CN101544464B - 光纤拉丝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供光纤拉丝方法和拉丝炉，用于通过简单的拉丝系统来拉制具有小非圆度的光纤。光纤预制棒被接收到炉芯管中并通过环绕该炉芯管放置的主加热器加热。加热该光纤预制棒，使得弯月形部的开始位置在其位置上高于主加热器的顶部，其中该弯月形部形成在光纤预制棒的底部处。

Description

光纤拉丝方法
技术领域
本发明涉及用于从光纤预制棒拉制光纤的光纤拉丝方法和拉丝炉。 
背景技术
光纤通过所谓的“拉丝”获得。在拉制期间，光纤预制棒的底部通过加热来软化，并将张力施加到预制棒的软化部分以减小其直径。预制棒通常由诸如石英玻璃的材料制成。通常，用于这种过程的拉丝系统设有用于加热光纤预制棒的拉丝炉、用于冷却所拉制的玻璃光纤的冷却装置、用于绕所拉制的玻璃光纤涂覆树脂的涂覆装置，以及用于卷取所涂覆的光纤的卷取装置。此外，将拉丝炉尽可能地置于距地面最高的位置处，以增加用于冷却光纤的行程距离并增加拉丝速度以提高生产率。 
然而，当从标准拉丝系统拉制光纤时，有时光纤的横截面为非等方性的圆(例如椭圆)。光纤横截面与等方性圆的偏差称为“非圆度”。光纤的非圆度被定义为(光纤横截面的最大和最小直径之差)/(最大和最小直径的平均值)。如果其非圆度不是零，则光纤是非圆形的。 
这种非圆形光纤的原因是由于所加热的光纤预制棒中的温度分布的不均匀而导致的光纤预制棒沿周向方向的软化的不均匀，这种情形的产生是因为难以完美地将拉丝炉的中心轴与光纤预制棒的中心轴相匹配。而且，如果拉丝炉的加热元件的发热量沿周向方向不均匀，则光纤可能会具有非圆形的横截面。当光纤具有大的非圆度时，它导致诸如偏振模色散(PMD)增加以及当该光纤连接到另一光纤时由于芯的未对准而导致的连接损失增加的问题。 
为了防止非圆形的光纤，在美国专利No.654760中已经公开了包括均衡化装置以沿加热器的周向方向均匀分布温度的拉丝炉。另一方面，在日本专利申请特开No.2004-224587中已经公开了一种光纤拉丝方法，该方法设定关系L(mm)≥5D(mm)-50(mm)。这里D是光纤预制棒的直径而L是由加热器产生的加热区沿拉丝方向的长度。 
然而，即使利用美国专利No.654760中公开的方法，也难以沿加热器的周向均匀地分布温度，并且炉内电极的结构变得复杂。而且，当电极的结构复杂时，它导致沿加热元件的沿周向方向的不均匀，这导致热的不均匀分布。此外，利用日本专利申请特开No.2004-224587中公开的方法，由于加热器延长了，所以炉本身也需要延长，从而变得难以将光纤预制棒接收到拉丝炉中，或者拉丝炉的高度和用于冷却所拉制光纤的距离减少。在大的光纤预制棒，例如具有100mm以上直径的预制棒中，上述问题是特别明显的。 
发明内容
本发明提供能够使用简单的拉丝系统来拉制具有小非圆度的光纤的光纤拉丝方法和拉丝炉。 
为了解决上述问题，在本发明中公开的光纤拉丝方法之一是从光纤预制棒拉制光纤的方法，其中该光纤预制棒被接收到炉芯管中并通过环绕该炉芯管放置的主加热器加热，该方法包括以下步骤：加热光纤预制棒，使得弯月形部，即从光纤预制棒的外径开始降低其外径的开始位置到该外径达到1mm的点的部分的开始位置在其位置上高于主加热器的顶部，其中该弯月形部形成在光纤预制棒的下端。 
而且，本发明中的光纤拉丝炉之一包括：炉芯管，用于容纳光纤预制棒；主加热器，用于加热该炉芯管的内部，该主加热器绕该炉芯管并与该炉芯管呈同心圆状配置；以及炉体，用于容纳该炉芯管和该 主加热器；其中该光纤拉丝炉满足2E≥L≥1.5E，这里E是该炉芯管的内径，而L是以mm为单位的最高温度点与基准点之间的距离，所述最高温度点为所述炉芯管的纵向方向上形成最高温度的最高温度位置，所述基准点位于所述最高温度点的、所述炉芯管上侧且形成比最高温度低400℃的温度。 
根据本发明，因为减少了弯月形部的开始点处沿周向方向的不均匀温度分布，而这对光纤的非圆度具有最大的影响，所以能从简单的拉丝系统拉制具有小非圆度的光纤。 
附图说明
现在参照附图： 
图1是与本发明的第一实施例有关的光纤拉丝炉的示意性纵剖面； 
图2示出了图1的炉芯管内部的温度分布曲线； 
