CN104968622B - 制造用于具有低水峰的光纤的预制件的方法 - Google Patents

制造用于具有低水峰的光纤的预制件的方法 Download PDF

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Abstract

一种制造至少一个光纤预制件的方法，包括：提供多个局部多孔中间预制件，每个局部多孔中间预制件具有纵轴线并包括围绕相应玻璃芯部棒所形成的相应疏松体中间包壳层，所述玻璃芯部棒包括半径a的中心芯部区以及外半径b的内包壳区，从而定义了第一芯部‑包壳比a/b；固结所形成的疏松体中间包壳层，从而形成相应多个中间玻璃预制件，每个中间玻璃预制件包括外半径c的中间包壳区，从而定义了在0.20‑0.30之间的第二芯部‑包壳比a/c；以及通过围绕中间包壳区形成外包区来外包至少一个中间玻璃预制件，从而形成光纤玻璃预制件，其中固结步骤包括将多个中间预制件暴露给单个炉体的固结热区，同时使每个中间预制件绕各自的纵轴线转动。

Description

制造用于具有低水峰的光纤的预制件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造光纤预制件的方法及其设备，特别是一种制造具有低水峰的光传输光纤的预制件的方法。
相关技术
波分复用(WDM)技术和更新的密集波分复用(DWDM)技术促使光传输光纤制造商生产在透射光谱的宽频域内具有极小光学衰减的光纤。过去十年一直面对的一个具体问题是光纤在其制造过程中吸收存在于光纤的光学有效区域内的氢氧根(-OH)和/或H2O分子造成的衰减。在光纤预制件的制造过程中当光纤预制件暴露给各种来源的氢气时，能够形成-OH基团和水。氢氧根或水造成的污染导致1380nm处的直线衰减，在衰减光谱中可见一个峰值，一般被称为“水峰”。
获取待被拉伸为大约125μm典型直径的光纤的玻璃预制件的通常程序包括：制造固体玻璃芯部棒(也被称为芯部杆)的第一过程，以及通过合适的工艺(例如通过围绕芯部棒沉积疏松体，或者通过将芯部棒套入玻璃管中(管中棒RIT技术))给芯部棒添加外包壳的第二过程。
WO01/47822涉及一种制造在低水峰光纤的制造过程中使用的圆柱玻璃体的方法，该方法包括以下步骤：形成在光纤预制件的制造过程中使用的固结玻璃前体，所述前体包括所述预制件的至少一个局部芯部区；将所述玻璃前体暴露给氘气，然后在所述前体上形成附加的包壳，从而形成光纤预制件。所述前体是一种包括芯部区和至少一部分玻璃包壳区的玻璃芯部杆。在给芯部杆增加额外的外包疏松体之前，芯部杆被悬挂在炉内，并用足以防止已固结的玻璃芯部杆再潮湿的时间和温度进行氘气处理。
疏松体前体(尤其是采用外部气相沉积法(OVD)、气相轴向沉积法(VAD)制成时)典型地具有被近包壳区(也被称为内包壳区)所围绕的芯部区，所述近包壳区通常由纯二氧化硅制成。任选地，所述内包壳区包括一层或多层掺杂质的二氧化硅。所获得的前体被干燥并固结，从而形成芯部玻璃体。固结之后通常是拉伸，以缩小该玻璃体的直径，然后玻璃体被切割成多个芯部棒。或者，芯部棒也可以通过内部沉积工艺形成，比如改进化学气相沉积法或炉式化学气相沉积法(MCVD/FCVD)、或者等离子体化学气相沉积法(PCVD)。
经常用来表示所生产的光纤的成本和性能的参数是玻璃芯部棒的芯部-包壳比，a/b，其中a是芯部棒的芯部区的半径，b是围绕芯部区的内包壳区的外半径。a/b的值越大，制造过程的产量就越高，因为通过单个疏松体预制件能获得更多的芯部棒。
US2011/0023551公开了一种制造可用于成品光纤预制件的芯部棒段的方法。该方法据称允许增大包壳对芯部的比例，用D/d表示。所公开的方法包括将两个或多个芯部体件端对端轴向***玻璃柱内，从而限定了相邻的***芯部体件之间的接合部；将玻璃柱和所含的芯部体件竖直地安装在炉的区域内；加热炉内的玻璃柱和芯部体件，从而拉长该玻璃柱和包含在玻璃柱内的芯部体件；使拉长的柱收缩从而形成成品芯部棒；然后沿芯部棒长度在与所述相邻芯部体件之间的接合部重合的一个或多个位置处切割成品芯部棒，从而获得多个芯部棒段，一个或多个所述芯部棒段可用于光纤预制件的生产。所述芯部体件具有4或更小的D/d，而成品芯部棒以大于五的D/d比形成。
WO2012/010212描述了一种抗弯光纤，所述抗弯光纤具有芯部区和围绕芯部区的包壳区，并包括掺氟的含空穴环形层。在固结过程中完成掺氟，之后在预制件的芯部坯料上实现二氧化硅层的疏松体沉积。
尽管有时候RIT工艺因为不倾向于在芯部棒和外包壳之间的交界处引入氢污染而是优选的，但是相比RIT工艺，通过疏松体沉积而得到的直接外包能明显地减少制造成本。
通过火焰水解法(比如OVD)在芯部棒上形成包壳区通常是优选的，因为它允许从芯部棒相对快地生产疏松体光学预制件。
然后以干燥剂处理多孔疏松体预制件以去除水分，然后在炉内在高于玻璃化温度的温度下被固结(或烧结)成紧密玻璃预制件。
WO2010/059464描述了一种通过将疏松体预制件暴露给低于大气压的低压、同时将预制件暴露给足以使预制件完全固结成无孔预制件的温度，来在固结炉中固结含疏松体光纤预制件的方法。该文献提到了在同一个炉内通过多个预制件支撑件固结多个预制件，而不是单个预制件。
发明内容
发明人已经意识到，利用具有大芯部-包壳比的芯部棒通过执行中间包壳过程能够获得具有低水峰的光纤，其中形成具有小于第一芯部-包壳比的第二芯部-包壳比的中间玻璃预制件，然后完成所述包覆以形成光纤预制件。
通过形成厚度比光纤预制件的总包壳区域的厚度相对小的中间包壳区的方式来包覆芯部棒，这允许使用芯部-包壳比较大的芯部棒。
发明人已经发现，围绕芯部棒沉积(优选通过火焰水解法)相对少量的疏松体材料，然后固结所沉积的疏松体材料，然后再完成所述包壳的形成，这能制造出生产低水峰光纤所用的光纤预制件。
发明人已经发现，尽管总效率取决于芯部棒的a/b比，这对拉伸芯部预制件所获得的芯部棒来说继而又取决于从单个芯部预制件所获得的芯部棒的数量，但是为了所述芯部棒的完整包覆以及为了最终光纤预制件的形成需要两个固结过程。所以相对于通过在芯部棒上形成单个包覆层来获得最终预制件的工艺而言，完成光纤预制件的耗时可能明显增加。
发明人已经发现，通过一种以两阶段包覆工艺所生产的光纤预制件能获得具有低水峰的光纤，并且通过一种多个中间疏松体预制件被同时固结的方法能获得相对高的产能。
所述中间玻璃预制件具有0.20-0.30、优选0.20-0.25的芯部-包壳比。
所述芯部棒的芯部-包壳比(即a/b)在下面被称为第一芯部-包壳比，而所述中间玻璃预制件的芯部-包壳比(a/c)被称为第二芯部-包壳比。
优选地，芯部棒具有大于或等于0.34、更优选地大于或等于0.38的芯部-包壳比。根据部分优选实施例，芯部棒的芯部-包壳比小于或等于0.40。
根据本发明的一个方案，提供一种制造光纤预制件的方法，包括：
提供多个局部多孔中间预制件，每个局部多孔中间预制件具有纵轴线并分别包括围绕各自的玻璃芯部棒形成的相应疏松体中间包壳层，所述玻璃芯部棒包括半径a的中心芯部区以及外半径b的内包壳区，从而定义了第一芯部-包壳比a/b；
固结所形成的疏松体中间包壳层，从而形成相应多个中间玻璃预制件，所述多个中间玻璃预制件中的每个均包括外半径c的中间包壳区，从而定义了在0.20-0.30之间的第二芯部-包壳比a/c；以及
通过围绕中间包壳区形成外包区来外包至少一个中间玻璃预制件，从而形成光纤玻璃预制件，
其中，所述固结包括将所述多个中间预制件暴露给单个炉体的固结热区，同时使每个中间预制件绕其各自的纵轴线转动。
优选地，所述炉体包括沿炉的纵向延伸的竖直定向的马弗炉，所述固结热区是竖直热区。
优选地，每个玻璃芯部棒具有外表面，疏松体中间包壳层是沉积在相应的玻璃芯部棒外表面上的二氧化硅疏松体层。
在部分优选实施例中，所述方法包括：在固结之前，
–将所述多个局部多孔中间预制件操作地连接到被包括在支撑结构中的相应多个保持轴，支撑结构包括支撑构件，每个保持轴可旋转地接合支撑构件。
优选地，所述多个保持轴相对于驱动轴垂直进行布置，所述驱动轴通过从动机构将旋转传递给保持轴。
根据部分实施例，在固结之前，该方法还包括：将所述多个局部多孔中间预制件操作地连接到被包括在支撑结构中的相应多个保持轴，支撑结构包括驱动轴，驱动轴通过旋转传递机构将旋转传递给保持轴。优选地，旋转传递机构通过从动机构将来自驱动轴的旋转传递给保持轴。优选地，支撑结构包括支撑构件，每个保持轴可旋转地接合到支撑构件。
优选地，保持轴是围绕驱动轴同心设置的齿轮轴。优选地，保持轴与相应的从齿轮互锁，所述从齿轮啮合与驱动轴互锁的主齿轮。
优选地，炉体被竖直地定向，并且所述固结包括相对于固结热区沿炉的纵向同时移动所述多个中间预制件。优选地，炉的固结热区被保持在从1400℃-1600℃之间的温度。
在部分实施例中，暴露给固结热区包括将所述多个多孔中间预制件同时下降到炉体的固结热区内，其中局部多孔预制件被玻璃化成多个玻璃中间预制件。
在部分优选实施例中，所述方法还包括：在固结之前，干燥所述多个中间预制件，其中所述干燥包括将所述多个中间预制件暴露给炉的脱水热区，同时使每个中间预制件围绕自身纵轴线旋转。优选地，炉体沿炉纵向被竖直定向，并且脱水热区被定位在炉体的第一纵向段，第一纵向段位于与所述固结热区对应的第二纵向段的上方。
优选地，在固结期间，旋转每个中间预制件包括以相等的转速均匀地转动中间预制件。
在部分优选实施例中，提供多个局部多孔中间预制件包括：
–提供相应多个玻璃芯部棒，每个玻璃芯部棒具有第一芯部-包壳比a/b，以及
–通过火焰水解工艺围绕每个玻璃芯部棒沉积疏松体材料，从而形成包围内包壳区的疏松体中间包壳层。
优选地，每个玻璃芯部棒具有外表面，并且勇于形成中间包壳层的疏松体材料是沉积在相应玻璃芯部棒外表面上的二氧化硅疏松体。优选地，疏松体材料是纯二氧化硅疏松体。优选地，火焰水解沉积法是外部气相沉积法。
在部分优选实施例中，外包中间玻璃预制件包括：
围绕中间玻璃预制件通过火焰水解法沉积疏松体材料，从而形成疏松体外包层，以及
固结所述疏松体外包层，从而形成光纤预制件。
优选地，用于形成外包层的疏松体材料是二氧化硅疏松体，更优选地由纯二氧化硅制成。优选地，火焰水解沉积法是外部气相沉积法。
根据本发明的另一个方案涉及一种将多个局部多孔预制件固结成相应多个玻璃预制件以用于制造至少一个光纤预制件的设备，该设备包括：
–包括竖直定向的马弗炉的炉体，所述马弗炉被配置成沿竖直方向容纳多个局部多孔预制件，所述炉体被热耦合到固结加热器，从而加热马弗炉的竖直固结热区；
–支撑结构，所述支撑结构被配置成沿竖直方向支撑所述多个局部多孔预制件，并包括驱动轴；
–竖直驱动装置，所述竖直驱动装置***作地连接到支撑结构，且被设计为竖直地移动支撑结构从而使预制件下降通过炉体的固结热区，且被设计为使驱动轴转动，
