CN1109905C - 拉伸光纤预制棒制造光纤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种拉伸光纤预制棒(1)制造光纤(13)的方法，包括以下步骤：加热光纤预制棒(1)到其可被拉伸的温度，通过对预制棒施加拉力拉伸加热的光纤预制棒(1)，并在拉伸步骤中使拉力基本保持恒定。这方法可以制造呈现均匀传输特性的光纤，尤其是在光纤的整个长度范围内具有均匀的传输损失，即使是通过拉伸具有大的直径的光纤预制棒制造光纤。

Description

拉伸光纤预制棒制造光纤的方法
本发明涉及一种在加热条件下拉伸光纤预制棒制造光纤的方法。
在例如石英系列光纤的制造中，外径为40至100mm的光纤预制棒被从上方插入加热炉中。预制棒的顶部在炉内被加热到大约2000℃，然后拉伸成预定外径的光纤。重要的是这样控制拉伸操作，使得防止在拉伸操作期间所拉伸的光纤改变性能。换句话说，在整个长度范围内，要求拉伸的光纤呈现均匀的特性。
在过去，通常是在拉伸操作开始时把炉内温度设置为达到所形成的光纤最佳性能的温度。然后，在以后的拉伸期间，通过利用如辐射温度计监视炉内温度把炉内的加热温度保持为常数。
现在，需要较长的光纤。自然，光纤预制棒的体积和外径较大。如果象上述常规方法中，那样，在开始时把炉内温度设定为达到拉伸操作开始时形成的光纤最佳性能的温度，然后保持温度为常数，则实际给予光纤预制棒的热量将发生变化。具体地说，随着拉伸操作的进行给予光纤预制棒的热量增加。换句话说，随着拉伸操作的进行，光纤预制棒的温度逐渐增加。结果，这种拉伸操作被不均匀地进行，从而使在光纤的整个长度范围内，所拉伸的光纤的特性尤其是传输损失不一致。上述的热量的变化被认为其原因在于光纤预制棒本身的热辐射量的改变，所述改变在对插入加热炉内的光纤预制棒进行拉伸操作时发生。
本发明的目的在于提供一种拉伸光纤预制棒的方法，从而制造在光纤的整个长度范围内，呈现一致的传输特性特别是传输损失特性的光纤。本发明的方法使得可以制造满意的光纤，即使在光纤预制棒具有大的直径的情况下。
按照本发明，提供一种拉伸光纤预制棒制造光纤的方法，包括下列步骤：把光纤预制棒加热到可以拉伸的温度；通过对预制棒施加拉力拉伸加热的光纤预制棒；在拉伸步骤期间使拉力基本保持恒定。
在本发明中，希望按照光纤预制棒的剩余长度以预定的速率减少给予光纤预制棒的热量。尤其是希望调节炉内温度，使其满足方程：
T＝0.18×10-6×(320-L)3其中T是加热炉内的温降(℃)，L是光纤预制棒的剩余长度(mm)。
本发明的其它目的和优点在以下的说明中将会提出，其中的一部分可以从说明中看出或从本发明的实施中知道。本发明的目的和优点可以通过在权利要求中具体提出的手段及其组合来实现。
包括在说明书中作为说明书的一部分的附图说明本发明目前的最佳实施例，上面给出的一般说明和下面给出的最佳实施例的详细说明用来解释本发明的原理。
图1示意地表示，按照本发明的一个实施例的方法用于拉伸光纤绽料的装置；
图2是表示在加于光纤预制棒上的拉力和光纤预制棒剩余长度(或体积)的关系的曲线，包括光纤预制棒由图1所示的装置拉伸的情况；
图3是表示在加于光纤预制棒上的拉力和光纤预制棒剩余长度的关系的曲线，包括常规方法，其中在拉伸操作期间，炉内的温度不降低；
图4表示按本发明的方法制备的光纤的长度方向中的传输损失改变；以及
图5表示用常规方法制备的光纤的长度方向中的传输损失的改变。
通过测量在拉伸操作期间加于光纤上的拉力可以检测在加热炉内的光纤预制棒的熔融或软化状态。当炉温被设定为恒值时，随着对光纤预制棒进行的拉伸操作的进行，拉力被降低。换句话说，随着拉伸操作的进行预制棒的剩余体积被减小，因而，剩余的预制棒的热容量减小。此外，加于光纤预制棒的热量随时间而增加。根据这些发现，本发明人已经分析了在拉力方面的变化，并且发现通过随着拉伸操作的进行减少加于加热炉内光纤预制棒的热量可使拉力保持恒定，从而作出了本发明。
更具体地说，本发明的拉伸方法包括下列步骤：加热光纤预制棒使其顶端熔化；在拉力下拉伸熔融的光纤预制棒；在整个拉伸操作期间使拉力基本保持恒定。
在光纤预制棒的加热步骤中，预制棒被这样加热，使其熔融并被拉伸。加热温度根据光纤预制棒的材料而定。当光纤预制棒用基于石英的材料制成时，预制棒被加热到大约2000℃。
