專利名稱：光纖拉制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖拉制方法，用于將預(yù)制棒轉(zhuǎn)變成光纖。更具體地說，本發(fā)明涉及一種盡管有影響預(yù)制棒的不規(guī)則點例如兩段預(yù)制棒之間的焊接點，但仍然能夠保持光纖直徑恒定的光纖拉制方法。
傳統(tǒng)的制作光纖的方法包括制作預(yù)制棒，然后將預(yù)制棒轉(zhuǎn)變成光纖。光纖拉制操作，即將預(yù)制棒轉(zhuǎn)變成光纖，傳統(tǒng)上是在一個稱作拉纖塔的設(shè)施中進行的，在其中通過對預(yù)制棒加以拉伸，在一個充有惰性氣體特別是氬氣和氦氣的感應(yīng)爐中對預(yù)制棒端部不加接觸地加以熔化，來將預(yù)制棒轉(zhuǎn)變成光纖。將預(yù)制棒導(dǎo)入拉纖爐中，其速度稱作預(yù)制棒下降速率。所得光纖在拉纖塔出口處由一卷盤拉引，其速度稱作拉制速度，其張力稱作拉制張力。在拉纖爐出口處對光纖的直徑加以測量以控制拉制速度從而保持光纖直徑恒定。拉制速度可以為15米/秒(m/s)以上。在離開拉纖爐之后，立即對光纖涂覆以基本涂層，一般為樹脂，其外徑取決于光纖所通過的模具。有時會以同樣方法施加次級涂層。
為制作很長的光纖，在進行拉纖操作之前通過對接熔焊兩個以上預(yù)制棒來制作長的預(yù)制棒。
兩個相繼預(yù)制棒連接在一起的焊接點使得拉纖操作變得困難。
具體地說，所述焊接點會引起光纖的斷裂以及拉制速度和所得光纖直徑的顯著變化。拉制速度的顯著變化不利之處在于會引起在線施加至拉纖塔出口處光纖上的基本樹脂涂層以及適用時次級樹脂涂層的直徑變化。所得光纖直徑的顯著變化不利之處在于會引起光纖的光傳輸特性的變化。在有些情況下速度的顯著變化會導(dǎo)致對鍍覆涂層處彎月形透鏡不可回復(fù)的損害，此時唯一的解決途徑就是重新開始拉纖操作。
為防止光纖在控制對接預(yù)制棒時斷裂，現(xiàn)有技術(shù)的解決辦法是限制拉纖速度。該辦法導(dǎo)致在拉制每一預(yù)制棒對接點時生成光纖直徑的瞬時增大。然而如今的趨勢是增加預(yù)制棒的直徑，從而上述解決辦法不再適合。特別地，在對接點引起的最大擾動處，生成光纖的直徑接近于基本涂層施加器模具的臨界直徑，其結(jié)果是會使光纖斷裂。
本發(fā)明的目的在于消除現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點。
為此目的，本發(fā)明提出了一種拉引預(yù)制棒的方法，包括拉引受熱預(yù)制棒的端部以形成光纖；并且在預(yù)制棒受熱部分附近注入至少一種第一氣體；以及該方法特征在于在存在預(yù)制棒不規(guī)則點時改變第一氣體注入的流速。
所述不規(guī)則點可以包括兩段預(yù)制棒之間的焊接點。
第一氣體注入的流速最好根據(jù)一個預(yù)定的曲線隨時間改變。
第一氣體注入的流速優(yōu)選以小于4升每分每秒的變化率改變，更優(yōu)選以小于1升每分每秒的變化率改變。
在第一優(yōu)選實施例中，注入的第一氣體為氬氣，且改變注入流速的步驟包括- - 在存在會增大光纖直徑的不規(guī)則點時提高注入氬氣的流速，其它情況不變；或者- - 在存在會減小光纖直徑的不規(guī)則點時降低注入氬氣的流速。其它情況不變。
在此情況下注入流速最好改變10至20升/分或更小。
在另一優(yōu)選實施例中，在預(yù)制棒受熱部分附近注入至少一種第二氣體，以與第一氣體注入流速變化相反的方向改變第二氣體注入的流速。第二氣體注入流速變化的絕對值最好大致等于第一氣體注入流速變化的絕對值。第二氣體最好是氦氣。
在再一個優(yōu)選實施例中，注入的第一氣體為氦氣，且改變注入速率的步驟包括- - 在存在會減小生成光纖直徑的不規(guī)則點時提高注入氦氣的流速，其它情況不變；或者- - 在存在會增大生成光纖直徑的不規(guī)則點時降低注入氦氣的流速，其它情況不變。
改變第一氣體注入流速的步驟可以一般地并且最好是具有100秒(s)至350秒的持續(xù)時間。
