CN1382655A - 用于制造光纤母材的装置和利用该装置制造光纤的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制造光纤母材的装置,其包括在芯部燃烧器侧具有开口部分的芯部隔板,该芯部隔板设置在要用于VAD方法的装置的反应器中、芯部燃烧器四周上。

Description

用于制造光纤母材的装置 和利用该装置制造光纤的方法

                         技术领域

本发明涉及一种在基于VAD方法制造多孔光纤母材步骤中用于制造芯部母材的装置，并涉及一种用于利用该装置制造芯部母材的方法。

                         背景技术

根据传统的VAD方法(气相轴向淀积方法)，公知为一种制造石英光纤型坯的装置，玻璃成形(玻璃合成)通过在氢氧焰内金属卤化物的气相反应而进行，且如此产生的玻璃精细颗粒沉积在目标元件的四周上，以获得光纤母材。目标元件在径向拉拔，同时，母材尖端位置和芯部燃烧器之间的距离保持恒定。拉伸母材的速率被称为生长率。此后，以该方式制造的玻璃多孔母材被烧结以通过高温热处理产生透明型坯，该型坯然后通过拉伸等加工成光纤。

在由这些方法制造光纤母材过程中，目标元件和燃烧器容放在反应器中，以便在燃烧器火焰中产生的玻璃精细颗粒均匀并有效地粘着到目标元件的表面上，且气流通过遮挡反应器予以调节。

在这种方法中使用的制造光纤母材的装置构造如图7(a)和7(b)所示。图7(a)是用于制造光纤母材装置的示意性前视图，而图7(b)是从箭头A方向看到的图7(a)的侧视图。如图7(a)和7(b)所示，反应器12设置有多管芯部燃烧器1和包层燃烧器(clad burner)2。然后，通过将四氯化硅气体注入由芯部燃烧器产生的氢氧焰(芯部火焰)3中，而由火焰水解反应而形成二氧化硅精细颗粒。所产生的颗粒在纵向上沉积到导杆4上，以获得多孔母材5。在这种情况下，如果少量添加剂，如四氯化锗、磷酰氯、或溴化硼与四氯化硅气体一起注入火焰中，与二氧化硅精细颗粒同时产生例如由二氧化锗构成的精细颗粒，因此，有可能制造在其径向具有预定二氧化锗等分布的多孔母材。

根据利用传统VAD方法制造光纤母材的方法，如图7(a)和7(b)所示，为了均匀并有效沉积玻璃精细颗粒，并为了防止反应器过热以及玻璃沉积到反应器壁上，通过在调节气流中旋转并拉拔光纤母材而将玻璃精细颗粒沉积到导杆上，该调节气流如从燃烧器一侧上的气体入口14和15向空气排放管11流动的水平气流6及气幕流7，和下降气流8等。气体入口14表示用于水平气流的气体入口，而气体入口15表示用于气幕流的气体入口。另外，如图7(a)和7(b)所示，在玻璃合成过程中，母材的温度通过利用测温观察器9监控母材表面而予以控制。此外，以相同方式，对母材生长至关重要的母材尖端温度也通过用辐射温度计10监控而予以控制。

然而，为了制造更均质的光纤母材，以及为了提高光纤母材的生产率，在水平气体流动和下降气体流动时形成母材的过程中，发现存在如下的问题：

a)如图8(a)和8(b)中箭头所示，从芯部火焰和包层火焰产生的上升气流被下降气流推下。从而导致紊乱的下降气流。该下降气流落到反应器的底面和侧表面上，并从而产生上升气流。芯部火焰的闪烁程度由于该上升气流而增大，因而生长率变得不稳定。结果，如此获得的光纤母材在纵向方向直径内缺乏均匀性。

b)由于芯部火焰闪烁程度较大，母材尖端温度变得不稳定。因此，在母材尖端的母材密度降低，并容易在母材上发生断裂。

                           发明内容

本发明为一种用于制造光纤母材的装置，其包括设置在用于VAD方法中的反应器内的芯部燃烧器四周上的芯部隔板。

此外，本发明是一种用于制造光纤母材的方法，该方法包括利用所述用于制造光纤母材的装置。

本发明其他和进一步的特性及优点将从与附图相联系的以下描述中得以更全面理解。

                           附图说明

图1(a)和1(b)是用于说明根据本发明的用于制造光纤母材的装置的实施例的示意图，图1(a)是从制造装置前侧看到的视图，而图1(b)是制造装置芯部隔板部分的示意图(在图中也示出了母材尖端5a的位置，相同的5a示于其他图中)；

