專利名稱：拉制期間旋轉光纖預型的光纖生產設備和方法
發明的
背景技術：
領域本發明涉及光纖。更具體的是，本發明涉及具有降低的偏振模色散(PMD)和改進的幾何形狀均勻性的光纖的生產設備和方法。
背景技術：
在光纖生產領域內，已采用多種技術以生產具有提高質量的光纖，諸如降低的光損耗和降低的偏振模色散(PMD)。許多形式的光纖損耗起因于存在于光纖中的幾何形狀變形，這常常由常規的光纖生產工藝造成。一般說來，光纖通常在拉制架中通過垂直懸掛光纖預型，并在受控速率下將其送入拉制加熱爐而生產。預型在加熱爐中軟化，光纖從預型桿的軟化端由位于纖維拉制架底部的絞盤或其它合適的裝置拉出。
通常，預型中材料的不均勻分布和/或纖維拉制工藝期間不均勻的熱工藝(加熱和冷卻)常常引起纖維的毛病，諸如纖維卷曲、纖維包層的非圓度，以及纖維芯區域和纖維包層區域的縱向變化。這種纖維幾何形狀的變形，如由于鉸接纖維之間的纖維包層直徑的變化，引起纖維損耗，諸如與將兩根光纖鉸接在一起相關聯的損耗。
通常，PMD和某些纖維幾何形狀的變形通過在光纖從光纖預型拉出后給予其自旋而被降低。見，例如美國專利No.5298047和美國專利No.5418881，它們均委托給本申請的代理人，然而，因為許多纖維的幾何形狀變形是由于光纖預型的原始變形，諸如預型橢圓度和預型包層區域的非圓度引起的，因此對從預型拉出后的光纖進行自旋可能對總體纖維的幾何形狀只有有限的效果。
另一改進纖維的PMD的一般措施是快速自旋光纖預型。見，例如A.Ashkin等，應用光學，20(13)卷，2299頁；A.J.Barlow等，應用光學，20(17)卷，2962頁；和S.C.Rashleigh，激光聚焦，1983年5月。然而，在這些措施中，為有有利結果所需的預型自旋速率位于約2400-6000轉/分(rpm)的范圍內，這樣的自旋速率對商業纖維生產是不適當的高。
因此，需要一種可應用的、商業實際的生產光纖的方法和設備，它通過降低纖維幾何形狀的變形、纖維的PMD和相關的纖維損耗改進纖維的傳輸質量。
發明內容
本發明的實施例包括生產具有改進的傳輸質量的光纖的方法和設備。該方法包括提供從其中拉出光纖的光纖預型；當預型正被運送通過拉制加熱爐的加熱區域時，圍繞光纖預型的縱向軸線旋轉光纖預型；以及從旋轉預型中拉出光纖。以較為適中、受控的方式旋轉光纖預型，當光纖從其中拉出時會改進光纖預型的幾何形狀均勻性，這轉而又減少拉出的光纖中的傳輸損耗和接合損耗。根據本發明的實施例，光纖預型的旋轉可以是恒定或可變的，并發生于一個方向或雙向(如順時針和/或逆時針)。本發明的實施例還包括一種光纖生產方法，其中，當光纖預型運送通過拉制加熱爐時，光纖預型被旋轉，并給予從旋轉預型中拉出的光纖以自旋。本發明的實施例通過減少光纖的幾何形狀變形改進總體光纖的幾何形狀、纖維PMD以及它們相關的光纖傳輸損耗。
圖1是根據本發明實施例提出的光纖生產設備的橫截面簡圖；而圖2是根據本發明實施例提出的光纖生產方法的示意流程圖。
具體實施例方式
在以下說明中，相同的標號標明相同的部件，以加強通過附圖的說明對發明的了解。此外，雖然下文討論了特征、結構和布置，但應明白，這只是為了說明目的。相關領域的技術人員將認識到，只要不偏離本發明的精神和范圍，其他步驟、結構和布置均是可用的。
現參看圖1，圖中所示是根據本發明實施例提出的光纖生產設備10的橫截面簡圖。通常，光纖的生產是通過逐漸加熱光纖預型12，再將預型的已加熱部分拉制成光纖(總體表示成14)。預型12由諸如加熱爐或拉制加熱爐24的熱源加熱。預型12通常由卡盤18或其他適當的預型夾持裝置從第一端16垂直向下懸掛。卡盤18受控地將預型12的第二端22下拉進入加熱爐24，它將該部分預型加熱至約2000-2200℃。當預型12通過加熱爐24的加熱區域時，預型12逐漸軟化至尖端，在此處光纖被適當的裝置，如位于加熱爐24之下的絞盤37從預型12的軟化端拉出。
預型12通常由石英玻璃制成，它具有要求的摻雜物剖面以改變其折射率。預型12具有縱向軸線28，并包括一個或多個區域，包括如芯區域和圍繞芯區域形成的一個或多個保護包層區域。
