CN101374779A - 具有多个热区的加热器、具有所述加热器的用于将光纤预型体拉成光纤的炉子和使用所述装置拉制光纤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形加热元件，该环形加热元件设置在用于由大直径预型体拉制光纤的炉子中以加热并熔化所述预型体。本发明的加热元件包括至少两个具有不同加热温度的热区，其中所述热区中的一个布置在所述预型体的颈缩区，从而以适于拉制光纤的温度加热所述预型体。此外，所述热区包括用于以适于由所述预型体拉制光纤的温度加热所述预型体的第一加热单元；和用于将所述预型体的表面加热至比所述第一加热单元相对更低的温度的第二加热单元。

Description

具有多个热区的加热器、具有所述加热器的用于将光纤预型体拉成光纤的炉子和使用所述装置拉制光纤的方法

技术领域

本发明涉及使用光纤预型体拉制光纤的技术，更具体而言，本发明涉及通过熔化光纤预型体而拉制光纤的炉子。

背景技术

通常，在高温炉中通过拉制透明玻璃铁氧体(glass ferrite)，也就是所谓的光纤预型体来得到光纤。正如在现有技术中广泛公知的，所述炉子分为电阻炉和感应炉。

图1显示了用于拉制光纤的常用炉子的构成。例如，在日本专利公报特开平3-24421或美国专利第5,637,130号中详细记载了如图1中所示的用于拉制光纤的炉子。

如图1所示，在由不锈钢制成的炉体11中设置用于加热熔化光纤预型体12的环形加热器13。用于承载光纤预型体12的核芯管17布置在加热器13的内部，其中光纤预型体12垂直安装并通过核芯管17的上部开口提供。通常，核芯管17由碳材料制成，并固定在炉体11中。而且，核芯管17被加热器13的中心分成上部圆柱体和下部圆柱体。上部圆柱体应当具有至少比所述预型体更大的直径。

此外，炉体11和加热器13之间的空间由绝热材料16填充以防止加热器13放出的热量向外扩散。顶部开口由帽盖部件18覆盖。

在核芯管17的上部圆柱体中安装用于使诸如氮气或氦气等惰性气体20流入核芯管17的气体入口17a。通过气体入口17a流入核芯管的惰性气体20沿着预型体12移动，然后通过核芯管17的底部开口流出。结果，炉子的内部可以维持在惰性气体20的气氛中，使得由于外部空气的流入而导致的加热器13或核芯管17的氧化最小化。

经由顶部开口在核芯管17中承载的光纤预型体12被加热器13加热并熔化，并在颈缩区中拉制具有微径的光纤15，在所述颈缩区中由加热器13形成热区(加热区)。

随着拉制技术的发展已经尝试获得具有增大直径的光纤预型体以改善其生产率。也就是说，大直径的预型体通常已经用于由一个预型体拉制最大长度的光纤。不过，预型体的尺寸增大导致难以增大拉制速度，这是因为光纤的直径与预型体的尺寸成比例地增大。

然而，即使如前所述增大光纤预型体的尺寸，也难以将光纤的拉制速度增大至约1,000mpm～2,000mpm或更大。

光纤预型体的进料速度与光纤的拉制速度之间满足下述等式1的关系。

等式1

$\mathrm{Vf}={\left(\frac{d}{D}\right)}^2\×U_O$

(其中，Vf：预型体的进料速度，D：预型体的外径，d：光纤的外径，Uo：光纤的拉制速度)。

也就是说，光纤预型体的进料速度与预型体外径的平方成反比，因而预型体在炉子中的保留时间与预型体外径的平方成比例。结果，如果光纤预型体的外径增大，则预型体在炉子中的保留时间增大，从而导致将在下面描述的各种问题。

在光纤的拉制过程中，加热器应当具有高于1,700℃的温度，这是SiO₂的熔化温度，并通常为约1,800℃～2,300℃的温度。如果SiO₂在上述温度条件下熔化，则一定量的SiO₂蒸发。蒸发的SiO₂附着在预型体的颈缩区的上部。

