CN105084726B - 用于制造光学预制件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造光学预制件的方法，包括以下步骤：提供内表面上沉积有玻璃层的基管；通过将所述基管加热到所述基管的软化温度以上、并且通过提供高于环境压力的所述基管的内压，来增大所述基管的外径；以及通过施加横向热源以将所述基管加热到所述基管的软化温度以上，来对所述基管进行径向收缩，由此制造出光学预制件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造光学预制件的方法。
背景技术
本发明涉及一种用于制造光学预制件的方法，包括以下步骤：
-提供内表面上沉积有玻璃层的基管；以及
-通过施加横向热源以将基管加热到该基管的软化温度以上来对该基管进行径向收缩，由此制造出光学预制件。
一般而言，在光纤领域中，在基管的内表面上沉积多个玻璃薄膜。玻璃形成气体(即，掺杂或未掺杂的反应气体)从基管的一端(基管的供给侧)被引入该基管的内部。在基管的内表面上沉积掺杂或未掺杂的玻璃层。可选地通过使用真空泵来将气体从基管的另一端(基管的排出侧)排出或去除。真空泵具有在基管的内部产生减压的效果，其中该减压通常包括5～50mbar的压力值。
可以使用诸如MCVD(改进的化学气相沉积)、PCVD(等离子体化学气相沉积)等的若干内部气相沉积工艺。本发明适用于所有类型的内部气相沉积工艺。以下更详细地说明PCVD。
一般而言，来自发生器的电磁辐射(优选为微波)经由波导指向施加器，其中该施加器包围基管。该施加器使电磁辐射耦合到等离子体内。该施加器(以及该施加器所形成的等离子体)在基管的长边方向上往复移动，作为该移动的结果，通过每次行程(stroke)或通过(pass)将薄的玻璃层沉积到基管的内部上。
在沉积工艺期间，施加器和基管通常被加热炉包围，以使基管维持处于900～1300℃的温度。
在通过次数使这些薄膜、即所沉积材料的累积厚度增加的情况下，这种增加由此导致基管的剩余内径的减小。换句话说，基管内的中空空间随着每次通过而不断变小。
在玻璃层沉积到基管的内部之后，随后通过加热使还被称为初级预制件所用的前体的基管收缩成光学预制件即实心棒。这被称为径向收缩工艺(collapsing process)。剩余的实心棒也被称为初级预制件。
在径向收缩工艺期间，通常使用热源来在收缩机中使所沉积的管(即，内表面上沉积有玻璃层的基管)收缩成光学预制件。这种机器通常已知为径向收缩装置。该径向收缩装置包括可以将基管加热到比所述基管的软化温度高的温度(通常为2000摄氏度以上)的热源。用于对基管进行径向收缩的合适的热源包括氢/氧燃烧器、等离子体燃烧器、电阻加热炉和感应加热炉。然而，本发明不限于特定类型的热源。
在所述径向收缩步骤之后，在特殊实施例中，例如通过外部气相沉积工艺或直接玻璃包覆(所谓的“包覆(overcladding)”)或者通过使用一个或多个预制玻璃管(所谓的“套管(sleeving)”)，可以进一步从外部向实心棒或初级预制件配备附加量的玻璃，由此获得被称为最终预制件的复合预制件。根据如此制成的一端被加热的最终预制件，通过在拉丝塔上进行拉制来获得光纤。压实(最终)预制件的折射率分布与根据这种预制件所拉制出的光纤的折射率分布相对应。
根据美国专利US 4,869,743，已知一种用于通过对预制件进行拉制来制造光纤的方法，其中该预制件是通过对内部建立了减压并且因连续通过而被加热的厚壁二氧化硅管进行径向收缩所制成的。通过以某部位抵靠同轴内锥形引导件的方式开始各次通过来防止该管椭圆化。
根据欧洲专利申请EP 0,860,719，已知一种用于在改进的化学气相沉积期间监测并控制预制管的椭圆度的工艺和设备。响应于来自监测装置的计算机生成信号，通过局部地改变玻璃管的温度或者通过改变用于对管进行径向收缩的物理力来动态地调整管径向收缩率。
根据美国专利申请US 2003/0024278，已知一种用于根据具有中心线孔径的预制件来制造光导纤维的方法，其中该方法包括以下步骤：降低中心线孔径的压力，然后使中心线孔径的压力增加至某压力，以提高中心线孔径区域周围的均匀性、圆形度和/或对称性。
例如根据使用内部气相沉积工艺的现有技术工艺所制造出的内表面上沉积有玻璃层的基管的一个缺点是这些管的内径并非呈圆形、即呈非圆形。换句话说，基管的剩余“开口”部分的截面并非类似于正圆(perfect circle)。
在内部气相沉积工艺完成之后，通常在专用机器上对沉积有玻璃的基管进行径向收缩。非圆形的基管、例如椭圆管将导致所拉制出的光纤的纤芯的非圆形度。由于在径向收缩期间不仅存在向基管的中心线(即，沿中心向内)作用的力而且还存在沿着基管的圆周(即，轴向)作用的力，因此上述的在沉积期间所获得的非圆形效果在径向收缩工艺期间甚至进一步被增强。该轴向力增强了基管的非圆形度特性。
以上导致拉制之后的光纤的纤芯的所谓的非圆形度，其中该非圆形度由于会导致衰减增大因而是不期望的现象。
非圆形度例如还可能导致得到偏振模色散高的单模光纤、或者可能导致得到由于纤芯中的非对称性而表现出高的差分模式延迟值的多模光纤。这两者都是不期望的。
本发明的目的是提供一种用于制造改进了的光学预制件、即实心棒的方法，其中与不是根据本方法所制备的光学预制件相比，降低了光学预制件的非圆形特性。
上述各目的由本发明来实现。
发明内容
本发明涉及一种用于制造光学预制件的方法，包括以下步骤：
-提供内表面上沉积有玻璃层的基管；
-增大步骤，用于通过施加横向热源以将所述基管加热到所述基管的软化温度以上、并且通过提供高于环境压力的所述基管的内压，来增大所述基管的外径；
-径向收缩步骤，用于通过施加所述横向热源以将所述基管加热到所述基管的软化温度以上，来对外径增大的所述基管进行径向收缩，由此制造出光学预制件。
在实施例中，所述方法还包括以下步骤：
-测量步骤，用于测量所述基管的所述内压和所述环境压力之间的压力差；以及
-基于所述测量步骤的测量和预定义的压力值来控制所述内压。
在另一实施例中，所述预定义的压力值为10～100帕斯卡。
在另一实施例中，所述预定义的压力值为30～65帕斯卡。
在另一实施例中，所述预定义的压力值为40～50帕斯卡。
在另一实施例中，所述预定义的压力值约为45帕斯卡。
在另一实施例中，在所述增大步骤期间施加于所述基管的温度至少为1900℃。
在另一实施例中，在所述径向收缩步骤期间施加于所述基管的温度至少为2000℃。
在另一实施例中，在所述径向收缩步骤期间施加于所述基管的温度至少为2100℃。
在另一实施例中，在多个不同的时间执行用于增大基管的外径的所述增大步骤。
在另一实施例中，所述用于提供内表面上沉积有玻璃层的基管的步骤包括：
-提供中空基管；以及
-通过以下操作来在所述中空基管的内部沉积玻璃层：
-经由所述中空基管的供给侧向所述中空基管供给玻璃形成前体，其中所述中空基管还包括排出侧，以及
-沿着所述中空基管的长度在所述中空基管的内部施加横向反应区，以在所述中空基管中产生所述玻璃形成前体所用的沉积条件，由此提供内表面上沉积有玻璃层的基管。
在另一实施例中，用于在基管的内部沉积玻璃层的步骤使用等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺。
以下更详细地说明本发明。
本说明书中所使用的定义
在本说明书和/或权利要求书中使用以下定义来定义所陈述的主题。以下没有列出的其它术语意味着具有本领域内普遍接受的含义。
如本说明书中所使用的“中空基管”表示：内部具有空腔的延长管。一般而言，在制造预制件期间，所述管的内部设置(或涂敷)有多个玻璃层。
如本说明书中所使用的“初级预制件所用的前体”表示：在一个或多个附加工艺步骤之后将得到初级预制件的中间产品。
