專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖型坯、光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與光纖型坯、光纖以及制造光纖型坯和光纖的方法有關(guān)。
通常，制造硅光纖的方法有汽相軸向沉積(VAD)法、外蒸涂法、內(nèi)蒸涂法(MCVD)，等離子CVD法)及棒管法。下面將對(duì)這幾種典型方法加以說(shuō)明。在VAD法中，加到氫氧噴槍內(nèi)的原材料受到加熱后由于水解作用合成為玻璃微粒，軸向沉積在一根轉(zhuǎn)動(dòng)著的始桿的頂端，從而制成了一個(gè)稀疏的玻璃型壞，這個(gè)型坯經(jīng)過(guò)脫水、玻璃化、收縮、拉伸后就形成一個(gè)圓柱狀的光纖型坯。然后，再將光纖型坯拉制成折光率分布滿(mǎn)足要求的光纖。內(nèi)蒸涂法制造光纖是將原材料和氧饋入一個(gè)硅管內(nèi)，通過(guò)對(duì)管外部的加熱使得管內(nèi)壁涂上一層玻璃薄膜后壓癟，制成光纖型坯(見(jiàn)Fibers for infomation transmission，Seni to Kouggo Vol.4 No.1995，pp.151-160)。棒管法是通過(guò)將一根將成為芯體的玻璃棒插入一根將成為包層的厚玻璃管后封死下端再加熱到軟化進(jìn)行拉伸來(lái)制造光纖的。
在以上各種制造光纖型坯的過(guò)程中，都認(rèn)為以后拉制成的光纖的折光率分布在各截面都是同心圓形的。然而，實(shí)際上光纖各截面或多或少都有些畸變或是橢圓形，因此折光率分布也就不可能是嚴(yán)格的同心圓形。這樣，在光纖截面上相互垂直的兩個(gè)極化波的群速有一定差異，從而導(dǎo)致極化色散增大的這樣問(wèn)題。所以，當(dāng)用這種光纖作為遠(yuǎn)距離傳輸大量信息的海底光纜或長(zhǎng)途光纜的光纖時(shí)，極化色散的影響就相當(dāng)可觀了。就理論上來(lái)說(shuō)，只要嚴(yán)格控制光纖制造過(guò)程，是可以將光纖芯線(xiàn)(截面)做成圓形的，也可以使光纖包層和芯線(xiàn)做成圓心圓形的。然而，制造過(guò)程控制越嚴(yán)格，困難越大，成本就越高。要將光纖做成嚴(yán)格圓形的同心在理論上是可能的，但在實(shí)際上都是不可能的，因?yàn)閷?duì)制造過(guò)程的控制不可能達(dá)到理想水平，結(jié)構(gòu)畸變所造成的極化色散是不可避免的。
為了減小這種極化色散已經(jīng)提出了一種拉制回旋形光纖型坯的方法，這可參見(jiàn)“PCT/GB02/00200”，以及“A.J.Barlow，APLIED OPTICS Vol.20，No.17，1 Septembor 1961，pp.2962-2968”。
本發(fā)明的目的是提供一種即使芯線(xiàn)和包層不是嚴(yán)格圓形和同心也能抑制因此而產(chǎn)生的極化色散的光纖。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供適合制造上述這種光纖的光纖型坯和提供制造這種光纖和光纖型坯的方法。
本發(fā)明所提出的這種光纖型坯在中心區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的芯體而在周邊區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的包層。這種型坯是經(jīng)過(guò)朝一個(gè)方向均勻扭絞過(guò)的，扭絞的中心軸通過(guò)芯體中心附近，而型坯的長(zhǎng)度大于一個(gè)扭絞節(jié)距。
本發(fā)明所提出的光纖是通過(guò)將上述光纖型坯加熱軟化后從一端拉制而成的纖維。這種光纖留有原來(lái)向一個(gè)方向均勻扭絞的結(jié)果，這種光纖的長(zhǎng)度大于一個(gè)扭絞節(jié)距。
本發(fā)明所提出的制造光纖型坯的方法有幾種情況，分別與那些常用的制造法相應(yīng)。
第一種情況包括第一步，制備一種在中心區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的芯體而在周邊區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的包層的型坯;第二步，圍繞一根通過(guò)芯體中心附近的中心軸從型坯兩端施加方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力，使型坯扭轉(zhuǎn)一周或幾周，并且將型坯加熱到軟化。
第二種情況包括第一步，制備一種在中心區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的芯體而在周邊區(qū)域有一層將成為一個(gè)包層的稀疏材料的型坯;第二步，圍繞一根中心軸從芯體的兩端施加方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力，使型坯扭轉(zhuǎn)一周或幾周，并且加熱型坯，使稀疏材料層玻璃化和使芯體軟化。
