CN1994945A - 气相轴向淀积设备以及使用该设备制造烟灰预制棒的方法 - Google Patents

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Abstract

一种气相轴向淀积(VAD)设备及方法。所述VAD设备包括第一喷灯、第二喷灯、温度计、控制器以及移动装置。所述第一喷灯通过将烟灰淀积到配置在一轴线上的烟灰预制棒的末端处使纤芯生长出来。所述第二喷灯通过将烟灰淀积到纤芯的表面上使包覆层生长出来。所述温度计检测烟灰预制棒沿所述轴的所述末端的温度以及纤芯的其它部分/下部的温度。所述控制器计算烟灰预制棒的所述末端的温度(T1)与纤芯下部的温度(T4)之间的差值并根据所述差值控制烟灰预制棒的运动。所述移动装置根据所述控制器的指令沿着所述轴线移动烟灰预制棒。

Description

气相轴向淀积设备以及使用该设备制造烟灰预制棒的方法
技术领域
本发明通常涉及一种用于制造光纤预制棒的设备及方法，具体地，涉及一种气相轴向淀积(VAD)设备及方法。
背景技术
图1显示用于制造光纤预制棒的传统设备100。一种气相轴向淀积(VAD)方法通过使用第一喷灯140和第二喷灯150将烟灰淀积到由玻璃制成的起动杆中并在一垂直轴110的方向上生长出纤芯122和包覆层124而形成烟灰预制棒120。接着，在烟灰预制棒120上执行烧结操作，从而制造出光纤预制棒。
激光器131和光线接收装置132相对于纤芯122配置成彼此相对。光线接收装置132检测激光器131所产生的光线量。因为光线被光纤预制棒120遮蔽，所以所产生的光线量会减少。这个光线减少是由于烟灰预制棒120通过淀积烟灰而生长。光线接收装置131所检测到的光线量被提供给一单独的控制工具。烟灰预制棒120的运动由光线量的变化来决定。
授予Donald P.Jablonowski等人的名为“Manufacture of Optical FiberPreforms Using Modified VAD”的美国专利第6,834,516号披露使用光学高温计测量烟灰预制棒的末端温度并控制提供给纤芯喷灯的氢气的流动。使用这种方法制造具有均匀组成的烟灰预制棒。
然而，使用激光器和光线接收装置的VAD设备具有复杂的结构且难于控制。
在前述的VAD方法中，由于烟灰预制棒必须以固定速度旋转，所以用于光学高温计的测量点会移动。结果，不容易准确测量温度。因此，前述的VAD方法难于准确测量烟灰预制棒末端的温度以及控制烟灰预制棒的末端。这个继而会造成大批量生产以及可靠性的降低。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种根据烟灰预制棒的端部的整个温度分布而改善烟灰预制棒的品质的气相轴向淀积(VAD)设备及方法。此外，所述VAD设备及方法具有较高的大批量生产率以及高可靠性。
根据本发明的原理，提供一种气相轴向淀积(VAD)设备。所述VAD设备包括第一喷灯、第二喷灯、温度计、控制器以及移动装置。所述第一喷灯通过将烟灰淀积到配置在一轴上的烟灰预制棒的一端部处使纤芯生长出来。所述第二喷灯通过将烟灰淀积到纤芯的表面上使包覆层生长出来。所述温度计检测烟灰预制棒的所述端部沿所述轴的温度以及纤芯的其它部分/下部的温度。所述控制器计算烟灰预制棒的所述端部的温度(T1)与纤芯下部的温度(T4)之间的差值并根据所述差值控制烟灰预制棒的运动。所述移动装置根据所述控制器的指令沿着所述轴移动烟灰预制棒。
另外，根据本发明的原理，一种VAD方法被提供用于使用第一喷灯和第二喷灯将烟灰淀积到配置在一轴上的烟灰预制棒中的纤芯上。所述VAD方法包括的步骤为检测烟灰预制棒的一端部沿所述轴的温度(T1)及纤芯的其它部分/下部的温度(T4)、计算T1与T4之间的差值以及沿着所述轴移动烟灰预制棒以使所述差值降低到预定温度或更低。
附图说明
本发明将从以下结合附图的详细说明变得更加清楚，其中：
图1为传统的气相轴向淀积(VAD)设备；
图2为根据本发明的一个优选实施例的VAD设备；
图3为由图2中所示的温度计检测到的热像(thermal image)；以及
图4为图2中所示的烟灰预制棒的端部沿垂直轴的温度分布的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图详细说明本发明的一个优选实施例。在本发明的以下说明中，在此所包含的已知功能及配置的详细说明将被省略以避免使本发明的主旨变得不清楚。
图2为根据本发明的一个优选实施例的气相轴向淀积(VAD)设备200。参看图2，VAD设备200包括用于形成烟灰的第一喷灯230和第二喷灯240、用于检测烟灰预制棒220的端部沿垂直轴210的温度分布的温度计270、用于沿着垂直轴210移动烟灰预制棒220的移动装置290以及用于控制移动装置290的控制器280。
