專利名稱：提高光纖預制件中低包層-纖芯比(D/d)的芯棒的D/d比的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于拉制光纖的玻璃預制件的制造。
背景技術：
為了降低與光纖預制件的制造有關的成本，在實施制造的過程中 應當執(zhí)行盡可能少的步驟。但是，目前在制造這樣的預制件時，實際 上需要大量的加工步驟。例如，為了制造OFS Fitel公司已有的 AllWave⑧光纖，玻璃預制件起初按如下的步驟制造
1. 采用例如已知的蒸氣軸向沉積(VAD)工藝制造初始的芯體；
2. 為了分析的目的，將VAD芯體伸長為中間芯棒；
3. 進行折射率的測量，并將芯棒進一步伸長到預定的尺寸；
4. 為芯棒套上適當尺寸的外包層玻璃套管或套筒。 參見美國專利號6131415 ( 2000年10月17日)。還參見美國專利
申請7>開號2006/0216527 ( 2006年9月28日)，其公開了一種通過將 多個芯棒段插入到兩個或更多個同心外包層套管中最里面的一個來進 行裝配的光纖預制件，并參見美國專利號6460378 (2002年10月8 曰)，其公開了一種多外包層光纖預制件。這些專利參考文獻的所有相 關部分通過引用結合在此。
當從預制件中拉制出來時，上面提到的AllWave光纖的外(包層) 直徑為125微米，典型的內(nèi)芯直徑為8.3微米。AllWave光纖的主要 特征是波長為1385納米時它的光損耗不超過0.31dB/km。低損耗主要 歸因于玻璃纖維中，特別是在光纖的纖芯中或纖芯區(qū)域附近的羥基 (OH)雜質水平的降低。
上面的步驟1中獲得的初始的VAD芯體通常由包圍內(nèi)芯的外部包 層制成。包層外徑與纖芯的直徑之比稱為芯體的D/d比，其中D是外包層的直徑，d是內(nèi)芯的直徑。典型的VAD芯體的D/d比在3-6的范 圍內(nèi)。但是D/d比為4或更小的芯體(稱作"低D/d比"芯體)是常 見的，并且事實上也是優(yōu)選的，因為它們可以獲得比相同尺寸且具有 較高的D/d比的芯體更大的纖維產(chǎn)量。也就是說，當通過減小纖芯直 徑(d)而增加給定尺寸的芯體的D/d比時，芯體產(chǎn)生的有用光纖的 產(chǎn)量也減小了，并且生產(chǎn)給定量的光纖的總成本也大大增加了。
上面的步驟2和3包括許多玻璃加工程序且非常耗時。并且，由 于初始的VAD芯體在其整個長度上不可以總是具有一致的橫截面，在 步驟2中的中間芯棒很難獲得一致的直徑。因此會導致不想要的廢料。
在步驟4中，外包層玻璃套筒的形成和制備也包括許多步驟且成 本很高。例如，典型的外包層套筒按如下步驟制造
A. 提供一根適合灰渣(soot)沉積的目標棒或桿。這樣的桿通常 由氧化鋁形成。
B. 在桿上沉積硅玻璃灰渣，直到獲得預定重量的沉積灰渣。沉積 的灰渣物的重量可達到幾百磅。
C. 在灰渣沉積完成時，移除氧化鋁的桿以便中心孔保留在灰渣物中。
D. 灰渣物借助于特殊的夾具放置在燒結爐中進行脫水，然后灰渣 物在接近1500。C的高溫下被固結。固結物通常稱為玻璃套筒。
E. 由于套筒內(nèi)中心孔的壁通常比較粗糙，因此需要進行機械磨削 和研磨來確保壁的表面足夠光滑。
F. 由于多個噴槍通常用于步驟B中的灰渣沉積過程中，套筒的外 徑(OD)在套筒的長度上通常不是一致的。因此必須對套筒外周進行 機械磨削以減小套筒OD的這種偏差。
G為了獲得上面的步驟3中的芯棒的護套，套筒被伸長到預定的 尺寸。
因此，制造護套套筒包括許多成本高的步驟，也會帶來許多伴生 的廢料。降低這些成本的一種方法是在中間芯棒上采用直接灰渣外包 層工藝，這樣，去除了多個與玻璃套筒有關的處理和加工步驟。對于低D/d比的芯棒來說，在上面的步驟4中確保芯棒的外包層 和護套套筒之間的界面保持清潔和免受沾污是非常重要的。此界面的 質量對于從制成的預制件中拉制的光纖的性能來說是很關鍵的。由于 在噴槍火焰內(nèi)存在用于沉積灰渣包層的氫和氧，因此在低D/d比的芯棒 表面上的直接灰渣外包層沉積通常將在芯棒表面上產(chǎn)生所謂的"濕" 玻璃層。對于低D/d比的芯棒來說，由于濕玻璃層與位于纖芯附近、 且光在其中傳播的光纖包層區(qū)域交疊，濕玻璃層會阻止從預制件中拉 制出所謂的低水峰或零水峰光纖(例如前面提到的AllWave光纖)。
