專利名稱：拉制波導(dǎo)纖維的設(shè)備和方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及拉制波導(dǎo)纖維的方法和設(shè)備。更確切地說，本發(fā)明涉及顯著降低拉制過程中纖維內(nèi)產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷損耗的爐子。
發(fā)明的背景從高含量二氧化硅的纖維預(yù)制品或坯料拉制高強(qiáng)度、低損耗纖維，需要相當(dāng)高的熱源。用來拉制這種纖維的兩種主要熱源是氧化鋯和石墨爐子。拉制纖維的爐子通常在高于約1900℃、有些高達(dá)約2050℃的溫度下運(yùn)行。
氧化鋯感應(yīng)爐通常包括一個(gè)套殼，在其中心部裝有管狀的、由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯感應(yīng)器，該感應(yīng)器由盛有粒狀氧化鋯絕緣材料的圓柱狀石英燒杯包圍。感應(yīng)線圈包圍絕緣材料，在供給能量時(shí)產(chǎn)生交替變化的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)與感應(yīng)器偶合，而升高感應(yīng)器的溫度，形成一個(gè)加熱帶。光學(xué)玻璃纖維預(yù)制品的一端下落至加熱帶，使此端熔化，從該熔化端就可拉制纖維。
氧化鋯感應(yīng)爐的一個(gè)缺點(diǎn)是長(zhǎng)期使用和熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)在馬弗爐和感應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生裂縫。該裂縫會(huì)引起氧化鋯粒子從爐子的內(nèi)表面遷移至預(yù)制品和/或由預(yù)制品拉出的纖維上，產(chǎn)生很脆弱的纖維，而且成品損耗達(dá)不到要求。
石墨感應(yīng)爐一般具有不易產(chǎn)生裂縫的石墨馬弗爐，但石墨爐的缺陷是在拉制的高溫下會(huì)發(fā)生氧化。有人建議在石墨爐中拉制波導(dǎo)纖維，必須在惰性保護(hù)氣氛下進(jìn)行，以防止馬弗爐的氧化。當(dāng)外界氣體與馬弗爐的固態(tài)碳在高溫下按下述反應(yīng)式進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，就發(fā)生氧化(1)(2)用于拉制爐的石墨，其反應(yīng)(1)的一般起始溫度約為700℃。高于900℃時(shí)，反應(yīng)(2)變得明顯。馬弗爐與氧和二氧化碳的這些反應(yīng)，會(huì)耗損馬弗爐，尤其是在拉制纖維的高溫下。
石墨馬弗爐材料是由碳粘合劑基體粘合起來的石墨顆粒的復(fù)合物。據(jù)認(rèn)為粘合劑材料比石墨顆粒更易氧化。因此，當(dāng)這兩種材料的復(fù)合物在高于氧化起始溫度的溫度下暴露于氧時(shí)，粘合劑基體材料優(yōu)先氧化。石墨顆粒在沒有粘合劑將它們固定于其位置上時(shí)，就自由地離開復(fù)合物結(jié)構(gòu)。據(jù)認(rèn)為此機(jī)理引起石墨粒子從馬弗爐壁上遷移至纖維預(yù)制品和/或正在拉制的纖維上。
進(jìn)入正在拉制的纖維內(nèi)的石墨粒子，會(huì)導(dǎo)致由點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的不可接受的制品損耗。點(diǎn)缺陷表現(xiàn)為纖維傳輸信號(hào)的明顯衰減。由拉制爐子的石墨粒子引起的點(diǎn)缺陷而產(chǎn)生的損耗，可高于約5％，這是不能接受的高損耗。在拉制過程中粘附于纖維的石墨粒子還會(huì)使纖維斷裂。
如上所述，有人提出通過在惰性的保護(hù)氣氛中進(jìn)行拉制，可以解決石墨馬弗爐的氧化問題。通過把馬弗爐放在一個(gè)外套內(nèi)，并在外套和馬弗爐的外壁間通以惰性氣體以隔離石墨馬弗爐的外表面。然而，要排除馬弗爐內(nèi)的所有氧很困難。尤其是馬弗爐內(nèi)表面是暴露于周圍空氣中的氧的，因?yàn)樵谘b和拆波導(dǎo)纖維預(yù)制品時(shí)，周圍空氣會(huì)進(jìn)入爐子。另外，由于從爐子排除氧化劑很困難，據(jù)信爐子內(nèi)有氧存在。例如，馬弗爐的上部會(huì)由于坯料裝入爐子期間，停留于馬弗爐內(nèi)的光導(dǎo)纖維坯料的含氧的多孔煙灰部份而氧化，據(jù)信存在于坯料多孔部位內(nèi)的氧，使?fàn)t子氧化而產(chǎn)生石墨粒子。
考慮到以上問題，需要有一種不產(chǎn)生石墨粒子的拉制纖維的石墨馬弗爐，以顯著降低纖維內(nèi)的點(diǎn)缺陷損耗。