第二種情況包括第一步，制備一種在中心區(qū)域有一層將成為一個(gè)芯體的稀心材料而在周邊區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的包層的型坯;第二步，圍繞一根中心軸從包層兩端施加方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力，使型坯扭轉(zhuǎn)一周或幾周，并且加熱型坯，使包層軟化和使稀疏材料層玻璃化。
上述三種情況中的第二步可以是施加方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力和一個(gè)中心軸方向的拉伸應(yīng)力，并且加熱型坯。此外，在第二步中可以從一端到另一端對(duì)型坯進(jìn)行加熱。
在第一和第二種情況中，第一步可以是將一個(gè)芯坯的四周研磨成圓形，而用這個(gè)經(jīng)研磨拋光的芯坯來(lái)形成一個(gè)光纖型坯。
按照本發(fā)明所提出的制造光纖的方法包括夾住在以上三種情況中的一種情況下制成的光纖型坯的一端，使另一端垂下，通過(guò)將垂下的那端加熱到軟化，從光纖型坯拉制成一根光纖。
此外，本發(fā)明所提出的制造光纖的方法還可以包括夾住在以上三種情況中的一個(gè)情況下制成的光纖型坯的一端，使另一端垂下，一面使光纖型坯轉(zhuǎn)動(dòng)，一面通過(guò)將垂下的那端加熱到軟化，從光纖型坯拉制成的一根光纖。本發(fā)明所提出的光纖是經(jīng)過(guò)圍繞一根中心軸朝一個(gè)方向均勻扭絞過(guò)的。因此，即使光纖和光纖芯線(xiàn)的截面不是嚴(yán)格圓形和同心，但由于這種截面結(jié)構(gòu)畸變?cè)谝粋€(gè)確定的節(jié)距(扭絞節(jié)距)內(nèi)出現(xiàn)在所有360°的方向上，因此就整體來(lái)說(shuō)這樣的長(zhǎng)光纖就相當(dāng)于一根圓形、同心的光傳輸線(xiàn)。而長(zhǎng)度超過(guò)扭轉(zhuǎn)節(jié)距的這種光纖內(nèi)傳播的光信號(hào)中發(fā)生的極化色散相繼出現(xiàn)在圍繞光軸的360°方向上，相互抵消(即兩種極化模式的耦合更為容易)。結(jié)果，完全抑制了極化色散。
由于本發(fā)明提出的光纖型坯是在一個(gè)方向均勻扭絞過(guò)的，因此可以從這種型坯的一端直接控制出上述這種光纖。
制造光纖型坯方法的第一種情況適用于扭絞芯體和色層做成一個(gè)實(shí)心體并已經(jīng)玻璃化了的型坯。這種經(jīng)玻璃化的型坯可以通過(guò)以下幾個(gè)途徑獲得加熱和玻璃化用VAD法制成的稀疏型坯;加熱和玻璃化用外蒸涂法制成的型坯外部的稀疏層(包層);加熱的玻璃化用內(nèi)蒸涂法制成的型坯內(nèi)部的稀疏層(芯體);或者加熱用棒管法制成的透明棒材(芯料)和透明管材(包層料)使之聯(lián)成為實(shí)心體。然后，將所得到的經(jīng)玻璃化的型坯加熱到軟，同時(shí)施加轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力，使這種型坯扭絞。這樣，從這種經(jīng)扭絞的型坯(即光纖型坯)拉制出的光纖就能抑制極化色散。
制造光纖型坯的方法的第二種情況在對(duì)用外蒸涂法制成的型坯的包層進(jìn)行玻璃化處理的過(guò)程中同時(shí)對(duì)型坯進(jìn)行了扭絞處理。制造光纖型坯方法的第三種情況在對(duì)用內(nèi)蒸涂法制成的型坯的芯體進(jìn)行玻璃化處理過(guò)程中同時(shí)對(duì)型坯進(jìn)行了鈕絞處理。按照這第二種和第三種情況進(jìn)行處理，可以縮短處理過(guò)程。
值得注意的是，無(wú)論對(duì)于這三種情況中的哪一種情況，只要對(duì)型坯同時(shí)施加轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，那么就可以對(duì)型坯一次完成收縮和拉伸處理。
此外，通過(guò)研磨芯坯四周，使它盡量接近圓形，用這種經(jīng)研磨的芯坯做成光纖型坯，可以減少為了改善極化色散所需的扭絞量。
本發(fā)明所提出的光纖可以通過(guò)拉制緊上三種情況下制成的光纖型坯來(lái)獲得。也就是，這種光纖是從扭絞過(guò)的型坯一端在受到加熱軟化的情況下拉制出來(lái)的，在這種光纖中留有扭絞的結(jié)果。如果在拉制光纖的過(guò)程中還轉(zhuǎn)動(dòng)光纖型坯，則在拉制成的光纖中扭絞量就更大了。
如果型坯的扭絞中心在芯體外(即在包層區(qū)域)，則拉制成的光纖的芯線(xiàn)就呈螺紋形。通過(guò)控制螺旋節(jié)距，這種具有螺旋形芯線(xiàn)的光纖可以做成一圓極化維護(hù)光纖。