總之，目前制造用于光纖的玻璃預制件的過程的兩個特征導致很 高的制造成本，即(l)相對較大數(shù)量的成本高且耗時的加工步驟，(2) 用于套在芯棒外的玻璃套筒的制造。由于芯棒的低D/d比，與上面的 步驟3和4中的套筒有關的成本不能簡單地通過取代在步驟2中獲得 的中間芯棒上的直接灰渣外包層沉積過程而去除。這樣的過程將把上 面提到的濕玻璃層引入到芯棒內(nèi)并削弱了光纖的性能。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明， 一種制造光纖預制件的方法包括以下步驟將多個 芯體塊端對端插入具有確定外徑的玻璃套筒內(nèi)，芯體塊具有已知直徑 的纖芯；以及將玻璃套筒和插入其中的纖芯塊相對于爐子垂直地安裝。 套筒在爐子內(nèi)被加熱，直到套筒和插入其中的纖芯塊伸長，且套筒的 外徑被縮小到預定的尺寸從而形成可從中截取一個或多個芯棒段的制 成的芯棒。 一定量的灰渣外包層沉積在芯棒段的外周上，直到灰渣外 包層的外徑達到預定的值。然后芯棒段和沉積的灰渣外包層被固結以 獲得光纖預制件。
按照本發(fā)明的另一方面， 一種制造用于光纖預制件的芯棒的方法 以下步驟選擇多個芯體塊，其中所述芯體塊的包層對纖芯直徑比 (D/d)在1-4的范圍內(nèi)；將芯體塊端對端插入具有預定內(nèi)外徑的玻璃 套筒內(nèi)；以及將玻璃套筒和插入其中的芯體塊相對于爐子垂直地安裝。 玻璃套筒在爐子內(nèi)被加熱，因此拉長了套筒和插入其中的芯體塊，且套筒的外徑被縮小到預定的尺寸從而形成D/d比大于5的制成的芯棒。 為了更好的理解本發(fā)明，下面的描述與附圖和所附的權利要求書 將共同作為參考。


附圖中
圖1示意性地表示按照本發(fā)明的用于光纖預制件制造的芯棒的結
構；和
圖2表示按照本發(fā)明的預制件的制造步驟的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明克服了前面提到的通過結合了(除其它特征之外)直接灰 渣外包層沉積工藝而在光纖預制件制造過程中降低成本的障礙。該方 法允許減少玻璃加工步驟的數(shù)量，并提高了用于制造預制件的芯棒的
包層對纖芯比(D/d)，而未削弱從預制件中拉制的光纖的性能和產(chǎn)量。
圖l描述了按照本發(fā)明的用于制造玻璃預制件的芯棒的結構的一
個實施例。在圖1中，六個芯體塊20、 22、 24、 26、 28、 30起初被插 入玻璃套管或套筒32中，然后套筒在爐中被加熱，以借助于例如一個 常規(guī)的撥取機構(未示出)將其伸長或拉長，從而使套筒32的外徑被 縮小。被拉長縮小的套筒32產(chǎn)生一個制成的芯棒40，從該芯棒可截 取多個(例如6個)芯棒段42。例如，每個芯棒段42的外(包層) 直徑大約為70mm,長度大約為1900mm。圖2示出本發(fā)明技術的多 個步驟的流程圖，詳細的實施例在下面將進行描述。 實施例
1.選出多個初始VAD芯體塊(例如6塊)20、 22、 24、 26、 28、 30，每一個的初始芯徑大約為30mm，初始的包層直徑大約為90mm。 芯體塊的包層對纖芯直徑比(D/d)可以在l-4的范圍內(nèi)。將每個芯體 塊的兩個軸向端基本上截取為平面，這樣芯體塊的長度大約為 500mm。由于芯體塊20、 22、 24、 26、 28、 30不會直接暴露到氫/氧火焰處理，它們只能釆用稀氫氟酸浸蝕或高壓噴水進行清潔。
2. 將芯體塊軸向端對端地放置在大約3米長的玻璃套筒32內(nèi)， 該套筒的內(nèi)外徑使得將要制造的芯棒的D/d比大于大約5。見圖2中 的步驟50。例如，套筒32可以由純硅玻璃或摻雜了氟或鍺的硅玻璃 形成。如圖1所示，套筒32內(nèi)相鄰的芯體之間限定了接合部34。套 筒32的內(nèi)徑可以大約為95mm，套筒的外徑可以大約為180mm。
3. 犧牲塊或手柄(未示出)優(yōu)選地連接到玻璃套筒32的底端， 以防止當在下面的步驟4中套筒垂直安裝時，容納在套筒內(nèi)的芯體塊 20、 22、 24、 26、 28、 30脫離。如果所連接的塊是管狀的，它的內(nèi)徑 優(yōu)選地比容納在套筒32內(nèi)的芯體塊的直徑小。
