製造光纖預製棒以及拉拔光纖的方法
2023-06-09 04:52:46 1
專利名稱：製造光纖預製棒以及拉拔光纖的方法
技術領域：
本發明總的來說涉及製造光纖預製棒的方法，尤其涉及使用包層覆蓋裝置(overcladding device)製造大直徑光纖預製棒的方法。
背景技術：
一般來說，光纖的製造涉及通過套管工藝或者包層覆蓋法來製造光纖預製棒以及用光纖預製棒拉拔形成具有預定直徑的光纖。通過將一次預製棒插入管式二次預製棒來實現套管工藝或者包層覆蓋。除了套管法或者包層覆蓋技術以外，可以使用汽相沉積或者改進的化學汽相沉積工藝來製造光纖預製棒。
根據沉積方法，氧氣(O2)以及包括有SiCl4和其他摻雜物的化學氣體通過加熱進行的水解作用產生被稱為粉塵的SiO2顆粒。然後，粉塵沉積在預製棒的外周表面或者石英管的內周表面。更具體地說，在外沉積方法中，其上沉積有粉塵的多孔預製棒經水合作用並且在爐中燒結。結果，製成透明的光纖預製棒。在內沉積方法中，其中沉積有粉塵的石英管經水合作用並且以與外沉積方法相同的方式被燒結，從而製成透明的光纖預製棒。
然而，大直徑光纖預製棒的基於沉積的製造方法具有這樣的缺點即趨向於加長處理時間、降低成品收率並且限制增加預製棒直徑的能力。
為了克服生產率下降的問題，通常通過包層覆蓋來製造大直徑的光纖預製棒。在包層覆蓋方法中，通過將一次棒式預製棒插入由溶膠—凝膠工藝形成的管式二次預製棒中並且用加熱器加熱預製棒來形成大直徑光纖預製棒。該方法具體公開在由Jerry等人申請的題目為「用於包層覆蓋玻璃棒的方法和設備(Method of and Apparatus for Overcladding a GlassRod)」的美國專利No.4,820,322中。其中，氧—氫燃燒器用作加熱器。
然而，儘管二次預製棒的外周表面由於直接加熱而被軟化，從而降低了它的粘度，但內周表面未被軟化，保持著恆定的粘度。結果，二次預製棒的外部和內部的溫度不同。非均勻的溫度分布使得二次預製棒變形，並且導致外部顆粒粘在二次預製棒中。
並且，當一次預製棒和二次預製棒通過氧—氫燃燒器而被密封時，由燃燒器產生的水蒸氣被導入一次和二次預製棒之間的間隙中。如果二次預製棒厚並且縮棒慢，則水蒸氣由於真空可被除去。相反地，如果二次預製棒薄並且縮棒快，則在一次和二次預製棒之間水蒸氣被吸收。這種作用使得在利用光纖預製棒的拉拔過程中可能導致光纖斷裂。
發明內容
本發明的一方面是提供一種光纖預製棒製造方法，用於防止由不規則的溫度分布引起的光纖變形以及防止在光纖中導入水分。
本發明的另一方面是提供一種使用包層覆蓋裝置製造光纖預製棒的方法以及一種光纖拉拔方法。所述包層覆蓋裝置包括第一和第二夾盤、環形氧—氫燃燒器、爐、在定位於架子上的第一和第二夾盤之間往復運動的滑架以及連接至夾盤之一的真空泵。所述預製棒製造方法包括將一次和二次預製棒分別固定到對準的第一和第二夾盤上，並將一次預製棒同軸地插入二次預製棒中。使用爐對二次預製棒進行預加熱，並且使用氧—氫燃燒器加熱二次預製棒，以便對其進行軟化。通過使用爐進行加熱來密封二次預製棒的第一端，通過二次預製棒的第二端在二次預製棒中形成負壓真空狀態，由此使第一和第二預製棒縮棒。
參照附圖，通過以下的詳細描述，本發明的以上特徵和優點將變得更加清楚，其中圖1示出了根據本發明優選實施例的使用包層覆蓋裝置的光纖預製棒的製造方法；圖2A是沿圖1中線A-A』取的一次和二次預製棒的剖視圖；
圖2B是沿圖1中線B-B』取的一次和二次預製棒的剖視圖；圖2C是根據本發明實施例所製造的光纖預製棒的剖視圖；圖3示出了圖1所示用於製造光纖預製棒的包層覆蓋裝置的結構；圖4示出了根據本發明另一實施例的光纖預製棒的製造方法；以及圖5示出了根據本發明第三實施例的光纖拉拔方法。
具體實施例方式
以下將參考附圖描述本發明的實施例。為了清楚和簡化的目的，在對已知功能和結構的非必要的詳細描述會使本發明不清楚的情況下，將不對它們進行詳細描述。
圖1示出了根據本發明實施例的使用包層覆蓋裝置製造光纖預製棒的方法，圖3示出了包層覆蓋裝置的結構。
參考圖1和3，包層覆蓋裝置10包括第一和第二夾盤20和30、環形氧—氫燃燒器40、爐50以及真空泵114。使用包層覆蓋裝置100的光纖預製棒的製造包括第一次對準(leveling)、第二次對準、包層覆蓋、軟化、密封和縮棒。縮棒是這樣的工藝過程通過二次預製棒102的第二端以負壓使其中插有一次預製棒101的二次預製棒102的內部變為真空，由此使一次和二次預製棒101和102互相緊密地粘合在一起。一次預製棒101是由外或內沉積形成的棒，二次預製棒102是內徑為10mm或更大並且通過溶膠—凝膠工藝或內沉積方法形成的石英管。
首先，固定到第一夾盤20的一次預製棒101在第一次對準步驟中被對準，固定到第二夾盤30的二次預製棒102在第二次對準步驟中被對準。
在包層覆蓋步驟中，一次預製棒101共軸地插入二次預製棒102中。
在軟化步驟中，二次預製棒102在爐50中預加熱，並且被氧—氫燃燒器40加熱，從而實施對預製棒的軟化。
在密封步驟中，二次預製棒102的第一端被爐50加熱，從而將二次預製棒102密封在一次預製棒101上。
根據本發明的實施例，通過利用爐50加熱二次預製棒102的第一端而將二次預製棒102密封到二次預製棒102內部的一次預製棒101上，能夠防止氧—氫燃燒器40所產生的水分導入一次和二次預製棒101和102之間。
圖2A、2B和2C描述了圖1所示製造的大直徑光纖預製棒的操作過程。參考圖1至3，包層覆蓋裝置100用於通過將一次預製棒101插入二次預製棒102中來製造大直徑光纖預製棒。所述裝置100包括架子10、第一和第二夾盤20和30、環形氧—氫燃燒器40、爐50、在第一和第二夾盤20和30之間往復運動的滑架60、連接至兩個夾盤20和30之一的真空泵114、用於向爐50提供動力的多個母線53以及通過纜線55連接至母線53的電源。二次預製棒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。用於移動滑架60和導杆11的裝置安裝在架子10的頂部表面上，第一和第二夾盤20和30面對面地定位在架子10的兩端。滑架60沿導杆11作往復運動。
一次預製棒101可轉動地固定在第一夾盤20上，並且被對準以沿縱向具有均勻的直徑。二次預製棒102固定在第二夾盤30上，並且被對準以沿縱向具有均勻的直徑。第一和第二夾盤20和30以預製棒能夠轉動的方式分別將一次和二次預製棒101和102支撐在架子10上。更具體地說，每個預製棒101和102的一端連接到固定在第一或第二夾盤20或30上的模型管(dummy tube)。在被對準之後，一次預製棒101共軸地插入二次預製棒102中，兩者之間形成間隙108。
爐50用於加熱和預加熱其中具有一次預製棒101的二次預製棒102，並且其中包括石墨熱輻射器。熱輻射器通過從電源接收的電力輻射熱。爐50被保持在2000到2500攝氏度之間的溫度下，並且在一次和二次預製棒101和102中形成高溫區域。通過在爐50的側面安裝操作器54，能夠容易地操作爐50。多個管58連接至爐50，以注入惰性氣體，例如氦(He)、氬(Ar)等，或者是氦和氬的混合氣體。導體凸緣51a和蓋凸緣52組裝在爐50的頂部，導體凸緣51b組裝在爐50的底部。
導體凸緣51a和51b連接至母線53，以通過纜線55接收電源的電力。導體凸緣51a和51b通過系杆56彼此接合。
氧—氫燃燒器40安裝在滑架60之上，以沿二次預製棒102的長度往復運動。可延伸的導管42定位在氧—氫燃燒器40之上，爐50位於燃燒器40之下。即，導管42、燃燒器40和爐50一體安裝在滑架60上，並且沿二次預製棒102的長度往復運動。
圖2A示出了沿線A-A』取的圖1所示一次和二次預製棒101和1 02的剖視圖。參考圖2A，爐50被滑架60移向一次和二次預製棒101和102的第一端，並且對它們進行加熱，從而形成高溫區域。被加熱的一次和二次預製棒101和102的第一端彼此密封。
參考圖2B，第一和第二夾盤20和30旋轉一次和二次預製棒101和102，並且惰性氣體通過管58被注入一次和二次預製棒101和102中。當二次預製棒102的表面被爐50加熱到1700攝氏度時，氧—氫燃燒器40被滑架60移向一次和二次預製棒101和102的第二端。在移動過程中，氧-氫燃燒器40以低溫加熱二次預製棒102。這樣，被導入一次和二次預製棒101和102之間的間隙108中的任何雜質被燒掉並被去除。
參考圖2C，當一次和二次預製棒101和102被軟化時，真空泵114在二次預製棒102中形成真空氣氛，從而去除一次和二次預製棒101和102之間的間隙108。即，真空泵114以負壓真空狀態被放入二次預製棒102中，從而密封一次和二次預製棒101和102。並且這樣還能將氧—氫燃燒器40的氧氣流從75lpm增加到150lpm，從而使一次和二次預製棒101和102縮棒。接著，最終的光纖預製棒從第一和第二夾盤20和30上取下，被冷卻預定的時間。由此，完成光纖預製棒的包層覆蓋。
圖4示出了根據本發明另一個實施例的製造光纖預製棒的方法。參考圖3和4，使用包層覆蓋裝置100來製造光纖預製棒時涉及第一次對準、第二次對準、包層覆蓋、軟化、沉積、密封和縮棒。
固定到第一夾盤20的一次預製棒101在第一次對準步驟中被對準，固定到第二夾盤30的二次預製棒102在第二次對準步驟中被對準。
在包層覆蓋步驟中，一次預製棒101共軸地插入二次預製棒102。
在軟化步驟中，二次預製棒102在爐50中預加熱，並且被氧—氫燃燒器40加熱，從而實施對預製棒的軟化。
沉積層110被形成以使一次預製棒101的矽石粘度(silica viscosity)與二次預製棒102的矽石粘度匹配。
在密封步驟中，二次預製棒102的第一端被密封。
在縮棒步驟中，通過將一次和二次預製棒101和102放置在處於負壓真空狀態的二次預製棒102內部，而使一次和二次預製棒101和102收縮從而彼此緊密接觸。
根據本發明的第二實施例，玻璃成型材料104被注入一次和二次預製棒101和102之間的間隙中，從而控制一次和二次預製棒101和102的粘度。
包層覆蓋裝置還包括旋轉管接頭(rotary union)106，用於將玻璃成型材料104注入一次和二次預製棒101和102之間。為了避免贅述，第一和第二實施例共用的部件將不再描述。
旋轉管接頭106混合玻璃成型材料104，並且將混合物注入一次和二次預製棒101和102之間的間隙中，以便控制一次和二次預製棒101和102之間的矽石粘度。氟裡昂、硼或PoCl3單獨或者結合被用作玻璃成型材料104。
使用氧—氫燃燒器40加熱其中具有成型材料104的一次和二次預製棒101和102，由此由玻璃成型材料形成沉積層108，從而使得一次和二次預製棒101和102之間的矽石粘度匹配。二次預製棒102的表面在1800攝氏度下被加熱，氧—氫燃燒器40的往復速度是1.5至2cm/min。
之後，通過操作第一和第二夾盤20和30以20rpm到30rpm的速度旋轉一次和二次預製棒101和102。惰性氣體被供給到一次和二次預製棒101和102之間。使用氧—氫燃燒器40對一次和二次預製棒101和102預加熱10到30分鐘，其中30lpm的氫和15lpm的氧被加入氧—氫燃燒器40中。
當被預加熱的一次和二次預製棒101和102粘度降低並被軟化時，操作真空泵114以在一次和二次預製棒101和102之間的間隙中形成負壓真空狀態，從而對它們進行密封。最後，利用爐50使一次和二次預製棒101和102縮棒，由此製成光纖預製棒。使用氧—氫燃燒器40軟化光纖預製棒，並且光纖預製棒被穩定預定的時間。
圖5示出了根據本發明第三實施例的不進行包層覆蓋而直接拉拔光纖的方法。參考圖5，光纖拉拔操作包括由一次和二次預製棒158和156形成光纖預製棒，並由光纖預製棒拉拔光纖。
光纖預製棒的形成包括將一次和二次預製棒158和156安裝在光纖拉拔設備中；預加熱一次和二次預製棒158和156以使其軟化；以及縮棒。
在安裝步驟中，每個一次和二次預製棒156的一端被密封，被安裝到夾盤154上並且連接到真空泵152，其中所述夾盤154安裝在進給模塊150上。即，一次和二次預製棒158和156分別被對準，並且一次預製棒158同軸插入在二次預製棒156中。然後，一次和二次預製棒158和156的端部被密封並且被安裝在位於進給模塊150的一部分處的夾盤154上。密封的預製棒端部連接至真空泵152。
在預加熱步驟中，使用爐162加熱一次和二次預製棒158和156，從而形成高溫區域。更具體地說，爐162在內部加熱一次和二次預製棒158和156，從而形成高溫區域。諸如氬等惰性氣體被注入爐162中，以防止由於高溫引起的氧化，並且一次和二次預製棒158和156被加熱20分鐘或更長時間，從而軟化預製棒。
在縮棒步驟中，使軟化的一次和二次預製棒158和156的內部形成真空，從而使它們收縮以彼此緊密接觸，由此形成最終的光纖預製棒。即，真空泵152在被爐162軟化的一次和二次預製棒158和156中以負壓形成真空氣氛。這樣，一次和二次預製棒158和156被收縮。
光纖的拉拔包括用光纖預製棒拉拔光纖、冷卻光纖、測量它的外徑並且用固化樹脂塗敷光纖。
使用絞盤172拉拔被爐162加熱的光纖預製棒。這樣，拉拔形成具有預定直徑的光纖160。利用外徑測量器164測量光纖160的外徑。如果外徑不均勻，對絞盤1 72的拉拔速度進行有選擇的控制，從而使外徑均勻。用光纖預製棒拉拔形成的光纖160在冷卻器166中被冷卻，並且用UV(紫外線)固化樹脂(諸如矽或丙稀)在塗布機168中對光纖的外表面進行塗敷。然後，外部被塗敷的光纖160在UV焙固機170中被固化，最終由絞盤172卷繞在捲軸174上。
如上所解釋的，使用爐在一次和二次預製棒上形成高溫區域，並且每個預製棒的一端被密封，從而防止氧—氫燃燒器所產生的水分被引入一次和二次預製棒中。並且，爐將足夠的熱量傳遞到二次預製棒。這樣，由於不均勻的溫度而在二次預製棒中產生的裂紋被抑制。爐的使用抑制了雜質的產生，從而能夠製造高強光纖。並且，沉積層的形成能使一次和二次預製棒之間的矽石粘度匹配，這樣能減小由於一次和二次預製棒之間的粘度差而可能引起的微彎曲產生的損耗。
儘管已經參考特定優選實施例對本發明進行了展示和描述，但本領域技術人員將會理解在不偏離本發明的範圍和實質的情況下，可對形式和細節進行各種改變。
權利要求
1.一種使用包層覆蓋裝置製造光纖預製棒的方法，所述包層覆蓋裝置具有架子、連接到第一和第二夾盤之一上的真空泵、環形氧—氫燃燒器、爐以及在包層覆蓋裝置上的第一和第二夾盤之間往復移動的滑架，所述方法包括步驟首先，使連接到第一夾盤的一次預製棒對準；其次，使連接到第二夾盤的二次預製棒對準；將一次預製棒同軸地插入二次預製棒中；使用爐對二次預製棒進行預加熱，並且使用氧—氫燃燒器對預加熱的二次預製棒進行加熱；使用爐對二次預製棒的第一端進行加熱，由此密封其中具有一次預製棒的二次預製棒的第一端；以及通過二次預製棒的第二端在二次預製棒中形成負壓真空狀態，由此使一次和二次預製棒縮棒。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述一次預製棒是通過外或內沉積形成的棒。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述二次預製棒是合成或天然石英管。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述二次預製棒具有大致大於10mm的內徑。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，還包括步驟通過向一次和二次預製棒之間注入惰性氣體，從一次和二次預製棒之間除去雜質。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述去除步驟包括步驟利用熱量以及經二次預製棒的內周表面轉移的惰性氣體除去粘附在一次預製棒的外周表面上的雜質。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，所述去除步驟包括步驟利用爐或氧—氫燃燒器輻射的熱量以及惰性氣體除去粘附在一次預製棒的外周表面上的雜質。
8.根據權利要求5所述的方法，其中，惰性氣體包括氦、氬和氮氣中的一種。
9.一種使用包層覆蓋裝置製造光纖預製棒的方法，所述包層覆蓋裝置具有架子、連接到第一和第二夾盤之一的真空泵、連接件、用於控制氧—氫燃燒器的流速和夾盤的轉動的控制器、環形氧—氫燃燒器、爐以及在包層覆蓋裝置上的第一和第二夾盤之間往復移動的滑架，所述方法包括步驟首先，使連接到第一夾盤的一次預製棒對準；其次，使連接到第二夾盤的二次預製棒對準；將一次預製棒同軸地插入二次預製棒中；使用爐對二次預製棒進行預加熱，並且使用氧—氫燃燒器對預加熱的二次預製棒進行加熱；形成用於使一次和二次預製棒之間的矽石粘度匹配的沉積層；使用爐對二次預製棒的第一端進行加熱，由此密封其中具有一次預製棒的二次預製棒的第一端；以及通過二次預製棒的第二端在二次預製棒中形成負壓真空狀態，由此使一次和二次預製棒縮棒。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述形成沉積層的步驟包括步驟通過將玻璃成型材料注入一次和二次預製棒之間來形成沉積層。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述玻璃成型材料包括SiCl4、PoCl3、氟裡昂和硼中的一種。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，所述玻璃成型材料包括SiCl4和PoCl3。
13.根據權利要求10所述的方法，其中，所述玻璃成型材料包括SiCl4、PoCl3和氟裡昂。
14.一種光纖拉拔方法，包括步驟密封一次和二次預製棒的端部之一，將密封的一次和二次預製棒安裝到光纖拉拔設備中的進給模塊的夾盤上，並且將一次和二次預製棒的密封端部連接到真空泵上；利用爐預加熱一次和二次預製棒的密封端部，由此形成高溫區域；使用真空泵在軟化的一次和二次預製棒中形成真空氣氛，由此使一次和二次預製棒縮棒，從而形成具有相互緊密密封的一次和二次預製棒的光纖預製棒；以及由光纖預製棒拉拔光纖、冷卻光纖、測量光纖的外徑，並且用固化樹脂塗敷光纖。
全文摘要
提供一種使用包層覆蓋裝置製造光纖預製棒的方法以及一種拉拔光纖的方法。包層覆蓋裝置包括第一和第二夾盤、環形氧－氫燃燒器、爐、在定位於架子上的第一和第二夾盤之間往復運動的滑架以及連接至夾盤之一的真空泵。根據所述預製棒製造方法，固定到第一和第二夾盤上的一次和二次預製棒被分別對準。一次預製棒同軸地插入二次預製棒中。使用爐對二次預製棒進行預加熱，並且使用氧－氫燃燒器加熱二次預製棒，以便對預製棒軟化。通過使用爐加熱二次預製棒的第一端來密封二次預製棒的第一端，通過二次預製棒的第二端在二次預製棒中形成負壓真空狀態，由此使第一和第二預製棒縮棒。
文檔編號G02B6/00GK1677143SQ20041008507
公開日2005年10月5日 申請日期2004年10月12日 優先權日2004年4月2日
發明者吳成國, 金成珍 申請人:三星電子株式會社