下面將說(shuō)明本發(fā)明中所用的原理。
假設(shè)芯線(xiàn)截面是橢圓的，則可定義橢圓度(e)為e＝(最大外徑-最小外徑)/平均外徑芯線(xiàn)橢圓度(e)與極化模式色散之間的關(guān)系可以參閱“K.Kasbihare et al.，International Wire & Cable Symposium Proceeding 1993，pp635-638”。由于芯線(xiàn)的扭絞而獲得的極化模式色散(PMD)的改善因子為PMD(φ)/PMD(φ＝0)＝(2π/2φ)(β/λ) (1)其中φ為單位光纖長(zhǎng)度的芯線(xiàn)扭絞量B為兩倍光纖折光率λ為光的波長(zhǎng)對(duì)于典型的光纖來(lái)說(shuō)B＝10-5-10-7。
通常，在將型坯拉制成光纖的過(guò)程中，光纖型坯的芯體的橢圓度有所增加。本發(fā)明者測(cè)量了在從型坯拉制成的光纖后橢圓度和極化色散的增加情況。按(1)式導(dǎo)出了使極化模式色散為0.1ps/km1/2所需的芯線(xiàn)扭絞節(jié)距，其結(jié)果列于表1。
表1
＊在光纖狀態(tài)時(shí)使極化模式色散為約0.1ps/km1/2所需的扭絞節(jié)距如表1所示，當(dāng)光纖型坯的橢圓度小于或等于5%則光纖芯線(xiàn)的扭絞節(jié)距大于或等于1厘米而小于或等于100米。為了使光纖芯線(xiàn)的扭絞節(jié)距為L(zhǎng)0，光纖型坯芯體的扭絞節(jié)距L1應(yīng)為L(zhǎng)1＝(0.125/D)2×L1(2)其中D為光纖型坯外徑，單位為毫米。
所制成的光纖型坯的橢圓度通常等于或低于2%，因此，實(shí)際上根據(jù)不同的光纖型坯的橢圓度相應(yīng)的光纖芯線(xiàn)的扭絞節(jié)距大于等于10厘米而小于等于50米。這樣，扭絞光纖型坯不會(huì)有什么困難。
如果采用研磨芯坯料外周來(lái)減小光纖型坯的芯體橢圓度的話(huà)，就可以將光纖型坯的芯體橢圓度控制在0.5%以下。在這種情況下，光纖芯線(xiàn)的扭絞節(jié)距可以是大于或等于1米而小于或等于50米，視光纖型坯的橢圓度而定。
本發(fā)明者還進(jìn)行了采用從轉(zhuǎn)動(dòng)著的扭絞光纖型坯拉絞光纖來(lái)改善極化模式色散的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果列于表2。
表2
由表2可見(jiàn)，盡管最后拉制成的光纖的實(shí)際扭絞節(jié)距是相同的，然而在拉制期間的轉(zhuǎn)速越高，極化模式色散越小，其原因可以作如下分析。對(duì)于根普通的光纖來(lái)說(shuō)，其橢圓度要比拉制前的光纖型坯的橢圓度要大，這看來(lái)是因?yàn)樵诶乒饫w期間加熱爐內(nèi)沿光纖型坯直徑方向的溫度不均勻而引起的。由于溫度分布不均勻，沿光纖型坯直徑方向的溫度分布也就不均勻，從而導(dǎo)致橢圓度的增加。然而對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)拉制的光纖來(lái)說(shuō)，由于在拉制期間光纖型坯是轉(zhuǎn)動(dòng)著的，因此有效地減小了在光纖型坯直徑方向溫度不均勻的影響，從而防止了橢圓度的增大，使得拉制線(xiàn)的光纖具有較小的極化模式色散。
總而言之，本發(fā)明所提出的光纖是經(jīng)過(guò)圍繞一根中心軸在一個(gè)方向均勻扭絞過(guò)的，截面的結(jié)構(gòu)畸變?cè)谝粋€(gè)扭絞節(jié)距內(nèi)出現(xiàn)在所有360°的方向上，從而使得在光信號(hào)在這種光纖內(nèi)傳播的過(guò)程中兩種極化模式的耦合較為容易。結(jié)果是總極化色散能夠得到抑制。此外，本發(fā)明所提出的光纖型坯是經(jīng)過(guò)在一個(gè)方向均勻扭絞過(guò)的，因此如上所述，可以直接從這種光纖型坯的一端拉制出一根能夠抑制總極化色散的光纖。
本發(fā)明所提出的制造光纖型坯的方法是在收縮、拉伸一種通過(guò)將中心區(qū)域的透明材料或稀疏材料與周邊區(qū)域的透明材料或稀疏材料組合而成的光纖型坯的過(guò)程中，在型坯兩端施加方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力。因此，這種光纖型坯是在一個(gè)方向上經(jīng)過(guò)扭絞的，具有一定的扭絞節(jié)距。如果對(duì)一種扭絞中心在芯體外的光纖型坯進(jìn)行拉制，通過(guò)控制螺旋節(jié)距可以拉制成一種維護(hù)圓極化的光纖。這樣就能得到適合制造上述光纖的光纖型坯以及制造光纖型坯和光纖的優(yōu)選方法。
從以下結(jié)合附圖所作了詳細(xì)說(shuō)明中可以更充分地理解本發(fā)明，這些說(shuō)明只是例示性的，并不是說(shuō)對(duì)本發(fā)明有所限制。
從以下的詳細(xì)說(shuō)明中可以清楚地看到本發(fā)明的應(yīng)用范圍。然而應(yīng)該理解，這只是本發(fā)明的一些具體的優(yōu)選實(shí)施例，只是例示性的，因?yàn)閷?duì)于熟悉本技術(shù)的人來(lái)說(shuō)從以下詳細(xì)說(shuō)明中可以看到根據(jù)本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)作出種種修改和變動(dòng)，這些都在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
在本發(fā)明的配合說(shuō)明的附圖中

圖1示出了作為實(shí)施例的光纖型坯的局部透視圖，平面A至D為四個(gè)截面的結(jié)構(gòu);
圖2至5示出了扭絞中心軸在橢圓形芯體中心的光纖型坯的情況，圖6至9示出了扭絞中心軸稍偏離畸變圓形芯體的中心的光纖型坯的情況。圖2至5和圖6至9分別與圖1中平面A至D相應(yīng);
圖10至13示出了扭絞中心軸在圓形芯坯邊緣的光纖型坯的情況，圖14至17示出了扭絞中心軸偏離芯坯而在包層坯區(qū)域的光纖型坯的情況。圖10至13和圖14至17分別與圖1中平面A至D相應(yīng);
圖18至21示出了用VAD法(汽相軸向沉積法)制造光纖的過(guò)程;
圖22和23示出了用內(nèi)蒸涂法的制造過(guò)程;
圖24和25示出了用外蒸涂法的制造過(guò)程;以及圖26和27示出了用棒管法的制造過(guò)程。
下面結(jié)合附圖依次對(duì)本發(fā)明的光纖型坯、光纖及制造方法加以說(shuō)明。
圖1為按照本發(fā)明實(shí)施例所提出的一種光纖型坯的局部透視圖，圖中示出了在四個(gè)平面A-D的截面結(jié)構(gòu)。光纖型坯1有一個(gè)用硅玻璃制成的包層坯11和一個(gè)具有高折光率的芯坯12，芯坯12配置在包層坯的中心。假定芯坯12是在光纖型坯1的中央，但不是圓形的，而有一個(gè)凸起部13。
本實(shí)施例的光纖型坯1是在一個(gè)方向上經(jīng)過(guò)均勻扭絞的，圖1中示出了扭絞中心軸為芯坯12的中心時(shí)四個(gè)截面A-D的情況。當(dāng)沿光纖型坯1的軸向從A移動(dòng)到B、C和D時(shí)，芯坯12的凸起部13繞著中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。也就是說(shuō)，當(dāng)光纖型坯1受到扭絞時(shí)，具有凸起部分13的芯坯12也隨著被扭絞了。
圖1所示光纖型坯1放入光纖拉制爐后，下端得到加熱，被拉制成光纖。所得到的光纖仍留有扭絞。因此，如果這根光纖扭絞了一周或幾周，則與芯坯12的結(jié)構(gòu)畸變(即凸起部13)相應(yīng)的光纖芯線(xiàn)畸變會(huì)出現(xiàn)在圍繞中心軸360°的所有方向上。這樣，由于畸變而引起的光傳播的極化色散就可以完全消除，因?yàn)樵谶@種情況下兩種傳播模式的耦合較為容易。所以這種光纖起著相當(dāng)于無(wú)畸變的光纖的作用。
芯坯12的結(jié)構(gòu)畸變和扭絞中心軸位置的一些不同情況分別示于圖2至9和圖10至17。圖2至5示出了芯坯12是橢圓形、而芯體中心是扭絞中心軸(虛線(xiàn)交叉處)的情況，各圖與圖1的截面A-D相應(yīng)。圖6至9也示出了在截面A-D的情況，所示的芯坯12是有畸變的圓，而扭絞中心軸稍偏離芯坯12的中心。
圖10至17示出了芯坯12基本上是圓形的情況。其中圖10至13為扭絞中心處在芯坯12邊緣的情況，而圖14至17為扭絞中心偏離芯坯12而在包層坯11中的情況。如果沒(méi)有扭絞，由于從這種光纖型坯拉制出來(lái)的光纖包層厚度不同、包層與芯線(xiàn)不同心，會(huì)引起極化色散。然而如果這種光纖扭絞過(guò)一周或幾周，則總的極化色散就可以得到消除。
如圖10至17所示，當(dāng)芯坯12是偏心的，特別是如圖14至17所示那樣偏心得很大時(shí)，在一極從這種型坯拉制出來(lái)的光纖中，兩種極化模式的耦合比較容易，這樣不僅抑制了極化色散，而且還具有以下一些作用。如果型坯的扭絞中心是在芯坯(包層坯)外，則可以拉制成具有螺旋形芯的光纖。這種具有螺旋形芯的光纖如果螺距調(diào)整得當(dāng)就能成為一根維護(hù)圓極化的光纖。這種具有螺旋形芯的光纖的實(shí)際長(zhǎng)度比光傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度要短一些。如果通過(guò)在這種光纖中摻以稀土元素來(lái)形成一個(gè)光纖放大器的話(huà)，則可以用比普通光纖放大器短的一根光纖來(lái)制成特性與普通光纖放大器相同的光纖放大器。
下面將對(duì)本發(fā)明的制造光纖型坯和光纖的方法的一些實(shí)施例加以說(shuō)明。
