專利名稱:光纖預制件加粉塵式外包層的方法
本發(fā)明涉及光纖預制件加粉塵式外包層的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種坯體的燒結方法，而此種坯體則是通過使微波能與某種襯底棒相耦合而沉積在該襯底棒之周緣上的。
用來傳送光信號的那種光纖，通常是由加熱和拉制一部分光纖預制件制成的，這樣的預制件由有折射率的芯子外覆以保護性的玻璃包層構成。業(yè)已了解到，美國專利4217027中所描述的一種改進了的化學汽相沉積(MCVD)法是這方面最實用的方法，這是因為它能大規(guī)模制造出產生甚低損耗光纖的預制件。
在用MCVD法制備預制件的過程中，將母體原料，含反應劑的氣體例如Sicl4與Gecl4通過一旋轉中的由石英玻璃制成的襯底管。當這些母體氣體通過該襯底管內時，用噴燈加熱管子的外側，使此管的內表面沉積上亞微米級的玻璃粉粒。用此噴燈沿著該管縱軸方向多次來回運動，在玻璃膜層上再次熔接上玻璃膜層以形成一預制管。一旦已沉積上足夠層數的玻璃膜時，則加熱此預制管使其塌縮而產生一預制件或慣常所說的預制棒。
對光纖需求量的遞增促進了人們努力去提高MCVD法的生產率。但是，MCVD法的生產速率受到若干種因素的限制，其中包括襯底管的壁厚。為了獲得具有最佳的光學與幾何特性的光纖，上述預制件必須具有在規(guī)定范圍內的纖芯包層幾何結構比。要想通過增加襯底管的質量來制取較大型的預制件，就需要將襯底管的壁做得較厚。然而，增大了襯底管的壁厚就會降低對含反應劑之氣體的熱傳輸速率，從而延長了沉積與燒結每層玻璃微粒所需的時間。要是此種襯底管的壁過厚，就可能使熱傳輸不充分，導致氣泡的形成或燒結不完全。
能夠提高MCVD法生產率的一項措施是先生產出具有較大纖芯和大于所要求的纖芯/包層幾何結構比的預制件;將此預制件插入一稱之為外包層管的玻璃管內，然后加熱該外包層管使其塌縮于預制件上。以上方法被稱作為棒管法。理應要求把此預制件芯體因外包層而附加的任何材料之偏心度降到最小。在外包層管與此大芯體預制件之間的徑向失配也應減至最低程度，不然，最后拉制成的纖芯就可能過于偏心，而有礙于這樣拉制出的光纖相互間的正確接續(xù)。由于就較厚的預制件來說，此種外包層是分階段完成的，因而上述要求可能很難達到。在制作芯體時，各個續(xù)加的管套都有其自身的縱向質量中心軸線，而這樣的多重式外包層就加大了多層管套中的偏心幾率。
在另一種用來提高生產率的方法中，采用了粉塵式外包層來形成增大了的預制件。在這種方法中，粉塵是沉積在一襯底件之上的。例如，參看前面指出的美國專利4217027。在已經沉淀了此種粉塵而形成一坯體后，即將此坯體沿其長向漸次伸入熱源中燒結該粉塵。通常的做法是，將這種坯體與襯底棒按它們共軸的縱軸線垂直吊掛起來，使其向下運動進入一爐子中。
在燒結上述這種已知大的坯體時存在一些問題。典型的情況是，用一熱源將熱能加到此坯體外表面，使得這種粉塵的外層固結而成為一層透明的固體玻璃。當粉塵沉積到該襯底棒上時，四氯化硅與氧氣的反應物生成出二氧化硅，即這種粉塵，同時形成氯氣作為副產品。這時沉積到該襯底棒上的此類粉塵是松散結合的，粉粒之間帶有1微米級的空隙，為氯氣與其副產物氣體所充填。繼后，用氦來置換出部分或全部這種在燒結過程中陷獲的氣體。
為了提供能據此拉制出合適光纖的預制件，必須驅出殘留在上述空隙中的氦氣和任何一些氯氣。要是向內朝著此襯底棒進行加熱，這會由于上述氣體可能被俘獲在此種玻璃層與襯底棒之間而難以做到。例如，隨著此坯體進入一爐子中燒結的波陣面就會從鄰近此襯底棒的位置延伸到該坯體的外表面。這將促使氣體沿著襯底棒朝其上端推進而逸出。由于這樣一來延長了氣體的逸出路程，此方法就達不到所希望的效率。