参看图2，构成预型体12的SiO₂在加热器13的热区熔化，以形成颈缩区(A)，然后从颈缩区(A)拉制光纤15。此时，痕量SiO₂从颈缩区蒸发并向上流动至预型体的上部(B)。蒸发的SiO₂附着在由于热泳而具有相对较低温度的颈缩区的上部，导致形成污染区21。

如果预型体具有较小的外径，则图2中所示的蒸发的痕量SiO₂由于短暂的保留时间而再次附着于预型体，而如果预型体具有增大的外径则再次附着于预型体的SiO₂的量增多。

附着有蒸发的SiO₂的污染区21随预型体的向下移动而进入颈缩区(A)，由于存在不均匀地附着在预型体表面的附着物因而在预型体的颈缩区形成图2中所示的皱褶22。如果在预型体的表面形成皱褶，则光纤的椭圆度较低，或者在拉制过程中被切断。

发明内容

技术问题

因此，设计本发明以解决现有技术的问题，因而本发明的一个目的是提供一种新型加热器，所述加热器能够解决在由大直径光纤预型体拉制光纤的过程中由于蒸发的SiO₂的附着所造成的与污染有关的问题。

技术方案

本发明的第一方面如下实现：在用于由大直径预型体拉制光纤的炉子中设置环形加热元件以加热并熔化预型体，其中，所述加热元件包括至少两个具有不同加热温度的热区，和其中，所述热区中的一个布置在所述预型体的颈缩区，从而以适于拉制光纤的温度加热所述预型体。

其特征在于所述热区包括用于以适于由所述预型体拉制光纤的温度加热所述预型体的第一加热单元；和用于将所述预型体的表面加热至比所述第一加热单元相对更低的温度的第二加热单元，其中，所述第一加热单元布置在所述预型体的颈缩区，所述第二加热单元布置在所述颈缩区的上方。

此外，所述加热元件优选是由石墨或碳材料制成的电阻加热器，所述第一加热单元应当具有比所述第二加热单元相对更小的厚度。

本发明的第二方面如下实现：提供用于拉制光纤的炉子，所述炉子包括：炉体，所述炉体具有将光纤预型体导入的顶部开口和将由所述预型体拉制的光纤排出的底部开口；气体供应装置，所述气体供应装置用于使惰性气体流入炉体中以维持所述炉体内部中的惰性气体气氛；和加热装置，所述加热装置安装在所述炉体的内部并加热所述光纤预型体以拉制光纤，其中，所述加热装置包括：用于以适于由所述预型体拉制光纤的温度加热所述预型体的第一加热单元；和用于将所述预型体的表面加热至比所述第一加热单元相对更低的温度的第二加热单元，其中，所述第一加热单元布置在所述预型体的颈缩区，所述第二加热单元布置在所述颈缩区的上方。

本发明的第三方面通过提供在炉子中熔化预型体来拉制光纤的方法而实现，所述方法包括：(a)将预型体供应至所述炉子的内部；(b)布置所述预型体和所述加热器以使所述预型体的颈缩区对应于所述第一加热单元，并使所述预型体的所述颈缩区的上部对应于所述第二加热单元；(c)对所述加热器供能以使所述第一加热单元和所述第二加热单元能够在不同的温度产生热量；(d)通过将所述颈缩区中的所述预型体的表面加热至第一温度来拉制光纤；和(e)将布置在所述颈缩区的上方的所述预型体的表面加热至低于所述第一温度的第二温度，其中，所述炉子包括由石墨或碳材料制成的电阻加热器，所述电阻加热器包括以适于由所述预型体拉制光纤的温度加热所述预型体的第一加热单元；和用于将所述预型体的表面加热至比所述第一加热单元相对更低的温度的第二加热单元。

附图说明

将由下列参考附图的具体描述对本发明的优选实施方式进行更充分的描述，不过附图将是对本发明的优选实施方式的说明，应当理解本文给出的描述并非意图只限于指附图。图中：

图1是显示用于拉制光纤的常用炉子的截面图。

图2是描述由于蒸发的SiO₂而在颈缩区的上部形成污染区的状态图。

图3是显示根据本发明一个优选实施方式的用于拉制光纤的炉子的截面图。

图4是描述根据本发明一个优选实施方式的加热器的温度分布图。

具体实施方式

以下将参考附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。在进行描述之前，应当理解用于说明书和所附权利要求中的术语不应当被理解为限于一般意义和字典意义，而是基于允许发明人为进行最佳说明而适宜地限定术语的原理基于对应于本发明的技术方案的意义和概念而进行解释。因而，这里所提出的说明仅仅是用于描述目的的本发明的优选实施例，而非意图限制本发明的范围，所以应当理解可以对本发明进行其他等价替换和变化而不会脱离其实质和范围。