圖18至21示出了用VAD法的制造過(guò)程。由圖18可見(jiàn)，用硅玻璃制成的始桿21固定在轉(zhuǎn)動(dòng)的夾具22上，由噴槍3A、3B在始桿21上形成一個(gè)灰狀型坯4。高折光率的芯料饋給噴槍3A，而低折光率的包層料饋給噴槍3B。這樣，當(dāng)諸如SiCl4、GeCl4、POCl3之類(lèi)的玻璃原料氣體饋送到氫氧火焰中時(shí)，在500-800℃就發(fā)生了如下的水解反應(yīng)
在火焰中所產(chǎn)生的玻璃微粒噴到始楔21的端部，沉積起來(lái)，形成了一個(gè)稀疏的灰狀型坯4?；覡钚团?隨著軸向增長(zhǎng)向上拉起。在圖19所示的過(guò)程中，始桿21用夾具24固定，灰狀型坯4從下端開(kāi)始通過(guò)加熱爐23，從而得到了一個(gè)經(jīng)玻璃化的透明光纖型坯1。
然后如圖20所示，虛桿25熔融后接到光纖坯錠1上，始桿21(或與始桿21融接的另一個(gè)虛桿)固定在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)夾具26A上，而虛桿25固定在轉(zhuǎn)動(dòng)夾具26B上。光纖型坯1從一端到另一端通過(guò)加熱爐23，得到軟化。此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)夾具26A、26B反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，扭絞光纖型坯1的軟化部。轉(zhuǎn)動(dòng)夾具26A、26B還朝相互分開(kāi)的方向移動(dòng)，使得光纖型坯1受拉，收縮變細(xì)。
接著，如圖21所示，從光纖型坯1上取下支承桿25。始桿21固定在夾具27上，置于拉制爐內(nèi)，下端用加熱器28加熱，從此拉制出一根光纖19。涂上涂層的光纖19纏在卷筒29上。這根光纖19有著從光纖型坯1留下的扭絞結(jié)果。
扭絞光纖型坯1的過(guò)程可以加在普通的制造過(guò)程中，但如在以上實(shí)施例中所說(shuō)明的那樣，型坯1可以在拉縮過(guò)程中受到拉伸和扭絞，以形成一個(gè)用來(lái)拉制光纖的坯錠，這樣有利于降低成本。
為了扭絞型坯，值得推薦的方法是用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)夾具夾住型坯，反向轉(zhuǎn)動(dòng)。采用這種方法，轉(zhuǎn)速可以較低，即使型坯中心偏離扭絞中心，也不會(huì)由于離心力的作用而使型坯彎曲。
此外，如果在水平型的加工玻璃的機(jī)床上用上述方法扭絞型坯，則型坯的形狀會(huì)有所改變。因?yàn)樵谙喾捶较蜣D(zhuǎn)動(dòng)夾在型坯兩端的夾具這種方法使得受熱軟化部分的轉(zhuǎn)速較低，從而型坯得不到均勻和完全的加熱，并且由于重力而下垂。因此，最好采用使兩端的夾具同方向但以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的方法。這種方法也可以用于垂直型的，以便使型坯得到均勻而完全的加熱。
圖22和23示出了用內(nèi)蒸涂法的制造過(guò)程。首先，制備好一根硅管15。在一面轉(zhuǎn)動(dòng)硅管15一面從外面用氫氧噴槍31進(jìn)行加熱的同時(shí)，將原料氣體饋入硅管15內(nèi)。原料氣體可以是SiCl4，GeCl4，POCl2，BBR3或O2。當(dāng)這些氣體饋入時(shí)，就產(chǎn)生以下的受熱氧化反應(yīng)
結(jié)果，所產(chǎn)生的象SiO2那樣的玻璃微粒就附著在硅管15的內(nèi)部，形成一層稀松的芯層41。
然后，將硅管15的兩端固定到轉(zhuǎn)動(dòng)夾具26A和26B上(或者也可以將硅管15的一端加熱密封后再加以固定)。硅管15在通過(guò)加熱爐23(或者用噴槍)得到加熱的同時(shí)受到扭絞。而且，壓癟(玻璃化)和扭絞可以一次完成。如果使轉(zhuǎn)動(dòng)夾具26A、26B朝著相互分離的方向移動(dòng)，則拉伸和收縮也可一次完成。
在這種包括一個(gè)壓癟玻璃管過(guò)程的制造方法中，在進(jìn)行壓癟時(shí)很容易使截面靈成橢圓形，使極化色散增大。如果玻璃管是經(jīng)過(guò)扭絞的，則極化色散情況就會(huì)得到改善。此外，如果玻璃管在壓癟過(guò)程中得到扭絞和玻璃成透明的芯坯，則制造成本保持不變。當(dāng)然，如果不計(jì)制造成本，壓癟、扭絞和拉伸可以在不同的處理加工過(guò)程中完成。
如果將玻璃管放入光纖拉制爐內(nèi)進(jìn)行圖21所示這種方式的拉帛，則拉制出的光纖留有扭絞結(jié)果。在將玻璃粒沉積到硅管15內(nèi)部這一步，如果第一階段是通過(guò)饋入包層原料形成一層稀疏層，而第一階段是通過(guò)饋入芯體原料形成另一層稀疏層，則由于在火焰中的水解作用，無(wú)論芯原料還是包層原料都被合成為玻璃。
圖24和25示出了采用外蒸涂法的制造過(guò)程。首先，制備一根以后要作為芯坯12的硅玻璃棒。將這根硅玻璃棒轉(zhuǎn)動(dòng)著放入含有噴槍噴出的玻璃微粒的火焰中(見(jiàn)圖24)。這樣，在芯坯12的外部就形成了一層將要成為包層的稀疏層42。
然后，將附著有稀疏層42的芯坯12固定在轉(zhuǎn)動(dòng)夾具26A、26B上，在對(duì)稀疏層42進(jìn)行玻璃化處理的同時(shí)進(jìn)行扭絞。如果坯錠在加熱的同時(shí)，受到所加的方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，則一次就可以完成型坯的玻璃化、扭絞和拉伸處理(見(jiàn)圖25)。所得到的光纖型坯置入光纖拉制爐內(nèi)，方式與圖21所示相同。從下端拉制出的光纖留有扭絞結(jié)果。
圖26和27示出了采用棒管法的制造過(guò)程。在這種情況下，預(yù)先制備好一根管形的包層坯11和一根棒形的芯坯12，將芯坯12插入包層坯11的通孔16內(nèi)(見(jiàn)圖26)。如果通孔16偏心，則將來(lái)拉制成的光纖具有螺旋形芯，其螺旋半徑與偏心度相應(yīng)。包層坯11可以用VAD法或其它制成。
然后，將包層坯11和芯坯12在一端熔合成整體后，固定到夾具26A、26B上，施以方向相反的拉伸應(yīng)力，在加熱爐23內(nèi)從一端到另一端進(jìn)行加熱，形成一根整休的實(shí)心坯(見(jiàn)圖27)。如果繼續(xù)在坯錠上施加拉伸應(yīng)力，則象上述實(shí)施例那樣可以在單一個(gè)處理過(guò)程中完成形成一根整體型坯、扭絞和拉伸。
通過(guò)采用與圖21所示相同的方式對(duì)型坯進(jìn)行拉制，可以得到一根留有扭絞結(jié)果的光纖。采用本實(shí)施例這種方法拉制成的光纖適用于前面提到過(guò)的光纖放大器，因?yàn)檫@種光纖芯的螺旋半徑由通孔16的偏心度確定，而芯的長(zhǎng)度(真正的光纖傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度)能夠做得與光纖的長(zhǎng)度不一樣。
下面將對(duì)本發(fā)明者所研究的實(shí)際例子加以說(shuō)明。
例1一個(gè)外徑為25毫米長(zhǎng)為400毫米的透明型坯兩端分別接上熔化的虛桿后插入到一個(gè)具有垂直通孔的垂直型加熱爐中，使得型坯下端處在加熱爐的頂部。透明型坯是通過(guò)將虛桿固定在加熱爐上部和下部的可轉(zhuǎn)動(dòng)夾具上得到支承的。加熱爐加熱到1900℃。上夾具有下夾具以每分鐘50轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相互反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)都以每分鐘1毫米的速度下降，行程為400毫米。此后將透明型坯拉制成光纖。這樣得到的光纖的極化色散特性極佳，對(duì)于1.55微米的信號(hào)光每公里長(zhǎng)的光纖只差0.05微微秒。
例2一個(gè)與例1相同的型坯插入加熱至1900℃的加熱爐內(nèi)后，使上夾具以每分鐘3毫米的速度下降、下夾具以每分鐘5毫米的速度下降，同時(shí)使下夾具以每分鐘15轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)而保持上夾具不轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)秀明型坯進(jìn)行扭絞和拉伸。所得到的型坯沒(méi)有什么缺陷，可以非常成功地拉到外徑為19.44毫米。
例3將一根外徑為30毫米、內(nèi)徑為10毫米、長(zhǎng)為300毫米的硅管，在內(nèi)部沉積了層將成為芯坯的玻璃層后形成的型坯安裝在一個(gè)水平型的玻璃加工機(jī)床上，在用氫氧噴槍從一端到另一端進(jìn)行加熱的同時(shí)，使固定型坯兩端的夾具中的一個(gè)夾具以每分鐘10轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，而使另一個(gè)夾具以每分鐘20轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速移動(dòng)，并且使這兩個(gè)夾具都以每分鐘5毫米的速度橫向移動(dòng)。將硅管的壓強(qiáng)減到0.9個(gè)大氣壓，而將加熱爐加熱到1800-1900℃。這樣從一端另一端進(jìn)行扭絞和壓癟而得到的型坯相當(dāng)不饋，沒(méi)有缺陷和氣泡。
