專利名稱：管棒光纖預(yù)型和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖預(yù)型，特別是管棒(RIT，rod in tube)類的預(yù)型，還涉及使用RIT預(yù)型拉拔光纖的方法。
背景技術(shù)：
用來傳送數(shù)據(jù)和信息的光纖通常這樣生產(chǎn)，將玻璃纖維預(yù)型棒的一端插入到一垂直纖維拉拔爐的口內(nèi)，隨著該棒的下降到爐內(nèi)熱區(qū)，棒的插入端被加熱，形成一個柔軟的玻璃熔液滴，然后從該熔液滴拉拔出光學(xué)纖維(光纖)。預(yù)型棒本身例如可用改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積(MCVD)法制出，使該棒得到一個沿著該棒軸向延伸的能折射的芯部區(qū)域和一個環(huán)繞芯部區(qū)域的包覆區(qū)域。見美國專利4,217,027(1980.08.12)，其所有相關(guān)部分被本文參考引用。
′027專利這樣公開說，用MCVD法生產(chǎn)預(yù)型棒包括將氣體如SiCl4和GeCl4沿軸向通過一個空心的石英玻璃管，環(huán)繞管子軸線轉(zhuǎn)動該管同時從外面用火炬加熱，其時氣體在管內(nèi)通過，這樣就造成一層亞微米大小的玻璃微粒沉積在管子的內(nèi)周。沿著管子長度反復(fù)移動火炬，就可在管內(nèi)沉積上多層玻璃微粒。一旦形成確定的層數(shù)，管子就再一次被加熱一直到軟化并坍縮成結(jié)實(shí)的棒形，其時沉積的玻璃微粒形成芯部區(qū)域，而坍縮的玻璃管形成包覆區(qū)域。
但所說MCVD法會對玻璃管的最大壁厚加以限制。因?yàn)?，?dāng)壁厚增加時，從外面移動的火炬到管內(nèi)含有反應(yīng)劑的氣體的熱傳遞率會減小。如果沒有足夠的熱傳遞，在沉積的玻璃層內(nèi)能發(fā)生氣泡或不完全的燒結(jié)。為了克服這個情況，火炬在外面移動的速率就須放慢，從而沉積每一玻璃微粒層所需的總時間就會增加。然而該MCVD法所能容許的最大管壁厚度對生產(chǎn)某些用途所需的光纖來說仍然是不合適的，因?yàn)檫@種光纖在拉拔的纖維上須有足夠數(shù)量的包覆層。這個問題可用管棒(RIT)的方法克服。
在RIT的方法中，將一個例如用MCVD法制造的預(yù)型棒沿軸向插入到一個所謂玻璃外包管內(nèi)。加熱外包管使它軟化并坍縮到預(yù)型棒上，其時外包管玻璃與預(yù)型棒上的包覆層凝固在一起。這樣得到的光纖的外(包覆層)直徑可以比單獨(dú)從MCVD預(yù)型棒得到的直徑來得大，然后可從這個組合的預(yù)型棒和外包管進(jìn)行拉拔。這個方法有時也被稱為“包覆層一并拉拔”或ODD。并見本發(fā)明人共同擁有的美國專利申請No.09/515,227，申請日為2000年2月29日，題為“制造具有多個外包覆層的光纖預(yù)型并由此制出光纖的設(shè)備和方法”，其所有相關(guān)部分被本文參考引用。
按照在上述′227申請中所公開的方法，預(yù)型棒被定位在第一外包管內(nèi)，第二外包管設(shè)在第一外包管之外。預(yù)型棒和外包管被這樣加熱使外包管部分坍縮在棒的一端上，成為一個整體的多外包層的預(yù)型棒。這個外包覆棒的一端隨后被豎立地插入到一個垂直的纖維拉拔爐內(nèi)，當(dāng)外包管的其余部分都被坍縮并與棒上的包覆層凝固在一起時便可生產(chǎn)出具有所需外直徑及芯部對包覆層質(zhì)量比的ODD纖維。
預(yù)型棒也可以是只具有所需芯部材料的實(shí)心玻璃棒而將外包管作為要被拉制纖維上包覆材料的唯一來源。因此如上結(jié)合RIT法說明的預(yù)型棒今后將被簡單地稱為“芯棒”，不管該棒制有一個包覆材料的外層，還是只具有芯部材料。