图3说明使用图1中所示的拉丝炉来对光纤预制棒进行拉丝的方法； 
图4示出了本发明的示例1和比较例1中的炉芯管内部的温度分布曲线； 
图5示出了本发明的示例1和比较例1中的光纤预制棒的弯月形部的形状； 
图6是与本发明的替代实施例1有关的光纤拉丝炉的示意性纵剖面； 
图7是与本发明的替代实施例2有关的光纤拉丝炉的示意性纵剖面；以及 
图8是与本发明的替代实施例3有关的光纤拉丝炉的示意性纵剖面。 
具体实施方式
尽管在下面描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，这些实施例仅作为示例提出，并非意欲限制本发明的范围。 
(本发明的第一实施例) 
图1是与本发明的第一实施例有关的光纤拉丝炉的示意性纵剖面。如图1中所示，拉丝炉10具有炉体11、炉芯管12、作为主加热器的加热器13、绝热器14、顶盖15和冷却部16。 
炉体11是圆柱形的，由耐热性材料制成，并且容纳炉芯管12、加热器13和绝热器14。炉芯管12是圆柱形的并且例如由碳制成。而且，以碳加热器为例的加热器13是圆柱形的并放置成覆盖炉芯管12。而且，绝热器14绕炉芯管12和加热器13的外部放置。顶盖15置于炉体11之上。冷却部16置于炉体11之下并且容纳炉芯管12的底部。顶盖15和冷却部16具有用于接收光纤预制棒的第一开口15a和用于移出所拉制的光纤的第二开口16a。而且，在本发明的第一实施例中，炉芯管12的内径E是150mm，而加热器13的长度I是250mm。 
图2示出了图1的炉芯管12内部的温度分布曲线。在图2中，x轴示出当从炉芯管的顶端测量时沿炉芯管12的纵向方向的距离，而y轴示出在炉芯管12的中心轴处的温度。如图2中所示，在本发明的第一实施例中，加热器13相对于炉芯管12的纵向方向的中心部的最高温度大约为2000℃。而且，最高温度点P1与比最高温度低400℃并位于炉芯管12的上侧中的点P2之间的距离L是250mm。因此，在本发明的第一实施例中，满足关系2E≥L。要满足该关系，选择炉芯管12的内径和长度、加热器13的长度和高度，以及绝热器。 
接下来，对使用图1中所示的拉丝炉10的光纤预制棒的拉丝方法进行说明。图3用来说明使用图1中示出的拉丝炉10来从光纤预制棒1拉制光纤2的方法。如图3中所示，首先，从顶盖15将光纤预制棒1接收在第一开口15a上。加热器13加热并软化所接收的光纤预制棒1。该软化部分逐渐减小其半径以形成弯月形部1a，然后通过进一步将其外径减小到预定直径，它变为光纤2。在本说明书中，“弯月形部1a”意指从光纤预制棒1的外径开始降低其外径的开始位置1b到外径达到 1mm的点的部分。弯月形部1a具有拐点1c，在该拐点1c处，外径的变化(沿纵向方向)从凸形变为凹形。 
如图3中所示，在本发明的第一实施例中，加热光纤预制棒1，使得弯月形部1a的开始点1b的位置高于加热器13的顶部。这样，减小了弯月形部1a的开始点1b处沿周向方向的不均匀温度分布。开始点1b对光纤2的非圆度具有最大的影响。 
换句话说，在加热器13的顶部13a之下，弯月形部1a沿周向方向的温度分布容易受到加热器13沿周向方向的不均匀发热量的影响。然而，在加热器13的顶部13a之上，加热器13的不均匀发热量减小。此外，因为光纤预制棒1在弯月形部1a的开始点1b处开始软化，所以如果在弯月形的开始部处存在非圆形形状，则它在后续过程中影响弯月形部1a和光纤2的形状。 
因此，在本发明的第一实施例中，因为减小了在弯月形部1a的开始点1b处沿周向方向的不均匀温度分布，所以能拉制具有小非圆度的光纤。尤其是，当光纤预制棒的直径大于100mm时，由于预制棒容易受到沿周向方向的温度分布不均匀的影响，所以上述效果是明显的。在本说明书中，光纤预制棒的直径意指光纤预制棒的其外径近似一致的部分的外径。而且，在本发明的第一实施例中，为了实现弯月形部1a的开始点1b，它满足关系2E≥L，这里L是距离，其限定炉芯管12的温度分布，而E是炉芯管12的内径。因此，拉丝炉10具有简单的构造，无需特殊的装置。关于距离L与内径E之间的关系，如果2E≥L≥1.5E，那么弯月形部1a的开始点1b能定位在加热器13的顶部13a之上，如下面的示例中所描述的。 
(示例1) 