在随后的拉伸熔融预制棒的步骤中，对预制棒施加按所需的光纤特性预先确定的拉力，为了尽量抑制传输损失，这拉力应该在20g和60g的范围内。
在本发明中重要的是，在整个拉伸操作中加于熔融预制棒的拉力被基本保持恒定。可以用不同方法使拉力保持恒定。例如，可通过调整加热炉内的温度、按照预制棒的剩余长度(或体积)降低炉内的温度、以及通过改变加于炉内的气体的流量等方法使拉力保持恒定。通过采取这些方法中的任何一种，可以在拉伸操作期间使加于光纤预制棒的热量(或温度)保持恒定。
如果按照光纤预制棒的剩余长度减少加于光纤预制棒的热量，则在拉伸操作期间可使拉力保持恒定。结果，就能使控制的光纤在其整个长度内保持一致的传输特性。具体地说，所控制的光纤可以避免按照预制棒的剩余长度而呈现增加的传输损失。
当在加热炉内的温度按照预制棒的剩余长度(或体积)而降低时，从设备的可控性的观点看来，希望以预定速率降低温度。虽然温度降低的程度取决于加热炉内的温度分布，但是希望这样降低炉内的温度，例如，满足方程：
T＝0.18×10-6×(320-L)3其中T是加热炉内的温降(℃)，L是预制棒的剩余长度(mm)。
以上给出的温降T(℃)和上面给出的剩余长度L(mm)密切相关。更具体地说，图5表示预制棒的剩余长度和拉力之间的关系。为了控制炉温以减少如图5所示的拉力的变化，通过近似地使用合适函数可以获得上面给出的立方公式。因此，已经发现，上面给出的包括剩余长度L作为变量的方程，代表和温降T的最佳近似关系。通过按照上面给出的方程降低炉温，可在整个长度内使控制的光纤的特性保持一致。
让我们参照附图更详细地说明本发明的方法。具体地说，图1示意地表示由按照本发明的一个实施例的方法所用的拉伸光纤预制棒的装置。图中标号1表示光纤预制棒，标号2表示用于拉伸预制棒1制造光纤的装置。拉伸装置2包括可沿垂直方向运动的夹持件3，用来夹持光纤预制棒1的上端。夹持件3通过升降装置3a上下运动。此外，加热炉4被设置在夹持件3的下面，它具有供光纤预制棒1插入炉4内部区域的通孔。
和炉温控制单元8由气相连的炉温测量装置7被向着加热炉4的侧壁设置，炉温控制单元8和用于计算炉温降低量的计算单元9电气相连。此外，计算单元9和驱动装置3a电气相连。由上述结构可见，关于光纤预制棒进给长度的信息从升降装置3a向前传递到计算单元9，用来计算炉温降低量。在计算单元9中计算的炉温降低量被传递给炉温控制装置8。由炉温测量装置7测量的炉温的信息也被传递给炉温控制装置8。此外，根据炉温和炉温降低量从炉温控制装置8产生的炉温控制信号被传递给加热炉4，用以控制加热炉的温度。
在加热炉4下面设置有拉力卷筒5和卷绕线轴6。从图可见，拉成的光纤13被绕在线轴6上。此外，用来用树脂包覆拉成的光纤的包覆装置11被设置在加热炉4的下面，用来固化拉成的光纤的树脂包层的固化炉12被设置在包覆装置11的下面。
假定上述结构的拉伸装置2用于拉伸光纤预制棒1从而制备光纤13。在开始操作之前，测量光纤预制棒的剩余长度L0(mm)，测量的值被送入计算单元9，用来计算炉温降低量。
在下一步，光纤预制棒1的下端部被送入加热到大约2000℃的加热炉4内，由夹持件3夹持着预制棒1的上支撑部分1a。结果，预制棒1的下端部被加热炉4内的热量熔化，并被拉制成直径为125μm的裸光纤10。裸光纤10被利用例如紫外线固化树在包覆装置10内包覆。此后，包覆过的光纤通过固化炉12，使树脂包层固化，这样，便制成了树脂包层的光纤13。然后用拉力卷筒拉动。并被绕在线轴6上。
在通过拉伸锭1制备裸光纤10的过程中，加热炉4内的温度随着光纤预制棒1的剩余长度L(mm)的减少，而逐渐降低。结果，施加于光纤预制棒上的热量随着从预制棒辐射的热量的减少而减少。这样，即使预制棒1的剩余长度被减少时，也不会在光纤预制棒1上施加过剩的热量，从而使得能够以预定的拉力进行拉伸操作。
加热炉内的温度降落应当满足方程“T＝1.08×10-6×(320-L)3”，其中T是在加热炉4内的温度降落(℃)，L是光纤预制棒1的剩余长度(mm)。在这方程中的值“1.08×10-6”表示立方函数近似公式的系数，值“320”表示在加热炉内的温度开始被控制时的光纤预制棒的初始长度。换句话说，当剩余长度L被减少到320mm时加热炉内的温度降落开始被控制。
