括第一套環(huán)部156和對應的第二套環(huán)部158。第一套環(huán)部156和第二套環(huán)部158可定位在模具本體102周圍并固定到一起以使安裝套環(huán)154牢固地附連于模具本體102。第一套環(huán)部156可包括延伸經(jīng)過第一套環(huán)部156的通道160。波導152可定位在通道160內(nèi)，因而，波導152靠近模具本體102定位，但不與模具本體102直接接觸。超聲源150連接到波導152的與模具本體102相對的端部，因而，由超聲源150產(chǎn)生的振動能量可沿波導152傳播到安裝套環(huán)154內(nèi)，隨后傳播至模具本體102。超聲源150可經(jīng)由電纜162連接到控制單元(未示出)。控制單元可包括信號發(fā)生器和5千瓦的功率放大器。信號發(fā)生器可操作成產(chǎn)生各種低電壓(例如，5-10伏特)電子波形，這些波形在控制單元將電子波形經(jīng)由電纜162傳遞到超聲源150之前通過功率放大器進行放大。超聲源150內(nèi)的轉換器將電子波形轉換成沿波導152傳播至模具本體102的振動能量，由此使模具本體102和模腔108的內(nèi)含物機械地振動。由信號發(fā)生器產(chǎn)生并傳遞到超聲源150的電子波形可呈各種形式，包括但不限于正弦波形、方波波形、鋸齒波形、三角波形等。在一個實施例中，超聲源150可接收來自控制單元的電子波形，并且在接收到的電子波形的基礎上產(chǎn)生具有從約15千赫茲到約50千赫茲(例如，跨度從音頻或聲頻到超聲頻率的頻率范圍)，并且更佳地從約17千赫茲到約25千赫茲的頻率的高頻振動。在另一實施例中，超聲源150可操作成產(chǎn)生在從約I千赫茲到約15千赫茲(例如，在超聲范圍之外)以及更佳地從約I千赫茲到約5千赫茲的音頻或聲頻范圍內(nèi)的高頻/小幅振動。由超聲源150產(chǎn)生的振動能量的強度或幅度可通過調(diào)節(jié)由控制單元產(chǎn)生的電子波形的幅度或強度(例如，功率)來進行控制。在一個實施例中，控制單元可操作成產(chǎn)生具有多種頻率模式的電子波形，并在頻率范圍內(nèi)掃過這些模式，以避免在模腔內(nèi)建立駐波?？刂茊卧€可操作成周期性地改變所產(chǎn)生的電子波形的幅度。在另一實施例中，控制單元可操作成周期性地將多模式頻率掃描施加到所產(chǎn)生的電子波形，以避免在模腔108內(nèi)產(chǎn)生振動能量的駐波，這種駐波會阻止壓實加載到模腔內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠。在一個實施例中，用于產(chǎn)生由控制單元產(chǎn)生的電子波形的電源功率可以是5千瓦電源的約50 %到約60 %，而頻率掃描可在+/-30赫茲頻率范圍內(nèi)進行?，F(xiàn)在參見圖4，示出模具本體102的截面。在此實施例中，為了形成光纖預制件組件，首先，玻璃芯棒115 (或替代地芯部模桿)以及玻璃應力桿115A和/或模桿115B定位在模腔108內(nèi)，然后二氧化硅玻璃煙怠190加載到芯棒(芯部模桿)以及一根或多根桿(即，模桿和/或應力桿)周圍，并進行擠壓或壓制。完全固結的光纖預制件的期望尺寸控制模腔的精確尺寸以及通過壓制操作產(chǎn)生的煙怠壓實體的最終密度。對于典型的示例性實驗室規(guī)模的、在中心具有單根芯桿的光纖預制件，預制件的示例性的期望芯部/包層比是0. 069，這意味著光纖預制件的芯部是預制件直徑的6. 9%。因此，如果有直徑19毫米的玻璃芯棒，且 芯部直徑是棒徑的23%或是4. 18毫米，則光纖預制件在固結之后的外徑應為約61毫米，以實現(xiàn)0.069的期望的芯部/包層比。因此，實現(xiàn)期望尺寸的光纖預制件所需的模具尺寸可通過使用對于給定密度的壓實二氧化硅玻璃煙怠的收縮率來確定。對于給定的應用場合，收縮率有必要按經(jīng)驗來確定，這是因為未壓實的軸向桿的存在會致使煙怠的各向異性的收縮。例如，示例性的89毫米直徑的二氧化硅玻璃煙怠壓實體在固結成玻璃之后具有約21%的軸向收縮率以及約32%的徑向收縮率，其中該煙怠壓實體的密度是0. 81克/立方厘米并圍繞中心19暈米的玻璃芯棒桿。相應地，為了實現(xiàn)具有61暈米外徑的固結的光纖預制件，模腔的直徑必須是約89毫米。一般來說，為了確定必要的模具直徑以實現(xiàn)期望的光纖預制件幾何形狀需要如下煙怠壓實體密度；對于給定的煙怠密度和/或玻璃芯棒的芯部/包層比，在固結時對于軸向和徑向收縮的、經(jīng)實驗得出的值。為了形成包括由煙怠壓實體包覆部圍繞并與其同軸的玻璃芯棒115的光纖預制件組件，玻璃芯棒115、一根或多根應力桿115A和/或一根或多根模桿115B可定位在模腔108內(nèi)。更具體地，根據(jù)一些實施例，玻璃芯棒115定位在下壓板104的孔內(nèi)，以使玻璃芯棒115基本上在模具本體102的長軸上對中。玻璃應力桿115A和/或模桿115B如此定位在下壓板104的孔內(nèi)，即，它們相對于模具本體102的長軸偏離中心。玻璃芯棒115可包括圓柱形二氧化硅玻璃基的芯棒，該芯棒至少包括純二氧化硅玻璃芯部或摻雜的二氧化硅玻璃芯部。玻璃芯棒還可包括圍繞芯部的附加玻璃層，諸如內(nèi)包覆層等，且這種附加的層可包括摻雜劑，以使玻璃層具有與玻璃芯部不同的折射率。玻璃應力桿115A可包括摻雜二氧化硅玻璃并可以是圓柱形的。如圖4中所示，玻璃芯棒115、應力桿115A和/或模桿115B和/或附加的芯棒115可延伸穿過下壓板104并延伸到下壓板延伸部170的引導通道內(nèi)。下壓板延伸部170和上壓板延伸部174 (圖6中所示并在此進一步討論)將壓力從壓力機(未示出)的壓力臂(未示出)傳遞到壓板104、106，由此沿模具本體102的軸向來驅動壓板104、106朝向彼此。在玻璃芯棒115、應力桿115A和/或模桿115B和/或附加的芯棒115定位在模腔108內(nèi)之后，模腔108加載有顆粒玻璃材料，例如二氧化硅玻璃煙怠190。二氧化硅玻璃煙怠190可包括可購得的二氧化硅玻璃煙怠或二氧化硅玻璃顆粒。替代地，二氧化硅玻璃煙怠可以是從化學氣相沉積操作的高溫分解中回收的煙怠，例如在其它二氧化硅基的光纖預制件的光纖的包覆部的外部氣相沉積(OVD)過程中從八甲基四硅氧烷的沉積中回收的煙怠(例如，從光纖預制件制造操作中回收的二氧化硅玻璃煙怠)。二氧化硅煙怠可包括摻雜劑，諸如是增大或減小二氧化硅玻璃的折射率的摻雜劑，或者煙怠可以是基本上純二氧化硅玻璃煙怠。在一個實施例中，加載到模腔內(nèi)的二氧化硅玻璃不含有任何粘合劑。在一個實施例中，二氧化娃玻璃煙怠可具有約250m2/g與約5m2/g之間、更佳地從約100m2/g到約IOm2/g、最佳地從50m2/g到10m2/g的表面面積。這些范圍一般分別對應于約10納米到約500納 米、更佳地從30納米到約250納米且最佳地從60納米到250納米的顆粒尺寸。加載到模腔108內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠190的量取決于模腔108的直徑、應力桿115A、芯棒115或模桿115B的尺寸、固結的光纖預制件的期望長度以及用于固結的光纖預制件的期望芯部/包層比?；谶@些考慮，添加到模腔的二氧化硅玻璃煙怠190的量選擇成形成光纖預制件的包覆部所用的煙怠壓實體198的目標煙怠密度可以從約0. 5克/立方厘米到約I. 2克/立方厘米，更佳地大于約0. 7克/立方厘米并小于約I. I克/立方厘米，且最佳地大于約0. 8克/立方厘米并小于約I. 0克/立方厘米。在一個實施例中，如圖4中所示，以單個步驟將二氧化硅玻璃煙怠190加載到模腔108內(nèi)。在此實施例中，當二氧化硅玻璃煙怠190加載到模腔108內(nèi)時，二氧化硅玻璃煙怠可以松弛地在玻璃芯棒115內(nèi)攪動，以使煙怠均勻地分布在模腔108內(nèi)。附加地或替代地，當二氧化硅玻璃煙怠加載到模腔108內(nèi)時，模具本體102可借助于超聲源進行振實和/或振動，以促進將二氧化硅玻璃煙怠均勻地裝塞在模腔108內(nèi)。例如，振動能量可借助超聲源150施加到模腔，由此使二氧化硅玻璃煙怠流體化并減少相鄰的二氧化硅玻璃煙怠顆粒之間的摩擦并減少二氧化硅玻璃煙怠顆粒與模腔內(nèi)表面之間的摩擦。當二氧化硅玻璃煙怠通過施加振動能量而流體化時，加載到模腔內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠的密度可在不施加機械壓力的情況下增大。此外，振動能量的施加促進二氧化硅玻璃煙怠在模具本體102長度上的密度均勻性。在一個實施例中，當振動能量在二氧化硅玻璃煙怠加載到模腔內(nèi)時施加到模具本體102時，二氧化硅玻璃煙怠可達到至少約0. 35克/立方厘米并更佳地大于約0. 37克/立方厘米的密度，而無須機械地壓制二氧化硅玻璃煙怠。在另一實施例中，當在模具上抽真空時，二氧化硅玻璃煙怠可加載到模腔108內(nèi)。例如，在一個實施例中，真空系統(tǒng)(未示出)可聯(lián)接至靠近下壓板104的模腔108。這可通過將模具本體102定位在真空基座內(nèi)(未示出)來實現(xiàn)，該真空基座可操作地連接到真空系統(tǒng)，以使模腔流體連接到真空系統(tǒng)。當二氧化硅玻璃煙怠加載到模腔108內(nèi)時，真空系統(tǒng)用于從模腔108和二氧化硅玻璃煙怠中抽取空氣(包括空氣中的濕氣)，這又在壓實之前增大了二氧化硅玻璃煙怠的密度。在另一實施例中，諸如當模具本體102由多孔材料構成時，可在模具本體102外部抽真空，由此在煙怠加載到模腔108內(nèi)時經(jīng)由模具本體102抽取空氣和/或濕氣。二氧化硅煙怠的真空輔助的加載可與施加振動能量結合地進行。