图2(a)和2(b)是示出根据本发明的第一示例的装置的示意图。图2(a)是从制造装置前侧看到的视图，而图2(b)是制造装置芯部隔板部分的示意图；

图3是用于说明根据本发明的第二示例的装置的芯部隔板部分的示意图；

图4是用于说明根据本发明第三示例的装置的芯部隔板部分的示意图；

图5是用于说明根据本发明第四示例的装置的芯部隔板部分的示意图；

图6是用于说明根据本发明第五示例的装置的芯部隔板部分的示意图；

图7(a)和7(b)是用于说明根据传统示例的制造光纤母材装置的示意图，图7(a)是从传统制造装置的前侧看到的视图，而图7(b)是从箭头A方向看到的图7(a)的视图；

图8(a)和8(b)是用于解释在根据传统示例的制造光纤母材的装置中的气流的视图，图8(a)是从该装置前侧看到的视图，而图8(b)是从该装置的底侧看到的视图。

                          具体实施方式

本发明的发明者已经深入研究以解决传统技术中的上述问题。作为结果，已经发现具有预定高度的挡板(在此，该挡板被称作芯部隔板)设置在要用于VAD方法的装置的反应器中、芯部燃烧器的四周上，以便不与芯部火焰和母材接触，因而有可能防止气流由于受水平气流和下降气流的影响而不规则地流入芯部火焰内，并有可能调整反应器内的气流紊乱。本发明者还确认芯部隔板在防止芯部火焰闪烁上是有效的。本发明已经基于这些发现得以实现。

于是，根据本发明，提供了以下装置：

(1)用于制造光纤母材的装置，其包括设置在要用于VAD方法的装置的反应器中、芯部燃烧器四周上的芯部隔板；

(2)如上述(1)所述的装置，其中，芯部隔板具有在芯部燃烧器侧的开口部分；

(3)如上述(1)或(2)所述的装置，其中，芯部隔板至少具有与芯部燃烧器喷嘴一个位置相同的高度，该芯部隔板具有圆柱形状，其直径不小于多孔母材的直径，该芯部隔板设置在多孔母材之下，且芯部隔板的底部接触反应器的底面；

(4)如上述(1)、(2)或(3)所述的装置，其中，芯部隔板开口部分的宽度小于芯部隔板本身的宽度；

(5)如上述(1)到(4)中任一项所述的装置，其中，芯部隔板调整反应器中的气流；

(6)一种用于制造光纤母材的方法，其包括利用如上述(1)到(5)中任一项所述的制造光纤母材的装置。

将参照附图描述根据本发明的用于制造光纤母材的装置的优选实施例。

图1(a)和1(b)示意性说明了根据本发明的用于制造光纤母材的装置。图1(a)是从制造装置前侧看到的视图，而图1(b)是从底部看到的视图。在这些图中的用于制造光纤母材的装置基本上与图7(a)和7(b)所示的用于制造光纤母材的装置相同，从而相应的部分用相同的附图标记标识。以下，在附图中只示出了以附图标记标识的本发明装置的主要部分。(例如，省略了测温观察器9或辐射温度计10，且在图1(a)和1(b)中未示出)另外，图8(b)中芯部火焰3中绘出的交叉箭头表示芯部火焰闪烁。

在该实施例中，如图1(a)和1(b)所示，附图标记12标识耐热反应器。此外，空气供给管状部分16设置在反应器上部，而导杆4可向上及向下移动并可旋转地插入反应器内部。根据本实施例，空气供给管状部分16为包括内管16a和外管16b的双管，然而，其可以是单管。此外，空气排放管11设置在反应器上部。以图7(a)和7(b)所示的相同方式，空气入口(用于水平气流及用于气幕气流)在燃烧器侧的侧壁上开口。在形成玻璃期间，水平气流和气幕气流从空气入口侧(此后，空气入口侧称为上游侧)向空气排放管侧形成。另外，下降气流由在装置上部内的空气供给管状部分16一侧形成。上述结构与图7(a)和7(b)中所示的相同。