此外，或許更重要的一點是，用目前采用的方法不能處理具有極大外徑的坯體。當熱能使得鄰近該坯體外表面的一層粉塵固結成玻璃后，就要求熱能穿透該層玻璃使內部緊鄰接的一薄層粉塵固結。假如該坯體過大，結果，內部的粉塵層就未必能固結。應該認識到，上述這種可能性給坯體尺寸帶來了不利的限制。
現有技術似乎未能解決而又需要的乃是這樣一類有可能提供較大坯體的粉塵式外包層法。這類方法必須在成本上能同現行的方法相競爭，且必須能提供這樣一種坯體，使之經徹底燒結后能從它拉制出高質量的光纖。
現有技術中的前述問題已由本發(fā)明的方法得到解決。在形成拉制光纖用的預制件的方法中，提供了一種能與微波能耦合的襯底件。使此襯底件牢固地環(huán)裹上一層能在其上固結的、具有合適光學性質的材料。用一微波能源耦合到此襯底件上，沿著由襯底件朝外的方向燒結與固結上述具有合適光學性質的材料，以形成一能用于拉制光纖的光纖預制件。
在形成一種可用于拉制光纖玻璃預制件的實施例中，供給了一種玻璃襯底棒。然后將粉塵材料沉積到該襯底棒上。該襯底棒要求能與微波能耦合。當粉塵材料已然沉積到襯底棒上后，就順著此棒長度方向漸次耦合一微波能源來燒結此粉塵材料。這樣就在沿徑向由襯底棒向外的方向上，燒結和固結了那種具有合適光學性質的材料，而構成一可用于拉制光纖的光纖預制件。
這種使襯底棒進行介質加熱方式的優(yōu)點是首先使得最內部分的粉塵料固結成為玻璃。由于這種熱能是耦合到玻璃中去的，這樣的熱能就能漸次地通過各層已固結的玻璃進行耦合，從而得以迅即接近待固結的下一部分粉塵材料。
此外，同傳統(tǒng)燒結工藝中從坯體外周開始的情況相反，由于坯體的燒結是從其中心開始的，所以在這樣的粉塵坯體中不會陷獲氣體。用這種方法，氣體被朝外推向坯體的自由外圍表面，而不是成為已固結之粉塵層與襯底棒之間的俘獲物。
圖1是用于生產粉塵坯體的本發(fā)明之設備的總體示意性透視圖;
圖2與圖3分別表明一通常規(guī)格的粉塵坯體與此坯體正接受常規(guī)熱源處理的情形;
圖4是用來燒結圖2中之坯體的加熱爐的部分透視圖;
圖5是用圖1中之設備生產出且由現有技術的裝置燒結成的尺寸增大了的坯體的正視圖;
圖6A-6C為一系列圖，描述了依據本發(fā)明的原理燒結一尺寸增大的坯體的過程;
圖7與圖8描述了一種將依本發(fā)明所述予以燒結之坯體的制造方法中的幾道工序。
現在參看圖1，其中示明了用于粉塵式外包層的一種裝置20。襯底件取芯棒22的形式，它由玻璃或其它適當材料制成，可以是采用前面提到的美國專利4217027中所披露的改進了的MCVD法制成的預制件。此種芯棒或預制件的外徑一般約19毫米，長度約70至95厘米。芯棒上有一個柄部24便于將它裝在拉絲爐上方。
芯棒22安裝在一車床式的裝置(未示出)上，其兩端受到支承，使之能繞自身的縱軸26旋轉。同時，這一車床式的裝置還能使此芯棒在其縱軸26方向上沿著行駛路徑作往復運動。
位于此芯棒鄰近處的是一臺沉積用噴燈，統(tǒng)一以數字30標明。此種沉積用噴燈30是用來使一種具有合適光學性質的材料之粉塵31沉積到芯棒22之上的。為了實現這一目的，此沉積用噴燈30包括有一噴嘴32，其中同心地設置一貫穿其間的通道34。此通道34連接到一導管36上，而用來形成前述粉塵的原料即流過其中。在一從優(yōu)選定的實施例中，這類原料包括四氯化硅(SiCl4)、四氯化鍺(GeCl4)和三氯氧磷(POCl3)。
