制造光纤预制棒以及拉拔光纤的方法 【技术领域】
本发明总的来说涉及制造光纤预制棒的方法，尤其涉及使用包层覆盖装置(overcladding device)制造大直径光纤预制棒的方法。
背景技术
一般来说，光纤的制造涉及通过套管工艺或者包层覆盖法来制造光纤预制棒以及用光纤预制棒拉拔形成具有预定直径的光纤。通过将一次预制棒插入管式二次预制棒来实现套管工艺或者包层覆盖。除了套管法或者包层覆盖技术以外，可以使用汽相沉积或者改进的化学汽相沉积工艺来制造光纤预制棒。
根据沉积方法，氧气(O2)以及包括有SiCl4和其他掺杂物的化学气体通过加热进行的水解作用产生被称为粉尘的SiO2颗粒。然后，粉尘沉积在预制棒的外周表面或者石英管的内周表面。更具体地说，在外沉积方法中，其上沉积有粉尘的多孔预制棒经水合作用并且在炉中烧结。结果，制成透明的光纤预制棒。在内沉积方法中，其中沉积有粉尘地石英管经水合作用并且以与外沉积方法相同的方式被烧结，从而制成透明的光纤预制棒。
然而，大直径光纤预制棒的基于沉积的制造方法具有这样的缺点：即趋向于加长处理时间、降低成品收率并且限制增加预制棒直径的能力。
为了克服生产率下降的问题，通常通过包层覆盖来制造大直径的光纤预制棒。在包层覆盖方法中，通过将一次棒式预制棒插入由溶胶—凝胶工艺形成的管式二次预制棒中并且用加热器加热预制棒来形成大直径光纤预制棒。该方法具体公开在由Jerry等人申请的题目为“用于包层覆盖玻璃棒的方法和设备(Method of and Apparatus for Overcladding a GlassRod)”的美国专利No.4,820,322中。其中，氧—氢燃烧器用作加热器。
然而，尽管二次预制棒的外周表面由于直接加热而被软化，从而降低了它的粘度，但内周表面未被软化，保持着恒定的粘度。结果，二次预制棒的外部和内部的温度不同。非均匀的温度分布使得二次预制棒变形，并且导致外部颗粒粘在二次预制棒中。
并且，当一次预制棒和二次预制棒通过氧—氢燃烧器而被密封时，由燃烧器产生的水蒸气被导入一次和二次预制棒之间的间隙中。如果二次预制棒厚并且缩棒慢，则水蒸气由于真空可被除去。相反地，如果二次预制棒薄并且缩棒快，则在一次和二次预制棒之间水蒸气被吸收。这种作用使得在利用光纤预制棒的拉拔过程中可能导致光纤断裂。
【发明内容】
本发明的一方面是提供一种光纤预制棒制造方法，用于防止由不规则的温度分布引起的光纤变形以及防止在光纤中导入水分。
本发明的另一方面是提供一种使用包层覆盖装置制造光纤预制棒的方法以及一种光纤拉拔方法。所述包层覆盖装置包括第一和第二夹盘、环形氧—氢燃烧器、炉、在定位于架子上的第一和第二夹盘之间往复运动的滑架以及连接至夹盘之一的真空泵。所述预制棒制造方法包括将一次和二次预制棒分别固定到对准的第一和第二夹盘上，并将一次预制棒同轴地插入二次预制棒中。使用炉对二次预制棒进行预加热，并且使用氧—氢燃烧器加热二次预制棒，以便对其进行软化。通过使用炉进行加热来密封二次预制棒的第一端，通过二次预制棒的第二端在二次预制棒中形成负压真空状态，由此使第一和第二预制棒缩棒。
【附图说明】
参照附图，通过以下的详细描述，本发明的以上特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1示出了根据本发明优选实施例的使用包层覆盖装置的光纤预制棒的制造方法；
图2A是沿图1中线A-A’取的一次和二次预制棒的剖视图；
图2B是沿图1中线B-B’取的一次和二次预制棒的剖视图；
图2C是根据本发明实施例所制造的光纤预制棒的剖视图；
