专利名称：恒速下送拉丝工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤，尤其涉及由光纤预制棒拉制光纤方法，该方法使光纤呈现更均匀的模场直径(MFD)，并且降低了偏振模色散(PMD)。
背景技术：
在光纤制造过程中，要制作玻璃纤芯预制棒，预制棒一般包括SiO2，其轴心部分掺杂诸如GeO2等化合物，用以提高折射率。当从玻璃预制棒拉出光纤时，掺杂区将形成光传输部分或纤芯。
上述工艺在本领域中是众所周知的，这里不作详细描述。为了获得光纤，要将玻璃预制棒或毛坯送入加热到熔化温度的拉丝炉中，并且一小滴玻璃与拖曳光纤一起从毛坯根部脱落。把光纤送入牵引机和绞盘组件，该组件从毛坯中拉出光纤，并将光纤绕在线轴上。
当用毛坯拉制光纤时，将毛坯送入拉丝炉，并且严密监视光纤直径。一般通过改变拉丝塔的某些操作参数来控制光纤的直径。典型地，在炉子出口的正下方安装一个光纤直径测量装置，用以测量光纤直径。将测得的直径与标称直径值比较，并产生一信号，以便增加牵引速度(从而缩小光纤直径)，或者降低牵引速度(从而增加光纤直径)在二十世纪70年代和整个80年代中期，拉制光纤用的毛坯相对较小。拉丝速度不超过大约每秒8或9米。由于毛坯尺寸和所用的拉丝速度，通过改变牵引速度而保持炉温和毛坯进给速度相对恒定，便可控制光纤直径。
在二十世纪80年代中期，发展了一种新的工艺控制方法，该方法是尽量增加拉丝速度的结果。具体地说，当拉丝速度达到10米/秒时，本领域的熟练技术人员会放弃使用恒定的下送速度。更具体地说，人们认为要在较高的拉丝速度(即速度达到和超过10米/秒)下实现适当的控制，必须采用级联或两级工艺控制方法，从而可以对表示实际或所测光纤直径不等于所需直径的误差信号作出响应，改变拉丝速度以及将毛坯向下送入拉丝炉的速度。例如，如果所测光纤直径大于所需光纤直径，那么控制系统将增加牵引速度，同时降低毛坯送入拉丝炉的速度。这种控制观点反映了这样的想法，即当以大于8-9米/秒的速度操作光纤拉丝工艺时，必须在改变拉丝速度的同时改变毛坯下送速度，以便保持较恒定的光纤直径。
尽管这种两级控制工艺使光纤直径基本恒定，但已经发现这种操作方式会产生其它不利的影响。人们认为，拉丝控制回路的振荡，具体地说，毛坯下送速度的振荡，会在光纤成形期间改变纤芯的形状。这在下拖光纤的毛坯根部特别明显。人们认为，当在毛坯根部形成纤芯时，毛坯根部在炉子中的振动会影响纤芯的形状，并且会造成PMD较差，MFD不均匀。
对于在电信应用中使用的光纤，PMD应该尽可能地小，MFD应该尽可能地保持均匀。已提出若干方案解决上述问题。例如，共同转让给本发明受让人并且共同待批的美国专利申请第08/858,836号和PCT申请PCT/US97/02541揭示了当拉丝时使光纤旋转以便降低PMD的各种方法和设备。拉丝时旋转光纤的做法使光纤内部的几何和/或应力的不对称性沿轴的长度方向绕光纤轴旋转；但是，旋转光纤不能解决玻璃中造成PMD的基本问题，旋转也不能完全消除PMD，或者解决MFD的均匀性问题。
鉴于本领域的这些缺点，希望提供一种在降低PMD的同时能保持或提高MFD均匀性的方法。当以较高拉丝速度(即，大于10米/秒)拉制光纤时，显然需要这种方法。因为较高的拉丝速度会使根部的下送振荡增加，从而使光纤的PMD增大。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种光纤高速拉丝法，该方法可以缓解因相关现有技术的局限和缺点而产生的一个或多个问题。本发明的主要优点是，提供了一种在高速拉制光纤时控制拉丝光纤直径同时降低光纤PMD且保持MFD均匀的方法。所述方法包括高速拉制光纤同时保持毛坯下送速度不变。相信恒定的下送速度可以避免毛坯根部在炉子中振动，这种振动在光纤成形期间会造成纤芯形状改变。而纤芯形状的改变会使成品光纤的PMD和MFD变差。
