阅读说明：本技术 用于形成光纤用芯棒的装置、系统和方法 (It is used to form the devices, systems, and methods of optical fiber plug ) 是由 I·米莉瑟维 G·克拉比希 M·J·N·范·斯特劳 R·汉斯 于 2019-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于形成光纤用芯棒的装置、系统和方法,用于收缩包括氧化硅沉积层的管以形成芯棒。装置包括长形腔、限定腔的长形筒状碳内衬、在加热元件空间中的加热元件、耐火材料制成的环,其中内衬在相反的端部处连接到装置的框架,加热元件围绕内衬,内衬使加热元件空间与腔分隔,环固定到框架,围绕腔的长度的一部分,内衬被设置为使得内表面部在内衬的第一端部处与环的筒状外表面部配合,从而内衬能够利用其第一端部沿着环的外表面部轴向移动。(The present invention relates to the devices, systems, and methods for being used to form optical fiber plug, for shrinking the pipe including silicon oxide deposited layer to form plug.Device includes elongated chamber, the elongated tubular carbon liner for limiting chamber, in the heating element in heating element space, ring made of refractory material, wherein liner is connected to the frame of device in opposite end, heating element surrounds liner, liner separates heating element space and chamber, ring is fixed to frame, around a part of the length of chamber, liner is provided so that inner surface portion cooperates at the first end of liner with the cylindrical outside surfaces portion of ring, so that liner can be moved axially using its first end along the outer surface portion of ring.)

用于形成光纤用芯棒的装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于形成光纤用芯棒的装置、系统和方法。本教示涉及借助于化学气相沉积(CVD)制造光纤的领域，其中氧化硅(silica)层沉积于基板，其示例为改性化学气相沉积(MCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD或PCVD)以及外气相沉积(OVD)。

诸如借助于PCVD的具有玻璃沉积层的管被转移到用于形成芯棒的装置。这种装置还被称为收缩车床(collapsing lathe)或玻璃加工车床。收缩功能用于从管形成芯棒。尽管具有玻璃沉积层的管仍具有中心通孔，但是芯棒不具有中心通孔。这是由于局部地加热管超过管的熔化温度。当玻璃开始熔化时，由于表面张力管呈现较小的直径。执行该局部加热过程直到管中的中心孔完全封闭；然后，完成芯棒的成形。在该加热过程中，装置和管沿着彼此以往复方式移动，使得装置局部加热管，但是随着时间而沿着管的整个长度加热管。

背景技术

从本申请人的WO02/40415已知用于制造光纤芯棒的设备和工艺。在该设备的使用中，可以改善工艺随着时间(over time)的稳定性以及与内衬或者如WO02/40415中提到的炉的内壁相关的装备的部件的相关的劣化。在该方面，应当注意到的是，内衬暴露于可能超过2000℃的高温，该高温由加热器产生以便如上所述地局部熔化玻璃。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于形成光纤用芯棒的装置，该装置具有特别是内衬的高耐久性，并且被装配以随着时间稳定的方式进行操作。

一方面，本发明涉及一种用于形成光纤用芯棒的装置。该装置被配置为用于收缩(collapsing)包括氧化硅沉积层的管，从而形成所述芯棒。该装置包括：

-在装置的轴向上延伸的长形腔；

-由碳(优选地石墨)制成的长形筒状内衬，内衬在轴向上延伸并且利用内衬的筒状壁限定腔。内衬在内衬的相反的端部处连接到装置的框架；

-加热元件，加热元件被设置于环状加热元件空间，所述加热元件围绕内衬的至少一部分。内衬的筒状壁使加热元件空间与腔分隔；

-由耐火材料制成的环，环固定到装置的框架。环围绕腔的长度的一部分。

内衬被设置为使得内衬的筒状内表面部在内衬的相反的端部中的第一端部处与环的筒状外表面部配合(mate)，从而内衬能够利用内衬的第一端部沿着环的外表面部轴向移动。

在该装置的使用中，可以设置包括氧化硅沉积层的管，以使管延伸通过腔，也就是，管从装置的位于第一侧的外部延伸通过装置或者至少延伸通过腔到达装置的位于相反的第二侧的外部。因此，通过装置的腔或通道被配置为允许在使用中管延伸通过腔，优选地管与内衬同心。加热元件用于在使用中(也就是管延伸通过腔的同时)加热管。加热元件被构造为局部加热管，使得在使用中收缩管以形成芯棒。加热元件被设置为相对于内衬同心，也就是，加热元件设置于环状加热元件空间，围绕内衬，使得加热元件可以在使用中均匀地加热管。

