專利名稱：一種制造光纖預(yù)制棒的燒結(jié)工藝的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種制造光纖預(yù)制棒的燒結(jié)工藝的方法，用于光纖預(yù)制棒芯棒外沉積后的疏松體的燒結(jié)。
背景技術(shù)：
光纖預(yù)制棒的制造，由于成本和參數(shù)控制等各方面的因數(shù)，目前較為流行的就是采用兩步法。即利用沉積時(shí)間長(zhǎng)、沉積效率低、控制復(fù)雜但是可以精確控制折射率剖面的方法來(lái)生產(chǎn)芯棒，如MCVD、PCVD、VAD等，在芯棒外面，再利用沉積效率相對(duì)比較高、沉積時(shí)間短、控制相對(duì)簡(jiǎn)單的OVD或VAD來(lái)做疏松體的外包層，通過(guò)脫水和?；臒Y(jié)過(guò)程，以制造可以拉制光纖公里數(shù)較長(zhǎng)的大型光纖母棒。
使用這種方法既可以獲得光纖傳輸所需的精確度較高的折射率剖面，又可以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。使用這種方法，單根預(yù)制棒的可拉絲長(zhǎng)度可以達(dá)到300公里。
光的傳導(dǎo)是在光纖的芯中完成的，在光纖參數(shù)中，有一個(gè)重要的參數(shù)就是芯包比。芯包比＝光纖外徑b/光纖芯徑a，標(biāo)準(zhǔn)的光纖外徑＝125um，標(biāo)準(zhǔn)值b/a＝13.88。反映在光纖母棒上就是光棒的外徑2D/光棒的芯徑2d＝13.88。
在兩步法中，外沉積前，要按照芯棒的折射率差Δn和芯徑來(lái)計(jì)算所需的外沉積量，用以滿足母棒拉絲后光纖的芯包比以及其它一系列波導(dǎo)參數(shù)。由于沉積后的疏松體預(yù)制棒密度較小，在致密化過(guò)程中有一個(gè)收縮，即外徑要變小。在實(shí)際的燒結(jié)過(guò)程中，由于受到密度，表面張力、溫度等各方面的影響，這個(gè)外徑的變化實(shí)際上是一個(gè)無(wú)序的變化過(guò)程。這個(gè)無(wú)序的變化，使實(shí)際燒結(jié)后的成品棒在直徑的變化上超出了預(yù)先的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致光纖的芯包比無(wú)法控制。因此，如果不把這個(gè)變化加以控制，將無(wú)法生產(chǎn)出合格的光纖母棒，也就無(wú)法拉制出合格的光纖。

發(fā)明內(nèi)容
燒結(jié)后的成品玻璃棒和疏松體預(yù)制棒相比，在長(zhǎng)度和外徑上有較大的改變，而且，由于表面張力的作用，使得芯棒的芯徑變粗。為了有效控制母棒拉絲后光纖的芯包比(125um/9.0um)，必須控制燒結(jié)過(guò)程中棒體的收縮比。因此，收縮比系數(shù)K是燒結(jié)工藝中需要設(shè)計(jì)和控制的一個(gè)重要參數(shù)。
本發(fā)明涉及的燒結(jié)工藝是兩步法制棒工藝中的關(guān)鍵工序，是把疏松體預(yù)制棒脫水和?；?，使之成為透明的玻璃體的過(guò)程。本發(fā)明主要涉及燒結(jié)過(guò)程中棒體的收縮比系數(shù)K的設(shè)計(jì)和控制，通過(guò)對(duì)燒結(jié)溫度、爐溫分布曲線、牽引速度、氣體用量等的控制，達(dá)到控制收縮比系數(shù)K的目的。
第一、采用兩步法制造光纖母棒的工藝，首先是制造芯棒1，然后在芯棒外表面進(jìn)行外沉積。外沉積后的疏松體預(yù)制棒，如圖1所示，外沉積部分2呈多孔狀，密度非常小，并且由里到外逐漸減小，平均密度大概在0.5-0.8g/cm3，和玻璃的密度2.2g/cm3相比，只有它的1/3到1/4。