例4一個(gè)以后會(huì)成為光纖芯和部分包層的外徑為40毫米、長(zhǎng)為100毫米的透明型坯，在兩端接上熔化的支承桿后安裝到水平型玻璃加工機(jī)應(yīng)上。在透明型坯兩端的夾具中的一個(gè)夾具以每分鐘40轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，而另一個(gè)夾具以每分鐘10轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并且以每分鐘40毫米的速度橫向移動(dòng)。噴槍以每分鐘5毫米的速度移動(dòng)，方向與橫向移動(dòng)的那個(gè)夾具的移動(dòng)方向相反。此后，將玻璃微粒沉積在型坯的周邊，經(jīng)過(guò)燒結(jié)、玻璃化后形成光纖型坯。然后，與例1所示的方式相同，將光纖型坯插入具有一個(gè)垂直通孔的垂直型加熱爐中，使得光纖型坯的下端處于加熱爐的頂部。光纖型坯是通過(guò)將虛桿固定在加熱爐上部和下部的可轉(zhuǎn)動(dòng)夾具上得到支承的。加熱爐加熱到1900℃。上夾具和下夾具以每分鐘30轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相互反射轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)都以每分鐘10毫米的速度向下移動(dòng)。此后，再以每分鐘30-500轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和每分鐘100米的速度轉(zhuǎn)動(dòng)和拉伸光纖型坯，拉制成光纖。這樣得到的光纖在光纖芯中的扭絞節(jié)距為20厘米并2.4米。
從上述對(duì)本發(fā)明可作的說(shuō)明可以看到本發(fā)明可以在許多地方加以改動(dòng)，而這些改動(dòng)并不背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)，仍在本發(fā)明權(quán)利要求所規(guī)定的范圍之內(nèi)，這對(duì)于熟悉該技術(shù)的人員來(lái)說(shuō)是十分明顯的。
權(quán)利要求
1.一種光纖型坯，包括在中心區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的芯體和在周邊區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的包層；該光纖型坯是經(jīng)過(guò)圍繞一根通過(guò)所述芯體中心附近的中心軸朝一個(gè)方向均勻扭絞過(guò)的；所述光纖型坯的長(zhǎng)度大于一個(gè)扭絞節(jié)距。
2.一種通過(guò)對(duì)權(quán)利要求1所述光纖型坯進(jìn)行加熱、軟化、從一端拉制而成的光纖，其特征是所述光纖留有朝一個(gè)方向均勻鈕絞的結(jié)果，所述光纖的長(zhǎng)度大于一個(gè)扭絞節(jié)距。
3.一種制造光纖型坯的方法，其特征是所述方法包括第一步，制備一種在中心區(qū)域有一個(gè)將成為一個(gè)芯體的部分而在周邊區(qū)域有一個(gè)將成為一個(gè)包層的部分的型坯;第二步，在所述芯休中或從所述型坯兩端圍繞一根通過(guò)所述芯體中心附近的中心軸施加方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力，使所述型坯扭轉(zhuǎn)一周或幾周，并且將所述型坯加熱到軟化;以及第三步，通過(guò)冷卻使得在所述第二步中得到加熱的型坯硬化。
4.一種按權(quán)利要求3所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第一步是制備一種在中心區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的芯坯而在周邊區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的包層坯的型坯。
5.一種按權(quán)利要求4所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第一步是制備一個(gè)用稼明材料制成的芯坯，將所述芯坯四周研磨拋光成圓形后放置在中心區(qū)域，再將一個(gè)用透明材料制成的包層坯放在周邊區(qū)域。
6.一種按權(quán)利要求4所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第二步是施加所述方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力和一個(gè)在所述中心軸方向上的拉伸壓力，并且將所述型坯加熱到軟化。
7.一種按權(quán)利要求4所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第二步是將所述芯坯和所述包括包層坯從一端至另一端加熱到軟化。
