CN1289315A - 光纤预成型生产装置及沉积管的收缩和封闭方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤预成型生产装置和方法,其所用的收缩和封闭沉积管的装置适用于各自过程,该装置能缩短加工时间,同时还能减少从预成型管渗入沉积管玻璃组分的OH的量,从而减少光损失。在所述光纤预成型生产装置和方法中,包括以下操作:设定环状加热器的温度低于沉积管的软化温度,在保持一定的温度移动环状加热器的同时,消耗沉积管内部的污染物,设定环状加热器的温度不低于沉积管的软化温度,保持一定的温度的同时,收缩和封闭沉积管。
Description
本发明介绍了一种预成型光纤的生产装置和方法，详细阐述了一种光纤预成型生产装置及更高效率的收缩和封闭沉积管的方法。
用改性的化学蒸汽沉积(MCVD)方法生产光纤已广为人知。在与MCVD方法相对应的沉积过程中，有一层沉积层以管状的形式沉积在预成型管的内壁上，随着该沉积层厚度不断增加，沉积管自身发生收缩。为此，在沉积过程中大都采用低焰压、大加热面积的火炉。火炉的加热面积大，使得热量更容易传输到预成型管的内壁，从而提高沉积效率。另一方面，低焰压能减少沉积过程中沉积管不必要的收缩。但沉积管的收缩和封闭过程不同于沉积过程，有必要使用高焰压。若沉积过程中采用了合适的火炉，在收缩和封闭过程中，除了如上所述的要求外，还应低速移动火炉，同时保持高的加热温度，以便在低焰压下软化沉积管。因此，在光纤预成型生产过程中，管的收缩和封闭过程占据了整个加工过程的一大部分时间。为此，传统的管收缩和封闭过程成为缩短加工时间的一大障碍。
在管收缩和封闭过程中，高加热温度和低速移动火炉导致最终生产出的光纤光学性能下降，原因如下：
首先，预成型管中痕量的湿气(一般为几个ppm)渗透到管内壁的沉积层中。渗入的湿气与沉积层中的P2O5或SiO2结合，形成P-O-H键或Si-O-H键。到达沉积层核心区域的OH与沉积层中的SiO2或GeO2结合，形成Si-O-H或Ge-O-H键，同时释放出Si-O或Ge-O键。这些由湿气与沉积层中不同区域的化合物相结合而生成的O-H或P-O-H键，由于在一定的波长范围内形成了吸收带，导致成品光纤的光性能下降。渗入到核心层的OH形成单氧，从而导致核心层玻璃组分的结构均匀度下降，使得核心层的密度不均匀。导致散射量增加。
其次，预成型管的底端在旋转状态下由火炉加热时，会出现圆周分布的温度梯度。温度梯度导致预成型管粘度的不均匀。因此，表面张力的平衡被打破，使沉积管变形，圆度下降。随收缩加工的进行，沉积管的圆度下降，从而导致极化模式的弥散。
传统的沉积过程，收缩过程和封闭过程都用同一个炉子，而这种炉子只适用于沉积过程，尽管这些过程都各自涉及不同的机理。从而导致沉积层厚度不断增加。这就引发了许多问题。例如，沉积管的几何结构畸形，成品光纤的光学性能下降，加工时间延长。
本发明旨在克服上述缺陷。因此，本发明的目的是提供一种光纤预成型生产装置和方法，其中所用的收缩和封闭沉积管的装置都适用于各自的过程，该装置不同于用于在预成型管的内壁生成沉积管的沉积过程中所用的装置，从而能在缩短加工时间的同时，减少由预成型管渗入沉积管玻璃组分的OH的量，从而减少因OH造成的损失。
另外，本发明为进行沉积管的收缩和封闭处理提供一种光纤预成型生产装置，包括：垂直支撑沉积管的车床，沉积管有一层包覆层和核心层，管的一端被封闭；环绕沉积管，且与沉积管有一定距离的的环状加热器，该环状加热器为车床支撑的沉积管提供热量，并能以一定速率上下移动；与沉积管另一端相连的真空泵，利用真空把沉积管内的空气抽出；及加工控制装置，以便设定环状加热器的加热温度，并且在加热器上下移动的过程中控制沉积管的收缩和封闭过程。