其中，支撑结构包括：被配置成操作地连接到所述多个预制件的多个保持轴，以及通过从动机构将来自驱动轴的旋转传递给保持轴的旋转传递机构。
优选地，旋转传递机构包括与驱动轴互锁的主齿轮和多个从齿轮，每个从齿轮均与所述多个保持轴的相应保持轴互锁并与主齿轮啮合，从而驱动轴的旋转被传递给保持轴。
优选地，支撑结构还包括支撑构件，驱动轴和所述多个保持轴被可旋转地接合到支撑构件。
由根据本发明部分实施例的方法制成的光纤预制件所获得的光纤展现出在1383nm处小于0.30dB/km的衰减。
附图说明
将在下面参考附图更详细地描述本发明，其中本发明的部分而不是全部实施例被示出。展示实施例的附图不是等比例示意图。
对于说明书和后附权利要求，除了另有说明，所有表示数量、数目、百分比等等的数字在所有情况下都被理解为被术语“大约”所修饰。同样，所有的范围都包括被公开的最大值和最小值，还包括可能被具体列出或者可能没被具体列出的位于该范围内的任何中间范围。
图1是具有第一芯部-包壳比a/b的玻璃芯部棒的剖视示意图。
图2是具有第二芯部-包壳比a/c的中间玻璃预制件的剖视示意图。
图3是示意地表示根据本发明实施例的制造光纤预制件的方法的主要步骤的流程图。
图4a是示出多个预制件围绕共同轴线转动的示意平面图。
图4b是示出多个预制件围绕各自轴线转动的示意平面图。
图5是根据本发明实施例的用于固结多个中间疏松体预制件的设备的侧视图，其中有些部件以剖视的方式被示出从而更好地突出该设备的部分细节。
图6是根据本发明实施例的支撑结构的剖视图。
图7示出了图6支撑结构的分解图，其中为了更明晰支撑结构的外壳被省略。
图8是图6的支撑结构的平面图，示出了主齿轮和从齿轮之间的啮合。
图9是光纤玻璃预制件的剖视示意图。
具体实施方式
根据本发明的方法所获得的光纤预制件优选被用于制造适合光传输***的单模光纤。
根据本发明的部分优选实施例，所述方法将生产单模光纤的光纤预制件，所述单模光纤具有在1310nm处8.6至9.5μm(制造公差为±0.6μm)的模场直径(MFD)，从而满足某些单模光传输(比如G.652)的通用标准ITU-T的规定。更优选地，光纤预制件将生产具有9.0±0.6μm模场直径(MFD)的单模光纤。
在根据本发明的制造光纤预制件的方法中，以及根据部分优选实施例，提供固体玻璃芯部棒，其中，芯部棒包括中心芯部区和包围该芯部区的内包壳区。
图1是玻璃芯部棒1的剖视示意图，其包括半径a的中心芯部区2和外半径b的包围的内包壳区3。在一个实施例中，内包壳区3包围芯部区2并接触芯部区2。
玻璃芯部棒1较大的芯部-包壳比(a/b)将在制造效率和产量方面提供优势。但是，发明人在实验上已经观察到，如果以OVD直接疏松体外包方式来完成，则由具有大于0.34的a/b的OVD芯部棒制成的光纤在1380-1383nm处具有大于0.34dB/km的光学衰减，该数值与单模传输的部分ITU-T推荐不适应。
发明人已经意识到，能通过采用多阶段包壳工艺从具有较大第一芯部-包壳比的芯部棒获得具有低水峰的光纤，其中在第一阶段中形成具有小于所述第一芯部-包壳比的第二芯部-包壳比的中间玻璃预制件，第二阶段完成所述外包从而形成光纤预制件。中间玻璃预制件包括包围芯部棒内包壳区的中间包壳区。通过形成厚度比光纤预制件的总包壳区的厚度相对小的中间包壳区的方式来包覆芯部棒，这允许使用具有相对较大的芯部-包壳比的芯部棒。
参见图1，所述芯部棒优选具有大于或等于0.34的第一芯部-包壳比a/b，优选大于0.38。优选地，a/b小于或等于0.4。在部分优选实施例中，a/b从0.34-0.4。
优选地，中间包壳层的径向厚度被选择为获得在0.20-0.30之间的第二芯部-包壳比a/c，其中c是中间包壳区的外半径，更优选地a/c在0.20-0.25之间。
小于0.20的第二芯部-包壳比可能表现出围绕芯部棒形成过厚疏松体层的缺点，即在芯部棒的外表面附近明显存在水污染。
在部分实施例中，不大于0.25的a/c比可以减少光纤生产对环境的影响，因为在最终光学预制件的形成中，可以缩短或者在某些情况下省略外包疏松体的脱水过程，和/或通过允许更高的沉积率(例如通过使用多于一个的燃烧器)，能够提高外包疏松体区的沉积过程的效率。
优选地，玻璃芯部棒由二氧化硅基材料制成。优选地，芯部区具有相比二氧化硅的折射率为正的相对折射率，且优选由掺入了用于增加折射率的掺杂元素(比如锗)的二氧化硅制成，从而形成相比纯二氧化硅具有正折射率的阶跃折射率分布。应当明白，具有阶跃分布、圆角阶跃分布、阿尔法分布的芯部区的玻璃芯部棒或者由具有正的相对折射率的多个分区构成的芯部区的玻璃芯部棒都将包括在本发明的范围内。在部分实施例中，所述芯部分布可以表现为被相对正的折射率的区域所包围的中央下沉(dip)。
在部分实施例中，芯部分布被选择为获得一种在1310nm处具有9.0±0.6μm模场直径(MFD)的光纤。
内包壳区具有比中心芯部区低的折射率，且优选由非刻意掺杂的二氧化硅制成，所述非刻意掺杂的二氧化硅在本说明书和权利要求中被称为纯二氧化硅。
在一个实施例中，通过采用火焰水解沉积法(优选OVD法)所形成的疏松体预制件获得玻璃芯部棒，然后烧结该预制件以形成固态玻璃芯部棒。其他的火焰水解法能被用于形成所述芯部棒，比如气相轴向沉积(VAD)。
在另一个实施例中，玻璃芯部棒通过内部气相沉积法获得，优选一种选自以下的方法：改进化学气相沉积法(MCVD)、炉式化学气相沉积法(FCVD)、以及等离子体增强化学气相沉积法(PCVD)。