第二、疏松體預(yù)制棒在燒結(jié)爐7內(nèi)，由于溫度的升高而逐漸致密化，外徑縮小，按理論計(jì)算燒結(jié)后成品棒的外徑應(yīng)為原來(lái)疏松體外徑的 到 理論外徑由沉積重量和密度的變化計(jì)算出來(lái)的，燒結(jié)前后沉積重量不變。
燒結(jié)前W＝π(D12-d2)Lρ1W---沉積重量D1-沉積后的疏松體外徑d---起始的芯棒心徑L---芯棒長(zhǎng)度，即疏松體的長(zhǎng)度ρ1---疏松體密度理論計(jì)算燒結(jié)后光纖預(yù)制棒的外徑W＝π(D22-d2)Lρ2W---沉積重量D2---玻璃體預(yù)制棒外徑L---芯棒長(zhǎng)度，即玻璃體的長(zhǎng)度ρ2---玻璃體的密度2.2g/mm3可計(jì)算出燒結(jié)后光纖母棒的理論外徑D2=ρ12.2(D12-d2)+d2]]>第三、但是，由于受到表面張力、燒結(jié)溫度、爐溫分布曲線等各方面的影響，實(shí)際燒結(jié)后的成品棒的外徑比理論上的要大，而且，棒體在長(zhǎng)度上縮短了，如圖5所示。為了獲得所需的芯包比，我們引入系數(shù)K來(lái)修正實(shí)際燒結(jié)后成品棒的外徑和理論設(shè)計(jì)上外徑的區(qū)別，實(shí)際外徑＝KD2。
設(shè)計(jì)一個(gè)K值，典型的K取1.2至1.5，燒結(jié)后的光纖母棒用光棒測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，看得到的光纖母棒的實(shí)際外徑是否是一定范圍內(nèi)。
K值的控制是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，K值受燒結(jié)溫度、爐溫分布曲線、牽引速度等的影響，K值是燒結(jié)溫度、爐溫分布曲線、牽引速度等的函數(shù)。
本發(fā)明歸納如下1、首先設(shè)計(jì)一個(gè)K值，如K＝1.3，燒結(jié)后的光纖母棒用光棒測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，得到光纖母棒的外徑。
2、驗(yàn)證設(shè)計(jì)值，如有偏差，進(jìn)行K值的修正，用改變工藝條件，即燒結(jié)溫度、牽引速度、氣氛等參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制。
3、實(shí)際測(cè)試的結(jié)果再來(lái)驗(yàn)證K值。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，用逐漸逼近的方法，使測(cè)試值和設(shè)計(jì)值相等。
4、在得到的一組K值中，選用一個(gè)適當(dāng)?shù)腒值，來(lái)完成燒結(jié)工序。
四

圖1表示燒結(jié)前的疏松體預(yù)制棒。1表示芯棒，2表示外沉積的疏松體，3表示MCVD沉積的芯，4表示MCVD沉積的包層，5表示基管，6表示OVD外沉積的疏松體層。
圖2表示疏松體預(yù)制棒在燒結(jié)爐內(nèi)的燒結(jié)過(guò)程。7表示高溫爐，8表示燒結(jié)管，9表示進(jìn)氣口，10表示需燒結(jié)的疏松體預(yù)制棒，11表示玻璃態(tài)的成品棒。
圖3表示縱向的爐溫分布曲線。12表示燒結(jié)爐典型的爐溫分布曲線。
圖4表示受表面張力、爐溫分布曲線、牽引速度等的影響，疏松體預(yù)制棒在高溫下的收縮變化。13表示疏松體預(yù)制棒，14表示由疏松體預(yù)制棒到玻璃態(tài)成品棒的中間體，15表示燒結(jié)好的玻璃態(tài)預(yù)制棒。
圖5燒結(jié)前后疏松體預(yù)制棒變化的典型例。圖A表示疏松體預(yù)制棒，圖A中的16表示芯棒，17表示OVD沉積的疏松體外包層。圖B表示理論上疏松體預(yù)制棒燒結(jié)后的變化，圖B中的18表示理論上燒結(jié)后成品棒的芯棒，19表示理論上燒結(jié)后成品棒的外包層。圖C表示實(shí)際燒結(jié)后的玻璃態(tài)成品棒，20表示實(shí)際燒結(jié)后的芯棒，21表示實(shí)際燒結(jié)后的外包層。
五具體實(shí)施例方式
燒結(jié)工藝，K系數(shù)的設(shè)計(jì)，是根據(jù)理論計(jì)算的疏松體外徑的收縮和實(shí)際燒結(jié)后疏松體外徑的收縮，K值又是收縮比系數(shù)，并加以設(shè)計(jì)。K值取1.2、1.3、1.5均可。驗(yàn)證設(shè)計(jì)值，如有偏差，進(jìn)行K值的修正，用改變工藝條件，即燒結(jié)溫度、牽引速度、氣氛等參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制。
實(shí)際測(cè)試的結(jié)果再來(lái)驗(yàn)證K值。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，用逐漸逼近的方法，使測(cè)試值和設(shè)計(jì)值相等。
在得到的一組K值中，選用一個(gè)適當(dāng)?shù)腒值，來(lái)完成燒結(jié)工序。
燒結(jié)是在一個(gè)封閉的容器內(nèi)，在高溫下完成燒結(jié)的，通過(guò)燒結(jié)溫度、爐溫分布曲線、牽引速度等來(lái)完成的。
改變工藝條件，即燒結(jié)溫度、牽引速度、氣氛等參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制給一個(gè)類似圖4-5的工藝實(shí)施例?，F(xiàn)有工藝為將沉積好的疏松體預(yù)制棒以5-10rpm的速度旋轉(zhuǎn)并懸掛于燒結(jié)管內(nèi)，燒結(jié)管具有用于保護(hù)預(yù)制棒不被污染，使棒體穩(wěn)定和安全的燒結(jié)等功能。燒結(jié)管至于均勻圍繞硅鉬棒進(jìn)行加熱的電爐10的中心。將爐溫先升溫到1100-1200℃左右，讓干燥氣體，如0.6lpm的氯氣和2lpm的氦氣等氣體的混合物，由下至上慢慢通過(guò)預(yù)制棒進(jìn)行脫水，大約1-3小時(shí)。然后將溫度升到1400-1600℃，增大氯氣和氦氣的流量，進(jìn)行燒結(jié)，讓疏松的SiO2顆粒在高溫下熔融，排出內(nèi)部的氣體，這樣疏松體就變成了透明的玻璃預(yù)制棒11。下送速度大約有6-12mm/min左右亦可。
典型例1、一根MCVD下來(lái)的芯棒，外徑為20mm，芯徑為4.2mm，芯棒有效長(zhǎng)度為1m。根據(jù)光纖芯包比的要求計(jì)算，燒結(jié)后光纖預(yù)制棒的外徑應(yīng)為58.30mm。因此沉積重量為6.5kg，沉積后疏松體外徑為110mm。
2、選定一個(gè)K值，K＝1.3，因得實(shí)際燒結(jié)后光纖預(yù)制棒的外徑為75.79mm，芯徑為5.46mm，光纖預(yù)制棒的有效長(zhǎng)度為592mm。
3、選用一種工藝條件，爐溫為1550℃，He用量為60L/min，Cl2用量為1L/min，牽引速度為5mm/min，轉(zhuǎn)速為7轉(zhuǎn)/min，在一個(gè)密封的容器內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。
4、燒結(jié)后的成品預(yù)制棒用光棒測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果成品棒的實(shí)際外徑為74.81mm，芯徑為5.39mm，因此實(shí)際的K值是1.28。與設(shè)計(jì)值相差0.02。
5、同樣的芯棒進(jìn)行外沉積后，改變燒結(jié)工藝參數(shù)，把爐溫降低10℃，分別加大氣體的用量，降低牽引速度，燒結(jié)后的成品棒經(jīng)檢測(cè)，得到的外徑為75.38mm，芯徑為5.43mm，因此實(shí)際的K值是1.29，與設(shè)計(jì)值相差0.01。
