CN100999382B - 制造光纤预制棒的方法及用该光纤预制棒制造光纤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所披露的是一种制造光纤预制棒的方法以及使用该光纤预制棒制造光纤的方法。所述制造光纤预制棒的方法包括步骤：(a)通过烟灰沉积在起始构件上生长第一烟灰预制棒；(b)使第一烟灰预制棒脱水；(c)烧结脱水的第一烟灰预制棒，以获得玻璃化的第一光纤预制棒；(d)通过烟灰沉积在第一光纤预制棒上生长包覆烟灰层，以获得第二烟灰预制棒；以及(e)烧结第二烟灰预制棒，以便获得玻璃化的第二光纤预制棒，其中，第一烟灰预制棒的平均密度基本在0.19～0.30g/cc的范围内，且包覆烟灰层的平均密度基本在0.5～0.75g/cc的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造光纤预制棒的方法，并且，更具体地说，涉及一种使用烟灰沉积制造光纤预制棒的方法。
背景技术
制造光纤预制棒的方法包括：改进化学气相沉积(MCVD)，气相轴向沉积(VAD)，外部气相沉积(OVD)，和等离子化学气相沉积(PCVD)，等等。
根据MCVD方法，源材料和氧化气体被供应到石英管内，同时加热石英管的周面。结果，烟灰产生在石英管中。然后，该烟灰被沉积在石英管的内表面上。
PCVD方法除去使用微波谐振器之外，其余跟MCVD方法类似。
根据VAD和OVD方法，源材料和燃料气体等被供应至燃烧器(burner)，从而烟灰由火焰水解作用而产生。然后，该烟灰沉积在起始构件上。在VAD方法中，烟灰预制棒沿着起始构件的纵向从起始构件的端部开始生长。在OVD方法中，烟灰预制棒在起始构件上沿径向生长。
MCVD和PCVD方法使用高纯度石英管。该石英管必须预先制造，并且，这里使用的源材料是昂贵的。这样，生产烟灰预制棒的成本提高。在MCVD和PCVD方法中，使用了包覆(over-clad)具有高纯度的石英管的方法来增大制得的光纤预制棒的直径。然而，难以制造具有大直径的光纤预制棒。包覆方法进一步增加了制造光纤预制棒的成本。另外，难以使用包覆方法制造低水峰光纤，因为对于波长为1383nm的光，该方法与其他方法相比具有较高的OH基吸收损耗。
在VAD方法中，可以制造具有出色质量和低成本的低水峰光纤。然而，用VAD制得的烟灰预制棒具有低的平均密度。因此，当烟灰预制棒的直径增大时，整体强度下降，并且烟灰预制棒更加脆弱。
在OVD方法中，在烟灰预制棒芯部中的水分对关于波长为1383nm的光的OH基吸收损耗有很大影响。从烟灰预制棒的芯部去除水分是困难的，从而使得难以稳定地制造低水峰光纤。但是，跟用VAD方法生产的烟灰预制棒相比，用OVD方法制得的烟灰预制棒具有较高的平均密度。
在制造光纤预制棒的传统方法中，去除烟灰预制棒中的水分是困难的。而且，烟灰预制棒的破损频繁发生，从而使得难以稳定地大量生产低水峰光纤。
发明内容
因此，作出本发明以解决出现在现有技术中的上述问题。本发明的一个目的在于提供一种制造光纤预制棒的方法和使用该光纤预制棒制造光纤的方法，上述方法能够有效地脱去烟灰预制棒中的水分，并将烟灰预制棒的破损减到最少。
根据本发明的原理，提供了一种制造光纤预制棒的方法。所述方法包括步骤：(a)通过烟灰沉积，在起始构件上生长第一烟灰预制棒；(b)使第一烟灰预制棒脱水；以及(c)烧结脱水的第一烟灰预制棒，以获得玻璃化的第一光纤预制棒，其中，第一烟灰预制棒的平均密度基本在0.19～0.30g/cc的范围内。