另一方面，本发明涉及一种用于形成光纤用芯棒的系统，该系统被配置为在使用中用于收缩包括氧化硅沉积层的管，从而形成芯棒，其中该系统包括根据本发明的用于形成芯棒的装置。该系统还包括移动装置，移动装置被构造为使得管和装置在轴向上以往复方式相对于彼此移动。

另一方面，本发明涉及一种用于形成光纤用芯棒的方法，该方法使用根据本发明的系统，该方法包括：

-设置包括氧化硅沉积层的管，

-在管的两个相反的端部处保持管，以使管延伸通过装置的腔，

-借助于使用装置的加热元件产生的热量，局部地加热管超过熔化温度，

-使管和装置在装置的轴向上以往复方式相对于彼此移动。

根据本发明的装置具有内衬，该内衬被设置为使得内衬的内表面与由耐火材料制成的环的外表面配合，并且内衬可以利用其第一端部沿着环的外表面部轴向移动。效果是，内衬的在第一端部处的边缘(该边缘由于暴露于燃烧而通常容易劣化)在管所延伸通过的腔的外部。这意味着，所述边缘位于环的外侧，因而被环保护且不在腔内暴露。结果，该边缘不易受到燃烧效应的影响，其中燃烧效应会导致内衬的迅速劣化。另外，由于在加热过程中内衬在高温下的轴向膨胀，内衬可以沿着环自由移动，也就是，在没有轴向力施加于内衬(这将对耐久性不利并且将引起内衬特别地在内衬的第一端部处的所述边缘处的损坏)的情况下，内衬可以沿着环自由移动。在大约2000℃的温度下，对于每米长度的轴向膨胀可以是30mm至60mm。内衬的典型长度在100mm与500mm之间。这意味着内衬显示出显著的轴向膨胀。此外，因为内衬的内表面与环的外表面配合，所以实现了内衬外部的加热元件空间(其中定位有加热元件)与内衬的内部(即腔)之间的充分密封。在使用中，促使诸如氩气的非氧化性气体从内衬外部的加热元件空间到腔，并且在腔的端处流出装置。所述气体的该流动防止了氧气进入腔和内衬外部的加热元件空间，这防止了内衬和加热元件的诸如燃烧的劣化。本发明人发现，内衬和环在受热下的径向膨胀十分相似，或者至少使得在装置的使用过程中维持适当的密封。本发明人还发现，加热元件和内衬显示出非常稳定的特性，随着时间的劣化非常少。这产生了高耐久的装置。

本发明的装置的所述效果以类似的方式适用于本发明的系统和方法。

在所附技术方案和以下详细说明中公开了本发明的实施方式。以下公开的装置的对应实施方式也适用于根据本发明的方法和系统，反之亦然。

定义

在本说明书和技术方案中使用以下定义来定义所述主题。以下未引用的其它术语意味着具有本领域普遍接受的含义。

-本说明书中使用的“包括氧化硅沉积层的管”是指：内部具有腔(即中心通孔)并且包括由沉积获得的多个同心的掺杂或未掺杂的氧化硅层的长形管。

-“收缩”是指通过局部加热包括氧化硅沉积层的管超过熔化温度使管紧缩(contract)，使得管的中心通孔封闭并且管的外径减小。

-本说明书中使用的“芯棒”是指通过使包括氧化硅沉积层的管收缩而获得并且从中心到周缘至少包括光学芯和光学包层的实心棒。

-本说明书中使用的“预成型件”或“最终预成型件”是指长形柱状玻璃结构，其可以直接用于从长形柱状玻璃结构拉出光纤，该长形柱状玻璃结构是芯棒，或者设置有一个或多个同心玻璃管的或设置有沉积于芯棒的外柱状圆周的附加玻璃的芯棒。