在该实施例中，芯部隔板13布置在母材之下，以接触反应器12的底面并在上游侧开口的形式围绕芯部燃烧器。(如下面详细描述，芯部隔板高度与芯部燃烧器的芯部喷嘴尖端的位置相同。当具有两个或多个芯部燃烧器时，芯部隔板至少具有与最低的芯部喷嘴尖端的位置相同的高度，如图1(a)所示)。因此，芯部隔板能够防止气流从侧表面侧不规则地流动，反应器的上游侧和底面侧以及芯部隔板调整了反应器内的气流的紊乱。

芯部隔板可以具有任何形状的横截面，如具有如“□”形状的斜管，其中如在本实施例中所示该矩形管芯部燃烧器侧的一个表面为开口部分，如以下实施例所示在芯部燃烧器侧具有开口部分的圆柱形管、在燃烧器侧具有较窄开口部分的楔管、以及燃烧器侧一个表面为开口部分的三角管，以便防止气流从侧表面侧、反应器的上游侧和底面侧流动。然而，优选地是，芯部隔板形状为在芯部燃烧器侧具有开口部分。

芯部隔板的宽度W或直径D可适宜地设定。芯部隔板上述的宽度W或直径D可以为任何值，只要不会阻碍气幕流动。W或D可以为反应器宽度3/4或小于母材的厚度或更小，与芯部燃烧器扩张的火焰宽度相同或更大之间范围内的任何值。芯部隔板在芯部燃烧器侧的开口部分的宽度d可以与W或D相同或更小，优选地是，宽度d可以为W或D的0.5到0.8倍。最小宽度d可以为芯部燃烧器孔的钻孔宽度b的三倍。

优选地是，芯部隔板的高度处在芯部燃烧器喷嘴尖端被芯部隔板遮挡的高度和芯部火焰的尖端被芯部隔板遮挡的高度之间的范围内。然而，水平气流远在芯部燃烧器火焰尖端之上流动，因此，有可能将芯部隔板的高度提高到芯部隔板不阻碍水平气体流动的程度。如果芯部隔板的高度小于芯部燃烧器喷嘴尖端，芯部隔板不能对防止气流施加影响。同时，如果该高度提高到阻碍水平气流的程度，进入空气排放管口的水平气流将不规则，因而，其导致火焰闪烁的产生。

优选地是，芯部隔板可以调整反应器内的气流。

提供这种芯部隔板能够在形成玻璃过程中使芯部火焰闪烁较小，从而有可能稳定玻璃生长率。作为用于检查芯部火焰闪烁程度的指标，在形成玻璃过程中芯部尖端的温度通过辐射温度计测量，而该程度通过温度的方差(标准差)而评估。

在未布置芯部隔板的情况下，芯部尖端的温度方差在5℃到8℃范围内。然而，在使用上述芯部隔板的情况下，方差在2℃或更小的范围内。另外，在基于传统技术的前一种情况下，生长率的变化宽度约从8mm/h到10mm/h。而在根据本发明的后一种情况下，变化宽度窄到2mm/h或更小，因此，生长率变得明显稳定。

于是，在利用根据本发明的装置的情况下，以下问题，即，光纤母材尖端的温度不恒定、母材密度减小。以及母材上产生裂纹，都得以防止，因此，有可能可靠地制造在纵向具有较小波动、质量一致且高质量的光纤母材。

根据本发明的用于制造光纤母材的装置，有可能在基于VAD方法制造多孔光纤芯部母材步骤中减小缺陷比率(fraction defective)，并制造更均匀的芯部母材。

即，在由VAD方法制造光纤母材时，如果芯部隔板布置在芯部燃烧器火焰四周，在反应器内的气流被调整，且阻止了向芯部火焰流动的不规则气流，因此，芯部燃烧器火焰的闪烁变得较小，而也可以使生长率稳定。此外，芯部尖端的温度可以为非恒定的，芯部尖端的密度不会降低，并也有可能防止母材上产生裂纹。

另外，根据本发明的用于制造光纤母材的装置，有可能高效地制造高质量光纤母材，并有可能制造在纵向直径内具有较小波动的光纤。

示例

本发明将基于示例1到5和对比例加以详细描述。然而，本发明不意味着由这些示例所限定。

示例1

本发明第一示例将通过利用图2(a)和2(b)的示意图加以解释，该图从前侧和底侧示出了根据这个示例的制造装置。芯部隔板被形成为圆柱形。芯部燃烧器所插入的开口部分d被做成相对于直径D为d＝0.7D。在这种情况下芯部火焰的闪烁程度通过芯部尖端温度的方差(标准差)予以评估，如上面所描述的。

