光纖拉絲方法和拉絲爐的製作方法

2023-06-02 05:39:41 4

專利名稱：光纖拉絲方法和拉絲爐的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於從光纖預製棒拉制光纖的光纖拉絲方法和拉絲爐。
背景技術：
光纖通過所謂的「拉絲」獲得。在拉制期間，光纖預製棒的底部通過加熱來軟化，並將張力施加到預製棒的軟化部分以減小其直徑。預製棒通常由諸如石英玻璃的材料製成。通常，用於這種過程的拉絲系統設有用於加熱光纖預製棒的拉絲爐、用於冷卻所拉制的 玻璃光纖的冷卻裝置、用於繞所拉制的玻璃光纖塗覆樹脂的塗覆裝置，以及用於卷取所塗覆的光纖的卷取裝置。此外，將拉絲爐儘可能地置於距地面最高的位置處，以增加用於冷卻光纖的行程距離並增加拉絲速度以提高生產率。然而，當從標準拉絲系統拉制光纖時，有時光纖的橫截面為非等方性的圓(例如橢圓)。光纖橫截面與等方性圓的偏差稱為「非圓度」。光纖的非圓度被定義為(光纖橫截面的最大和最小直徑之差)/ (最大和最小直徑的平均值)。如果其非圓度不是零，則光纖是非圓形的。這種非圓形光纖的原因是由於所加熱的光纖預製棒中的溫度分布的不均勻而導致的光纖預製棒沿周向方向的軟化的不均勻，這種情形的產生是因為難以完美地將拉絲爐的中心軸與光纖預製棒的中心軸相匹配。而且，如果拉絲爐的加熱元件的發熱量沿周向方向不均勻，則光纖可能會具有非圓形的橫截面。當光纖具有大的非圓度時，它導致諸如偏振模色散(PMD)增加以及當該光纖連接到另一光纖時由於芯的未對準而導致的連接損失增加的問題。為了防止非圓形的光纖，在美國專利No. 654760中已經公開了包括均衡化裝置以沿加熱器的周向方向均勻分布溫度的拉絲爐。另一方面，在日本專利申請特開No. 2004-224587中已經公開了一種光纖拉絲方法，該方法設定關係L(mm) >ro(mm)-50(mm)。這裡D是光纖預製棒的直徑而L是由加熱器產生的加熱區沿拉絲方向的長度。然而，即使利用美國專利No. 654760中公開的方法，也難以沿加熱器的周向均勻地分布溫度，並且爐內電極的結構變得複雜。而且，當電極的結構複雜時，它導致沿加熱元件的沿周向方向的不均勻，這導致熱的不均勻分布。此外，利用日本專利申請特開No. 2004-224587中公開的方法，由於加熱器延長了，所以爐本身也需要延長，從而變得難以將光纖預製棒接收到拉絲爐中，或者拉絲爐的高度和用於冷卻所拉制光纖的距離減少。在大的光纖預製棒，例如具有IOOmm以上直徑的預製棒中，上述問題是特別明顯的
發明內容
本發明提供能夠使用簡單的拉絲系統來拉制具有小非圓度的光纖的光纖拉絲方法和拉絲爐。為了解決上述問題，在本發明中公開的光纖拉絲方法之一是從光纖預製棒拉制光纖的方法，其中該光纖預製棒被接收到爐芯管中並通過環繞該爐芯管放置的主加熱器加熱，該方法包括以下步驟加熱光纖預製棒，使得彎月形部，即從光纖預製棒的外徑開始降低其外徑的開始位置到該外徑達到1_的點的部分的開始位置在其位置上高於主加熱器的頂部，其中該彎月形部形成在光纖預製棒的下端。而且，本發明中的光纖拉絲爐之一包括爐芯管，用於容納光纖預製棒；主加熱器，用於加熱該爐芯管的內部，該主加熱器繞該爐芯管並與該爐芯管呈同心圓狀配置；以及爐體，用於容納該爐芯管和該主加熱器；其中該光纖拉絲爐滿足2E彡L彡I. 5E，這裡E是該爐芯管的內徑，而L是以mm為單位的最高溫度點與基準點之間的距離，所述最高溫度點為所述爐芯管的縱向方向上形成最高溫度的最高溫度位置，所述基準點位於所述最高溫度點的、所述爐芯管上側且形成比最高溫度低400°C的溫度。
根據本發明，因為減少了彎月形部的開始點處沿周向方向的不均勻溫度分布，而這對光纖的非圓度具有最大的影響，所以能從簡單的拉絲系統拉制具有小非圓度的光纖。


現在參照附圖圖I是與本發明的第一實施例有關的光纖拉絲爐的示意性縱剖面；圖2示出了圖I的爐芯管內部的溫度分布曲線；圖3說明使用圖I中所示的拉絲爐來對光纖預製棒進行拉絲的方法；圖4示出了本發明的示例I和比較例I中的爐芯管內部的溫度分布曲線；圖5示出了本發明的示例I和比較例I中的光纖預製棒的彎月形部的形狀；圖6是與本發明的替代實施例I有關的光纖拉絲爐的示意性縱剖面；圖7是與本發明的替代實施例2有關的光纖拉絲爐的示意性縱剖面；以及圖8是與本發明的替代實施例3有關的光纖拉絲爐的示意性縱剖面。
具體實施例方式儘管在下面描述了本發明的各種實施例，但是應當理解，這些實施例僅作為示例提出，並非意欲限制本發明的範圍。(本發明的第一實施例)圖I是與本發明的第一實施例有關的光纖拉絲爐的示意性縱剖面。如圖I中所示，拉絲爐10具有爐體11、爐芯管12、作為主加熱器的加熱器13、絕熱器14、頂蓋15和冷卻部16。爐體11是圓柱形的，由耐熱性材料製成，並且容納爐芯管12、加熱器13和絕熱器14。爐芯管12是圓柱形的並且例如由碳製成。而且，以碳加熱器為例的加熱器13是圓柱形的並放置成覆蓋爐芯管12。而且，絕熱器14繞爐芯管12和加熱器13的外部放置。頂蓋15置於爐體11之上。冷卻部16置於爐體11之下並且容納爐芯管12的底部。頂蓋15和冷卻部16具有用於接收光纖預製棒的第一開口 15a和用於移出所拉制的光纖的第二開口16a。而且，在本發明的第一實施例中，爐芯管12的內徑E是150mm，而加熱器13的長度I是 250mm。圖2示出了圖I的爐芯管12內部的溫度分布曲線。在圖2中，X軸示出當從爐芯管的頂端測量時沿爐芯管12的縱向方向的距離，而y軸示出在爐芯管12的中心軸處的溫度。如圖2中所示，在本發明的第一實施例中，加熱器13相對於爐芯管12的縱向方向的中心部的最高溫度大約為2000°C。而且，最高溫度點Pl與比最高溫度低400°C並位於爐芯管12的上側中的點P2之間的距離L是250 mm。因此，在本發明的第一實施例中，滿足關係2E ^ L0要滿足該關係，選擇爐芯管12的內徑和長度、加熱器13的長度和高度，以及絕熱器。接下來，對使用圖I中所示的拉絲爐10的光纖預製棒的拉絲方法進行說明。圖3用來說明使用圖I中示出的拉絲爐10來從光纖預製棒I拉制光纖2的方法。如圖3中所示，首先，從頂蓋15將光纖預製棒I接收在第一開口 15a上。加熱器13加熱並軟化所接收的光纖預製棒I。該軟化部分逐漸減小其半徑以形成彎月形部la，然後通過進一步將其外徑減小到預定直徑，它變為光纖2。在本說明書中，「彎月形部la」意指從光纖預製棒I的外徑開始降低其外徑的開始位置Ib到外徑達到1_的點的部分。彎月形部Ia具有拐點lc，在該拐點Ic處，外徑的變化(沿縱向方向)從凸形變為凹形。如圖3中所示，在本發明的第一實施例中，加熱光纖預製棒1，使得彎月形部Ia的開始點Ib的位置高於加熱器13的頂部。這樣，減小了彎月形部Ia的開始點Ib處沿周向方向的不均勻溫度分布。開始點Ib對光纖2的非圓度具有最大的影響。換句話說，在加熱器13的頂部13a之下，彎月形部Ia沿周向方向的溫度分布容易受到加熱器13沿周向方向的不均勻發熱量的影響。然而，在加熱器13的頂部13a之上，力口熱器13的不均勻發熱量減小。此外，因為光纖預製棒I在彎月形部Ia的開始點Ib處開始軟化，所以如果在彎月形的開始部處存在非圓形形狀，則它在後續過程中影響彎月形部Ia和光纖2的形狀。因此，在本發明的第一實施例中，因為減小了在彎月形部Ia的開始點Ib處沿周向方向的不均勻溫度分布，所以能拉制具有小非圓度的光纖。尤其是，當光纖預製棒的直徑大於IOOmm時，由於預製棒容易受到沿周向方向的溫度分布不均勻的影響，所以上述效果是明顯的。在本說明書中，光纖預製棒的直徑意指光纖預製棒的其外徑近似一致的部分的外徑。而且，在本發明的第一實施例中，為了實現彎月形部Ia的開始點lb，它滿足關係2E彡L，這裡L是距離，其限定爐芯管12的溫度分布，而E是爐芯管12的內徑。因此，拉絲爐10具有簡單的構造，無需特殊的裝置。關於距離L與內徑E之間的關係，如果2E ^ L ^ I. 5E，那麼彎月形部Ia的開始點Ib能定位在加熱器13的頂部13a之上，如下面的示例中所描述的。(示例I)作為本發明的示例I，在爐中以IOOgf的拉絲張力和1500m/min的拉絲速度來對由石英玻璃製成的光纖預製棒進行拉絲。該爐具有與本發明第一實施例相同的構成，並且包括具有150_的內徑E和250_的加熱器長度I的爐芯管。使用具有125_的直徑D和O. 08%的平均非圓度(沿預製棒的長度每50mm測量的)的光纖預製棒。所拉制的光纖的平均非圓度(沿光纖的長度每50km測量的)是O. 10%。
(示例2)作為本發明的示例2，在爐中以IOOgf的拉絲張力和1500m/min的拉絲速度來對由石英玻璃製成的光纖預製棒進行拉絲。該爐具有與本發明第一實施例相同的構成，並且包括具有180mm的內徑E和350mm的加熱器長度I (比示例I中的拉絲爐長100mm)的爐芯管。使用具有150mm的直徑D和O. 07%的平均非圓度(沿預製棒的長度每50mm測量的)的光纖預製棒。所拉制的光纖的平均非圓度(沿光纖的長度每50km測量的)是O. 10%。(比較例I)作為本發明的比較例1，將示例I中使用的拉絲爐的爐芯管與具有180mm的內徑的爐芯管交換，並以IOOgf的拉絲張力和1500m/min的拉絲速度來對示例2中使用的光纖預製棒進行拉絲。所拉制的光纖的平均非圓度(沿光纖的長度每50km測量的)是O. 21%。
圖4示出了在本發明的示例I和比較例I中的爐芯管內部的溫度分布曲線。在圖4中，X軸示出當從爐芯管的頂端測量時沿爐芯管的縱向方向的距離，而y軸示出在爐芯管的中心軸處的溫度。曲線Cl示出示例I中的情形，而曲線C2示出比較例I中的情形。如圖4中所示，在示例I中，因為內徑E是150mm,而距離L是250mm,所以滿足關係2E彡L彡I. 5E。相反，在比較例I中，因為內徑E是180mm，而距離L是265mm，所以不滿足關係2E彡L彡I. 5E。(比較例2)作為本發明的比較例2，以IOOgf的拉絲張力和1500m/min的拉絲速度來對由石英玻璃製成的光纖預製棒進行拉絲。使用具有150mm的直徑D (如示例2中)和O. 08%的平均非圓度(沿預製棒的長度每50mm測量的)的光纖預製棒。關於爐芯管，它具有與本發明的第一實施例相同的構成，即180mm的內徑E和250mm的加熱器長度I。然而，由於從加熱器的頂部到爐芯管的頂部的距離減小，所以距離L變為230mm，並且彎月形的開始點與加熱器的頂部近似處於相同的位置處。所拉制的光纖的平均非圓度(沿光纖的長度每50km測量的)是 O. 25%。圖5示出了示例I和比較例I中的光纖預製棒的彎月形部的形狀。在圖5中，X軸示出當從爐芯管的頂端測量時沿爐芯管的縱向方向的距離，左y軸示出光纖預製棒的外徑，而右I軸示出預製棒外徑的彎月形變化率dD/dz。曲線3和曲線4分別表示示例I和比較例I的外徑D。曲線5和曲線6分別表示示例I和比較例I中的彎月形變化率dD/dz。當計算從彎月形的開始點到拐點的距離N時，該距離N為200mm。由於示例I的直徑D是125mm，所以示例I滿足關係N彡I. 另一方面，比較例I中的距離N是220mm。由於比較例I的直徑D是150mm，所以此比較例不滿足關係N彡I. 而且，示例I和比較例I的彎月形部的長度分別是490mm和580mm。彎月形變化率dD/dz的絕對值在拐點處最大。示例I和比較例I中的彎月形變化率dD/dz的最大值分別是O. 70和O. 82。根據上面的結果，如在示例I中那樣，如果光纖預製棒的彎月形變化率dD/dz的最大絕對值小於O. 80，並且預製棒滿足關係N彡I. 5D，這裡D是以_為單位的預製棒的直徑，而N是以mm為單位的從彎月形的開始點到拐點的距離，那麼能獲得具有小非圓度的光纖。因為上述條件還減小了彎月形部的長度，所以能使拉絲爐更小。此外，本發明的拉絲爐不限於在上述示例I中公開的構造。它具有各種替代實施例。下面，公開示例I的替代實施例。
(替代實施例I)圖6是與本發明的替代實施例I有關的光纖拉絲爐的示意性縱剖面。如圖6中所示，拉絲爐20具有爐體11、爐芯管12、加熱器13、絕熱器14、頂蓋15和冷卻部16，頂蓋15具有用於接收光纖預製棒第一開口 15a，冷卻部16具有用於移出所拉制的光纖的第二開口16a，如拉絲爐10中那樣。此外，拉絲爐20具有置於加熱器13之上並覆蓋爐芯管12的副加熱器23。與加熱器13相比，副加熱器23具有較小的功率，例如用來將爐芯管12內的最高溫度提高到大約1600°C。它具有簡單的構造並沿周向方向提供均勻的發熱量。而且，力口熱器13和副加熱器23通過絕熱器14分離，從而能對它們進行獨立地控制。因為拉絲爐20具有副加熱器23，所以它能滿足關係2E彡L彡I. 5E，這裡E是爐芯管12的內徑而L是限定爐芯管12的溫度分布的距離。因此，當通過拉絲爐20對光纖預製棒I (由圖6中的虛線所示)進行拉絲時，能拉制具有小非圓度的光纖2。(替代實施例2)·圖7是與本發明的替代實施例2有關的光纖拉絲爐的示意性縱剖面。如圖7中所示,拉絲爐30具有比爐10的爐體11更短的爐體31a、爐芯管32、和如拉絲爐10中那樣的加熱器13、絕熱器14、頂蓋15以及冷卻部16，該頂蓋15具有用於接收光纖預製棒第一開口 15a，冷卻部16具有用於移出所拉制的光纖的第二開口 16a。此外，拉絲爐30具有位於頂蓋15之上以及爐體31a外部的另一爐體31b。爐體31b與加熱器13同中心，並且它容納副加熱器33。副加熱器33具有比加熱器13更低的功率，並且通過使用Kanthal加熱器，它能用於大氣環境中。例如，它用來將爐芯管32內的最高溫度提高到大約1600°C。它具有簡單的構造並沿周向方向提供均勻的發熱量。拉絲爐30 (如替代實施例I中那樣)能滿足關係2E彡L彡I. 5E，這裡E是爐芯管32的內徑而L是限定爐芯管32的溫度分布的距離。因此，從光纖預製棒I能拉制具有小非圓度的光纖2。(替代實施例3)圖8是與本發明的替代實施例3有關的光纖拉絲爐的示意性縱剖面。如圖8中所示，拉絲爐40具有如爐10中那樣的爐體11、加熱器13、絕熱器14、頂蓋15和冷卻部16，該頂蓋15具有用於接收光纖預製棒的第一開口 15a，冷卻部16具有用於移出拉制的光纖第二開口 16a。爐芯管42與爐芯管12相似。然而，爐芯管42具有定位在加熱器13之上的厚管部42a，該厚管部42a比加熱器13的相鄰部分更厚。此外，拉絲爐40具有位於加熱器13之上的絕熱器44，該絕熱器44具有比絕熱器14更高的熱導率。由於厚管部42a和絕熱器44，拉絲爐40 (如在替代實施例I和2中那樣)能滿足關係2E彡L彡I. 5E，這裡E是爐芯管42的內徑而L是限定爐芯管42的溫度分布的距離。因此從光纖預製棒I能拉制具有低非圓度的光纖2。(示例3 至 5)關於示例3至5,從上述的替代實施例I至3,以IOOgf的拉絲張力和1500m/min的拉絲速度拉制光纖。爐芯管的內徑E是180mm。從具有150mm的直徑D和O. 07%的平均非圓度(沿預製棒的長度每50mm測量的)的光纖預製棒拉制光纖。下面的表示出了距離L、距離N、彎月形變化率的最大絕對值(dD/dz) _，以及沿拉制光纖的長度每50km測量的非圓度。
權利要求
1.一種光纖拉絲爐，包括 爐芯管，用於容納光纖預製棒； 主加熱器，用於加熱所述爐芯管的內部，所述主加熱器繞所述爐芯管並與所述爐芯管呈同心圓狀配置；以及 爐體，用於容納所述爐芯管和所述主加熱器； 其中所述光纖拉絲爐滿足關係2E > L > I. 5E，這裡E是所述爐芯管的內徑，而L是以mm為單位的最高溫度點與基準點之間的距離，所述最高溫度點為所述爐芯管的縱向方向上形成最高溫度的最高溫度位置，所述基準點位於所述最高溫度點的、所述爐芯管上側且形成比所述最高溫度低400°C的溫度。
2.根據權利要求I所述的光纖拉絲爐，包括副加熱器，所述副加熱器配置於所述主加熱器的上方。
3.根據權利要求I或2所述的光纖拉絲爐，包括在所述爐體中配置於所述主加熱器的外周的第一絕熱器，以及在所述爐體內的所述主加熱器的上方，配置於所述爐芯管的外周且具有比所述第一絕熱器更高的熱導率的第二絕熱器。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的光纖拉絲爐，其中所述爐芯管具有置於所述主加熱器上方的厚管部，所述厚管部的管厚比所述主加熱器的相鄰部分更厚。
全文摘要
本發明提供光纖拉絲方法和拉絲爐，用於通過簡單的拉絲系統來拉制具有小非圓度的光纖。光纖預製棒被接收到爐芯管中並通過環繞該爐芯管放置的主加熱器加熱。加熱該光纖預製棒，使得彎月形部的開始位置在其位置上高於主加熱器的頂部，其中該彎月形部形成在光纖預製棒的底部處。
文檔編號C03B37/025GK102898021SQ201210355658
公開日2013年1月30日 申請日期2009年3月27日 優先權日2008年3月27日
發明者折田伸昭, 鈴木尚, 坂田吉之 申請人:古河電氣工業株式會社