-本说明书中使用的“氧化硅”是指：SiOx形式的无论是否是化学计量的并且无论是否是结晶的或无定形的任何物质。

-本说明书中使用的“耐火材料”是指：在高达800℃的温度下，在含氧环境中不分解并保持其强度和形状的材料。

-本说明书中使用的在“内衬的筒状内表面部在内衬的相反的端部中的第一端部处与环的筒状外表面部配合”的上下文中所使用的“配合”是指：内衬的筒状内表面部与环的筒状外表面部匹配或符合，留有诸如小于2mm或小于1mm的诸如在0.05mm与0.4mm之间的小间隙，在该装置的使用的过程中，包括在0至大约2300℃的范围的温度下使用时，内衬和环被构造为使得内衬可以利用其第一端部沿着环的外表面部轴向移动。

附图说明

以下参照高度示意性的附图来说明本发明，在附图中示出了本发明的实施方式并且相同的附图标记表示相同或相似的元件。

图1以纵向截面示出了根据本发明的装置的实施方式；

图2示出了图1的装置的侧视图；

图3a示出了可以使用根据本发明的装置来收缩的被缩短绘制的管的典型示例；

图3b示出了图3a的管的可以通过使用根据本发明的装置来收缩而形成的被缩短绘制的芯棒的典型示例；以及

图4以主视图示出了根据本发明的包括图1的装置的系统的实施方式。

具体实施方式

如上所述，在第一方面，本发明涉及一种用于形成光纤用芯棒的装置。下面讨论所述装置的多个实施方式。

装置的内衬可以在两个相反的端部中的第二端部处固定于装置的框架，优选地，其中内衬在第二端部处包括夹持于装置的框架的凸缘。内衬的这种固定有效地将内衬定位在装置内，并且还可以以简单且有效的方式在内衬与装置的框架之间提供气密密封。

可选地，该装置可以包括由耐火材料制成的固定于装置的框架的另一环，该另一环围绕腔的长度的一部分，其中内衬被设置为使得内筒状表面部在相反的端部中的第二端部处与另一环的外筒状表面部配合，使得内衬可以与利用其第二端部沿着另一环的外表面部轴向移动。在该情况下，内衬因而“漂浮(float)”或悬浮于两个环，因而内衬可以诸如由于热膨胀利用内衬的两个端部沿轴向自由移动。环和/或另一环可以具有夹持到装置的框架的凸缘。

耐火材料可以是氧化铝或氧化硅，优选地是氧化硅。这样，该环非常适合在使用该装置时的极端温度条件下使用。另外，包括环的热膨胀的行为适用于由碳制成的内衬。

内衬可以在筒状壁中包括多个通孔，优选地，多个通孔位于壁的在轴向上的相同位置处，在周向上间隔开，经由这些孔可以促使非氧化性气体从加热元件空间到腔。内衬和环与装置的框架的固定可以是气密的。限定加热元件空间的框架壁部也可以是气密的。因此，尽管如下所述少量气体可以流过环与内衬之间的间隙，但是在使用中促使任何气体通过内衬壁中的孔。非氧化性气体优选地包括氩气或氦气(优选地包括氩气)，或者由氩气或氦气组成(优选地由氩气组成)。

尽管例如可以可选地或附加地使用其它类型的加热元件(诸如感应加热)，但是加热元件可以是电阻型的。

在实施方式中，该系统可以具有两个保持元件，用于保持管的两个相反的端部，其中，移动装置被构造为用于沿轴向以往复方式移动装置，以使装置在系统的使用中沿着管通过。两个保持元件可以是两个相应的可转动卡盘，可转动卡盘被构造为用于在系统的使用中保持并转动管。在加热期间管的转动可以防止管的下垂(sagging)。

图1示出了装置1，其在使用中形成用于光纤的长形芯棒3。芯棒3是柱状的，并且具有限定芯棒3的轴向的中心轴线5，并且芯棒3由长形管2形成，长形管2具有通过沉积获得的多个同心玻璃层4。图4中示出了这种管2。在图3a中，管2的长度被缩短绘制，即未按比例绘制。实际上，管的长度可以例如超过1米，或者在1米至5米的范围，或者为大约2米或2.25米或2.5米，并且管的外径可以例如在20mm至150mm的范围，诸如大约45mm。通常，管在直径较大的情况下可以较长。类似地，在图3b中，芯棒3的长度被缩短绘制。实际上，芯棒3具有比形成芯棒3的管2短的长度(除非芯棒3在收缩期间被拉长)，并且芯棒3例如在管的外径为45mm的情况下具有减小的大约为35mm的外径。在另一示例中，在管直径为80mm的情况下，芯棒直径可以为大约60mm。尽管管2内具有腔(即中心通孔6)，但是芯棒3是实心杆，这意味着芯棒3不再具有腔/中心通孔。通过使用装置1使管2收缩来获得芯棒3。芯棒3从中心到周缘至少包括光学芯7和光学包层8。