作为本发明的示例1，在炉中以100gf的拉丝张力和1500m/min的拉丝速度来对由石英玻璃制成的光纤预制棒进行拉丝。该炉具有与 本发明第一实施例相同的构成，并且包括具有150mm的内径E和250mm的加热器长度I的炉芯管。使用具有125mm的直径D和0.08％的平均非圆度(沿预制棒的长度每50mm测量的)的光纤预制棒。所拉制的光纤的平均非圆度(沿光纤的长度每50km测量的)是0.10％。 
(示例2) 
作为本发明的示例2，在炉中以100gf的拉丝张力和1500m/min的拉丝速度来对由石英玻璃制成的光纤预制棒进行拉丝。该炉具有与本发明第一实施例相同的构成，并且包括具有180mm的内径E和350mm的加热器长度I(比示例1中的拉丝炉长100mm)的炉芯管。使用具有150mm的直径D和0.07％的平均非圆度(沿预制棒的长度每50mm测量的)的光纤预制棒。所拉制的光纤的平均非圆度(沿光纤的长度每50km测量的)是0.10％。 
(比较例1) 
作为本发明的比较例1，将示例1中使用的拉丝炉的炉芯管与具有180mm的内径的炉芯管交换，并以100gf的拉丝张力和1500m/min的拉丝速度来对示例2中使用的光纤预制棒进行拉丝。所拉制的光纤的平均非圆度(沿光纤的长度每50km测量的)是0.21％。 
图4示出了在本发明的示例1和比较例1中的炉芯管内部的温度分布曲线。在图4中，x轴示出当从炉芯管的顶端测量时沿炉芯管的纵向方向的距离，而y轴示出在炉芯管的中心轴处的温度。曲线C1示出示例1中的情形，而曲线C2示出比较例1中的情形。如图4中所示，在示例1中，因为内径E是150mm，而距离L是250mm，所以满足关系2E≥L≥1.5E。相反，在比较例1中，因为内径E是180mm，而距离L是265mm，所以不满足关系2E≥L≥1.5E。 
(比较例2) 
作为本发明的比较例2，以100gf的拉丝张力和1500m/min的拉 丝速度来对由石英玻璃制成的光纤预制棒进行拉丝。使用具有150mm的直径D(如示例2中)和0.08％的平均非圆度(沿预制棒的长度每50mm测量的)的光纤预制棒。关于炉芯管，它具有与本发明的第一实施例相同的构成，即180mm的内径E和250mm的加热器长度I。然而，由于从加热器的顶部到炉芯管的顶部的距离减小，所以距离L变为230mm，并且弯月形的开始点与加热器的顶部近似处于相同的位置处。所拉制的光纤的平均非圆度(沿光纤的长度每50km测量的)是0.25％。 
图5示出了示例1和比较例1中的光纤预制棒的弯月形部的形状。在图5中，x轴示出当从炉芯管的顶端测量时沿炉芯管的纵向方向的距离，左y轴示出光纤预制棒的外径，而右y轴示出预制棒外径的弯月形变化率dD/dz。曲线3和曲线4分别表示示例1和比较例1的外径D。曲线5和曲线6分别表示示例1和比较例1中的弯月形变化率dD/dz。当计算从弯月形的开始点到拐点的距离N时，该距离N为200mm。由于示例1的直径D是125mm，所以示例1满足关系N≥1.5D。另一方面，比较例1中的距离N是220mm。由于比较例1的直径D是150mm，所以此比较例不满足关系N≥1.5D。而且，示例1和比较例1的弯月形部的长度分别是490mm和580mm。弯月形变化率dD/dz的绝对值在拐点处最大。示例1和比较例1中的弯月形变化率dD/dz的最大值分别是0.70和0.82。 
根据上面的结果，如在示例1中那样，如果光纤预制棒的弯月形变化率dD/dz的最大绝对值小于0.80，并且预制棒满足关系N≥1.5D，这里D是以mm为单位的预制棒的直径，而N是以mm为单位的从弯月形的开始点到拐点的距离，那么能获得具有小非圆度的光纤。因为上述条件还减小了弯月形部的长度，所以能使拉丝炉更小。 
此外，本发明的拉丝炉不限于在上述示例1中公开的构造。它具有各种替代实施例。下面，公开示例1的替代实施例。 
(替代实施例1) 