如本说明书中所使用的“初级预制件”表示：在变成最终预制件之前需要从外部设置有额外玻璃的实心棒(实心预制件)。
如本说明书中所使用的“最终预制件”表示：可以直接用于进行光纤的拉制的实心棒(实心复合预制件)。
如本说明书中所使用的“气体供给侧”或“供给侧”表示：基管的一侧、即基管的用作气体所用的入口的开口端。供给侧是与排出侧相对的侧。
如本说明书中所使用的“气体排出侧”或“排出侧”表示：基管的一侧、即基管的用作气体所用的出口的开口端。排出侧是与供给侧相对的侧。
如本说明书中所使用的“内部表面”表示：中空基管的内侧表面或内表面。
如本说明书中所使用的“玻璃”或“玻璃材料”表示：通过气相沉积工艺所沉积的结晶或玻璃态(玻璃状)氧化物材料(例如，二氧化硅(SiO2)或甚至石英)。
如本说明书中所使用的“二氧化硅”表示：采用SiOx的形式的任何物质，而与理想配比如何无关并且与结晶或非结晶无关。
如本说明书中所使用的“玻璃形成气体”表示：沉积工艺期间为了形成玻璃层所使用的反应气体。这些玻璃形成气体可以包括掺杂物所用的前体(例如，O2以及SiCl4和可选的其它气体)。
如本说明书中所使用的“反应区”表示：玻璃形成反应或沉积发生的区域或轴向位置。
如本说明书中所使用的“换向点”表示：施加器的移动往复发生的基管上的轴向点或位置。换句话说，从后向前或从前向后改变。该换向点是施加器的转向点。轴向点是在施加器的中间(纵向)所测量到的。
如本说明书中所使用的“换向点附近”表示：基管上的在距离上靠近换向点或者处于与换向点相同的位置的轴向位置。
如本说明书中所使用的“在换向点处”表示：基管上的作为与换向点相同的位置的轴向位置。
如本说明书中所使用的“前后移动”表示：沿直线的往复移动或向后和向前移动。
通过以下参考附图的说明，将最佳地理解本发明的上述以及其它的特征和优点。在附图中，相同的附图标记表示相同的部件或者进行相同或相似的功能或操作的部件。
本发明不限于以下所公开的特定示例或用于制造光学预制件的特定方法。
本发明不要求对仪器设置或已使用中的装置/设备作出大幅改变。因此，本发明所展现的用以解决问题的方案从实现角度简单且具有成本效率。
附图说明
图1公开了光纤的纤芯的非圆形度的定量测量的示例。
图2公开了示出根据本发明的方法的步骤的流程图的示例。
图3公开了根据本发明的更详细地示出用于提供沉积有玻璃层的基管的步骤的另一流程图的示例。
具体实施方式
本发明在第一方面中涉及一种用于制造光学预制件的方法，包括以下步骤：
-提供内表面上沉积有玻璃层的基管；
-通过施加横向热源以将基管加热到该基管的软化温度以上并且通过提供高于环境压力的该基管的内压，来增大该基管的外径；以及
-通过施加横向热源以将基管加热到该基管的软化温度以上，来对外径增大的基管进行径向收缩，由此制造出光学预制件。
如以上所论述的，现有技术工艺的缺点在于：在内部气相沉积工艺之后，基管内部的剩余空腔的截面具有一定的非圆形度。在根据现有技术的径向收缩工艺期间，所述影响甚至可能进一步被增大。
如上所述，本发明的目的其中之一是提供一种用于制造改进了的光学预制件、即实心棒的方法，其中降低了光学预制件的非圆形特性。
本发明是基于本发明人所作出的以下发现：在通过将内部沉积有玻璃层的基管加热到该基管的软化温度以上并且通过提供高于环境压力的该基管的内压来增大所述基管的外径的情况下，再次使该基管的剩余“开口”部分的截面更圆。由于基管内部的压力导致产生指向该管的径向外侧的力，因此再次使剩余“开口”部分的内截面更圆。如此，截面更类似于正圆。
应当注意，在本发明的上下文中，内表面沉积有玻璃层的基管表示初级预制件所用的前体。所述基管包括所沉积的多个玻璃层。所述基管例如可以通过诸如(例如，利用PCVD的)内部等离子体沉积工艺等的内部气相沉积工艺来获得。