装置1被配置为用于收缩管2以形成芯棒3。为此，装置1包括在装置1的轴向14上延伸的长形腔12。腔12被配置为允许管2在使用中延伸通过腔12，其中管2收缩以便形成芯棒3。因此，腔12延伸通过装置1并形成穿过装置的通道。装置1的长度(即装置的沿轴向14延伸的尺寸)小于待收缩的管2的长度。装置的长度(或更好地整体尺度)与待收缩的管的尺寸相关。在管为大约1.5米至3米的情况下(诸如上述管2)，装置的长度可以在150mm至600mm的范围，诸如大约400mm。还如上所述，管的长度可以大于1米或甚至大于2米。

装置1还具有由碳(更特别地为石墨)制成的具有中心轴线17的长形筒状内衬16。内衬16沿轴向14延伸并且限定具有筒状壁18的通道12。内衬16的长度与内径之比可以在3至10的范围，优选地在6至7的范围。也就是，长度是内径的3倍至10倍(或6倍至7倍)。对于诸如上述管2的一些管，可以选择内衬的内径，以使管与内衬16的筒状壁18之间存在大约2mm至10mm的间隙，优选地存在大约3mm至4mm的间隙。对于上述45mm的管，内衬16的内径可以是52mm(因此留有3.5mm的间隙)，并且长度可以是大约350mm。内衬16的筒状壁18的壁厚可以例如在2mm至10mm之间，诸如大约4mm。

内衬16在内衬的相反的端部22、24处连接到装置的框架20。为此，装置1还具有由耐火材料(更特别地为氧化硅)制成的环26。环26通过环形夹具28在内衬的相反的端部22、24中的第一端部22的位置处固定(更特别地夹持)到框架20，其中环形夹具28可以诸如通过螺栓可释放地固定到框架20。夹具28与设置于环26的凸缘30接合。如图1所示，与内衬16一样，环26也围绕腔12。内衬16被设置为使得内衬16的筒状内表面部32在第一端部22处与环26的筒状外表面部34配合，两者之间留有十分之一毫米数量级的环状间隙(即沿着圆周的间隙)，以使内衬16可以利用其第一端部沿着环的外表面部轴向移动。因此，环26在内衬16的第一端部22与框架20之间形成连接，或者，在内衬未固定到框架的情况下，环26使内衬在第一端部22处连接到框架。结果，在由于使用装置而发生的高温改变的影响下，内衬16在轴向上自由膨胀。这些温度改变可能超过2000℃，在上述示例中在长度为大约350mm的情况下，会引起在10mm至20mm的范围的轴向膨胀。尽管石墨的热膨胀系数稍高于氧化硅的热膨胀系数，但是内衬16与环26之间的径向间隙仍然是可接受的，即该径向间隙不会变得不可接受地大。

内衬16在相反的端部22、24中的第二端部24处借助于环形夹具36固定到装置的框架20，其中环形夹具36夹持地接合设置于内衬16的第二端部24的凸缘38。结果，内衬16夹持到装置1的框架20。因此，在第二端部24处，内衬相对于框架定位。在该第二端部处，可以设置保护和散热套筒(未示出)，其部分地突出到腔内并且其外径大约等于内衬的在第二端部24处的内径。由于内衬在第二端部24处与框架20的所述固定，尽管在本发明的范围内还可以是内衬与环26直接滑动地接触，但是内衬16可以在原则上不与环直接接触的情况下在第一端部处沿着环26自由移动。