图2是中间玻璃预制件10的剖视示意图，其包括半径a的中心芯部区11，外半径b的内包壳区12以及外半径c的中间包壳区13。
在优选实施例中，所述中间包壳区由纯二氧化硅制成。
优选地，所述中间包壳区包围并接触芯部棒的内包壳区。
通过在芯部棒上直接疏松体涂覆疏松体中间包壳层而制成所述中间包壳区。优选地，通过在芯部棒上的二氧化硅基疏松体的火焰水解工艺实现疏松体中间层的沉积。在一个实施例中，芯部棒被安装在OVD水平车床上，二氧化硅疏松体被沉积在作为标准OVD过程中的心轴的旋转芯部棒的外侧。
在部分优选实施例中，被沉积用于形成中间包壳区的疏松体材料占为了形成光纤预制件而用于包覆所述芯部棒所需的疏松体材料总量的大约5％到小于15％。发明人已经发现，先围绕芯部棒以火焰水解法沉积相对少量的疏松体材料、再将所沉积的疏松体材料固结，这制造出可获得低水峰光纤的光纤预制件。
不受任何理论和说明的限制，据认为，用于形成中间包壳区的少量疏松体包壳材料能从芯部棒的外表面有效地除去-OH杂质，和/或由于相对短的沉积过程而能够减少芯部棒最表层的(再)湿润。
在芯部棒上以疏松体沉积中间包壳层之后，中间疏松体预制件经历固结过程。局部多孔中间预制件的固结包括在固结炉中将该预制件暴露于高于疏松体材料的玻璃化温度的温度，从而将沉积的外部疏松体层转变为固体玻璃。优选地，局部多孔中间预制件的脱水或干燥步骤(其中所述预制件被暴露给含有干燥剂比如氯或氟的气氛)先于固结。
接下来，为了完成光纤预制件的制造，在中间玻璃预制件上形成外包区。优选地，通过在中间玻璃预制件的外周上沉积疏松体材料来形成疏松体外包层。所获得的局部多孔预制件经历固结过程从而形成用于光纤的玻璃预制件。
发明人已经观察到，尽管总效率取决于芯部棒的a/b比，这对于通过拉伸芯部预制件所得到的芯部棒而言又取决于由单个芯部预制件所得到的芯部棒的数量，但是为了完成芯部棒的包覆和形成最终光纤预制件，需要两个固结过程。因此相比通过在芯部棒上形成单个包覆部分而获得最终预制件的工艺而言，完成光纤预制件的耗时可能明显地增加。
发明人已经意识到，通过以两级包覆工艺所生产的光纤预制件能获得具有低水峰的光纤，并且通过同时固结多个中间疏松体预制件的方法能获得相对高的产能。
图3是示意性表示根据本发明的实施例制造光纤预制件的方法的主要步骤的流程图。在步骤31中，固结例如通过OVD、VAD或PCVD生产的疏松体芯部预制件36，从而形成玻璃芯部预制件，然后优选地进行拉伸。被拉伸的玻璃芯部预制件被切割成多个玻璃芯部棒37，例如图中的五个芯部棒，但是图中所示数量不是限制性的。疏松体中间包壳层被沉积在每个玻璃芯部棒上，从而获得多个局部多孔中间预制件38(步骤32)。所述多个局部多孔中间预制件在固结炉中同时进行处理，从而获得多个玻璃中间预制件(步骤33)。接下来，疏松体外包层被沉积在每个玻璃中间预制件上，从而分别形成局部多孔预制件(步骤34)，然后被固结(步骤35)以形成玻璃光纤预制件40。然后所述玻璃光纤预制件被安装在拉丝塔上并被拉丝以获得光纤。
通过OVD所得到的典型疏松体芯部预制件可能具有例如200mm的外直径。在固结和任选地拉伸疏松体芯部预制件之后，具有0.34的a/b值的玻璃芯部棒的所述直径可能表现为从15mm起的典型值。为了获得0.20-0.30之间的a/c，用于形成疏松体中间层而在玻璃芯部棒上沉积疏松体材料，这将所述直径增大到例如可能在大约25-50mm范围内的值。
申请人已经发现，如果在步骤33中同时固结至少三个中间预制件，那么从提供玻璃芯部棒到分别形成光纤预制件的所述制造过程的产能与使用单级包覆和标准固结由玻璃芯部棒形成最终预制件的产能相当。
在固结期间单个疏松体预制件大致围绕自身的轴线转动，从而实现均一的热处理。为了同时处理多个中间预制件，发明人已经提出了如图4a所示的一种支撑结构，所述支撑结构具有绕纵向主轴线转动的主轴，并被配置成使多个中间预制件绕相同轴线(即所述主轴线)转动。
图4a是示出了多个绕共同轴线Z转动的中间预制件21,22,23的局部平面示意图，所述中间预制件21,22,23在例中是彼此间隔120°设置的三个。例如，中间预制件不可移动，但可拆卸地固定到围绕Z转动的共同水平板20上。发明人已经采用图4a中所示类型的旋转机构试验过脱水和固结过程，并且发现在固化阶段的最后，中间预制件明显地弯曲。由弯曲的中间预制件所形成的光纤预制件产生出具有不可接受的较大芯部-包壳同心度的光纤。中间预制件的弯曲被认为是由预制件所经历的不均匀温度场所导致的。
发明人已经明白，每个中间预制件都需要绕其自身的纵轴线转动，以使其所有侧面都均一地面对炉的内表面。在图4b中给出示出了多个中间预制件21,22,23绕其自身的轴线转动的局部平面示意图。中间预制件能可转动地被固定在共同水平板20上。
图5是根据本发明实施例用于多个中间疏松体预制件的固结设备的侧视图，其中有些部件以剖视图的形式被示出从而更好地突出该设备的某些细节。多个局部多孔中间预制件51(图中可见三个)在脱水固结炉设备41中进行处理(以局部横向剖视图的形式示出)。局部多孔中间预制件分别具有纵轴线。炉组件包括炉体42，所述炉体被配置成容纳细长的预制件且具有供应运载气体的气体入口开口48，该气体从出口43排出。炉体42沿炉的纵向延伸，并被竖直定向成使得炉纵轴线平行于向下进料方向，以用于预制件沿炉体平移运动。炉体优选是具有内表面的竖直马弗炉，更优选是圆柱形的。