現(xiàn)參見圖5A-B，在另一實施例中，二氧化硅玻璃煙怠以分離的各部分加載到模腔108內(nèi)，且二氧化硅玻璃煙怠的每個部分可在二氧化硅玻璃煙怠的后續(xù)部分添加至模腔108之前進行擠壓，以提高二氧化硅玻璃煙怠沿模具本體102長度的密度均勻性。例如，參見圖5A，模腔108示出加載有二氧化硅玻璃煙怠的兩個部分192、194。如圖5A中以圖示出，二氧化硅玻璃煙怠的第一部分192在添加第二部分194之前已被擠壓，因而，第一部分具有比第二部分194大的密度。二氧化硅玻璃煙怠的第二部分194可在加載到模腔108內(nèi)、二氧化硅玻璃煙怠的第一部分192之上之后進行擠壓。在一個實施例中，擠壓加載到模腔內(nèi)的顆粒玻璃材料(在此實施例中是二氧化硅玻璃煙怠)的每個部分可包括手動地擠壓顆粒玻璃材料。手動擠壓二氧化硅玻璃煙怠可包括使用夯具或類似器具來將壓力施加至二氧化硅玻璃煙怠，由此擠壓二氧化硅玻璃煙怠。手動擠壓二氧化硅玻璃煙怠還可包括將上壓板106定位在模腔內(nèi)并手動地將壓力施加到具有諸如上壓板延伸部(圖6中示出)的延伸部的上壓板106，由此擠壓二氧化硅玻璃煙怠。在另一實施例中，擠壓顆粒玻璃材料的每個部分(例如，諸如二氧化硅玻璃煙怠)可包括將上壓板106定位在模腔108內(nèi)，因而，上壓板106設置在待擠壓的二氧化硅玻璃煙怠的部分上。此后，機械壓力可借助于諸如液力壓力機或機械壓力機的壓力機施加到上壓板106，由此擠壓顆粒玻璃材料(例如，二氧化硅玻璃煙怠)。為了使二氧化硅玻璃煙怠的每個部分的密度最大化，當二氧化硅玻璃煙怠的每個部分加載到模腔108內(nèi)時，振動能量可借助超聲源150施加到模具本體102。相似地，當二氧化硅玻璃煙怠的每個部分被擠壓時，振動能量還可施加于模具本體102。參見圖5B，在二氧化硅玻璃煙怠194的第二部分已被擠壓之后，如圖5B中所示，二氧化硅玻璃煙怠的第三部分(以及可選地第四、第五部分等)可添加到模腔108并與二氧化硅玻璃煙怠的第二擠壓部分194直接相鄰。然后，第三部分196可進行擠壓并重復進行加載/擠壓過程，直至期望量的二氧化硅玻璃煙怠加載到模腔108內(nèi)?，F(xiàn)參見圖6，在模腔108加載有期望量的諸如二氧化硅玻璃煙怠之類的顆粒玻璃材料之后，顆粒玻璃材料(例如，二氧化硅玻璃煙怠)軸向擠壓以形成在玻璃芯棒115、應力桿115A和/或模桿115B周圍的煙怠壓實體198。為了軸向擠壓二氧化硅玻璃煙怠，上壓板106可定位在模腔108內(nèi)，因而，玻璃芯棒115、應力桿115A和/或模桿115B插過上壓板106的孔，且上壓板106與加載的二氧化硅顆粒玻璃材料(例如，玻璃煙怠)直接接觸。然后，模具組件可定位在壓力機內(nèi)，并且可聯(lián)接至壓力機的壓力臂(未示出)的上壓板延伸部174抵靠上壓板106定位，以使玻璃芯棒115、應力桿115A和/或模桿115B設置在上壓板延伸部174 (和/或壓板106)的對應的引導通道176、176A和/或176B內(nèi)。在一個實施例中，下壓板延伸部170可定位在壓力機的支承板(未示出)上。在另一實施例中，下壓板延伸部可包含引導通道172并可定位在第二壓力臂(未示出)上。在一個實施例中，在模具組件100定位在壓力機內(nèi)之后，超聲源150可用于在軸向壓力施加于壓板104、106之前將振動能量施加到模具本體102。振動能量可整個在擠壓操作中施加于模具本體，以在擠壓操作過程中增大被擠壓的二氧化硅玻璃煙怠的密度并提高所得煙怠壓實體的密度均勻性。已發(fā)現(xiàn)，當振動能量在煙怠壓制過程中施加于模具本體102時，與沒有振動能量施加于模具本體102的煙怠擠壓操作相比，需要較少的壓力來實現(xiàn)相同或更大的壓實煙怠的密度。、
在另一實施例中，當分段的模具與低摩擦(相對于二氧化硅玻璃煙怠)的襯底材料結合使用時，在煙怠壓實過程中不需要將振動能量施加至模具本體102來達到與實心、無襯底的模具本體相同的壓實量。這是因為二氧化硅玻璃煙怠顆粒和襯底材料之間的摩擦低到足以使與模腔108的襯底材料相鄰的二氧化硅玻璃煙怠容易地擠壓(例如，二氧化硅玻璃煙怠不在模具壁上產(chǎn)生牽制)，由此減少或消除為了使二氧化硅玻璃煙怠沿模具壁流體化而對振動能量的需求。在又一實施例中，真空系統(tǒng)可用于在壓制操作過程中清除模具中的空氣，由此消除煙怠壓實體內(nèi)的空氣并減少獲得期望密度的煙怠壓實體所需的總體擠壓時間。在模具組件定位在壓力機內(nèi)的情況下，壓力P借助于壓力機經(jīng)由壓板延伸部170、174施加于上壓板106和下壓板104，因而，二氧化硅玻璃煙怠在壓板104、106之間擠壓。在一個實施例中，壓力機用于將壓力施加到上壓板106，由此使上壓板106朝向下壓板104前進。上壓板106可以約0. I毫米/秒到約10毫米/秒并更佳地0. I毫米/秒到約2. 0毫米/秒的速率前進。在壓制過程中，模具本體102被支承并允許沿軸向(在圖6中由箭頭S 來表示)以大約是上壓板106前進的一半速率滑動，因而，上壓板和下壓板朝向模具的中間運動。允許模具本體滑動可保持煙怠壓實體198的中心周圍的壓實力的對稱性，并且當施加振動能量時，在整個壓制操作過程中保持超聲源定位在煙怠壓實體198的中心部分內(nèi)。在一個實施例中，當二氧化硅玻璃煙怠被擠壓時，監(jiān)測每個壓板104、106相對于模具本體102的軸向位置。當壓板沿模具本體102的軸線前進時，測量每個壓板104的軸向位置可通過將諸如超聲傳感器、近程傳感器和光學傳感器等之類的傳感器(未示出)放置在模具本體102上方和/或下方的固定位點上并使用傳感器來測量傳感器和壓板之間的距離來實現(xiàn)。在另一實施例中，壓板在模具本體102內(nèi)的軸向位置可諸如通過可操作地聯(lián)接至壓板和/或模具本體102的游標卡尺或類似的測量裝置(未示出)來直接測量。使用傳感器或測量裝置來檢測壓板在模腔內(nèi)的位置使得可以基于壓板在模腔內(nèi)的位置、模腔的尺寸、壓板的尺寸和放置在模腔108內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠的量來實時地計算被壓制的二氧化硅玻璃煙怠的平均密度。煙怠密度的實時測量可用作用于煙怠壓制過程的過程控制變量。更具體地，當二氧化硅玻璃煙怠擠壓成如由實時測量所確定的目標密度時，沒有附加的機械壓力施加于壓板104、106。在另一實施例中，當壓力機是液壓致動的壓力機時，液力壓力機的液壓管路壓力被監(jiān)測并用于控制煙怠壓制過程。壓力機的液壓管路內(nèi)的壓力表征當二氧化硅玻璃煙怠被擠壓時液力壓力機的臂所經(jīng)受的阻力。相應地，當煙怠的密度通過擠壓而增大時，液壓管路內(nèi)的壓力也增大。因此，對于給定的模具尺寸和加載到模腔108內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠的量，液壓管路壓力可表征在煙怠壓制過程中的煙怠密度。相應地，液壓管路壓力可用于確定被擠壓的煙怠何時達到目標密度。盡管煙怠密度或液壓管路壓力的實時測量可用作煙怠壓制過程的過程控制變量，但應理解到兩者都可使用，以確定在煙怠壓制過程中的煙怠密度。在另一實施例中，測壓元件可附連于下壓板104，以測量施加到設置在模腔內(nèi)的二氧化硅玻璃煙怠的實際壓實力。從測壓元件中獲得的數(shù)據(jù)、壓板在模腔內(nèi)的軸向位移、煙怠的質量以及模具尺寸可用于確保系統(tǒng)的合適操作以及所得的煙怠壓實體的密度均勻性，以及這樣可用于質量控制的目的。
如上所述，二氧化硅玻璃煙怠被壓制直到對于所得的煙怠壓實體198來說達到了目標煙怠密度。形成光學預制件的包覆部所用的、煙怠壓實體198的目標煙怠密度可以是從0. 5克/立方厘米約到約I. 2克/立方厘米，更佳地大于0. 7克/立方厘米約并小于約I. I克/立方厘米，并最佳地大于約0. 8克/立方厘米并小于約I. 0克/立方厘米。在一個實施例中，當接近目標煙怠密度時，停止施加振動能量。例如，當計算的煙怠壓實體密度在目標密度的0. 01克/立方厘米內(nèi)時，可停止施加振動能量。一旦達到目標密度，在該目標密度下施加于壓板上的壓力作為靜載保持一預定的弛豫時間段，以允許煙怠壓實體在壓力下松脹。在一個實施例中，弛豫時間段從約I分鐘到約10分鐘。在弛豫時間段之后，煙怠壓實體198上的壓力釋放，且上壓板106和下壓板104從模腔108移除，從而在模腔108內(nèi)留下帶有嵌入的玻璃芯棒115和嵌入的應力桿115A(和/或模桿115B)的煙怠壓實體198。如圖7中所示，煙怠壓實體198以及嵌入的玻璃芯棒115和應力桿115A形成光纖預制件組件200。煙怠壓實體198形成光纖預制件組件200的包覆部。玻璃芯棒115形成光纖預制件組件200的芯部，而應力桿115A形成光纖預制件組件200的對應于保偏或單偏振光纖的應力引發(fā)區(qū)域的部分。 注意到代替應力桿115A，可利用附加的芯棒115。在此情況下，多根玻璃芯棒對應于所得的光纖的多個芯部。根據(jù)至少一些實施例，芯棒共線地設置在模具內(nèi)，并且共線地(沿相同的直徑)位于被壓制的煙怠預制件內(nèi)。為了進一步將光纖預制件組件加工成光纖預制件，必須從模腔108移除光纖預制件組件200。在一個實施例中，為了從模腔108移除光纖預制件組件，模具組件從壓力機移除并定位在延伸桿上，因而模具本體102的長軸基本上垂直。然后，振動能量施加于模具本體102且模具本體從煙怠壓實體198壓出，從而留下位于延伸桿上的光纖預制件組件。根據(jù)一些示例性實施例，如果代替應力桿115而采用模桿115B，則在移除模桿之后，光纖預制件組件200將代替應力桿115A而包括孔(空穴115B')。在一些實施例中，多個空穴使用多根模桿而形成于包覆部內(nèi)。這些實施例中的空穴數(shù)目較佳地大于5，更佳地大于50，更佳地大于100并且最佳地大于200。