[发明专利]用双坩埚技术进行光纤制造的流量控制

说明书

发明领域

本发明一般涉及有关光纤制造的改进之事。尤其，本发明涉及在双坩埚拉制光纤时对纤芯材料流量进行控制的改进方法和装置。

发明背景

拉制光纤通常所使用的技术是双坩埚技术，它是用于从一对熔融玻璃生产光纤的。成品光纤由被包层包裹的纤芯构成。在制造光纤时，通常需要两种不同的材料，一种用于纤芯而另一种则用于包层。

双坩埚一般包括两个同轴的容器。内容器包含用于纤芯的材料，而外容器则内含用于包层的材料。在每只容器的底部钻有一个小孔，或排出口，以让熔融玻璃流下来。当纤芯材料在内容器的排出口与包层材料相遇时，形成光纤的几何形状。纤芯的大小直接正比于纤芯流与包层流之体积比的平方根。

双坩埚技术对于加工不能在诸如化学汽相沉积(CVD)技术等其它常规制造技术中使用的材料是有用的。复合的多组分玻璃合成物是双坩埚工艺的良好选择物。这些玻璃只能在高温下熔融原材料或溶胶一凝胶才能得到。双坩埚技术的另一好处是一个步骤的工艺，在此一步工艺中，这些材料直接被转变成光纤。其它技术则需要多次步骤。这方面的一个例子就是预制棒技术，在这种技术中，需要一个步骤或两个步骤来制作由包层围着的纤芯材料构成的预制棒，接着用附加的步骤把预制棒拉丝成一根光纤。

正如指出的，双坩埚技术的纤芯大小正比于纤芯与包层材料之体积流量比的平方根。双坩埚技术中的流速往往是由简单的重力给料所控制的。如果是这样的话，体积流量是由内、外坩埚的设计，还有每个内、外坩埚内液体的特性，包括表面张力和粘度所控制的。在一个制造过程中，任何特定时间的流速还受到每只坩埚中液体的水头压力的影响。水头压力在整个过程中随液体的液位变化而变化。另外，由外部的参数调节来影响流速是可能的，如在下面稍后所讨论的。

至于重力给料，把熔融的纤芯和包层材料分别引入到内、外坩埚中。对于小尺寸纤芯，其纤芯尺寸对包层尺寸的比率是由在内、外坩埚的直径比所给出。一种有用的光纤具有纤芯尺寸为4微米，包层尺寸为125微米。这种光纤可用直径为1.3mm的内坩埚和直径为40mm的外坩埚来制造。这样的光纤也可用其它的坩埚尺寸来制造，只要内、外坩埚的直径比是相同的。例如，直径为80mm的外坩埚可以与直径为2.6mm的内坩埚一起使用。采用这些坩埚尺寸的重力给料对多种玻璃合成物是有效的。但是，对某些合成物，特别是那些易于发生高度表面挥发的合成物，液面张力会在纤芯流中产生不一致。另外，某些合成物易于在纤芯表面形成一薄层硬表面，这种硬表面显著地防碍重力给料，且趋向使得重力流不规则和不可预测。所以，对这些合成物，采用重力给料法，对纤芯尺寸难以或不可能精确控制。

在许多情况下，为了控制纤芯尺寸，可以对内坩埚施以过压或低压以便增加或减少纤芯流量，这可以调节液体流量。这个方法对于改变纤芯对包层的比率特别有用，不需要改变内、外坩埚之比。但是，对于玻璃合成物，它们由于挥发而不能采用重力给料给出一致的结果，所以施加过压或低压是无效的。因为液面张力继续占优势，所以这个无效结果导致不一致的流量。

靠调节坩埚的尺寸来控制流量还涉及成本，并且导致与需要改变坩埚尺寸从而改变流速和纤芯尺寸相关的不方便。

所以在本领域中，对光纤的双坩埚拉制技术存在着一种需要，这个技术对各种纤芯材料，包括在液体表面易受张力的纤芯材料，会产生可接受的结果，且提供一种不需要使用不同的或重新设计的坩埚来改变流速的方法。

发明概述

按照本发明的一种双坩埚装置，用在内坩埚内运动的活塞杆来推动或保留纤芯材料的方法来控制纤芯材料流量，如果杆移动得足够快，则纤芯材料将被杆的移动所推动。如果活塞是停止的或移动得跳够慢，由于在纤芯材料和坩埚壁之间的摩擦力和由杆引起的阻凝，则纤芯材料的流量会被阻凝或停止，对单模光纤，合适的包层流速可能是在每小时几十克的量级，例如，每小时30克，面对于单模光纤的纤芯流量是在小于三个量级的量级上，例如，每小时0.03克。内坩埚的直径只有几个毫米，为了把泄漏流量减为最小或避免泄漏，只要活塞是用与纤芯材料相容的难熔材料制成的，并选择得与内坩埚直径尽可能的接近。在决定杆和内坩埚的相对直径时，必须对杆和内坩埚将在高温环境下使用和容易爱到膨胀的事实作出考虑。在杆和内坩埚之间可能会有失配，而尺寸的选择必须触适应可能发生的不均匀的膨胀。当杆被扦入时，要提供空间让空气从内坩埚逸出也可能是必须的。杆可能是平滑的，或者可能是钻有小孔，以便把夹在内坩埚中的空气减少到最小或者避免有任何空气。