在圖1所示的裝置中，沉積用噴燈30是固定的，而芯棒22則沿其行程往復運動，使它的各個部分連續(xù)地通過沉積用噴燈。與此同時，從沉積用噴燈30流出的原料發(fā)生反應，形成一種包括有沉積在該芯棒22上之粉塵在內的反應產物。位于芯棒22上的粉塵料一般稱之為粉塵坯體。標準尺寸的坯體，直徑為50毫米而長度為80厘米，統(tǒng)一以數字38標明(見圖2)。
典型的情況是，芯棒22以約100或更多的次數通過該沉積用噴燈30，以堆積成所需尺寸的粉塵坯體。自然，當此芯棒22往復運動時也同樣旋轉，以使此粉塵坯體具有大致呈圓形的橫剖面。除此，這種噴燈一般是市售的甲烷噴燈，產生的溫度在800°至1000℃的范圍內。
當粉塵坯體已然在芯棒22上形成后，就必須使此種粉塵固結。一般通過燒結這類粉塵來達到固結之目的。如圖3所示，慣常借預制件的柄24來吊掛起此粉塵坯體，然后把該坯體的下端送入一加熱爐40內(同時參看圖4)。加熱爐40一般為電阻線圈爐，它將熱能從粉塵料的外表面朝內加到芯棒22上。隨著此粉塵坯料的長度逐漸在爐子40內增加，就形成了一個燒結波陣面42。這時的粉塵料固結，鄰接著此芯棒形成了玻璃層44。
下面參看圖3與圖5，其中示明了通常尺寸的坯體38以及以數字46標明的加大了的坯體燒結情況的比較。加大了的一坯體可以具有約80毫米的外徑。在圖3中繪出的通常尺寸的粉塵坯體38有部分長度已燒結過了。芯棒22以及由粉塵料固結成的玻璃層構成了預制件，并以數字48標明。圖3與圖4中示出了沿著爐子40內的那部分坯體的燒結波陣面42。
當讓這種加大了的粉塵坯體通過一常規(guī)的燒結爐40(見圖5)時，就引起了問題。這里，粉塵料的外層52已固結而形成一玻璃層54。然而，由于此種粉塵坯體的厚度，熱能僅僅夠使其外層固結成玻璃。結果使此粉塵料的內層56仍然處于未固結狀態(tài)。此外，由于這種新介入的玻璃層54起到一種隔熱體的作用，熱能要到達該未固化的層56就更困難了。
上述問題已由本發(fā)明的方法解決?，F在參看圖6A-6C，其中示明了一種加大了的粉塵坯體46，其縱軸線58保持在垂直位置。此坯體的下端對準統(tǒng)一以數字60表明的介質加熱源的腔體59。該粉塵坯體46由適當的裝置(未示出)支承，這類裝置是本領域中周知的，且能使此粉塵坯體垂直地往復進入與通過此種介質加熱爐60。
在一優(yōu)選出的實施例中，加熱爐60為包括一微波發(fā)生器在內的微波熱源。微波占據了電磁波譜中長波長一側為無線電波而短波長一側為紅外波所界定的區(qū)域。根據1977年McGraw-Hill公司出版的《科技百科詞典》，卷8，482頁，在上述這些區(qū)域中，除了帶有一定任意性的定義外，并無截然分開的界限。但撇開以上事實不論，磁控管是可以買到的，例如可從Litton工業(yè)公司購得的一種磁控管，它所發(fā)生的射頻能涉及到1000-40000兆赫這樣一個微波頻率的有限部分。在本發(fā)明的這一優(yōu)選出的實施例中，微波能的相應頻率約為2450兆赫。
介質加熱設備，即采用微波能來加熱材料的，已公開在美國專利3457385中。同樣也可參看瑞典專利公告號442989，該項專利于1986年2月10日公布，其中披露了應用微波能來加熱有較厚壁部的玻璃管。
應該理解到，上述的芯棒不必非是玻璃的不可。重要的是，構成其上形成有粉塵坯體的芯棒的材料能為微波能耦合。
必須在粉塵料固結之前處理好芯棒22，使微波能可以耦合到其中。為了能產生這種耦合，業(yè)已發(fā)現，此芯棒22的溫度必須達到1000℃左右。為此，可以用噴燈61(見圖6A)加熱芯棒22的敞露端63，使整個芯棒升溫到可發(fā)生微波能耦合的溫度值。