根据本发明的另一实施例，提供了一种制造光纤预制棒的方法，所述方法包括步骤：根据气相轴向沉积方法、通过烟灰沉积，在起始构件上生长第一烟灰预制棒；使第一烟灰预制棒脱水；烧结脱水的第一烟灰预制棒，以获得玻璃化的第一光纤预制棒；根据外部气相沉积方法、通过烟灰沉积在第一光纤预制棒上生长包覆烟灰层，以获得第二烟灰预制棒；以及烧结第二烟灰预制棒，以获得玻璃化的第二光纤预制棒，其中，第一烟灰预制棒的平均密度基本在0.19～0.30g/cc的范围内，且包覆烟灰层的平均密度基本在0.5～0.75g/cc的范围内。
根据本发明的另一实施例，提供了一种制造光纤的方法，所述方法包括步骤：(a)根据气相轴向沉积方法、通过烟灰沉积，在起始构件上生长第一烟灰预制棒；(b)使第一烟灰预制棒脱水；(c)烧结脱水的第一烟灰预制棒，以获得玻璃化的第一光纤预制棒；(e)根据外部气向沉积方法、通过烟灰沉积，在第一光纤预制棒上生长包覆烟灰层，以便获得第二烟灰预制棒；(f)烧结第二烟灰预制棒，以获得玻璃化的第二光纤预制棒；以及(g)加热和熔化第二光纤预制棒的端部，同时拉制光纤，其中，第一烟灰预制棒的平均密度基本在0.19～0.30g/cc的范围内，且包覆烟灰层的平均密度基本在0.5～0.75g/cc的范围内。
附图说明
本发明从随后结合附图的详细叙述中将更加明显，在附图中：
图1是流程图，图示出根据本发明优选实施例的制造光纤预制棒的方法；
图2是图示出生长第一烟灰预制棒的步骤的视图；
图3是图示出使第一烟灰预制棒脱水的步骤的视图；
图4是图示出烧结脱水的第一烟灰预制棒的步骤的视图；
图5是图示出拉长第一光纤预制棒的步骤的视图；
图6是图示出生长包覆烟灰层的步骤的视图；
图7是图示出烧结第二烟灰预制棒的步骤的视图；
图8是图示出拉制光纤的步骤的视图；
图9是图示出依赖于第一烟灰预制棒的平均密度的第一光纤预制棒的破损频率和光纤损耗的图；
图10是图示出依赖于包覆层平均密度的第二光纤预制棒的破损频率和外部裂纹的图；以及
图11是图示出光纤的谱损耗的图，其中所述光纤由满足最佳平均密度条件的第二光纤预制棒拉制而成。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施例。为了清楚和简单起见，略去对并入此处的公知功能和构造的详细叙述，以避免使本发明的主题不清楚。
图1是流程图，图示出根据本发明优选实施例的制造光纤预制棒的方法。图2至7是图示出制造光纤预制棒的步骤的视图。这种制造光纤预制棒的方法包括步骤(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)S1～S6。
步骤(a)S1是通过烟灰沉积在起始构件上生长第一烟灰预制棒的工艺。
图2是图示出生长第一烟灰预制棒的步骤的视图。如图2中所示，用于制造第一烟灰预制棒的装置100包括：沉积腔130；以及第一、第二燃烧器140和150。
沉积腔130具有带有内部空间的圆柱形状，并且，沉积腔130包括在其一侧处的排出口135以及安装在其另一侧处的第一、第二燃烧器140和150。
在步骤(a)S1之前准备起始构件的步骤中，起始构件110被安装在沉积腔130内。第一烟灰预制棒120a从起始构件110的端部开始生长。第一烟灰预制棒120a包括：芯部122和包层124。芯部122具有相对较高的折射率。包围芯部122的包层124具有相对较低的折射率。在烟灰沉积的早期阶段，通过使用第二燃烧器150将烟灰沉积在起始构件110的端部上，以便形成球。当烟灰被连续沉积、直到该球具有期望尺寸的时候，通过使用第一、第二燃烧器140和150，芯部122和包层124同时形成在该球上。如果第一烟灰预制棒120a直接在起始构件110的端部上生长而没有产生球，第一烟灰预制棒120a的重量可导致第一烟灰预制棒120a与起始构件110分离，或者可能在其上形成裂纹。在烟灰沉积期间，起始构件110转动并向上移动。起始构件110绕其中心轴线112转动，以允许第一烟灰预制棒120a具有旋转对称性。而且，起始构件110沿其中心轴线112向上移动，从而使得第一烟灰预制棒120a连续向下生长。第一烟灰预制棒120a在起始构件110的中心轴线112上的生长方向被称作“向下”，而相反方向被称作“向上”。
