CN108083628A - 用于制造玻璃预成型件的向上塌缩工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于从玻璃体产生具有最小的包层‑芯体波导畸变的大型玻璃预成型件的设备和相关工艺，所述玻璃体具有一定重量、外表面、芯棒以及包层，所述包层包围所述芯棒并且与所述芯棒隔开一定间隙。所述设备包括套环，所述套环附连至所述包层的顶部和底部；间隔物，所述芯棒搁置在所述间隔物上；第一单元，所述第一单元固持并支撑所述底部套环和所述间隔物两者；第二单元，所述第二单元固持并支撑所述顶部套环；以及框架，所述框架限定加热区，所述加热区具有加热元件以对所述玻璃体进行加热，使所述包层塌缩到所述芯棒上，闭合所述间隙并且产生所述玻璃预成型件。所述加热区中处于熔融玻璃上方和下方的所述玻璃体的重量由所述第一单元和所述第二单元支撑，而不会接触所述玻璃体的所述外表面。

Description

用于制造玻璃预成型件的向上塌缩工艺和设备
技术领域
本申请总体涉及生产细长的玻璃部件，并且更具体地说涉及使用一种用于制造具有最小的包层-芯体波导畸变的这类部件的工艺和设备。
发明背景
涉及光纤的设计和应用的应用科学和工程领域被称为光纤学。光纤是通过将玻璃(二氧化硅)向下拉制为略微粗于人的头发的直径而制成的柔性的透明纤维。光纤最常用于在纤维的两端之间传导光并且被广泛用于光纤通信中，其中所述光纤允许在比线缆更长的距离和更高的带宽(数据速率)下进行传导。使用纤维代替金属线是因为信号可沿着纤维在高容量下传播，而具有减小的损耗。此外，纤维还不受电磁干扰(困扰金属线的问题)的影响。纤维也用于照明，并且被包裹成束，使得它们可以用于传送图像，从而允许在有限的空间中进行观察，就像在纤维镜中的情况一样。经过特殊设计的纤维还可用于各种其他应用，诸如光纤传感器和纤维激光器。
光纤通常包括透明芯体，所述透明芯体被具有低折射率的透明包覆材料包围。光由于全内反射现象而被保留在芯体中，这使得纤维可充当波导。支持许多传播路径或横向模式的纤维被称为多模纤维；支持单一模式的纤维被称为单模纤维。
现今必须满足严密的光纤截止波长规格，并且达到这些规格的产率损失是不能忍受的。截止波长可以被定义为在此之下单模光纤将充当多模纤维的波长。或者换言之，截止波长可以被定义为在此之上单模光纤中可确保单模操作的波长。许多网络规划者现已认识到，在制定光纤缆线规格时，缆线截止波长是要定义的最重要的参数之一。
发明内容
为了解决常规的向下拉制系统和工艺中固有的问题，用于产生光纤预成型件的设备以及使用所述设备的相关向上塌缩工艺的第一目的是最小化并且可能的话消除波导(包层-芯体)畸变效应。第二个目的是最小化并且可能的话消除常规的向下拉制系统和工艺中固有的浪费和组装问题。第三个目的是实现具有优异的几何和波导特性，可在后续纤维拉制中实现最高生产率的最大预成型件尺寸。第四个目的是实现最高质量(最清洁和最干燥)的RIT或RIC预成型件界面。第五个目的是允许在圆筒内堆叠多个任意长度的独立式芯棒(而不需要将所述芯棒焊接在一起)，使得所述芯棒的重量被完全且独立地支撑在组件中，以在相当昂贵的芯棒和圆筒的外包层工艺中实现几乎为零的浪费。其他目的是允许在线包头，并且实现近100%的成品预成型件产率。
另一目的是允许用于制造预成型件的玻璃体在水平(X-Y)平面内的浮动式安置以及在垂直(z)方向上精确的线性运动两者，以实现对预成型件几何结构的精确对准和控制。仍然另一目的是由一个或多个称重传感器监测玻璃体在加热期间的行为。又另一目的是使用物理性质和质量守恒来进行精确的尺寸控制，从而消除常规的在线测量和反馈控制的费用。
另一个目的是使用反应性气体来蚀刻、清洁并干燥预成型件界面。仍然另一个目的是提供一种固有地清洁的工艺：(1)避免与预成型件外表面直接接触，并且(2)完全密封预成型件组件，因此使所述组件的界面与外部环境隔离，尤其是在真空启动期间使所述组件的界面与所述设备的加热元件(例如，炉)内部的污染物隔离。相关目的是在不接触预成型件的外表面的情况下支撑预成型件重量。其他相关目的是避免制造工艺期间在预成型件上的侧向或横向力，并且最小化或消除预成型件弯曲度。又另一个目的是通过例如避免空气管路、泡状物、纤维断裂和损失问题来改进预成型件或纤维界面的质量。
还有一个目的是使用有限元建模来有效地开发最佳向上拉制配方。相关目的是通过减少开发期间必要的试验次数来节省宝贵的炉生产能力。仍然另一个相关目的是允许精确地理解尤其是在预成型件的两端处的炉加热和玻璃流的复杂的热学物理性质，在所述两端处，可以“挤压”出最终数量的优质的预成型件和光纤产量。
仍然另一个目的是结合用于产生光纤预成型件的设备和使用所述设备的相关向上塌缩工艺来用相机系统和图案化的背景提供预成型件测量能力。相关目的是提供对波导几何特性的自动化的无破坏性而又生产友好的测量。仍然另一个相关目的是为预成型件的用户提供有增值保证的波导质量，并且提供微调光纤拉制的潜在机会。
为了实现以上目的，提供了一种制造具有最小的包层-芯体波导畸变的玻璃预成型件的设备以及使用所述设备的相关向上塌缩工艺。所述设备接纳玻璃体，所述玻璃体具有一定重量、周长和芯棒以及包层(“圆筒”)，所述包层与所述芯棒隔开一定间隙。所述设备包括顶部套环，所述顶部套环附连至包层的顶部，所述顶部套环具有大致等于或小于包层的外径的外径；底部套环，所述底部套环附连至包层的底部，所述底部套环具有小于或大致等于包层的外径的外径；至少一个间隔物，独立式堆叠芯棒搁置在所述至少一个间隔物上；底部套环固持器和真空单元，所述底部套环固持器和真空单元固持并支撑底部套环和至少一个间隔物两者，从而支撑玻璃体的整个重量，而不会接触玻璃体的周长，底部套环固持器和真空单元将气体从设备去除或将所述气体引入到所述设备；顶部套环固持器和真空单元，所述顶部套环固持器和真空单元固持并支撑顶部套环，所述顶部套环固持器和真空单元将气体从设备去除或将所述气体引入到所述设备；以及外包层或拉制塔结构或者框架，所述结构或框架具有加热元件和限定的加热区以对玻璃体进行加热，使包层塌缩到芯棒上，闭合间隙并且产生玻璃预成型件。
相关向上塌缩工艺产生具有最小的包层-芯体波导畸变的玻璃预成型件。所述工艺提供玻璃体，所述玻璃体具有一定重量、周长和芯棒以及包层(“圆筒”)，所述包层与所述芯棒隔开一定间隙。将顶部套环附连至包层的顶部并且将底部套环附连至包层的底部。用底部套环固持器和真空单元支撑底部套环，所述底部套环固持器和真空单元定位于安置于拉制塔中的加热区下方。将独立式堆叠芯棒(即，未被焊接在一起)支撑在至少一个间隔物上，所述堆叠的芯棒搁置在所述至少一个间隔物上并且所述至少一个间隔物由底部套环固持器和真空单元支撑，使得底部套环固持器和真空单元支撑玻璃体的整个重量，而不会接触玻璃体的周长。用顶部套环固持器和真空单元支撑顶部套环，所述顶部套环固持器和真空单元定位于加热区上方。相对于定位于加热区中的加热元件的中心，以预定配方安置玻璃体并向上移动所述玻璃体。在向上进给玻璃体穿过加热区时，包层塌缩到芯棒上，从而闭合间隙并且产生玻璃预成型件。