在芯棒已經過預熱后，使它和粉塵坯體向下運動，讓它們的下端部分位于加熱爐60內部。此加熱爐60的微波熱源能使熱能方便地耦合到襯底件或芯棒22上。耦合到芯棒22上的熱能朝外輻射來加熱粉塵料，從而使粉塵料得到燒結并固結起來。在一優(yōu)選的實施例中，傳遞給芯棒22的微波能可使這種微波能耦合的材料之溫度達到約1200°-1400℃的范圍。
如圖6B所示，在芯棒最初的一次或幾次通過加熱爐后，芯棒22鄰近處的粉塵坯體之內里部分固結成一玻璃層62，此粉塵坯體的一部分64則仍處于未固結狀態(tài)。
隨后，如圖6C所示，在繼續(xù)多次通過后，就有更多的粉塵料固結，使鄰接芯棒22的玻璃層厚度增加，成為以66標明的玻璃層。由于微波能可耦合到這樣的玻璃中，故每一繼次遞增的已固結之玻璃部分都與此微波熱源相耦合。結果使此熱源立即接近那些未固結的粉塵料，而產生了一個高度有效的燒結過程。最終制得的光纖預制件所具有的外徑與芯棒直徑之比約在2至4的范圍內。
本發(fā)明之方法的另一些優(yōu)點表現在熱效率與固結過程中所產生之氣體的逸出方面。在常規(guī)的燒結工藝中，應用到粉塵坯體外側上的熱能有部分損失到周圍環(huán)境中。利用本發(fā)明的方法，加到芯棒上的微波能中絕大部分作為熱能用在了粉塵坯體上。此外，在本發(fā)明的方法中，固結中產生的氣體易通過未固結的粉塵料逸出。這一點與常規(guī)燒結工藝中的情況相反，在常規(guī)工藝中，燒結成的外層內俘獲有這類氣體且迫使它們向上逸出。這樣，此類氣體達到逸出時的路程就比本發(fā)明所確立的徑向路程要長。
本發(fā)明的方法還包括有不同于圖1中所述的用于提供粉塵坯體的方法。下面參看圖7與8，其中示明了用于制備光纖預制件的溶膠-凝膠法的幾道工序，這樣一種方法在美國專利4605428中描述到并提出了專利權申請。
在溶膠-凝膠法中，可由玻璃制備的芯棒22取其縱軸保持垂直的位置，且使其處于一具有開孔頂蓋74與底座76的圓桶形容器72中。此容器72圍繞芯棒22同心地設置。包括有例如純度為99.99%的由乙醇稀釋的四乙氧基硅烷物料顆粒，分散于含氨水的一種液體中，形成均質的溶膠。然后將此溶膠引入到起著模子作用的容器72中，以制出一種充填于該容器內介于其內壁78與芯棒22之間的棒狀濕凝膠體。
當上述溶膠注入容器72中后，可使其凝膠化。從該容器中取出如此形成的凝膠體以及芯棒22，讓水與乙醇蒸發(fā)出而形成一干燥的凝膠體。這一凝膠體包括有附著于芯棒上的粉狀材料。這樣，就由這種溶膠-凝膠法制成了一種在芯棒22上附著了干凝膠顆粒的坯體80。
由上述這種稱之為溶膠-凝膠法制備的坯體80，必須加以熱處理使此種干燥的凝膠固結為包覆在芯棒上的一層透明玻璃?？梢园凑张c圖1中燒結粉塵坯體同樣的方式燒結坯體80來達到這一目的。為此，可將此溶膠-凝膠坯體與芯棒22吊掛于介質加熱爐60的上方，使其先依一個方向然后取一相反方向，往復進入和通過此加熱爐60。
顯然，用來燒結坯體以使其上的材料固結且同時形成一光纖預制件的這種加熱設備，也可以同樣用來調節(jié)此預制件使其適于進行拉絲。在此種情形下，芯棒與各相繼固結的粉塵料部分之溫度要提高到約1600°-1800℃的范圍。此芯棒與粉塵坯體，以低到足以在一次通過中能使該粉塵料完全燒結的速度，進入加熱爐。從已固結的粉塵料與芯棒的下端拉引出光纖，然后進行實測、涂覆與卷繞，所用方法由美國專利4547644示出，該項專利是在W.C.Bair等人名下于1985年10月15日公布的，在此引用為參考文件。