存在若干生產光纖預型的常規工藝，包括改良的化學汽相沉積(MCVD)工藝、汽相軸向沉積(VAD)工藝、外側汽相沉積(OVD)工藝，以及等離子體化學汽相沉積(PCVD)工藝。通常，包層區域通過應用管中桿(RIT)工藝圍繞現存包層區域塌陷一根或多根外部包覆管而增大尺寸。見如美國4820322，它與本申請被共同擁有，并通過參考而包含于本文中。
許多用于生產光纖預型和纖維的工藝常常引起預型和/或纖維在幾何形狀上的不均勻。例如，許多預型不是足夠的圓，或者所具的芯區域不圓。還有，控制的纖維在零應力下不總是完美的直線，這被稱為纖維卷曲。此外，一個或多個預型包層區域常常設有一致的直徑，從而圍繞芯區域不對稱。
這些幾何形狀不均勻性中有許多是由不均勻的材料分布和不均勻的熱工藝造成的。即，當預型通過加熱爐的加熱區域時，控制加熱爐或其他熱源沒有沿周邊通過整個預型提供均勻的加熱。同樣，在隨后的冷卻工藝期間從已加熱預型拉出的光纖常常不總是沿周邊被均勻地冷卻。這樣的不均勻熱工藝引起前述的幾何形狀不均勻性，這成為光纖傳輸性能下降的原因之一。例如，具有較大卷曲和/或不均勻包層直徑的纖維成為絞接在一起的纖維的傳輸損耗的原因之一。
根據本發明的實施例，以適中、受控方式旋轉光纖預型會改進預型區域的幾何形狀不均勻性，這造成由此拉出的光纖具有改進的傳輸質量，諸如降低的光學損耗以及降低的偏振模色散(PMD)。預型的旋轉是在纖維從其中拉出前進行的。根據本發明的替代性實施例，預型旋轉，而從其中拉出的纖維則在其冷卻時，如以美國專利No.5418881中討論的方式進行自旋，該專利與本申請被共同擁有，并通過參考而包含于文中。根據本發明實施例生產的光纖所具有PMD系數通常小于約0.2皮秒/(千米)1/2。
現參看圖2，并繼續參看圖1，圖2是根據本發明實施例提出的光纖生產方法40的簡化流程圖。方法40的一個步驟42是提供光纖預型12。如本文先前討論的，提供的預型12通常是一根玻璃棒，它具有縱向軸線28及被一個或多個包層區域圍繞的芯區域。預型12由若干適當工藝，如MCVD、VAD和RIJ工藝的任一工藝制成。
方法40的另一步驟44是加熱光纖預型12。預型12的加熱是使預型12逐漸通過加熱爐24的加熱區域或其它適當的熱源而實現的。預型12在其第一端16被卡盤18或適于夾持和定位預型12的其它裝置或機構加以緊固。通常，卡盤18從第一端16垂直懸掛預型12，并將預型12的第二端22逐漸下降進入加熱爐24。當預型12通過加熱爐24的加熱區域時，預型12逐漸軟化得足以允許光纖從其中拉出。
根據本發明的實施例，方法40的另一步驟46是相對熱源24旋轉光纖預型12。通常，熱源24是靜止的，這樣，根據本發明的實施例，當卡盤18移動預型12通過加熱爐24的加熱區域時，卡盤18還圍繞光纖預型12的縱向軸線28旋轉光纖預型12。應用在預型12通過熱源24的加熱區域的同時，相對熱源24旋轉預型12，本發明的實施例提供貫通整個預型幾何形狀的一致、均勻的加熱，此均勻加熱促進預型和從預型拉出的光纖的幾何形狀的改進。根據本發明的替代性實施例，能適中、受控地旋轉的熱源在光纖預型直線地通過加熱爐加熱區域的同時圍繞預型12的縱向軸線28旋轉。
如本文先前討論的，常規的光纖預型生產工藝常常引起在預型中產生幾何形狀不均勻性。這樣的不均勻性包括非圓形芯區域和/或包層區域、沿預型長度的變化的芯區域直徑，以及不對稱的包層區域(如沿預型長度的不一致的包層直徑)。然而，根據本發明的實施例，在加熱光纖預型的同時旋轉光纖預型促使預型的軟化部分變得幾何形狀更為均勻。
例如，預型的已加熱、軟化部分的旋轉趨于使不同的預型區域，如芯區域和包層區域(多個包層區域)，更圓。預型通過加熱區域的旋轉向預型提供一致、均勻的熱輻照和離心力，這促使預型軟化部分中的各種幾何形狀不均勻性變得幾何形狀更為均勻。這樣，先前在其生產期間形成在預型中的幾何形狀不均勻性減少和/或消失。例如，芯區域和/或包層區域(多個包層區域)變得更圓，它們沿預型長度的各自直徑變得更一致。這樣，從這種預型中拉出的光纖趨于幾何形狀更均勻，從而趨于具有較低的PMD和較少的由幾何形狀不均勻性引起的傳輸損耗。
