CN101544465B - 光纤制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤制造方法，该光纤制造方法使用简单的装置构造来制造具有一致特性的光纤。所述光纤制造方法包括通过加热并熔化玻璃预制棒的一端来从该玻璃预制棒拉制玻璃光纤并绕所拉制的玻璃光纤的外周涂覆至少一层树脂。该方法包括：使光纤的拉丝速度从初始速度增加的起动工序；以及将所述拉丝速度维持在比所述初始速度快的稳态速度的稳态工序，其中在所述起动工序中，在该起动工序开始时，使所述树脂的粘度高于所述稳态工序中所希望的稳态粘度，并且，随着所述拉丝速度的增加使所述树脂的粘度降低到所述稳态粘度，同时涂敷所述树脂。

Description

光纤制造方法
技术领域
本发明涉及光纤制造方法，该光纤制造方法通过加热并熔化玻璃预制棒(preform)的一端来从该玻璃预制棒拉制玻璃光纤，并绕所拉制的玻璃光纤的外周涂覆至少一层树脂。
背景技术
日本专利申请特开No.2001-247340公开了一种通过供给压缩气体来吹飞逆流树脂并吸入所吹飞的树脂以解决涂覆装置中的涂覆树脂由于逆流而溢出的技术。
然而，当使用上述申请中公开的技术时，因为它需要压缩气体的供给以及用以吸入树脂的装置，所以它具有装置构造复杂的问题。此外，由于树脂供给受到压缩气体供给、树脂吸入的干扰，所以拉制光纤的特性波动，并且所拉制的玻璃光纤的涂覆量变化。
发明内容
本发明提供一种用于使用简单的装置构造来制造具有一致特性的光纤的方法。
为了解决上述问题，本发明公开了一种拉制光纤的方法，其中通过加热并熔化玻璃预制棒的一端来从该玻璃预制棒拉制玻璃光纤并绕所拉制的玻璃光纤的外周涂覆至少一层树脂。该方法包括：使光纤的拉丝速度从初始速度增加的起动工序；以及将所述拉丝速度维持在比所述初始速度快的稳态速度的稳态工序，其中在所述起动工序中，在该起动工序开始时，使所述树脂的粘度高于所述稳态工序中所希望的稳态粘度，并且，随着所述拉丝速度的增加使所述树脂的粘度降低到所述稳态粘度，同时涂敷所述树脂。
附图说明
现在参照附图：
图1是在本发明的实施例中使用的光纤制造设备的总体构造的示意图；
图2是在本发明的实施例中制造的涂覆光纤的示意性剖视图；
图3示出了图1的树脂涂覆装置的构造；
图4是图3中的着陆部中的第一树脂边界面附近的放大图；
图5示出了每个工序中光纤拉丝速度的变化(虚线)与第一树脂的粘度的变化(实线)之间的关系；
图6示出了每个工序中光纤拉丝速度的变化(虚线)与第一树脂的粘度的变化(实线)之间的另一关系；以及
图7示出了每个工序中光纤拉丝速度的变化(虚线)与第一树脂的粘度的变化(实线)之间的又一关系。
具体实施方式
下面参照上述附图来阐述根据本发明的光纤涂覆和制造方法的详细描述。尽管下面描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，这些实施例仅作为示例提出，并非意欲限制本发明的范围。
(本发明的实施例)
图1是在本发明的实施例中使用的光纤制造设备的总体构造的示意图。如图1中所示，光纤制造设备100包括：加热器2a；用以加热并熔化玻璃预制棒的一端的拉丝加热炉2；用以绕玻璃光纤3的外周涂覆紫外线固化树脂的树脂涂覆装置5和7；用以固化所涂覆树脂的树脂固化装置6和8；用以牵拉涂覆的光纤9的卷线辊10；以及收线轴11。树脂固化装置6和8例如是紫外线照射装置。卷线辊10还设有拉丝速度测量装置4，并且基于卷线辊10的旋转速度，拉丝速度测量装置4测量从玻璃预制棒1拉制的光纤9的拉丝速度。
