CN1597581A - 一种疏松体光纤预制棒的烧结装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种疏松体光纤预制棒的烧结装置，其特征为：包括一个石英烧结管，烧结管底部有一气体导入口，烧结管的顶部有一个盖子，盖子的上带有一进风口和一抽风口；加热装置，加热装置包括炉壳、保温材料和发热元件，保温材料和炉壳由内而外包覆在烧结管外，与烧结管形成一圆形炉膛，发热元件插入于炉膛内；一移动控制装置；一位置传感装置，一传感装置；一气体供应装置；一温度传感装置，包括温度传感器和电加热驱动部件，温度传感器置于炉膛内，电加热器驱动部件向发热元件提供电能；和一控制装置。本发明能使疏松体预制棒在烧结管中的烧结过程，烧结温度均匀，疏松体预制棒收缩均匀。

Description

一种疏松体光纤预制棒的烧结装置

一.技术领域：

本发明涉及一种疏松体光纤预制棒的烧结装置，尤其是采用OVD或VAD法制备的疏松体光纤预制棒芯棒的烧结装置。

二.背景技术：

目前世界上光纤预制棒采用最普遍的外包层加工方法是OVD和VAD法。这两种外包层沉积方法比较类似，都是在芯棒的外面沉积纯SiO2，制成多孔的疏松体，然后放到烧结炉内进行脱水和烧结，制成透明的大型光纤预制棒。

无论采用OVD还是VAD法生产芯棒和外包层，都必须将生成的疏松体芯棒和疏松体成品棒放入加热炉内，在一定温度下，通入Cl2和He，进行脱水和烧结，生产出透明的芯棒和成品棒。

然而，设计中加热炉的结构很大程度上关系到烧结后预制棒的几何尺寸。如果热区不均匀，很容易导致已烧结的部分和未烧结的部分不同心，并导致最终的光纤同心度误差。而且，由于已烧结的部分粘度比较低，不同心的部分的外围在不均匀的热区中将会出现一定的椭圆度误差。另外，由于粘度低，烧结后的棒体将会在重力和玻璃表面张力的双重作用下收缩不均匀，形成长度方向的不均匀。

因此设计不合理或使用过程中的发热体失效，将会带来光棒的同心度、椭圆度误差和模场直径的不均匀性。光棒拉制成的光纤后，由于纤芯的形状、纤芯和包层中心的差距，以及纤芯的直径大小不同，进行熔接时会发现较大的熔接损耗。

当疏松体预制棒放入加热炉内进行脱水和烧结时，疏松体必须放在一定气氛中(如氯气和氦气)。氯气是一种卤族元素气体，它的作用主要有两种，一是去除疏松体内的一定量的水份(包括物理吸附水和化学吸附水)，二是和一些金属元素反应，生成金属卤化物后蒸发掉。这样就可以将光纤的1385nm的水峰值降低到一定水平下，同时还可以提高光纤的强度，降低损耗。氦气是一种热扩散系数很高的惰性气体，它的作用主要有两种，一是将热量传递到疏松体内部，使疏松体内部的粘度提高，有利于闭合气孔，二是将氯气替换掉，避免氯气在棒体内部留下气泡等缺陷。

三.发明内容：

本发明的目的就是提供一种烧结装置，用于脱水和烧结疏松体预制棒。

本发明的技术内容是一种疏松体光纤预制棒的烧结装置，其特征为：包括可将光纤预制棒置于其中的石英烧结管，烧结管底部有一气体导入口，可以导入氯气或/和氦气到烧结管内，烧结管的顶部有一个盖子，盖子的上带有一进风口和一抽风口，可以将外面的空气吸入顶部混合管内的氯气和氦气后排出；

用于对放置在炉管中的光纤预制棒进行加热的加热装置，加热装置包括炉壳、保温材料和发热元件，保温材料和炉壳由内而外包覆在烧结管外，与烧结管形成一圆形炉膛，发热元件插入于炉膛内；