应理解，前文的一般描述和以下具体实施方式均是本发明的示例，并且不对本发明进行限制。
附图简述
从以下结合附图阅读的具体实施方式中可最好地理解本发明。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征是不成比例的。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。附图中包括下图：
图1是示出形成细长的玻璃部件的向上塌缩工艺中使用的设备的主要部件的示意图；
图2是根据本发明的实施方案的用于产生光学部件的玻璃体的透视侧视图；
图3A、图3B、图3C和图3D示出向上塌缩工艺的FEM模拟中的四个步骤，展示了安置于加热元件中的玻璃体；
图4A示出反映相对较大的幅度的称重传感器读取“波纹”，所述幅度指示所运行的工艺处于低温侧上；
图4B示出反映相对较小的幅度的称重传感器读取“波纹”，所述幅度指示所运行的工艺处于高温侧上；并且
图5是与图1所示的设备结合使用的预成型件测量装置的实施方案的示意图。
具体实施方式
光纤通常在两个独立的工艺中进行制作。首先，制备芯棒，然后通过管套棒(RIT)或筒套棒(RIC)工艺，或者通过另一种外包层工艺诸如外部气相沉积(OVD)工艺来制作预成型件。其次，将所制作的预成型件在炉内加热并将其拉成光纤。用于产生光纤预成型件(完成两个工艺中的第一工艺)的常规工艺和设备可以包括提供光纤RIT外包层设备。
外包层设备包括立式车床；卡盘，所述卡盘安装在立式车床的每一端中；立式车床中的滑动架，所述滑动架用于在立式车床的两端之间垂直地移动；氧-氢燃烧器，所述氧-氢燃烧器安装在滑动架中；炉，所述炉安装在滑动架中；真空泵，所述真空泵设置在立式车床的一端处；联接器，所述联接器用于将真空泵连接至立式车床的端部；以及立式车床外侧的控制器，所述控制器用于控制滑动架的垂直运动、氧-氢燃烧器的流速和卡盘的旋转。炉对玻璃管进行预热或加热以用玻璃管对芯棒进行外包层。
实际上，在常规的RIT外包层设备中，预成型件的外径受限于90 mm或更小。所述限制是由氧-氢燃烧器的低效加热强加的。另外，手柄必须焊接至(具有与RIT外包覆管相同的长度的)单个芯棒，以便于从顶端为芯棒重量提供单独的支撑。这导致了两个缺点：(1)芯棒材料的浪费，因为短芯棒无法得到有效的使用；以及(2)尤其是用氧-氢火炬将手柄焊接至芯棒会导致芯棒的表面上的表面氢氧化物(OH)结合，如果不能被蚀刻掉(所述工艺的额外成本)，则所述表面氢氧化物结合会因为OH吸收而增大尤其是在1,383 nm处的纤维衰减。
最近，已经通过以下方式来产生石英玻璃管件、棒或塌缩的离线筒套棒(ORIC)的预成型件：在垂直取向上将石英玻璃部件(例如，圆筒、锭坯或未塌缩的RIC)引入到包括加热区(例如，炉)的设备中，使得下端开始软化并形成股线。然后将股线放置在包括一组或多组拉丝轮的拉出装置中。股线的拉制率通过拉丝轮的速度来控制，所述拉丝轮可以根据由轮支撑的股线的成型区的温度或粘度和重量来施加向下或向上的力。无需借助于模具就可完成成型。因此，股线尺寸通过石英玻璃部件的进给率、加热区的温度和拉丝轮的速度来控制。
在常规的ORIC工艺下，使由合成的高纯度玻璃制成的圆筒(通常长度为3 m，外径为约200 mm)塌缩到高纯度玻璃芯棒上，以形成在界面间隙处存在热量和真空的光纤预成型件。通常以显著小于圆筒的原始直径的直径向下连续拉出预成型件。必须将足够的真空施加至介于圆筒与芯棒之间的间隙，以便于界面塌缩并且通过软化的玻璃来支撑芯棒的重量。真空对于防止芯棒相对于圆筒移动来说是非常重要的；如果没有的话，所得预成型件的包层与芯体的比率会失真，并且从所述预成型件拉制的纤维将无法满足所要求的波导规格(诸如，截止波长)。在向下塌缩、拉伸和拉制工艺中还需要复杂而昂贵的预成型件外径测量和反馈控制，并且即使有了这类控制，也很难实现不受包层-芯体畸变影响的精确的预成型件几何特性(包括低预成型件弯曲度或曲率和直径变化)以及波导特性。向下拉制工艺中的这种固有的波导畸变效应在很大程度上归因于作用在炉中的熔融玻璃和未附接的芯棒上的重力和真空力，其中温度较高的外侧包覆玻璃比内侧芯棒玻璃更快速地向下流动。
用常规的向下拉制系统和工艺产生具有接近于原始圆筒或包层尺寸的外径的最大预成型件是非常困难的。在工艺开始和结束时会浪费大量优质的预成型件玻璃，其中预成型件的几何和波导特性在诸如几何形状、包层与芯体的比率、芯体偏心率以及弯曲度等参数方面远远达不到所要求的规格。因此，常规的预成型件系统和工艺具有明显的缺陷。
根据本发明的实施方案，提供了设备和向上塌缩工艺，所述设备和向上塌缩工艺在几乎不存在波导(包层-芯体)畸变的情况下并在浪费和成本显著减少的情况下产生具有已知存在的最大外径和长度(即，外径为约200 mm，其中常规外径受限于约150 mm，并且长度为约3 m，或与原始圆筒或包层大致相同的尺寸)的预成型件。常规的光纤预成型件具有90至150 mm的外径。在流水线化的向上塌缩工艺中，ORIC包层中的堆叠的芯棒从下方进行支撑(因此芯棒在塌缩工艺中不会相对于包层移动)，并且整个ORIC组件相对于炉向上移动，因此预成型件如图1所示且如下所述连续地向上塌缩和拉制。设备和向上塌缩工艺：(1)产生最大的已知预成型件，因为所述预成型件可以仅在具有最大的已知外包覆圆筒的塌缩工艺中制成，(2)可降低成本，这归因于近100%的外包层成品(包头)预成型件产率(几乎没有浪费)以及流水线化而又简化(例如，不存在在线测量或反馈控制)工艺，所述工艺包括整合的在线预成型件包头工艺(节省了处理时间和加热步骤)，(3)提高波导质量，这归因于因固定、堆叠和被支撑的芯棒具有任意可变的长度所致的固有地低的波导(包层-芯体)畸变，以及(4)允许将高达约一个大气压的反应性气体(诸如SF6)施加至界面(即，不需要真空)以便改进界面和较低芯棒D/d比(接近于波导芯体的界面)。
芯棒的D/d比是芯棒的外径与波导芯体(有光在其中传播)的直径之比，其中“D”是芯棒的外径，并且“d”是波导芯体的直径。所述比率在限定芯体生产量扩大时对于使用RIT或RIC预成型件来产生光纤的用户来说是非常重要的。随着芯棒的D/d比的减小，界面变得更接近于波导芯体，而这意味着芯棒中所需的玻璃的相对量减少(同时包层中的玻璃的量需要增加)。这反过来意味着用相同的芯棒制造设施，其制造芯棒的能力(或制造光纤芯体的同等能力)大致是D/d的平方(例如，通过将D/d从3.3减小为2.3，芯体生产能力将翻倍)。然而，减小芯棒D/d对于外包层材料纯度和界面质量来说是一个重大挑战，因为其中的光功率传播会呈指数增长。因此，在较低芯棒D/d下，在界面处将需要(与例如SF6相比)更为积极的气体蚀刻、清洁和干燥过程。简而言之，较低的D/d比(即，界面更接近于芯体)允许预成型件的制造商(a)不用大笔投资就可轻松地扩大芯体生产量，并且(b)实现更复杂且更先进的折射率特征更接近于芯体的光纤设计。
参考图1，示出了用于产生光纤预成型件的设备10。设备10包括垂直布置的框架12。从底部到顶部，框架12具有下部开放端；预热或下部隔热区14；加热区16；后加热或上部隔热区17；后加热冷却、退火和烘箱气体吹扫区18；以及与下部开放端相对的上部开放端。加热区16可以优选地通过加热元件(通常为烘箱或炉)加热至500℃至2,300℃，更优选地1,000℃至2,300℃，以及仍然最优选地1,500℃至2,300℃的温度。更具体而言，加热元件优选地具有环形配置。加热元件优选地安置于框架12内或其周围，以便形成框架12的加热区16。惰性气体在高温下被注入到加热元件中以防止加热元件氧化。
参考图2，玻璃体20用于产生光纤预成型件。玻璃体20具有圆柱形或管状配置。玻璃体20具有长度L，所述长度L从第一或上端22延伸至相对的第二或下端24。纵向轴线X在相对的第一端22与第二端24之间延伸。优选地，玻璃体20的第一端22和第二端24都是切割出的方形端部。
玻璃体20优选地包括玻璃芯体或芯棒30，所述玻璃芯体或芯棒含有波导光纤芯体；以及包围芯棒30的玻璃包层32。更具体而言，芯棒30优选地形成于玻璃体20的几何中心中并且沿着玻璃体20的长度L延伸。包层32优选地形成在芯棒30上，以在径向上沿着玻璃体20的长度L包围芯棒30。包层32以沿着公共中心线对准的同轴布置包围芯棒30。间隙31最初存在于芯棒30与包层32之间。包层32具有外径“OD”。
包层32可以是纯石英玻璃或掺杂的石英玻璃。然而，优选地，包层32是高纯度无掺杂或掺杂的石英玻璃。芯棒30优选地在大多数情况下是具有掺杂和无掺杂的区域的高纯度石英玻璃，以实现适当的折射率分布。包层32和芯棒30各自可以通过任何合适的工艺来形成，诸如熔融石英或一种或多种类型的化学气相沉积(CVD)，包括内部气相沉积、外部气相沉积和气相轴向沉积。芯棒30中心处的芯体材料通常具有大于周围包层32中的材料的折射率的折射率，以实现从由预成型件拉出的纤维中穿过的光信号的内部反射，从而产生有效的波导。
返回到图1，第一或顶部套环40附连至包层32的顶部。尽管可以使用其他机构来将顶部套环40附连至包层32，但是顶部焊缝42也是合适的。顶部套环40的外径大致等于或小于包层32的外径。第二或底部套环44附连至包层32的底部。尽管可以使用其他机构来将底部套环44附连至包层32，但是底部焊缝46也是合适的。底部套环44的外径小于或大致等于包层32的外径。顶部套环40和底部套环44都是中空的环形部件。
堆叠的芯棒30安置于包层32的内部并且搁置在短间隔物48的顶部上，所述短间隔物进而搁置在长间隔物50的顶部上。短间隔物48设置在长间隔物50的顶部，以确保长间隔物50在向上塌缩工艺之后不会被焊接至预成型件，并且之后可以容易地从底部套环44去除。长间隔物50由定位于长间隔物50下方的底部套环固持器和真空单元52支撑。底部套环固持器和真空单元52如其名称所暗示还固持并支撑底部套环44。预成型件组件(其包括玻璃体20的堆叠的芯棒30和包层32，以及附连至包层32的顶部套环40和底部套环44)以及底部套环固持器和真空单元52首先被装载到定位于烘箱气体吹扫区18上方的顶部套环固持器和真空单元54上。(底部套环固持器和真空单元52以及顶部套环固持器和真空单元54允许设备10在设备10的任一端处将气体从设备10去除，即产生真空，或将所述气体引入到所述设备。顶部套环固持器和真空单元54如其名称所暗示固持并支撑顶部套环40。)然后，玻璃体20相对于加热区16，以及更具体而言相对于加热区16的加热元件安置并且向上移动穿过加热元件。底部套环固持器和真空单元52被夹持并支撑在加热区16的下方；顶部套环固持器和真空单元55被夹持并支撑在加热区16的上方。在加热步骤开始之前，顶部焊缝42(以及因此包层32的顶部)最初放置在加热元件的中心下方的预定距离处，以避免对顶部焊缝42的热冲击。(所谓“预定”是指事先确定的，使得必须在某一事件之前确定，即选定或至少已知预定特性)。例如，这个距离可以为约350 mm。
参考图1解释使用设备10制造预成型件的向上塌缩工艺。使玻璃体20穿过框架12，其中所述玻璃体被加热、软化和拉长以形成诸如光纤预成型件的光学部件。更具体而言，优选地在工艺开始时以稳定的方式使玻璃体20的下端24安置于框架12中，然后使玻璃体20在向上(即，与常规的向下相反)方向上前进穿过框架12。在框架12中，在加热区16中以逐个区的方式对玻璃体20进行加热。预成型件通过以下方式来连续产生：实现熔化变形，以使外包层间隙31塌缩并将芯棒30熔合至外包覆圆筒或包层32(并且任选地，预成型件可以通过所述工艺期间由顶部套环固持器和真空单元54以及底部套环固持器和真空单元52施加的拉力或压缩力来进行拉伸/伸长或者缩短/压缩)。
在一个实施方案中，玻璃体20是两个单独的玻璃部件的同轴组件：堆叠的芯棒30和包层32。更具体而言，芯棒30是呈实心的圆柱形棒的形式，并且包层32是呈包围堆叠的芯棒30的中空的外包覆圆筒(即，筒套棒组件)的形式。在同轴组件中，堆叠的芯棒30和包层32在玻璃组件进入加热区16之前并未熔合在一起。
在玻璃体20的这个实施方案的同轴组件向上前进穿过框架12时，将芯棒30和包层32加热至预定温度并且加热足够的时间以使两个玻璃部件软化并熔合在一起来形成整体固结的玻璃体20。(“整体”是指本身是完整的，而不具有附加工件的单一工件或单一的一体式零件，即，所述零件是与另一个零件形成为一体的一个整体件)。更具体而言，在两件式玻璃体20的连续部分逼近加热区16并且在加热区16中加热时，包层32和芯棒30变软，并且软化的包层32塌缩在芯棒30上并且与之熔合。然后可以将来自所得的整体式玻璃体20的至少一个，以及更优选地多个“即拉型”预成型件直接拉制成纤维。