具有大于5的空穴數(shù)目的光纖可例如用作彎曲不敏感的光纖、光子晶體光纖、高數(shù)值孔徑光纖或用于無盡單模的應用場合。在其它實施例中，多個空穴包括包覆部的僅一部分，包覆部的其余部分沒有空穴。在另一實施例中，當分段的模具用于形成煙怠壓實體198時，模具本體的各個部段從光纖預制件組件周圍移除，直至可從模腔108移除光纖預制件組件為止。在此實施例中，在光纖預制件組件從模腔108移除之后，圍繞煙怠壓實體198的圓柱形套管從煙怠壓實體198周圍移除，以使光纖預制件組件可進一步加工。在又一實施例中，光纖預制件組件200可通過預燒結光纖預制件組件的煙怠壓實體198來從模腔108移除。預燒結使煙怠壓實體的尺寸減小到煙怠壓實體198可容易地從模腔108移除。預燒結還在固結之前增大煙怠壓實體的機械耐久性并改善部分燒結的煙怠壓實體與應力桿之間的粘附。如果利用模桿115B來在光纖預制件組件200內(nèi)產(chǎn)生孔，則模桿115B應較佳地在預燒結步驟形成預燒結的煙怠至模桿的粘附之前或者在模桿被熱環(huán)境破壞之前從煙怠壓實體移除。如果在預燒結過程中進行足夠高的溫度的熱處理之后移除模桿，預燒結步驟可排除模桿115B的一些材料選擇(例如，特富龍或鋁)。預燒結或再燒結煙怠壓實體198的步驟還可包括干燥煙怠壓實體的步驟。例如，為了干燥煙怠壓實體198，具有煙怠壓實體的模具可在管式爐的熱區(qū)內(nèi)加載到二氧化硅馬弗罩(muffle)內(nèi)。馬弗罩在兩端處加蓋，且當爐子的溫度升到300° C時吸真空。使預制件在真空下300° C保持17小時。為了預燒結煙怠壓實體，用氦氣回填馬弗罩至I個大氣壓，抽真空，再次用氦氣再填充至I個大氣壓。然后，管式爐的溫度上升到900° C并在流動氦氣下保持四個小時。然后，管式爐進行冷卻。當管式爐到達室溫時，氦氣流停止，并且模具從加蓋的馬弗罩中移除。當煙怠壓實體的直徑在預燒結過程中減小時，預燒結的煙怠壓實體可從模具移除。在900° C之前保持時間的變化和對400° C到700° C的溫度的附加斜度的使用對于使玻璃質量最大化是期望的。在另一實施例中，煙怠壓實體198通過將含有光纖預制件組件的模具本體102放置在管式爐中來預燒結。爐子的氣氛可用氦氣來吹掃并且爐子的溫度可在流動氦氣的氣氛下增大到約800° C與1200° C之間。爐子在期望的預燒結溫度下保持約2小時。預燒結的煙怠壓實體198可在冷卻時容易地從模具本體102移除。對于較低密度的壓實體，或更小直徑的模具，可以有必要或期望在大于1000° C的溫度下燒結煙怠壓實體。然而，在到達這些溫度之前，可能需要在這些升高的溫度下進行燒結之前干燥煙怠壓實體，以避免在燒結的二氧化硅玻璃中形成不期望的方石英相。在一個實施例中，為了干燥煙怠壓實體，具有 模具和光纖預制件組件的爐子以氦氣中有5%氯氣的流動混合物加熱到1000° C。在將爐子的溫度升高到預燒結溫度之前，爐子在1000° C下保持約2小時。由于模具本體102在干燥過程中暴露于氯蒸氣，當預計到煙怠壓實體198將在模腔108內(nèi)、在高于約900° C、較佳地高于1000° C的溫度下預燒結例如0. 5到5小時時，與氯氣不反應的材料(諸如碳)應用于模具本體102。預燒結可例如在1250-1400° C的溫度下進行足夠的時間(例如，0. 5-5小時或1-3小時)，以提供煙怠壓實體的局部致密。此外，如上所述的預燒結過程用于加工煙怠壓實體，這些煙怠壓實體由具有44毫米和89毫米的內(nèi)徑Dm的模具形成。應理解到預燒結過程可針對不同尺寸的煙怠壓實體縮放比例并優(yōu)化。現(xiàn)在參見圖7，在此所述的煙怠壓實過程產(chǎn)生光纖預制件組件200，該光纖預制件組件包括形成光纖預制件組件200的包覆部的煙怠壓實體198以及形成光纖預制件組件200的芯部的玻璃芯棒115。在從模具移除光纖預制件組件200之后，光纖預制件組件200可以固結以燒結煙怠壓實體198，例如形成在玻璃芯棒115周圍以及在應力桿115A周圍的致密的二氧化硅玻璃包覆部212，如例如在圖8A的燒結的光纖預制件210中所示那樣。煙怠壓實體198的固結還使包覆部212連結到玻璃芯棒115以及(如果采用應力桿)連結到應力桿115A，由此形成光纖預制件210。替代地，如果代替應力桿而采用附加的芯棒，當光纖預制件組件200固結以燒結煙怠壓實體198時，這形成在多個玻璃芯棒115周圍的致密的玻璃包覆部212。煙怠壓實體198的固結還使包覆部212連結到玻璃芯棒115，從而形成包含多根芯棒的光纖預制件210。同樣，替代地，如果采用模桿115B，所得的光纖預制件210可在對應于之前移除的模桿(參見圖SB)位置的各位置處具有空穴或孔115B'。在又一示例性實施例中，在部分固結之后，摻硼的煙怠被置于孔或空穴的位置內(nèi)，然后，芯棒115以及部分燒結的煙怠(對應于部分燒結的煙怠壓實體198)連同位于部分燒結的煙怠壓實體198內(nèi)的空穴內(nèi)的摻硼的煙怠的組件進行燒結，以實現(xiàn)完全的致密。如果煙怠壓實體由純二氧化硅(煙怠)粉末構成，且如果(出于給定應用場合的目的)發(fā)現(xiàn)摻硼的煙怠在固結過程中與二氧化硅粉末太過反應，外徑恰好小于煙怠壓實體內(nèi)的空穴內(nèi)徑的薄壁二氧化硅管可插入煙怠壓實體內(nèi)的(圓柱形)空穴，然后可在管本身內(nèi)充填摻硼的二氧化硅煙怠粉末。在一個實施例中,光纖預制件組件200通過將手柄固定到玻璃芯棒115并使光纖預制件在固結爐中從石英浸潰桿懸垂來固結成光纖預制件210。固結爐一般可包括具有石英馬弗罩的管式爐，該馬弗罩具有干燥區(qū)和固結區(qū)。干燥區(qū)可保持在約1000° C的溫度下，而固結區(qū)具有貫穿固結區(qū)從約1000° C到約1450° C的溫度梯度。固結爐的固結區(qū)可保持在氦氣流下。光纖預制件組件 保持在固結爐的干燥區(qū)內(nèi)，并隨后在兩個絕熱的保持階段內(nèi)暴露于氦氣和氧氣流以及氦氣與氯氣流，以干燥光纖預制件組件并去除碳、水和過渡金屬雜質。在干燥處理之后，管式爐內(nèi)的氣氛隨后切換到氦氣流，且光纖預制件組件下降通過固結區(qū)，以增大二氧化硅玻璃煙怠的溫度，從而產(chǎn)生足以形成完全固結的玻璃狀的玻璃流。固結之后，固結的光纖預制件組件(現(xiàn)在是光纖預制件)從固結爐撤去并加載到1000° C的保持爐內(nèi)至少六個小時，以使試樣脫氣和退火。盡管在此所述的煙怠壓制過程可優(yōu)化成改善煙怠壓實體密度的均勻性并由此減少固結的光纖預制件的幾何形狀變化，但由煙怠壓制過程形成的光纖預制件可在固結之后具有尺寸變化。例如，光纖預制件的包覆部212的直徑在固結的光纖預制件的端部處大于在其中間，因而，光纖預制件的直徑從端部向中間漸縮。在一個實施例中，光纖預制件可在預燒結之后進行機加工，以消除沿光纖預制件的軸向長度的任何尺寸變化。例如，光纖預制件可定位在車床內(nèi)并進行機加工以選擇性地減小沿光纖預制件的軸向長度的包層的某些部分的直徑，由此形成具有均勻直徑的光纖預制件。示例通過下述示例來進一步闡釋本發(fā)明。示例 I在此示例中，兩個光纖預制件組件通過在單個步驟中將模腔加載有二氧化硅玻璃煙怠來制備。為了形成光纖預制件組件，直徑I. 9厘米的玻璃芯棒和直徑24毫米的兩根應力桿定位在碳模具內(nèi)，該模具具有直徑為89毫米、長度為610毫米的模腔。模腔襯有玻璃狀碳涂層。此示例中的玻璃芯棒的長度與模具長度相等。玻璃芯棒通過將玻璃芯棒的端部插入定位在模腔的下部分內(nèi)的壓板的孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)。應力桿還通過將每根應力桿的端部插入定位在模腔的下部分內(nèi)的壓板的(偏離軸線)的孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)。約930克的二氧化硅玻璃煙怠添加到模腔，以使玻璃芯棒在二氧化硅玻璃煙怠內(nèi)對中，且應力桿偏離中心地、相對靠近芯桿地定位。為了實現(xiàn)特定的光纖設計，在模具的初始構造中，應力桿相對于芯棒的精確位置可通過從期望的光纖設計計算并采用在固結過程中測量的煙怠的收縮率來確定。(即，通過從期望的構造開始，并通過將已知的收縮率作為因素來確定初始構造。)可能有必要測量軸向和徑向煙怠到玻璃(soot-to-glass)的收縮性，這是因為軸向桿存在于煙怠壓實體內(nèi)會限制相對于徑向收縮的軸向收縮。如果桿沿單個光纖直徑對準，沿兩個垂直的徑向光纖尺寸的收縮率還將有差另IJ。完成計算所需的可調(diào)節(jié)參數(shù)是煙怠振實密度、煙怠最終壓實密度和模具直徑。振動能量在二氧化硅玻璃煙怠加載到模腔內(nèi)之后施加到模具本體，以使二氧化硅玻璃煙怠的預擠壓密度最大化。上壓板定位在玻璃芯棒和應力桿上并插入模腔。在此實施例中，壓板延伸部被插入玻璃芯棒和應力桿周圍的模腔內(nèi)，且模具和延伸部定位在液力壓力機內(nèi)。液力壓力機的壓力機臂被裝配到上壓板延伸部，而下壓板延伸部定位在液力壓力機的支承板上。振動能量以5千瓦放大器的功率的51 %、約17到19千赫茲的頻率施加到模具。精確的、較佳的共振頻率取決于超聲波轉換器、波導、夾具和模具的詳情，并且必須針對具體的每組元件獨立地來優(yōu)化。具有0. 026秒周期的40赫茲的多模式頻率掃描應用于振動能量，以避免在模腔內(nèi)建立駐波。為了擠壓煙怠，壓力機的上壓板以4. 8毫米/秒的速率朝向下壓板前進。允許模具相對于煙怠壓實體以約2. 4毫米/秒的速率滑動，由此保持超聲源在煙怠壓實體上對中。煙怠的密度可在整個壓制操作過程中基于所測量的上壓板在模腔內(nèi)的位置、模具尺寸和煙怠質量來實時地進行計算。當計算的煙怠密度在目標密度(在此示例中0. 8克/立方厘米)的0. 01克/立方厘米內(nèi)時，停止振動能量。當計算的煙怠密度達到0. 