应当注意，光纤预制棒1的剩余长度L通过对计算单元9提供夹持件3的进给量(下降量)的信号进行计算，以便计算炉温降低量。这样计算的表示剩余长度L(mm)的信号和炉温测量装置7产生的信号一起被送到炉温控制单元8。根据这些信号，按照上面给出的公式在单元8内进行炉温降低的控制。
图2表示按照本发明确定的公式控制炉温拉伸预制棒1的情况下关于拉力变化的实验数据。与此相对，图3也表示在按照现有技术拉伸操作期间炉温被设为常数时的类似的实验数据。拉力通过根据已知方法用在线系统，例如在拉伸操作之后立即测量光纤的振动而获得。
由图2可见，在本发明的方法中，拉力被保持恒定。即在本发明的方法中，按照剩余光纤预制棒的长度降低炉温。结果，在拉伸操作期间不再给予光纤预制棒过量的热量。换句话说，在拉伸操作期间，能够抑制加于预制棒上的热量变化，从而导致上述的恒定的拉伸力。在另一方面，图3表示当采用常规方法，在拉伸期间把炉温设定为常数时，则随着锭的剩余长度的减少拉力也被降低。换句话说，在常规方法中，拉力被大大地改变。
图4表示按照本发明在拉制光纤锭时控制炉温的情况下，沿光纤长度方向的传输损失的变化。传输损失通过单色测量机测量。由图4可见，本发明的方法可以基本上完全抑制沿拉伸的光纤的长度方向传输损失的变化。在另一方面，图5表示在用常规方法控制炉温拉伸光纤预制棒的情况下沿光纤长度方向的传输损失的变化。由图5可见，传输损失沿这样拉伸的光纤的长度方向大大地改变了。
在上述实施例中，在加热炉内的温度降低T(℃)由立方函数的近似公式确定。此外，温度降低T(℃)可由另外的线性函数、四次方函数或指数函数的近似公式确定。在实际上，温度降低T(℃)可以按从上述这些公式选取的合适的近似公式确定。
如上所述，本发明提供一种拉伸光纤预制棒制备光纤的方法。在本发明中，给予光纤预制棒的热量随拉伸操作的进行而逐渐减少，从而保持在拉伸期间使拉力基本保持恒定。结果，拉制的光纤在其长度方向上呈现一致的传输特性。尤其应当注意的是，按照光纤预制棒的剩余长度以预定的速率降低加热炉内的温度。例如，在加热炉内温度降低T(℃)由公式“T＝1.08×10-6×(320-L)3”确定，其中T是在加热炉内的温度降落(℃)，L是光纤预制棒1的剩余长度，从而可以避免随拉伸操作的进行而使传输损失增加。
对于本领域的技术人员将容易作出另外的优点和改型，因此，本发明在其较宽的方面并不限于此处说明的特定细节和实施例。因而，不脱离由所附权利要求限定的总的发明构思可以作出各种变化和改型。

Claims (2)

1.一种拉伸光纤预制棒(1)制造光纤(13)的方法，其特征在于包括以下步骤：
加热光纤预制棒(1)达到其可被拉伸的温度；
通过对预制棒(1)施加拉力拉伸加热的光纤预制棒(1)；
在拉伸步骤期间，通过作为光纤预制棒(1)的剩余长度的函数减少加到预制棒(1)上的热量，使拉力基本保持恒定；
降低加热炉(4)内的温度，当光纤预制棒(1)的剩余长度减小到320mm或更短时，加热炉(4)内的温度降低T，T的表示式为T＝1.08×10-6×(320-L)3，其中T是加热炉(4)内的温度下降量，T的单位为℃，L是光纤预制棒(1)的剩余长度，L的单位为mm；及
通过改变加热炉(4)内的温度控制光纤预制棒(1)的温度。
2.一种拉伸光纤预制棒(1)制造光纤(13)的方法，其特征在于包括下列步骤：
使用升降装置(3)把光纤预制棒(1)插入加热炉中；
把加热炉(4)内的光纤预制棒(1)加热到该加热的预制棒可被拉伸的第一温度；
对预制棒施加拉力拉伸加热的光纤预制棒(1)；
根据升降装置(3)的下降移动的量计算加热炉(4)内的温度下降量；
根据计算的在加热炉(4)内的温度下降量降低加热炉(4)内的第二温度；以及
当光纤预制棒(1)的剩余长度减小到320mm或更短时，加热炉(4)内的温度降低T，T的表示式为T＝1.08×10-6×(320-L)3，其中T是加热炉(4)内的温度下降量，T的单位为℃，L是光纤预制棒(1)的剩余长度，L的单位为mm。
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