烟灰预制棒220配置在垂直轴210上。烟灰预制棒220包括提供生长基础的由玻璃制成的起动杆以及通过将烟灰淀积到起动杆的端部而形成的纤芯222和包覆层224。纤芯222具有相对较高的折射率。环绕纤芯222的包覆层224具有相对较低的折射率。在烟灰开始淀积时，通过使用第二喷灯240将烟灰淀积到起动杆的端部而形成球体。一旦球体的尺寸达到预定尺寸，就会使用第一喷灯230和第二喷灯240在球体上同时形成纤芯222和包覆层224。当纤芯222和包覆层224直接从起动杆的一端部生长出来而无需形成球体时，起动杆和烟灰预制棒220会分离。如果起动杆和烟灰预制棒220没有分离，则烟灰预制棒220的重量会造成烟灰预制棒220内产生裂缝。烟灰淀积期间，烟灰预制棒220以预定速度旋转并向上移动。烟灰预制棒220通过相对于垂直轴210旋转而具有旋转对称性。烟灰预制棒220通过沿着垂直轴210向上移动而沿着垂直轴210向下持续生长。在下文中，烟灰预制棒220相对于垂直轴210的生长方向将被设定为向下的方向，而与生长方向相反的方向被设定为向上的方向。
第一喷灯230的中心轴235以锐角相对于垂直轴210倾斜。火焰被喷射到烟灰预制棒220的所述端部以从烟灰预制棒220的所述端部向下生长出纤芯222。喷灯230提供玻璃原材料(例如SiCl4和GeCl4)以及其中混有氢气和氧气的燃料。通过玻璃原材料在所喷射的火焰中水解而产生烟灰。所产生的烟灰淀积在烟灰预制棒220中。构成烟灰的氧化物(即，SiO2和GeO2)的水解化学式如下。
SiCl4+2H2O→SiO2+4HCl    ……………………………(1)
GeCl4+2H2O→GeO2+4HCl    ……………………………(2)
第二喷灯240向上与第一喷灯230相分离。第二喷灯的中心轴245以锐角相对于垂直轴210倾斜。第二喷灯240通过将火焰喷射到纤芯222的圆周表面而在纤芯222的圆周表面上生长出包覆层224。第二喷灯240提供玻璃原材料(例如SiCl4和GeCl4)以及其中混有氢气和氧气的燃料。通过玻璃原材料在所喷射的火焰中水解而产生烟灰。所产生的烟灰淀积在烟灰预制棒220中。
通过控制第一喷灯230中所提供的玻璃原材料的流动及类型使得所述玻璃原材料不同于第二喷灯240中所提供的玻璃原材料，从而使纤芯222与包覆层224相比可以具有较高的折射率。仅用于说明性目的，GeO2或P2O5用于提高折射率，而F或B2O3用于降低折射率。
从烟灰预制棒220获得的光纤的光学特性(举例而言，色散以及宏弯损耗(macro bend loss))受到烟灰预制棒220的末端温度以及在其中执行烟灰淀积的一部分(即，烟灰预制棒220的所述端部)的表面温度的影响。
温度计270配置在烟灰预制棒220的侧面。温度计270检测烟灰预制棒220的所述端部沿垂直轴210的热像以及向下与纤芯222相分离的一点的温度。温度计270将所检测到的热像和温度输出到控制器280。此时，热像包括烟灰预制棒220的所述端部沿垂直轴210的温度分布信息。此外，烟灰预制棒220的所述端部包括在其中执行烟灰淀积的部分(即，位于烟灰预制棒220的所述端部处的纤芯222的暴露部分以及纤芯222与包覆层224之间沿垂直轴210的边界部分)。热像仪(例如由LAND instruments internationalLtd.所制造的FTI 6)可以用作温度计270。
图3显示温度计270所检测到的热像以及纤芯222下部的温度。图4为显示烟灰预制棒220的所述端部沿垂直轴210的温度分布的曲线图。
在图3中，示出沿着垂直轴210向上的方向(由箭头标示)、第一最大温度T1、最小温度T2、第二最大温度T3以及纤芯222的下部的温度T4。在图4中，垂直轴表示温度，水平轴表示垂直轴210上的位置，即，垂直位置。
如图3和图4中所示，第一最大温度T1出现在烟灰预制棒220的末端。第二最大温度T3出现在纤芯222与包覆层224之间沿垂直轴210的边界部分。最小温度T2出现在烟灰预制棒220的末端与边界部分之间的中间位置处。这是因为第一喷灯230的火焰集中点(即，第一喷灯230的火焰集中于其中的烟灰预制棒220的表面上的一点)在烟灰预制棒220的末端，而第二喷灯240的火焰集中点在边界部分处。
通过控制第一喷灯230中所提供的燃料的流动来控制第一最大温度T1。通过控制第二喷灯240中所提供的燃料的流动来控制第二最大温度T3。
通过烟灰淀积，纤芯222以大约T4向下生长。因此，T4逐渐升高。控制器280计算从温度计270输入的T1与T4之间的差值。当T1与T4之间的差值达到预定值时，控制器280控制移动装置290沿着垂直轴210向上移动烟灰预制棒220。T1与T4之间的距离优选地小于1mm，并且T1与T4之间的差值优选地小于100℃。
在本发明的一个实施例的VAD(用于使用第一喷灯230和第二喷灯240将烟灰淀积到配置在垂直轴210上的烟灰预制棒220中)中，用于控制烟灰预制棒220的淀积的方法包括检测烟灰预制棒220的所述端部沿垂直轴210的温度(T1)以及向下与纤芯222相分离的一点的温度(T4)、计算T1与T4之间的差值以及沿着垂直轴210移动烟灰预制棒220以使T1与T4之间的差值降低到预定温度或更低。
如上所述，根据本发明，使用温度计来检测烟灰预制棒的所述端部的整个温度分布以及烟灰预制棒下部中根据烟灰淀积的温度变化以控制烟灰预制棒的向上运动。因此，本发明改善了：(1)烟灰预制棒的品质；(2)从所述烟灰预制棒获得的光纤的光学特性；以及(3)烟灰预制棒的大批量生产率及可靠性。
尽管参考一个优选实施例已示出并说明了本发明，然而本领域普通技术人员将会理解，在不偏离本发明的本质和范围的前提下在此可以做形势和细节上的各种变更。

Claims (9)

1.一种气相轴向淀积(VAD)设备，包括：
用于生长纤芯的第一喷灯，其中烟灰被淀积到设置在一轴线上的烟灰预制棒的末端处；
用于生长包覆层的第二喷灯，其中烟灰被淀积到纤芯的表面上；
温度计，所述温度计检测烟灰预制棒沿所述轴线的所述末端的温度以及纤芯的其它部分/下部的温度；
控制器，所述控制器计算烟灰预制棒的所述末端的温度(T1)与纤芯下部的温度(T4)之间的差值并控制烟灰预制棒的运动；以及
沿着所述轴线移动烟灰预制棒的移动装置。
2.根据权利要求1所述的VAD设备，其中所述轴线为垂直轴线，以及纤芯的所述表面位于圆周。
3.根据权利要求1所述的VAD设备，其中烟灰预制棒的运动是根据T1和T4的温度差值。
4.根据权利要求1所述的VAD设备，其中所述移动装置由所述控制器控制。
5.根据权利要求1所述的VAD设备，其中T1与T4之间的距离小于1mm。
6.根据权利要求1所述的VAD设备，其中T1与T4之间的差值小于100℃。
7.根据权利要求1所述的VAD设备，其中通过控制所述第一喷灯中所提供的燃料的流动来调节温度T1。
8.一种气相轴向淀积(VAD)方法，所述VAD方法用于使用第一喷灯和第二喷灯将烟灰淀积到配置在一轴线上的烟灰预制棒中的纤芯上，所述VAD方法包括步骤：
(a)检测烟灰预制棒沿所述轴线的末端温度(T1)以及纤芯的其它部分/下部的温度(T4)；
(b)计算T1与T4之间的差值；以及
(c)沿着所述轴线移动烟灰预制棒以使所述差值降低到预定温度或更低。
9.根据权利要求8所述的VAD方法，其中在步骤(b)中，T1与T4之间的所述差值小于100℃。
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