8克/立方厘米的目標密度時，液力壓力機的壓力機臂的運動停止，因而，僅209磅的靜載荷留在壓力機的液壓管路內(nèi)。在十分鐘的持續(xù)時間之后，釋放靜載荷。此后，光纖預制件組件定位在管式爐內(nèi)并在具有5%氯氣的氦氣流內(nèi)以1000° C干燥一個小時。然后，光纖預制件組件在1200° C下預燒結一個小時，然后如上所述進行固結。試樣的直徑變化預計小于固結的光纖預制件 的最小直徑的約±10%。示例 2在此示例中，光纖預制件組件通過將二氧化硅玻璃煙怠以離散的各部分加載到模腔內(nèi)并在添加后續(xù)部分之前壓制每個部分來制備。為了形成光纖預制件組件，直徑19毫米的玻璃芯棒19和直徑約24毫米的兩根應力桿定位在分段的鋁制模具內(nèi)，該模具具有直徑89毫米和610毫米長度的模腔。分段的模具由各包括模具周緣的三分之一的三個面板構成，并且通過機加工到模具材料的外周界內(nèi)的螺栓保持在一起。模腔襯有厚度為0. 5毫米的緊配合的特富龍板。此示例中的玻璃芯棒和應力桿的長度與模具長度相等。玻璃芯棒和模桿通過將玻璃芯棒的端部和模桿的端部插入定位在模腔的下部分內(nèi)的壓板的孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)?？偣?375克的二氧化硅玻璃煙怠以如下方式加載到模具(模腔)內(nèi)275克的二氧化硅玻璃煙怠的第一部分加載到模腔內(nèi)，并手動壓制成定位在模具中心處的0. 55克/立方厘米的密度。275克的二氧化硅玻璃煙怠的第二部分加載到模腔內(nèi)的一個端部內(nèi)，而275克的二氧化硅玻璃煙怠的第三部分加載到模腔的相對端部內(nèi)。兩端部裝備有壓板，并手動地壓制成0. 47克/立方厘米的密度，這些壓板沿模腔的長度對中。275克的二氧化硅玻璃煙怠的第四部分加載到模腔內(nèi)的一個端部內(nèi)，而275克的二氧化硅玻璃煙怠的第五部分加載到模腔的相對端部內(nèi)。兩端部裝備有壓板，并手動壓制成0.40克/立方厘米的密度。因此，加載的煙怠定位在模腔內(nèi)，因而，第一部分設置在一側的第二和第四部分與另一側的第三和第五部分之間。此后，壓板定位在玻璃芯棒和應力桿上并插入模腔內(nèi)。壓板延伸部插入玻璃芯棒和模桿周圍的模腔內(nèi)，且模具和延伸部定位在液力壓力機中。液力壓力機的壓力機臂裝配至上壓板延伸部，而下壓板延伸部定位在液力壓力機的支承板上。為了擠壓煙怠，壓力機的上壓板以I. 6毫米/秒的速率朝向下壓板前進。允許模具以約0. 8毫米/秒的速率相對于煙怠壓實體滑動，由此保持超聲源在煙怠壓實體上對中。煙怠的密度可在整個壓制操作過程中基于所測量的上壓板在模腔內(nèi)的位置、模具尺寸和煙怠質量來實時地進行計算。當計算的煙怠密度達到0. 8克/立方厘米的目標密度時，液力壓力機的壓力機臂的運動停止，因而，僅1300磅的靜載荷留在壓力機的液壓管路內(nèi)。在60分鐘的持續(xù)時間之后，釋放靜載荷。然后，拆卸分段的模具，且所得的壓實預制件從模具和特富龍襯底脫開。然后，預制件通過升高到900° C在氦氣環(huán)境下進行熱處理I到3小時，以部分地燒結預制件。然后，光纖預制件組件如上所述進行固結。示例3為了制造用于制成諸如單偏振和/或保偏光纖的光纖的、具有類似于圖8C中所示的幾何形狀的光纖預制件，首先計算三根玻璃桿(一根芯桿和兩根應力桿)在模具組件內(nèi)的位置。在此示例中，為了生產(chǎn)光纖預制件，從具有0. 6克/立方厘米的振實密度的煙怠開始。之前的實驗證實具有0. 85克/立方厘米煙怠密度的壓實預制件以19%的軸向收縮性和29%的徑向收縮性固結。橢圓形模腔和壓板的設計可補償玻璃桿的非圓形對稱的位置(SP，對于沿橢圓的一軸線并且不沿另一軸線定位的桿)。在所得的燒結預制件中，沿包含芯棒和兩根應力桿的軸線，徑向輪廓的僅35%是源自擠壓煙怠的玻璃，而在垂直的直徑上，89%的 玻璃源自擠壓煙怠。具有橢圓形橫截面(主軸106毫米，副軸89毫米(芯部和兩根應力桿沿副軸定位))的模腔將使玻璃煙怠沿每根軸定位成在擠壓成0. 85克/立方厘米煙怠密度之后并在固結過程中29%線性(徑向)煙怠收縮之后，所得預制件的每根軸將固結成78毫米直徑，所得的預制件具有圓形橫截面。應理解到收縮率和設計的變化會需要模具和壓板設計改型成提供最佳的幾何形狀。為了形成此示例的光纖預制件組件，直徑8. 7毫米的玻璃芯棒以及約21毫米直徑的兩根模桿定位在分段的鋁制模具內(nèi)，該模具具有89毫米(副)直徑的橢圓形橫截面。分段的模具由各包括模具周緣的三分之一的三個面板構成，并且通過機加工到模具材料的外周界內(nèi)的螺栓保持在一起。模腔襯有厚度為0. 5毫米的緊配合的特富龍板。此示例中的玻璃芯棒以及模桿的長度與模具長度相等。兩個壓板在橢圓的中心處提供用于芯棒的開口或孔(例如，孔110、112)，并還包括用于直徑沿橢圓的副軸的模桿的、21毫米直徑的開口或孔(例如，孔110AU12A)。玻璃芯棒和模桿通過將玻璃芯棒的端部和模桿的端部插入定位在模腔的下部分內(nèi)的壓板的孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)。具有0. 6克/立方厘米的振實密度的總共2037克二氧化硅玻璃煙怠加載到填充模腔內(nèi)約51厘米高度的模具內(nèi)。此后，壓板定位在玻璃芯棒和應力桿上并插入模腔內(nèi)。壓板延伸部插入玻璃芯棒和模桿周圍的模腔內(nèi)，并且模具和延伸部定位在液力壓力機內(nèi)。液力壓力機的壓力機臂裝配至上壓板延伸部，而下壓板延伸部定位在液力壓力機的支承板上。為了擠壓煙怠，壓力機的上壓板以I. 6毫米/秒的速率朝向下壓板前進。允許模具相對于煙怠壓實體以約0. 8毫米/秒的速率滑動，由此保持超聲源在煙怠壓實體上對中。煙怠的密度可在整個壓制操作過程中基于所測量的上壓板在模腔內(nèi)的位置、模具尺寸和煙怠質量來實時地進行計算。當計算的煙怠密度達到0. 85克/立方厘米的目標密度時，液力壓力機的壓力機臂的運動停止。在60分鐘的持續(xù)時間之后，釋放靜載荷。然后，分段的模具被拆卸，且所得的壓實預制件從模具和特富龍襯底脫開。然后，預制件通過升高到900° C在氦氣環(huán)境下進行熱處理I到3小時以部分地燒結預制件。然后，光纖預制件如上所述進行固結。 示例 4在此示例中，光纖預制件組件通過將二氧化硅玻璃煙怠加載到包含居中的芯棒和兩根模桿的模腔內(nèi)來制備。模桿意于在擠壓步驟之后移除，以提供具有圓柱形空穴的壓實煙怠。然后，壓實的煙怠固結以形成包含圓柱形孔的預制件組件。更具體地，為了形成此實施例的光纖預制件組件，直徑19毫米的玻璃芯棒和直徑約24毫米、由特富龍制成的兩根模桿定位在分段的鋁制模具內(nèi)，該模具具有直徑89毫米以及長度為610毫米的模腔。分段的模具由各包括模具周緣的三分之一的三個面板構成，并且通過機加工到模具材料的外周界內(nèi)的螺栓保持在一起。模腔襯有厚度為0.5毫米的緊配合的特富龍板。此示例中的玻璃芯棒以及模桿的長度與模具的長度相等。玻璃芯棒和模桿通過將玻璃芯棒的端部和模桿的端部插入定位在模腔的下部分內(nèi)的壓板的孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)?？偣?540克的二氧化硅玻璃煙怠(振實密度=0. 6克/立方厘米)加載到模具內(nèi)。組件裝備有壓板和壓板延伸部，且模具以及延伸部定位在液力壓力機內(nèi)。液力壓力機的壓力機臂裝配至上壓板延伸部，而下壓板延伸部定位在液力壓力機的支承板上。為了擠壓煙怠，壓力機的上壓板以I. 6毫米/秒的速率朝向下壓板前進。允許模具相對于煙怠壓實體以約0.8毫米/秒的速率滑動，由此保持超聲源在煙怠壓實體上對中。煙怠的密度可在整個壓制操作過程中基于所測量的上壓板在模腔內(nèi)的位置、模具尺寸和煙怠質量來實時地進行計算。當計算的煙怠密度達到0.8克/立方厘米的目標密度時，液力壓力機的壓力機臂的運動停止，因而，僅1300磅的靜載荷留在壓力機的液壓管路內(nèi)。在60分鐘的持續(xù)時間之后，釋放靜載荷。然后，拆卸分段的模具，且所得的壓實預制件從模具和特富龍襯底脫開。模桿可通過將桿手動地滑出煙怠壓實體來輕緩地從預制件組件移除。然后，具有圓柱形空穴的預制件通過升高到900° C在氦氣環(huán)境下進行熱處理I到3小時以部分地燒結預制件。在一個最終構造中，具有圓柱形空穴的光纖預制件可固結成具有圓柱形空穴的玻璃物件。示例5在此示例中，光纖預制件組件通過在單個步驟中將模腔加載有二氧化硅玻璃煙怠來制備。為了形成光纖預制件組件，直徑I. 06厘米的玻璃芯棒和直徑各為I. 5毫米的六根特富龍模桿定位在碳制模具內(nèi)，該模具具有直徑89毫米以及長度為610毫米的模腔。模腔襯有玻璃狀碳涂層。此示例中的玻璃芯棒的長度與模具長度相等。玻璃芯棒通過將玻璃芯棒的端部插入定位在模腔的下部分內(nèi)的壓板的孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)。六根模桿通過將每根模桿的端部插入定位在模腔的下部分內(nèi)的壓板的孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)。用于每根模桿的孔應允許每根桿穿過上壓板和下壓板中的每個進行自由運動。模桿的結構通過壓板內(nèi)的樣式來固定，這種結構在此情況下使I. 5毫米孔的中心均勻地圍繞圓(具有從芯棒的中心測量的半徑)的周緣間隔。具有0. 6克/立方厘米的振實密度的約1470克二氧化硅玻璃煙怠添加到模腔內(nèi)，從而保持芯棒和六根模桿的垂直性。煙怠柱的高度約為40厘米。振動能量在二氧化硅玻璃煙怠加載到模腔內(nèi)之后施加到模具本體，以使二氧化硅玻璃煙怠的預擠壓密度最大化。上壓板定位在玻璃芯棒和模桿上，注意與下壓板對準并防止桿內(nèi)的扭轉。