在基于传统装置未布置芯部隔板的情况下，芯部尖端的温度方差在6℃到7℃的范围内，而在根据本发明利用这种芯部隔板的情况下，该方差窄到1℃或更小。另外，在传统装置情况下，生长率的波动在8mm/h到9mm/h范围内，而在本发明的情况下，波动宽度窄到2mm/h或更小的范围内，因此，有可能非常稳定地制造光纤。

作为进行多方面改变本发明装置开口部分宽度d的结果，发现宽度d特别优选地做成0.5D＜d＜0.8D。

示例2

本发明的第二示例将利用图3的示意图描述，图3示出从底侧看到的根据该示例的制造装置。根据该示例的制造装置的前视图与图1(a)和2(a)相同，因此，在此予以省略。在该示例中，芯部隔板上芯部燃烧器插入侧的开口部分的宽度与图1(a)和1(b)所示开口部分的宽度相比较窄。在这个示例中，可以获得与示例1相同的优良效果。此外，在该示例中，芯部火焰闪烁较小，因此，母材尖端被均匀加热。因此，有可能防止母材密度降低。更优选地是，这种芯部隔板的开口宽度是可变化的。

示例3

如图4中所示的，图4从底侧示出第三示例的装置，在根据该示例的装置上的芯部隔板形状为三角管，因而，芯部燃烧器侧的一个表面是开口部分。芯部燃烧器所插入的开口部分的宽度d能够任意改变。作为该示例的一个实施例，当宽度d为芯部燃烧器孔的钻孔宽度b的十倍长时，可以形成玻璃。在这种情况下，芯部火焰的闪烁与示例1和示例2中的一样良好。

示例4

如图5所示，根据第四示例的装置的芯部隔板的形状为与示例1相同的圆柱形，其开口部分的宽度d小于0.5D。玻璃形成是通过利用具有上述形状的芯部隔板的装置进行的。结果，有可能防止气流从反应器的侧表面侧和下游侧流动。然而，由芯部火焰产生的上升气流被限制在芯部隔板的内部。因此，与示例1相比，芯部火焰并不那么稳定。

示例5

如图6所示，根据第五示例的装置的芯部隔板形状为与示例1相同的圆柱形，且其开口部分宽度d小于0.9D。在通过利用具有上述形状芯部隔板的装置形成玻璃的情况下，有可能防止气流从反应器内下游侧流动。然而，不可能防止气流从反应器侧表面侧流动。因此，与示例1相比，芯部火焰并不那么稳定。

对比例

玻璃在未布置芯部隔板的反应器内形成。在这种情况下，芯部火焰的闪烁较大，而在形成玻璃的过程中，芯部尖端温度上的方差在5℃的范围内，此外，生长率的波动与本发明情况相比变为8mm/h。另外，芯部尖端的温度不稳定，且母材的密度降低，因此，在芯部尖端处产生裂缝，而不可能制造高质量的玻璃纤维。

对照本发明实施例已经对本发明进行了描述，应理解本发明不被所描述的任何细节限定，除非另外特定，而是被广泛地认为在所附权利要求书限定的精髓和范围内。

Claims (10)

1.一种用于制造光纤母材的装置，包括设置在要用于VAD方法的装置的反应器中、芯部燃烧器的四周上的芯部隔板。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述芯部隔板在芯部燃烧器侧具有开口部分。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述芯部隔板至少具有与芯部燃烧器喷嘴位置相同的高度，芯部隔板具有圆柱形形状，其直径不小于多孔母材的直径，该芯部隔板设置在多孔母材之下，且芯部隔板的底部接触所述反应器的底面。

4.如权利要求1所述的装置，其中，芯部隔板开口部分的宽度小于芯部隔板本身的宽度。

5.如权利要求1所述的装置，其中，对于所述芯部隔板的宽度W或直径D，所述芯部隔板开口部分的宽度d具有满足以下的值：0.5W(D)＜d＜0.8W(D)。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述芯部隔板的开口部分的宽度d是可变的。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述芯部隔板开口部分的宽度d为芯部燃烧器孔的钻孔宽度b的十倍。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述芯部隔板调整所述反应器内的气流。

9.一种用于制造光纤母材的方法，包括：利用用于制造光纤母材的装置，其中，在所述装置中，芯部隔板设置在要用于VAD方法的装置的反应器中、芯部燃烧器的四周上。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述芯部隔板在所述芯部燃烧器侧具有开口部分。

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