4. 將玻璃套筒32與容納在其內(nèi)的芯體塊20、 22、 24、 26、 28、 30垂直安裝在石墨爐塔上，并進行伸長縮小(collapse-during-stretch ) 操作。見圖2中的步驟52。典型的爐溫可以接近或稍微大于2000°C。 然后允許套筒組件被伸長或拉長，這樣套筒的外徑(OD)被縮小到例 如60-70mm的范圍中的OD,以形成總長度在例如20-30米之間的制 成的芯棒40。見圖2中的步驟54。由此，制成的芯棒40的D/d比大 于初始的VAD芯體塊20、 22、 24、 26、 28、 30的D/d比，并且優(yōu)選 地大于5。
5. 在伸長和縮小過程中或在伸長和縮小結束時，制成的芯棒40 可以被"速動，，截取以產(chǎn)生多個(例如6個)芯棒段42，每個芯棒段 都具有確定長度，例如l卯0mm。見圖2中的步驟56。具體地，芯棒 40應當在沿其長度與相鄰VAD芯體20、 22、 24、 26、 28、 30之間接 合部34重合的位置以及笫一個芯體20和最后一個芯體30的向外朝向 套筒32的端部36、 38的區(qū)域中截取。具有不均勻截面的芯棒段42 的端部應當被修整和廢棄，這些端部包括例如在與芯體之間接合部34 相對應的區(qū)域中的空隙。
6. 在每個制成的(修整過)的芯棒段42上進行所需的測量，并 直接在芯棒段42的外周上沉積預定量的廢渣外包層以使制成的預制 件獲得想要的D/d比。例如，對于外徑為70mm、 D/d比大于5的芯棒段42，可以在其軸向兩端和放置在用于制造外包層的灰渣沉積機器 上的芯棒段42上連接適當?shù)牟Ａ直錃夂脱鯕庵械拿恳环N的典型 的氣體流速可以為大約每分鐘幾百升。四氯化硅(SiCl,)氣體可以以大 約每分鐘幾百克的速率流動。灰渣沉積到芯棒段42的圓周上，直到構 造出例如大約300mm的外徑。見圖2中的步驟58。為了在芯棒段42 的長度上獲得均勻的灰渣包層直徑，灰渣應當在超過芯棒段兩端的一 定的距離上沉積以便補償在灰渣沉積過程中出現(xiàn)的已知的錐尖效果。 7.灰渣外包芯棒段放置在溫度接近或大于1500。C的燒結爐內(nèi)， 以固結為透明的制成的預制件。見步驟60。固結的制成的預制件外徑 通常為200mm，長度可達3米。制成的預制件的D/d比可以大約為例 如15或更大。
光纖可以從制成的預制件中拉制，例如通過將預制件直接放置到 能夠操縱這樣尺寸的預制件的大的石墨或氧化鋯拉制爐中。
芯體塊20、 22、 24、 26、 28、 30可以在它們被插入到玻璃套管或 套筒32后且剛好在上面的步驟4中進行伸長縮小操作之前，進行如下 所述的清潔過程。
I. 將套筒32和插入其中的芯體塊20、 22、 24、 26、 28、 30安 裝在伸長塔上，并確保連接在套筒兩端的手柄為管狀的，以便通過手 柄中的一個導入的氣體可以流動通過存在于芯體塊和套筒之間的間 隙。
II. 使一種或多種玻璃清潔氣體，例如氯氣、含氟的氣體、純氮 氣或上述氣體的混合物流入套筒32。
HI.將相關的爐溫控制在大約1000-2200'C的范圍內(nèi)。
IV. 以氯氣或含氟的氣體在高溫下能夠進行清潔工藝的速度移動 套筒和插入其中的芯體塊通過爐子。如果需要的話，可以多次通過來 保證高質量的界面。
V. 使反應清潔氣體停止流動，并進行上面的步驟4中的伸長縮 小操作。
本發(fā)明的方法去除了光纖預制件制造中所需要的許多典型加工步驟，包括但未限定于
a. 手柄與初始的VAD芯體連接和初始的芯體在爐中伸長的需要；
b. 進一步伸長芯棒以使其尺寸與護套玻璃套筒匹配；
c. 芯棒的氫氟酸浸蝕；和
d. 在用灰渣沉積制造護套套筒中使用桿，套筒纖芯的光滑化，和 套筒外周的機加工。
可以預期采用這里公開的直接灰渣外包層沉積能夠減少 15%-30%或更多的制造成本。本發(fā)明的技術可以應用在源自VAD芯 體的任何一種光纖預制件的制造中，對成本降低和光纖產(chǎn)量大大有益。
雖然前面對優(yōu)選實施例進行了描述，但是本領域技術人員可以理 解的是，可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，對本發(fā)明進行 多種修改和改變，本發(fā)明包括下面的權利要求書范圍內(nèi)的所有修改和 改變。
權利要求
1.一種制造用于光纖預制件的芯棒的方法，其特征在于選擇多個芯體塊，其中所述芯體塊的包層對纖芯直徑比(D/d)在1-4的范圍內(nèi)；將芯體塊端對端地插入具有預定的內(nèi)外徑的玻璃套筒中；將玻璃套筒和插入其中的芯體塊相對于爐子垂直地安裝；在爐子中加熱玻璃套筒，從而將套筒和插入其中的芯體塊拉長，并將套筒的外徑縮小到預定的尺寸以形成D/d比大于5的制成的芯棒。
2. 如權利要求1所迷的方法，其特征在于，采用蒸氣軸向沉積 (VAD)工藝形成芯體，并截取芯體以獲得芯體塊。
3. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，從制成的芯棒中截取 一個或多個芯棒段。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，截取步驟通過在與玻 璃套筒內(nèi)相鄰的芯體塊之間限定的接合部重合的位置截取制成的芯棒 進行。
5. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，在將芯體塊插入到玻 璃套筒后，通過使一種或多種氣體流動通過套筒并加熱套筒，來清潔 芯體塊。
6. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，由純硅玻璃形成玻璃 套筒。
7. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，用氟或鍺摻雜玻璃套筒。
8. —種制造光纖預制件的方法，其特征在于 將多個芯體塊端對端地插入具有確定的外徑的玻璃套筒中，所述芯體塊具有已知直徑的纖芯；將玻璃套筒和插入其中的芯體塊相對于爐子垂直地安裝； 在爐子中加熱玻璃套筒，從而將套筒和插入其中的芯體塊拉長，并將套筒的外徑縮小到預定的尺寸以形成制成的芯棒；從制成的芯棒中截取一個或多個芯棒段；在芯棒段的外周上沉積一定量的灰渣外包層，并將沉積的灰渣外 包層的外徑構造為預定的值；固結芯棒段和沉積灰渣外包層以獲得制成的光纖預制件。
9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，采用蒸氣軸向沉積 (VAD)工藝形成芯體，并截取芯體以獲得芯體塊。
10. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，選擇芯體塊和玻璃 套筒，從而使制成的芯棒的包層對纖芯直徑比(D/d)大于5。
11. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，通過構造在芯棒段 圓周上沉積的灰渣外包層的外徑，從而使預制件的包層對纖芯直徑比(D/d)大約為15或更大。
12. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，由純硅玻璃形成玻 璃套筒。
13. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，用氟或鍺摻雜玻璃 套筒。
14. 一種按照權利要求8所述的方法制造的光纖預制件。
15. 如權利要求14所述的光纖預制件，其特征在于，預制件的包 層對纖芯直徑比(D/d)大約為15或更大。
全文摘要
通過將多個芯體塊端對端地插入到玻璃套筒中制造光纖預制件，其中芯體塊的包層-纖芯直徑比(D/d)在1-4的范圍內(nèi)。套筒和插入其中的芯體塊垂直地安裝在爐上并被加熱，使得套筒拉長，其外徑縮小而形成芯棒，從該芯棒可以截取D/d比大于5的芯棒段?；以獍鼘映练e在芯棒段的圓周上，直到沉積灰渣的直徑構造成預定的值。芯棒段和沉積灰渣外包層被固結以形成制成的光纖預制件。預制件的D/d比優(yōu)選地大約為15或更大，光纖可以直接從預制件中拉制。
文檔編號C03B37/012GK101302076SQ200710185118
公開日2008年11月12日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權日2007年5月9日
發(fā)明者吳風清, 埃里克·L·巴里什, 約瑟夫·P·弗萊徹三世 申請人:古河電子北美公司