壓板延伸部插入玻璃芯棒和模桿周圍的模腔內(nèi)，且模具和延伸部定位在液力壓力機內(nèi)。液力壓力機的壓力機臂裝配至上壓板延伸部，而下壓板延伸部定位在液力壓力機的支承板上。振動能量以5千瓦放大器的功率的51%以及約20千赫茲的頻率施加到模具。具有0. 026秒周期的40赫茲的多模式頻率掃描應用于振動能量，以避免在模腔內(nèi)建立駐波。為了擠壓煙怠，壓力機的上壓板以I. 6毫米/秒的速率朝向下壓板前進。允許模具相對于煙怠壓實體以約0.8毫米/秒的速率滑動，由此保持超聲源在煙怠壓實體上對中。煙怠的密度可在整個壓制操作過程中基于所測量的上壓板在模腔內(nèi)的位置、模具尺寸和煙怠質量來實時地進行計算。當計算的煙怠密度在目標密度(在此示例中0. 83克/立方厘米)的0. 01克/立方厘米內(nèi)時，停止振動能量。當計算的煙怠密度達到0. 8克/立方厘米的目標密度時，液力壓力機的壓力機臂的運動停止，因而，僅209磅的靜載荷留在壓力機的液壓管路內(nèi)。在10分鐘的持續(xù)時間之后，釋放靜載荷。如有必要，模桿可借助于施加的超聲波能量從煙怠壓實體撤去，以在煙怠壓實體內(nèi)留有圍繞芯棒排列的六個孔。此后，光纖預制件組件定位在管式爐內(nèi)并在具有5%氯氣的氦氣流中在1000° C下干燥I小時。煙怠預制件組件可從碳制模具中移除，并粘附于中心芯棒。然后，光纖預制件如上所述進行固結。 然后，預制件被牽拉成光纖?？椎牟贾每砂椎某叽绾蛿?shù)目的各種組合。在一些實施例中，孔的總數(shù)大于10，在其它實施例中大于50，并且另外的實施例中大于100。用類似于此的設計制成的光纖對于包括彎曲不敏感光纖、光子晶體光纖、高數(shù)值孔徑光纖和無盡單模光纖等的各種應用場合有用?，F(xiàn)將參照圖9-14，這些圖示出根據(jù)本發(fā)明的方法和設備的另一示例性實施例。圖9示出能根據(jù)本發(fā)明的一些實施例使用的設備(模具組件100)的局部側剖圖。此實施例的模具組件100包括剛性外壁102A和撓性內(nèi)壁102B，撓性內(nèi)壁102B圍繞設備的內(nèi)腔108(即，模腔)，且剛性外壁120A和撓性內(nèi)壁120B之間的區(qū)域形成環(huán)形空腔108A?！皠傂浴笔侵概c撓性內(nèi)壁102B相比是剛性的，“撓性”是指與剛性外壁102A相比撓性的。模具組件100的剛性外壁102A可具有圓形橫截面以形成圓柱形模具，或者替代地可以是橢圓形、六角形或甚至不規(guī)則形，以實現(xiàn)特定的光纖設計。在圖9中所示的實施例中，撓性內(nèi)壁102B的任一側上的壓力大致相等。即，環(huán)形內(nèi)腔108A內(nèi)的壓力大約等于模腔(內(nèi)腔)108內(nèi)的壓力。此實施例的設備100還包括底(或者下)端蓋或壓板104A以及頂(或者上)端蓋或壓板106A。底(下)端蓋104A以及頂(上)端蓋106A都較佳地包括(i)諸如孔112、110 (未示出)的中心孔，用于接納玻璃桿并使其對中(玻璃芯棒);以及(ii)至少一個其它的、未定位在中心的孔(例如，孔110A、112A)，用于接納應力桿115A和/或模桿115B。頂端蓋和底端蓋106A、104A內(nèi)的、未定位在中心的孔110A、112A可呈細長槽(例如，橢圓形)的形式，這些細長槽的長尺寸沿半徑定向，以允許玻璃桿或模桿在徑向壓實(徑向加壓)過程中朝向芯桿(例如，參見圖11)運動。例如，橢圓形槽可具有在設計的初始結構(例如，應力桿或模桿的直徑)中與非中心桿的外徑或尺寸對應的外徑(短尺寸)，然后朝向端蓋的中心延伸一足夠的長度以防止桿彎曲。頂端蓋106A和底端蓋104A較佳地在頂部和底部環(huán)形空腔108A處提供壓力密封，并還較佳地允許空腔108內(nèi)過量的空氣經(jīng)由中心孔和/或經(jīng)由其它孔逸出。用于端蓋的較佳材料包括諸如鋁的金屬或塑料。圖9-14的實施例的圓柱形剛性外壁102A可由具有無明顯變形地抵抗環(huán)形空腔108A內(nèi)的最大正常操作壓力的機械強度的任何材料制成。在較佳的實施例中，圓柱形的剛性外壁102A由鋁制成。用于圓柱形外壁102A的其它較佳材料包括例如其它金屬或塑料。在較佳的實施例中，圓柱形剛性外壁102A具有沿其軸向長度基本上均勻的直徑。在替代的實施例中，圓柱形剛性外壁102A具有沿其軸向長度略有變化的直徑，以抵消可能存在于模具組件(設備100)的頂部和底部處的壓力差。圓柱形剛性外壁102A可包括均勻圓柱形件，或者它可包括端對端附連的兩個或更多個圓柱形部段。撓性內(nèi)壁102B可由具有一定彈性和屈服強度的任何材料制成，該彈性和屈服強度足以在受到環(huán)形空腔108A內(nèi)的最大正常操作壓力時徑向向內(nèi)彈性變形，而不經(jīng)受塑性變形。在較佳的實施例中，撓性內(nèi)壁102B是由乳膠材料制成的管，諸如可從皮?？厦绹?Piercan USA, Inc)購得的標準彈性體乳膠管。用于撓性內(nèi)壁102B的其它較佳的材料包括例如氯丁橡膠、丁腈橡膠、聚氨酯或硅橡膠。較佳地，撓性內(nèi)壁102B具有95到7000磅/平方英寸的抗拉強度和200%到800%的伸長率。在較佳的實施例中，撓性內(nèi)壁102B密封到圓柱形剛性外壁102A。密封可例如通過將翼片(未示出)擠壓到圓柱形剛性外壁102A的外表面上或通過用粘結劑來固定來實現(xiàn)。在這種實施例中，可設置加壓進入點和閥(未示出)，以對環(huán)形內(nèi)腔108A加壓和卸壓。在替代的實施例中，撓性內(nèi)壁102B可包括裝配到圓 柱形剛性外壁102A內(nèi)的螺旋形葉片。在這種實施例中，螺旋形葉片和圓柱形剛性外壁102A之間的密封不是必要的。如圖10中所示，環(huán)形內(nèi)腔108A可減壓以使空氣或其它流體已大部分或幾乎完全從環(huán)形內(nèi)腔108A去除。由于這種減壓作用，撓性內(nèi)壁108A徑向向外彈性變形，因而，如圖10中所示，撓性內(nèi)壁102B的最大外徑幾乎等于剛性外壁102A的內(nèi)徑。同時，環(huán)形空氣108A的體積減小，而內(nèi)腔108的體積增大。如圖11中所示，固結的玻璃桿(玻璃芯棒115)可放置于設備100的內(nèi)腔108內(nèi)并居中。一根或多根固結的玻璃桿(應力桿115A)和/或一根或多根模桿115B也(偏尚中心地)放置在內(nèi)腔108內(nèi)。如圖11中所示，環(huán)形內(nèi)腔108A如圖10和11中那樣進行減壓。玻璃桿115 (玻璃芯棒)可穿過內(nèi)腔108并穿過底端蓋104A內(nèi)的中心孔(未示出)，以使玻璃桿115的頂部和底部延伸到設備100之外。相似地，玻璃桿115A或模桿115B可穿過底端蓋104A內(nèi)的內(nèi)腔108，因而，桿115A和/或115B的頂部和底部延伸到設備100之外。例如由泡沫橡膠制成的可選塞件117可放置在模腔(在此示例中是內(nèi)腔108)的底部。塞件117具有中心孔117"和偏離中心孔112A"或接納玻璃桿115U15A和/或115B。塞件117較佳地具有與剛性外壁102A的內(nèi)徑大致相等的直徑，且塞件117的中心孔117"較佳地具有大約等于或略小于玻璃桿115的直徑的直徑，因而，塞件117貼合地裝配在內(nèi)腔108的底部并在玻璃桿115周圍。類似地，塞件117的偏離中心孔112A"較佳地具有與模桿115B或玻璃桿115A的直徑大致相等或略小(在至少一個橫截面內(nèi))的直徑，因而，塞件117貼合地裝配到內(nèi)腔108的底部并在桿115A、115B周圍。塞件117可用于防止松脹的煙怠經(jīng)由設備的底部逸出并還可用于使被壓制的煙怠體具有倒圓或錐形的端部。例如，圖11中所示的實施例包括具有可選地細長的孔110AU12A的端蓋或壓板，以在徑向擠壓過程中提供玻璃桿115A朝向芯桿115的運動。如圖12中所示，顆粒玻璃材料(諸如玻璃煙怠190)可通過設備100的頂部放置或傾倒到內(nèi)腔108內(nèi)并且在玻璃桿115、應力桿115A (和/或模桿115B)以及撓性內(nèi)壁102B之間。如圖12中所示，環(huán)狀空腔108A如圖11中所示進行減壓。盡管圖12示出近似一半裝有玻璃煙怠190的內(nèi)腔108，但在較佳實施例中，玻璃煙怠放置或傾倒在內(nèi)腔108內(nèi)，直至內(nèi)腔幾乎滿為止。在將玻璃煙怠190放置或傾倒到內(nèi)腔108內(nèi)之后，附加的塞件(未示出)可置于玻璃煙怠190上并在內(nèi)腔108的頂部附近圍繞桿115U15A和/或115B。較佳地，在將玻璃煙怠118放置到內(nèi)腔中之后，內(nèi)腔108進行減壓。如圖13中所示，放置到內(nèi)腔108內(nèi)的玻璃煙怠190通過在剛性外壁102A和撓性內(nèi)壁102B之間的環(huán)狀內(nèi)腔108A內(nèi)提供加壓流體來進行加壓。在較佳的實施例中，頂端蓋106A放置到位并使用螺紋桿120連接到底端蓋104A。接下來，流體可逐步引入環(huán)狀空腔108A內(nèi)，因而，環(huán)狀空腔內(nèi)的壓力逐步從與大氣壓相比的負壓增大到正壓。較佳地，環(huán)狀空腔108A內(nèi)的壓力以小于50磅/平方英寸 分鐘、更佳是以小于20磅/平方英寸 分鐘、諸如是從2到20磅/平方英寸 分鐘或者還諸如是從5到15磅/平方英寸 分鐘的速率增大。當環(huán)狀空腔108A內(nèi)的加壓流體的壓力逐步增大到大得多的正表壓時，撓性內(nèi)壁102B徑向向內(nèi)抵靠玻璃煙怠190彈性變形(從而致使環(huán)狀空腔108A的體積逐步增大，而內(nèi)腔108的體積逐步減小)并且玻璃煙怠190徑向向內(nèi)壓抵桿115并圍繞桿115AU15B。