优选地，玻璃体20的这个实施方案的同轴布置加热至500℃至2,300℃，更优选地1,000℃至2,300℃，以及最优选地1,500℃至2,300℃的温度。更优选地，包层32在芯棒30上的软化和塌缩在1,000℃至2,200℃，更优选地1,300℃至2,000℃以及最优选地1,600℃至1,800℃的温度下进行。软化且塌缩的包层32与软化的芯棒30优选在1,000℃至2,200℃，更优选地1,300℃至2,200℃以及最优选地1,600℃至2,200℃的温度下熔合在一起。然而，本领域技术人员将理解，诸如玻璃材料组成和生产率的其他因素也会影响包层32塌缩在芯棒30上并与之熔合所处的温度。
介于芯棒30与包层32之间的熔合界面可通过设备10的若干个部件而确保是清洁的。例如，均被密封的底部套环固持器和真空单元52以及顶部套环固持器和真空单元54允许向上塌缩工艺在真空中操作。底部套环固持器和真空单元52以及顶部套环固持器和真空单元54还将预成型件组件(尤其是界面)与加热元件(例如，炉)和外部环境中的潜在污染物隔离开来。尤其是在难以避免污染物进入到界面中的真空启动过程期间，炉和外部环境是常规工艺的典型污染来源。此外，可以使用反应性界面处理气体来蚀刻、清洁并干燥界面。
实施例
以下实施例被包括来更清楚地显示本发明的总体性质。这些实施例是本发明的示例，而不对本发明进行限制。
FEM (有限元建模)用于经由模拟来开发工艺配方，所述工艺配方将圆筒的运动与烘箱的加热率相结合，以避免对圆筒的热冲击，并且以使圆筒在适当的时间达到塌缩所要求的温度告终。借助于这些模拟，如图3A、图3B、图3C和图3D所示，作为标准程序，识别配方以对包层32的顶部进行预热并且开始介于包层32与芯棒30之间的界面的塌缩(即，闭合玻璃体20的间隙31)。这四个图是模拟中的四个典型时刻的快照，所述快照仅仅试图展示预热阶段(A-B)，在加热器的中心中的停留时间和正在进行的向上塌缩。完整的模拟显示了整个动态过程期间的温度分布的进展。快照说明了这个过程中的一些重要时刻。
图3A示出了在烘箱已加热1,860秒后，正好在圆筒开始移动之前的加热区16、玻璃体20和底部套环44的温度分布。图3B示出了在玻璃体20的顶部到达加热区16的底部时，在所述工艺进行到2,840秒时的玻璃体20的温度分布。图3C示出了当玻璃体20的顶部已到达加热区16的中心并将其运动暂停7分钟时，在所述工艺进行到4,280秒时的玻璃体20的温度分布。图3D示出了在所述工艺进行到5,000秒时的玻璃体20的温度分布。玻璃体20的顶部已移动到加热区16的中心上方。玻璃体20和芯棒30在加热区16的中心上方大致100 mm处达到塌缩所要求的温度。FEM模拟提供了有关加热区16内部的玻璃温度、粘度、应力以及流量的信息。针对具有约290 mm长度的加热区16 (以及加热元件)，使用FEM模拟来有效地识别配方，这最小化了所需的实际试验的次数。
用于对加热区16的加热元件进行加热的典型配方是50 kW持续30分钟，100 kw持续10分钟，150 kW持续10分钟，200 kw持续10分钟，使用220 kW (或略低的最大功率，例如212 kW)进入所述工艺的稳定状态。定位于设备10底部的底部套环固持器和真空单元52以速度V1移动，同时定位于设备10顶部的顶部套环固持器和真空单元54以速度V2移动。通常，在工艺开始时，V1 = V2。在典型的配方中，在100 kW达到2分钟之后的6分钟内，V1 = V2 =13.5 mm/分钟。然后将组件停止4分钟。在4分钟的暂停之后，组件再次以13.5 mm/分钟向上移动直到顶部焊缝42到达加热元件的中心为止。一旦顶部焊缝42到达加热元件的中心，就将组件停止6分钟。然后组件再次以V1 = V2向上移动，以进行稳态塌缩。
当顶部焊缝42处于加热区16的中心上方约110 mm至约135 mm时，激活(即，打开)底部套环固持器和真空单元52的真空泵。这种激活在箭头56的方向上吸取真空并且使顶部套环40中的压力开始下降。当顶部套环40中的压力停止下降时，包层32的顶部已经塌缩，间隙31已被闭合，并且包层32已被密封或已与芯棒30熔合。此时，在将气体(例如，氮气N2)回填到顶部套环40时，在底部套环固持器和真空单元52处继续保持泵送真空，直到压力达到约1 atm为止。然后将顶部套环40与空气连通。
可以激活(即，打开)顶部套环固持器和真空单元54的真空泵以在箭头58的方向上吸取真空。类似地，对加热区16的加热元件中使用的气体(通常为惰性气体，诸如氩气、氦气或最典型为氮气)的吹扫可以通过在箭头60的方向上将气体引入到加热元件中来实现。在玻璃体20的外表面与加热元件的表面之间进行气体吹扫，以防止玻璃体20的外表面上的碳黑的产生和加热元件的氧化。加热元件顶部处的气体吹扫通常在工艺开始时就会进行。重要的是识别适当的吹扫速率(例如，9 m3/h)，使得在所述工艺期间或之后，不会有碳黑或其他沉积物形成于预成型件的表面上。
当底部焊缝46处于加热区16的中心下方的预定距离(例如，约500 mm)时，加热元件的功率开始线性下降。当底部焊缝46到达加热区16的中心时，加热元件的功率应处于预定的结束功率值(例如，约150 kW至约160 kW)。当维持这个结束功率时，组件仍然应保持向上移动一段短距离(例如，约50 mm)。这个工艺步骤抑制了最终阶段温度上升，并且避免了底部附近的玻璃的过热和塌落。
当底部焊缝46处于加热元件的中心上方一段短距离(例如，约50 mm)时，所述工艺结束。在这个位置处，完全关闭对加热元件的供电，同时停止组件的移动。在工艺停止之后，可以使真空泵送维持一段较短时间(例如，1至2分钟)，以确保包层32完全塌缩到玻璃体20的下端24。然而，如果最终阶段的加热配方是100%正确的，则不需要维持真空，并且将真空维持额外的时间还可能会带来底部套环44发生变形的风险。
使用称重传感器68来测量由底部套环44支撑的总重量。已经发现，如果微小的恒定振荡扰动被叠加到顶部套环和真空单元54的速度V2上，并且底部套环固持器和真空单元52的速度V1保持恒定，则如图4A和图4B所示会在称重传感器读数曲线上出现“波纹”。“波纹”的幅度越大，工艺温度越低。这是因为在温度更低的工艺下，加热元件的中心处的软化的玻璃更具刚性，并且更有能力将振荡的力传递至组件的底部。在恒定的加热元件功率设定下，这个信息指示所述工艺由于加热元件的实际状况，是处于温度略高一侧还是处于温度略低一侧。例如，图4A示出了相对较大的幅度以及因此处于低温侧的工艺；图4B示出了相对较小的幅度以及因此处于高温侧的工艺。基于这个了解，人们可以确定工艺的结束功率，即工艺温度越低，结束功率就需要越高。这个“纹波”幅度实际上是在加热元件的中心处的玻璃体20的真实粘度测量，所述粘度测量比用高温计实现的任何玻璃表面温度测量更为可靠。