图6是与本发明的替代实施例1有关的光纤拉丝炉的示意性纵剖面。如图6中所示，拉丝炉20具有炉体11、炉芯管12、加热器13、绝热器14、顶盖15和冷却部16，顶盖15具有用于接收光纤预制棒第一开口15a，冷却部16具有用于移出所拉制的光纤的第二开口16a，如拉丝炉10中那样。此外，拉丝炉20具有置于加热器13之上并覆盖炉芯管12的副加热器23。与加热器13相比，副加热器23具有较小的功率，例如用来将炉芯管12内的最高温度提高到大约1600℃。它具有简单的构造并沿周向方向提供均匀的发热量。而且，加热器13和副加热器23通过绝热器14分离，从而能对它们进行独立地控制。因为拉丝炉20具有副加热器23，所以它能满足关系2E≥L≥1.5E，这里E是炉芯管12的内径而L是限定炉芯管12的温度分布的距离。因此，当通过拉丝炉20对光纤预制棒1(由图6中的虚线所示)进行拉丝时，能拉制具有小非圆度的光纤2。 
(替代实施例2) 
图7是与本发明的替代实施例2有关的光纤拉丝炉的示意性纵剖面。如图7中所示，拉丝炉30具有比炉10的炉体11更短的炉体31a、炉芯管32、和如拉丝炉10中那样的加热器13、绝热器14、顶盖15以及冷却部16，该顶盖15具有用于接收光纤预制棒第一开口15a，冷却部16具有用于移出所拉制的光纤的第二开口16a。此外，拉丝炉30具有位于顶盖15之上以及炉体31a外部的另一炉体31b。炉体31b与加热器13同中心，并且它容纳副加热器33。副加热器33具有比加热器13更低的功率，并且通过使用Kanthal加热器，它能用于大气环境中。例如，它用来将炉芯管32内的最高温度提高到大约1600℃。它具有简单的构造并沿周向方向提供均匀的发热量。拉丝炉30(如替代实施例1中那样)能满足关系2E≥L≥1.5E，这里E是炉芯管32的内径而L是限定炉芯管32的温度分布的距离。因此，从光纤预制棒1能拉制具有小非圆度的光纤2。 
(替代实施例3) 
图8是与本发明的替代实施例3有关的光纤拉丝炉的示意性纵剖面。如图8中所示，拉丝炉40具有如炉10中那样的炉体11、加热器13、绝热器14、顶盖15和冷却部16，该顶盖15具有用于接收光纤预制棒的第一开口15a，冷却部16具有用于移出拉制的光纤第二开口16a。炉芯管42与炉芯管12相似。然而，炉芯管42具有定位在加热器13之上的厚管部42a，该厚管部42a比加热器13的相邻部分更厚。此外，拉丝炉40具有位于加热器13之上的绝热器44，该绝热器44具有比绝热器14更高的热导率。由于厚管部42a和绝热器44，拉丝炉40(如在替代实施例1和2中那样)能满足关系2E≥L≥1.5E，这里E是炉芯管42的内径而L是限定炉芯管42的温度分布的距离。因此从光纤预制棒1能拉制具有低非圆度的光纤2。 
(示例3至5) 
关于示例3至5，从上述的替代实施例1至3，以100gf的拉丝张力和1500m/min的拉丝速度拉制光纤。炉芯管的内径E是180mm。从具有150mm的直径D和0.07％的平均非圆度(沿预制棒的长度每50mm测量的)的光纤预制棒拉制光纤。下面的表示出了距离L、距离N、弯月形变化率的最大绝对值(dD/dz)max，以及沿拉制光纤的长度每50km测量的非圆度。 
    L(mm)   N(mm)   (dD/dz)max   非圆度(％)
  示例3   300   290   0.77   0.12
  示例4   330   300   0.76   0.09
  示例5   270   270   0.8   0.11
如上面的表中所示，在所有的示例3至5中，(dD/dz)max小于等于0.8，N≥1.5D，并且非圆度小。 

Claims (2)

1.一种从光纤预制棒拉制光纤的方法，其中所述光纤预制棒被接收到炉芯管中并通过环绕所述炉芯管放置的主加热器加热，所述方法包括以下步骤：
加热所述光纤预制棒，使得弯月形部的开始位置在其位置上高于所述主加热器的顶部，其中所述弯月形部形成在所述光纤预制棒的下端，
其中所述光纤预制棒被加热，使得所述光纤预制棒的弯月形部的外径沿纵向方向的变化率的最大绝对值为0.8以下，
其中所述光纤预制棒被加热，使得所述光纤预制棒满足关系N≥1.5D，这里D是以mm为单位的所述预制棒的直径，而N是以mm为单位的从所述光纤预制棒的所述弯月形部的开始点到拐点的距离，其中所述拐点指所述光纤预制棒在纵向方向上的直径变化从凸形变为凹形的位置处的点。
2.根据权利要求1所述的拉制光纤的方法，其中所述光纤预制棒的直径大于100mm。
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