CN108919415A - 一种低损耗单模光纤及其拉丝工艺 - Google Patents

一种低损耗单模光纤及其拉丝工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低损耗单模光纤及其拉丝工艺，主要解决的技术问题是现有技术中单模光纤的强度低、内应力大的问题，本发明通过一种低损耗单模光纤，其特征在于，包括由内而外依次设置的芯层、内包层和外包层，所述芯层采用掺锗的二氧化硅，所述内包层采用掺氟的二氧化硅，所述外包层采用二氧化硅，所述内包层具有凹陷的剖面结构的技术方案，较好地解决了该问题，可用于光纤。

Description

一种低损耗单模光纤及其拉丝工艺
技术领域
本发明涉及一种低损耗单模光纤及其拉丝工艺。
背景技术
光纤强度是低损耗光纤关键指标之一，主要体现在筛选应变上，普通光纤的应变一般在1％左右来应变来自敷设和热胀冷缩引起的张力，而低损耗光纤应用在超长距离通讯链路中，常常需要跨越海洋、高山、沙漠等恶劣环境，从考虑敷设或环境温度等变化时，所受的张力相比于普通光缆更大。
光纤的强度取决于裸光纤表面的微裂纹。光纤中的微裂纹主要来源于拉丝炉中的杂质粒子，拉丝生产过程中杂质粒子附着在光纤表面，在冷却过程中形成裂纹和应力集中，光纤表面裂纹在受到大气环境中水分子二次作用而逐渐侵蚀，导致原本稳定的硅氧四面体结构被破坏，硅氧键的断裂会加剧微裂纹扩大，从而影响光纤自身强度。
拉丝感应炉长期工作后，石墨炉内石墨件表面发生微量氧化现象，使得拉丝炉内石墨体表面变得粗糙。另外，预制棒在高温时产生少量二氧化硅升华，在高温生产环境下与石墨体表面反应生成质地坚硬的碳化硅微粒，部分微粒伴随炉内气流持续悬浮在石墨炉下部，直接影响光纤质量。
光纤衰减系数除了受制于预制棒的制备过程，同时也受石英玻璃化温度的影响，当裸光纤在石墨炉中拉制成丝过程中，石英光纤从软化温度迅速降低至玻璃化温度，石英玻璃内部结构向稳定的平衡态转化。但当裸光纤出石墨炉的温度低于玻璃化温度时，裸光纤内部结构就被定型，难以再改变，若成型过程中裸光纤内应力未充分释放，定型后内应力直接被大量保存在裸光纤内部，那么直接导致裸光纤由于内应力的存在使得密度不均，从而增加瑞利散射效应导致光纤的衰减系数受到影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一是现有技术中的单模光纤的强度低、内应力大的问题，提出了一种新的低损耗单模光纤，该光纤具有强度高、内应力小的特点。本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的低损耗单模光纤的拉丝工艺。
为了解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种低损耗单模光纤，包括由内而外依次设置的芯层、内包层和外包层，所述芯层采用掺锗的二氧化硅，所述内包层采用掺氟的二氧化硅，所述外包层采用二氧化硅，所述内包层具有凹陷的剖面结构。
进一步的，优选地，所述芯层的直径为7μm～8μm，所述内包层的直径为15μm～25μm。
优选地，所述芯层的折射率为n1＝1.463～1.467，所述内包层的折射率为n2＝1.445～1.448，所述外包层的折射率为n3＝1.458。
优选地，所述芯层中掺锗的质量分数为0.05wt％～0.08wt％。
优选地，所述内包层中掺氟的质量分数为0.01wt％～0.02wt％。
为解决上述技术问题之二本发明采用的技术方案如下：
一种低损耗单模光纤的拉丝工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤①：将预制棒塞入高温熔炉中进行拉丝，高温熔炉内的温度为1900℃～2200℃；
步骤②：通过延长尾管将预制棒推入高温熔炉中，同时通过密封石英件在推入预制棒后将高温熔炉的炉口进行密封；
步骤③：拉丝出炉后通过退火管进行退火，通过退火管对光纤进行缓慢降温，降温至1400℃～1700℃；
步骤④：退火管降温后，通过矩阵式保温管对光纤形成从1700℃到1000℃逐级递减的降温；
步骤⑤：通过矩阵式保温管降温后，进入空气中进行自然冷却。
优选地，在步骤②中的所述密封石英件包括固定在所述高温熔炉的炉口的石英环，所述石英环内开设有相连通的通孔一和通孔二，通过所述通孔一容纳石英挡片，所述石英挡片套设在石英柱上并能在石英柱上移动，所述石英柱一端连接石英罩，所述石英柱和所述石英罩内设有同时贯穿所述石英柱和所述石英罩的通孔。
更优选地，所述通孔一直径大于所述通孔二的直径，所述通孔一的直径等于所述石英挡片的外径，所述石英挡片的内径等于石英柱的直径，所述石英罩的直径不小于所述石英环的外径，所述通孔的直径等于预制棒的延长尾管的直径。
优选地，在步骤③中的所述退火管的外围设有钢护套，所述退火管和所述钢护套之间填充有硬质石墨毡，所述钢护套外侧设有水冷装置。
优选地，在步骤④中的所述矩阵式保温管包括多个陶瓷管，多个所述陶瓷管呈矩阵式排列，每个所述陶瓷管内依次分散设有多个加热器，所有所述陶瓷管内的所有所述加热器皆与集成控制器连接。
本发明的有益效果在于：本发明通过在不增加芯层中锗的掺杂量和不减小芯层直径的情况下，得到光场高度集中的光纤，有效实现低损耗；本发明通过密封石英件防止在推入预制棒的末端时有较多空气进入高温熔炉中，最后影响了光纤的强度；本发明通过退火管避免了光纤的热量迅速流失；本发明通过矩阵式保温管充分消除裸光纤内部残余内应力。
