專利名稱:光學纖維的制備方法
本發(fā)明論述光學纖維(以下簡稱光纖)制備方法，特別要討論以棒管法來制備石英玻璃質(zhì)的光纖。
在本發(fā)明專門涉及而又不局限于此的光纖棒管法制造中，將包括形成光纖芯料的玻璃棒及其包層結(jié)構(gòu)件的預(yù)制棒放入一玻璃套管中，用該套管來增加上述這種芯料-包層復(fù)合件的橫截面積。然后將預(yù)制棒和套管的組合件降放到爐中。在高溫區(qū)，套管軟化塌縮在預(yù)制棒上形成單一的整體，然后向下拉制成光纖。影響光纖成品質(zhì)量的因素有許多，包括該組合件的運動速率、拉絲速率、爐子溫度、爐中的溫場分布以及預(yù)制棒和管子的初始幾何形狀。本發(fā)明的棒管法中通過給預(yù)制棒加上套管這一材料以擴大預(yù)制件的光纖產(chǎn)率。為了使制成的光纖具有正確的芯徑外徑比，考慮到預(yù)制棒本身的光學材料一般都會變化而使尺寸過大，故需要用一定橫截面積的套管來將其徑度減小到制成光纖的正確幾何結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提供了一種制造光纖的棒管法，其中，棒和管送入爐子高溫區(qū)的速率是不同的，棒的送入速率大于管的送入速率，棒料相對于管子的安裝方式，要保證在高溫區(qū)管子軟化并塌縮到棒上時，棒料可以自動取中。
本發(fā)明的實施例可對照附圖描述如下圖1為棒管結(jié)構(gòu)塌縮和拉絲基本過程的示意圖;
圖2a和2b分別表示常規(guī)棒管法工藝中的下拉區(qū)和按照本發(fā)明工藝的下拉區(qū);
圖3表示實現(xiàn)光纖連續(xù)拉制的方法。
首先參看圖1，棒管法中基本的塌縮和拉絲工藝是，將預(yù)制棒1預(yù)先和套管2對中放置(具體方法未示出)，然后，兩者以一預(yù)定速率一起向下運動通過爐子3，接著，從底端以一相應(yīng)的預(yù)定速率拉制成光纖4。迄個為止，一直是通過玻璃吹制技術(shù)或機械的雙卡盤結(jié)構(gòu)，使預(yù)制棒在套管內(nèi)預(yù)先取中，并使預(yù)制棒與套管兩者在其上端相互牢牢地固定。不論這種預(yù)先同軸套放的精度有多高，如果管和(或)預(yù)制棒發(fā)生彎曲，就會使非同心度合在全長范圍內(nèi)“凍結(jié)于”全長范圍內(nèi)。這會導(dǎo)致最終拉制成的光纖在相應(yīng)部分上使芯子相對于外徑不同心。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，如果使棒和管以不同速率進入爐子，則不需專門選擇套管的橫截面積，也可控制光纖維的芯徑外徑比。這就是說，構(gòu)成光纖的預(yù)制棒和套管的質(zhì)量比，對任一給定時間都是可變的，這一比值的大小取決于相對送進速率和橫截面積。上述方法的一個例子是，當選擇的套管其質(zhì)量約為所需質(zhì)量兩倍時，在此條件下來實現(xiàn)正確的芯徑外徑比。此時，將預(yù)制棒的進給速率也控制在約為套管進給速率兩倍的范圍內(nèi)。這兩個速率的精確比值要取決于具體預(yù)制棒的芯徑外徑比。圖2a表明標準棒管法中下拉區(qū)的形狀，圖2b表明棒的進給速率比管子進給速率快得多的情況下，下拉區(qū)的形狀，二者的速率比約為3.3比1。圖2a中通常的凹形下拉區(qū)的縱剖面;被圖2b中棒和管之間在新月型5處下的凸形縱剖面所代替。在后一情況下，產(chǎn)生了一種作用力，使棒料進入高溫區(qū)。我們還發(fā)現(xiàn)，在棒管法拉絲過程中，當預(yù)制棒的進給速率比套管快時，就會產(chǎn)生力使在高溫區(qū)內(nèi)開始收縮的管子中的棒常常能自動定中。應(yīng)當考慮到重力、拉力、表面張力和管子下拉區(qū)的對稱性等一類參數(shù)對此種現(xiàn)象都會有影響。這樣，棒料就不應(yīng)在管子內(nèi)牢靠固定，相反，應(yīng)允許它在管子中自動定中。在差速送料裝置中的棒應(yīng)能在管子的中央繞其端的其個點自由地樞動。為此，要采用一種光滑的樞軸機構(gòu)，例如，采用一種框架機構(gòu)。這樣，就可使下拉區(qū)和管內(nèi)預(yù)制棒獲得良好的徑向?qū)ΨQ性;反之，若采用通常的玻璃吹制或機械雙卡盤法固定棒和管，盡管棒和管中間的新月型可能是平直的，也即在垂直于管子縱軸的單一平面中，但如果棒和管恰好完全同軸，實際上棒和管之間就會在下拉區(qū)出現(xiàn)不同軸現(xiàn)象，結(jié)果產(chǎn)生傾斜的新月型。在管和棒的進給率不同，而它們的安裝方式又可使棒相對于管子運動的情況下，棒和管之間的新月型則完全為平直的。
差速供料方法可以獲得對芯徑外徑比的連續(xù)控制。位于拉絲爐下聯(lián)機的光纖芯徑/外徑比監(jiān)視器，它輸出的信號被耦合到(反饋到)用來產(chǎn)生棒和管相對前進的機構(gòu)中。用這種方法即使芯徑/外徑比沿單個棒坯發(fā)生變化(如芯子的錐形引起的)，也可對此預(yù)定的參數(shù)進行嚴密控制。這樣，就可以更高的百分比來利用預(yù)制棒的長度，因為均勻的光纖可從那些初始的，本來要報廢的不均勻預(yù)制中產(chǎn)生。為得到差速進給的棒和管，可采用各種驅(qū)動機構(gòu)。套管和預(yù)制棒的進給裝置實際上與通常用的一樣，唯一和常規(guī)技術(shù)不一樣的是這兩個裝置相互獨立。
此外，差速進給的棒管法可用于涂覆適合正常拉絲溫度的較薄涂層材料。一般，這樣一類材料是用來改善光纖強度特性的。例如，二氧化鈦摻雜的二氧化硅可用于會產(chǎn)生裂縫擴散的光纖表面的薄壓縮層，以提高其延伸能力。用通常的棒管法給預(yù)制套上一層薄到足以產(chǎn)生上述效應(yīng)的壁管是極端困難的，但是，如果管子包括全部所需材料采用這種差速送進方法，就能通過拉絲工序得到所需厚度的光纖。
具有增強作用薄層的另一實例是采用合成石英應(yīng)用為套管材料。相對說來，該材料比一般用來制造光纖預(yù)制棒的熔化天然石英貴得多，但它可產(chǎn)生出很高強度的光纖。我們認為這可能是由于合成石英具有優(yōu)良的均質(zhì)性及不含有氣泡和雜質(zhì)。表面缺陷是造成低延伸率光纖斷裂的原因，因此，合成石英的優(yōu)越性在光纖的外部區(qū)域變得異常顯著。不過，在通常的棒管法工藝中，是使合成石英套管和用熔化天然石英管制的預(yù)制棒相結(jié)合，這樣能比全用合成石英結(jié)構(gòu)的成本低，但我們這種差速進給技術(shù)提供了一種用高強度合成石英硅外套來經(jīng)濟地制造光纖的方法，因為該法可把套管的厚度控制到所需的最小值以獲得足夠的強度增加。
正如下面對照圖3所描述的差速進給棒管法工藝還易實現(xiàn)生產(chǎn)很長的光纖那樣。圖中套管件10通過一套管機構(gòu)12以一初速度進入爐子11，而預(yù)制棒13在套管中通過進給機構(gòu)14，即圖示的“交換式”機構(gòu)送入爐子，當然，進給機構(gòu)也可取其他形式。機構(gòu)12和14相互聯(lián)接，用以保證類似于前面所說的使棒13相對于管子頂部中心作樞軸運動。但是，在圖3所示的工藝中，若干預(yù)制棒13間續(xù)地送入套管頂端，套管最初具有的質(zhì)量比所需的多得多，以保證對單根預(yù)制棒能獲得所需的幾何形狀。這種間續(xù)式的送入技術(shù)，使我們能以連續(xù)、非接觸因而可保證清潔外表面的組合件，拉制出很長的單絲。制成的光纖具有一致的直徑和強度特性，即使在內(nèi)部預(yù)制棒的接合點處也是如此。內(nèi)部的預(yù)制棒可在送入套管口之前先行熔接(如圖中心處)，這道工序可和拉絲工序聯(lián)機進行，也可在開始拉絲作業(yè)前，按照一次生產(chǎn)用量制成很長的一根預(yù)制棒。或者，把預(yù)制棒間續(xù)地送入套管頂部，維持正確的進給速率所需的壓力;通過上面各段向下傳遞，使其作用在預(yù)制棒進入高溫區(qū)的那部分上。預(yù)制棒的端面預(yù)加工成使相鄰兩端在高溫區(qū)變軟時可結(jié)合的形狀。為了控制端部的同軸準直，例如可通過套管口和預(yù)制棒坯外徑之間保持緊配合來實現(xiàn)。
按以上所述，這種差速進給的棒管法保證了“連續(xù)”的光纖生產(chǎn)。最終的單元長度僅受套管件質(zhì)量的限制，而套管件的質(zhì)量可以取得很大。例如，撇開預(yù)制棒的質(zhì)量不論，用一根長×內(nèi)徑×外徑為1000毫米×20毫米×40毫米重10公斤的套管，即可生產(chǎn)出粗125微米、長370公里的光纖。按當前的預(yù)制棒直徑和預(yù)制棒對套管材料的質(zhì)量比，這樣的組合件能用上述尺寸和重量的套管和21.5米的預(yù)制棒拉制出660公里的光纖。要是在向下拉伸的各段預(yù)制棒之間作連接，則可能導(dǎo)致對光纖本身特性的損害，但即使這樣，本工藝也還是有其優(yōu)越性的，這是因為可將這些連接區(qū)切掉，使光纖的有用長度仍超過棒管法中采用單根預(yù)制棒生產(chǎn)光纖的有效長度，這時光纖產(chǎn)率的損失主要發(fā)生在拉絲開始時，由于光纖直徑和涂覆條件等非選擇性工藝參數(shù)引起的。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖的棒管法，其特征在于將預(yù)制棒(1)和管子(2)送入爐子的加熱區(qū)時是不等速的，棒速大于管速，且預(yù)制棒相對于管子的裝配方式應(yīng)允許管子在加熱區(qū)軟化塌縮在棒上時，棒件可以自動取中。
2.一項按照權(quán)利要求
1的方法，其特征在于棒和管的配置方式使管的縱軸鉛直，而棒件環(huán)繞管子頂部中心的位置作樞軸連接。
3.按照前述任何一項權(quán)利要求
的一種方法，其特征在于對從棒和管拉制出的光纖的芯徑/外徑比進行聯(lián)機監(jiān)控，并對此作出響應(yīng)以控制棒件和管子的相對進給速率，從而拉制出符合預(yù)定芯徑/外徑比的光纖。
4.按照權(quán)利要求
3的一種方法，其特征在于管(10)相對于棒(13)的初始質(zhì)量大于將棒涂覆到所需厚度的應(yīng)有質(zhì)量，并包括將棒(13)間續(xù)地送入管子頂部。
5.按照權(quán)利要求
4的一種方法，其特征在于間續(xù)送入的棒是熔連成一整體的。
6.按照前述任何一項權(quán)利要求
的一種方法，其特征在于這里的棒件，是由選用于形成光纖芯料的玻璃和一種芯子包層結(jié)構(gòu)組成的預(yù)制棒。
7.按照權(quán)利要求
6的一種方法，其特征在于管子是由那些能改善光纖性能的材料組成，而光纖在拉制過程中即自動涂上這種材料。
8.按照權(quán)利要求
7的一種方法，其特征在于上述材料包括二氧化鈦摻雜的石英或合成石英。
專利摘要
制造光纖的一種棒管法中，棒和管是以不同速率送入爐子的加熱區(qū)棒件相對于管子的裝配方式，應(yīng)使管子在加熱區(qū)軟化塌縮在棒上時，該棒件能自動取中，當棒件的進給速率大于管子的速率時，就會產(chǎn)生自動取中的力。拉制光纖時應(yīng)由一聯(lián)機的光纖芯徑/外徑比監(jiān)視器監(jiān)控。利用反饋的信號驅(qū)動管棒送入機構(gòu)，并借此對光纖的芯徑/外徑比作出精確地控制。將預(yù)制棒以高于此大質(zhì)量管件的進給速率送入加熱區(qū)，并在前一根棒用完后間續(xù)地將后一根棒不斷補送入管件內(nèi)的方法，能獲得很長的光纖。
文檔編號C03B37/02GK85104138SQ85104138
公開日1986年11月26日 申請日期1985年5月30日
發(fā)明者安德魯·彼得·哈里森, 馬爾科姆·鄧卡斯·麥克凱 申請人:標準電話和電纜公共有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan