CN101541694A - 制造拉伸玻璃体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制造具有目标外径的拉伸玻璃体的方法，该方法借助可在纵向上移动的加热源来拉伸柱状或筒状的玻璃体。该方法包括：(1)第一拉伸步骤，用于获得中间拉伸体，其中，通过加热使玻璃体软化并拉伸玻璃体的同时测量被软化部分的外径，使得测量值等于第一控制直径，第一控制直径大于目标外径，中间拉伸体在其每一个位置的外径满足下列关系式：(目标外径－10μm)＜(中间拉伸体的外径)＜(目标外径+500μm)；以及(2)第二拉伸步骤，用于获得具有目标外径的拉伸玻璃体，其中，通过加热软化中间拉伸体并拉伸中间拉伸体，同时用第一直径监测器测量被软化部分的外径，使得测量值等于第二控制直径，第二控制直径大于目标外径。

Description

制造拉伸玻璃体的方法

技术领域

本发明涉及制造拉伸玻璃体的方法。

背景技术

通过拉拔光纤预成型坯而制造的光纤具有取决于沿着预成型坯的半径的折射率分布的特性。随着光纤的特性的所要求的精度变高，对光纤的折射率分布所要求的精度也变高。因而，为了响应这种要求，已经存在对能够用来制造具有所需折射率分布的光纤预成型坯的方法的需求。

此外，在作为制造光纤预成型坯的处理的一个步骤的中间预成型坯的拉伸处理中要求更高的精度。WO2004/000740(专利文献1)披露了这样一项发明：该发明用于基于在中间预成型坯的拉伸过程中所测量的中间预成型坯的外径来控制拉伸率，以便能够获得外径在纵向上均匀的光纤预成型坯。

然而，对于在该发明中披露的方法来说，拉伸的光纤预成型坯的外径在纵向上变化很大，导致难以在沿着纵向的每一个位置获得所需折射率分布。此外，由于拉伸过程中的加热，使得存在于中间预成型坯的表面中的SiO₂蒸发为Si-OH和Si-H气体。加热温度越高，蒸发量变得越大。因此，外径减小，导致拉伸后外径的精度的降低。一般来说，这些问题不仅出现在光纤预成型坯的制造过程中拉伸中间预成型坯的处理中，而且还出现在拉伸柱状或筒状玻璃体的处理中。

[专利文献1]WO2004/000740

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种制造拉伸玻璃体的方法，以便能够在通过拉伸而制造的拉伸玻璃体的沿着纵向的每一个位置获得所需外径。

解决问题的技术方案

为了达到上述目的，提供一种制造具有目标外径的拉伸玻璃体的方法。在所述方法中，利用可以在柱状或筒状的玻璃体的纵向上移动的加热源进行加热来使所述玻璃体软化，并将所述玻璃体拉伸成具有目标外径(所述目标外径可以在所述拉伸玻璃体的整个长度上是恒定的，或者也可以与所述拉伸玻璃体的每一个位置对应地在纵向上是变化的)。所述方法包括用于获得中间拉伸体的第一拉伸步骤和用于获得具有所述目标外径的所述拉伸玻璃体的第二拉伸步骤：

(1)在所述第一拉伸步骤中，通过加热软化所述玻璃体并拉伸所述玻璃体，同时测量被软化部分的外径，使得测量值等于第一控制直径，所述第一控制直径大于所述目标外径，所述中间拉伸体在其每一个位置的外径满足下列关系式：

(所述目标外径-10μm)＜(所述中间拉伸体的外径)＜(所述目标外径+500μm)；以及

(2)在所述第二拉伸步骤中，通过加热软化所述中间拉伸体并拉伸所述中间拉伸体，同时用第一直径监测器测量被软化部分的外径，使得测量值与第二控制直径一致，所述第二控制直径大于所述目标外径。所述第一控制直径和所述第二控制直径都可以与所述目标外径对应地在所述拉伸玻璃体的整个长度上是恒定的，或者也可以与所述拉伸玻璃体的每一个位置对应地在纵向上是变化的。

在所述第一拉伸步骤中，优选获得下述中间拉伸体：所述中间拉伸体在其每一个位置的外径满足下列关系式：

(所述目标外径)＜(所述中间拉伸体的外径)＜(所述目标外径+500μm)

在所述第二拉伸步骤中，优选的是：所述中间拉伸体的外径开始减小的减小开始位置和用所述第一直径监测器测量外径的位置之间的距离小于或等于所述中间拉伸体的外径的1.5倍。此外，在所述第二拉伸步骤中，优选用第二直径监测器对所述中间拉伸体被拉伸的部分的外径进行测量，基于所测量到的所述中间拉伸体的外径来确定用所述加热源加热的位置和用所述第一直径监测器测量外径的位置之间的距离，并且基于如此确定的所述距离来布置所述第一直径监测器。另外，在所述第二拉伸步骤中，优选的是：所述中间拉伸体的温度不超过1500℃。

附图说明

图1是示出在本发明的用于制造拉伸玻璃体的方法中使用的拉伸机保持玻璃体的状态的概念示意图。

图2是根据本发明的用于制造拉伸玻璃体的方法的第二拉伸步骤中的中间拉伸体的被加热部分及其附近的放大视图。

图3是示出第一实例中分别在拉伸玻璃体的沿着纵向的每一个位置测量的外径的曲线图。

图4是相对于第二拉伸步骤中拉伸前和拉伸后的每一个外径差示出第一实例中目标外径和拉伸玻璃体的外径之间的差的标准差的两倍的频率分布的曲线图。

图5是示出第二实例中中间拉伸体的外径D1(X)和目标外径D2(X)的曲线图。

图6是示出第二实例中目标外径D2(X)、拉伸玻璃体的最终直径D2’(X)以及它们之间的差的曲线图。

具体实施方式

在下文中，参照附图，对本发明的优选实施例进行说明。提供附图是为了解释实施例而不是意在限制本发明的范围。在附图中，相同的附图标记表示相同的部件，从而可以省略重复的说明。附图中的尺寸比例并不总是准确的。

图1是示出在本发明的用于制造拉伸玻璃体的方法中使用的拉伸机保持玻璃体的状态的概念示意图。拉伸机1具有保持部件11、保持部件12、加热源13、直径监测器14和高温计15。玻璃体20是柱状或筒状。例如，玻璃体20是包括要成为光纤的芯部的部分的光纤预成型坯，或者是制造光纤预成型坯的过程中的中间预成型坯。然而，玻璃体20不限于这些。

以这样的方式保持玻璃体20，即：用保持部件11保持玻璃体20的一端，而用保持部件12保持玻璃体20的另一端。在这种情况下，可以将用于操作的玻璃棒(虚设棒)热熔结合在玻璃体20的每一端上，以便可以用保持部件11和12保持这些虚设棒。保持部件11和12中的一者或两者可以沿着连接这些保持部件的直线移动，以便使保持部件11和12之间的距离可以变化。

用于通过加热来软化玻璃体20的加热源13优选是氢氧燃烧器、电阻炉、感应炉或等离子体燃烧器。加热源13安装为允许改变与玻璃体20的距离，以便可以调整加热玻璃体20的范围。直径监测器14在玻璃体20的外径由于加热源13的加热而减小的范围内测量玻璃体20的外径。高温计15通过非接触式测量来测量玻璃体20的被加热部分的温度。加热源13、直径监测器14和高温计15可以分别沿着玻璃体20的纵向移动。在下列说明中，假定为了拉伸玻璃体20，保持部件11是固定的，保持部件12向右移动，而加热源13、直径监测器14和高温计15中的每一个从玻璃体20的右端朝向左端移动。

根据与本发明有关的用于制造拉伸玻璃体的方法，通过使玻璃体20按照顺序经历第一拉伸步骤和第二拉伸步骤来制造具有目标外径的拉伸玻璃体。

在第一拉伸步骤中，通过拉伸玻璃体20来制备中间拉伸体21。在这种情况下，用直径监测器14测量通过利用加热源13加热而软化的部分的外径，并且拉伸玻璃体20，使得使测量值可以具有大于目标外径的第一控制直径。这样，使如此制备的中间拉伸体21满足公式(1)：

D2(X)-10μm＜D1(X)＜D2(X)+500μm......(1)

其中，D1(X)是中间拉伸体21的纵向上的位置X处的外径，D2(X)是拉伸玻璃体的纵向上的位置X处的目标外径。

在第二拉伸步骤中，通过拉伸中间拉伸体21来获得拉伸玻璃体。在这种情况下，用直径监测器14测量通过利用加热源13加热而软化的部分的外径，并且拉伸中间拉伸体21，使得使测量值可以具有大于目标外径的第二控制直径。这样，就获得了具有目标外径的拉伸玻璃体。

如果基于玻璃体20、21的软化部分中接近最终直径的位置(远离被加热部分)测量的外径来进行控制，那么由于控制值和最终直径之间的差较小，所以最终直径的精度提高。然而，由于进行控制的时间的延迟增大，所以波动(在最终直径和目标外径之间的差中变化的要素)增大，因此变得难以以高响应性控制最终直径。相比之下，如果将测量位置设置在远离最终直径的位置的位置(靠近被加热部分的位置)，那么响应性变好，但是由于控制直径的值和最终直径之间的差变大，所以精度降低。因此，通常要考虑控制的响应性和精度之间的权衡关系。这样，在软化的锥形部分中凭经验发现的最佳位置处测量外径，从而控制拉伸速率。

在本发明的第二拉伸步骤中，可以通过将外径的减小量抑制在公式(1)中所示的500μm或更小来缩短拉伸开始位置和拉伸终止位置之间的距离。这将解决上述权衡关系的问题并实质上提高拉伸精度和响应性，从而可以在拉伸玻璃体的沿着纵向的每一个位置获得所需外径。更具体来说，可以以高精度进行拉伸：可以使纵向上有效部分中目标外径D2(X)和最终直径D2’(X)之间的差的标准差σ_{D2’(X) -D2(X)}的2倍小于或等于40μm。此外，可以通过将外径的减小量控制在250μm或更小来使σ_{D2’(X)-D2(X)}的2倍小于或等于20μm。

图2是本发明的用于制造拉伸玻璃体的方法中的第二拉伸步骤中的中间拉伸体的被加热部分及其附近的放大视图。在图2中，DS表示外径减小的开始位置(减小开始位置)，DE表示外径减小的终止位置(减小终止位置)，HP表示加热位置，MP1表示用第一直径监测器测量外径的位置，MP2表示用第二直径监测器测量外径的位置。

优选的是：在第二拉伸步骤中满足下列公式(2)：

L(X)＜1.5×D1(X)......(2)

其中，L(X)是外径开始减小的开始位置DS和用直径监测器14测量外径的测量位置MP1之间的距离。为了在拉伸过程中反馈给中间拉伸体21的拉伸率，必须在中间拉伸体21的锥形部分(DS和DE之间)测量外径。并且，如果改变保持部件12的速度以便控制外径受到控制的位置处的外径，那么外径将在中间拉伸体21的每一个可变形位置发生变化。如果外径测量位置MP1设置为远离中间拉伸体21开始变形的位置DS，那么变形的变化在应当主要进行控制的位置的外侧增大，因此拉伸可控制性降低。通过将外径测量位置MP1设置在满足公式(2)的范围内，可以以高精度完成拉伸，而不会在位于控制位置外侧的部分处导致外径的过大变化。

此外，在第二拉伸步骤中，优选的是：基于以下列方式确定的距离来布置第一直径监测器14，即：首先在中间拉伸体21中的被拉伸后的位置MP2用第二直径监测器测量最终直径；然后，基于这样测量的最终直径确定上述距离，即，所述距离是要用第一直径监测器14测量的外径测量位置MP1和要用加热源13加热的加热位置HP之间的距离。无论初始形状如何，都可以通过在改变加热源13和外径测量位置MP1之间的距离的同时监测每单位长度的最终直径的变化量以及通过找到最终直径的波动最小的位置来确定最佳的外径测量位置MP1。

在第二拉伸步骤中，还优选在加热中间拉伸体21以使中间拉伸体21的温度不超过1500℃的同时进行中间拉伸体21的拉伸。在本发明的用于制造拉伸玻璃体的方法中，可以通过使拉伸前和拉伸后的外径差D1(X)-D2(X)小于或等于500μm来使拉伸过程中的加热温度较低。这样，通过使中间拉伸体21的表面温度为1500℃或更低，可以有效地将蒸发量抑制在较低水平并且可以提高拉伸的精度。

当使用如上所述的拉伸玻璃体的制造方法拉伸玻璃体时，可以在拉伸玻璃体的沿着纵向的每一个位置获得所需外径。更具体来说，可以制造这样的拉伸玻璃体，其中，将有效部分的纵向上的目标外径D2(X)和最终直径D2’(X)之间的差的标准差σ_{D2’(X)-D2(X)}的2倍限制在40μm或更小。

实例

下面，对更详细的具体实例进行说明。在第一实例中，以这样的方式使用图1所示拉伸机1，即：将虚设棒热熔结合在玻璃体20的每一端上，并且用保持部件11和12保持这些虚设棒。主要由石英玻璃制成的玻璃体20具有用于拉伸的柱形形状，最初具有约600mm的长度和30mm的外径。将要获得的拉伸玻璃体的目标外径D2(X)均匀地设定为与纵向上的X无关的10mm。

使用氢氧燃烧器作为加热源13，并且设置玻璃体20和该氢氧燃烧器之间的距离，以便通过加热而引起的火焰抛光量(玻璃体的被氢氧焰刮掉的周围部分的量)可以较小。将直径监测器14相对于加热源13的行进方向布置在加热源13的后侧。

在第一实例中，分成两个阶段来执行第一拉伸步骤。在第一阶段，将玻璃体20(初始外径：30mm)拉伸成具有约15.0mm的外径，并在第二阶段进一步将该玻璃体拉伸成约10.3mm的外径以制备中间拉伸体21。中间拉伸体21的有效部分中的外径的标准差σ_D1的两倍是246μm。这里，“有效部分”是外径大体上稳定并且将要用作产品的部分，通常是从拉伸开始位置去除约50mm到100mm之后剩余的区域。

在第一拉伸步骤中制备的中间拉伸体21太长，以至于这样分割该中间拉伸体，即：使得在第二拉伸步骤中拉伸具有500mm的长度的中间拉伸体21。在第二拉伸步骤中，将加热源13的横动速度设定为5mm/min。控制保持部件12的横动速度，以便由直径监测器14所测量的外径可以是与X无关的恒定的10.00mm。将加热源13的加热位置和直径监测器14的测量位置之间的距离设定为5mm。控制氢氧燃烧器即加热源13的氢流量，以便拉伸过程中中间拉伸体21的表面的最高温度可以是1420℃。

图3是示出第一实例中在拉伸玻璃体的沿着纵向的每一个位置X处测量的外径D2’(X)的曲线图。相对于Φ10.00mm的目标值，该目标值和有效部分中外径的平均值之间的差是5μm，这表明实现了高精度控制，而拉伸玻璃体的有效部分中的最终直径D2’(X)和目标外径D2(X)之间的差的标准差σ_{D2’(X)-D2(X)}的2倍值小于或等于12μm，这是极高的精度。

图4是相对于第二拉伸步骤中拉伸前和拉伸后的外径差D1(X)-D2小于250μm、大于或等于250μm且小于500μm、大于或等于500μm且小于750μm和大于或等于750μm的情况示出第一实例中目标外径D2(X)和拉伸玻璃体的外径D2’(X)之间的差的标准差σ_{D2’ (X)-D2(X)}的两倍的频率分布的曲线图。通过使第二拉伸步骤中拉伸前和拉伸后的外径差D1(X)-D2是500μm或更小，可以将在第二拉伸步骤中制备的拉伸玻璃体的2σ_{D2’(X)-D2(X)}限制在40μm或更小。此外，通过使第二拉伸步骤中拉伸前和拉伸后的外径差D1(X)-D2是250μm或更小，可以将在第二拉伸步骤中制备的拉伸玻璃体的2σ_{D2’(X)-D2(X)}限制在20μm或更小。

在第二实例中，如图5所示，拉伸玻璃体最终要获得的目标外径D2(X)随着X而变化。在第二实例中，同样分成两个阶段来执行第一拉伸步骤。如图5所示，在第一阶段，将玻璃体20(最初，外径是21mm，长度是350mm)拉伸成具有10.5mm的外径，并在第二阶段进一步将该玻璃体拉伸成具有目标值D2(X)+500μm或更小的外径，从而获得中间拉伸体。

在第二拉伸步骤中，将加热源13的横动速度设定为3.5mm/min。控制保持部件12的移动速度，使得由直径监测器14所测量的外径的值可以成为图5所示的目标值D2(X)。将加热源13的加热位置和直径监测器14的测量位置之间的距离设定为4.2mm。控制氢氧燃烧器即加热源13的氢流量，以便拉伸过程中中间拉伸体21表面的最高温度可以是1350℃。

图6是示出第二实例中目标外径D2(X)、拉伸玻璃体的最终直径D2’(X)以及它们之间的差的曲线图。在第二拉伸步骤中通过拉伸中间拉伸体而获得的拉伸玻璃体的最终直径D2’(X)很好地与目标外径D2(X)一致。拉伸玻璃体的有效部分中的最终直径D2’(X)和目标外径D2(X)之间的差的标准差σ_{D2’(X)-D2(X)}的两倍值是8μm，并且即使在目标外径在纵向上不均匀的情况下，也可以以极高精度完成拉伸。

本专利申请以2007年6月25日提交的日本专利申请(专利申请No.2007-166784)为基础，并且该日本专利申请的内容在此并入本文中作为参考。

工业实用性

通过本发明的方法制造出的拉伸玻璃体可以用作光纤预成型坯。

Claims (5)

1.一种制造具有目标外径的拉伸玻璃体的方法，所述方法利用可以在柱状或筒状的玻璃体的纵向上移动的加热源进行加热来使所述玻璃体软化并拉伸所述玻璃体，所述方法包括：

第一拉伸步骤，用于获得中间拉伸体，其中，通过加热使所述玻璃体软化并拉伸所述玻璃体，同时测量被软化部分的外径，使得测量值等于第一控制直径，所述第一控制直径大于所述目标外径，所述中间拉伸体在其每一个位置的外径满足下列关系式：

(所述目标外径-10μm)＜(所述中间拉伸体的外径)＜(所述目标外径+500μm)；以及

第二拉伸步骤，用于获得具有所述目标外径的拉伸玻璃体，其中，通过加热使所述中间拉伸体软化并拉伸所述中间拉伸体，同时用第一直径监测器测量被软化部分的外径，使得测量值与第二控制直径一致，所述第二控制直径大于所述目标外径。

2.根据权利要求1所述的制造拉伸玻璃体的方法，其中，

所述第一拉伸步骤获得下述中间拉伸体：所述中间拉伸体在其每一个位置的外径满足下列关系式：

(所述目标外径)＜(所述中间拉伸体的外径)＜(所述目标外径+500μm)

3.根据权利要求2所述的制造拉伸玻璃体的方法，其中，

所述中间拉伸体的外径开始减小的减小开始位置和用所述第一直径监测器测量外径的位置之间的距离小于或等于所述中间拉伸体的外径的1.5倍。

4.根据权利要求1所述的制造拉伸玻璃体的方法，其中，

在所述第二拉伸步骤中，用第二直径监测器测量所述中间拉伸体被拉伸的部分的外径，基于所测量到的所述中间拉伸体的外径来确定用所述加热源加热的位置和用所述第一直径监测器测量外径的位置之间的距离，并且基于如此确定的距离来布置所述第一直径监测器。

5.根据权利要求1所述的制造拉伸玻璃体的方法，其中，

在所述第二拉伸步骤中，所述中间拉伸体的温度不超过1500℃。

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