在可选实施方式中，使用夹持到框架的氧化硅环的内衬与装置的框架的连接还可以设置在内衬的第二端部处。在该情况下，内衬因而“漂浮”或悬浮于两个环，因而内衬可以诸如由于热膨胀而利用其两个端部在轴向上自由移动，该轴向移动/膨胀受到位于环的凸缘和/或环所连接的装置的框架的侧壁的限制。因为内衬的筒状内表面部在端部处与环的相应的筒状外表面部配合，所以至少基本上防止内衬相对于环在内衬的径向上的移动。

装置1还包括围绕内衬16的在轴向上的至少一部分的加热元件40。加热元件40是电阻型的并且设置于围绕内衬16的环状空间19。典型地，加热元件由石墨制成并且包括多个曲折的长形部分或沿着内衬的长度的一部分的“指状部”，因而实现了由“指状部”形成的多个长形加热元件部分42，各部分42在轴向上延伸。因此，加热元件40可以被认为是绕着内衬16同心地设置，也就是，加热元件40可以均匀地加热腔12内的管2，以收缩管2从而形成芯棒3。内衬的筒状壁18使加热元件空间19与通腔12分隔。

内衬16在筒状壁中包括多个通孔44，非氧化性气体可以经由这些孔44从位于内衬16的外侧的加热元件空间19流向由内衬16的筒状壁18限定的腔12。气体优选地包括氩气或由氩气组成。可以从外部贮存器(图中未示出)将氩气泵送到加热元件空间19中。氩气从加热元件空间19流过孔44进入腔12，并且在腔的两端(即在内衬16的相反的端部22、24处)进入周围空间。通过这样做，防止氧气存在于腔内。结果，防止了不期望的劣化(诸如装置1中的石墨部分的燃烧)。另外在升高的温度下，也如上所述，考虑到石墨的热膨胀系数稍高于氧化硅的热膨胀系数，将内衬16连接到框架20的氧化硅环26(其中氧化硅环26突出到内衬16内)的设置限定了在两个部分之间的间隙宽度(如上所述)小于几毫米，优选地小于1毫米(诸如十分之几毫米)。这种间隙足以实现如下目的：氩气的基本上全部量以协调的方式(coordinated manner)流过孔44，并进一步流向腔外。也就是，在使用中，可以被预先准确确定的仅少量气体流过内衬与环之间的间隙进入腔。在内衬与环之间的间隙的位置处不需要其它的密封部件。内衬与框架以及环与框架之间的夹持连接是气密的。加热元件空间在其外侧由筒状壁部48限定。在该壁部48的外侧设置绝缘材料46。

上述装置1可以形成用于形成光纤用芯棒3的系统50的一部分，系统50被配置为用于在使用中使具有氧化硅沉积层4的管2收缩，从而形成芯棒3。该系统还具有框架54，包括卡盘60、62的两个保持元件56、58设置于框架54，两个保持元件56、58中的至少一者可以被旋转驱动，保持元件被构造为用于保持和绕着管的中心轴线5结合地转动。管2置于系统中，其中管2的两个相反的端部由保持元件保持。应当注意的是，管可以具有延伸的端部，延伸的端部可以在收缩之后被处置(dispose)。该系统还包括诸如主轴或线性驱动器的移动装置64，移动装置64被构造为使装置1在轴向52上沿着框架54以往复方式移动(更特别地为平移)。管由保持元件保持，使得管通过装置1的腔12，管2的中心轴线5与装置1的内衬16的中心轴线17重合。因此，在系统50的使用中，装置1沿着管2以往复方式通过。

按照根据本发明的方法，为了形成光纤用芯棒，使用如上所述的系统50，执行以下步骤：

-设置包括氧化硅沉积层4的管2，

-在管2的两个相反的端部处保持管2，以使管2延伸通过装置1的腔16，

-借助于使用装置1的加热元件40产生的热量，局部地加热管2超过软化(或熔化)温度，

-使用移动部件64使管2和装置1相对于彼此移动，以使装置1可以以往复方式沿着管2通过。这可以在使用至少一个可转动保持元件使管转动的同时完成。在图4中，被形成为芯棒的管由附图标记2*表示。在图4的视图中，装置1的左侧的直径仍然大于装置的右侧的直径，从而仅出于解释本发明的目的地示出了逐渐减小管的直径以便最终获得芯棒的过程。在装置沿着管2*移动到图4的左侧的同时，在该位置处管2*的直径也将减小。