發(fā)明的概述因此，總的來說，本發(fā)明提供一種用來加熱波導(dǎo)玻璃纖維預(yù)制品至足以拉制纖維的溫度的設(shè)備，該設(shè)備包括整體為管狀的石墨馬弗爐，該馬弗爐的內(nèi)表面涂覆有高純度碳化硅。涂層厚度優(yōu)選至少約2密耳，含有低于約900份/十億的雜質(zhì)。
另一方面，本發(fā)明提供一種在拉制爐內(nèi)制造波導(dǎo)纖維的方法，拉制爐包括具有內(nèi)表面的整體為管狀的石墨馬弗爐。該方法包括在石墨馬弗爐內(nèi)表面上涂覆高純度碳化硅的步驟。該方法還包括將波導(dǎo)纖維預(yù)制品放置在馬弗爐內(nèi)、加熱爐子至足以從預(yù)制品拉制纖維的溫度、并由坯料拉制成纖維。
從上述概述中可以認(rèn)識(shí)到幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是顯著降低在石墨馬弗爐的爐子內(nèi)拉制的波導(dǎo)纖維內(nèi)的點(diǎn)缺陷損耗。本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將在下面說明中闡述。應(yīng)當(dāng)理解上面的說明和下面的詳細(xì)說明都是示范性和說明性的，旨在提供對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的進(jìn)一步說明。附圖的各部分沒有按比例畫，有時(shí)故意失真是為了更好地說明本發(fā)明。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1是說明本發(fā)明光導(dǎo)纖維拉制爐的示范方式的示意圖。
詳細(xì)說明下面詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，附圖示意說明了一個(gè)實(shí)施例。
本發(fā)明包括一種用來加熱波導(dǎo)纖維至足以拉制纖維的溫度的設(shè)備。本發(fā)明的示范性的實(shí)施方式如圖1所示，整體由標(biāo)號(hào)數(shù)字10表示。
如這里所述和圖1所示，爐子10包括整體為圓筒狀的外套12，外套具有側(cè)壁14、頂部16和底部18。在頂部16中央有一個(gè)開口22，其垂直對(duì)應(yīng)底部18的開口24。隔離材料26軸向放置于外套12內(nèi)，它可以由多段組成。整體為管狀的石墨馬弗爐28放置于隔離材料26的中央。馬弗爐28和隔離材料可以由墊圈20與底部18分開，該墊圈20有一個(gè)孔21，通過該孔拉制纖維，墊圈也將馬弗爐與底部分開。墊圈20可以曲二氧化硅制成。與電源(未示出)接通的感應(yīng)圈30環(huán)繞隔離材料26，為爐子10提供加熱熱源。
用水冷卻的外套12可以由不銹鋼等制造。外殼12優(yōu)選軸向完全包圍馬弗爐26的整個(gè)長(zhǎng)度。惰性氣體例如氬氣流入外套12內(nèi)，防止馬弗爐26外表面的氧化。
將波導(dǎo)纖維預(yù)制品32(以虛線表示)軸向地放入馬弗爐26中，直至其第一端34置于“加熱帶”，該“加熱帶”位于感應(yīng)圈30內(nèi)。在“加熱帶”達(dá)到足以從預(yù)制品拉出纖維的溫度之后，該溫度優(yōu)選為1900℃以上，從預(yù)制品32的末端部位34拉制出光導(dǎo)纖維36。在本發(fā)明的一個(gè)重要方面，靠近預(yù)制品32的馬弗爐28的內(nèi)表面上具有高純度碳化硅的涂層，以防止石墨馬弗爐的劣化。石墨馬弗爐28優(yōu)選包括至少兩個(gè)、和更優(yōu)選三個(gè)軸向段，因?yàn)橥扛查L(zhǎng)于約40英寸的馬弗爐的段很困難。
碳化硅涂層的厚度優(yōu)選至少約2密耳，低于約100密耳。涂層厚度小于約2密耳，就不足以防止石墨粒子沾染到從爐子里拉出的纖維；而涂層厚度大于約100密耳，就易于產(chǎn)生微裂縫和熱驟變。SiC涂層的熱膨脹系數(shù)必須嚴(yán)格與碳粘合劑基體材料的相適應(yīng)，該粘合劑材料將馬弗爐的石墨粒子固定在一起，以防止涂層由于熱膨脹不相配而分層。
馬弗爐內(nèi)表面的碳化硅涂層優(yōu)選采用含硅氣體由化學(xué)蒸汽沉積工藝形成。這樣的涂層可以通過使含硅氣體例如硅烷與氫反應(yīng)生成SiC而形成，其中硅與碳的比例約為1∶1。SiC涂覆于已加熱至1000℃以上的基材的內(nèi)表面上。高純度的涂層優(yōu)選位于馬弗爐的內(nèi)表面上，以防止在本發(fā)明爐子內(nèi)拉制的纖維受到沾染。碳化硅涂層內(nèi)雜質(zhì)的含量?jī)?yōu)選低于約900份/十億，更優(yōu)選低于約200份/十億。