此外，本发明还提供一种光纤预成型生产方法，包括以下步骤：在预成型管的内壁沉积一层包覆层和核心层，从而形成一沉积管；收缩沉积管的一端，从而封闭沉积管的一端；将沉积管垂直穿过一环状加热器；将环状加热器移到沉积管的封闭端，然后调节环状加热器的加热温度不低于沉积管的软化温度；然后环状加热器以一定速率移动加热沉积管，从而完成沉积管的收缩和封闭。
本发明的上述目的和优点在以下附图的优选实施例中还有更详细的说明，其中：
图1为适用于MCVD方法的沉积装置的图；
图2为根据本发明的能进行收缩和封闭加工的光纤预成型生产装置的图；
图3为根据本发明的预成型光纤生产方法的流程图
图4a和图4b分别为用作加热装置的炉子的图
本发明公开出一种光纤预成型生产装置和方法，其中包括利用原料气体的反应产物在预成型管的内壁进行沉积，生成沉积管，并对沉积管进行收缩和封闭，从而得到预成型的光纤。沉积过程是以普通方法进行的，如MCVD方法。而收缩和封闭过程则采用本发明的技术，得以简便快速地进行。
图1为适用于MCVD方法的沉积装置的总图。该装置用于在预成型管的内壁沉积原料气体的反应产物。参看图1，车床11用于支撑预成型管12。从纵向和径向来看，加热装置14对预成型管12进行局部加热。在图1中，预成型管被加热的区域用数字13表示。预成型管12沿一定方向旋转，例如图1箭头15a所示的方向。加热装置14随一移动装置(未示出)运行，按图1箭头15b所示的方向移动。因此，加热区13不仅限于预成型管12的整个长度方向，还环绕预成型管12的圆周方向。原料气体通过一给气装置19经输入管17引入预成型管12。原料气体给气装置装有液相反应剂，用运载气体将该反应剂供给预成型管12。废料由出口l8排出预成型管12。原料气体的流速通过一混合阀(未示出)和关闭阀(未示出)控制。
在MCVD方法中，高纯原料气体，如SiCl4、GeCl4或POCl3同氧气一起吹入预成型玻璃管。当用加热装置对此玻璃预成型管加热时，发生热氧化，使得预成型管内壁沉积了炭黑状的氧化物。此时，在预成型管的内壁沉积了一层包覆层和核心层，通过精确控制原料气体的浓度可以调节这些沉积层的折射率。这样，在预成型管的内壁就形成了沉积管。沉积过程结束后，该预成型管再一次被加热装置加热，使得沉积管收缩。这样就得到了预成型光纤。
图2为根据本发明的能进行收缩和封闭加工的光纤预成型生产装置的图。本装置适用于收缩和封闭由图1装置所生产的沉积管。
如图2所示，本发明的光纤预成型生产装置包括支撑待加工的沉积管的车床21，由上下两个支撑件22、23垂直固定沉积管。光纤预成型生产装置还包括一个环状的加热器24，用来加热沉积管；一个真空泵25，可利用真空把沉积管内的空气或其它污染物抽出，一个压力计26，用于测量真空泵25中的抽气压，一个氯气注入器27，为沉积管内提供氯气，及一些阀门，即，真空消耗阀26和气体供应阀28。环状加热器24，可用火炉或燃烧器。环状加热器24应能提供足够的热量，同时其焰压是可以控制的，与图1适用于沉积过程的加热装置相比，它适用于收缩和封闭过程。
在如上所述的光纤预成型生产装置中，可由图1的装置生产的沉积管20b由车床21支撑。沉积管20b的封闭端与一圆棒20a相连。上端支撑件22支撑着与沉积管20b的封闭端相连的圆棒20a，而下端支撑件23则支撑沉积管20b未封闭的另一端。车床21也有一长度调节装置20c，用于调节车床21的管支撑的长度。环状加热器24为沉积管20b加热，与沉积管20b有一定距离，并环绕着沉积管20b。环状加热器24可以沿沉积管20b以一定速率垂直移动。氯气注入器27通过车床21的下端支撑件23为沉积管20b供气，以便去除沉积管20b中的湿气。
光纤预成型生产装置还包括未示出的控制装置。该控制装置用于控制沉积管20b的收缩和封闭过程。即，该控制装置设定环状加热器24的加热温度，以一定速率旋转由上下两个支撑件22、23固定的沉积管20b，同时还垂直移动沉积管20b。环状加热器24的加热温度先被调到低于沉积管20b的软化温度。此时，环状加热器24以一定的速率移动。在环状加热器24的运动过程中，沉积管20b中的污染物通过真空泵27被清除。此后，环状加热器24的加热温度再一次被调节，使之不低于沉积管20b的软化温度。此时，即可进行沉积管20b的收缩和封闭加工。若用炉子替代环状加热器24，应在炉中充上氩气或氮气等惰性气体，以免加热区发生氧化。
与本发明的装置相对应，沉积管在收缩和封闭过程中应垂直放置。热量由环绕沉积管的环状加热器通过高焰压提供给沉积管。在加热过程中，沉积管利用真空被排空。通过这些方法，可大大缩短加工时间，同时与传统加工方法相比，防止了畸形沉积管的出现。
图3为本发明介绍的光纤预成型生产装置的流程图
在本方法中，首先在水平放置的预成型管的内壁沉积一层包覆层和核心层，从而形成沉积管(步骤31)，所用装置如图1所示。之后在沉积过程中，沉积管排出化学原料气体的区域的一端被加热，使该端被封闭(步骤32)。一圆棒与沉积管的封闭端水平相连(步骤33)。与圆棒相连的沉积管与车床分离后，送入如图3所示的收缩／封闭车床。在收缩／封闭车床中，沉积管被垂直放置，垂直穿过环状加热器，此时圆棒竖直向上(步骤34)，然后，把环状加热器移到沉积管和圆棒相连的接点处。环状加热器的加热温度被调节到低于沉积管的软化温度。此时，环状加热器以一定的低速率上下移动，对沉积管进行加热。同时，真空排出阀敞开，以去除污染物，包括来自沉积管内部的湿气(步骤36)。
环状加热器的运动应按照这样的方式进行，即：当沉积管从接点处向下移动到底端时，改变移动方向，以便沉积管能向上移动到接点。在沉积管被排空之后，再次调节环状加热器的加热温度，使之不低于沉积管的软化温度(步骤37)。当环状加热器达到预先设定的温度时，保持该温度2～3分钟以获得温度的稳定性。之后，真空泵工作使沉积管内部保持负压状态。此时，沉积管被加热，并以预定的速率向下移动，使其收缩封闭(步骤38)。步骤38中的收缩和封闭过程是在沉积管以一定速率(如10rpm或更低)旋转时进行的。沉积管的收缩可一次收缩完成，也可通过多次收缩完成。沉积管收缩后，被封闭成实心的预成型管。若用炉子替代环状加热器，应在炉中充上氩气或氮气等惰性气体，以免加热区发生氧化。
图4a和图4b分别为炉子用作环状加热器的例子的图。在图4a中，环状燃烧器41为有包覆层／核心层43的沉积管供热，这些沉积层沉积在预成型管42的内壁上。环状燃烧器环绕着沉积管，在向下移动的过程中，对沉积管进行收缩和封闭加工。在加热过程中，在沉积管的内部形成真空，使沉积管的收缩和封闭更容易。在图4b中，环状炉45为有包覆层／核心层47的沉积管供热，这些沉积层沉积在预成型管46的内壁上。环状炉环绕着沉积管，在向下移动的过程中，对沉积管进行收缩和封闭加工。