在本发明的上下文中，内压是径向收缩处理期间基管内部的压力。环境压力是基管周围的压力。该环境压力例如可以是大气压。在增大步骤期间，可以将基管放置在加热炉中以将该基管加热到该基管的软化温度以上，其中基管周围的环境压力、即加热炉内部的压力可以不同于大气压。
在任何情况下，本发明人均发现，基管的内压相对于环境压力应增大，以使得产生从基管内部指向径向外侧的力，其中该力将导致基管的“开口”部分的截面增大并且变得更圆。在不期望局限于任何特定理论的情况下，本发明人认为该效果是由于软化的玻璃更倾向于恢复到张力最低的状态(即，圆形状态)这一事实所引起的。
根据本发明，基管的软化温度是对基管进行加热以达到107.6泊(Poise)以下的粘度的温度。
优选地，利用按特定速度从基管的一侧向另一侧行进的横向热源，进行用于通过将基管加热到该基管的软化温度以上来增大该基管的外径的步骤。该速度是技术人员已知的，并且例如可以为0.5～5厘米/分钟、例如1～3厘米/分钟、例如2厘米/分钟。
在实施例中，所述方法还包括以下步骤：
-测量基管的内压和环境压力之间的压力差；以及
-基于该测量和预定义的压力值来控制内压。
本发明人注意到，获得基管的更圆效果所需的基管内部的内压相对较低。因而，环境压力的小的增加可能会降低本发明的效果。如此，通过测量基管的内压和环境压力之间的压力差并且通过确保内压使得维持压力差，可以获得最大程度的效果。通过基于该测量和预定义的压力值来控制内压，可以使内压更精确地维持在期望水平。该控制可以手动执行或者优选地利用压力控制器来自动执行。
此外，如上所述的控制机构具有如下的进一步优点：所获得的结果是可再现的，即根据本发明的直径增大的具有相似非圆形度的各基管在根据本发明的工艺之后应具有相同或相似的圆形特性。
预定义的压力值、即内压和环境压力之间的差可以是例如机械工程师、软件工程师或工艺工程师等所输入的任何值。诸如石英型管等的不同类型以及基管的质量和/或厚度可能需要预定义的压力值的不同设置点。此外，在注意到或测量到所制造出的基管的圆形特性不是所期望的圆形特性的情况下，可以在工艺期间修改预定义的压力值。
在本发明的优选实施例中，步骤“提供高于环境压力的基管的内压”表示：提供作为基管的内压和环境压力之间的差的预定义的压力值。
在另一实施例中，预定义的压力值为10～100帕斯卡(Pascal)(即，0.1～1毫巴(millibar))、优选为30～65帕斯卡、更优选为40～50帕斯卡、甚至更优选为约45帕斯卡。
优选地，内部具有沉积层的基管的非圆形度最大为2％、优选最大为1.5％、甚至更优选最大为1％。通过以下表达式来测量非圆形度：
2(a-b)/(a+b)*100％，
其中，a和b类似于如图1所示的光纤的纤芯在两个垂直方向上的直径。
本发明人注意到，基管的内压的即使约10～100帕斯卡的较小增加也将导致根据以上公式计算出的所制造的光学预制件的非圆形度减小了约1％。在另一实施例中，在增大步骤期间施加于基管的温度至少为1900℃，以及/或者在径向收缩步骤期间施加于基管的温度至少为2000℃或者甚至至少为2100℃。
在又一实施例中，通过在基管中设置脉动内压来进行用于增大基管的外径的步骤。换句话说，在用于增大直径的步骤期间，可以连续地施加内压，或者可以间歇地施加内压。在间歇地施加内压的情况下，可以按特定频率、例如脉动来施加内压。脉冲的频率可以由本领域技术人员来选择并且例如可以为1～20Hz。
在本发明的上下文中，术语“脉动内压”表示基管内部的内压在平均值附近脉动。于是所述脉动内压的平均值用作内压的值。使用脉动压力的优点在于：同时可以在中空基管中检查该中空基管的内部所沉积的玻璃中存在的任何裂纹等。这是通过测量排出侧的压力以观测在排出侧是否观测到与在应用于供给侧的情况下在供给侧所观测到的脉冲相同的脉冲来进行的。如果“是”，则在管中不存在会导致加压气体的泄漏并由此导致排出侧的脉冲损失的裂纹。