一移动控制装置，能将光纤预制棒放置到石英烧结管中，并用于旋转和移动光纤预制棒；

用于检测石英烧结管中的光纤预制棒的烧结位置和烧结区域的相对位置的位置传感装置，

用于检测石英烧结管中的烧结区域和光纤预制棒之间的相对移动速度的速度传感装置；

用于向石英烧结管中供应烧结气体的供应装置；

用于检测石英烧结管中的烧结区域的烧结温度的温度传感装置，包括温度传感器和电加热驱动部件，温度传感器置于炉膛内，电加热器驱动部件向发热元件提供电能；

控制装置，其通过改变光纤预制棒的烧结温度、光纤预制棒和烧结区域的之间的相对移动速度、以及供应给烧结区域的气体流量中的至少一个来控制烧结。

在炉管内围绕光纤预制棒的烧结部分并与加热装置相邻的部分称为烧结区域。

加热装置与烧结管形成的圆形炉膛，保温好升温快温场均匀；操作温度为0-1700℃，能在30分钟内从1200℃升至1550℃，系统稳定性高；加热元件采用U形直硅钼棒，发热体圆形排列，且更换方便，不用停炉就能更换；高温区长约30mm，沿轴向的温度梯度约为140℃/cm。

移动控制装置包括伺服马达和滚珠丝杆，具有以下优越特性：伺服马达可以实现预制棒上升、下降、左、右平移和旋转的功能；棒体移动时稳定性好，移动距离的精度控制高，棒体旋转时晃动少，空载旋转时晃动不超过1mm。

在烧结过程中，采用变速率的烧结过程，通过速度传感装置，将光纤预制棒前半段采用慢速度下放，后半段采用稍快的速度下放，可以保证烧结后的预制棒的同心度和椭圆度不超标；前半段采用1～2.5mm/min的速度，后半段采用2.5～4.5mm/min。

烧结管顶部的盖子，通过抽风口将空气吸入烧结管顶部，混合了管内的烧结气体之后从抽空口中排出；可防止氯气等气体的从盖子的顶部泄漏而产生的腐蚀。但抽气的流量最好控制在一定水平，防止抽气量过多或过少。如果抽气量过多，则会将空气中的氧气带入烧结过程中的疏松体，容易形成Si-O-O-Si键，而O:O键能较小，容易断裂并形成-OH，向纤芯扩散后就会造成光纤1385nm处的损耗上升。如果抽气量过小，则会造成氯气等气体的泄漏，产生腐蚀。

本发明产生的有益效果如下：

1、用了顶部抽风口吸入空气，可以减少氯气的溢出，保护了盖子不被腐蚀，同时明显减少1385nm处的损耗的上升。

2、可以保证光纤预制棒烧结结束后直径的均匀性。

3、供了更加均匀的温场，改善了烧结后预制棒的同心度、椭圆度等参数。

4、采用了竖直的发热体，更换方便，不用停炉就能更换。

四.附图说明

附图表示烧结炉的内部结构示意图。

五.具体实施方式

如图所示一种疏松体光纤预制棒的烧结装置，包括通过挂棒12将光纤预制棒14置于其中的石英烧结管18，烧结管18底部有一气体导入口9，可以导入氯气或/和氦气到烧结管内，在烧结管顶部有一盖子19，盖子19的上带有一进风口13和一抽风口5，可以将外面的空气吸入顶部混合管内的氯气和氦气后排出；

一套用于对在炉管中的光纤预制棒进行加热的加热装置，包括保温材料17、发热元件15、炉壳16，保温材料17和炉壳16由内而外包覆在炉管外，与烧结管形成一圆形炉膛，发热元件15插入于炉膛内；

