製造預製件的方法以及從此類預製件形成光纖的方法

2023-10-11 20:21:59

專利名稱：製造預製件的方法以及從此類預製件形成光纖的方法
技術領域：
本發明涉及一種通過氣相沉積過程製造光纖預製件的方法，該方法包括以下步驟i) 提供具有供給側和排放側的中空玻璃襯底管，ii) 經由所述中空襯底管的供給側向所述中空襯底管的內部提供 摻雜或未摻雜的玻璃成形氣體，iii) 在所述中空襯底管的內部創造溫度和等離子體條件，從而影 響所述中空襯底管的內表面上的玻璃層的沉積，所述沉積被認為包 括多個獨立的階段，每個階段具有初始折射率值以及最終折射率值 並且包括多個玻璃層的沉積，所述等離子體在所述中空襯底管的供 給側附近的反轉點和排放側附近的反轉點之間沿著所述中空襯底管 的縱向軸線來回移動，同時菸灰(soot)沉積發生在所述襯底管的供 給側處，以及iv) 將在步驟iii)中獲取的所述襯底管固化為所述預製件。 本發明進一步涉及一種形成光纖的方法，其中在一端對光學預製件進行加熱，隨後從該光學預製件拉絲出光纖，並且本發明還涉 及一種預製件。
背景技術：
此類方法本質上從以本申請人名義的荷蘭專利NL 1 023 438中 已知。使用本發明，通過內部化學氣相沉積技術(CVD)，尤其是通 過等離子體化學氣相沉積(PCVD)形成光纖預製件，其中可能摻雜 的反應(reactive)玻璃成形氣體在中空玻璃襯底管內反應，導致在 該中空襯底管的內表面上沉積了 一個或多個玻璃層。在襯底管的一側，即，供給側，提供此類反應氣體，並且作為該特殊過程條件的 結果，它們在襯底管的內部形成玻璃層。能量源沿著該村底管的長 度來回移動，從而形成該玻璃層。能量源(尤其是等離子體發生器) 提供高頻能量，從而在襯底管的內部生成等離子體，在該等離子體條件下，反應玻璃成形氣體將發生反應(等離子體CVD技術)。然 而，還可能尤其是藉助於襯底管的外側的燃燒器(burner)或經由環 繞該襯底管的熔爐(furnace)以熱的形式提供能量。上述技術通常 都具有以下內容，即能量源相對於襯底管來回移動。上述技術的缺陷在於以下事實即作為能量源往復運動的結果， 瑕瘋可以在反轉點附近的沉積層發展。此類瑕瘋稱作"錐度(taper)", 在該上下文中，進一步區分幾何錐度和光錐度。將術語"幾何錐度，， 理解為意味著全部沉積的厚度，即所有玻璃層的厚度，其沿著該管 的長度不是常數。將術語"光錐度，，理解為意味著光學性質，其主 要由實際拉絲的光纖來確定，並且其沿著該預製件的長度不是恆定 的。光錐度較小程度上是由層厚度的偏差引起的，但是主要是由沿 著預製件長度上的折射率或折射率分布的偏差引起的。除了對於幾 何錐度的充分控制，還希望折射率對比度A中的偏差可以在預製件的 最大長度上儘可能地小，從而實現對將要形成的光纖的光學性質的 充分控制。錐度的劣勢是預製件的有用長度有限，這意味著從一個預製件 中可以獲取的光纖量較小。除此之外，由於所述錐度，光纖的性質 在沿著光纖的長度上可能不恆定。美國專利No. 4，741，747涉及一種製造光纖預製件的方法，其中 對所謂的端錐度的減小旨在通過在反轉點區域中作為時間函數非線 性地移動等離子體和/或沿著玻璃襯底管的長度改變等離子體的密度 而發生。歐洲專利申請No.O 038 982涉及一種製造光纖預製件的方法， 其中等離子體發生器沿著襯底管的長度移動，該等離子體發生器產 生熱區域，/人而所述熱區域可以淨皮認為是所謂的"一前一後的熱區域"，其包括至少兩個區域，即區域i和區域n。歐洲專利申請No.0 333 580涉及一種製造光纖預製件的方法， 其中使用可變功率微波發生器，但是其中沒有使用沿襯底管長度在 兩個反轉點之間來回移動的非等溫等離子體。從英國專利公開GB2 118 165已知一種製造光纖預製件的方法， 其中熱源在沿襯底管軸向上的速率是根據特定的數學方程式的，所 述速率是沿所述管的熱源位置的函數，從而要求玻璃層的總沉積厚 度在沿所述管的長度上基本上是常數。從以本申請人名義許可的美國專利No.5,188,648中已知一種制 造光纖預製件的方法，其中在等離子體每次到達襯底管氣體進口點 附近的反轉點時，中斷等離子體的移動，同時玻璃沉積繼續，等離 子體移動的該中斷至少持續0.1秒。本發明人已經發現了所謂的菸灰沉積在沉積步驟iii)期間發生 在襯底管的供給側處，該菸灰沉積將其本身表現為中空襯底管內表 面上的環，該環還沿著襯底管的特定長度擴展。假設此類菸灰沉積 作為沉積發生區域中相對低密度的等離子體的結果發生。進一步假 設沉積過程開始時中空襯底管內表面上的溫度在此類菸灰環的形成 中起到非常重要的作用。此類菸灰環的出現將對於預製件的有效長 度具有不利的影響。畢竟，襯底管中菸灰環的區域不能用於由其來 形成符合所需產品規格的光纖。所謂的菸灰沉積的另 一 個缺點在於 以下事實，即如果多個菸灰環或多或少地重疊，則玻璃層存在顯著 的破碎風險，這意味著不希望的預製件棒的損耗。發明內容因此，本發明的目的是提供一種製造光纖預製件的方法，其中 使不希望發生的玻璃層的破碎最小化。本發明的另一個目的是提供一種製造光纖預製件的方法，通過 該方法，獲取具有從該預製件拉絲出光纖的最大有效預製件長度的預製件。在技術領域中涉及的方法是根據本發明的，其特徵在於襯底管 的供給側附近的反轉點位置在步驟iii )中是沿襯底管的縱向軸線偏 移的，從而與一個階段相關的菸灰沉積發生的位置在軸向上和與其 他 一 個或多個階段相關的菸灰沉積發生的位置隔開。通過使用此類特徵達到一個或多個上述目的。因此，本發明人 發現了沿襯底管長度的菸灰環的系統的定位防止了各種菸灰環之間 的重疊的發生，從而最小化了層破碎的發生。因此，希望襯底管的 供給側附近的反轉點位置對於沉積過程的每個階段處於合適的位 置。本申請中使用的術語"階段"應當理解為意味著沉積過程的一 部分，其中沉積具有特定折射率值的玻璃層，該折射率值可以是常 數或表現出梯度。例如，在筒單步長指數分布中，可以區分纖芯和 包層，其中纖芯沉積和包層沉積可以被認為是兩個獨立的階段。纖芯的折射率可以具有扁平分布，即，恆定折射率值，或表現出特定 梯度的分布，例如拋物線梯度。在包括具有每個不同折射率值的外殼或薄片組成的w型折射率分布的情況中，包括多個玻璃層的每個外殼可以被認為是獨立階段，該階段包括襯底管的供給側附近的反 轉點自身擁有的位置，特別是在所討論的階段的沉積開始處設置該 反轉點，並且在所討論的階段的沉積過程期間其保持固定。當隨後 另一個階段的沉積開始時，重新設定供給側處的反轉點位置，並且 其在所討論的階段期間保持固定。使用此類供給側附近的反轉點的 特定的、依賴於階段的定位，該定位是在每個階段的開始時設置的， 有效地防止了 一個階段的菸灰環表現為與其他一個或多個階段的煙 灰環重疊。因為根據本發明的方法不存在菸灰環重疊的問題，所以 將不存在不希望的層破裂，並且襯底管的有效預製件長度將大於煙 灰環重疊情況中的襯底管的有效預製件長度。在本發明的特殊實施方式中，對於步驟iii)中的每個階段，供 給側附近的反轉點位置在排放側的方向上沿襯底管的縱向軸線偏 移。因此，由於防止了各種沉積階段的菸灰環重疊，從而防止了層 破碎。層破碎歸咎於以下事實，即高應力水平將引起在玻璃中的不規則的位置處發生破碎，該不規則尤其發生在菸灰環中。本發明人已經發現，當 一 個階段的菸灰沉積和其他階段的菸灰沉積之間的軸向間距至少是2mm時，將不會有層破石年，並且該軸向 間距優選是至少5mm。將術語"軸向間距"理解為意味著襯底管長 度方向上的距離。至少2 mm的軸向間距意味著具有特定寬度的一個 階段的菸灰沉積從其他 一 個或多個階段的菸灰沉積移動至少2 m m, 在該情況中，菸灰沉積重疊的可能性最小。因此，本發明人提出煙 灰環的系統的定位方法，從而防止了預製件中的層破碎。因此，希 望選擇供給側附近的反轉點的正確位置並且在沉積過程之後，隨後 確定襯底管上菸灰環的軸向寬度。對於每個沉積階段，希望確定尤 其是襯底管供給側附近的菸灰環的寬度以及諧振器反轉點的位置。 可以通過製造預製件來執行此類測量，在該預製件中，氣體供給側 的反轉點在每個階段中在排放側方向上偏移。因此，在全部沉積過 程已經終止之後，檢查由此獲取的預製件以確定每個階段菸灰環的 開始位置和寬度。如果菸灰環的寬度大於5cm，則特別希望在所討論的階段中增 加供給側處的襯底管的溫度。本發明人已經發現溫度的增加已經影 響了菸灰環的寬度。 一旦已經執行前述操作，就已經獲取了關於每 個階段的氣體供給側處的反轉點的準確位置的信息，並且在此類方 式中，每個階段的菸灰環不重疊。使用本方法，因此可能防止襯底 管供給側處的層破碎。本發明人已經進一步發現如果供給側處的襯底管溫度具有相對 低的值，例如低於1000。C，則菸灰環的寬度將出現不希望的增加。 在此類環境中，優選地增加襯底管的供給側的溫度，使得每個階段 的菸灰沉積的寬度最大是10cm,優選地最大是5cm。由於上述層破碎主要發生在襯底管的供給側，排放側附近的反 轉點的軸向位置將至少在步驟i i i)的 一 部分期間是固定的。本發明進一步涉及一種形成光纖的方法，其中加熱光學預製件出光纖。
本發明進一步涉及一種形成光纖的中空玻璃襯底管，首先通過 將所述襯底管塌縮為大塊的棒，即預製件，並且加熱該預製件的一 端以及從加熱端拉絲出光纖，該中空玻璃襯底管在其內部具有一個 或多個菸灰環，其中所述 一 個或多個菸灰環之間的縱向間距優選地
為沿該中空玻璃襯底管的縱向測量的至少2mm，尤其至少是5mm。 而且，此類中空玻璃襯底管特徵尤其在於所述一個或多個菸灰環中 的每個的寬度為沿該中空玻璃襯底管的縱向測量的最大10cm,特別
地是最大5cm。


本發明將在下文中通過多個示例得以更詳細地解釋，然而應該 注意與此相關的是本發明不限制於此類示例。 圖1示意性地示出了襯底管；
圖2示意性地示出了等離子體在該襯底管上來回移動的速率分
布；
圖3-9示意性地示出了在固化的預製件上測量的各種折射率分
布；
的折射率分布
具體實施例方式
將玻璃成形氣體的混合物在圖1中示出的中空玻璃襯底管10的 供給側20處提供給中空玻璃襯底管10，從而影響中空襯底管10內
部上的沉積。未沉積的氣體和在用於形成玻璃層的反應中形成的任
何氣體在襯底管10的排放側30處排放。為了影響玻璃層的沉積， 使用完全環繞中空襯底管10的諧振器(未示出)，等離子體40在 村底管IO的內部生成，該等離子體40在沉積過程期間在供給側20 附近的反轉點和排放側30附近的反轉點之間來回移動。該諧振器和中空襯底管10通常由熔爐(未示出)包圍。在沉積過程的開始，中 空襯底管10的供給側20附近的反轉點設定在位置A0。當該反轉點 保持在A0處時，如圖3中示意性地示出，具有對應於值n3的折射 率的多個玻璃層沉積在襯底管IO的內部。在具有折射率值n3的玻 璃層的沉積之後，可以認為該沉積是一個獨立的階段，供給側20附 近的反轉點偏移到位置Al，在這之後，第二沉積階段發生，其中具 有折射率值n2的玻璃層被沉積，如圖3所示。之後，對於最終的沉 積階段，供給側20附近的反轉點位置偏移到位置A2，其中具有折 射率值nl的玻璃層被沉積。應該理解沉積階段的數量可以根據需要 設置。
在圖2中示意性地示出等離子體40的速率分布，其中中空玻璃 襯底管10的位置示出於橫軸上並且等離子體40的歸一化速率，尤 其是諧振器的歸一化速率被示出於縱軸上。圖2清楚地示出了當等 離子體從AO移到BO，其中BO對應於圖1中AO的右側位置時，該 等離子體的速率增加。在BO-C的延伸中，其中等離子體40因此從 供給側20移向排放側30，等離子體40的速率原則上保持恆定。在 點C附近，等離子體40的速率將減小到零值，其中等離子體40返 回到反轉點DO附近的供給側20。在特定沉積階段，延伸AO-BO-C-DO 經歷了很多次。
在圖3中，標號 對應於襯底管的折射率值。在上述沉積過程 期間，因此，其中可以區分三個階段，排放側30附近的反轉點位置 保持不變。然而，還可能在沉積過程期間偏移排放側30附近的反轉 點，在該情況中，可以佔據對應於DO、 D1或D2的位置。為了實現 襯底管10上每個沉積階段的菸灰環之間的至少5mm的軸向間距， 位置AO設置在Omm，位置Al設置在30mm並且位置A2設置在 60mm,這意味著供給側20附近的反轉點在上述每個階段中在排放 側30的方向上在距離上偏移了 30mm。而且，反轉點附近的加速和 減速對於每個階段的供給側和排放側兩者保持恆定。
圖4示意性地示出了固化預製件(未示出)的折射率分布，其中沉積過程事實上包括兩個獨立階段，即，在折射率值對應於襯底
管s的折射率值的包層c或外殼的中空襯底管(未示出)的內部的
沉積，以及其中沉積具有對應於纖芯K的折射率值nl的玻璃層的沉 積階段。
圖5示意性地示出了固化預製件(未示出)的折射率分布，其 中該沉積過程包括四個獨立階段，即，首先是具有折射率值11￡的包
層C的襯底管S的內部的沉積，之後是具有折射率值n3的外殼、具 有折射率值n2的外殼以及具有折射率值nl的纖芯部分K的沉積。 在上述四個階段的沉積期間，在每個階段的開始確定中空襯底管的 供給側附近的反轉點，並且在所討論的階段期間保持恆定，所述反 轉點針對每個階段佔據唯一 的位置。
圖6示意性地示出了固化預製件(未示出)的折射率分布，其 中可以區分三個獨立階段，即具有折射率值11￡的包層1 Cl、具有折 射率值n。的包層2C2以及具有折射率值nl的纖芯部分、具有不同 化學合成物但是具有相等的折射率值的包層1和包層2。在每個獨立 階段的沉積過程的開始設定供給側附近的反轉點位置，之後，針對 每個後續階段，重新確定供給側附近的反轉點。
圖7示意性地示出了固化預製件(未示出)的折射率分布，其 中該沉積過程包括兩個階段，即第一階段，其中沉積具有折射率值 r^的包層C,接下來沉積具有折射率值nl的纖芯部分K。圖7清楚
地示出了該纖芯部分表現出折射率梯度。在每個階段的開始確定供 給側附近的反轉點。
圖8中示出的折射率分布基本上對應於圖7所示出的，除了纖 芯部分現在表現出代替圖7中示出的拋物線梯度的線性梯度。
圖9中示出的折射率分布基本上對應於圖7所示出的，除了圖9 中示出的折射率分布，其中纖芯的拋物線梯度已經開始於纖芯部分 的邊緣，同時在圖7的折射率分布中，折射率值首先表現出"跳躍"， 之後該折射率值符合拋物線梯度。
特別地，本發明目的在於設置供給側附近的反轉點的位置，從而與此類階段相關的菸灰環將不與其他一個或多個階段的一個或多 個菸灰環重疊。
權利要求
1. 一種通過氣相沉積過程製造光纖預製件的方法，所述方法包括以下步驟i)提供具有供給側和排放側的中空玻璃襯底管，ii)經由所述中空襯底管的供給側向所述中空襯底管的內部提供摻雜或未摻雜的玻璃成形氣體，iii)在所述中空襯底管的內部創造溫度和等離子體條件，從而影響所述中空襯底管的內表面上的玻璃層的沉積，所述沉積被認為包括多個獨立的階段，每個階段具有初始折射率值以及最終折射率值並且包括多個玻璃層的沉積，所述等離子體在所述中空襯底管的供給側附近的反轉點和排放側附近的反轉點之間沿著所述中空襯底管的縱向軸線來回移動，同時菸灰沉積發生在所述襯底管的供給側處，以及iv)將在步驟iii)中獲取的所述襯底管固化為所述預製件，其特徵在於所述襯底管的供給側附近的所述反轉點位置沿步驟iii)中的所述襯底管的縱向軸線偏移，從而與一個階段相關的菸灰沉積發生的位置在軸線方向上和與其他一個或多個階段相關的菸灰沉積發生的位置隔開。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於針對步驟iii)中的 每個階段，所述供給側附近的反轉點的位置在所述排放側的方向上 沿著所述襯底管的縱向軸線偏移。
3. 根據權利要求l-2所述的方法，其特徵在於所述軸向間距至 少是2mm。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述軸向間距至少 是5mm。
5. 根據前述權利要求中的任意一項或多項所述的方法，其特徵 在於所述村底管的供給側附近的反轉點的軸向位置在步驟iii)中的 每個階段的開始處設置，並且在所述階段期間是固定的。
6. 根據前述權利要求中的任意一項或多項所述的方法，其特徵 在於在步驟iii)中設置所述供給側附近的村底管的溫度，從而每個 階段的所述菸灰沉積具有沿著所述村底管的縱向軸線測量的最大 10cm的寬度。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於設置所述溫度，從 而每個階段的所述菸灰沉積具有沿著所述襯底管的縱向軸線測量的最大5cm的寬度。
8. 根據前述權利要求中的任意一項或多項所述的方法，其特徵 在於所述排放側附近的反轉點的軸向位置至少在步驟iii)的部分期 間是固定的。
9. 一種形成光纖的方法，其中在一端對光學預製件進行加熱， 隨後從所述光學預製件拉絲出光纖，其特徵在於使用如根據權利要 求1-8中的任意一項或多項獲取的所述預製件。
10. —種用作預製件的中空玻璃襯底管，所述預製件用於通過加 熱所述預製件的一端並且^^人所述加熱端4立絲出光纖^v而形成光纖， 所述預製件在其內部具有一個或多個菸灰環，其特徵在於所述一個 或多個菸灰環之間的軸向間距優選地為沿著所述中空玻璃襯底管的 《從向測量的至少2mm。
11. 根據權利要求IO所述的中空玻璃襯底管，其特徵在於所述 一個或多個菸灰環之間的軸向間距優選地為沿著所述中空玻璃襯底 管的縱向測量的至少5mm。
12. 根據權利要求10-11中一項或兩項所述的中空玻璃襯底管， 其特徵在於所述一個或多個菸灰環的每個的寬度為沿著所述中空玻 璃襯底管的縱向測量的最大10cm。
全文摘要
一種用於通過氣相沉積過程製造光纖預製件的方法，其中創建等離子體條件，並且其中該等離子體在中空襯底管供給側附近的反轉點和排放側附近的反轉點之間沿著中空襯底管的縱向軸線來回移動，從而與一個階段相關的菸灰沉積發生的位置在軸線方向上和與其他一個或者多個階段相關的菸灰沉積發生的位置隔開。
文檔編號C03B37/018GK101293732SQ20081009129
公開日2008年10月29日 申請日期2008年4月28日 優先權日2007年4月27日
發明者I·米利克維克, J·A·哈特蘇伊克, M·J·N·范斯特拉倫, M·科爾斯滕, R·H·M·德克斯 申請人:德雷卡通信技術公司