在實(shí)行已知的RIT法時有一個與纖維拉拔前添加的加熱工序有關(guān)的問題，其時包括一個芯棒及一個或多個同軸外包管的預(yù)型在一端要被加熱而后被冷卻凝固并密封使芯棒和周圍的外包管被保持在一起，以便在開始拉拔時插入到拉拔爐內(nèi)。這個預(yù)備工序并不是合適的，因?yàn)樗鼛硐喈?dāng)多的添加費(fèi)用，包括要作巨大投資的外包層車床、熱源和材料搬運(yùn)設(shè)備。該工序由于先把玻璃預(yù)型冷卻、以后再在纖維拉拔爐內(nèi)重新加熱，還在預(yù)型內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)大的應(yīng)力，這種應(yīng)力極易使預(yù)型開裂和斷裂，并會大量增加修補(bǔ)率、廢品和廢料。另外，在努力緩解這個問題時必須采用特殊措施，例如在拉拔纖維時增加預(yù)型在拉拔爐內(nèi)的插入時間。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明，外包的光纖預(yù)型包括一個芯棒和一個外包管。該外包管具有第一開口端和與第一開口端相對的第二開口端。外包管的第一開口端的尺寸可以進(jìn)入到垂直纖維拉拔爐的口內(nèi)。有一塞子被支承在外包管的第一開口端內(nèi)，而芯棒沿軸向被設(shè)置在該管內(nèi)使當(dāng)該管的第一開口端進(jìn)入拉拔爐的口內(nèi)而下降到爐內(nèi)熱區(qū)時，芯棒的遠(yuǎn)端(即下端)的向下運(yùn)動受到塞子的限制。
按照本發(fā)明的另一方面是一種拉拔光纖的方法，該方法包括將一芯棒插入到一外包管內(nèi)，在外包管的開口的遠(yuǎn)端插入一個塞子，并將該塞子固定在遠(yuǎn)端附近。外包管的遠(yuǎn)端被定位得可以插入到一個垂直光纖拉拔爐的口內(nèi)。外包管下降到爐內(nèi)并被加熱到塞子和外包管都被軟化并融合在一起，外包管于是坍縮到芯棒上，產(chǎn)生熔液滴，從該熔液滴可以拉制出具有所需性能的光纖。
為了更好了解本發(fā)明，可參閱下面結(jié)合附圖和權(quán)利要求所作的說明。


圖1為按照本發(fā)明的管棒(RIT)預(yù)型下部在立面上的剖視圖。
圖2為圖1中的預(yù)型在環(huán)繞其軸線轉(zhuǎn)動90°并準(zhǔn)備插入到垂直光纖拉拔爐的口內(nèi)時RIT預(yù)型下部的立視圖。
圖3為一立面的剖視圖，示出RIT預(yù)型下部在下降到爐內(nèi)熱區(qū)后產(chǎn)生熔液滴可用來拉制纖維。
圖4為一圖表，示出按照本發(fā)明拉制光纖的方法所包括的工序。
圖5為與圖1相似的剖視圖，示出有一第二管同軸地插置在芯棒和圖1中的管子之間。
具體實(shí)施例方式
圖1示出按照本發(fā)明的管棒(RIT)的光纖預(yù)型10的剖面圖。圖2示出圖1中的預(yù)型10在環(huán)繞其長軸線A轉(zhuǎn)動90°后預(yù)型10下部的立面圖。
在所示實(shí)施例中，光纖預(yù)型10包括一個芯棒18和一個玻璃外包管20，其下部如圖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軸向沉積法(VAD)或外側(cè)汽相沉積法(OVD)，可不受限制。而且如同早先提到過，芯棒18可單獨(dú)用所需的芯部材料制成。外包管20可采用商業(yè)上供售的石英玻璃管。管20下端或遠(yuǎn)端的外周最好制成截圓錐形，有一沿徑向向內(nèi)的斜度T，例如約為24度，如圖2所示，整個光纖預(yù)型10的遠(yuǎn)端或下端16可被定位成一個穩(wěn)定的機(jī)械組合件以便在開始進(jìn)行光纖拉制過程時插入到垂直光纖拉拔爐14的口12內(nèi)。
斜度角T與預(yù)型10的下端16在光纖拉拔爐14的熱區(qū)15內(nèi)軟化而形成玻璃熔液滴時所呈現(xiàn)的縮頸傾斜度13(見圖3)近似，適當(dāng)選用斜度角T能使拉拔光纖的預(yù)型的可用軸向長度達(dá)到最大，而且還可縮小熔液滴17的大小，從而使光纖在初始時容易從預(yù)型內(nèi)拉出。
圓柱形塞子22被支承在玻璃外包管20的開口遠(yuǎn)端的內(nèi)側(cè)。塞子22例如可由商業(yè)上供售的天然或合成的熔融石英或等同的材料制成。沿著一條與外包管軸線A垂直的軸線O(見圖1)，在外包管20遠(yuǎn)端的圓錐形壁的兩個在直徑上相對的位置上用鉆削或其他方法制有兩個孔24、26。用一個銷釘28從其中的一個孔24、26插入，穿過塞子內(nèi)的橫向孔30，與管壁上另一個相對孔接合，便可將塞子22固定在外包管20上。銷釘28例如可由商業(yè)上供售的熔融石英或等同的材料制成。
在裝配預(yù)型10時外包管10可先被水平地放置，將芯棒18的上端(未示出)沿軸向從外包管的開口遠(yuǎn)端插入。最好，芯棒18和外包管20的尺寸被這樣制定使在外包管20的內(nèi)周和插入棒18的外周之間有一徑向間隙G例如為1mm+/-0.5mm。然后將塞子22放置在管20的遠(yuǎn)端，使塞子橫向孔30的兩端分別與傾斜管壁上的孔24、26對準(zhǔn)，再將銷釘28插入如上所述。
然后將裝配好的RIT光纖預(yù)型10豎起、設(shè)定如圖2所示以便插入到爐14內(nèi)，其時芯棒18的遠(yuǎn)端(即下端)32被塞子22堵住使它不能下滑到管20的遠(yuǎn)端之下。在通過拉拔爐的口12下降而進(jìn)入熱區(qū)如圖3所示時，預(yù)型的遠(yuǎn)端16被加熱到一個溫度(典型地為2100℃或更多)，在該溫度玻璃軟化，塞子22、銷釘28和外包管20坍縮并融合在一起。另外，芯棒18的遠(yuǎn)端32和外包管20在塞子22以上的部分也被軟化，外包管坍縮在芯棒上產(chǎn)生熔液滴17。這種坍縮可被促進(jìn)，只要按實(shí)行傳統(tǒng)的RIT法時典型地采用的方式將部分真空例如約為-26英寸Hg連通到預(yù)型10上端芯棒18和外包管20之間的間隙內(nèi)即可。一旦生成溶液滴17，便可按傳統(tǒng)方式拉拔出連續(xù)的光纖。
按照本發(fā)明，RIT預(yù)型10可用較簡單的方式裝配，不需在纖維拉拔前采用分開的加熱工序?qū)⒉糠滞獍?0連結(jié)到芯棒18上。由于省略這個在前面的加熱工序，制造費(fèi)用可顯著減少而從預(yù)型10得到的產(chǎn)量可增加。另外，各種預(yù)型大小和纖維型式(如單式或復(fù)式)都可用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)。
結(jié)合圖1在下面表I和II中列出的裝配的RIT預(yù)型10的典型尺寸和傾斜角示出有一個范圍廣的預(yù)型大小可被提供。
表I尺寸毫米(典型)D1(管20在傾斜部以上的外直徑) 60到200D2(管20的內(nèi)直徑) 20到75S1(塞22露出端的軸向長) 10S2(塞22的軸向長) (傾斜部的軸向長+S1)P1(銷28的直徑) 10到16P2(銷孔30底面與管20遠(yuǎn)端之間的軸向距離) 10表II傾斜角度數(shù)(約)T24到27圖4示出按照本發(fā)明拉制光纖的方法的各個工序。在工序50，將芯棒18沿軸向插入到外包管20內(nèi)。在工序52，將塞子22插入到管20的遠(yuǎn)端并予以固定(例如使用銷28)，使芯棒18的遠(yuǎn)端被塞子堵住不能從管的遠(yuǎn)端逸出。在工序54，將裝配好的預(yù)型10的遠(yuǎn)端16插入到拉拔爐14的口12內(nèi)。在工序56，將遠(yuǎn)端16下降到爐內(nèi)熱區(qū)15，將它加熱到塞子22與外包管20融合。在工序58，外包管坍縮在軟化的芯棒上產(chǎn)生熔液滴，由此開始可拉制出具有所需性能的光纖。
