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CN109437546B - 光纤预制棒加热炉及其加热掺杂方法 - Google Patents

光纤预制棒加热炉及其加热掺杂方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤预制棒加热炉及其加热掺杂方法，所述加热炉包括有封闭的炉体，炉体的下方连接有进气管，炉体的上方设置有排气管，在炉体的外周安设有周向加热元件，其特征在于在炉腔的中部安设有中间加热元件，中间加热元件外套装有导热保护套管。本发明在炉腔的中部安设有中间加热元件，使得中空石英玻璃粉棒内外同时加热，通过控制加热源，将中空石英玻璃粉棒的温度场改为玻璃体中间高、外缘低，保证炉体muffle管不腐蚀或更小级别的腐蚀，避免和降低了对大直径纯石英玻璃muffle管的腐蚀，延长炉体的寿命，仅需更换中间部位导热保护套管，维护成本大大降低；中空石英玻璃粉棒内外同时加热，温度场分布更为合理和均匀，提高掺杂的均匀性。

Description

光纤预制棒加热炉及其加热掺杂方法
技术领域
本发明涉及一种光纤预制棒加热炉及其加热掺杂方法，属于光纤制造技术领域。
背景技术
光纤通信具有传输容量大、传输距离远、传输速度快等特点，被广泛用于长途干线网、城域网以及接入网等光通信网络。光纤通常设计为芯层部分的折射率大于包层，以利于光的传导，为此，需要增大芯层折射率或减小包层的折射率。
增大芯层折射率的方法主要是在制造石英玻璃原料中加入锗、铝及钛等元素，但是随着掺杂物含量的增加，由其造成的光纤衰减也会增加，因此芯层掺杂物最好不用或者尽可能少。为了克服增大芯层折射率的缺点，可以采用减小或降低包层折射率的办法，即包层加入氟以降低其折射率，满足芯包层之间所需要的折射率差。
另外，包层区域出于粘度匹配需求，需要掺杂氯元素，结合芯层中微掺入了锗元素的粘度，可以保证在光纤拉丝工艺中有较小的机械应力。
综上所述，光纤预制棒掺杂卤素是十分重要的，现阶段的掺杂方式主要利用高温加热炉掺杂，但对炉子严格要求，因为卤族元素（比如氟和氯）高温下会活化，腐蚀炉体材料，炉体不仅需要耐高温，还要耐腐蚀，通常采用纯石墨或者纯石英玻璃制成的玻璃（muffle）管，但其使用寿命仍然有限，使用一段时间后需要更换muffle管，muffle管尺寸大，因而加工成本高，更换麻烦。
另一方面，现有的光纤预制棒加热炉其加热元件都设置在muffle管炉体外周，刚开始升温加热时温度都是由石英玻璃粉棒外向内扩散，即温度分布外高内低。同时进入炉内的掺杂气体为常温，会消耗炉内部分热量，不利于温度均匀分布，导致加热掺杂的不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种光纤预制棒加热炉及其加热掺杂方法，它不仅利于石英玻璃粉棒掺杂均匀，而且能够延长炉体的使用寿命。
本发明为解决上述提出的问题所采用的加热炉技术方案为：包括有封闭的炉体，炉体的下方连接有进气管，炉体的上方设置有排气管，在炉体的外周安设有周向加热元件，其特征在于在炉腔的中部安设有中间加热元件，中间加热元件外套装有导热保护套管。
按上述方案，在进气管处设置管道加热元件，对掺杂气体进行预加热。
按上述方案，所述的炉体为圆筒形炉体，所述的中间加热元件沿圆筒形炉体的轴线安设。
按上述方案，所述的中间加热元件为棒状或管状，为石墨电阻加热元件。
按上述方案，所述的炉体由纯石英玻璃（muffle管）或致密石墨制成，所述的导热保护套管由纯石英玻璃或致密石墨制成。
按上述方案，所述的中间加热元件的加热温度为1000~1500℃，所述的周向加热元件的加热温度为700~1000℃，所述的管道加热元件的加热温度为500~800℃。
按上述方案，所述的进气管设置在炉体的底部一侧，所述的排气管设置在炉体的顶部。
本发明加热掺杂的技术方案为：采用以上所述的加热炉，将用外部气相沉积法（VAD或者OVD）沉积而成的中空石英玻璃粉棒放入炉腔，套入中间加热元件；
开启中间加热元件和周向加热元件对中空石英玻璃粉棒的内外同时进行加热，其中，中间加热元件的加热温度为1000~1500℃，周向加热元件的加热温度为700~1000℃，使中空石英玻璃粉棒被加温至1000℃以上；
开启管道加热元件对近期关注的掺杂气体进行预加热，并打开进气阀，使掺杂气体预热后进入炉腔，与中空石英玻璃粉棒进行掺杂反应，管道加热元件的加热温度为500~800℃，反应后的气体从排气管排出。