根據本發明的實施例，卡盤18圍繞光纖預型12的縱向軸線28以受控的方式旋轉光纖預型12，其速率在約0至600轉/分(rpm)的范圍內。常規關于光纖預型自旋的討論只涉及快速自旋(如6000rpm)，這在現有纖維生產工藝中是商業上不實際的。這樣，雖然已考慮預型的快速自旋是常規的，但如此快速的預型自旋的商業不現實性已使纖維生產者脫離對預型的操作，因此代之自旋已從預型一旦拉出的纖維。見，如美國專利No.5418881。
還有，根據本發明的實施例，光纖預型12的旋轉方式和/或頻率是恒定或可變的。例如，在發明的一個實施例中，光纖預型的旋轉速率是常數，并在單一方向(如順時針)。然而本發明的實施例也允許在多個方向旋轉，允許預型旋轉的速度和/或方向是可變的。這樣，根據本發明的某些實施例，預型在第一方向(如順時針)以常速或以變速旋轉，和/或在第二方向(如逆時針)以常速或以變速旋轉。根據本發明的實施例，預型以轉速(即常數和/或可變)和方向(即順時針和/或逆時針)的任何組合加以旋轉。
方法40的另一步驟48是從預型12拉出光纖14。拉制步驟48，如以常規方式加以實現。當預型12通過加熱爐24的加熱區域時，預型12變得足夠的軟，使鉸盤37或其他合適的裝置得以從預型12拉出光纖14。纖維14通過加熱爐24與鉸盤37之間的各種常規裝置，如一個或多個測量裝置31、退火裝置32、冷卻裝置33、一個或多個涂層模具34、另一個測量裝置35、固化裝置36，以及纖維自旋裝置38。絞盤37以常規方式將纖維14移動至卷線盤(未表示)。
根據本發明的替代性實施例，方法40包括步驟52，它在光纖14從預型12拉出后給光纖14以自旋。纖維自旋步驟52以常規方式，如在美國專利No.5298047討論的進行，該專利與本申請被共同擁有，并通過參考而包含于文中。如在這些參考文獻中討論的，一旦光纖從光纖預型中拉出，給予光纖以自旋會減少光纖中的PMD。例如，通過改變纖維自旋裝置38的定向，如通過將纖維自旋裝置38圍繞與拉制架軸線相平行的方向傾斜一個角度，給纖維以自旋。
這樣，根據本發明的替代性實施例，將光纖預型加以旋轉以改進預型中的幾何形狀均勻性，而將從旋轉預型中拉出的光纖加以自旋以減少纖維中的PMD。因此，由本發明替代性實施例生產的光纖既得益于纖維由其拉出的預型的旋轉，也得益于給予的自旋。也即，最終的纖維從幾何形狀更為均勻的預型中拉出，從而減少了由預型不均勻性以及PMD引起的傳輸損耗和絞接損耗的潛在源泉，并具有給予其中的自旋，從而減少PMD。根據發明的實施例，按照本發明實施例生產的光纖的PMD約小于0.2皮秒/(千米)1/2。
對本技術的技術人員而言，顯然對本文說明的本發明實施例可進行許多改變和替換，只要不偏離由所附權利要求限定的發明的精神和范圍，以及等同物的全部范圍。
權利要求
1.一種光纖制作方法，包括如下步驟提供光纖預型，該預型具有一縱向軸線；在一熱源中，當光纖預型由其通過時，至少加熱部分光纖預型；圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源放置光纖預型；以及從已加熱的、旋轉的光纖預型中拉拔光纖。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，旋轉步驟還包括，在小于約600轉/分(rpm)的轉速下，圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在旋轉步驟中，以不變轉速圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在旋轉步驟中，以變化轉速圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，旋轉步驟在第一旋轉方向圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，旋轉步驟在第一旋轉方向和與第一旋轉方向相反的第二旋轉方向之間，交替地圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源交替地旋轉光纖預型。