本發(fā)明的另一方面是在拉制爐子內(nèi)制造波導(dǎo)纖維的方法，該爐子包括石墨、具有內(nèi)表面的整體為管狀的馬弗爐。該方法包括在石墨馬弗爐內(nèi)表面上提供高純度碳化硅的涂層、在馬弗爐內(nèi)放置波導(dǎo)纖維預(yù)制品、加熱爐子至足以從預(yù)制品拉出纖維的溫度、并從預(yù)制品拉出纖維的步驟。
爐子優(yōu)選加熱至至少約1900℃的溫度，更優(yōu)選至少約2000℃，使波導(dǎo)預(yù)制品的尖端軟化，并從該端拉出纖維。高純度碳化硅的純度優(yōu)選約為99.999％，更優(yōu)選含有低于約900份/十億的雜質(zhì)。低雜質(zhì)含量是本發(fā)明的一個(gè)重要方面，因?yàn)檩^高的雜質(zhì)含量會(huì)引起在爐子內(nèi)制造的纖維的光學(xué)或力學(xué)的缺陷。
采用本發(fā)明的爐子和方法制造的波導(dǎo)纖維，表現(xiàn)出顯著降低的點(diǎn)缺陷損耗。在傳統(tǒng)的石墨馬弗爐拉制爐子內(nèi)拉制的纖維，表現(xiàn)出約5％的由于點(diǎn)缺陷而衰減的制品損耗。在本發(fā)明的爐子內(nèi)制造的纖維，表現(xiàn)出約0.8％的由于點(diǎn)缺陷而衰減的制品損耗。該爐子包括整體為管狀的、具有內(nèi)表面的石墨馬弗爐，其內(nèi)表面用碳化硅涂覆，涂層約為5-8微米厚。
雖然，對(duì)本行業(yè)普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍下，能夠?qū)Ρ景l(fā)明的方法和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和變化。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍包括對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的改進(jìn)和變化，只要它們位于所附的權(quán)利要求書及其等效物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種爐子，用于加熱玻璃波導(dǎo)纖維預(yù)制品至足以拉出纖維的溫度，它包括整體為管狀的石墨馬弗爐，所述馬弗爐包括馬弗爐內(nèi)表面上涂有高純度碳化硅涂層的內(nèi)表面。
2.如權(quán)利要求1所述的爐子，其中所述馬弗爐還包括至少兩個(gè)整體為管狀的部分。
3.如權(quán)利要求2所述的爐子，其中所述馬弗爐包括三個(gè)整體為管狀的部分。
4.如權(quán)利要求1所述的爐子，其中所述的涂層厚度至少約為2密耳。
5.如權(quán)利要求1所述的爐子，其中所述的碳化硅含有低于約900份/十億的雜質(zhì)。
6.在拉制爐子內(nèi)制造波導(dǎo)纖維的方法，所述爐子包括具有內(nèi)表面的整體為管狀的石墨馬弗爐，所述方法包括如下步驟在石墨馬弗爐的內(nèi)表面上涂覆高純度碳化硅涂層；在馬弗爐內(nèi)放置波導(dǎo)纖維預(yù)制品；加熱爐子至足以從預(yù)制品拉出纖維的溫度；和從預(yù)制品拉出纖維。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的爐子溫度至少約為1900℃。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的爐子溫度至少約為2000℃。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的碳化硅含有低于約900份/十億的雜質(zhì)。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的從爐子內(nèi)拉制的波導(dǎo)纖維的點(diǎn)缺陷損耗低于約4％。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的從爐子內(nèi)拉制的波導(dǎo)纖維的點(diǎn)缺陷損耗低于約1％。
全文摘要
本發(fā)明涉及用碳化硅涂覆的馬弗爐管子(22)的爐子(12)。它是管狀的,用它可制造纖維(36)。
文檔編號(hào)G02B6/00GK1276772SQ98810448
公開日2000年12月13日 申請(qǐng)日期1998年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月31日
發(fā)明者S·C·鮑爾, J·M·巴納德, J·A·斯萘匹 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司