图3中显示了用于拉制光纤的炉子的示意性构成图，该炉子包括根据本发明的一个优选实施方式的具有改进的构成的加热器。

参看图3，本发明的用于拉制光纤的炉子优选包括通常由不锈钢制成的圆筒形炉体110。在炉体110的顶部形成有经其投入光纤预型体120的顶部开口180，并在炉体110的底部形成有底部开口141，由预型体120拉制的光纤150通过该底部开口并经该底部开口排出。此外，在炉体110上部的一侧形成有允许诸如氮气或氦气等惰性气体121流入炉子中的气体入口171。流经气体入口171的惰性气体沿预型体120向下移动，然后经底部开口141流出。结果，炉子的内部维持在惰性气体气氛下。

炉体110的内部设置有用于在熔化空间中承载投入的预型体120并通过加热熔化预型体120而拉制光纤的加热装置130；用于防止由加热装置发出的热量扩散至外部的绝热单元160；和用于在承载光纤预型体的同时将来自加热装置的热量间接传递至预型体的套筒管140。加热装置130是由石墨或碳材料制成的加热器，其接受来自电源(未示出)的电力从而借助于电阻产生热量，并通过维持炉子的内部温度至约1,800℃～2,300℃而熔化光纤预型体120。作为另一个例子，加热装置130也可在感应加热过程中使用安装在套筒管140和炉体110之间的空间中的线圈(未示出)来加热预型体。

根据本发明，加热装置130包括至少两个不同的热区。即，参看图4，本发明的加热装置130包括布置在颈缩区中的、以适于由预型体120拉制光纤150的温度(T₁：1,800℃～2,300℃)加热预型体的熔化区130a(第一热区)；和用于将预型体加热至1,500℃～1,800℃的温度(T₂)从而利用火焰抛光效果除去附着于预型体表面的异物或烧结附着的SiO₂颗粒的预热区130b(第二热区)。

熔化区130a对应于由预型体拉制光纤的颈缩区(第一加热区)，预热区130b对应于所述颈缩区的上部，即由于热泳而附着有在颈缩区中蒸发的SiO₂颗粒的区域(第二加热区)。

为了在加热装置130中形成不同的热区，可以使用各种方法。也就是，将可独立控制温度的两个加热装置彼此连接，或者使用具有不同线圈匝数的其他加热装置来加热具有不同温度的区域。

如果加热装置130是由石墨或碳材料制成的电阻加热器，则将加热器设计为具有不同的厚度，如图4中所示。通过设定第二热区130b的厚度(d₂)大于第一热区130a的厚度(d₁)可以使各区域具有不同的温度。也就是，具有相对较大厚度的第二热区的加热温度(T₂)低于第一热区的加热温度(T₁)。

将具有单一热区的常用加热器和具有不同热区的本发明的加热器用于由预型体拉制光纤，然后测定所拉制的光纤的椭圆度和断裂系数。结果列于下表1中。

表1

 

	常用加热器	本发明的加热器
			椭圆度	0.6％	0.2％以下
拉出长度为1,000km时的光纤的断裂系数	2.5％	0.5％以下

表1中列举的结果显示，通过将加热器的区域分成熔化区和预热区，并将附着有蒸发的SiO₂颗粒的区域预热至预定温度(T₂)，本发明的加热器可显著改进光纤的椭圆度和断裂系数。

使用包括具有上述构成的加热器的本发明的炉子由预型体拉制光纤的过程详述如下。

使用已知的供应单元(未示出)将预型体120通过炉体110的顶部开口180供应至炉子的内部。然后，利用电源(未示出)对加热装置130供应电流。结果，加热装置130的第一热区130a以温度T₁(1,800℃～2,300℃)产生热量，第二热区130b以温度T₂(1,500℃～1,800℃)产生热量。