較佳地，環(huán)狀空腔108A內(nèi)的加壓流體的壓力增大，直至它到達最大預定值。壓力可以在此值保持或不 保持一預定量的時間。當保持一預定量的時間時，壓力可以例如保持至少I分鐘，諸如從I分鐘到10分鐘，包括約5分鐘。在較佳的實施例中，在對玻璃煙怠加壓的步驟中，加壓的流體具有從25磅/平方英寸到250磅/平方英寸，諸如從50到200磅/平方英寸并還諸如從75到150磅/平方英寸的最大壓力。加壓流體的示例包括空氣、惰性氣體(例如，氮氣)、水和油。特別較佳的加壓流體是空氣。在較佳的實施例中，在對玻璃煙怠加壓的步驟中，內(nèi)腔108的溫度小于50° C，諸如從20° C到40° C，甚至更佳地是室溫(S卩，在20° C到25° C之間)。在煙怠被充分壓制之后，如圖14中所示，環(huán)狀空腔108A內(nèi)的加壓流體可以釋放，因而，環(huán)狀空腔108A如圖10中那樣進行減壓(以使環(huán)狀空腔108A內(nèi)的壓力小于內(nèi)腔108內(nèi)的壓力)。較佳地，環(huán)狀空腔108A內(nèi)的壓力以小于50磅/平方英寸 分鐘、更佳是以小于20磅/平方英寸 分鐘、諸如是從2到20磅/平方英寸 分鐘或者還諸如是從5到15磅/平方英寸 分鐘的速率減小。當環(huán)狀空腔108A內(nèi)的壓力逐步減小時，撓性內(nèi)壁102B遠離被壓制的玻璃煙怠190徑向向外變形(致使環(huán)狀空腔108A的體積逐步減小，而內(nèi)腔108的體積逐步增大)，因而，在被壓制的玻璃煙怠190的外徑與撓性內(nèi)壁102B之間的內(nèi)腔108內(nèi)存在環(huán)狀間隙122。在環(huán)狀空腔108A減壓之后，例如是圖15中所示的被壓制的煙怠/棒組件或多孔預制件200準備好從設備移除，以進行清潔和固化。在另一實施例中，徑向向內(nèi)壓力可通過使用作為內(nèi)壁的板來施抵顆粒玻璃煙怠，該板具有相互交叉的指部并卷成圓筒狀。這種板的示例在圖16A和16B中示出，在圖16A中，板示出為在展開位置，而在圖16B中，板示出為在卷起位置。如圖16A中所示，板180在每一端上包括多個相互交叉的指部182和多個槽184。在卷起位置，來自板的每一端的相互交叉的指部182延伸到板180的相對端上的槽184內(nèi)，因而，來自板的相對端的相互交叉的指部152如圖16B中所示沿相反方向延伸。然后，卷起的板可在玻璃桿115的周圍沿周向延伸，該玻璃桿在對中卡盤(未示出)的對中孔內(nèi)居中。然后，顆粒玻璃煙怠可放置或傾倒到卷起的板150以及桿115U15A和/或115B之間的環(huán)狀空腔內(nèi)，在此之后沿相反方向延伸的相互交叉的指部都可沿它們對應的相反方向拉動，以減小被拉的板的直徑并提供抵靠顆粒玻璃煙怠的徑向向內(nèi)的壓力。在較佳的實施例中，玻璃桿115是芯棒。在替代的較佳實施例中，玻璃桿115是由多孔煙怠包覆層圍繞的芯棒。在較佳的實施例中，可設置多孔預制件，其中，壓抵玻璃桿的顆粒玻璃材料具有至少0. 5克/立方厘米，例如0. 6到I. 2克/立方厘米或者0. 8到I. 0克/立方厘米，例如約0. 9克/立方厘米的密度。壓抵玻璃桿的顆粒玻璃材料的密度很大程度上是取決于在對顆粒玻璃材料加壓的步驟中所施加的最大壓力。一般來說，在對顆粒玻璃材料加壓的步驟中施加的最大壓力越大，則材料密度越大，因此，多孔預制件的總密度越大。使用在此所述的方法，例如，具有至少0. 6克/立方厘米的密度的多孔預制件可使用至少50磅/平方英寸的最大壓力來生產(chǎn)；具有至少0. 7克/立方厘米的密度的多孔預制件可使用至少100磅/平方英寸的最大壓力來生產(chǎn)；具有至少0. 8克/立方厘米的密度的多孔預制件可使用至少150磅/平方英寸的最大壓力來生產(chǎn)，以及具有至少0. 9克/立方厘米的密度的多孔預制件可使用至少200磅/平方英寸的最大壓力來生產(chǎn)。在較佳的實施例中，多孔預制件具有沿軸向基本一致的直徑。較佳地，預制件沿其 軸向長度的最小直徑是沿其軸向長度的最大直徑的至少90%。甚至更佳地，預制件沿其軸向長度的最小直徑是沿其軸向長度的最大直徑的至少95%。根據(jù)在此所述的實施例制成的多孔預制件能使用標準的固結設備和工藝來固結成玻璃坯件(即，固結的玻璃預制件)，然后使用標準的牽拉設備和工藝來牽拉成光纖。較佳地，一旦多孔預制件固結并牽拉成光纖，圍繞多孔預制件的棒的被壓制的煙怠將最終形成外包覆部，因而，從被壓制的煙怠中得到外包覆部的總質量的至少35%并還諸如是至少40%，甚至還諸如至少50%。當固結成玻璃坯件時，根據(jù)在此公開的實施例中的一些制成的多孔預制件可產(chǎn)生固結的坯件，因而，沿坯件的軸向長度，芯部的外徑與包層的外徑的最小比例(即，最小的芯部/包層比)是芯部的外徑與包層的外徑的最大比例(即，最大的芯部/包層比)的至少98%?？梢酝ㄟ^在用煙怠填充設備之前在芯棒和/或桿115、115A、115B上產(chǎn)生靜電荷(例如，通過用絲綢來摩擦)來改善煙怠至芯棒和/或這些桿的粘附。芯棒的底部可選擇性地制成比芯棒的其余部分的直徑略大，以防止被壓制的煙怠從芯棒滑脫，如果被壓制的煙怠至芯棒的粘附相對較小的話。例如，錐度的大小可以設計成芯棒的頂部具有比芯棒的底部小約1%的直徑，并且梯度沿芯棒的長度是均勻的。如果玻璃芯棒和被壓制的煙怠體之間的粘附較弱，則錐度提供坯件的支承，從而能夠垂直地操作。以相似的方式，應力桿可通過提供在頂部(與芯棒的較大端部相對)定向的較大端部的錐形桿來更好地固定在煙怠體內(nèi)。芯棒的表面可通過碾磨或蝕刻或者通過借助OVD (外部氣相沉積工藝)施加一薄層的煙怠來變粗糙。接下來的示例說明利用朝向模腔的中心向內(nèi)定向的徑向壓力來壓實顆粒玻璃材料以制成光纖預制件的包覆部的方法和設備。示例6使用具有剛性圓柱形外壁和撓性內(nèi)壁的設備來制成光纖預制件。剛性圓柱形外壁由鋁制成并具有4英寸的內(nèi)徑、18英寸的長度和1/4英寸的壁厚。撓性內(nèi)壁是在未受應力的狀態(tài)下具有約2. 5英寸的直徑的乳膠橡膠管。乳膠橡膠的頂端和底端裹繞在鋁制圓柱體的頂端和底端上。設備還包括鋁制頂端蓋和底端蓋，每個端蓋具有約I英寸的厚度，中心孔容納⑴芯棒，(ii)兩根偏離中心桿，以容納兩根應力桿115A以及(iii)用于容納螺紋桿的四個周向孔。撓性內(nèi)壁和剛性外壁之間的空氣已基本上去除，因而,撓性內(nèi)壁的外徑與剛性外壁的內(nèi)徑基本上相等。然后，直徑與剛性圓柱體的內(nèi)徑大致相等的、一英寸厚的開孔硅橡膠泡沫塞件被插入空腔內(nèi)，以使 其與圓柱體的底部齊平。然后，圓柱體的底部用鋁制端蓋和氟橡膠0型環(huán)來密封。為了容納應力桿(偏離中心地定位)的運動，此示例性設備的鋁制端蓋具有帶槽(細長)的孔。這些細長孔(例如，孔110AU12A)具有足以使玻璃桿裝入并朝向模腔的中心(相對于較長的軸線)徑向對準的寬度。細長孔的目的是允許玻璃桿(例如，應力桿，芯棒)在煙怠充填過程中放置于槽的外邊緣上，然后當徑向壓實煙怠時朝中心線穿過。在此示例中，帶槽的或細長的孔是2. I厘米寬，且其外邊緣定位在離模腔中心4. 2厘米處，且?guī)Р鄣目椎膬?nèi)邊緣定位成離模腔中心I. 7厘米。(對于2. I厘米直徑的應力桿，這允許在壓實煙怠過程中朝向模具中心運動0. 4毫米。)10毫米直徑的熔融二氧化硅芯棒放置在模腔內(nèi)部，芯棒的底端部插入底部塞件的中心處的孔內(nèi)。芯棒的頂部可例如通過利用已知的對中裝置/機構或方法，例如通過使用由PTFE制成的臨時盤(即，當所有煙怠在空腔內(nèi)時，將盤取出)而保持居中。然后，兩根21毫米直徑的熔融摻硼二氧化硅桿放置于空腔內(nèi)，桿的底端部插入偏離中心地定位在底部塞件內(nèi)的帶槽的孔內(nèi)。摻硼的二氧化硅應力桿與帶槽的孔的外邊緣接觸并與其相鄰。應力桿的頂部通過使用已知的對中裝置/機構或方法中的任一種來保持在它們的適當位置。然后，將來自OVD包覆工藝的、具有0.6克/立方厘米的振實密度的廢棄二氧化硅煙怠加載到空腔內(nèi)，同時不時地振實剛性圓柱體的尺寸以確保煙怠的均勻壓實。當煙怠到達圓柱體頂部以下約I英寸的水平時，移除對中夾具，且第二硅橡膠泡沫塞件滑動到位。圓柱體的頂部例如用第二鋁制端蓋和氟橡膠0型環(huán)來密封。頂部鋁制端蓋較佳地裝備有與底端蓋相同的槽和孔結構，從而仔細地與下板對中，因而，偏離中心玻璃桿的徑向運動在整個壓實(或壓力施加)步驟中保持使它們與中心玻璃芯棒平行。頂端蓋和底端蓋通過用螺紋桿將它們彼此連接并借助翼形螺母旋緊來緊固到圓柱體的端部上。然后，內(nèi)腔通過頂端蓋抽空。然后，撓性壁與剛性壁之間的空間可在10分鐘的時間段內(nèi)使用壓縮空氣缸來加壓到150磅/平方英寸。壓力在150磅/平方英寸下保持大約5分鐘。然后，允許內(nèi)腔回到大氣壓。然后，環(huán)狀空腔的壓力在10分鐘的時間段內(nèi)通過缸的側面上的閥排出。然后，移除頂端蓋，并泵出環(huán)狀空腔內(nèi)的空氣，因而，撓性壁的直徑大到足以移除頂部泡沫塞件和煙怠預制件。所得煙怠預制件具有約89毫米的直徑和約0. 8克/立方厘米的密度。煙怠預制件在管式爐內(nèi)以5° C/分鐘的速率首先在500標準毫升/分鐘的氧氣流內(nèi)從室溫加熱到800° C，以去除有機污染物，然后在氦氣內(nèi)有5%氯氣的混合物的500標準毫升/分鐘的氦氣流內(nèi)從800° C加熱到1200° C，以去除金屬污染物。然后，清潔好的預制件在垂直的向下驅動的爐子內(nèi)固結。例如，爐子可在10%的氧氣中、在1000° C下吹掃一個小時，然后在5%氯氣中吹掃一個小時，然后預制件可通過以10毫米/分鐘從1000° C轉換到1430° C、然后以1.5毫米/分鐘從1430° C轉換到1466° C的峰值、然后回到1430° C來在氦氣內(nèi)完全燒結。示例7