图2是根据本发明的方法制造的涂覆光纤9的示意性剖视图。如图2中所示，光纤9由玻璃光纤3、第一涂层9a和第二涂层9b组成。由硅石制成的玻璃光纤3具有芯3a(例如，直径大约10μm)和环绕芯3a外周的覆层3b(外径大约125μm)。光纤9的外径例如大约为250μm。而且，选择分别用于第一和第二涂层9a和9b的第一树脂和第二树脂来维持光纤9的光学特性并改进光纤9的耐用性和外观。
接下来，对与本发明的实施例相关的光纤制造方法进行说明。首先，在光纤制造设备100中，将由石英玻璃制成的玻璃预制棒1置于拉丝加热炉2中。加热器2a加热并熔化玻璃预制棒1的底部，并从玻璃预制棒1拉制玻璃光纤3。在此制造方法中，玻璃光纤3的初始拉丝以相对缓慢的速度(例如70m/min)进行。然后，拉丝速度逐渐增加到预定速度(例如1700m/min)。下面，在该制造方法中，把从初始拉丝速度起增加拉丝速度的工序称为起动工序，而把拉丝速度保持恒定的工序称为稳态工序。而且，把起动工序的时段称为起动工序时间(T1)，并且把稳态工序的时段称为稳态工序时间(T2)。通过例如改变加热器2a的温度和/或卷线辊10的牵拉速度能改变拉丝速度。接下来，树脂涂覆装置5绕所拉制的玻璃光纤3的外周涂覆第一树脂，而树脂固化装置6固化该第一树脂并形成第一涂层9a。
在下文中，对树脂涂覆装置5的构造以及涂覆方法进行详细说明。图3公开了图1中所示的树脂涂覆装置5的构造以及涂覆方法。如图3中所示，树脂涂覆装置5具有圆柱形的流嘴部51、连接到流嘴部51的下侧的圆柱形模具部52、从下侧保持该模具部52的模具保持器53、向模具部52供给树脂的树脂供给装置54、将气体喷射到流嘴部51上的气体喷射装置55，以及控制器C。
流嘴部51具有光纤导入部51a和着陆部51b，该光纤导入部51a是圆形的开口并随着其朝着下侧延伸减小其内径并且置于中心轴附近，该着陆部51b具有为恒定内径的圆形开口并连接到光纤导入部51a。模具部52置于与着陆部51b相同的轴上并具有缩径部52a、树脂形成部52b、树脂存储部52c、连接部52d和树脂供给管线52e，该缩径部52a是圆形开口，该圆形开口随着其朝着下侧延伸减小其内径，该树脂形成部52b是具有恒定内径的圆形开口并且连接到缩径部52a并与缩径部52a在同一轴上，该树脂存储部52c是环绕缩径部52a的空间，该连接部52d连接缩径部52a和树脂存储部52c，而该树脂供给管线52e置于模具部52的外表面处并连接到树脂存储部52c。
模具保持器53具有开口部53a和加热器53b，该开口部53a是具有恒定内径的圆形开口并且连接到树脂形成部52b并与树脂形成部52b在同一轴上。树脂供给装置54具有用以存储树脂R的树脂供给罐54a、用于供给存储在树脂供给罐54a中的第一树脂R的泵54b，以及连接模具部52的树脂供给管线52e并将第一树脂R从泵54b供给到模具部52的供给管54c。气体喷射装置55置于流嘴部51上方并向流嘴部51的光纤导入部51a喷射CO2气体。控制器C接收关于光纤拉丝速度的信息并基于此信息来控制模具保持器53的加热器53b。