因此，对应于颈缩区(第一加热区)的预型体区域被加热并熔化，然后将光纤150从加热器的底部拉出。同时，颈缩区中预型体表面上的蒸发的SiO₂颗粒向上移动至颈缩区的顶部(第二加热区)，然后被加热至温度T₂(1,500℃～1,800℃)，因而将SiO₂颗粒除去或烧结在预型体表面上。因而，可防止蒸发的SiO₂颗粒由于热泳而再次附着于颈缩区的上部，或者可以防止不均匀地形成异物。

工业实用性

由于光纤预型体的表面可保持清洁，没有异物附着在该光纤预型体的表面上，因此本发明的光纤可用于明显降低椭圆度和断裂系数。

Claims (11)

1.一种环形加热元件，所述环形加热元件设置在用于由大直径预型体拉制光纤的炉子中以加热并熔化所述预型体，其中，所述加热元件包括至少两个具有不同加热温度的热区，和

其中，所述热区中的一个布置在所述预型体的颈缩区，从而以适于拉制光纤的温度加热所述预型体。

2.如权利要求1所述的加热元件，其中，所述热区包括：

用于以适于由所述预型体拉制光纤的温度加热所述预型体的第一加热单元；和

用于将所述预型体的表面加热至比所述第一加热单元相对更低的温度的第二加热单元，

其中，所述第一加热单元布置在所述预型体的颈缩区，所述第二加热单元布置在所述颈缩区的上方。

3.如权利要求2所述的加热元件，其中，所述加热元件是由石墨或碳材料制成的电阻加热器。

4.如权利要求3所述的加热元件，其中，所述第一加热单元具有比所述第二加热单元相对更小的厚度。

5.如权利要求3所述的加热元件，其中，所述第一加热单元具有1,800℃～2,300℃的加热温度，所述第二加热单元具有1,500℃～1,800℃的加热温度。

6.一种用于拉制光纤的炉子，所述炉子包括：

炉体，所述炉体具有将光纤预型体导入的顶部开口和将由所述预型体拉制的光纤排出的底部开口；

气体供应装置，所述气体供应装置用于使惰性气体流入炉体中以将所述炉体内部维持在惰性气体气氛下；和

加热装置，所述加热装置安装在所述炉体的内部并加热所述光纤预型体以拉制光纤，

其中，所述加热装置包括：

用于以适于由所述预型体拉制光纤的温度加热所述预型体的第一加热单元；和

用于将所述预型体的表面加热至比所述第一加热单元相对更低的温度的第二加热单元，

其中，所述第一加热单元布置在所述预型体的颈缩区，所述第二加热单元布置在所述颈缩区的上方。

7.如权利要求6所述的用于拉制光纤的炉子，其中，所述加热装置是由石墨或碳材料制成的电阻加热器。

8.如权利要求7所述的用于拉制光纤的炉子，其中，所述第一加热单元具有比所述第二加热单元相对更小的厚度。

9.如权利要求8所述的用于拉制光纤的炉子，其中，所述第一加热单元具有1,800℃～2,300℃的加热温度，所述第二加热单元具有1,500℃～1,800℃的加热温度。

10.一种用于通过在包括由石墨或碳材料制成的电阻加热器的炉子中熔化预型体来拉制光纤的方法，所述电阻加热器包括：

用于以适于由所述预型体拉制光纤的温度加热所述预型体的第一加热单元；和

用于将所述预型体的表面加热至比所述第一加热单元相对更低的温度的第二加热单元，

其中，所述方法包括：

(a)将所述预型体供应至所述炉子的内部；

(b)布置所述预型体和所述加热器以使所述预型体的颈缩区对应于所述第一加热单元，并使所述预型体的所述颈缩区的上部对应于所述第二加热单元；

(c)对所述加热器供能以使所述第一加热单元和所述第二加热单元在不同的温度产生热量；

(d)通过将布置在所述颈缩区中的所述预型体的表面加热至第一温度来拉制光纤；和

(e)将布置在所述颈缩区的上方的所述预型体的表面加热至低于所述第一温度的第二温度。

11.如权利要求10所述的用于拉制光纤的方法，其中，所述第一温度的范围为1,800℃～2,300℃，所述第二温度的范围为1,500℃～1,800℃。

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