由连接到和/或互锁到相应支撑杆52下端的相应支撑柄53来悬挂每个局部多孔中间预制件51，例如接合预制件的柄部55的钩挂柄，该预制件的柄部被附接到预制件的一端或作为预制件的一体部件。多个支撑杆52通过作为主炉体封盖的顶盖42上的孔54分别进入炉体的空腔，从而如图所示当完全***预制件后，所述顶盖42防止气体和热量从炉主体的顶部泄漏。在图5的炉的剖视图中仅可见两个孔54。每个支撑杆52的上端***作地连接到支撑结构58，支撑结构将在图6和7中根据优选实施例详细描述。
常规的竖直驱动装置或向下进料***50***作地连接到支撑结构60，并使支撑结构58顺着炉体平移运动(上和下，如图5中箭头56所指)，例如通过引导器和平移传递机构。来自安装在竖直驱动装置上的电机的围绕平行于向下进料方向的纵轴线的旋转被传递给包含在支撑结构中的多个保持轴57，保持轴操作地连接到连接杆52，例如每个保持轴与相应的连接杆可拆卸地互锁。旋转运动从旋转的保持轴57被传递给中间预制件51。
图6是根据本发明实施例的图5中所示支撑结构60的剖视图。图7示出了支撑结构的分解图，此时该结构的外壳被简省以提高清晰度。支撑结构60包括具有上部63的外壳62，该上部被配置以通过常规方式接合竖直驱动装置。例如，以一种本身公知的方式，外壳的所述上部63通过互锁配合(未示出)接合竖直驱动装置的平移引导器，从而提供支撑结构和中间预制件的平移。支撑结构具有驱动轴64，所述驱动轴为了绕纵轴线65转动而被连接到包括在竖直驱动装置中的旋转机构，这本身是公知的(竖直驱动装置在图6和7中未示出)。在图6和7的实施例中，驱动轴由两个互锁的轴部分64a和64b构成。但是，所示的驱动轴结构不应当以任何限制性的方式解读。上轴部分64a被配置以接合竖直驱动装置的旋转机构，例如电机驱动竖直驱动装置的平移引导器的旋转，然后旋转被赋予驱动轴64。驱动轴64的下端(即轴部分64b的下端)被互锁到主齿轮68，主齿轮能绕驱动轴的轴线65旋转。优选地，驱动轴的轴线对应于支撑结构60的平移运动和预制件沿炉体的向下进料方向。
主齿轮68与绕驱动轴64周向布置的多个带齿轮的保持轴69a，69b，……，69f啮合。每个保持轴与各自的从齿轮或带齿轮部73a，73b，……，73f分别互锁，所述从齿轮或带齿轮部被布置在所述保持轴的上部或中部，以使得各保持轴的下部72a，……，72f在各从齿轮下方延伸。每个保持轴的下部作为连接杆接合中间预制件的柄部(图6和7中未示出)的连接部，从而每个保持轴***作地连接到各中间预制件。例如，每个从齿轮被直接安装在各自的轴上，或者从齿轮是保持轴的一体部件。保持轴下部和各自连接杆之间的机械连接是常规式的连接，例如通过设置在保持轴上的和连接杆上的连接元件(例如机械关节或卡盘)，并且是可拆卸式的。
主齿轮具有与每个从齿轮的齿啮合的切齿。在图6和7的实施例中，保持轴的数量是六个，该数量不被解释为限制性的。
驱动轴的下部分64b被可旋转地接合到上支撑板66和下支撑板67，以使得所述主齿轮被固定在两板之间，所述板相对于驱动轴是水平的。在该实施例中，每个上支撑板66和下支撑板67均具有各自的中心安装孔，驱动轴64(下部64b)***穿过所述中心安装孔，并且通过接触驱动轴外表面的各球轴承75和76分别接合支撑板(图6中可见)。
保持轴被可旋转地接合到下支撑板67。为此在该实施例中，下支撑板还具有多个周向安装孔77a，77b，……，77f(图7中可见)，各保持轴的下部72a，……，72f***穿过所述多个周向安装孔，且被球轴承(图中未示出)分别可旋转地接合。优选地，保持轴也被可旋转地接合到上支撑板66，所述上支撑板具有与下支撑板67的周向安装孔对齐的多个周向安装孔。具体地，保持轴通过其在从齿轮以上的各上端接合到上支撑板。
主齿轮和从齿轮通过使支撑板彼此固定的固定元件(比如螺丝71)被共轴地固定在上支撑板66和下支撑板67之间。上下支撑板通过多个隔件70被隔开。上下支撑板形成被包含在支撑结构中用于所述保持轴和所述驱动轴的支撑构件。
主齿轮将驱动轴的旋转运动传递给多个从齿轮中的每个，从而使所有的保持轴绕平行于驱动轴的轴线65的轴线沿相同方向旋转，由于主齿轮和从齿轮之间的啮合，从齿轮的旋转方向与驱动轴的旋转方向相反。带齿轮的保持轴69a的轴线74在图6中以指示所述旋转方向的箭头表示。
在图8中更详细地示出主齿轮和从齿轮之间的啮合，图8是图6沿A-A线的平视图。每个从齿轮73a，……，73f与主齿轮68啮合，且不接触其余的从齿轮。
在优选实施例中，从齿轮具有相同的齿数或相同的外直径，从而使主齿轮赋予每个从齿轮相同的转速。
参见图5，所示实施例的炉组件是一种脱水/固结炉，并包括炉体和第一加热器44，所述第一加热器被设置在炉体42的外表面附近以在给定温度下或温度范围内加热炉体内表面。例如，第一加热器42具有环形，并被附接到构成炉体的圆柱马弗管的外周。第一加热器限定了在图中以虚线示出的脱水热区45，为了给中间预制件的多孔层脱水，所述脱水热区典型地而不唯一处于接近1100℃的温度下。第一加热器顺着炉的纵向延伸，且被定位在炉体41的第一纵向段上。
多个中间预制件51被同时***炉体，并被逐渐下降穿过脱水热区45。在干燥过程期间，多个中间预制件中的每个绕自身的轴线旋转，并且一种或多种干燥气体(比如Cl2)被供应通过炉体的入口48。
在干燥之后，多个中间预制件51经历烧结或固结过程，其中所有中间预制件被逐渐下降穿过固结热区(在图中用虚线46表示)，所述固结热区通过第二加热器47保持在高于干燥热区的温度下，例如在1500℃附近。例如，第二加热器47具有环形，且被附接到圆柱马弗管的外周。
第二加热器顺着炉的纵向延伸，且被定位在炉体41的第二纵向段上，所述第二纵向段被定位在所述第一加热器46所围绕的所述第一纵向段的下方。所述预制件在固结热区46中以给定的速率被向下驱动，从而从头到尾彻底地固结所述预制件。通过穿过所述固结热区，径向地(且轴向地)收缩的每个局部多孔预制件被玻璃化，从而获得玻璃中间预制件。上述过程有时候被称为梯度固结。优选地，所述玻璃中间预制件具有优选在0.20-0.30之间，更优选在0.20-0.25之间的芯部-包壳比a/c。
在固结期间，多个中间预制件中的每个绕自身轴线旋转。通过该方式，每个中间预制件的外表面被均匀地暴露给炉体的热辐射内表面。优选地，预制件的转速在固结过程期间以及干燥过程期间(如果有的话)是恒定的。
应当明白，单个加热器能被用于干燥和固结所述中间预制件。在那种情况下，加热器被定位在炉的竖直上部，在脱水完成之后，该加热器被移到炉的下部，同时将温度增加到固结温度。
在另一个实施例中(图中未示出)，所述局部多孔中间预制件经历大体积固结，其中所述预制件被***炉体并相对炉体的竖直方向保持静止，同时热结合到炉体的加热器沿炉的竖直方向产生温度梯度。在大体积固结期间，每个预制件绕自身纵轴线旋转。
在之前图6-8的实施例中所描述的支撑结构被配置以容纳六个***作地连接到各中间预制件的旋转保持轴。明显地，该数字不以任何方式被理解为限制性的。例如，根据例如炉体的横截面大小和/或疏松体中间预制件的外直径，支撑结构能够包括小于或大于该数目的保持轴。
在部分实施例中，经历同时固结过程的局部多孔中间预制件具有的外直径被选择为与固结炉体的内直径几何适应，且优选被选择为产生第二芯部-包壳比在0.20-0.30之间的中间玻璃预制件。一般来说，局部多孔中间预制件的较大外直径允许在具有给定内直径的单个炉内***较少数量的中间预制件，该内直径通常不超过300mm以保证固结热区内的均匀加热。具有马弗炉体的炉通常要求在马弗炉的受热内表面的360°方向上产生均匀加热。
例如，从具有15mm外直径和a/b＝0.34的玻璃芯部棒开始，对于典型疏松体密度为大约0.5g/cm3的二氧化硅疏松体而言，局部多孔中间预制件的外直径在a/c＝0.25时是大约43mm，在a/c＝0.2时是53mm。具有200mm内直径的固结炉能同时容纳4-6个待固结的中间预制件。
根据部分优选实施例，用于固结多个中间预制件的炉组件是被用于固结单个预制件(比如通过单一包覆过程所获得的光纤预制件)的标准炉组件。
在所述局部多孔中间预制件的固结之后，在该中间玻璃预制件上形成外包区。优选地，通过以火焰水解法在中间玻璃预制件的外周上沉积疏松体材料形成疏松体外包层。优选地，通过OVD过程形成外包区，其中中间玻璃预制件被放置在水平车床上，二氧化硅疏松体的沉积发生在旋转预制件的外侧，直到围绕所述预制件积累所需数量的材料(这关系到外包区的厚度)为止。
当在中间玻璃预制件上形成所需厚度的疏松体外包层后，用于形成疏松体外包层的疏松体沉积被终止。所述疏松体外包层从中间玻璃预制件的交界处延伸到疏松体预制件的最***。优选地，所述外包区由纯二氧化硅制成。
优选地，中间包壳区和外包区都通过直接疏松体涂覆分别形成在芯部棒上和玻璃中间预制件上。
优选地，外包区通过火焰水解法形成。在部分优选实施例中，外包区通过OVD过程形成，其中中间玻璃预制件被放置在水平车床上，二氧化硅疏松体的沉积发生在旋转预制件的外侧，直到围绕所述预制件积累所需数量的材料(这关系到外包区的厚度)为止。
所得到的局部多孔预制件在炉内被烧结，所述炉是参考图5所描述类型的脱水固结炉。由于获得单模光纤的局部多孔光纤预制件的典型外直径，单个最终预制件通过操作地连接到竖直驱动装置的常规支撑结构被***炉体。固结产生了用于光纤的玻璃预制件。
在另一个实施例中，外包壳层可以通过APVD过程形成，其中精细的天然或人造二氧化硅颗粒被供入等离子体火焰中，并被热烧结到旋转中间玻璃预制件的外周上。
图9是用于光纤的玻璃预制件的剖视示意图。与图2中相同的附图标记表示相同的特征。外包壳区14围绕中间包壳区13。最终的芯部-包壳比a/d被选择为在拉丝之后获得具有满足单模传输规定的标准外直径(即大约125μm)的光纤。例如，a/d是大约0.08。
通过本发明的方法所获得且具有纯二氧化硅外包壳的多个玻璃光纤上的相对折射率分布的测量值(未示出)典型地示出在中间包壳区的外表面和外包区之间的交界处没有明显的中断，从而意味着这两个区的玻璃品质基本相同。
在形成用于光纤的玻璃预制件以后，按常见的做法，该玻璃光纤预制件以相对较低的速度被下降到拉丝塔中，该拉丝塔包括具有热区的炉，在所述热区，预制件在缩颈区以熔化温度(典型地，在2000℃-2200℃范围内的温度)被加热，缩颈区的玻璃发生软化且横截面积缩小到光纤所需的横截面积。从缩颈区的下末端形成光纤，所述光纤被机械装置夹住并被缠绕在一个或多个卷轴上。
示例
参照例1
通过以八甲基环四硅氧烷(OMCTS)(也被称为D4)为反应物的OVD过程，沉积大约11000克的二氧化硅疏松体，以在掺GeO2的二氧化硅玻璃芯部棒上形成疏松体外包壳层，且具有阶跃折射率分布。该玻璃芯部棒具有大约1.35米的长度、大约14.4mm的直径以及芯部-包壳比a/b＝0.343。通过使所述预制件在脱水固结炉的热区内在大约1100℃下、在15l/minHe+0.9l/minCl2的流速下保持大约120分钟，同时为保证轴向对称采用1圈/min的转速，将该局部多孔光纤预制件脱水。然后，通过在固结炉的1500℃热区中在与脱水过程中所用的气体流速相同的He+Cl2气氛中以7mm/min的向下进料率向下驱动该局部多孔预制件，同时以1圈/min的转速旋转该局部多孔预制件，烧结该疏松体外包壳层。
所述预制件然后在具有氮气的保持烘箱中在1000℃下被放置12h。
在标准拉丝塔上给该预制件拉丝。在拉丝期间所拉光纤的外直径被保持在125±1微米。测量被缠绕在各线轴上的多个光纤长度段的光学特性。在这里所描述的所有例子中，依照IEC 60793-1-45(2001-07)标准在1310nm波长下测量光纤的模场直径(MFD)。MFD的平均值是9.21μm，满足G.652标准。
通过使用PK 2200商业测量平台在多个光纤线轴上执行光谱衰减测量。所测得的平均衰减值是：
1310nm处的衰减＝0.329dB/km
1380nm处的衰减＝0.341dB/km
1550nm处的衰减＝0.191dB/km
例1
通过OVD过程(D4反应物)，将大约600克的二氧化硅疏松体沉积在掺GeO2的二氧化硅玻璃棒(大约1.35米长和大约14.4mm直径)上从而形成疏松体中间包壳层，所述二氧化硅玻璃芯部棒具有芯部阶跃折射率分布、二氧化硅内包壳a以及0.348的第一芯部-包壳比a/b。将所获得的局部多孔中间预制件悬挂到配置成保持单个预制件的常规支撑结构(图中未示出)上。然后将所述预制件***脱水固结炉，并在气体流动速率为15l/min He+0.9l/minCl2的He+Cl2气氛下在炉的第一热区中以大约1100℃保持脱水120分钟。在脱水过程中，以1圈/min的转速均匀地旋转所述中间预制件。然后，通过在与脱水过程中所用的相同的He+Cl2气氛中以7mm/min的向下进料速率在固结炉的1500℃第二热区中向下驱动该预制件，同时该预制件以1圈/min的转速旋转该预制件，烧结所述疏松体中间包壳层。然后在有氮气流动的保持烘箱中将该预制件在1000℃下放置12h。
所得到的中间玻璃预制件具有0.23的第二芯部-包壳比a/c。
通过OVD(D4反应物)在所述中间玻璃预制件上沉积大约10800克的二氧化硅疏松体形成疏松体外包壳层。外包壳层沉积后，在中间预制件的脱水/固结过程所使用的相同的He+Cl2气氛中干燥并烧结所述局部多孔预制件，并使用相同的过程参数执行。
烧结后的预制件在具有氮气的保持烘箱中在1000℃下放置12h，然后在标准拉丝塔上拉伸。所述光纤外直径被保持在125±1微米。测量被缠绕在各线轴上的多个光纤长度段的光学特性。所测得的光学特性的平均值是：
零波长色散＝1313nm
1310nm处的MFD＝9.41μm
成缆的截止波长＝1194nm
通过使用PK 2200商业测量平台在多个光纤线轴上执行光谱衰减测量。所测得的平均衰减值是：
1310nm处的衰减＝0.331dB/km
1380nm处的衰减＝0.290dB/km
1550nm处的衰减＝0.194dB/km
以a/b比接近参照例1的芯部棒开始使用双包壳工艺，这允许获得具有极低水贡献(water contribution)的光纤，如1380nm处光纤的低衰减值所示。
参照例2
通过以D4作为反应物的OVD过程，在各多个掺GeO2的二氧化硅玻璃芯部棒上沉积大约600克二氧化硅疏松体，来形成三个多孔中间预制件，所述掺GeO2的二氧化硅玻璃棒具有与例1相同的阶跃折射率分布和物理尺寸、以及在0.34-0.35范围内的第一芯部-包壳比a/b。
将三个局部多孔中间预制件悬挂在单轴支撑结构(图中未示出)上，该支撑结构具有可旋转地被连接到竖直驱动装置并被配置成绕相对于预制件成中心的轴线旋转的中心轴。为此，将中间预制件悬挂在与中心轴成一体的板的各保持位置上，并且经受轴的旋转运动。如图4a中所示的布置，以120°的角距离悬挂预制件。将局部多孔中间预制件***脱水/固结炉，并在与例1中所使用的基本相同的条件下依次经历脱水过程和固结过程。在干燥过程和固结过程期间，同时绕共同中心轴线并以1圈/min的转速均一地旋转中间预制件(如图4a所示)。
在固结过程的最后，所有三个玻璃中间预制件发生可见地弯曲，其弓曲度在每米中间预制件长度上大于10mm。
已证明，以外包壳覆盖的弯曲芯部棒生产出具有不可接受的高芯部-包壳同心度偏差的光纤。
例2
在大致相同的条件下通过OVD沉积与之前参照例2的相似数量的二氧化硅疏松体，来形成六个局部多孔中间预制件。与参照例2的不同的是，将多孔中间预制件分别悬挂各连接杆上，所述连接杆操作地连接到图6-8所描述类型的支撑结构。
将安装在所述支撑结构上的所述局部多孔中间预制件***脱水/固结炉，并在参照例1和2所描述的相同条件下经历脱水和固结过程。和参照例2不同的是，每个预制件以1圈/min绕自身纵轴线均一地旋转。
在固结过程的最后，所有六个玻璃中间预制件是基本笔直的，其弓曲度在1.0-1.5米长度的中间预制件上小于0.5mm。已知的是，所述预制件的小弯曲值能提供具有可接受的良好芯部-包壳同心度的光纤。
所获得的中间玻璃预制件具有小于0.30、特别是大约0.25的第二芯部-包壳比a/c。
通过与例1相同的外包壳层沉积条件和脱水/固结工艺，来完成制造每个中间玻璃预制件以生产光纤的制造过程，这预期能生产出与例1的光学特性相当的光纤，即在1380nm处具有低衰减、从而具有低水污染的光纤。

Claims (17)

1.一种制造光纤预制件的方法，包括：
–提供多个玻璃芯部棒，每个玻璃芯部棒均包括半径a的中心芯部区以及外半径b的内包壳区，从而定义了第一芯部-包壳比a/b；
-在每个玻璃芯部棒上以疏松体直接涂覆疏松体中间包壳层以形成相应的疏松体中间包壳层，从而提供多个局部多孔中间预制件；
-固结所形成的疏松体中间包壳层，从而形成相应多个中间玻璃预制件，所述多个中间玻璃预制件中的每个均包括外半径c的中间包壳区，从而定义了在0.20-0.30之间的第二芯部-包壳比a/c；以及
-通过围绕中间包壳区形成外包区来外包至少一个中间玻璃预制件，从而形成光纤玻璃预制件，
其中，所述固结包括将所述多个局部多孔中间预制件同时暴露给单个炉体的固结热区，同时使每个局部多孔中间预制件绕其相应的纵轴线转动。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在固结之前，
–将所述多个局部多孔中间预制件分别操作地连接到被包括在支撑结构中的相应多个保持轴，支撑结构包括支撑构件，每个保持轴可旋转地接合支撑构件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个保持轴相对于驱动轴周向进行布置，所述驱动轴通过从动机构将旋转传递给保持轴。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在固结之前，
-将所述多个局部多孔中间预制件操作地连接到被包括在支撑结构中的相应多个保持轴，支撑结构包括驱动轴，其中
保持轴是围绕驱动轴同心设置的带齿轮轴，驱动轴通过旋转传递机构将旋转传递给保持轴。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，保持轴与相应的从齿轮互锁，所述从齿轮啮合与驱动轴互锁的主齿轮。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，炉体被竖直地定向，并且所述固结包括相对于固结热区沿炉的纵向同时移动所述多个局部多孔中间预制件。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，旋转每个局部多孔中间预制件包括以相等的转速均匀地转动局部多孔中间预制件。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，提供多个局部多孔中间预制件包括：
–提供相应多个玻璃芯部棒，每个玻璃芯部棒具有第一芯部-包壳比a/b，以及
–通过火焰水解工艺围绕每个玻璃芯部棒沉积疏松体材料，从而形成包围内包壳区的疏松体中间包壳层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，围绕玻璃芯部棒沉积的疏松体材料是二氧化硅疏松体。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，火焰水解沉积工艺是外部气相沉积工艺。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，芯部-包壳比a/b小于或等于0.40。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，外包中间玻璃预制件包括：
-通过火焰水解工艺围绕中间玻璃预制件沉积疏松体材料，从而形成疏松体外包层，以及
–固结所述疏松体外包层，从而形成光纤预制件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，火焰水解沉积工艺是外部气相沉积法。
14.一种制造至少一个光纤的方法，包括以下步骤：
-根据权利要求1所述的方法形成至少一个光纤预制件，以及
-拉伸该光纤预制件以制造光纤。
15.一种根据权利要求1所述的方法将多个局部多孔中间预制件固结成相应多个中间玻璃预制件以用于生产光纤预制件的设备，所述设备包括：
–包括竖直定向的马弗炉的炉体，所述马弗炉被配置成沿竖直方向容纳多个局部多孔中间预制件，所述炉体被热耦合到固结加热器，从而加热马弗炉的竖直固结热区；
–支撑结构，所述支撑结构被配置成沿竖直方向支撑所述多个局部多孔中间预制件，并包括驱动轴；
–竖直驱动装置，所述竖直驱动装置***作地连接到支撑结构，且被设计为竖直地移动支撑结构从而使局部多孔中间预制件下降通过炉体的固结热区，且被设计为使驱动轴转动，
其中，支撑结构包括：被配置成操作地连接到所述多个局部多孔中间预制件的多个保持轴，以及通过从动机构将来自驱动轴的旋转传递给保持轴的旋转传递机构。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，旋转传递机构包括与驱动轴互锁的主齿轮和多个从齿轮，每个从齿轮均与所述多个保持轴的相应保持轴互锁并与主齿轮啮合，从而驱动轴的旋转被传递给保持轴。
17.根据权利要求15或16所述的设备，其中，支撑结构还包括支撑构件，驱动轴和所述多个保持轴被可旋转地接合到支撑构件。
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