图3示出了图1所示用于制造光纤预制棒的包层覆盖装置的结构；
图4示出了根据本发明另一实施例的光纤预制棒的制造方法；以及
图5示出了根据本发明第三实施例的光纤拉拔方法。
【具体实施方式】
以下将参考附图描述本发明的实施例。为了清楚和简化的目的，在对已知功能和结构的非必要的详细描述会使本发明不清楚的情况下，将不对它们进行详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的使用包层覆盖装置制造光纤预制棒的方法，图3示出了包层覆盖装置的结构。
参考图1和3，包层覆盖装置10包括第一和第二夹盘20和30、环形氧—氢燃烧器40、炉50以及真空泵114。使用包层覆盖装置100的光纤预制棒的制造包括第一次对准(leveling)、第二次对准、包层覆盖、软化、密封和缩棒。缩棒是这样的工艺过程：通过二次预制棒102的第二端以负压使其中插有一次预制棒101的二次预制棒102的内部变为真空，由此使一次和二次预制棒101和102互相紧密地粘合在一起。一次预制棒101是由外或内沉积形成的棒，二次预制棒102是内径为10mm或更大并且通过溶胶—凝胶工艺或内沉积方法形成的石英管。
首先，固定到第一夹盘20的一次预制棒101在第一次对准步骤中被对准，固定到第二夹盘30的二次预制棒102在第二次对准步骤中被对准。
在包层覆盖步骤中，一次预制棒101共轴地插入二次预制棒102中。
在软化步骤中，二次预制棒102在炉50中预加热，并且被氧—氢燃烧器40加热，从而实施对预制棒的软化。
在密封步骤中，二次预制棒102的第一端被炉50加热，从而将二次预制棒102密封在一次预制棒101上。
根据本发明的实施例，通过利用炉50加热二次预制棒102的第一端而将二次预制棒102密封到二次预制棒102内部的一次预制棒101上，能够防止氧—氢燃烧器40所产生的水分导入一次和二次预制棒101和102之间。
图2A、2B和2C描述了图1所示制造的大直径光纤预制棒的操作过程。参考图1至3，包层覆盖装置100用于通过将一次预制棒101插入二次预制棒102中来制造大直径光纤预制棒。所述装置100包括架子10、第一和第二夹盘20和30、环形氧—氢燃烧器40、炉50、在第一和第二夹盘20和30之间往复运动的滑架60、连接至两个夹盘20和30之一的真空泵114、用于向炉50提供动力的多个母线53以及通过缆线55连接至母线53的电源。二次预制棒102可以是合成或天然石英管。
架子10可以垂直或者水平地定向。用于移动滑架60和导杆11的装置安装在架子10的顶部表面上，第一和第二夹盘20和30面对面地定位在架子10的两端。滑架60沿导杆11作往复运动。
一次预制棒101可转动地固定在第一夹盘20上，并且被对准以沿纵向具有均匀的直径。二次预制棒102固定在第二夹盘30上，并且被对准以沿纵向具有均匀的直径。第一和第二夹盘20和30以预制棒能够转动的方式分别将一次和二次预制棒101和102支撑在架子10上。更具体地说，每个预制棒101和102的一端连接到固定在第一或第二夹盘20或30上的模型管(dummy tube)。在被对准之后，一次预制棒101共轴地插入二次预制棒102中，两者之间形成间隙108。
炉50用于加热和预加热其中具有一次预制棒101的二次预制棒102，并且其中包括石墨热辐射器。热辐射器通过从电源接收的电力辐射热。炉50被保持在2000到2500摄氏度之间的温度下，并且在一次和二次预制棒101和102中形成高温区域。通过在炉50的侧面安装操作器54，能够容易地操作炉50。多个管58连接至炉50，以注入惰性气体，例如氦(He)、氩(Ar)等，或者是氦和氩的混合气体。导体凸缘51a和盖凸缘52组装在炉50的顶部，导体凸缘51b组装在炉50的底部。
导体凸缘51a和51b连接至母线53，以通过缆线55接收电源的电力。导体凸缘51a和51b通过系杆56彼此接合。
氧—氢燃烧器40安装在滑架60之上，以沿二次预制棒102的长度往复运动。可延伸的导管42定位在氧—氢燃烧器40之上，炉50位于燃烧器40之下。即，导管42、燃烧器40和炉50一体安装在滑架60上，并且沿二次预制棒102的长度往复运动。
图2A示出了沿线A-A’取的图1所示一次和二次预制棒101和1 02的剖视图。参考图2A，炉50被滑架60移向一次和二次预制棒101和102的第一端，并且对它们进行加热，从而形成高温区域。被加热的一次和二次预制棒101和102的第一端彼此密封。
参考图2B，第一和第二夹盘20和30旋转一次和二次预制棒101和102，并且惰性气体通过管58被注入一次和二次预制棒101和102中。当二次预制棒102的表面被炉50加热到1700摄氏度时，氧—氢燃烧器40被滑架60移向一次和二次预制棒101和102的第二端。在移动过程中，氧-氢燃烧器40以低温加热二次预制棒102。这样，被导入一次和二次预制棒101和102之间的间隙108中的任何杂质被烧掉并被去除。
参考图2C，当一次和二次预制棒101和102被软化时，真空泵114在二次预制棒102中形成真空气氛，从而去除一次和二次预制棒101和102之间的间隙108。即，真空泵114以负压真空状态被放入二次预制棒102中，从而密封一次和二次预制棒101和102。并且这样还能将氧—氢燃烧器40的氧气流从75lpm增加到150lpm，从而使一次和二次预制棒101和102缩棒。接着，最终的光纤预制棒从第一和第二夹盘20和30上取下，被冷却预定的时间。由此，完成光纤预制棒的包层覆盖。
图4示出了根据本发明另一个实施例的制造光纤预制棒的方法。参考图3和4，使用包层覆盖装置100来制造光纤预制棒时涉及第一次对准、第二次对准、包层覆盖、软化、沉积、密封和缩棒。
固定到第一夹盘20的一次预制棒101在第一次对准步骤中被对准，固定到第二夹盘30的二次预制棒102在第二次对准步骤中被对准。
在包层覆盖步骤中，一次预制棒101共轴地插入二次预制棒102。
在软化步骤中，二次预制棒102在炉50中预加热，并且被氧—氢燃烧器40加热，从而实施对预制棒的软化。
沉积层110被形成以使一次预制棒101的硅石粘度(silica viscosity)与二次预制棒102的硅石粘度匹配。
在密封步骤中，二次预制棒102的第一端被密封。
在缩棒步骤中，通过将一次和二次预制棒101和102放置在处于负压真空状态的二次预制棒102内部，而使一次和二次预制棒101和102收缩从而彼此紧密接触。
根据本发明的第二实施例，玻璃成型材料104被注入一次和二次预制棒101和102之间的间隙中，从而控制一次和二次预制棒101和102的粘度。
包层覆盖装置还包括旋转管接头(rotary union)106，用于将玻璃成型材料104注入一次和二次预制棒101和102之间。为了避免赘述，第一和第二实施例共用的部件将不再描述。
旋转管接头106混合玻璃成型材料104，并且将混合物注入一次和二次预制棒101和102之间的间隙中，以便控制一次和二次预制棒101和102之间的硅石粘度。氟里昂、硼或PoCl3单独或者结合被用作玻璃成型材料104。
使用氧—氢燃烧器40加热其中具有成型材料104的一次和二次预制棒101和102，由此由玻璃成型材料形成沉积层108，从而使得一次和二次预制棒101和102之间的硅石粘度匹配。二次预制棒102的表面在1800摄氏度下被加热，氧—氢燃烧器40的往复速度是1.5至2cm/min。
之后，通过操作第一和第二夹盘20和30以20rpm到30rpm的速度旋转一次和二次预制棒101和102。惰性气体被供给到一次和二次预制棒101和102之间。使用氧—氢燃烧器40对一次和二次预制棒101和102预加热10到30分钟，其中30lpm的氢和15lpm的氧被加入氧—氢燃烧器40中。
当被预加热的一次和二次预制棒101和102粘度降低并被软化时，操作真空泵114以在一次和二次预制棒101和102之间的间隙中形成负压真空状态，从而对它们进行密封。最后，利用炉50使一次和二次预制棒101和102缩棒，由此制成光纤预制棒。使用氧—氢燃烧器40软化光纤预制棒，并且光纤预制棒被稳定预定的时间。
图5示出了根据本发明第三实施例的不进行包层覆盖而直接拉拔光纤的方法。参考图5，光纤拉拔操作包括由一次和二次预制棒158和156形成光纤预制棒，并由光纤预制棒拉拔光纤。
光纤预制棒的形成包括：将一次和二次预制棒158和156安装在光纤拉拔设备中；预加热一次和二次预制棒158和156以使其软化；以及缩棒。
在安装步骤中，每个一次和二次预制棒156的一端被密封，被安装到夹盘154上并且连接到真空泵152，其中所述夹盘154安装在进给模块150上。即，一次和二次预制棒158和156分别被对准，并且一次预制棒158同轴插入在二次预制棒156中。然后，一次和二次预制棒158和156的端部被密封并且被安装在位于进给模块150的一部分处的夹盘154上。密封的预制棒端部连接至真空泵152。
在预加热步骤中，使用炉162加热一次和二次预制棒158和156，从而形成高温区域。更具体地说，炉162在内部加热一次和二次预制棒158和156，从而形成高温区域。诸如氩等惰性气体被注入炉162中，以防止由于高温引起的氧化，并且一次和二次预制棒158和156被加热20分钟或更长时间，从而软化预制棒。
在缩棒步骤中，使软化的一次和二次预制棒158和156的内部形成真空，从而使它们收缩以彼此紧密接触，由此形成最终的光纤预制棒。即，真空泵152在被炉162软化的一次和二次预制棒158和156中以负压形成真空气氛。这样，一次和二次预制棒158和156被收缩。
光纤的拉拔包括用光纤预制棒拉拔光纤、冷却光纤、测量它的外径并且用固化树脂涂敷光纤。
使用绞盘172拉拔被炉162加热的光纤预制棒。这样，拉拔形成具有预定直径的光纤160。利用外径测量器164测量光纤160的外径。如果外径不均匀，对绞盘1 72的拉拔速度进行有选择的控制，从而使外径均匀。用光纤预制棒拉拔形成的光纤160在冷却器166中被冷却，并且用UV(紫外线)固化树脂(诸如硅或丙稀)在涂布机168中对光纤的外表面进行涂敷。然后，外部被涂敷的光纤160在UV焙固机170中被固化，最终由绞盘172卷绕在卷轴174上。
如上所解释的，使用炉在一次和二次预制棒上形成高温区域，并且每个预制棒的一端被密封，从而防止氧—氢燃烧器所产生的水分被引入一次和二次预制棒中。并且，炉将足够的热量传递到二次预制棒。这样，由于不均匀的温度而在二次预制棒中产生的裂纹被抑制。炉的使用抑制了杂质的产生，从而能够制造高强光纤。并且，沉积层的形成能使一次和二次预制棒之间的硅石粘度匹配，这样能减小由于一次和二次预制棒之间的粘度差而可能引起的微弯曲产生的损耗。
尽管已经参考特定优选实施例对本发明进行了展示和描述，但本领域技术人员将会理解在不偏离本发明的范围和实质的情况下，可对形式和细节进行各种改变。