在另一實施例中，該方法包括測量光纖的直徑并且根據(jù)所測直徑改變第一氣體注入的流速。最好在所測直徑達到一個既定值時改變第一氣體注入的流速。
在再一個實施例中，該方法包括測量拉制速度并通過作用于拉制速度控制光纖直徑，并且根據(jù)所測的拉制速度改變第一氣體注入的流速。最好在所測拉制速度達到一個既定值時改變第一氣體注入的流速。
該方法的再一個優(yōu)選實施例包括，通過控制預(yù)制棒的下降速率和/或施加于預(yù)制棒端部的加熱功率，對拉制張力和拉制速度進行多重控制。
本發(fā)明特別有利之處在于以此方式注入的惰性氣體流速的變化能立即影響光纖的直徑，從而在拉制速度受光纖直徑控制時影響拉制速度，一般情況下，能在一秒量級的期間內(nèi)產(chǎn)生作用。因而本發(fā)明對于克服由預(yù)制棒中不規(guī)則點例如焊接點引起的快速直徑波動是有效的。相反地，單獨地作用于預(yù)制棒下降速率和/或加熱功率不能有效地克服快速直徑波動，考慮到這種系統(tǒng)與焊接點引起的擾動相比極慢的動態(tài)特性以及這種擾動的持續(xù)時間實際上達到一個新的平衡狀態(tài)需要大約10至15分鐘。
本發(fā)明的其它特色和優(yōu)點在看過本發(fā)明優(yōu)選實施例的下述說明之后將更加清楚，其中說明只是例示性的并結(jié)合附圖給出。


圖1為以恒定拉制速度拉引預(yù)制棒中對接點時所得光纖直徑(以微米(μm)表示)隨時間(以秒(s)表示)變化的曲線。
圖2為采用PID控制拉引預(yù)制棒中對接點時拉制速度(以米/分(m/min)表示)以及所得光纖直徑(以微米(μm)表示)隨時間(以秒(s)表示)變化的曲線。
圖3為采用PID控制與注入氬氣流速增減相對應(yīng)的拉制速度(以米/分(m/min)表示)的變化隨時間(以秒(s)表示)變化的曲線。
圖4表示采用本發(fā)明優(yōu)選實施例所獲得的結(jié)果。
對通過對接焊接數(shù)個預(yù)制棒所得的長預(yù)制棒進行拉纖測試。采用標準熔焊方法。進行測試的長預(yù)制棒每個含有長度均為75毫米(mm)的五個對接焊接的預(yù)制棒(段)。因此每個所得的預(yù)制棒具有四個焊接點。預(yù)制棒直徑在81mm至85mm的范圍。拉纖測試在一個含有具有220μm直徑模具的基本涂層施加器的拉纖塔中進行。
以990m/min的恒定拉制速度進行第一組拉纖測試。結(jié)果獲得具有132μm恒定直徑的光纖。但是在拉引各焊接點時，生成光纖的直徑逐漸增加至185μm，然后逐漸復(fù)原至132μm，相應(yīng)的擾動持續(xù)時間為大約15分鐘。圖1表示在拉引焊接點時所得光纖的直徑隨時間變化的曲線。光纖直徑的這些波動太大從而導(dǎo)致前面所述的缺點。
進行第二組拉纖測試，對拉制速度施加不飽和PID(比例、積分、微分)控制以使生成光纖的直徑盡可能恒定。結(jié)果所得光纖具有125μm的恒定直徑。在拉引各焊接點時生成光纖直徑的波動較小，其最大直徑為155μm。相應(yīng)擾動的持續(xù)時間也為大約15分鐘。在焊接點之間，拉制速度恒定為990m/min。然而在拉引各焊接點時，由于PID控制而使拉制速度顯著變化，拉制速度的波動范圍達到450m/min，最大速度為1200m/min，此為卷盤的最大速度。圖2為拉引焊接點時拉制速度以及所得光纖直徑隨時間變化的曲線。還可以觀察到由于拉制速度變化而引起的光纖基本和次級樹脂涂層直徑的變化。
第二組測試所用的方法限制了所得光纖直徑的波動，但是拉制速度的變化太大以致于不能接受。
另外，這兩組測試數(shù)次由于光纖斷裂而中斷。
本發(fā)明基于這樣的觀點，即在拉纖操作中，注入拉纖塔感應(yīng)爐底部的惰性氣體(例如氬氣)量顯著影響制得光纖的直徑，其它情況不變。
感應(yīng)爐的“底部”是指爐中拉引受熱預(yù)制棒的區(qū)域。
測試表明，在恒定的拉制速度，提高注入氬氣的流速會減小生成光纖的直徑，而降低注入氬氣的流速會增大生成光纖的直徑。