树脂涂覆装置5以如下方式将第一树脂R涂覆到玻璃光纤3上。首先，如图3中所示，树脂供给装置54的泵54b发出存储在树脂供给罐54a中的第一树脂R，并通过供给管54c将它供给到模具部52。然后，模具部52的树脂存储部52c、连接部52d、缩径部52a和树脂形成部52b充满该第一树脂R。树脂存储部52c起到减小第一树脂R的压力变化的作用。第一树脂R的边界面置于流嘴部51的着陆部51b内。玻璃光纤3插入到流嘴部51的光纤导入部51a中。然后玻璃光纤3经过着陆部51b、模具部52的缩径部52a和树脂形成部52b，并从模具保持器53的开口部53a离开。结果，填充在缩径部52a和树脂形成部52b处的第一树脂R绕玻璃光纤3的外周涂覆。第一树脂R由树脂形成部52b控制，使得涂覆的外径在预期的范围内。
控制器C接收关于光纤拉丝速度的信息。在初始的起动工序中，将模具保持器53中的加热器53b的输出设为零并将要绕玻璃光纤3涂覆的第一树脂R保持在室温(例如25℃～35℃)下。之后，随着在起动工序时间期间拉丝速度增加，控制器C增加第一树脂R的温度，并且在稳态工序时间期间，控制器C控制加热器53b以将第一树脂R保持在恒定的温度下。
在本发明的实施例中，通过在稳态工序期间如上所述地用控制器C控制加热器53b，玻璃光纤3能被涂覆具有理想的预定粘度的第一树脂R。并且，在起动工序时间期间(其中拉丝速度随时间变化)，能以比在预定粘度期间更高的粘度等级涂覆第一树脂R。结果，防止了树脂溢出，并且能将第一树脂R均匀地涂覆到玻璃光纤3上。
图4是图3中的着陆部51b中的第一树脂R的边界面Ra附近的放大视图。如图3和图4中所示，当树脂涂覆装置5将第一树脂R涂覆到玻璃光纤3上时，随着玻璃光纤3向下移动，着陆部51b中的第一树脂R的边界面Ra具有凸起的弯月面形状。在该工序期间，光纤的拉丝速度近似恒定，而边界面Ra的高度也得以稳定。然而，在起动工序期间，因为拉丝速度随时间变化，所以边界面的高度易于变化。
如果将第一树脂R向上游的流量表示为Q，树脂涂覆装置5内的压力是P，粘度是μ，玻璃光纤3与着陆部51b之间的间隙是w，而玻璃光纤3的拉丝方向是z轴的负方向，那么从Navier-Stokes方程推出下面的方程：
Q＝πw4/8μ(-dp/dz)                (1)
如方程(1)中所示，第一树脂R向上游的流量Q与第一树脂R的粘度μ成反比。根据该关系，在本发明的实施例中，第一树脂R在起动工序时间期间(拉丝速度随时间变化)的粘度μ高于在稳态工序时间中的粘度。因此，能抑制随着拉丝速度增加第一树脂R向上游的流量的增加，并且也能抑制边界面Ra的高度的变化。结果，防止了树脂从着陆部51b溢出并且能将树脂均匀地涂覆到玻璃光纤上。而且，如果抑制了在起动工序时间期间的边界面Ra的变化，那么在后续的稳态工序时间中的树脂溢出也不太可能发生。
如果树脂的粘度从起动工序开始时到起动工序时间中的规定期间保持恒定，然后在该规定期间之后降低(为稳态工序时间中的粘度)，那么能在没有复杂控制的情况下抑制树脂溢出。而且，如果树脂的温度在起动工序开始时处于室温(例如，25℃～35℃)下，那么能进一步简化控制。
而且，通过调节其温度来改变粘度是控制连续发送到树脂涂覆装置5的树脂的粘度的最容易的方式之一。希望预先了解待使用的树脂对温度的粘度特性，然后根据所述特性调节树脂温度。例如，调节温度使树脂粘度在起动工序开始时为1.4Pa·s以上能有效地抑制树脂溢出。