8.一種按權(quán)利要求3所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第一步是制備一種在中心區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的芯坯而在周邊區(qū)域有一層將成為一個(gè)包層的稀疏材料的型坯。
9.一種按權(quán)利要求8所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第一步是制備一個(gè)用透明材料制成的芯坯，將所述芯坯四周研磨拋光成圓形后，再在其周邊區(qū)域形成一層將成為一個(gè)包層的稀疏材料。
10.一種按權(quán)利要求8所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第二步是施加所述方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力和一個(gè)在所述中心軸方向的拉伸應(yīng)力，并且加熱所述稀疏材料層和所述芯坯，使所述稀疏材料層玻璃化和使所述芯坯軟化。
11.一種按權(quán)利要求8所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第二步是將所述稀疏材料層和所述芯坯從一端至另一端進(jìn)行加熱，使所述稀疏材料層玻璃化和使所述芯坯軟化。
12.一種按權(quán)利要求3所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第一步是制備一種在中心區(qū)域有一層將成為一個(gè)芯體的稀疏材料而在周邊區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的包層坯的型壞。
13.一種按權(quán)利要求12所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第二步是施加所述方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力和一個(gè)在所述中心軸方向的拉伸應(yīng)力，并且加熱所述稀疏材料層和所述芯坯，使所述稀疏材料層玻璃化和使所述芯坯軟化。
14.一種按權(quán)利要求12所提出的制造光纖型坯的方法，其特征是其中所述第二步是將所述稀疏材料和所述包層坯從一端至另一端進(jìn)行加熱，使所述稀疏材料層玻璃化和使所述芯坯軟化。
15.一種制造光纖的方法，其特征是所述方法包括夾住按權(quán)利要求3提出的方法所制造的一個(gè)光纖型坯的一端，使另一端垂下;以及通過(guò)對(duì)所述光纖型坯垂下的那一端進(jìn)行加熱軟化，從所述光纖型坯拉制出一根光纖。
16.一種按權(quán)利要求15所提出的制造光纖的方法，其特征是所述方法包括夾住按權(quán)利要求3提出的方法所制造的一個(gè)光纖型坯的一端，使另一端垂下;圍繞一根所述光纖型坯的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)所述光纖型法;以及通過(guò)對(duì)所述光纖型坯垂下的那一端進(jìn)行加熱軟化，從所述光纖型坯拉制出一根光纖。
17.一種按權(quán)利要求15所提出的制造光纖的方法，其特征是其中所述拉制成的光纖的一個(gè)芯線(xiàn)扭絞節(jié)距大于或等于1厘米而小于或等于100米。
18.一種按權(quán)利要求15所提出的制造光纖的方法，其特征是其中所述拉制成的光纖的一個(gè)芯線(xiàn)扭絞節(jié)距大于或等于10厘米而小于或等于50米。
19.一種按權(quán)利要求15所提出的制造光纖的方法，其特征是其中所述拉制成的光纖的一個(gè)芯線(xiàn)扭絞節(jié)距大于或等于1厘米而小于或等于50米。
全文摘要
本發(fā)明所提出的光纖型坯在中心區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的芯體和在周邊區(qū)域有一個(gè)用透明材料制成的包層。這種光纖型坯在芯體中是經(jīng)過(guò)朝一個(gè)方向均勻扭絞過(guò)的，其長(zhǎng)度大于一個(gè)扭絞節(jié)距。因此，從這種型坯拉制出的光纖的有朝一個(gè)方向扭絞過(guò)的結(jié)果，使得在這種光纖中傳播的光信號(hào)極化色散出現(xiàn)在繞光軸360°的所有方向上，因此相互抵消，從而能抑制全部極化色散。由于可以在制造光纖的玻璃化或拉伸過(guò)程中進(jìn)行扭絞，成本并不增加。
文檔編號(hào)C03B37/012GK1103956SQ9410672
公開(kāi)日1995年6月21日 申請(qǐng)日期1994年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月22日
發(fā)明者星野壽美夫, 金森弘雄, 大西正志, 橫田弘 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社