第一燃烧器140相对于起始构件110的中心轴线112以锐角倾斜，并且，第一燃烧器140向第一烟灰预制棒120a的端部喷射火焰，以便从第一烟灰预制棒120a的端部开始向下生长芯部122。提供源材料Sr、包括氢的燃料气体GF、和包括氧的氧化气体GO给第一燃烧器140。源材料Sr包括：玻璃形成材料，如SiCl4；以及折射率控制材料，如GeCl4、POCl3或BCl3。源材料Sr通过在从第一燃烧器140喷射的火焰中水解而被溶解、从而形成烟灰。然后，所产生的烟灰被沉积在第一烟灰预制棒120a的芯部122上。
涉及SiO2和GeO2的水解作用用以下化学式(1)和(2)表示，其中，SiO2和GeO2是构成烟灰的主要氧化物。
SiCl4+2H2+O2-＞SiO2+4HCl (1)
GeCl4+2H2O-＞GeO2+4HCl (2)
第二燃烧器150被布置在第一燃烧器140的上方并与第一燃烧器140隔开。第二燃烧器150的中心轴线相对于起始构件110的中心轴线112以锐角倾斜。第二燃烧器150向芯部122的外周表面喷射火焰，从而在芯部122的外周表面上生长包层124。提供源材料S1、包括氢的燃料气体GF、和包括氧的氧化气体GO给第二燃烧器150。源材料S1包括：玻璃形成材料，如SiCl4；以及添加材料，如CF4或C2F6。源材料S1通过在从第二燃烧器150喷射的火焰中水解而被溶解、从而产生烟灰。所产生的烟灰被沉积在第一烟灰预制棒120a的包层124上。
供应给第一燃烧器140的源材料Sr和供应给第二燃烧器150的源材料S1的数量和种类被不同地/分别地控制。以这种方式，芯部122的折射率比包层124的折射率高。例如，锗和磷增大折射率，而硼降低折射率。在第一、第二燃烧器140和150所产生的烟灰中，未沉积在第一烟灰预制棒120a上的残余烟灰通过沉积腔130的排出口135排到外部。
第一烟灰预制棒120a的平均密度被基本保持在0.19～0.30g/cc的范围内，优选基本在0.20～0.26g/cc的范围内。通过用第一烟灰预制棒120a的体积去除第一烟灰预制棒120a的重量来获得第一烟灰预制棒120a的平均密度。
步骤(b)S2是使第一烟灰预制棒120a脱水的工艺。特别是，存在于第一烟灰预制棒120a内的水分和OH基被去除。
图3是图示出使第一烟灰预制棒120a脱水的步骤的视图。如图3中所示，炉子200包括：加热器210，加热器210布置在炉子200的壁上；以及入口220，入口220被设置至炉子200的下部。
在步骤(b)S2之前准备第一烟灰预制棒120a的步骤中，第一烟灰预制棒120a被布置在炉子200内。氯气(Cl2)和氦气(He)通过入口220被供应到炉子200的内部。加热器210的温度被保持在1100～1200℃。具体地说，第一烟灰预制棒120a在氯气氛围下被加热至1100～1200℃的温度并被脱水。
步骤(c)S3是烧结脱水的第一烟灰预制棒120a的工艺，以获得玻璃化的第一光纤预制棒。