6、反復(fù)做同樣的試驗(yàn)。改變燒結(jié)工藝參數(shù)，把爐溫降低15℃，把氣體用量保持不變，把牽引速度再次降低0.3mm，同時(shí)把轉(zhuǎn)速調(diào)整為6.5轉(zhuǎn)/min。燒結(jié)后的成品預(yù)制棒經(jīng)檢測(cè)，得到預(yù)制棒的外徑為75.80mm，芯徑為5.46mm。實(shí)際的K值與設(shè)計(jì)值完全一致。
7、因此選用一個(gè)K值，就選用一套適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，可以做到設(shè)計(jì)值和實(shí)際值完全一致，從而控制光纖預(yù)制棒的芯包比。
實(shí)際控制高溫下完成燒結(jié)的，通過(guò)降低燒結(jié)溫度和牽引速度來(lái)增大實(shí)際燒結(jié)后疏松體外徑或者提高燒結(jié)溫度和牽引速度來(lái)減少實(shí)際燒結(jié)后疏松體外徑。此為常規(guī)工藝。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖預(yù)制棒的燒結(jié)工藝的方法，從疏松體經(jīng)燒結(jié)后收縮，其特征在于，通過(guò)K系數(shù)的設(shè)計(jì)和控制，來(lái)控制燒結(jié)后成品棒的外徑，使實(shí)際燒結(jié)后成品棒外徑＝KD2，D2為理論上燒結(jié)后成品棒外徑，典型的K值取1.2至1.5，由此來(lái)反推實(shí)際沉積后的疏松體外徑D1，即控制沉積后的疏松體外徑。
2.由權(quán)利要求1所述的制造光纖預(yù)制棒的燒結(jié)工藝，其特征是K值取1.3左右。
3.由權(quán)利要求1所述的K系數(shù)的設(shè)計(jì)，是根據(jù)理論計(jì)算的疏松體外徑的收縮和實(shí)際燒結(jié)后疏松體外徑的收縮，引入收縮比系數(shù)K，并加以設(shè)計(jì)。
4.由權(quán)利要求1所述的K系數(shù)的控制，其特征是在一個(gè)封閉的容器內(nèi)，在高溫下完成燒結(jié)的，通過(guò)降低燒結(jié)溫度和牽引速度來(lái)增大實(shí)際燒結(jié)后疏松體外徑或者提高燒結(jié)溫度和牽引速度來(lái)減少實(shí)際燒結(jié)后疏松體外徑。
全文摘要
一種制造光纖預(yù)制棒的燒結(jié)工藝的方法。該方法利用收縮比系數(shù)K的設(shè)定和控制，來(lái)控制燒結(jié)后成品棒的外徑，以獲得一定的光纖母棒和光纖的芯包比。首先設(shè)計(jì)一個(gè)收縮比系數(shù)K值，燒結(jié)后的光纖母棒用光棒測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，得到光纖母棒的外徑。驗(yàn)證設(shè)計(jì)值，如有偏差，進(jìn)行K值的修正，用改變工藝條件，即燒結(jié)溫度、牽引速度、氣氛等參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制。用實(shí)際測(cè)試的結(jié)果再來(lái)驗(yàn)證K值。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，用逐漸逼近的方法，使測(cè)試值和設(shè)計(jì)值相等。
文檔編號(hào)C03B37/012GK1482082SQ0213822
公開(kāi)日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者嚴(yán)薇, 梁樂(lè)天, 卞進(jìn)良, 查健江, 吳江, 孫建軍, 嚴(yán) 薇 申請(qǐng)人:江蘇法爾勝光子有限公司