为了获得这些和其它优点，并且根据本发明的目的，如实施和广泛描述的，本发明是一种用于减小拉丝光纤中偏振模色散的方法，该方法包括以下步骤以预定下送速度将具有预定大小的光纤预制棒送进炉子中；以至少10米/秒的拉丝速度从光纤预制棒中拉出光纤；以及改变拉丝速度，以便保持光纤直径基本不变，同时保持预定的下送速度不变。最好，拉丝速度大于14米/秒，大于20米/秒则更好。
在一较佳实施例中，下送速度对于第一区或第一范围的拉丝速度不变，然后对于第二区或第二范围的拉丝速度，下送速度改变为另一个不同的恒定下送速度。当拉丝速度在每个区中变化时，下送速度在每个区内保持不变。另外，对于每个区，下送速度可以不同。本方法还可以包括下述步骤，即当拉丝速度从一个区变化到另一个具有较高拉丝速度的区时，下送速度降低；或者当拉丝速度从一个区变化到另一个具有较低拉丝速度的区时，下送速度增加。本发明还可以包括在拉丝时旋转光纤的步骤，这可以进一步降低PMD。
依照本发明的另一实施例，提供了一种用于从光纤预制棒中拉出光纤的方法，该方法包括以下步骤以一恒定的下送速度将具有预定大小的光纤预制棒送进拉丝炉中；以至少10米/秒的拉丝速度从光纤预制棒中拉出光纤。本方法还包括下述步骤测量拉丝光纤的直径，并且产生表示测得直径的信号；将所产生的信号与标称光纤直径比较。产生表示比较之差的第二信号并用该信号改变拉丝速度，从而调节拉丝光纤直径。本方法还包括下述步骤即感测拉丝速度，以便判断它是否在一个预定速度区内；并且如果感测到的拉丝速度在所述区之外，那么将下送速度变成另一个预定速度。下送速度对于第一区或第一范围的拉丝速度是恒定的，然后对于第二区或第二范围的拉丝速度，下送速度变成另一个恒定的下送速度。最好，下送速度在每个区内保持不变，并且当拉丝速度在多个区之间变化时，下送速度作相应的变化。依照此实施例的方法还可以包括在拉丝时旋转光纤的步骤。
应该理解，上述一般描述以及以下详细描述都是举例和说明性的，它们试图对权利要求书所限定的本发明作进一步的解释。
附图概述
图1是光纤拉丝设备的示意图。
详细描述本发明旨在提供一种用于降低拉丝光纤之偏振模色散的方法。该方法将具有预定尺寸的光纤预制棒以预定的下送速度送入炉子。最好，在整个拉丝过程中保持下送速度不变，以便使预制棒根部在炉子中的振动最小，从而保持MFD均匀，并降低拉丝光纤的PMD。
图1示出了众所周知的光纤拉丝系统，通常用标号1表示。预制棒10垂直放在拉丝炉的马弗炉11中。预制棒10包括一手柄(未图示)，它按已知的方法与支撑装置(未图示)相连。支撑装置是预制棒进给驱动器22的一部分，而进给驱动器22控制预制棒10送进炉子的速度。加热单元12至少给预制棒10的底部提供热量。温度控制器49用已知的方式控制加热单元12的温度。在使用了众所周知的起动过程后，预制棒进给驱动器22将预制棒10送进炉子。在把预制棒10送进炉子时，预制棒10的端部(一般称为根部)熔化，并且牵引机20从预制棒10的的根部13拉出光纤14。
光纤14离开马弗炉11后，通过直径监测器15，监测器15产生一信号，反馈控制回路使用该信号调节牵引机20和预制棒进给驱动器22的速度，并且通过温度控制器49调节炉子的温度。光纤14经过直径监视器15后，通过冷却管17和涂覆器18，涂覆器18将一层可固化的保护涂层涂覆到光纤14上。涂覆光纤还可以通过涂层固化设备，需要时再通过附加的涂覆器(未图示)。对预制棒进给驱动器22、牵引机驱动器21和温度控制器49的反馈控制可以用已知的控制算法来实现。向牵引机驱动器21提供一输入，该输入来自控制算法48，而控制算法48是拉丝控制计算机47的一部分。对于光纤的要求，用至少10米/秒的速度运行牵引机20是有益的。牵引机宜产生大于10米/秒的拉丝速度，而最好能产生大于20米/秒的拉丝速度。
本发明旨在提供一种用于降低拉丝光纤之偏振模色散的方法，该方法包括下述步骤，即将送入玻璃预制棒，并以大于10米/秒的速度拉出光纤。可以通过重量或其直径来测量预制棒10的大小。根据预制棒10的大小选择预制棒10的下送速度。最好，一旦选定，下送速度就在整个光纤拉丝过程中保持不变。另一种方法是，下送速度在预定的拉丝速度区或范围内保持不变。可以存在任何多个拉丝速度区，并且每个区内的拉丝速度范围也可以变化。但是，每个区具有与其相关的预定下送速度，并且下送速度在每个给定区内保持不变。