图4是图示出利用图3中所示的炉子200烧结脱水的第一烟灰预制棒120a的步骤的视图。在脱水的第一烟灰预制棒120a被布置在炉子200内的状态下，氦气(He)通过入口220被供应到炉子200的内部。然后，加热器210的温度被保持在1450～1600℃。脱水的第一烟灰预制棒120a被向下移动，以便脱水的第一烟灰预制棒120a通过加热器210在炉子200内形成的高温区域(从其下端部至其上端部)。因此，能够获得玻璃化的第一光纤预制棒120b。具体地说，通过烧结工艺，第一不透明烟灰预制棒120a被转变成第一透明光纤预制棒120b。由于氦气具有高的导热性，故可以均匀地将热传递到第一烟灰预制棒120a的内部。
步骤(d)S4是拉长第一光纤预制棒120b的工艺。具体地说，为了减小第一光纤预制棒120b的直径并延长第一光纤预制棒120b的长度，第一光纤预制棒120b被拉长。考虑到生成的光纤的芯部对包层的比，第一光纤预制棒120b被拉长至具有期望直径。
图5是图示出拉长第一光纤预制棒120b的步骤的视图。使用加热器310加热第一光纤预制棒120b。当第一光纤预制棒120b通过加热而被软化时，能够以期望的长度和直径拉长第一光纤预制棒120b。
此后，具有恒定直径的第一拉长光纤预制棒120c被切割成期望长度。模拟棒(dummy rod)被连接至第一切割光纤预制棒120c的一端。
步骤(e)S5是通过烟灰沉积在第一切割光纤预制棒120c上生长包覆烟灰层、以获得第二烟灰预制棒的工艺。
图6是图示出生长包覆烟灰层的工艺的视图。如图6中所示，用于制造第二烟灰预制棒的装置400包括：沉积腔410和燃烧器420。在步骤(e)S5之前的准备步骤中，连接有模拟棒115的第一光纤预制棒120c被容纳在沉积腔410内。
沉积腔410具有带有内部空间的圆柱形状以及排出口415，其中，排出口415形成在沉积腔410的一侧处。燃烧器420与排出口415对齐。第一光纤预制棒120c布置在燃烧器420和排出口之间。通过在第一光纤预制棒120c的外周表面上进行烟灰沉积来沿径向生长包覆烟灰层126。在烟灰沉积期间，第一光纤预制棒120c转动。第一光纤预制棒120c绕其中心轴线117转动，从而第二烟灰预制棒125a具有旋转对称性。而且，第一光纤预制棒120c沿其中心轴线117反复地往复运动，从而获得第二烟灰预制棒125a。
提供源材料So、包括氢的燃料气体GF和包括氧的氧化气体GO给燃烧器420，其中源材料So是形成玻璃的材料。源材料So，例如SiCl4，通过在从燃烧器420喷射的火焰中水解而被溶解、以形成烟灰。然后，所产生的烟灰被沉积在第一光纤预制棒120c的外周表面上。在燃烧器420所产生的烟灰中，没有沉积在第一光纤预制棒120c的外周表面上的残余烟灰通过沉积腔410的排出口415排出。
可选地，燃烧器420而不是第一光纤预制棒120c可沿中心轴线117反复地往复运动。
包覆烟灰层126的平均密度优选基本保持在0.5～0.75g/cc的范围内。该范围促进第二烟灰预制棒125a的破损频率的降低，并提高由第二烟灰预制棒125a获得的第二光纤预制棒的外观质量。通过用包覆烟灰层的体积去除包覆烟灰层的重量来获得包覆烟灰层的平均密度。
步骤(f)S6是烧结第二烟灰预制棒125a并获得玻璃化的第二光纤预制棒的工艺。
图7是图示出使用如图4中所示的炉子200烧结第二烟灰预制棒125a的工艺的视图。在第二烟灰预制棒125a被容纳在炉子200中的状态下，氦气和氯气通过入口220被供应到炉子200的内部。加热器210的温度被保持在1450～1600℃之间。向下移动第二烟灰预制棒125a，从而使第二烟灰预制棒125a通过加热器210在炉子200中形成的高温区域(从其下端部至其上端部)。因此，能够获得玻璃化的第二光纤预制棒125b。具体地说，通过烧结工艺，第二不透明烟灰预制棒125a被转变成第二透明光纤预制棒125b。