按上述方案，所述中间加热元件的加热温度优选为1000~1400℃，中间加热元件的加热温度高于周向加热元件的加热温度，温差控制在500℃以内；管道加热元件的加热温度低于或等于周向加热元件的加热温度，温差控制在200℃以内。
按上述方案，所述的中空石英玻璃粉棒套入中间加热元件，与中间加热元件外的导热保护套管的间隙为0.1~3mm。
本发明的有益效果在于：1、在炉腔的中部安设有中间加热元件，使得中空石英玻璃粉棒内外同时加热，通过控制加热源，将中空石英玻璃粉棒的温度场改为玻璃体中间高、外缘低，炉体的温度控制在1000℃以下，降低炉体muffle管的温度至不与卤素反应的温度，保证muffle管不腐蚀或更小级别的腐蚀，避免和降低了对大直径纯石英玻璃muffle管的腐蚀，延长炉体的寿命，仅需更换中间部位导热保护套管，维护成本大大降低；2、中空石英玻璃粉棒内外同时加热，中空石英玻璃粉棒温度场分布更为合理和均匀，利于促进卤族元素扩散进入玻璃棒内部，提高掺杂的均匀性；3、掺杂卤素气体经加热后再进入加热炉内，便于均衡石英玻璃粉棒的温度，使得炉内温度场分布更为均匀和稳定，进一步提高了石英玻璃粉棒掺杂均匀性和掺杂质量，并有助于掺杂效率的提升。
附图说明
图1 为本发明加热炉一个实施例的结构示意图。
图2为本发明掺杂加热时的温度分布图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明的加热炉的一个实施例如图1所示，包括有封闭圆筒形炉体2，炉体为纯石英玻璃（muffle管）制成的炉体，炉体的的底部一侧连接有进气管7，炉体的顶部设置有排气管8，在炉体的外周安设有周向加热元件1，周向加热元件为石墨电阻加热元件，在炉腔的中部安设有中间加热元件5，所述的中间加热元件为棒状或管状，为石墨电阻加热元件，中间加热元件沿圆筒形炉体的轴线安设，中间加热元件外套装有导热保护套管4，由纯石英玻璃制成，使得中间加热元件与炉腔隔离。在进气管处设置管道加热元件3，用以对掺杂气体进行预加热。掺杂工作时，所述中间加热元件的加热温度优选为1000~1400℃，中间加热元件的加热温度高于周向加热元件的加热温度，温差控制在500℃以内；管道加热元件的加热温度低于周向加热元件的加热温度，温差控制在200℃以内。掺杂光纤预制棒的卤素气体主要可分为含氟气体和含氯气体，其中含氟气体主要为F2、SiF4、SF6、CF4、C2F6等，含氯气体主要为Cl2、SiCl4、CCl4等。
本发明加热掺杂的一个实施例如下：VAD法制成中空石英玻璃粉棒，其外径为100mm，内径为35mm，长度为1.5m。将此中空石英玻璃粉棒移入图1中的加热炉，如图中所示，对中空石英玻璃粉棒6进行掺氯处理，掺氯处理方法如下：从炉体下部进气管通入氯气1L/min和氮气25L/min,经过管道加热元件加热后气体温度达900℃，进入炉腔，同时炉体上方设有排气管，保持炉内气体稳定的压力；周向加热元件的加热温度为900℃，中间加热元件的加热温度设置为1300℃，中间加热元件外的导热保护套管与中空石英玻璃粉棒的间隙为2.0mm，实测温度场分布如图2所示，其中将从中空石英玻璃粉棒中间位置到炉体muffle管距离归一化，炉体中间位置为0，muffle管位置为1，中空石英玻璃粉棒（soot棒）外边缘位置为0.8。掺氯时间为8h，后续熔缩成实心玻璃体，测试玻璃中氯含量为10000ppm，氯含量最大差异值为500ppm。
第二个实施例如下：OVD法形成中空石英玻璃粉棒，其外径为200mm，内径为45mm，长度为1.5m。将此中空石英玻璃粉棒移入图1中的熔缩炉，如图中所示，对中空石英玻璃粉棒进行掺氟处理，其中，加热炉结构同实施例1中一样。掺氟处理方法如下：从炉体下部通入1L/min的CF4和25L/min的氮气,经过管道加热元件加热后气体温度达1000℃，进入炉腔，炉体上方设有排气管，保持炉内气体稳定的压力；周向加热元件的加热温度设置为1000℃，中间加热元件的温度设置为1200℃，中将加热元件外的导热保护套管与中空石英玻璃粉棒的间隙为1.5mm。掺氟时间为4h，后续熔缩成实心玻璃体，测试玻璃中氟含量为15000ppm，氟含量最大差异值为650ppm。
由于卤素气体在高于临界温度时会与高纯石英玻璃muffle管反应，发生腐蚀，而氟和氯的临界反应温度为1000℃，因此控制周向加热元件加热的温度不超过1000℃。