在另一实施例中，在多个不同的时间执行用于增大基管的外径的步骤。在根据本发明的工艺期间，使热源从供给侧向排出侧移动(正向移动)以及从排出侧向供给侧返回移动(反向移动)。可以以仅在一次正向移动期间执行增大步骤的方式来执行本发明。在一次正向以及随后一次反向的移动期间执行增大步骤也是可以的。
在实施例中，在一次以上的正向和反向移动期间执行增大步骤。在后者情况下，内压针对这些移动各自可以相同也可以不同。
通常通过数次正向和反向移动(诸如至少三次正向和反向移动)来执行径向收缩步骤。在每一次移动期间，内压可以相同也可以不同，并且可以与环境压力相同或者可以与环境压力不同。
原则上，本发明向现有技术的径向收缩工艺增加了额外步骤。这将延长径向收缩工艺的时间。此外，由于增大步骤使基管的外径增大，因此由于不得不对更大的空腔进行收缩因而导致之后的径向收缩工艺将耗时更长。因此，存在针对整体径向收缩工艺的持续时间的双重延长影响。这可以通过增加径向收缩工艺的温度以抵消由于上述影响而增加的时间中的一部分时间来进行部分补偿。
在增大步骤之后，内表面上沉积有玻璃层的基管的外径的增大可以在1％～6％的范围内。
在传统情形下，光纤的纤芯的非圆规律在小于2％的情况下是普遍可接受的。本发明人发现，外径的1％～6％的增大足以基本消除传统基管的非圆影响。
在又一实施例中，用于提供内表面上沉积有玻璃层的基管的步骤包括以下步骤：
-经由中空基管的供给侧向该中空基管供给玻璃形成前体，其中该中空基管还包括排出侧；以及
-沿着中空基管的长度施加横向热源，以在该中空基管中产生玻璃形成前体所用的沉积条件，由此提供内表面上沉积有玻璃层的基管。
通常，相比径向收缩工艺，在不同的装置中进行内部气相沉积工艺。如此，用于提供内表面上沉积有玻璃层的基管的步骤可以简单地包括用于将基管放置在径向收缩装置中的步骤。在另一情形下，用于提供内表面上沉积有玻璃层的基管的步骤可以包括气相沉积工艺，其中向中空基管施加玻璃形成气体以在该中空基管的内表面上沉积玻璃层。然后将该基管转移至径向收缩装置。
一种适合制造光学预制件的径向收缩装置，包括：
-增大部件，其被配置为增大内表面上沉积有玻璃层的基管的外径；
-加热部件，其包括在径向收缩装置中，并且被配置为将基管加热到该基管的软化温度以上；
-压力控制部件，其包括在径向收缩装置中，并且被配置为提供高于环境压力的基管的内压；以及
-径向收缩部件，其被配置为通过控制加热部件以将基管加热到该基管的软件化温度以上，来对该基管进行径向收缩，由此制造出光学预制件。
适合执行本方法的径向收缩装置还可以包括：
-压力测量部件，其被配置为测量基管的内压和环境压力之间的压力差；以及
-压力控制部件，其被配置为基于该测量和预定义的压力值来控制内压。
径向收缩装装置还可以包括转动部件，其中该转动部件被配置为使基管绕其纵轴转动。因而，在本方法的实施例中，内表面上沉积有玻璃层的基管在增大步骤期间转动。
上述具有在径向收缩工艺期间利用转动部件所引起的旋转来补偿基管内部的轴向力的优点。
图1公开了光纤的纤芯的非圆形度的定量测量11的示例。
这里，利用附图标记12表示基管，并且利用附图标记13表示基管的纤芯。
为了测量纤芯的非圆形度，应沿两个垂直方向测量纤芯的直径。在这种情况下，沿两个垂直方向的直径是纤芯13的从顶侧向底侧所测量到的第一直径“a”14以及纤芯13的从左侧向右侧所测量到的第二直径“b”15。然后，通过表达式2(a-b)/(a+b)*100％来确定非圆形度。
图2公开了示出根据本发明的方法的步骤的流程图21的示例。
在该特定实施例中，用于制造光学预制件的方法包括以下步骤：
-提供内表面上沉积有玻璃层的基管(22)；
-通过施加横向热源以将基管加热到该基管的软化温度以上并且通过提供高于环境压力的该基管的内压，来增大基管的外径(23)；以及
-通过施加横向热源以将基管加热到该基管的软化温度以上，来对外径增大的基管进行径向收缩(24)，由此制造出光学预制件。