因此，设备10和相关向上塌缩工艺允许通过施加振荡运动来实现加热元件的中心处的玻璃体20的粘度测量。小的振荡被施加到预成型件组件的顶部处的位置。同时，由称重传感器68测量预成型件组件的重量。称重传感器68的测量提供了对加热元件的中心处的玻璃体20的粘度的间接测量。这个信息可以用于使用例如控制器88 (在下文进行论述)来控制加热区16的温度/加热功率。
明显不同于常规的向下拉制工艺，堆叠的芯棒30由堆叠的芯棒30的底部处的间隔物48支撑，而不是由真空支撑，从而在外包层和拉制过程期间能使芯棒30的位置相对于包层32基本上保持固定。换言之，向上塌缩工艺不需要真空来防止芯棒移动，所述真空可能会导致包层-芯体波导畸变以及因此纤维截止波长问题。另外，与常规的向下拉制工艺相对比，加热区16中的熔融玻璃上方和下方的玻璃的重量在向上拉制工艺中能够很好地由顶部套环40和底部套环44支撑，这基本上消除了加热区16中常规会由重力和真空力引起的包层-芯体波导畸变效应。这种差异允许向上塌缩工艺在加热元件或塌缩温度进入到低温侧时具有更高的容错性(这是因为玻璃未被足够软化来传递来自真空的压差并支撑芯棒30)。
由于不需要真空来支撑芯棒30的重量，因此向上塌缩工艺还允许介于芯棒30与包层32之间的间隙31中存在分压(高达大气压或稍大一点，通常为约1,100 mbar)。因此，在高温塌缩期间，可以在界面处理气体箭头62的方向上自由地施加反应性界面处理气体诸如六氟化硫(SF6，其可在室温下安全地处理)，以蚀刻掉任何潜在的界面污染，诸如金属颗粒或表面氢氧化物(OH)。除了六氟化硫之外，其他合适的反应性界面处理气体还包括氧气(O2)、氯气(Cl2) (但是会出现安全问题)、氟气(F2)、三氟化氮(NF3)、四氟化硅(SiF4)、四氟化碳(CF4)以及氟仿(CHF3)。使用反应性界面处理气体来蚀刻、清洁和干燥预成型件界面可产生改进的界面、增强的光纤质量(纤维断裂、泡状物、损失或空气管路减少)和较低的芯棒D/d比。
如先前段落所述，由于堆叠的芯棒30由间隔物48从下方进行支撑，并且加热区16(其中玻璃被软化)上方和下方的玻璃的重量也得到支撑，因此向上塌缩工艺不太容易受到有差异的芯体-包层玻璃流或波导畸变效应的影响。这种支撑消除了不受控制的玻璃流动和畸变的问题。因此，处理低粘度玻璃材料(诸如高度掺杂F的包层32)具有天然的优点，而不用承受因过度加热或因重力和真空力所致的包层-芯体波导畸变的风险。这为用掺杂F的包层32材料进行某种类型的纤维设计提供了重要的处理优点。
返回到图1，将外径略小于顶部套环40的内径(即，通常为约126 mm)的玻璃盘70放置在芯棒30和包层32的顶部上以及顶部套环40的内部。盘70可以为约5 cm厚。在工艺开始期间，在顶部焊缝42在加热元件的中心处持续6分钟停留时间之后，从底部套环固持器和真空单元52以及顶部套环固持器和真空单元54两者施加真空。真空使顶部套环40塌缩到盘70上。通过设定V2 > V1，在包层32的其余部分进入稳态塌缩(其中V2 = V1)之前，在包层32的顶部上拉出尖端。结果是一种低成本而又高产率的在线预成型件包头工艺，所述工艺产生对于后续纤维拉制而言最容易且最有效的预成型件。整合的在线预成型件包头工艺相较于常规的在线包头工艺而言节省了大量的工作和成本(例如，节省了额外的加热步骤)。
如果界面塌缩已经开始并在继续时将V2设定为高于V1，则向上塌缩工艺还可以向上拉伸或拉制直径明显小于包层32的原始直径的预成型件。所拉伸(或甚至压缩的)预成型件的直径可以通过根据质量守恒定律对线性垂直速度V1和V2进行精确设定来准确地控制。然而，与常规的向下拉制工艺相比，优质的预成型件的开始阶段的玻璃损失对于向上塌缩工艺而言远远更小，并且因此这可以为所拉伸的预成型件带来显著的成本节省。
向上塌缩工艺对于成品预成型件而言还是完全无接触的工艺，因为在加热区16(其中玻璃被软化)的上方和下方的玻璃的重量由顶部套环40和底部套环44支撑，同时预成型件自身的外表面是未被接触的。避免预成型件接触以及因此任何侧向或横向力带来非常清洁的预成型件表面和弯曲度非常小的预成型件，这与常规的向下拉制工艺中的情况不同，其中拉出器轮在整个工艺当中始终与预成型件接触并且向其施加力。
在许多常规的向下拉制工艺中，在拉出器轮与预成型件周长之间存在小的接触区域。这种接触可能会在预成型件表面上引入杂质或污染物。此外，拉出器轮在向下拉制工艺中会产生侧向力，从而引起预成型件弯曲度(这对于较长的预成型件而言会变得更加严重，即，弯曲度会随着简单曲率情况下的预成型件长度的平方而增加)。由于过大的压力会损坏预成型件的玻璃表面，因此可以由拉出器轮施加至预成型件的接触力的大小是受限的。因此，对于需要比由单组拉出器轮能够施加的拉力更大的拉力的大型预成型件，可以将多组拉出器轮按不同的层级应用于预成型件，以实现必要的总垂直(摩擦)力，从而支撑预成型件重量。但是多组拉出器轮增加了设备的高度和成本。另外，只有在多组拉出器轮精确对准的情况下，才能通过所述拉出器轮组实现低弯曲度的预成型件，这在实践中很难实现。由于没有任何侧向力施加至预成型件，因此无接触式向上塌缩工艺可产生弯曲度非常小的预成型件。
再次返回到图1，设备10可以任选地包括夹持器系统80，所述夹持器系统附接至框架12。合适的夹持器系统80被更全面地描述于名称为“Formation Of Elongated GlassComponents With Low Bow Using A Gripper Device”且由本主题申请的受让人(HeraeusTenevo LLC & Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG.)于2015年1月22日提交的国际专利申请号PCT/US2015/012471。在一个实施方案中，夹持器系统80通过将夹持器系统10附接至框架12而被包括在设备10中。
夹持器系统80包括夹紧元件82和安装元件84，所述安装元件将夹紧元件82附接至夹持器系统80。夹持器系统80可以平行于框架12的长度(在图1中被定义为Z方向)垂直地移动。安装元件84允许夹紧元件82在X方向和Y方向上的平移运动(即，移动至X-Y平面内的任何位置)。(尽管既不是必要的也不是优选的，但是还可以使用允许旋转的卡盘系统-尤其是在由火炬而不是炉来提供加热元件的情况下)。在一个实施方案中，安装元件84是X-Y工作台，所述工作台包括一对臂，所述臂固定在线性轴承或线性轨道上；以及电机，例如手动或伺服电机驱动器，所述电机用于控制臂的运动。安装元件84是另外的低摩擦装置，使得由外部物体施加至夹紧元件82的力会导致夹紧元件82沿着安装元件84偏转，而不是夹紧元件82将阻力施加至外部物体。
一旦形成预成型件，就可以通过将夹紧元件82移动成与底部套环44或(如图1所示)底部套环固持器和真空单元52接触来附接夹持器系统80。夹紧元件82优选地不应接触预成型件。夹紧元件82可以被设定大小来具有凸形区域，所述凸形区域具有与底部套环44互补的形状，使得夹紧元件82牢固地装配在底部套环44周围，而不会对底部套环44造成损坏。夹紧元件82可以接触底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的外表面的全部或(如图1所示)仅一部分。在示例性实施方案中，夹紧元件82可以由高温可压缩材料制成，诸如硅酸钙、石棉、压缩玻璃或陶瓷纤维(例如，岩棉)或高温橡胶(例如，硅橡胶或含氟聚合物弹性体)。
首先通过确定底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的中心，然后在X方向上将夹紧元件82移动到与所述中心对准来使夹紧元件82与底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的中心对准。在一些实施方案中，夹紧元件82可以与底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的估计出的中心，例如基于期望的行进路径而估计出的期望中心对准。在其他实施方案中，为了更准确地将夹紧元件82与底部套环44或底部套环固持器和真空单元52对准，设备10还可以包括感测元件，所述感测元件能够定位于底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的中心；以及计算机，所述计算机用于从感测元件的输出确定中心。感测元件可以包括一个或多个激光装置、相机/视觉系统或机械接触(刻度盘指示器)系统。在示例性实施方案中，感测元件可以附接至夹持器系统80，或可以处于夹持器系统80的外部，例如附接至框架12。在另一个实施方案中，感测元件可以处于夹持器系统80和框架12两者的外部，例如相机。由于夹持器系统80包括用于防止失准的另外的元件，因此夹持器系统80不必完美地与底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的中心对准。
一旦夹紧元件82被对准，就通过在X方向上移动安装元件84来使夹紧元件82与底部套环44或底部套环固持器和真空单元52接触。安装元件84可以通过任何合适的机构，例如用于控制X-Y工作台的臂对的电机来移动。由于安装元件84是低摩擦装置，因此如果夹紧元件82试图在未与中心正确对准的情况下附接至底部套环44或底部套环固持器和真空单元52，则底部套环44或底部套环固持器和真空单元52推压夹紧元件82的力将使夹紧元件82移动到对准的位置，而不是移动底部套环44或底部套环固持器和真空单元52。安装元件84还可以包括锁定机构，所述锁定机构可以在夹紧元件82一旦附接至底部套环44或底部套环固持器和真空单元52就接合并脱开来防止夹紧元件82的移动。当夹紧元件82移动到位时，对锁定机构进行解锁，使得夹紧元件82可以由电机移动，同时仍然可通过施加至夹紧元件82的任何附加力来移位。一旦夹紧元件84与底部套环44或底部套环固持器和真空单元52接触，就将锁定机构接合来防止夹紧元件82在X-Y平面中的进一步移动。
为了检测失准，在一个实施方案中，夹持器系统80还包括力感测装置，诸如称重传感器，以感测反作用力，从而测量反作用力，所述反作用力在夹紧元件82附接至底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的过程期间产生。称重传感器是将施加至接至每个称重传感器的应变计(未示出)的夹紧元件82的力转换成电信号的换能器。然后可以测量电信号并且使其与施加至应变计的力相关。示例性称重传感器包括液压称重传感器、气动称重传感器和应变计式称重传感器。如果夹紧元件82不能与底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的中心正确地对准，则反作用力将大于夹紧元件82实现正确对准的情况下的反作用力。通过用力感测装置测量反作用力，可以在夹紧元件82向底部套环44或底部套环固持器和真空单元52施加足以导致底部套环44或底部套环固持器和真空单元52移动的力之前检测并校正失准。在一个实施方案中，力感测装置可以与低摩擦安装元件84结合使用，其中夹紧元件82附接至底部套环44或底部套环固持器和真空单元52的速度响应于大于预期的反作用力而减缓，以便于允许夹紧元件82在安装元件84上移动到对准位置。在示例性实施方案中，夹紧元件82可以在力感测装置未检测到失准的情况下以范围为约50 mm/分钟至约100 mm/分钟的速率朝向底部套环44或底部套环固持器和真空单元52移动，并且在检测到失准的情况下，速率降低到约10 mm/分钟至约25 mm/分钟。在其他应用中，夹紧速度可能会超过这些范围。
总而言之，夹持器系统80有助于支撑预成型件组件重量(其可以为约350 kg或更大)，从而代替常规的全面接触式拉出器轮系统。夹持器系统80允许用于制造预成型件的玻璃体20在水平(X-Y)平面内的浮动式安置以及在垂直(Z)方向上精确的线性运动两者，以实现对预成型件几何结构的精确对准和控制以及预成型件包头工艺。尤其是在结合了夹持器系统80的情况下，设备10避免了预成型件上的侧向或横向力，从而最小化并有可能消除预成型件弯曲度；可以使用称重传感器来监测加热期间的玻璃行为；并且允许使用物理性质(质量守恒)来精确地控制尺寸(消除常规的在线测量和反馈控制的费用)。
此外，设备10和相关向上塌缩工艺可以与预成型件测量装置结合使用。合适的预成型件测量装置被更全面地描述于名称为“Methods And Apparatus For DeterminingGeometric Properties Of Optical Fiber Preforms”且由本主题申请的受让人(HeraeusTenevo LLC & Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG)于2014年8月8日提交的国际专利申请号PCT/US2014/050368。
图5是用于测定光纤预成型件100的一个或多个几何特性的合适的预成型件测量装置90的实施方案的示意图。参考图5，设备90包括二维图案92和图像捕获单元94。在图5所示的实施方案中，图像捕获单元是数字相机。图5所示的实施方案中示出的预成型件测量装置90包括支撑件和驱动器96，所述支撑件和驱动器被配置用来使光纤预成型件100围绕其纵向轴线旋转。图5所示的支撑件和驱动器96的安置光纤预成型件100的右端的部分还包括支撑件和驱动器96，所述支撑件和驱动器被配置用来使预成型件100旋转。支撑件和驱动器96可以是一体式结构或支撑件和驱动器可以是单独的部件。支撑件被构造成在二维图案92与图像捕获单元94之间与预成型件100对准，使得所捕获的图像就像是透过预成型件100观察到的二维图案92。
使用预成型件测量装置90的一种示例性方法包括以下步骤：提供光纤预成型件100，所述光纤预成型件具有纵向轴线、外径和周长；提供二维图案92，所述二维图案具有平行于预成型件100的纵向轴线的长度以及大于预成型件100的外径的宽度；提供图像捕获单元94，所述图像捕获单元被设置成使得预成型件100对准在二维图案92与图像捕获单元94之间；使预成型件100围绕其纵向轴线旋转，并且获取在沿着预成型件100的周长的两个或更多个不同点处透过预成型件100观察到的二维图案92的第一多个图像；以及从第一多个图像测定预成型件100的至少一个几何性质。
可以根据预成型件测量装置90和相关方法来测定的光纤预成型件100的几何特性或性质包括直径、椭圆度、D/d比、外包层OD/ID比、芯棒30的偏心率和成品预成型件100的芯体偏心率以及整体预成型件弯曲度。因此，预成型件测量装置90和相关方法提供对波导和几何特性的自动化的无破坏性而又生产友好的测量。它们还为预成型件100的用户提供有增值保证的波导质量，并且提供微调产生光纤的工艺的潜在机会。
控制器是管理或引导两个部件之间的数据流(即，有助于两者之间的通信)的硬件装置或软件程序。设备10包括控制器88。控制器88提供以下能力：从例如称重传感器68、夹持器系统80；顶部以及底部套环固持器和真空单元52、54；以及真空和处理气体系统获得数据，并且使用所述数据来控制设备10和相关向上塌缩工艺的其他部件。控制器88已经以本领域技术人员熟知的方式在其中编程了预设的控制程序或例程，以有效地确保最佳加热和移动工艺配方。更具体而言，控制器88可以限定例如速度V1和V2、气体的流速和真空泵的压力。控制器88有助于确保稳健且可重复的“一键式”自动化生产工艺。
向上塌缩工艺的一个重要优点是波导(包层-芯体)畸变的最小化(可能的消除)。波导畸变的根源是常规工艺中固有的而向上塌缩工艺可消除的芯棒和熔融玻璃的重力和真空力。波导畸变是RIT/RIC领域中很少(如果有的话)得到解决的问题。缺少对问题的认识可能是因为过去的光纤性能要求没有那么严格，因此该领域往往就像看待简单的玻璃棒一样看待光学预成型件，而不用担心可能会导致(举例来说且除了其他以外)纤维截止波长失效的实际的波导(包层-芯体)畸变效应。
世界各地的连接装置、云服务、5G(第5代移动网络或第5代无线系统，它们标志着移动电信标准的重要阶段)和工业4.0 (或第四次工业革命，包括物联信息系统、物联网和云计算的制造技术中的当前的自动化趋势和数据交换)以及其他先进技术正在推动对带宽的呈指数增长的需求。因此，光纤制造商必须提高其产量和生产率。对于下一代光纤制造，需要在高速度下拉制更为大型的预成型件。向上塌缩工艺的结果是“即拉型”实心预成型件，所述预成型件可以承受连续多天不间断的光纤拉制，从而提高生产率和光纤产量，还为预成型件的用户降低成本并且实现提高的纤维产量。
向上塌缩工艺自然而然包括向上拉制(以及任选地，拉伸或压缩)以及低成本向上在线包头，所述向上在线包头通过使顶部套环40塌缩并通过使顶部套环40的外径与包层32的外径配合来实现。向上塌缩工艺的这些附加特征可以经由质量守恒和玻璃流的精确的物理性质以比常规的向下拉制工艺更为准确且更便宜的方式实现。包括拉制/拉伸和尖端特征的向上塌缩工艺还可以实现近100%的包头预成型件产率，以及预成型件端部处的最小的波导畸变(即，更“优质”的玻璃)。还值得指出的是，在向上塌缩工艺下，优质的预成型件玻璃的产率接近100%，而没有常规的向下拉制工艺的开始阶段所使用的浪费的牺牲性起始材料。另外，在向上塌缩工艺中用于顶部套环40和底部套环44的材料的消耗也是最小的。
以上描述了单一外包层向上塌缩工艺。然而，这个工艺可以应用于具有细微修改的多外包层“间隙”套管或圆筒，所述细微修改诸如增大间隔物48的外径并且略微调整最大加热功率和结束功率。另外，向上塌缩工艺还能够适应双重(或甚至三重或更多重)长度的包层32，所述包层的明显优点是不再需要包层内径的配合(即，底部包层的内径更小以将芯棒支撑在顶部包层内部，就像在常规的向下拉制工艺中的情况一样)，因为堆叠的芯棒30的重量完全从下方进行支撑。
本发明的优选实施方案的前文描述应被视作是说明性的，而不是像权利要求限定的那样来限制本发明。如将容易了解，在不脱离如权利要求所阐述的本发明的情况下，可以利用上文阐述的特征的众多变化和组合。这类变化不应认为是脱离本发明的精神和范围，并且所有这类变化意在被包括在以上权利要求的范围内。例如，明确地希望，本文件中宽泛引用的所有范围包括在其范围内的落在更宽泛范围内的所有较窄范围。还明确地希望，如本领域技术人员所理解，可以省略所述工艺中包括的某些步骤；可以添加某些附加步骤；并且可以从所描述的特定顺序改变步骤的顺序。

Claims (20)

1.一种用于从玻璃体产生玻璃预成型件的设备，所述玻璃体具有一定重量、周长、至少一个独立式堆叠芯棒；以及包层，所述包层包围所述至少一个芯棒并且与所述芯棒隔开一定间隙，所述设备包括：
顶部套环，所述顶部套环附连至所述包层的顶部，所述顶部套环具有大致等于或小于所述包层的外径的外径；
底部套环，所述底部套环附连至所述包层的底部，所述底部套环具有小于或大致等于所述包层的所述外径的外径；
至少一个间隔物，所述至少一个芯棒搁置在所述至少一个间隔物上；
底部套环固持器和真空单元，所述底部套环固持器和真空单元固持并支撑所述底部套环和所述至少一个间隔物两者，从而支撑直至所述玻璃体的整个重量，而不会接触所述玻璃体的外表面，所述底部套环固持器和真空单元将气体从所述设备去除或将所述气体引入到所述设备；
顶部套环固持器和真空单元，所述顶部套环固持器和真空单元固持并支撑所述顶部套环，所述顶部套环固持器和真空单元将气体从所述设备去除或将所述气体引入到所述设备；以及
框架，所述框架限定加热区，所述加热区具有加热元件以对所述玻璃体进行加热，使所述包层塌缩到所述至少一个芯棒上，闭合所述间隙并且产生所述玻璃预成型件。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括称重传感器，所述称重传感器用于测量由所述底部套环、所述顶部套环或两者支撑的重量。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述底部套环固持器和真空单元适于以精确控制的速度V1在垂直方向上移动，并且所述顶部套环固持器和真空单元适于以精确控制的速度V2在垂直方向上移动。
4.如权利要求3所述的设备，其中当微小的恒定振荡扰动被叠加到所述速度V2上时，在所述称重传感器的测量结果上会出现波纹，所述波纹反映了所述加热元件的中心处的所述玻璃体的粘度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，所述设备还包括反应性界面处理气体，所述反应性界面处理气体在所述高温塌缩期间被施加用来蚀刻、清洁并干燥介于所述至少一个芯棒与所述包层之间的界面。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述反应性界面处理气体选自由以下各项组成的组：六氟化硫、氧气、氯气、氟气、四氟化硅、三氟化氮、四氟化碳以及氟仿。
7.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括玻璃盘，所述玻璃盘具有略小于所述顶部套环的内径的外径并且定位于所述至少一个芯棒和所述包层的顶部上以及所述顶部套环的内部，使得当从所述底部套环固持器和真空单元以及所述顶部套环固持器和真空单元两者施加真空时，所述顶部套环塌缩到所述玻璃盘上，并且在所述玻璃预成型件的顶部上拉出尖端。
8.如权利要求1至7中任一项所述的设备，所述设备还包括夹持器或卡盘系统，所述夹持器或卡盘系统包括夹紧元件，所述夹紧元件适于接触所述底部套环或所述底部套环固持器和真空单元；以及安装元件，所述安装元件将所述夹紧元件附接至所述框架并且允许所述夹紧元件在垂直方向上精确的线性运动，从而安置并移动所述玻璃体。
9.如权利要求1至8中任一项所述的设备，所述设备还包括预成型件测量装置，所述预成型件测量装置用于测定所述玻璃预成型件的一个或多个几何或波导特性以确保所述预成型件的质量。
10.如权利要求1至9中任一项所述的设备，所述设备还包括控制器，所述控制器管理至少所述底部套环固持器和真空单元、所述顶部套环固持器和真空单元以及所述加热元件的两者和多者之间的数据流。
11.一种产生具有最小的包层-芯体波导畸变的玻璃预成型件的向上塌缩工艺，所述工艺包括：
提供玻璃体，所述玻璃体具有一定重量、周长和至少一个独立式芯棒以及包层，所述至少一个独立式芯棒与所述包层隔开一定间隙；
将顶部套环附连至所述包层的顶部，并且将底部套环附连至所述包层的底部；
用底部套环固持器和真空单元支撑所述底部套环，所述底部套环固持器和真空单元定位于安置于框架内的加热区下方；
将所述包层内部的所述至少一个芯棒支撑在至少一个间隔物上，所述至少一个芯棒搁置在所述至少一个间隔物上并且所述至少一个间隔物由所述底部套环固持器和真空单元支撑，使得所述底部套环固持器和真空单元支撑直至所述玻璃体的整个重量，而不会接触所述玻璃体的外表面；
用顶部套环固持器和真空单元支撑所述顶部套环，所述顶部套环固持器和真空单元定位于所述加热区上方；
将所述玻璃体安置在距离加热元件的中心的预定距离处，所述加热元件定位于所述加热区中；以及
向上进给所述玻璃体穿过所述加热区，以使所述包层塌缩到所述至少一个芯棒上，从而闭合所述间隙，并且产生所述玻璃预成型件。
12.如权利要求11所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：使所述底部套环固持器和真空单元以精确控制的速度V1在垂直方向上移动，并且使所述顶部套环固持器和真空单元以精确控制的速度V2在垂直方向上移动。
13.如权利要求12所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：将微小的恒定振荡扰动叠加到所述速度V2上并且使用称重传感器来测量在所述加热元件的所述中心处的所述玻璃体的有效粘度。
14.如权利要求13所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：使用所述称重传感器的测量结果来控制所述加热区的温度和加热功率。
15.如权利要求11至14中任一项所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：在所述高温塌缩期间施加反应性界面处理气体来蚀刻、清洁并干燥介于所述芯棒与所述包层之间的界面。
16.如权利要求11至15中任一项所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：从所述底部套环固持器和真空单元以及所述顶部套环固持器和真空单元两者施加真空，使得所述顶部套环塌缩到玻璃盘上并且在所述玻璃预成型件的顶部上拉出尖端，所述玻璃盘定位于所述至少一个芯棒和所述包层的顶部上以及所述顶部套环的内部。
17.如权利要求11至16中任一项所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：使用夹持器或卡盘系统来安置所述玻璃体，所述夹持器或卡盘系统包括夹紧元件，所述夹紧元件适于接触所述底部套环或所述底部套环固持器和真空单元；以及安装元件，所述安装元件将所述夹紧元件附接至所述框架并且允许所述夹紧元件在垂直方向上精确的线性运动。
18.如权利要求11至17中任一项所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：通过使用预成型件测量装置测定所述玻璃预成型件的一个或多个几何或波导特性来确保所述玻璃预成型件的质量。
19.如权利要求11至18中任一项所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：对所述加热区的所述加热元件中使用的任何气体进行吹扫，使得不会有污染物或沉积物形成于所述预成型件的表面上。
20.如权利要求11至19中任一项所述的工艺，所述工艺还包括以下步骤：使用控制器来管理至少所述底部套环固持器和真空单元、所述顶部套环固持器和真空单元以及所述加热元件的两者和多者之间的数据流。
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