該示例類似于示例6，但代替兩根摻硼的固結玻璃桿，兩根21毫米直徑的圓柱形鋁制模桿放置在模腔內(nèi)，它們的底端部插入偏離中心地定位在底部塞件內(nèi)的孔。模桿的頂部可使用例如由PTFE制成的臨時盤來保持居中(即，桿保持在適當?shù)奈恢?，因而，連接各桿中心的線與芯桿的中心相交)。然后，移除頂端蓋，并泵出環(huán)狀空腔內(nèi)的空氣，因而，撓性壁的直徑大到足以移除頂部泡沫塞件和煙怠預制件。所得的煙怠預制件具有約89毫米的直徑?？尚⌒牡貜谋粩D壓的煙怠(煙怠壓實體)取出兩根模桿，從而在煙怠內(nèi)留下直徑21毫米的兩個氣孔，而煙怠密度為約0. 8克/立方厘米。煙怠預制件在管式爐內(nèi)以5° C/分鐘的速率首先在500標準毫升/分鐘的氧氣流內(nèi)從室溫加熱到800° C，以去除有機污染物，然后在氦氣內(nèi)有5%氯氣的混合物的500標準毫升/分鐘的氦氣流內(nèi)從800° C加熱到1200° C，以去除金屬污染物。然后，清潔好的預制件在垂直的向下驅動的爐子內(nèi)固結。例如，爐子可在10%的氧氣中、在1000° C下吹掃一個小時，然后在5%氯氣中吹掃一個小時，然后預制件可通過在10%氧氣內(nèi)以10毫米/分鐘從1000° C轉換到° C 一個小時、然后在5%的氯氣中一個小時來在氦氣內(nèi)完全燒結， 然后，預制件可通過以10毫米/分鐘來從1000° C轉換到1430° C、然后以1.5毫米/分鐘從1430° C轉換到1466° C的峰值、然后回到1430° C來在氦氣中完全燒結，從而留有定位在中心芯棒周圍的兩個圓柱形氣孔的固結的玻璃物件(預制件)。該預制件還可通過用摻硼的二氧化硅粉末或者摻硼的玻璃桿來填充圓柱形氣孔而進一步作修改。然后，包含摻硼的二氧化硅粉末或者摻硼的二氧化硅(應力)桿的燒結的預制件重新燒結，這例如通過將預制件加熱到1400° C-1500。C的峰值溫度，這種加熱持續(xù)足以使硼煙怠燒結或者使摻硼二氧化硅(應力)桿永久地粘附于周圍的二氧化硅玻璃的時間。例如，具有摻硼的二氧化硅粉末的燒結的預制件通過以10毫米/分鐘從1000° C轉換到1430° C、然后以1.5毫米/分鐘從1430° C轉換到1466° C的峰值、然后回到1430° C來重新燒結到1466° C的峰值，以使燒結的預制件內(nèi)的摻硼二氧化硅粉末(煙怠)完全燒結。認識到其它材料組合物可填充到圓柱形的氣孔內(nèi)并成形為光纖預制件，這些組合物包括諸如Cu、Ag、Au、W和Ga的金屬或諸如Si3N4或Si3N4/SiC的半導體。示例8該示例類似于示例6，但代替兩根摻硼的固結玻璃桿，在此示例中，兩根21毫米直徑的圓柱形鋁制模桿置于空腔內(nèi)，它們的底端部插入偏離底部塞件中心的孔內(nèi)。模桿的頂部可使用任何已知的機構或方法來保持在適當?shù)奈恢?因而，連接各桿中心的線與芯桿的中心相交)。然后，移除頂端蓋，并泵出環(huán)狀空腔內(nèi)的空氣，因而，撓性壁的直徑大到足以移除頂部泡沫塞件和煙怠預制件。所得的煙怠預制件組件具有約89毫米的直徑。兩根模桿可小心地從坯件組件取出，從而留下直徑21毫米的兩個氣孔，并且被煙怠密度為約0. 8克/立方厘米的壓實煙怠所圍繞。氣孔可用顆粒玻璃、例如是摻硼的玻璃粉末來填充。較佳地，粉末應具有等于煙怠的被壓制密度的振實密度。錐形玻璃塞件可裝入氣孔的底部內(nèi)，而摻硼的玻璃粉末可裝入氣孔內(nèi)。在另一種構造中，具有略小于21毫米的直徑的薄壁二氧化硅管可首先裝入氣孔內(nèi)，然后本身用摻硼玻璃粉末來塞住和填充。包括玻璃粉末或填充有玻璃粉末的二氧化硅管的煙怠預制件組件在管式爐內(nèi)以5° C/分鐘的速率首先在500標準毫升/分鐘的氧氣流中從室溫加熱到800° C，以去除有機污染物，然后在氦氣內(nèi)有5%氯氣的混合物的500標準毫升/分鐘的氦氣流內(nèi)從800° C加熱到1200° C，以去除金屬污染物。然后，清潔好的預制件在垂直的向下驅動的爐子內(nèi)固結。例如，爐子可在10%的氧氣中、在1000° C下吹掃一個小時，然后在5%氯氣中吹掃一個小時，然后預制件可通過在10%氧氣內(nèi)以10毫米/分鐘從1000° C轉換到° C 一個小時、然后在5%的氯氣內(nèi)一個小時來在氦氣內(nèi)完全燒結，然后，預制件可通過以10毫米/分鐘從1000° C轉換到1430° C、然后以1.5毫米/分鐘從1430° C轉換到1466° C的峰值、然后回到1430° C來在氦氣內(nèi)完全燒結。摻硼的煙怠與壓實的煙怠固結，并填充由移除兩根模桿而形成的兩個氣孔區(qū)域。示例9該示例類似于示例6，但代替兩根摻硼的固結玻璃桿，在此示例中，四根21毫米直徑的固結芯桿(或芯棒)115置于模腔內(nèi)，芯桿的底端部插入偏離底部塞件中心的孔內(nèi)。在煙怠預制件從內(nèi)腔中移除之后，所得的煙怠預制件具有約89毫米的直徑和約0. 8克/立方厘米的密度。
具有多根芯桿的煙怠預制件在管式爐內(nèi)以5° C/分鐘的速率首先在500標準毫升/分鐘的氧氣流中從室溫加熱到800° C，以去除有機污染物，然后在氦氣內(nèi)有5%氯氣的混合物的500標準毫升/分鐘的氦氣流中從800° C加熱到1200° C，以去除金屬污染物。然后，在其中具有多根芯桿的、清潔過的預制件在垂直的向下驅動的爐子內(nèi)固結。例如，爐子可在10%的氧氣中、在1000° C下吹掃一個小時，然后在5%氯氣中吹掃一個小時，然后預制件可在氦氣內(nèi)通過以10毫米/分鐘從1000° C轉換到1430° C然后以1.5毫米/分鐘來從1430° C轉換到1466° C的峰值、然后回到1430° C來在氦氣中完全燒結。示例10此示例類似于示例9，但若干根固結玻璃桿、例如四根10毫米直徑的固結芯棒115放置于具有矩形截面的模腔108’內(nèi)。較佳地，各芯棒的中心共線。更具體地，在此實施例中，矩形模具體102’包括4厘米深和10厘米寬的模腔108’。如圖17A中所示，此實施例的模腔108’包括三個固定的實心壁108' s，由諸如乳膠或硅橡膠之類的撓性膜制成的第四(撓性)壁108' F以及底部和頂部塞件108' ^未示出)。芯棒115的底端插入偏離中心地定位在底部塞件上的接納孔內(nèi)。此示例中的玻璃芯棒115的長度與模腔108'的長度相等或略長。煙怠190添加到模腔，且壓力P經(jīng)由撓性壁108' F施加于煙怠。由于模腔的幾何形狀，在其內(nèi)具有多根芯棒的、被擠壓煙怠的寬度是固定的且等于10厘米。然后，從模腔內(nèi)移除被擠壓的煙怠預制件。所得的煙怠預制件大致矩形且其密度為約0. 8到0. 85克/立方厘米。然后，具有多根芯棒的煙怠預制件如示例9中所示進行加熱，以移除金屬污染物。然后，在其內(nèi)具有多根芯棒的、清潔過的預制件在垂直的向下驅動的爐子內(nèi)固結，并能用于制造具有多個芯部的光纖或制成多芯帶。示例 11此示例類似于示例10，若干根固結的玻璃桿、例如四根21毫米直徑的固結芯桿(芯棒)115放置于具有矩形截面的模腔內(nèi)。較佳地，各芯棒的中心共線。更具體地，在此實施例中，矩形模具體102’包括4厘米深和10厘米長的模腔108’。如圖17B中所示，此實施例的模腔108’包括一個固定(剛性)的實心壁108' s，由諸如乳膠或硅橡膠之類的撓性膜制成的三個(撓性)壁108' F以及兩個塞件108' p (未示出)。芯棒115的底端插入偏離中心地定位在底部塞件(未示出)上的接納孔內(nèi)。此示例中的玻璃芯棒115的長度與模腔的長度相等或略長。煙怠190添加到模腔內(nèi)，且壓力P經(jīng)由三個撓性壁108' F施加于煙怠。更具體地，為了在芯棒周圍形成煙怠壓實體198，壓力P在煙怠擠壓過程中均勻地施加于三個壁處，而第四壁108' 3具有穩(wěn)固的平坦表面。由于模腔的幾何形狀，所得的預制件組件的橫截面形狀類似于初始的空腔形狀，相似長寬比為1x2。在從模腔移除擠壓的煙怠預制件之后，所得的煙怠預制件具有約6厘米的寬度和約0. 85克/立方厘米 的密度。然后，從模腔內(nèi)移除被擠壓的煙怠預制件。然后，具有多根芯棒的煙怠預制件如示例10中所示進行加熱，以移除金屬污染物。然后，在其內(nèi)具有多根芯棒的、清潔過的預制件在垂直的向下驅動的爐子內(nèi)固結，并能用于制造具有多個芯部的光纖或制成多芯帶。示例12此示例類似于示例10，若干根固結的玻璃桿、例如四根10毫米直徑的固結芯桿(芯棒)115放置于具有矩形截面的模腔內(nèi)。較佳地，各芯棒115的中心共線。更具體地，在此實施例中，矩形模具體102’包括4厘米深和10厘米寬的模腔108’。如圖17C中所示，此實施例的模腔108'包括三個固定(剛性)的壁108' s、第四剛性但可動的壁108' M。壁108' 可運動并用作將壓力施加于位于模腔內(nèi)部的煙怠的活塞。在煙怠壓實過程中，僅此壁108' M運動，而其它三個壁的位置是固定的。借助于擠壓方法，所得的煙怠預制件的幾何形狀接近于矩形，其中，一條邊的尺寸(寬度)等于10厘米。在煙怠預制件從內(nèi)腔移除之后，所得的煙怠預制件具有約25毫米的厚度和約0. 8克/立方厘米的密度。被擠壓的煙怠預制件的后擠壓處理可類似于示例10和11的處理方式。示例13此示例類似于示例1，但代替兩根應力桿，在此示例中，兩根附加的I. 9厘米直徑的固結的芯桿(或芯棒)115放置于空腔內(nèi)。在此示例中，兩個光纖預制件組件通過在單個步驟內(nèi)使模腔加載有二氧化硅玻璃煙怠來制備。為了形成光纖預制件組件，三根芯棒定位在碳制模具內(nèi)，該模具具有89毫米直徑和610毫米長度的模腔。模腔襯有玻璃狀碳涂層。此示例中的玻璃芯棒的長度與模具的長度相等。玻璃芯棒通過將玻璃芯棒的端部插入定位在模腔的下部內(nèi)的壓板的孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)。