除了單一外包管20外，可將一個或多個添加的外包管同軸地固定在外包管20的周圍，這樣來開始多外包層光纖拉拔過程。例如在圖5中可以看到在一按照本發(fā)明的光纖預(yù)型10′有一與芯棒18′同軸而位在芯棒18′和外包管20之間的第二個或在內(nèi)的外包管60的下部。這樣，管60和芯棒18′就都可被塞子22限制住，不讓它們相對于管20而向下運(yùn)動。
圖5中的在內(nèi)的外包管60具有這樣的內(nèi)直徑D3以便在它與芯棒18′之間造成一個徑向間隙(例如約為1mm+/-0.5mm)。于是可將部分真空與芯棒18′和在內(nèi)的外包管60之間的徑向間隙以及管60和在外的外包管之間的間隙連通以資當(dāng)預(yù)型10在拉拔爐14內(nèi)被加熱時可促進(jìn)兩個管20、60互相坍縮并坍縮到芯棒18′上。
由于在光纖拉拔的過程中有一個要點(diǎn)是芯棒及其相關(guān)的外包管應(yīng)以相同的速率進(jìn)給到爐14內(nèi)，因此在某些情況下可能需要提供設(shè)施阻擋潛在的芯棒18(或18′)相對于外包管的垂直向上的軸向運(yùn)動或滑動。
在預(yù)型10的頂面上的合適的阻擋設(shè)施可使芯棒的頂面保持在相對于外包管的頂面為恒定的位置上，因此可以減少或否定擇優(yōu)進(jìn)給的可能性。在目前較優(yōu)的實(shí)施例中，在外的外包管20的頂面沿徑向向內(nèi)被阻塞或成梯形，致使外包管的內(nèi)直徑小于芯棒18的外直徑，從而當(dāng)塞子22被固定在外包管的下端(傾斜)部時芯棒的頂邊與外包管20的被阻塞的壁非常接近。這樣在整個RIT光纖的拉制過程中，芯棒18的軸向運(yùn)動不論是向下還是向上就都被限制，因此芯棒和外包管在通過光纖拉拔爐14時可保持一個恒定的進(jìn)給率。
上面介紹了本發(fā)明的較優(yōu)實(shí)施例，但應(yīng)知道本行業(yè)的行家們在不離開本發(fā)明的創(chuàng)意和范圍的情況下是能對本發(fā)明作出各種修改和變化的，而本發(fā)明理應(yīng)包括所有這些修改和變化，只要它們是在所附權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種外包覆的光纖預(yù)型，適宜設(shè)立在具有內(nèi)部熱區(qū)的垂直光纖拉拔爐的爐口，該預(yù)型包括一個芯棒；一個外包覆管，該管具有一個可插入拉拔爐口內(nèi)的開口遠(yuǎn)端和一條管軸線；和一個塞子，固定在外包覆管遠(yuǎn)端附近；以及芯棒沿軸向設(shè)置在外包覆管內(nèi)，使當(dāng)管子的遠(yuǎn)端進(jìn)入垂直拉拔爐口內(nèi)而下降到爐內(nèi)熱區(qū)時，芯棒下端的向下運(yùn)動受到設(shè)在管子遠(yuǎn)端的塞子的抑制。
2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)型，其特征在于，塞子由熔融的石英制成。
3.如權(quán)利要求1所述的預(yù)型，其特征在于，外包覆管的遠(yuǎn)端制出具有一定傾斜角的沿徑向向內(nèi)的斜度。
4.如權(quán)利要求3所述的預(yù)型，其特征在于，傾斜角約為24度。
5.如權(quán)利要求1所述的預(yù)型，其特征在于，在外包覆管遠(yuǎn)端附近的壁上制有至少一個孔，而塞子有一橫向孔，并包括一個銷釘，其尺寸與所說壁上的孔和塞子內(nèi)的孔配合可用來將塞子保持在管子的遠(yuǎn)端。
6.如權(quán)利要求5所述的預(yù)型，其特征在于，銷釘由熔融的石英制成。
7.如權(quán)利要求1所述的預(yù)型，其特征在于，芯棒和外包覆管的尺寸這樣制定，使當(dāng)將芯棒插入管內(nèi)時形成一個約為1mm的徑向間隙。