一移动控制装置，包括伺服电机1，用于旋转光纤预制棒，并能将光纤预制棒14放置到石英烧结管18中；

用于检测石英烧结管18中的光纤预制棒14的烧结位置和烧结区域的相对位置的位置传感装置3；

用于检测石英烧结管中的烧结区域和光纤预制棒之间的相对移动速度的，速度传感装置2；

一套用于向石英烧结管中供应烧结气体的供应装置，包括气体流量计10和供气部件11；

一个用于检测石英烧结管18中的烧结区域的烧结温度的温度传感装置，包括温度传感器8和电加热驱动部件6，温度传感器8置于炉膛内，电加热器驱动部件6向发热元件15提供电能；

控制装置7通过改变光纤预制棒14的烧结温度、光纤预制棒14和烧结区域的之间的相对移动速度、以及供应给烧结区域的气体流量中的至少一个来控制烧结。

光纤预制棒的烧结过程为：

利用伺服马达1保持住与光纤预制棒14的上端相连的挂棒12，从而沿竖直方向将光纤预制棒14悬吊起来，将要被烧结的光纤预制棒14放置到炉管18中，将光纤预制棒14要被烧结部分置于加热装置的烧结区域上；

由供气部件11供应烧结气体，气体通过气体流量计10穿过气体入口9导入到炉管18中，它们在炉管内上升，接触到光纤预制棒14，通过抽风口13将空气吸入烧结管顶部，混合了管内的烧结气体之后从抽空口5中排出；

控制器7从温度传感器8测得炉管18中的的温度控制电加热器驱动部件6向发热元件15电能供应的控制，使发热元件15产生的热对光纤预制棒进行脱水；

驱动器4响应控制器7的命令实施伺服马达1的下降和旋转操作，使光纤预制棒14下降和旋转，并相应于光纤预制棒14的烧结进程使光纤预制棒在炉管18内下降；

位置传感器3检测光纤预制棒要被部分与加热装置上烧结位置的相对位置，并将检测到的相对位置输送给控制器7；

速度传感器2检测光纤预制棒的下降速度，并向控制器7输送检测到的速度，控制伺服马达1的下降速度；

控制器7相应于被烧结的光纤预制棒14的位置，改变烧结温度，改变烧结中光纤预制棒和烧结炉中光纤预制棒和烧结区域之间的相对移动速度，以及改变供应给烧结区域的光纤预制棒供气量。

具体实例一：

经外沉积后的疏松体预制棒14垂直悬挂在烧结塔的挂棒12上，通过伺服马达1的提升、平移，将疏松体预制棒缓慢放进烧结管18中；待疏松体预制棒全部进入到烧结管中，并置于加热装置的烧结区域上，在烧结管的上部盖上盖子19，形成一个相对密闭的烧结气氛；控制装置7通过电加热器驱动部件6控制发热元件15将炉温上升到1100℃，同时由供气部件11向烧结管中通入0.35splm氯气和35slpm氦气等气体进行脱水，气体通过流量计10由气体入口9导入烧结管中，使烧结管中氯气占混合气体的比例控制在1％；脱水时间为1个小时，结束后电加热器驱动部件6控制发热元件15将炉温上升到1500℃；控制装置7通过位置传感装置3和速度传感装置2控制伺服马达1将预制棒前半段采用慢速度下放，采用2.5mm/min的速度；当预制棒14前半段通过烧结区时，速度传感装置2控制伺服马达1将疏松体预制棒14后半段采用稍快的速度下放，采用5mm/min的速度；当疏松体预制棒烧结完毕，将温度缓缓降回到1300℃，启动伺服马达1将预制棒拉出烧结炉。