必須認識到，上述這些裝置僅僅是用來說明本發(fā)明的。本領域的技術人員可以設計出其它一些裝置都應包括在本發(fā)明的原理中并屬于本發(fā)明的精神與范圍。
權利要求
1.一種形成用于拉制光纖的預制件的方法，此方法包括下述工序提供一種能為微波能耦合的襯底件，使此襯底件牢固地包裹上一種能在此襯底件周圍固結且具有合適光學性質的材料，所說方法的特征在于具有下列工序，該工序通過將一微波能源耦合到此襯底件上，按從該襯底件朝外方向來燒結上述具有合適光學性質之材料并使其固結，由此來形成一種可用于拉制出光纖的預制件。
2.如權利要求
1所述的方法，其中，襯底件是一種將在其上面沉積粉塵材料的襯底件，所述的方法包括有這樣的工序在此襯底件上沉積可以固結并熔著于其上的一種粉塵材料;且具有這樣的特征用一微波能源與襯底件耦合，沿著從該襯底件大致徑向朝外的方向來燒結與固結此種粉塵材料，以形成一種可用于拉制出光纖的預制件。
3.如權利要求
2所述的方法，其中，所述襯底件是由玻璃材料制成的一種棒狀件。
4.如權利要求
1所述的方法，其中，所述耦合工序包括將一頻率約為2450兆赫的微波能源耦合到上述襯底件上。
5.如權利要求
4所述的方法，其中，所述襯底件是一種具有芯子與包層的固體棒狀件，此芯子所具的折射率大于此包層的折射率同時也大于被燒結粉塵材料的折射率。
6.如權利要求
5所述的方法，其中所述光纖預制件的外徑與襯底件直徑之比在約2至4的范圍內。
7.如權利要求
6所述的方法，此方法還包括如下各道工序支承起所說的襯底件使其能圍繞自身縱軸旋轉且能沿此縱軸方向往復運動，其中，所述粉塵材料的沉積是依下述工序完成的使此襯底件轉動著往復通過一熱源，同時，粉塵材料流過去與此襯底件以及已沉積上的粉塵材料相貼接。
8.如權利要求
7所述的方法，其中，所述耦合工序包括將上面沉積有粉塵材料的襯底件按其縱軸取垂直定向的方式吊掛起來，同時使此襯底件與沉積在它上面的粉塵材料，往復地進入并通過一將微波能耦合到此襯底件上的加熱爐。
9.如權利要求
3所述的方法，此方法在上述沉積工序之后還包括這樣一道工序預熱所述之襯底件的敞露部分至一可使微波能與此襯底件耦合的預定溫度。
10.如權利要求
1所述的方法，其中，所述襯底件的縱軸垂直定向且其長度方向上的一部分置于一圓筒形的容器中，這里涉及的方法包括如下各工序將包括有玻璃組分在內的具有合適光學性質之粒狀料分散于液體中以形成一種溶膠，將此溶膠注入該容器中介于前述襯底件與此容器壁之間，使此溶膠凝膠化并將凝膠干燥;其特征在于有這樣一道工序將一微波能源耦合到此襯底件上，從該襯底件沿徑向朝外的方向燒結并固結此已干燥的凝膠體，以形成一種可用于拉制出光纖的預制件。
專利摘要
首先通過圍繞一玻璃襯底棒22沉積粉塵材料來形成一坯體用于制備光纖預制件。然后燒結此粉塵坯體來固結粉塵材料以形成一可用于拉制出光纖的預制件。此種坯體較大，使最終所得的預制件能比以往所用的預制件提供出更多的光纖。為能成功地燒結此加大了的坯體，由一加熱爐60將微波能耦合于上述玻璃棒，使此種燒結從該棒沿徑向朝外進行，讓氣體能迅即逸出，從而使此種方法具有很高的效率。
文檔編號C03B37/016GK87105870SQ87105870
公開日1988年6月22日 申請日期1987年8月28日
發(fā)明者P·L·納拉希姆哈姆 申請人:美國電話電報公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan