具有外包管的光纤预型件 本申请是申请日为 2005 年 8 月 23 日、 申请号为 200510091570.7 的发明专利申请 “具有外包管的光纤预型件” 的分案申请。该申请的优先权为 2005 年 3 月 23 日申请的美国 专利申请 No.11/088076， 该美国专利申请 No.11/088076 已经于 2010 年 1 月 5 日在美国被 授权， 专利号为 U.S.No.7641969。
技术领域
本发明涉及光纤预型件， 具体涉及用多个外包管制作的预型件。 背景技术 用于传输数据和信息的光纤通常用下面方法生产， 即将玻璃光纤预型件的一端下 降到垂直光纤拉丝炉的炉口中， 并在该预型件下降通过该炉子中的高温区域时加热该预型 件。在预型件的受热端部形成软的玻璃滴， 然后从该软玻璃滴拉出光纤。采用所谓管中杆 (RIT) 方法组装预型件。
在 RIT 预型件中， 实心的玻璃杆沿轴向支承在圆筒形的玻璃外包管中。该玻璃杆 仅由芯材料构成， 或者具有周面的外包层材料。因此外包管在用组装的杆和管上拉出的光 纤中起外包层源的作用。该玻璃杆在下面简称为 “芯” 杆， 即使该杆通常具有外包层材料。
在拉光纤时， 该管被加热， 直至它软化， 并塌缩在杆上， 该管玻璃与杆上的外玻璃 层结合成一体。然后从该结合的杆和管拉出具有相当厚外包层的光纤， 这种拉丝工艺有时 称为拉丝期间形成外包层工艺， 或者简称为 ODD 工艺。参见 CN1504432A(2004 年 6 月 16 日 公开 ) 题为 “管棒光纤预型和方法” ； EP1182173(2002 年 2 月 27 日公开 ) 题为 “用于制造预 型件和光纤的光纤预型件和方法 (Preform foroptical fibres and methods for making the preform and opticalfibres)” ； US6460378(2002 年 10 月 8 日公开 ) 题为 “在同一炉 子中塌缩多管组件和随后光纤拉拔 (Collapsing a Multitube Assembly andSubsequent Optical Fiber Drawing in the Same Furnace)” 。
按照 US6460378 中公开的一个实施例， 芯杆放在第一外包管中， 第二外包管套在 第一外包管上。芯杆和两个外包管在这样的条件下受到加热， 使得管部分塌缩在杆的一个 端部上， 由此形成整体的多包层预型件， 随后将预型件的那一端插入到垂直光纤拉丝炉中。 当管子进一步塌缩并与芯杆结成一体时， 便可以在炉中拉出具有要求包层 - 芯质量比的 ODD 光纤。
因为适合的芯杆的长度通常远比市场上买的未切开的长度短， 所以通常的作法 是， 在芯杆的上面叠放牺牲玻璃间隔件， 以便得到与外包管长度匹配的内芯全长。 然而一旦 芯杆的所有材料被拉成光纤的芯时， 必须废弃预型件的其余部分。因此这种方法无助于降 低成本和形成持久的制造工艺。
采用在长度和直径均较大的预型件可以得到成本低的优点。如上所述， 芯杆的有 效长度决定预型件的有用长度。但是用芯杆材料制造长杆例如长度大于 2 米的长度， 是很 困难的， 因为有缺陷， 例如形成气泡， 或者光学特性差别超过规定范围。在切去单一长芯杆
有缺陷部分后， 通常只留下相当短的剩余部分。
已知将多个段芯杆沿轴线在一条直线上端对端地焊接起来形成连续的长的芯杆。 参考美国专利 No.4195980(1980 年 4 月 1 日公开 ) 和 No.4407677(1983 年 10 月 4 日公开 )。 然而这是一个增加成本的额外加工步骤， 并且负面影响用焊接部分拉出的光纤的质量， 即 由于焊接热源的作用， 增加了羟基 OH 的浓度。
在上面提到的 EP1182173 中公开的 ODD 预型件中， 多个芯杆轴向堆叠在外包管的 内部， 使得当与传统的大约 2cm 或以上的捻接接头相比， 堆叠的杆的端部之间的界面相对 较小 ( 例如大约 1mm)。如 EP1182173 的
段陈述的那样， 对于 90mm 直径的预型件， 在 堆叠的杆之间的每 1mm 的界面转化为仅仅大约 520m 的可能是降低质量的拉拔光纤， 而在杆 之间的每 2cm 的捻接接头将会转化为大约 10.2km 的降低质量的拉拔光纤。EP1182173 也 在
段陈述了如下实施例 “有用于双层包覆技术， 其中一个或多个预型件芯和多个内 包覆管被堆叠在单个、 第二 ( 外 ) 包覆管内” 。然而， 该文献没有进一步详细地示出或描述 该实施例。也参考美国专利 US6434975(2002 年 8 月 20 日公开 )， 该专利公开一种生产色散 可控 (DM) 光纤的预型件， 其中组装预型件， 方法是选择性将多个芯杆小片插入到玻璃外包 管中， 相邻的芯杆小片具有不同的光学特性。
在制造具有大于例如两米长度的直的外包管的过程中也产生了困难。 管的中心轴 线经常从直线偏离， 使得管的部分成弓形， 并且管的整体尺寸公差超出用于 ODD 预型件所 需的范围。如果切掉成弓形的部分， 那么剩余的直管部分会通过对接焊或者通过在接头上 放置玻璃衬套并且熔融密封接头而被端对端地接合， 从而获得需要长度和尺寸精度的外包 管。例如参考上面提到的美国专利 US4195980。然而， 将会理解到， 这种焊接或熔融密封将 导致在接头区域产生杂质， 并且拉拔光纤的对应于在预型件中接头区域的那些部分将可能 是降低质量的并且变成废品。
在准备外包管品种的大尺寸预型件时， 在预型件的径向轮廓上也必须获得满意的 界面玻璃质量。在芯杆外周面和第一外包管内周面之间的界面是关键的， 必须满足严格的 材料特性要求。例如， 羟基 (OH) 离子或者水浓度显著影响信号通过所谓零水峰或者低水峰 (1383nm) 光纤的信号衰减。这要求第一外包管用昂贵的高纯玻璃制造， 如果预型件仅用一 个外包管， 则需要大量这样玻璃。在界面上起杂质作用而又影响所拉光纤光信号衰减的其 他元素或者离子包括 ( 但不限于 )Cl、 Al、 Fe、 Ca、 Mg、 K、 Na、 Li、 Ni、 Cr、 Cu、 Ti、 V 和 Zn。参 考 R.H.Doremus， Glass Science(1973) 第 321 页， 该文献作为参考包含在本文中。
JP58-074534(1983 年 5 月 6 日公开 ) 公开了用于制造传统单极光纤的预型件。高 纯度的内包管被布置在芯杆的周围。具有相对低纯度的椭圆外包管被布置在内包管周围， 并且内包管的粘度低于外包管的粘度。因为内包管的壁厚度是大约 2mm， 然而， 在制造预型 件的过程中， 在外包管中存在的诸如 OH 之类的杂质能够自由分散通过内包管的薄壁， 并且 进入芯杆。一旦它们进入芯杆， 杂质能够显著地有助于从预型件稍后拉拔的任何光纤的信 号衰减。 发明内容
按照本发明， 一种组装光纤预型件的方法， 其特征在于， 提供外部玻璃外包管， 其 具有 ： 轴线 ； 在管的下部远端处形成的开口 ； 一定的壁厚 W2 ； 以及杂质浓度， 所述杂质包括如果在从预型件拉拔出的光纤芯的区域中存在则有助于衰减的一种或多种搀杂物或化学 物质。在外部管内部端对端地沿轴向支撑多个更高纯度的内部玻璃外包管部分， 以形成具 有轴线、 开口底端和壁厚 W1 的内部玻璃外包管。
外部外包管的壁厚形成得充分大于内部外包管的壁厚， 以使拉出的光纤获得要求 的包层 - 芯质量比， 并且基本上不会由于外部外包管中更大的杂质浓度而影响光纤中的信 号衰减。将一个或多个芯杆段沿轴向插入到内部外包管内， 并且在最下部的芯杆段和一部 分内部外包管以下， 在外部外包管的下部远端处的开口中固定玻璃塞子， 从而阻塞芯杆段 避免退出内部外包管的底部， 并且在外部外包管内部支撑内部外包管部分。
按照本发明另一方面， 一种多外包光纤预型件， 其特征在于， 外部玻璃外包管具 有： 轴线 ； 在管的下部远端处形成的开口 ； 壁厚 W2 ； 以及杂质浓度， 所述杂质包括如果在从 预型件拉拔出的光纤芯的区域中存在则有助于衰减的一种或多种搀杂物或化学物质。
在外部管内部端对端地支撑比外部外包管更高纯度的多个内部玻璃外包管部分， 以形成具有轴线、 开口底端和壁厚的内部玻璃外包管。外部外包管的壁厚充分大于内部外 包管的壁厚， 以使拉出的光纤获得要求的包层 - 芯质量比， 并且光纤中的信号衰减基本上 不由于第二外包管中更大的杂质浓度而受到影响。 将一个或多个芯杆段沿轴向插入到内部外包管内， 以及在最下部的芯杆段和一部 分内部外包管以下， 在外部外包管的下部端处的开口中固定玻璃塞子， 用于阻塞芯杆段避 免退出内部外包管的底部， 并且在外部外包管内部支撑内部外包管部分。
为了更好地理解本发明， 下面结合附图和所附的权利要求书进行说明。
附图说明 这些附图是 ：
图 1 立视横截面图， 示出本发明的光纤预型件 ；
图 2 是图 1 所示预型件下部分的详细横截面图 ；
段陈述的那样， 对于 90mm 直径的预型件， 在 堆叠的杆之间的每 1mm 的界面转化为仅仅大约 520m 的可能是降低质量的拉拔光纤， 而在杆 之间的每 2cm 的捻接接头将会转化为大约 10.2km 的降低质量的拉拔光纤。EP1182173 也 在
段陈述了如下实施例 “有用于双层包覆技术， 其中一个或多个预型件芯和多个内 包覆管被堆叠在单个、 第二 ( 外 ) 包覆管内” 。然而， 该文献没有进一步详细地示出或描述 该实施例。也参考美国专利 US6434975(2002 年 8 月 20 日公开 )， 该专利公开一种生产色散 可控 (DM) 光纤的预型件， 其中组装预型件， 方法是选择性将多个芯杆小片插入到玻璃外包 管中， 相邻的芯杆小片具有不同的光学特性。
在制造具有大于例如两米长度的直的外包管的过程中也产生了困难。 管的中心轴 线经常从直线偏离， 使得管的部分成弓形， 并且管的整体尺寸公差超出用于 ODD 预型件所 需的范围。如果切掉成弓形的部分， 那么剩余的直管部分会通过对接焊或者通过在接头上 放置玻璃衬套并且熔融密封接头而被端对端地接合， 从而获得需要长度和尺寸精度的外包 管。例如参考上面提到的美国专利 US4195980。然而， 将会理解到， 这种焊接或熔融密封将 导致在接头区域产生杂质， 并且拉拔光纤的对应于在预型件中接头区域的那些部分将可能 是降低质量的并且变成废品。
在准备外包管品种的大尺寸预型件时， 在预型件的径向轮廓上也必须获得满意的 界面玻璃质量。在芯杆外周面和第一外包管内周面之间的界面是关键的， 必须满足严格的 材料特性要求。例如， 羟基 (OH) 离子或者水浓度显著影响信号通过所谓零水峰或者低水峰 (1383nm) 光纤的信号衰减。这要求第一外包管用昂贵的高纯玻璃制造， 如果预型件仅用一 个外包管， 则需要大量这样玻璃。在界面上起杂质作用而又影响所拉光纤光信号衰减的其 他元素或者离子包括 ( 但不限于 )Cl、 Al、 Fe、 Ca、 Mg、 K、 Na、 Li、 Ni、 Cr、 Cu、 Ti、 V 和 Zn。参 考 R.H.Doremus， Glass Science(1973) 第 321 页， 该文献作为参考包含在本文中。
JP58-074534(1983 年 5 月 6 日公开 ) 公开了用于制造传统单极光纤的预型件。高 纯度的内包管被布置在芯杆的周围。具有相对低纯度的椭圆外包管被布置在内包管周围， 并且内包管的粘度低于外包管的粘度。因为内包管的壁厚度是大约 2mm， 然而， 在制造预型 件的过程中， 在外包管中存在的诸如 OH 之类的杂质能够自由分散通过内包管的薄壁， 并且 进入芯杆。一旦它们进入芯杆， 杂质能够显著地有助于从预型件稍后拉拔的任何光纤的信 号衰减。 发明内容
按照本发明， 一种组装光纤预型件的方法， 其特征在于， 提供外部玻璃外包管， 其 具有 ： 轴线 ； 在管的下部远端处形成的开口 ； 一定的壁厚 W2 ； 以及杂质浓度， 所述杂质包括如果在从预型件拉拔出的光纤芯的区域中存在则有助于衰减的一种或多种搀杂物或化学 物质。在外部管内部端对端地沿轴向支撑多个更高纯度的内部玻璃外包管部分， 以形成具 有轴线、 开口底端和壁厚 W1 的内部玻璃外包管。
外部外包管的壁厚形成得充分大于内部外包管的壁厚， 以使拉出的光纤获得要求 的包层 - 芯质量比， 并且基本上不会由于外部外包管中更大的杂质浓度而影响光纤中的信 号衰减。将一个或多个芯杆段沿轴向插入到内部外包管内， 并且在最下部的芯杆段和一部 分内部外包管以下， 在外部外包管的下部远端处的开口中固定玻璃塞子， 从而阻塞芯杆段 避免退出内部外包管的底部， 并且在外部外包管内部支撑内部外包管部分。
按照本发明另一方面， 一种多外包光纤预型件， 其特征在于， 外部玻璃外包管具 有： 轴线 ； 在管的下部远端处形成的开口 ； 壁厚 W2 ； 以及杂质浓度， 所述杂质包括如果在从 预型件拉拔出的光纤芯的区域中存在则有助于衰减的一种或多种搀杂物或化学物质。
在外部管内部端对端地支撑比外部外包管更高纯度的多个内部玻璃外包管部分， 以形成具有轴线、 开口底端和壁厚的内部玻璃外包管。外部外包管的壁厚充分大于内部外 包管的壁厚， 以使拉出的光纤获得要求的包层 - 芯质量比， 并且光纤中的信号衰减基本上 不由于第二外包管中更大的杂质浓度而受到影响。 将一个或多个芯杆段沿轴向插入到内部外包管内， 以及在最下部的芯杆段和一部 分内部外包管以下， 在外部外包管的下部端处的开口中固定玻璃塞子， 用于阻塞芯杆段避 免退出内部外包管的底部， 并且在外部外包管内部支撑内部外包管部分。
为了更好地理解本发明， 下面结合附图和所附的权利要求书进行说明。
附图说明 这些附图是 ：
图 1 立视横截面图， 示出本发明的光纤预型件 ；
图 2 是图 1 所示预型件下部分的详细横截面图 ；
图 3 示出预型件插入垂直拉丝炉之前， 该预型件相对于图 2 的图面绕其轴线转动 90°时预型件的下部分 ；
图 4 是横截面图， 示出光纤预型件下放到图 3 所示拉丝炉高温区域之后， 预型件的 下部分， 图中示出形成的软滴， 以便拉光纤 ；
图 5 是方块图， 示出组装本发明预型件和用这种预型件拉光纤的步骤 ；
图 6 是立视放大图， 示出形成预型件一部分的间隔件 ；
图 7 是图 6 所示间隔件的顶视图。
具体实施方式
图 1 示出本发明的光纤预型件 10。图 2 是图 1 所示预型件下部分的放大横截面 图。该预型件 10 基本上包括多个段圆柱形的芯杆 18， 这些芯杆沿轴向端对端地叠放在第 一或内部玻璃外包管 20 中， 芯杆段 18 用一根长的具有外覆层的芯杆作成， 该长的有外层 芯杆可以采用已知的改进化学蒸汽沉积 (MCVD) 工艺或者用等效的工艺例如轴向蒸汽沉积 (VAD) 或者外侧蒸汽沉积 (OVD) 工艺制造， 但不限于这些工艺。 或者， 各个芯杆段 18 仅仅包 括没有外层的光纤芯材料。芯杆段 18 的轴向端面最好用例如金刚石锯锯成平的。第一外包管 20 沿轴向排列在第二或外部外包管 21 中。该第二外包管 21 可以从 市场上买到， 形式为石英玻璃圆筒。如附图所示， 管 21 远端或者下端 16 的外周面最好形成 为切头圆锥体， 具有径向向内的例如 24°锥角 T( 图 2)。空心圆筒把手 23( 见图 1) 形成在 管 21 的顶部， 而短的玻璃间隔件 25 顶着把手 23 中轴向孔 27 的底部。在图 6 和 7 放大图 中示出的间隔件 25 作成和配置成可以盖住第一外包管 20 的顶端 29， 并阻止芯杆段 18 在该 管内的向上运动。该间隔件最好沿轴向从第二外包管 21 的底端插入到可以阻止间隔件进 一步移入到管子把手 23 孔 27 中的位置， 方法是采用例如在把手孔 27 上形成的环形凸出部 或者径向台阶 31 防止这种运动。因此间隔件 25 还起着防止第一外包管 20 移动到把手孔 27 中的作用。
已经发现， 形成第二外包管 21 的玻璃可以包括比第一外包管 20 中给定杂质的浓 度更高的同一杂质浓度， 而不会显著增加信号通过用组装预型件 10 所拉光纤的信号衰减。 例如， 周围环境将在芯杆的外周面和第一外包管内周面之间的界面上产生约 2ppm( 百万分 二 ) 的羟基离子 OH。这一 OH 浓度加上芯杆中存在的剩余 OH 和典型的雷利散射损失， 可能 在波长 1383nm 形成每千米拉出光纤约 0.028dB 的衰减。对第一外包管的玻璃采用低浓度 OH 例如约 0.2ppm 的高纯度玻璃， 该 OH 将增加约 0.002dB/km 衰减。但是如果第二外包管用 OH 浓度高到 5.0ppm 的玻璃制造时， 则发现， 第二外包管中存在的 OH 只造成约 0.0015dB/km 的光纤衰减。 因此， 第一外包管 20 最好用高纯玻璃制造， 并具有相当薄的管壁 ( 例如在约 4-6mm 之间 )， 以便尽量降低成本。第二外包管 21 具有厚得多的壁厚度 ( 例如约 28mm)， 以便使拉 出的光纤达到要求的包层 - 芯质量比， 而且可以用价格比第一玻璃外包管 20 玻璃价格低得 多的玻璃制造。
图 3 的上半部分示出预型件相对于图 2 的图面绕其长轴线 A 转动 90°时该预型件 的下部分。如图 3 所示， 整个光纤预型件 10 的下端部分 16 已被配置成稳定的机械组件， 可 以在光纤拉丝工艺开始时， 插入到垂直光纤拉丝炉 14 的炉口 12 中。
锥角 T 近似于缩颈倾角 13， 如图 4 所示， 当该下端部在光纤拉丝炉 14 高温区域 15 中软化时， 该缩颈倾角由预型件的该下端部形成， 因此形成软的玻璃滴 17。正确选择锥角 T 可以尽量增加预型件 10 拉光纤可用的轴向长度， 并且可以尽量减小滴 17 的大小， 有助于开 始从预型件拉出光纤。
在公开的实施例中， 将圆柱形塞子 22 支承在第二玻璃外包管 21 的开口远端中， 如 图 1-3 所示。该塞子 22 采用例如市场上买的天然石英， 或者合成的熔化石英， 或者等效的 材料制作。钻上或者用其他的方法形成孔 24 和 26( 见图 2)， 该孔在管下端径向相对位置， 沿垂直于管轴线 A 的轴线 O， 穿过管 21 的锥形壁。该塞子用销钉 28 固定于管 21， 该销钉从 孔 24 和 26 中的一个孔插入， 进入塞子中的横向孔 30， 从而穿过塞子的横向孔 30， 进入管壁 上孔 26、 24 中的相对孔。该销钉 28 用例如市场上买的人工合成熔凝石英或者等效的材料 制作。
为了组装预型件， 将间隔件 25 沿轴向插入第二外包管 21 的下端或者远端， 随后插 入包含芯杆段 18 的第一外包管 20， 然后再插入塞子 22。在优选的组装方法中， 该间隔件 25、 芯杆段 18 和塞子 22 在一开始便沿轴向装在一个细长的管架中， 其中 (a) 在芯杆段的相 对轴向端面之间， (b) 在间隔件 25 和最上面的芯杆段之间和 (c) 在塞子 22 和最下面的芯
段陈述了如下实施例 “有用于双层包覆技术， 其中一个或多个预型件芯和多个内 包覆管被堆叠在单个、 第二 ( 外 ) 包覆管内” 。然而， 该文献没有进一步详细地示出或描述 该实施例。也参考美国专利 US6434975(2002 年 8 月 20 日公开 )， 该专利公开一种生产色散 可控 (DM) 光纤的预型件， 其中组装预型件， 方法是选择性将多个芯杆小片插入到玻璃外包 管中， 相邻的芯杆小片具有不同的光学特性。
在制造具有大于例如两米长度的直的外包管的过程中也产生了困难。 管的中心轴 线经常从直线偏离， 使得管的部分成弓形， 并且管的整体尺寸公差超出用于 ODD 预型件所 需的范围。如果切掉成弓形的部分， 那么剩余的直管部分会通过对接焊或者通过在接头上 放置玻璃衬套并且熔融密封接头而被端对端地接合， 从而获得需要长度和尺寸精度的外包 管。例如参考上面提到的美国专利 US4195980。然而， 将会理解到， 这种焊接或熔融密封将 导致在接头区域产生杂质， 并且拉拔光纤的对应于在预型件中接头区域的那些部分将可能 是降低质量的并且变成废品。
在准备外包管品种的大尺寸预型件时， 在预型件的径向轮廓上也必须获得满意的 界面玻璃质量。在芯杆外周面和第一外包管内周面之间的界面是关键的， 必须满足严格的 材料特性要求。例如， 羟基 (OH) 离子或者水浓度显著影响信号通过所谓零水峰或者低水峰 (1383nm) 光纤的信号衰减。这要求第一外包管用昂贵的高纯玻璃制造， 如果预型件仅用一 个外包管， 则需要大量这样玻璃。在界面上起杂质作用而又影响所拉光纤光信号衰减的其 他元素或者离子包括 ( 但不限于 )Cl、 Al、 Fe、 Ca、 Mg、 K、 Na、 Li、 Ni、 Cr、 Cu、 Ti、 V 和 Zn。参 考 R.H.Doremus， Glass Science(1973) 第 321 页， 该文献作为参考包含在本文中。
JP58-074534(1983 年 5 月 6 日公开 ) 公开了用于制造传统单极光纤的预型件。高 纯度的内包管被布置在芯杆的周围。具有相对低纯度的椭圆外包管被布置在内包管周围， 并且内包管的粘度低于外包管的粘度。因为内包管的壁厚度是大约 2mm， 然而， 在制造预型 件的过程中， 在外包管中存在的诸如 OH 之类的杂质能够自由分散通过内包管的薄壁， 并且 进入芯杆。一旦它们进入芯杆， 杂质能够显著地有助于从预型件稍后拉拔的任何光纤的信 号衰减。 发明内容
按照本发明， 一种组装光纤预型件的方法， 其特征在于， 提供外部玻璃外包管， 其 具有 ： 轴线 ； 在管的下部远端处形成的开口 ； 一定的壁厚 W2 ； 以及杂质浓度， 所述杂质包括如果在从预型件拉拔出的光纤芯的区域中存在则有助于衰减的一种或多种搀杂物或化学 物质。在外部管内部端对端地沿轴向支撑多个更高纯度的内部玻璃外包管部分， 以形成具 有轴线、 开口底端和壁厚 W1 的内部玻璃外包管。
外部外包管的壁厚形成得充分大于内部外包管的壁厚， 以使拉出的光纤获得要求 的包层 - 芯质量比， 并且基本上不会由于外部外包管中更大的杂质浓度而影响光纤中的信 号衰减。将一个或多个芯杆段沿轴向插入到内部外包管内， 并且在最下部的芯杆段和一部 分内部外包管以下， 在外部外包管的下部远端处的开口中固定玻璃塞子， 从而阻塞芯杆段 避免退出内部外包管的底部， 并且在外部外包管内部支撑内部外包管部分。
按照本发明另一方面， 一种多外包光纤预型件， 其特征在于， 外部玻璃外包管具 有： 轴线 ； 在管的下部远端处形成的开口 ； 壁厚 W2 ； 以及杂质浓度， 所述杂质包括如果在从 预型件拉拔出的光纤芯的区域中存在则有助于衰减的一种或多种搀杂物或化学物质。
在外部管内部端对端地支撑比外部外包管更高纯度的多个内部玻璃外包管部分， 以形成具有轴线、 开口底端和壁厚的内部玻璃外包管。外部外包管的壁厚充分大于内部外 包管的壁厚， 以使拉出的光纤获得要求的包层 - 芯质量比， 并且光纤中的信号衰减基本上 不由于第二外包管中更大的杂质浓度而受到影响。 将一个或多个芯杆段沿轴向插入到内部外包管内， 以及在最下部的芯杆段和一部 分内部外包管以下， 在外部外包管的下部端处的开口中固定玻璃塞子， 用于阻塞芯杆段避 免退出内部外包管的底部， 并且在外部外包管内部支撑内部外包管部分。
为了更好地理解本发明， 下面结合附图和所附的权利要求书进行说明。
附图说明 这些附图是 ：
图 1 立视横截面图， 示出本发明的光纤预型件 ；
图 2 是图 1 所示预型件下部分的详细横截面图 ；
图 3 示出预型件插入垂直拉丝炉之前， 该预型件相对于图 2 的图面绕其轴线转动 90°时预型件的下部分 ；
图 4 是横截面图， 示出光纤预型件下放到图 3 所示拉丝炉高温区域之后， 预型件的 下部分， 图中示出形成的软滴， 以便拉光纤 ；
图 5 是方块图， 示出组装本发明预型件和用这种预型件拉光纤的步骤 ；
图 6 是立视放大图， 示出形成预型件一部分的间隔件 ；
图 7 是图 6 所示间隔件的顶视图。
具体实施方式
图 1 示出本发明的光纤预型件 10。图 2 是图 1 所示预型件下部分的放大横截面 图。该预型件 10 基本上包括多个段圆柱形的芯杆 18， 这些芯杆沿轴向端对端地叠放在第 一或内部玻璃外包管 20 中， 芯杆段 18 用一根长的具有外覆层的芯杆作成， 该长的有外层 芯杆可以采用已知的改进化学蒸汽沉积 (MCVD) 工艺或者用等效的工艺例如轴向蒸汽沉积 (VAD) 或者外侧蒸汽沉积 (OVD) 工艺制造， 但不限于这些工艺。 或者， 各个芯杆段 18 仅仅包 括没有外层的光纤芯材料。芯杆段 18 的轴向端面最好用例如金刚石锯锯成平的。第一外包管 20 沿轴向排列在第二或外部外包管 21 中。该第二外包管 21 可以从 市场上买到， 形式为石英玻璃圆筒。如附图所示， 管 21 远端或者下端 16 的外周面最好形成 为切头圆锥体， 具有径向向内的例如 24°锥角 T( 图 2)。空心圆筒把手 23( 见图 1) 形成在 管 21 的顶部， 而短的玻璃间隔件 25 顶着把手 23 中轴向孔 27 的底部。在图 6 和 7 放大图 中示出的间隔件 25 作成和配置成可以盖住第一外包管 20 的顶端 29， 并阻止芯杆段 18 在该 管内的向上运动。该间隔件最好沿轴向从第二外包管 21 的底端插入到可以阻止间隔件进 一步移入到管子把手 23 孔 27 中的位置， 方法是采用例如在把手孔 27 上形成的环形凸出部 或者径向台阶 31 防止这种运动。因此间隔件 25 还起着防止第一外包管 20 移动到把手孔 27 中的作用。
已经发现， 形成第二外包管 21 的玻璃可以包括比第一外包管 20 中给定杂质的浓 度更高的同一杂质浓度， 而不会显著增加信号通过用组装预型件 10 所拉光纤的信号衰减。 例如， 周围环境将在芯杆的外周面和第一外包管内周面之间的界面上产生约 2ppm( 百万分 二 ) 的羟基离子 OH。这一 OH 浓度加上芯杆中存在的剩余 OH 和典型的雷利散射损失， 可能 在波长 1383nm 形成每千米拉出光纤约 0.028dB 的衰减。对第一外包管的玻璃采用低浓度 OH 例如约 0.2ppm 的高纯度玻璃， 该 OH 将增加约 0.002dB/km 衰减。但是如果第二外包管用 OH 浓度高到 5.0ppm 的玻璃制造时， 则发现， 第二外包管中存在的 OH 只造成约 0.0015dB/km 的光纤衰减。 因此， 第一外包管 20 最好用高纯玻璃制造， 并具有相当薄的管壁 ( 例如在约 4-6mm 之间 )， 以便尽量降低成本。第二外包管 21 具有厚得多的壁厚度 ( 例如约 28mm)， 以便使拉 出的光纤达到要求的包层 - 芯质量比， 而且可以用价格比第一玻璃外包管 20 玻璃价格低得 多的玻璃制造。
图 3 的上半部分示出预型件相对于图 2 的图面绕其长轴线 A 转动 90°时该预型件 的下部分。如图 3 所示， 整个光纤预型件 10 的下端部分 16 已被配置成稳定的机械组件， 可 以在光纤拉丝工艺开始时， 插入到垂直光纤拉丝炉 14 的炉口 12 中。
锥角 T 近似于缩颈倾角 13， 如图 4 所示， 当该下端部在光纤拉丝炉 14 高温区域 15 中软化时， 该缩颈倾角由预型件的该下端部形成， 因此形成软的玻璃滴 17。正确选择锥角 T 可以尽量增加预型件 10 拉光纤可用的轴向长度， 并且可以尽量减小滴 17 的大小， 有助于开 始从预型件拉出光纤。
在公开的实施例中， 将圆柱形塞子 22 支承在第二玻璃外包管 21 的开口远端中， 如 图 1-3 所示。该塞子 22 采用例如市场上买的天然石英， 或者合成的熔化石英， 或者等效的 材料制作。钻上或者用其他的方法形成孔 24 和 26( 见图 2)， 该孔在管下端径向相对位置， 沿垂直于管轴线 A 的轴线 O， 穿过管 21 的锥形壁。该塞子用销钉 28 固定于管 21， 该销钉从 孔 24 和 26 中的一个孔插入， 进入塞子中的横向孔 30， 从而穿过塞子的横向孔 30， 进入管壁 上孔 26、 24 中的相对孔。该销钉 28 用例如市场上买的人工合成熔凝石英或者等效的材料 制作。
为了组装预型件， 将间隔件 25 沿轴向插入第二外包管 21 的下端或者远端， 随后插 入包含芯杆段 18 的第一外包管 20， 然后再插入塞子 22。在优选的组装方法中， 该间隔件 25、 芯杆段 18 和塞子 22 在一开始便沿轴向装在一个细长的管架中， 其中 (a) 在芯杆段的相 对轴向端面之间， (b) 在间隔件 25 和最上面的芯杆段之间和 (c) 在塞子 22 和最下面的芯
杆段之间配置塑料球或者填充件。 这种方法使得可以在管架的前端开口和轴向后端之间流 过例如 HF 酸， 然后用去离子水冲洗， 从而将间隔件 25、 芯杆段 18 和塞子 22 冲洗干净。这些 塑料填充件在玻璃部件 25、 18 和 22 之间起衬垫作用， 由此可以防止在清洗过程中这些部件 被擦伤。
在完成清洗后， 将间隔件从管型架的前端移出， 并插入到第二外包管 21 的开口远 端。然后采用例如推杆将芯杆段 18 逐渐推入管 20 中， 该推杆穿入管架的后端， 使得在沿轴 向端对端地连续将一个一个的芯杆段 18 插入到第一外包管时， 可以使这些塑料填充件掉 下来， 或者用其他方法除去。
一旦所有的芯杆段被插入到第一外包管 20 中以后， 将该管 20 沿轴插入到第二外 包管 21 中， 直到管 20 的近端或者顶端顶着间隔件， 并将该间隔件推压在把手孔 27 中的凸 出部 31 中。然后将塞子 22 放入管 21 的远端， 使得塞子孔 30 的相对两端与锥形管壁上的 孔 24 和 26 对齐， 然后将销钉 28 插入塞子孔和壁上的孔， 从而将塞固定在管 21 的远端。芯 杆段 18 和第一外包管 20 的尺寸最好定为， 在管 20 的内周面和插入芯杆段 18 的外周面之 间形成例如约 1mm±0.5mm 的径向间隙 G1。根据情况， 可以采用更大的间隙。
在进入炉子 14 之前， 使组装的预型件 10 垂直取向时， 如图 3 安排的， 利用塞子 22 可以堵住最下部的芯杆段 18， 防止管 20 的开口底端 32( 见图 2) 掉下来。在穿过拉丝炉炉 口 12 和下降通过如图 4 所示的炉子高温区域之后， 预型件的下端被加热到玻璃软化的温度 ( 通常至少为 2100℃ )， 并且图 3 中的塞子 22 和销钉 28 熔化并彼此熔接。在塞子 22 上面 的最下面芯杆段和第一外包管 20 的一部分也软化。外包管 21 因此塌缩在管 20 上， 并且管 20 塌缩在软化的芯杆段上， 从而形成玻璃滴 17。将预型件 10 上端部的位于芯杆段 18 和第 一外包管 20 之间的间隙 G1， 抽成局部真空例如约 -26 英寸 Hg 的真空， 有助于进行这种塌缩 步骤， 抽真空的方式通常采用进行常规 RIT 工艺所用的方式。最好还将第一和第二管 20 和 21 之间形成的另一径向间隙 G2， 利用例如在间隔件 25 上形成的例如槽或者通道， 也抽成真 空。见图 6 和 7， 在一旦玻璃滴形成后， 便可以以常规方式在炉子 14 中拉出连续的光纤。
按照本发明， 预型件 10 的组装相当简便， 而不需要在拉光纤之前用单独的加热步 骤将预型件的各个部分熔接在一起。 去掉这种预备步骤， 可以显著降低制造成本， 利用这种 预型件 10 可以提高生产率。另外， 可以用本发明得到各种预型件尺寸和各种光纤 ( 例如单 模光纤或者多模光纤 )。
在组装后， 只需将预型件 10 放入到炉子中加热， 直至第一和第二外包管 20、 21 塌 缩在芯杆段 18 上， 随后便可以从炉中取出， 以便在随后用在生产光纤的拉丝炉中。参考图 2， 在下面的表 1-3 中列出外直径 D3 在 90-150mm 之间的预型件 10 实施例的典型尺寸、 锥角 和 OH 浓度。
表I
D1( 芯杆段 18 的外直径 ) 21mm-32mm
D2( 第一外包管 20 外直径 ) 32mm-54mm
D3( 第二外包管 21 的外直径 ) 90mm-150mm
W1( 管 20 的壁厚 ) 5mm-10.5mm
W2( 管 21 的壁厚 ) 28.5mm-47.5mm
G1( 间隙 ) 1±0.5mm( 典型值 )G2( 间隙 ) 1±0.5mm( 典型值 )
S1( 塞子 22 露出端的轴向长度 ) 5mm-10mm
S2( 塞子 22 的轴向长度 ) ( 圆锥部分轴向长度 +S1)
P1( 销钉 28 的直径 ) 9.75mm-15.75mm
P2( 销钉孔 30 底部和管 20 远端之间的轴向间隔 )15mm-20mm
表 II
锥角 T 约 24-27°
表 III
第一管 20 的 OH 浓度 ≤ 0.3ppm
第二管 21 的 OH 浓度 ≥ 1.0ppm
图 5 示出组装本发明光纤预型件和安排光纤预型件拉光纤丝的步骤。
在步骤 50 中， 将间隔件 25 插入第二外包管 21 的远端， 并放在邻接凸出部 31 的止 动位置。在步骤 51 中将第一外包管 20 放到第二外包管 21 中， 然后将芯杆段 18 接连地送 入管 20 的开口远端。在步骤 52 中， 插入塞子 22， 并用销钉 28 固定于第二外包管 21 的远 端， 因此将第一外包管 20 的近端推压在间隔件 25 上， 并可以防止芯杆段从第一外包管的远 端 32 掉出来。在步骤 54 中， 将组装预型件 10 的下端 16 插入到炉子中， 例如图 3 和 4 所示 的拉丝炉 14 中。
在步骤 56 中， 将预型件 10 下端部 15 下放到炉子的高温区域中并使其受热， 直至 塞子 22 与第二外包管 21 的外周围部分熔合在一起。在步骤 58 中， 管 20 和 21 塌缩在变软 的最下面芯杆段 18 上， 由此可以形成玻璃滴 17( 图 4)， 以便开始拉出具有要求特性的光纤。
如上所述， 将芯杆段 18 和第一外包管之间的径向间隙 G1 抽成局部真空， 同时将第 二外包管 21 和第一外包管 20 之间的径向间隙 G2 也通过间隔件 25 抽成真空。当预型件 10 在炉子中受到加热时， 这有助于管 21 塌缩在管 20 上。和间隙 G1 一样， 间隙 G2 的尺寸最好 约为 1±0.5mm。
重要的是， 所有的芯杆段 18 和相关的外包管 20 和 21， 在拉光纤期间应均匀地以 同样的速度同步地通过炉子的高温区域， 所以需要提供一种阻塞部件， 防止芯杆段 18 相对 于外包管可能的垂直向上运动或者滑动。第一外包管 20 顶部上的阻塞部件， 例如与最上部 芯杆段 18 接触的间隔件 25， 其作用是在拉光纤期间相对于外包管固定所有芯杆段 18 的位 置。在公开的实施例中， 芯杆段 18 受到约束， 而不能相对于外包管 20 和 21 向上或者向下 运动， 因此对于组装预型件 10 的所有部件， 均可以达到以恒定的速度通过炉子 14 的高温区 域 15。
本文中已经说明由多个叠置的芯杆段和至少两个具有不同物理特性的连续的玻 璃外包管构成的光纤预型件。该芯杆段用单一的长芯杆形成， 该长芯杆用例如金刚石锯从 长杆上锯成段， 从而确保相邻芯杆段的平端面彼此紧贴地叠置在最内管中， 并且叠置芯杆 段的长度接近外包管本身的长度， 也可以采用三个或者更多个外包管来形成本发明的光纤 预型件。第一外包管 20 本身可以为多个管子部分， 这些管子部分可以轴向端对端地支承在 第二外包管 21 内。
例如， 外径为 90mm 的预型件可以包括薄的第一外包管， 该外包管的壁厚约为 5mm， 羟基 (OH) 杂质浓度不大于 0.3ppm， 从而控制芯杆 - 管界面的质量。然后采用第二外包管，以便应用不太贵的光纤包层材料， 而不影响光纤质量， 该第二管的壁厚约为 28mm， 而羟基杂 质浓度为 1.0ppm 或者更大。
芯杆段 18 切成可以填满第一外包管 20 的整个长度。相邻芯杆段紧密贴合不会负 面影响拉丝工艺 ( 例如光纤不断开 )， 但是会产生形式为线速度和光纤包层直径变化的明 显不同的可识别 “标记” 。然后可以在后拉丝操作中， 采用在这种技术中现在已知的工艺或 者方法除去这些识别的结合区域。因为不存在芯杆段的预焊接， 所以不会增加羟基浓度。
简言之， 采用多层外包管可以用高质量玻璃 ( 即杂质浓度低 ) 来形成芯杆段和第 一外包管之间的界面， 而不需要一个或者多个外包管来满足更严格的纯度要求。 因此， 可以 达到较长的预型件和较大的预型件直径， 改进了工艺的效率， 降低了制造成本， 同时可以确 保高质量的光纤。 尽管上面提出本发明的优选实施例， 但是技术人员应当明白， 可以进行各 种改型和变化， 而不违背本发明的精神和范围。例如， 本发明适用于上述美国专利 6460378 的多管组件， 或者现有公开实施例中不包含类似于塞子 22 的塞子的其他组。因此， 本发明 包括属于以下所附权利要求书范围内的所有这些变型和改变。