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，旋轉步驟還包括如下步驟，保持熱源不旋轉，并圍繞光纖預型的縱向軸線旋轉光纖預型。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，旋轉步驟還包括如下步驟，保持光纖預型不旋轉，圍繞光纖預型的縱向軸線旋轉熱源。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟，當光纖從光纖預型拉出時，自旋光纖。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，光纖所具有的PMD系數約小于0.2皮秒/(千米)1/2。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，熱源還包括加熱爐。
12.一種制作光纖的設備，該設備包括熱源，用于加熱由此通過的光纖預型；和卡盤，用于夾持光纖預型的一個端部，并運送光纖預型通過熱源，其中，光纖預型被拉成光纖，其中，光纖預型具有縱向軸線，并且，當光纖預型通過熱源時，設備圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
13.如權利要求12所述的設備，其特征在于，設備在小于約600轉/分(rpm)的轉速下，圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
14.如權利要求12所述的設備，其特征在于，設備在不變轉速下，圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
15.如權利要求12所述的設備，其特征在于，設備在變化轉速下，圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
16.如權利要求12所述的設備，其特征在于，設備在第一旋轉方向，圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源旋轉光纖預型。
17.如權利要求12所述的設備，其特征在于，設備在第一旋轉方向和與第一旋轉方向相反的第二方向之間，圍繞光纖預型的縱向軸線相對熱源交替地旋轉光纖預型。
18.如權利要求12所述的設備，其特征在于，熱源保持不旋轉，而當卡盤運送光纖預型通過熱源時，卡盤圍繞光纖預型的縱向軸線旋轉光纖預型。
19.如權利要求12所述的設備，其特征在于，卡盤保持不旋轉，而當卡盤運送光纖預型通過熱源時，熱源圍繞光纖預型的縱向軸線旋轉。
20.如權利要求12所述的設備，其特征在于，該設備還包括自旋裝置，用于使光纖從預型拉出時自旋。
21.如權利要求12所述的設備，其特征在于，熱源還包括加熱爐。
全文摘要
本發明包括生產光纖的方法和設備。光纖生產方法包括提供從其中拉出光纖的光纖預型；當預型正被運送通過拉制加熱爐的加熱區域時，圍繞光纖預型的縱向軸線旋轉光纖預型；以及從旋轉預型中拉出光纖。以較為適中、受控的方式旋轉光纖預型，當光纖從其中拉出時會改進光纖預型的幾何形狀的均勻性，這轉而又減少拉出的光纖中的傳輸損耗和絞接損耗。光纖預型的旋轉可以是恒定的或變化的，并發生于單向或雙向。本發明還包括一種光纖生產方法，其中，當預型運送通過加熱爐時，預型被旋轉，并給予從旋轉預型中拉出的光纖以自旋。本發明通過減少光纖的幾何形狀變形改進總體光纖的幾何形狀、PMD以及它們相關的光纖傳輸損耗。
文檔編號C03B37/02GK1663922SQ20051005182
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月1日 優先權日2004年3月1日
發明者周智 申請人:古河電子北美公司