如果通过牵引机驱动器21控制的拉丝速率增加或降低超出了拉丝速度的一个特定区，那么控制算法48向预制棒进给驱动器22发出信号，以便将下送速度改变成对该特定拉丝速度区合适的下送速度。建立控制算法48，以便当牵引速度从一个区变到另一个区时，下送速度改变较小的增量，直到达到预定的下送速度。如果牵引速度将突然返回原始区，那么这将允许下送速度迅速调节回到原始速度。
根据本发明的另一方面，该方法还可以包括下述步骤，即感测拉丝速度，判断它是否在预定的速度区内，如果感测到的拉丝速度在速度区之外，那么改变下送速度。在该实施例中，拉丝速度传感器(未图示)在拉丝控制计算机47中连续监测拉丝速度。如果拉丝速度从一个区变到另一个区，那么控制算法向预制棒进给驱动器22发出信号，以便将下送速度增加或降低到与该拉丝速度区相关的预定恒速度。
本发明的方法还包括以下步骤，即响应于测量到的光纤直径，改变拉丝速度，以便在保持预定下送速度不变的同时保持光纤直径基本不变。为了保持光纤直径不变，经常用直径监测器15监测光纤14。直径监测器15产生表示所测光纤直径的信号。将该信号发送给拉丝控制计算机47。在拉丝计算机47中，将所测信号与预定的标称光纤直径值作比较。根据所测光纤直径值与标称值之间的差，产生第二信号。将第二信号发送给牵引机驱动器21，并且改变牵引速度，以保持光纤直径不变。此过程每分钟要进行几百次，并且在整个拉丝过程中，下送速度在牵引速度的所有范围期间保持不变。
在拉丝时旋转光纤也是有益的。已经证明旋转光纤可以进一步降低PMD。已经发展了各种方法和设备，用于在拉丝时使光纤旋转。为了更详细地了解用于旋转光纤的方法和设备，可以参考共同转让给本申请受让人并且共同待批的美国专利申请第08/858,836号和第08/784,574号、PCT申请PCT/US97/02541以及美国专利第5,298,047号，所有这些文献的内容通过引用包括在此。
本发明的优点有许多。在现有技术的拉丝系统中，光纤直径由牵引速度来控制。控制回路对拉丝实行两步工艺控制。如果牵引速度改变，那么下送速度对牵引速度的变化作出响应。尽管不希望用任何理论或说明对为什么本发明起作用进行约束，但我们认为这会使根部13在炉中产生振动。预制棒10的根部在炉子中振动会使拉丝光纤的纤芯形状改变，并且纤芯形状的改变会导致更高的PMD和MFD的不均匀性，这两种结果对光纤性能都不利。
本发明通过在拉丝过程中提供恒定的下送速度，减小了预制棒的振动。与众所周知的以高速度拉制光纤的两步控制法相反，本发明建立控制算法，以便即使在牵引速度改变时也能保持预制棒下送速度不变，从而保持光纤直径。这种控制机理可以减小或者可能消除拉丝控制回路中的各种振动(这些振动在光纤成形期间会造成纤芯形状的变化)，并且减小PMD，提高MFD的均匀性。
举 例下面通过例子进一步描述本发明，这些例子试图用来说明本发明。
例 1用类似于图1所示的拉丝系统制造不旋转的光纤。允许牵引速度最大改变到19米/秒，以便保持光纤直径不变，同时下送速度保持不变，大约为2.75毫米/分种。对所得光纤的PMD和MFD均匀性进行测试。以下表1示出了与一般工艺(下送速度可变)下拉制的光纤的比较结果。
表 1
如结果所示，与一般工艺相比，在本发明的拉丝工艺中，明显降低了PMD，并且提高了MFD。
例 2用类似于图1所示的设备拉制光纤。在拉丝过程中还旋转光纤。如上所述，根据本发明关于速度区的实施例设置下送速度，使其达到15.5米/秒的标称拉丝速度。测试拉丝光纤，将其PMD和MFD均匀性的结果与一般拉丝工艺拉制的光纤比较。进行若干次不同的实验，并且下面表2示出了结果。
表2
如表2所示，与一般工艺拉制的光纤相比，根据本发明拉制的光纤，其PMD明显减小。MFD均匀性也明显提高。
对于本领域的熟练技术人员来说，不脱离所附权利要求及其等价条文的范围，对本发明的方法进行各种修改和变化是显而易见的。
权利要求
1.一种用于减小拉丝光纤中偏振模色散的方法，其特征在于，包括以下步骤以预定下送速度将具有预定大小的光纤预制棒送进炉子中；以至少10米/秒的拉丝速度从光纤预制棒中拉出光纤；改变拉丝速度，以便保持光纤直径基本不变，同时保持预定的下送速度不变。
2.如权利要求1所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，所述拉丝速度大于14米/秒。
3.如权利要求1所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，拉丝速度在大约14米/秒和20米/秒之间变化。
4.如权利要求1所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，拉丝速度在大约14米/秒和20米/秒之间变化。
5.如权利要求4所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，还包括下述步骤，即至少确定一个拉丝速度区。
6.如权利要求5所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，当拉丝速度在每个区中变化时，下送速度在每个区内保持不变。
7.如权利要求6所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，下送速度对每个区不同。
8.如权利要求7所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，当拉丝速度从一个区变化到另一个具有较高拉丝速度范围的区时，下送速度降低。
9.如权利要求7所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，当拉丝速度从一个区变化到另一个具有较低拉丝速度范围的区时，下送速度增加。
10.如权利要求1所述的用于减小拉丝光纤之偏振模色散的方法，其特征在于，拉丝时旋转光纤。
11.一种用于从光纤预制棒中拉出光纤的方法，其特征在于，包括以下步骤以一下送速度将具有预定大小的光纤预制棒送进拉丝炉中；以至少10米/秒的拉丝速度从光纤预制棒中拉出光纤；测量拉丝光纤的直径，并且产生表示测得直径的信号；将所产生的信号与标称光纤直径值比较，并且产生表示比较之差的第二信号；感测拉丝速度，以便判断它是否在预定速度区内；根据第二信号改变拉丝速度，以便调节拉丝光纤的直径；以及如果感测到的拉丝速度在所述区之外，那么改变下送速度。
12.如权利要求11所述的光纤拉丝法，其特征在于，还包括下述步骤，即拉丝时旋转光纤。
13.如权利要求11所述的光纤拉丝法，其特征在于，拉丝速度包括多个区，每个区包括预定的拉丝速度范围。
14.如权利要求13所述的光纤拉丝法，其特征在于，当拉丝速度在所述多个区之间变化时，改变下送速度。
15.如权利要求14所述的光纤拉丝法，其特征在于，下送速度在每个区内基本保持不变。
16.一种用于减小拉丝光纤中偏振模色散的方法，其特征在于，包括下述步骤以一恒定的下送速度将具有预定直径的光纤预制棒送进炉子中；以至少10米/秒的拉丝速度从光纤预制棒中拉出光纤；改变拉丝速度，以便保持光纤直径基本不变。
全文摘要
以恒定的下送速度将预制棒(10)送入炉子,然后从预制棒中拉出光纤(14)。牵引机(20)以至少10米/秒速度拉制光纤(14),并且在拉丝过程中,允许牵引机(20)根据直径监视器(15)测得的光纤直径改变光纤(14)的拉丝速度,以便保持光纤直径相对恒定。在超过20米/秒的较高拉丝速度下保持预制棒下送速度不变没有对拉丝工艺产生不利影响,并且相信可以减少或消除拉丝控制回路中会在光纤成形期间造成纤芯形状变化的振动,从而降低PMD,提高MFD的均匀性。
文档编号C03B37/027GK1271334SQ98809377
公开日2000年10月25日 申请日期1998年9月10日 优先权日1997年9月25日
发明者M·W·艾伦, L·L·哈斯金斯, L·M·鲁格 申请人:康宁股份有限公司