其它的玻璃芯棒通過將每個芯部的端部插入定位在模腔的下部內(nèi)的壓板的(偏離軸線)孔內(nèi)來定位在模腔內(nèi)。約930克的二氧化硅煙怠添加到模腔，因而，一根玻璃芯棒在二氧化硅玻璃煙怠內(nèi)居中并且附加的兩根芯棒偏離中心、相對地接近中心芯桿地定位。較佳地，三個芯棒的中心共線?？赡苡斜匾獪y量軸向和徑向煙怠到玻璃的收縮，這是因為軸向桿存在于煙怠壓實體內(nèi)會限制相對于徑向收縮的軸向收縮。如果多根桿沿單個光纖直徑對準，則沿兩個垂直的徑向光纖尺寸還將有收縮率的差異。完成計算所需的可調(diào)節(jié)參數(shù)是煙怠振實密度、煙怠最終壓實密度和模具直徑。振動能量在二氧化硅玻璃煙怠加載到模腔內(nèi)之后施加到模具本體，以使二氧化硅玻璃煙怠的預擠壓密度最大化。上壓板定位在玻璃芯棒上和應力桿上并插入模腔內(nèi)。在此實施例中,壓板延伸部被插入玻璃芯棒和應力桿周圍的模腔內(nèi)，且模具和延伸部定位在液力壓力機內(nèi)。液力壓力機的壓力機臂被裝配至上壓板延伸部，而下壓板延伸部定位在液力壓力機的支承板上。振動能量以5千瓦放大器的功率的51 %、約17到19千赫茲的頻率施加到模具。精確的、較佳的共振頻率取決于超聲波轉換器、波導、夾具和模具的詳情，并且必須針對具體的每組元件獨立地來優(yōu)化。具有0. 026秒周期的40赫茲的多模式頻率掃描應用于振動能量，以避免在模腔內(nèi)建立駐波為了擠壓煙怠，壓力機的上壓板以4.8毫米/秒的速率朝下壓板前進。允許模具相對于煙怠壓實體以約2. 4毫米/秒的速率滑動，由此保持超聲源在煙怠壓實體上居中。煙怠的密度可在整個壓制操作過程中基于所測量的上壓板在模腔內(nèi)的位置、模具尺寸和煙怠質量來實時地進行計算。當計算的煙怠密度在目標密度(在此示例中0. 8克/立方厘米)的
0.01克/立方厘米內(nèi)時，停止振動能量。當計算的煙怠密度達到0. 8克/立方厘米的目標密度時，液力壓力機的壓力機臂的運動停止，因而，僅209磅的靜載荷留在壓力機的液壓管路內(nèi)。在十分鐘的持續(xù)時間之后，釋放靜載荷。此后，光纖預制件組件定位在管式爐內(nèi)并在具有5%氯氣的氦氣流內(nèi)、在1000° C下干燥一個小時。在此實施例中，具有多根芯桿的光纖預制件組件較佳地在約1200° C下預燒結一個小時，然后如上所述進行固結。
對本領域的技術人員來說很明顯，可對本發(fā)明進行各種更改和改變而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，意指本發(fā)明涵蓋落入所付權利要求書及其同等物范圍內(nèi)的本發(fā)明的各種更改和改變。
權利要求
1.一種用于制成光纖預制件的方法，所述方法包括如下步驟 將多根桿放置到設備的模腔內(nèi)； 將顆粒玻璃材料放置到所述模腔內(nèi)的所述桿和內(nèi)壁之間；以及 將壓力施抵所述顆粒玻璃材料，以抵靠所述多根桿對所述顆粒玻璃材料加壓。
2.如權利要求I所述的用于制成光纖預制件的方法， 其特征在于，所述多根桿包括(i)至少一根玻璃桿和至少一根模桿；或者(ii)至少兩根玻璃桿；以及所述壓力軸向和/或徑向地進行施加。
3.如權利要求I或2所述的用于制成光纖預制件的方法，其特征在于，所述設備包括外壁和內(nèi)壁，所述外壁圍繞所述內(nèi)壁，且所述內(nèi)壁圍繞所述模腔；且所述壓力至少徑向向內(nèi)施 力口，并且抵靠所述顆粒玻璃材料的壓力是25磅/平方英寸到250磅/平方英寸，以抵靠所述桿對所述顆粒玻璃材料加壓。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，施加徑向向內(nèi)的壓力的所述步驟包括在所述內(nèi)壁和所述外壁之間提供加壓流體。
5.如權利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括 沿軸向擠壓所述顆粒玻璃材料，以形成具有至少0. 5克/立方厘米密度的煙怠壓實體，所述煙怠壓實體是光纖預制件組件的包覆部。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述顆粒玻璃材料是二氧化硅玻璃煙怠，并且所述二氧化硅玻璃煙怠通過以下方式來加載 向所述模腔加載二氧化硅玻璃煙怠的第一部分； 壓實二氧化硅玻璃煙怠的所述第一部分； 向所述模腔加載二氧化硅玻璃煙怠的第二部分；以及 壓實二氧化硅硅玻璃煙怠的所述第二部分。
7.如權利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述桿中的一根是固結的玻璃桿。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述固結的玻璃桿是沿所述模腔的軸向中心定位的芯棒。
9.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述玻璃桿中的至少一根包括由多孔煙怠包覆層圍繞的固結的芯棒，且所述芯棒沿所述模腔的軸向中心定位。
10.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少兩根玻璃桿中的至少一根是固結的摻硼二氧化硅桿。
11.如權利要求2至4所述的方法，其特征在于，在將徑向壓力施抵所述顆粒玻璃材料的步驟之前，所述顆粒玻璃材料具有0. I到0. 5克/立方厘米的平均密度。
12.如權利要求I至11所述的方法，其特征在于，所述顆粒玻璃材料是來自CVD沉積操作的廢棄煙怠。
13.如權利要求2至4所述的方法，其特征在于，在將徑向壓力施抵所述顆粒玻璃材料的步驟之后，所述加壓的顆粒玻璃材料具有從0. 6到I. 2克/立方厘米的密度。
14.如權利要求I至13所述的方法，其特征在于，在將徑向壓力施抵所述顆粒玻璃材料的步驟過程中，所述內(nèi)腔的溫度低于50° C。
15.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述加壓流體是空氣。
16.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)壁包括具有95到7000磅/平方英寸的抗拉強度和200%到800%的伸長率的撓性材料。
17.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)壁包括環(huán)面囊狀物。
18.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)壁包括具有互相交叉的指部的卷起板，且施加徑向向內(nèi)的壓力的步驟包括沿相反方向拉動所述互相交叉的指部，以減小所述卷起板的直徑。
19.如權利要求1-18所述的方法，其特征在于，所述預制件具有沿其軸向長度的最大直徑和最小直徑，所述最小直徑是所述最大直徑的至少90%。
20.如權利要求1-2所述的方法，其特征在于，所述壓力從50磅/平方英寸到200磅/平方英寸。
21.如權利要求I至2所述的方法，其特征在于，在將徑向壓力施抵所述顆粒玻璃材料的步驟之后，所述加壓的顆粒玻璃材料具有0. 8到I. 0克/立方厘米的密度。
22.一種根據(jù)權利要求I至2的方法制成的光纖預制件，所述顆粒玻璃材料抵靠所述桿進行加壓并具有0. 6到I. 2克/立方厘米的密度，且所述預制件具有沿其軸向長度的最大直徑和最小直徑，所述最小直徑是所述最大直徑的至少90%。
23.如權利要求22所述的光纖預制件，其特征在于，所述最小直徑是所述最大直徑的至少95%。
24.如權利要求2所述的方法，其特征在于，還包括在所述二氧化硅玻璃煙怠被擠壓時，將振動能量施加到所述模腔。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述振動能量包括多頻模式，且所述多頻模式在頻率范圍內(nèi)掃頻。
26.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括當二氧化硅玻璃煙怠的所述第一部分和二氧化硅玻璃煙怠的所述第二部分加載到所述模腔內(nèi)時，將振動能量施加到所述模具本體。
27.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括 預燒結所述煙怠壓實體；并在預燒結之后對所述煙怠壓實體進行機加工。
28.如權利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述桿是多根芯棒。
29.如權利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述桿在所述模腔內(nèi)共線地設置。
30.如權利要求28所述的方法，其特征在于，所述芯棒在所述模腔內(nèi)共線地設置。
31.如權利要求I和28-31所述的方法，其特征在于，所述壓力施加到所述模腔的一側或多側。
32.如權利要求1-2和28-31所述的方法，其特征在于，所述模腔不具有圓對稱性。
全文摘要
一種用于制成光纖預制件的方法和設備。多根桿放置到設備的內(nèi)腔內(nèi)；(ii)將顆粒玻璃材料放置到內(nèi)腔內(nèi)的桿和內(nèi)壁之間；以及(iii)將壓力施抵顆粒玻璃材料，以抵靠多根桿對顆粒玻璃材料加壓。
文檔編號C03B37/014GK102753494SQ201080054683
公開日2012年10月24日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權日2009年12月3日
發(fā)明者A·V·菲利波夫, D·H·詹尼斯, J·王, M-J·李, P·坦登, S·B·道斯, V·A·科茲洛夫 申請人:康寧股份有限公司