Claims (10)

1.一种光纤预制棒加热炉，包括有封闭的炉体，炉体的下方连接有进气管，炉体的上方设置有排气管，在炉体的外周安设有周向加热元件，其特征在于在炉腔的中部安设有中间加热元件，中间加热元件外套装有导热保护套管。
2.按权利要求1所述的光纤预制棒加热炉，其特征在于在进气管处设置管道加热元件，对掺杂气体进行预加热。
3.按权利要求1或2所述的光纤预制棒加热炉，其特征在于所述的炉体为圆筒形炉体，所述的中间加热元件沿圆筒形炉体的轴线安设。
4.按权利要求1或2所述的光纤预制棒加热炉，其特征在于所述的中间加热元件为棒状或管状，为石墨电阻加热元件。
5.按权利要求1或2所述的光纤预制棒加热炉，其特征在于所述的炉体由纯石英玻璃或致密石墨制成，所述的导热保护套管由纯石英玻璃或致密石墨制成。
6.按权利要求2所述的光纤预制棒加热炉，其特征在于所述的中间加热元件的加热温度为1000~1500℃，所述的周向加热元件的加热温度为700~1000℃，所述的管道加热元件的加热温度为500~800℃。
7.按权利要求1或2所述的光纤预制棒加热炉，其特征在于所述的进气管设置在炉体的底部一侧，所述的排气管设置在炉体的顶部。
8.一种光纤预制棒加热掺杂方法，其特征在于采用上述权利要求2-7中任一所述的加热炉，将用外部气相沉积法沉积而成的中空石英玻璃粉棒放入炉腔，套入中间加热元件；
开启中间加热元件和周向加热元件对中空石英玻璃粉棒的内外同时进行加热，其中，中间加热元件的加热温度为1000~1500℃，周向加热元件的加热温度为700~1000℃，使中空石英玻璃粉棒被加温至1000℃以上；
开启管道加热元件对进气管处的掺杂气体进行预加热，并打开进气阀，使掺杂气体预热后进入炉腔，与中空石英玻璃粉棒进行掺杂反应，管道加热元件的加热温度为500~800℃，反应后的气体从排气管排出。
9.按权利要求8所述的光纤预制棒加热掺杂方法，其特征在于所述中间加热元件的加热温度优选为1000~1400℃，中间加热元件的加热温度高于周向加热元件的加热温度，温差控制在500℃以内；管道加热元件的加热温度低于或等于周向加热元件的加热温度，温差控制在200℃以内。
10.按权利要求8或9所述的光纤预制棒加热掺杂方法，其特征在于所述的中空石英玻璃粉棒套入中间加热元件，与中间加热元件外的导热保护套管的间隙为0.1~3mm。
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Patentee after: Changfei Quartz Technology (Wuhan) Co.,Ltd.

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Patentee before: Sichuan Lefei Photoelectric Technology Co.,Ltd.