還對沒有焊接點或其它不規(guī)則點的預(yù)制棒進行拉纖測試，條件與第二組測試相同，并改變注入爐底的氬氣的流速。標定拉纖速度為1000m/min，標定注入氬氣流速為10升/分(l/min)。圖3表示對應(yīng)于注入氬氣流速的增減，拉制速度(以米每分表示)相對于標定拉制速度的波動隨時間(以秒表示)的變化。圖中ΔDarg的值對應(yīng)于氬氣流速相對于標定流速的變化。因此，例如如果提高注入氬氣的流速4l/min(至14l/min)，則可獲得高達80m/min的負的拉制速度變化(在此例中速度降至920m/min)。圖3說明拉制速度隨著注入氬氣流速的降低而增大，隨著注入氬氣流速的提高而減小。速度的波動可明顯解釋為采用了PID控制，它改變拉制速度來補償由于注入氬氣流速變化而引起的光纖直徑的變化。
測試還表明改變氬氣流速會立即影響光纖的直徑。在圖3所示的測試中，可以看到拉制速度變化跟隨注入氬氣流速增減的反應(yīng)時間在一秒的量級甚至更短。
采用氦進行的類似測試表明，改變注入至爐底的氦氣的流速也會影響生成光纖的直徑，但遠小于氬氣的影響。在恒定的拉制速度下，改變注入爐底的氦氣的流速使得生成光纖直徑沿相同方向變化，與氬氣產(chǎn)生的影響相反。
在拉纖操作過程中，本發(fā)明限制了生成光纖直徑的波動和/或受生成光纖直徑影響的拉纖參數(shù)(例如拉制速度或預(yù)制棒下降速率)的波動，它們易于產(chǎn)生影響預(yù)制棒的不規(guī)則因素。本發(fā)明通過在不規(guī)則點通過拉纖爐時改變注入至拉纖爐底部的惰性氣體(例如氬氣)的流速實現(xiàn)了這一點。
“預(yù)制棒不規(guī)則點”的表述指的是預(yù)制棒中在相對于時間恒定的條件下拉制光纖的過程中引起生成光纖直徑改變的任何不規(guī)則因素。它一般指構(gòu)成長預(yù)制棒的各段之間的焊接點。也可以指預(yù)制棒外徑的變化。
下面結(jié)合一個含有焊接點并且為上述測試所用類型的預(yù)制棒來說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。拉纖塔為現(xiàn)有技術(shù)中公知的類型并且與上述測試中所用的相對應(yīng)。
在含有焊接點的區(qū)域之外，預(yù)制棒的拉引在下述標定操作條件下進行- - 拉制速度1000m/min；- - 拉制張力85克(g)；- - 預(yù)制棒下降速率2mm/min；- - 拉纖爐加熱功率18kw；- - 注入爐底氬氣的流速10l/min；- - 注入爐底氦氣的流速10l/min；以及- - 在拉纖塔出口處施加樹脂涂層之前的裸纖直徑125μm。
更一般地說，在標定操作條件下最好預(yù)制棒下降速率在1mm/min至3mm/min的范圍，拉纖爐加熱功率在15kw至25kw的范圍，以及注入爐底的氬氣和氦氣的流速各在5l/min至20l/min的范圍。
如前所述，拉引預(yù)制棒中焊接點易于引起光纖直徑的相應(yīng)增加和/或相對生成光纖直徑加以控制的拉制速度的變化。為了確保光纖拉制正確地進行以及基本涂層正確地施加，為了制作具有滿意光學特性的光纖，最好限制生成光纖的直徑在180μm以下并且拉制速度在1050m/min以下。
通過初級控制改變卷盤的拉制速度以保持光纖直徑恒定，以傳統(tǒng)方式檢驗生成光纖的直徑。該初級控制最好采用內(nèi)部模式。拉纖塔出口處的光纖直徑以本領(lǐng)域公知方式加以測量。技術(shù)人員可以通過本領(lǐng)域公知方式采用試差技術(shù)確定內(nèi)部控制模式?？梢圆捎肞ID控制或任何其它適當形式的控制來替代內(nèi)部模式控制。該初級控制對于本發(fā)明本身的發(fā)揮作用并不是必需的。
為了消除拉引預(yù)制棒焊接點時光纖直徑的波動，在焊接點通過拉纖爐時提高注入爐底氬氣的流速。也可以替代地降低注入爐底的氦氣量來達到同樣目的。然而，由于改變氬氣流速比改變氦氣流速對光纖直徑具有更大的影響，所以改變氬氣流速更好。也可以既改變氬氣流速也改變氦氣流速。