如上所述，本发明提供了一种光纤预成型生产装置和方法，其中所用的收缩和封闭沉积管的装置都适用于各自的过程，该装置不同于用于在预成型管的内壁形成沉积管的沉积过程中所用的装置，从而能缩短加工时间，所需加工时间是传统加工时间的一半甚至更少。这是因为收缩和封闭处理占据了整个光纤预成型生产过程的一大部分时间(2／3或更多)。本发明的收缩和封闭是在沉积管内部为负压时进行的。相应地，沉积管暴露在高温下的时间大大缩短，因此，有可能进一步缩短加工时间。这还能减少从预成型管渗入沉积管玻璃组分的OH的量，从而减少因OH造成的损失。由于在收缩和封闭过程中用环状炉作为加热装置，在给沉积管供热的过程中不会出现或出现很小的表面温度梯度，因此可减少不园的畸形沉积管的出现。也减少了极化模式的弥散。
尽管本发明通过具体的实施例进行了详细的介绍，业内人士应了解：不偏离本发明权利要求所定的范围，可对其形式和细节做各种改动。
Claims (13)
1．用于收缩和封闭沉积管的光纤预成型生产装置，包括：
垂直支撑沉积管的车床，沉积管的一端被封闭，有包覆层和核心层；
环绕沉积管，且与沉积管有一定距离的的环状加热器，该环状加热器为车床支撑的沉积管提供热量，并能以一定速率上下移动；
与沉积管另一端相连的真空泵，利用真空把沉积管内的空气抽出；及
加工控制装置，以便设定环状加热器的加热温度，并且在加热器上下移动的过程中控制沉积管的收缩和封闭过程。
2．根据权利要求1的光纤预成型生产装置，其中所述的车床包括：
支撑沉积管封闭端的上端支撑件；和
支撑沉积管另一端的下端支撑件，在收缩和封闭过程中，上、下端支撑件协同运作，使沉积管以预定的速率旋转。
3．根据权利要求1的光纤预成型生产装置，还包括：
氯气注入器，为沉积管内部提供氯气，以去除因环状加热器加热，在沉积管内部生成的湿气。
4．根据权利要求1的光纤预成型生产装置，其中所述的环状加热器包括火炉。
5．根据权利要求1的光纤预成型生产装置，其中所述的环状加热器包括燃烧器。
6．根据权利要求4的光纤预成型生产装置，还包括惰性气体注入器，为火炉充入惰性气体，以免火炉的产热区发生氧化。
7．根据权利要求1的光纤预成型生产装置，其中，所述的加工控制装置负责一系列的控制：设定环状加热器的加热温度比沉积管的软化温度低，消耗沉积管内部的污染物，同时保持一定的温度移动环状加热器，设定环状加热器的温度不低于沉积管的软化温度，保持一定的温度移动环状加热器，并对沉积管进行收缩和封闭加工。
8．根据权利要求1的光纤预成型生产装置，其中，所述的控制装置负责在收缩和封闭过程中，控制车床支撑的沉积管以一定的速率的旋转。
9．光纤预成型生产方法，包括以下步骤：
在预成型管的内壁沉积一层包覆层和核心层，从而形成沉积管；
收缩沉积管的一端，从而封闭沉积管的一端；
垂直放置沉积管，使之垂直穿过环状加热器；
将环状加热器移到沉积管的封闭端，然后调节环状加热器的加热温度不低于沉积管的软化温度；之后
以一定的速率移动环状加热器，对沉积管加热，从而收缩和封闭沉积管。
10．根据权利要求9的光纤预成型生产方法，还包括以下步骤：
将环状加热器移到沉积管的封闭端，然后调节环状加热器的加热温度低于沉积管的软化温度；之后
以一定的速率移动环状加热器，对沉积管加热，从而消耗沉积管内部的污染物。
11．根据权利要求9的光纤预成型生产方法，其中，所述的收缩和封闭步骤是在沉积管以一定的速率旋转，并且沉积管的内部保持负压的条件下进行的。
12．根据权利要求9的光纤预成型生产方法，其中，所述的环状加热器是个火炉，该炉中应充入惰性气体，以免炉子的产热区发生氧化。
13．根据权利要求9的光纤预成型生产方法，其中，所述的收缩和封闭步骤是在氯气注入沉积管内部的条件下进行的，从而去除沉积管内部因环状加热器加热产生的湿气。
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