如上所述，气体喷射装置55将CO2气体喷射到流嘴部51的光纤导入部51a上。利用CO2气体的喷射防止第一树脂中的气泡形成，因为边界面Ra充满了CO2气体，CO2气体的动粘度系数小于空气的动粘度系数。如果发生树脂溢出，那么第一树脂R的边界面Ra最有可能暴露于空气。在这种情况下，气泡可能会进入第一树脂R中(甚至进入第一涂层9a中)并降低光纤9的可靠性。然而，根据本发明的实施例，由于防止了树脂溢出，所以也能防止任何气泡混入第一树脂R中。
接下来，具有第一涂层9a的玻璃光纤3通过树脂涂覆装置7进一步涂覆第二树脂，然后通过树脂固化装置8固化以形成第二层9b。因为树脂涂覆装置7具有与树脂涂覆装置5相同的构造并且提供相同的控制功能，所以也防止了树脂涂覆装置7中的树脂溢出，并将第二树脂涂层均匀地施加到具有第一涂层9a的玻璃光纤3上。
图5示出了每个工序中光纤拉丝速度的变化(虚线)与第一树脂R的粘度的变化(实线)之间的关系。在图5中，将拉丝的开始时间设定为原点，从开始时间到时刻t1是起动工序时间T1，而在时刻t1之后是稳态工序时间T2。如图5中所示，在本发明的实施例中，拉丝的开始时间中的初始拉丝速度从V1开始，接下来在起动工序时间T1期间拉丝速度逐渐增加，然后在稳态工序时间T2中拉丝速度保持在预定速度Vc。同时，控制器C将加热器53b的输出设为零以使在拉丝的开始时间中第一树脂R的粘度(μ1)高于在稳态工序时间T2的期望预定粘度μc。然后随着在起动工序时间T1期间拉丝速度增加，控制器C逐渐将该粘度降低到预定粘度μc。在稳态工序时间T2中，控制器C促使粘度变为预定粘度μc。此外，光纤拉丝速度的变化与第二树脂的粘度的变化之间的关系能以与图5相似的模式进行表示。
如上所述，根据本发明的实施例，能够利用简单的装置构造来提供一致的树脂涂覆并制造具有一致特性的光纤。
此外，光纤拉丝速度的变化与第一树脂R的粘度的变化之间的关系不限于图5中所示的关系。图6和图7示出了每个工序中光纤拉丝速度的变化(虚线)与第一树脂R的粘度的变化(实线)之间的其它关系。在图6的情形中，光纤拉丝速度的变化与图5中相同，然而，在起动工序时间T1期间，第一树脂R的粘度在预定时刻t2以前保持在恒定值μ2，然后在t2之后，该粘度逐渐降低以达到预定粘度μc。例如通过在初始起动时间与预定时刻t2之间将加热器53b设定为关闭来进行上述粘度控制。之后，将加热器53b的输出设为期望量。
在图7的情形中，光纤拉丝速度的变化与图5和图6中的相同；然而，在起动工序时间T1期间，第一树脂R的粘度在预定时刻t3以前保持在恒定值μ3。之后，粘度降低以达到预定粘度μc。该预定时刻t3在时刻t4之后，在起动工序时间T1期间，光纤拉丝速度在时刻t4变化最快。如上所述，通过将开始降低第一树脂R的粘度的时间设定在光纤拉丝速度变化最快的时刻t4之后，在时刻t4处能提供高粘度树脂并且为防止树脂溢出提供更明确的控制。此外，光纤拉丝速度的变化与第二树脂的粘度的变化之间的关系能以与图6和图7相似的模式进行表示。
而且，改变树脂粘度的方法不限于树脂的温度调节。通过调节树脂的成分和/或树脂的浓度也能改变树脂的粘度。
(示例1和2，以及对比示例1)