此后，由以上方法制得的第二光纤预制棒125b通过下述工艺被拉制成光纤。第一烟灰预制棒120a的芯部122和包层124以及包覆烟灰层126分别对应于第二光纤预制棒的芯部、内包层和外包层。光纤的结构跟第二光纤预制棒125b的结构类似。
图8是图示出拉制光纤的步骤的视图。如图8中所示，拉制装置500包括：炉子510；冷却器520；涂布机(coater)530；紫外线硬化装置540；绞盘(capstan)550；以及卷轴560。
炉子510具有带有内部空间的圆柱形状。炉子510将布置在其中的第二光纤预制棒125b的端部加热至2200到2300℃并将其熔化。由第二光纤预制棒125b拉制的光纤128具有跟第二光纤预制棒125b类似的结构，但是其直径比第二光纤预制棒125b的直径小得多。为了防止炉子510的内部被氧化，允许惰性气体在炉子510内流动。
冷却器520冷却从炉子510拉出的、被加热的光纤128。
涂布机530将紫外线固化树脂涂敷在通过冷却器520的光纤128上。紫外线硬化装置540向紫外线固化树脂发出紫外线，以使紫外线固化树脂硬化。
绞盘550以预定力拉光纤128，并从第二光纤预制棒125b持续拉制光纤128。光纤128具有恒定的直径。
在通过绞盘550之后，光纤128被缠绕在卷轴560上。
图9是图示出依赖于第一烟灰预制棒平均密度的第一烟灰预制棒的破损频率和光纤损耗的图。图9示出了依赖于第一烟灰预制棒120a平均密度的用“■”来表示的第一烟灰预制棒120a的破损频率以及用“▲”来表示的光纤128的损耗分布。在图9中，第一烟灰预制棒120a的平均密度表示在横轴上。第一烟灰预制棒120a的破损频率表示在左纵轴上。光纤128关于波长为1383nm的光的OH基吸收损耗表示在右纵轴上。如图9中所示，当第一烟灰预制棒120a的平均密度小于0.19g/cc的时候，破损频率迅速地增大。这表明第一烟灰预制棒120a可被小的外部冲击容易地损坏。这是因为SiO2粒子的吸引力随着第一烟灰预制棒120a平均密度的降低而变弱。而且，在被加热的第一烟灰预制棒120a冷却期间由第一烟灰预制棒120a的收缩而施加至第一烟灰预制棒120a的应力可导致第一烟灰预制棒120a的破损。如图9中所示，可以了解，当第一烟灰预制棒120a的平均密度等于或大于0.20g/cc的时候，破损频率降低。另一方面，在第一烟灰预制棒120a的平均密度等于或大于30g/cc处，光纤128的OH基吸收损耗增大。
因此，第一烟灰预制棒120a平均密度的最佳范围为0.19～0.30g/cc，优选为0.20～0.26g/cc，在该最佳范围内，第一烟灰预制棒120a的破损频率和光纤128的OH基吸收损耗可同时降低。
图10是图示出依赖于包覆烟灰层平均密度的第二烟灰预制棒的破损频率和第二光纤预制棒的外部裂纹的图。图10示出用“■”来表示的第二烟灰预制棒125a的破损频率以及用“▲”来表示的形成在第二光纤预制棒125b上的外部裂纹数量。在图10中，包覆烟灰层126的平均密度表示在横轴上。第二烟灰预制棒125a的破损频率表示在左纵轴上。第二光纤预制棒125b的外部裂纹数量表示在右纵轴上。如图10中所示，当包覆层126的平均密度小于0.5g/cc的时候，第二烟灰预制棒125a的破损频率迅速地增大。而且，当包覆烟灰层126的平均密度超过0.75g/cc的时候，具有特定形状的晶体可形成在第二光纤预制棒125b上。这是因为，在包覆烟灰层126的生长期间，包覆层126的表面因为包覆烟灰层126的过热而变得不匀整。在烧结包覆层126期间，包覆层126的不匀整表面发展成为外部裂纹。如果外部裂纹的尺寸超过3mm，则在光纤128的拉制期间可引起对光纤128的损坏。