图3公开了根据本发明的更详细地示出用于提供沉积有玻璃层的基管的步骤的另一流程图27的示例。
该步骤包括：
-提供基管(25)；以及
-通过以下操作来在基管的内部上沉积玻璃层(26)：
-经由中空基管的供给侧向该中空基管供给玻璃形成前体，其中该中空基管还包括排出侧，以及
-沿着该中空基管的长度在该中空基管的内部施加横向反应区以在该中空基管中产生所述玻璃形成前体所用的沉积条件，由此提供内表面上沉积有玻璃层的基管。
本发明不限于以上所公开的实施例，并且在本领域技术人员可以在不必应用发明性技术的情况下，在如所附权利要求书所公开的本发明的范围内对本发明进行修改和改进。
Claims (11)
1.一种用于制造光学预制件的方法，包括以下的顺序步骤：
(a)在玻璃层沉积装置中提供基管，在所述基管的内表面上沉积完整的玻璃层，停止玻璃层沉积；
(b)在步骤(a)之后且在径向收缩步骤之前，将步骤(a)中的内部沉积有所述完整的玻璃层的所述基管提供至径向收缩装置内，以及在所述径向收缩装置中通过施加横向热源以将所述基管加热到所述基管的软化温度以上、并且通过提供高于环境压力的所述基管的内压，来在降低所述基管的非圆形度的同时将所述基管的外径增大1％至6％；以及
(c)径向收缩步骤，在步骤(b)之后通过施加所述横向热源以将所述基管加热到所述基管的软化温度以上，来对外径增大的所述基管进行径向收缩，由此制造出光学预制件。
2.根据权利要求1所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
-测量步骤，用于测量所述基管的所述内压和所述环境压力之间的压力差；以及
-基于所述测量步骤的测量和预定义的压力值来控制所述内压。
3.根据权利要求2所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，所述预定义的压力值为10帕斯卡～100帕斯卡。
4.根据权利要求2所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，所述预定义的压力值为30帕斯卡～65帕斯卡。
5.根据权利要求2所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，所述预定义的压力值为40帕斯卡～50帕斯卡。
6.根据权利要求2所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，所述预定义的压力值为45帕斯卡。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，增大步骤期间施加于所述基管的温度至少为1900℃。
8.根据权利要求7所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，所述径向收缩步骤期间施加于所述基管的温度至少为2100℃。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，将用于增大基管的外径的增大步骤执行预定次。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，步骤(a)包括：
-提供中空基管；以及
-通过以下操作在中空基管的内部沉积玻璃层：
-经由所述中空基管的供给侧向所述中空基管供给玻璃形成前体，其中所述中空基管还包括排出侧，以及
-沿着所述中空基管的长度在所述中空基管的内部施加横向反应区，以在所述中空基管中产生所述玻璃形成前体所用的沉积条件，由此提供内表面上沉积有完整的玻璃层的基管。
11.根据权利要求10所述的用于制造光学预制件的方法，其特征在于，在中空基管的内部沉积玻璃层的步骤使用等离子体化学气相沉积工艺即PCVD工艺。
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