接下来，作为本发明的示例1和2以及对比示例1，使用与上述实施例中所描述的相同制造设备来制造光纤。在示例1和2以及对比示例1中，起动工序中的初始拉丝速度是70m/min，然后在稳态工序期间，该速度逐渐增加到1700m/min的预定速度。在树脂涂覆装置中，在树脂的温度保持在稳态工序时间的期望温度的情况下施加第一涂层。拉丝速度在其达到600～700m/min时变化最快。
在示例1中，在第二涂层中，树脂温度保持在30℃的室温下，直至拉丝速度从初始拉丝速度达到1000m/min。然后，树脂温度逐渐升高并在稳态工序时间期间保持在50℃。用于第二涂层的树脂在30℃下具有3.0Pa·s的粘度，而在50℃下具有0.65Pa·s的粘度。当通过上述设备制造1000000km的光纤时，在起动工序时间期间树脂溢出的频率低于0.005次/1000km，而在稳态工序期间不发生树脂溢出。
在示例2中，在第二涂层中，树脂温度保持在40℃下，直至拉丝速度从初始起动工序时间起达到1000m/min。然后，树脂温度逐渐升高并在稳态工序时间期间保持在50℃。用于第二涂层的树脂在40℃下具有1.45Pa·s的粘度，而在50℃下具有0.65Pa·s的粘度。当通过上述设备制造1000000km的光纤时，在起动工序时间期间树脂溢出的频率是0.01次/1000km，而在稳态工序期间不发生树脂溢出。
在对比示例1中，在第二涂层中，树脂温度在起动工序时间和稳态工序时间中均保持在50℃。当通过上述设备制造1000000km的光纤时，在起动工序时间期间树脂溢出的频率是0.05次/1000km，并且在稳态工序期间也发生树脂溢出。

Claims (5)

1.一种制造光纤的方法，其中通过加热并熔化玻璃预制棒的一端来从所述玻璃预制棒拉制玻璃光纤，并绕所拉制的玻璃光纤的外周涂覆至少一层树脂，所述方法包括：
使所述光纤的拉丝速度从初始速度开始增加的起动工序；以及
将所述拉丝速度维持在比所述初始速度快的稳态速度的稳态工序，
在作为使拉丝速度从初始拉丝速度开始增加的工序的所述起动工序中，在该起动工序开始时，使所述树脂的粘度高于所述稳态工序中所希望的稳态粘度，并且，随着所述拉丝速度的增加使所述树脂的粘度降低到所述稳态粘度，同时涂敷所述树脂，
其中涂覆所述树脂的树脂涂覆装置具有：
着陆部，所述着陆部具有为恒定内径的圆形开口；
缩径部，所述缩径部被置于与所述着陆部相同的轴上，所述缩径部的上端的内径大于所述着陆部的内径，并且所述缩径部是这样的圆形部分，该圆形部分随着所述缩径部的内径朝向下侧延伸而缩小所述缩径部的内径；
树脂形成部，所述树脂形成部是具有恒定内径的圆形开口，并且连接到所述缩径部并与所述缩径部在同一轴上；
树脂存储部，所述树脂存储部是环绕所述缩径部的空间；以及
连接部，所述连接部连接所述缩径部和所述树脂存储部，
并且其中所述树脂的边界面形成在所述着陆部内。
2.根据权利要求1所述的制造光纤的方法，其中从所述起动工序开始时起，在所述起动工序中的规定期间内，所述树脂的粘度维持恒定，在经过所述规定期间后，将所述树脂的粘度降低到所述稳态粘度。
3.根据权利要求1所述的制造光纤的方法，其中在所述起动工序开始时，所述树脂的粘度为1.4Pa·s以上。
4.根据权利要求1所述的制造光纤的方法，其中通过调节所述树脂的温度来改变所述树脂的粘度。
5.根据权利要求1所述的制造光纤的方法，其中在所述起动工序开始时，所述树脂的温度在25℃与35℃之间。
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