因此，包覆层126平均密度的最佳范围为0.5～0.75g/cc，优选为0.55～0.7g/cc。在该范围内，第二烟灰预制棒125a的破损频率和第二光纤预制棒125b的外部裂纹数量可同时降低。
图11是图示出光纤的谱损耗的图，该光纤由满足最佳平均密度条件的第二光纤预制棒拉制而成。如图11中所示，光纤128关于波长为1383nm的光的OH基吸收损耗为大约0.274dB/km。
在上述制造光纤预制棒的方法和使用该光纤预制棒制造光纤的方法中，根据本发明，保持了第一烟灰预制棒的最佳平均密度。这进而降低了第一烟灰预制棒的破损频率和光纤的OH基吸收损耗。因此，能够降低制造光纤预制棒的成本，提高光纤预制棒的质量，并稳定地大量生产低水峰光纤。而且，能够保持包覆烟灰层的最佳平均密度，从而减少了破损和外部裂纹，导致制造光纤预制棒的成本降低，并提高了光纤的质量。
尽管已经参照本发明的某一优选实施例示出和描述了本发明，然而，本领域技术人员将了解，可以在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精髓和范围的情况下，在其中作出形式和细节上的多种改动。例如，当提供具体范围的时候，本领域技术人员将了解，未基本处于这样的范围之内的范围可能只提供本发明的一些优点。
Claims (6)
1.一种制造光纤预制棒的方法，包括步骤：
(a)根据气相轴向沉积方法、通过烟灰沉积，在起始构件上生长第一烟灰预制棒；
(b)使第一烟灰预制棒脱水；
(c)烧结脱水的第一烟灰预制棒，以获得玻璃化的第一光纤预制棒；
(e)根据外部气相沉积方法、通过烟灰沉积，在第一光纤预制棒上生长包覆烟灰层，以获得第二烟灰预制棒；以及
(f)烧结第二烟灰预制棒，以便获得玻璃化的第二光纤预制棒，
其中，第一烟灰预制棒的平均密度基本在0.19～0.30g/cc的范围内，且包覆烟灰层的平均密度基本在0.5～0.75g/cc的范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其中，第一烟灰预制棒的平均密度基本在0.20～0.26g/cc的范围内。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤(d)在步骤(c)和步骤(e)之间拉长第一光纤预制棒，其中，步骤(e)关于拉长的第一光纤预制棒而被执行。
4.一种制造光纤的方法，所述方法包括步骤：
(a)根据气相轴向沉积方法、通过烟灰沉积，在起始构件上生长第一烟灰预制棒；
(b)使第一烟灰预制棒脱水；
(c)烧结脱水的第一烟灰预制棒，以获得玻璃化的第一光纤预制棒；
(e)根据外部气相沉积方法、通过烟灰沉积，在第一光纤预制棒上生长包覆烟灰层，以获得第二烟灰预制棒；
(f)烧结第二烟灰预制棒，以获得玻璃化的第二光纤预制棒；以及
(g)加热和熔化第二光纤预制棒的端部，同时拉制光纤，
其中，第一烟灰预制棒的平均密度基本在0.19～0.30g/cc的范围内，且包覆烟灰层的平均密度基本在0.5～0.75g/cc的范围内。
5.如权利要求4所述的方法，其中，第一烟灰预制棒的平均密度基本在0.20～0.26g/cc的范围内。
6.如权利要求4所述的方法，进一步包括步骤(d)在步骤(c)和步骤(e)之间拉长第一光纤预制棒，其中，步骤(e)关于拉长的第一光纤预制棒而被执行。
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