具体实例二：

经外沉积后的疏松体预制棒14垂直悬挂在烧结塔的挂棒12上，通过伺服马达1的提升、平移，将疏松体预制棒缓慢放进烧结管18中；待疏松体预制棒全部进入到烧结管中，并置于加热装置的烧结区域上，在烧结管的上部盖上盖子19，形成一个相对密闭的烧结气氛；控制装置7通过电加热器驱动部件6控制发热元件15将炉温上升到1200℃，同时由供气部件11向烧结管中通入0.6splm氯气和25slpm氦气等气体进行脱水，气体通过流量计10由气体入口9导入烧结管中，使烧结管中氯气占混合气体的比例控制在2.3％；脱水时间为0.75个小时，结束后电加热器驱动部件6控制发热元件15将炉温上升到1550℃；控制装置7通过位置传感装置3和速度传感装置2控制伺服马达1将预制棒前半段采用慢速度下放，采用3.5mm/min的速度；当预制棒14前半段通过烧结区时，速度传感装置2控制伺服马达1将疏松体预制棒14后半段采用稍快的速度下放，采用4.5mm/min的速度；当疏松体预制棒烧结完毕，将温度缓缓降回到1300℃，启动伺服马达1将预制棒拉出烧结炉。

具体实例三：

经外沉积后的疏松体预制棒14垂直悬挂在烧结塔的挂棒12上，通过伺服马达1的提升、平移，将疏松体预制棒缓慢放进烧结管18中；待疏松体预制棒全部进入到烧结管中，并置于加热装置的烧结区域上，在烧结管的上部盖上盖子19，形成一个相对密闭的烧结气氛；控制装置7通过电加热器驱动部件6控制发热元件15将炉温上升到1200℃，同时由供气部件11向烧结管中通入10splm氯气和20slpm氦气等气体进行脱水，气体通过流量计10由气体入口9导入烧结管中，使烧结管中氯气占混合气体的比例控制在4.7％；脱水时间为0.5个小时，结束后电加热器驱动部件6控制发热元件15将炉温上升到1550℃；控制装置7通过位置传感装置3和速度传感装置2控制伺服马达1将预制棒前半段采用慢速度下放，采用3mm/min的速度；当预制棒14前半段通过烧结区时，速度传感装置2控制伺服马达1将疏松体预制棒14后半段采用稍快的速度下放，采用5mm/min的速度；当疏松体预制棒烧结完毕，将温度缓缓降回到1300℃，启动伺服马达1将预制棒拉出烧结炉。

Claims (3)

1、一种疏松体光纤预制棒的烧结装置，其特征为：包括可将光纤预制棒(14)置于其中的石英烧结管(18)，烧结管(18)底部有一气体导入口(9)，可以导入氯气或/和氦气到烧结管内，烧结管的顶部有一个盖子(19)，盖子(19)的上带有一进风口(13)和一抽风口(5)；

用于对放置在炉管中的光纤预制棒进行加热的加热装置，加热装置包括炉壳(16)、保温材料(17)和发热元件(15)，保温材料(17)和炉壳(16)由内而外包覆在烧结管(18)外，与烧结管(18)形成一圆形炉膛，发热元件(15)插入于炉膛内；

一移动控制装置，能将光纤预制棒放置到石英烧结管中，并用于旋转和移动光纤预制棒；

用于检测石英烧结管中的光纤预制棒的烧结位置和烧结区域的相对位置的位置传感装置(3)；

用于检测石英烧结管中的烧结区域和光纤预制棒之间的相对移动速度的速度传感装置(2)；

用于向石英烧结管中供应烧结气体的供应装置，包括气体流量计(10)和供气部件(11)；

用于检测石英烧结管中的烧结区域的烧结温度的温度传感装置，包括温度传感器(8)和电加热驱动部件(6)，温度传感器(8)置于炉膛内，电加热器驱动部件(6)向发热元件(15)提供电能；

控制装置(7)，其通过改变光纤预制棒的烧结温度、光纤预制棒和烧结区域的之间的相对移动速度、以及供应给烧结区域的气体流量中的至少一个来控制烧结。

2、根据权利要求1所述的烧结装置，其特征为：发热元件为U形直硅钼棒。

3、根据权利要求1所述的烧结装置，其特征为：移动控制装置包括伺服马达(1)和滚珠丝杆。

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