采用最大容量為30l/min的附加流速計來增加拉引焊接點時的標定氬氣流速。
在預(yù)制棒焊接點開始拉引時附加流速計增大注入爐底氬氣的流速。可以估算出根據(jù)例如從開始拉制或者從拉制前一焊接點經(jīng)過時間開始拉引預(yù)制棒焊接點的時刻。也可以通過探測生成光纖直徑何時增大至特定閾值來確定其發(fā)生的時刻。還可以通過探測拉制速度何時增大至超過閾值來確定其發(fā)生的時刻，其中該閾值對應(yīng)于初級控制的介入以克服由焊接點所引起的直徑增加。上述確定關(guān)注事件發(fā)生時刻的方法可以采用適當?shù)碾娮酉到y(tǒng)來實現(xiàn)，這對普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。累積結(jié)合兩種或所有三種前述方法來確定開始拉引預(yù)制棒中焊接點的時刻是有利的。在此例中，探測拉制速度達到1050m/min并且探測光纖直徑達到130μm。
當探測到開始拉引焊接點時，向附加流速計發(fā)出指令以增大注入爐底氬氣的流速。氬氣附加流速的幅度確定為使得可以將光纖直徑維持在其標定直徑或者至少在稍大于標定直徑的一個既定值之下?？梢圆捎迷嚥罘ú⑶腋鶕?jù)預(yù)制棒特性和所采用的標定拉纖條件來確定氬氣附加流速的幅度。一般地說，注入氬氣的附加流速最好在10l/min至20l/min的范圍。在此例中最大氬氣附加流速為15l/min。最好逐漸增加流速以免引起拉纖爐壓力的突然變化，這會影響拉纖操作。流速變化優(yōu)選小于4升每分每秒，此時最大附加流速15升每分在超過4秒的時間段逐漸施加。流速變化最好小于1升每分每秒。
當預(yù)制棒中焊接點的拉引完成時，必須將注入氬氣流速降至其標定值。最好以其增大時的相同方式逐漸降低。最好是一旦探測到生成光纖的直徑減小就降低氬氣流速。
如果任何特定預(yù)制棒中的不同焊接點以及不同預(yù)制棒中的焊接點都在拉制光纖過程中產(chǎn)生基本相同的擾動，則可以例如通過試差法預(yù)先確定注入氬氣附加流速的變化作為時間函數(shù)的曲線，然后用相同的曲線調(diào)整各焊接點拉引時注入氬氣的附加流速。這種方法可以通過在焊接點影響開始時向一個二級數(shù)字濾波器施加設(shè)定點步驟來實現(xiàn)，其中二級數(shù)字濾波器的輸出信號饋送至一差動電路的輸入端。輸出端獲得的信號具有從零逐漸上升至最大值的前沿，然后更緩慢地逐漸下降至零。將此輸出信號施加至附加流速計的控制輸入端使氬氣注入流速符合相同分布的曲線。在此例中，在開始增大流速之后40秒達到最大附加流速15l/min。該附加流速在開始降低流速之后大約200秒回復(fù)至零。一般地說，注入氣體流速的變化時間最好在100s至350s的范圍內(nèi)。圖4表示附加注入氬氣流速變化的曲線。
作為替代方案，可以根據(jù)生成光纖的直徑改變氬氣流速。
最好施加二級控制，優(yōu)選為多重控制型并且通過作用于預(yù)制棒下降速率和/或拉纖爐加熱功率來控制拉制速度和拉制張力。二級控制優(yōu)選為線性二次高斯(LQG)型。以本領(lǐng)域公知的方式，技術(shù)人員最好將二級控制確定為使其能提供可以在拉引焊接點之間預(yù)制棒時防止拉制速度超過給定最大速度的高級性能。該最大速度為拉制過程中焊接點的估算速度，在此例中為1050m/min。二級控制同樣可以限制拉引焊接點時拉制速度的波動以及由初級控制引起的拉制速度的波動。
另外，最好為拉制速度施加飽和度以使其在擾動時不超過前述的最大速度。
圖4表示此例中所得結(jié)果?？梢钥闯?，光纖直徑在拉引焊接點時達到最大值165μm，拉制速度限制在1050m/min，這是一個十分滿意的結(jié)果。
在一個優(yōu)選實施例中，通過氦氣流速的對應(yīng)降低來補償氬氣流速的增大。其效果是結(jié)合這兩種氣體的作用將光纖直徑保持在接近其標定值。然而，結(jié)果使得爐底的氣體壓力也保持基本恒定。
當然，本發(fā)明并不局限于所述的和所示的例子和實施例，其有助于啟示技術(shù)人員作出多種變型。
權(quán)利要求
1．一種預(yù)制棒拉制方法，該方法包括--將受熱預(yù)制棒的端部拉制成光纖；并且--在預(yù)制棒受熱部分附近注入至少一種第一氣體；其特征在于在預(yù)制棒存在不規(guī)則點時改變第一氣體注入的流速。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述不規(guī)則點包括兩段預(yù)制棒之間的焊接點。
3．如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于根據(jù)一個既定的曲線隨時間改變第一氣體注入的流速。
4．如權(quán)利要求1至3任一所述的方法，其特征在于第一氣體注入的流速以小于4升每分每秒的變化率加以改變，優(yōu)選以小于1升每分每秒的變化率加以改變。
5．如權(quán)利要求1至4任一所述的方法，其特征在于注入的第一氣體為氬氣，且所述改變注入流速的步驟包括--在存在會增大光纖直徑的不規(guī)則點時提高注入氬氣的流速，其它情況不變；或者--在存在會減小光纖直徑的不規(guī)則點時降低注入氬氣的流速，其它情況不變。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于注入流速改變10l/min至20l/min或更小。
7．如權(quán)利要求1至6任一所述的方法，其特征在于在預(yù)制棒受熱部分附近注入至少一種第二氣體，以與第一氣體注入流速變化相反的方向改變第二氣體注入的流速。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于第二氣體注入流速變化的絕對值基本等于第一氣體注入流速變化的絕對值。
9．如權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于第二氣體為氦氣。
10．如權(quán)利要求1至4任一所述的方法，其特征在于注入的第一氣體為氦氣，且所述改變注入流速的步驟包括--在存在會減小生成光纖直徑的不規(guī)則點時提高注入氦氣的流速，其它情況不變；或者--在存在會增大生成光纖直徑的不規(guī)則點時降低注入氦氣的流速，其它情況不變。
11．如權(quán)利要求1至10任一所述的方法，其特征在于改變第一氣體注入流速的步驟持續(xù)時間在100s至350s的范圍內(nèi)。
12．如權(quán)利要求1至11任一所述的方法，其特征在于該方法包括測量光纖的直徑并且根據(jù)所測直徑改變第一氣體注入的流速。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于在所測直徑達到一個既定值時改變第一氣體注入的流速。
14．如權(quán)利要求1至13任一所述的方法，其特征在于該方法包括測量拉制速度并通過作用于拉制速度控制光纖直徑，并且根據(jù)所測的拉制速度改變第一氣體注入的流速。
15．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于在所測拉制速度達到一個既定值時改變第一氣體注入的流速。
16．如權(quán)利要求1至15任一所述的方法，其特征在于通過控制預(yù)制棒的下降速率和/或施加于預(yù)制棒端部的加熱功率，對拉制張力和拉制速度進行多重控制。
全文摘要
本方法包括在由預(yù)制棒拉制光纖的操作過程中,當拉引兩段預(yù)制棒之間的焊接點時提高注入至拉纖爐底部的氬氣的流速。這可以避免所述焊接點引起生成光纖直徑的過度增大和/或拉制速度的過度波動。
文檔編號C03B37/027GK1325827SQ0111778
公開日2001年12月12日 申請日期2001年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月30日
發(fā)明者米科爾·德薩爾, 安德里·達哥尼, 讓－皮艾爾·布洛斯, 埃里克·蘭尼特, 史蒂夫·勒·布里斯 申請人:阿爾卡塔爾公司