8.如權(quán)利要求1所述的預(yù)型，其特征在于，包括一個內(nèi)包覆管，該管被同軸地布置在芯棒和外包覆管之間。
9.如權(quán)利要求8所述的預(yù)型，其特征在于，芯棒和內(nèi)包覆管被這樣制定尺寸并布置，使內(nèi)包覆管的下端和芯棒的下端由于受到所說塞子的限制不能相對于外包覆管而向下運(yùn)動。
10.一種拉制光纖的方法，包括沿軸向?qū)⑿景舨迦胪獍补軆?nèi)；將塞子插入外包覆管的開口遠(yuǎn)端內(nèi)并將塞子固定在所說遠(yuǎn)端附近；使外包覆管的遠(yuǎn)端定位以便進(jìn)入具有熱區(qū)的垂直光纖拉拔爐的爐口內(nèi)；將外包覆管連同插入的芯棒和塞子下降到拉拔爐的熱區(qū)內(nèi)；在熱區(qū)內(nèi)加熱外包覆管的遠(yuǎn)端一直到塞子和管軟化并融合在一起；在拉拔爐的熱區(qū)范圍內(nèi)使外包覆管坍縮在芯棒上；及產(chǎn)生由芯棒和外包覆管構(gòu)成的熔液滴從而開始拉制具有所需性能的光纖。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，包括將一銷釘插入使它通過塞子和在管壁上制出的至少一個孔，從而將塞子固定在外包覆管的遠(yuǎn)端。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，包括當(dāng)管子在拉拔爐的熱區(qū)內(nèi)被加熱時使銷釘、塞子和外包覆管的遠(yuǎn)端一起被軟化并融合。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，包括在使外包覆管的遠(yuǎn)端定位以便進(jìn)入拉拔爐口內(nèi)之前，將一內(nèi)包覆管同軸地設(shè)置在芯棒和外包覆管之間。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，包括將部分真空連通到芯棒和外包覆管之間的間隙內(nèi)使坍縮工序容易進(jìn)行。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，包括在加熱和坍縮的工序中限制芯棒相對于外包覆管的向上運(yùn)動。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，包括在將管子下降到拉拔爐內(nèi)熱區(qū)之前，將外包覆管連同插入的芯棒和塞子保持在不受高溫?zé)崽幚淼臓顟B(tài)。
全文摘要
一種光纖預(yù)型，包括一個芯棒和一個包覆管，該管具有一個開口的遠(yuǎn)端，其尺寸可進(jìn)入到垂直光纖拉拔爐的爐口內(nèi)。有一塞子被固定在該管的遠(yuǎn)端區(qū)域內(nèi)，而芯棒沿軸向被設(shè)置在包覆管內(nèi)，當(dāng)該管進(jìn)入并下降到拉拔爐內(nèi)熱區(qū)時，由于塞子的阻攔，芯棒的遠(yuǎn)端受到限制不能向下運(yùn)動。該管的遠(yuǎn)端在爐內(nèi)熱區(qū)被加熱和塞子一起被軟化并互相融合，于是該管坍縮在芯棒上產(chǎn)生熔液滴，從該熔液滴可拉制出具有所需性能的光纖。
文檔編號C03B37/027GK1504432SQ0314539
公開日2004年6月16日 申請日期2003年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者約瑟夫·P·弗萊徹三世, 托馬斯·J·米勒, 小約翰·A·倫內(nèi)爾, 唐·H·史密斯, 彼得·鮑爾, 諾伯特·西比斯, 拉爾夫·薩特曼, 雷內(nèi)·索瓦, A 倫內(nèi)爾, J 米勒, 薩特曼, 西比斯, な訪芩, 索瓦, 約瑟夫 P 弗萊徹三世, 鮑爾 申請人:菲特爾美國公司