附图说明
图1是本发明一种低损耗单模光纤的结构示意图；
图2是本发明一种低损耗单模光纤的拉丝装置的结构示意图；
图3是本发明一种低损耗单模光纤的拉丝装置中密封石英件的结构示意图；
图4是本发明一种低损耗单模光纤的拉丝装置中矩阵式保温管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参见图1，本实施例公开了一种低损耗单模光纤，包括由内而外依次设置的芯层1、内包层2和外包层3，所述芯层1的直径为7μm～8μm，所述内包层2的直径为15μm～25μm，所述芯层1采用掺锗的二氧化硅，所述芯层1中掺锗的质量分数为0.05wt％～0.08wt％，所述芯层1的折射率为n1＝1.463～1.467，所述芯层1的正折射率差为△n＝﹢0.2％～0.3％，所述内包层2采用掺氟的二氧化硅，所述内包层2中掺氟的质量分数为0.01wt％～0.02wt％，所述内包层2的折射率为n2＝1.445～1.448，内包层2的负折射率差为△n＝﹣0.1％～0.4％，所述外包层3采用二氧化硅，所述外包层3的折射率为n3＝1.458，所述内包层2具有凹陷的剖面结构；
一种低损耗单模光纤的拉丝工艺，包括以下步骤：
步骤①：如图2所述，将预制棒塞入高温熔炉4中进行拉丝，高温熔炉4内的温度为1900℃～2200℃，预制棒由上述的由内而外依次设置的芯层1、内包层2和外包层3制成；
步骤②：通过延长尾管将预制棒推入高温熔炉4中，同时通过密封石英件5在推入预制棒后将高温熔炉4的炉口进行密封，如图3所示，所述密封石英件5包括固定在所述高温熔炉4的炉口的石英环51，所述石英环51内开设有相连通的通孔一511和通孔二512，通孔二512与高温熔炉4内连通，通过所述通孔一511容纳石英挡片52，所述石英挡片52套设在石英柱53上并能在石英柱53上移动，所述石英柱53一端连接石英罩54，所述石英柱53和所述石英罩54内设有同时贯穿所述石英柱53和所述石英罩54的通孔，所述通孔的直径等于预制棒的延长尾管的直径保证石英柱53和石英罩54和预制棒的延长尾管间的密封，通过通孔使得预制棒的延长尾管能够穿过石英柱53和石英罩54，所述通孔一511直径大于所述通孔二512的直径，所述通孔一511的直径等于所述石英挡片52的外径，使得在石英挡片52进入通孔一511中，石英挡片52和通孔一511之间能有很好的密封，所述石英挡片52的内径等于石英柱53的直径，使得石英挡片52既能在石英柱53上移动又能保证石英挡片52和石英柱53之间的密封，所述石英罩54的直径不小于所述石英环51的外径，使得石英罩54和石英环51贴合时保证密封性；
将预制棒的延长尾管穿过石英柱53和石英罩54，通过推动延长尾管将预制棒通过通孔一511和通孔二512推入高温熔炉4中，在推入预制棒同时按压石英罩54，并将石英挡片52快速压入通孔一511中，持续按压石英罩54从而将预制棒的末端推入高温熔炉4中，从而防止在推入预制棒的末端时有较多空气进入高温熔炉4中与高温熔炉4中的石墨体表面发生氧化，从而与升华出的少量二氧化硅反应生成质地坚硬的碳化硅微粒，从而影响了光纤的强度；
步骤③：拉丝出炉后通过退火管6进行退火，通过退火管6对光纤进行缓慢降温，所述退火管6的外围设有钢护套，所述退火管6和所述钢护套之间填充有石墨毡，采用硬质石墨毡，所述钢护套外侧设有水冷装置，水冷装置为现有技术即通过水冷却降温，既有效隔绝退火管6内部高温且与外界水冷直接接触而导致退火管6降温，又在高温区与外部低温区形成保温区避免了热量迅速流失，降温至1400℃～1700℃；
步骤④：退火管6降温后，通过矩阵式保温管7对光纤形成从1700℃到1000℃逐级递减的降温，如图4所示，所述矩阵式保温管7长为2000mm，矩阵式保温管7包括多个陶瓷管71，多个所述陶瓷管71呈矩阵式排列，共有20个陶瓷管71，每个所述陶瓷管71内依次分散设有多个加热器72，在陶瓷管71内每隔一段距离设置一个加热器72，每个加热器72对应的陶瓷管71内还设有温度传感器，所有所述陶瓷管71内的所有所述加热器72皆与集成控制器73连接，所有加热器72在集成控制器73的控制下形成从1700℃到1000℃逐级递减的线性温场，并通过温度传感器将实时温度反馈至远程主机，远程主机根据温度情况控制集成控制器73，通过精准控制矩阵式保温管7内的温度，使得光纤在一个连续线性温场环境中能最大化的释放应力；
步骤⑤：通过矩阵式保温管降温7后，进入空气中进行自然冷却。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种低损耗单模光纤，其特征在于，包括由内而外依次设置的芯层、内包层和外包层，所述芯层采用掺锗的二氧化硅，所述内包层采用掺氟的二氧化硅，所述外包层采用二氧化硅，所述内包层具有凹陷的剖面结构。
2.如权利要求1所述的一种低损耗单模光纤，其特征在于，所述芯层的直径为7μm～8μm，所述内包层的直径为15μm～25μm。
3.如权利要求1所述的一种低损耗单模光纤，其特征在于，所述芯层的折射率为n1＝1.463～1.467，所述内包层的折射率为n2＝1.445～1.448，所述外包层的折射率为n3＝1.458。
4.如权利要求1所述的一种低损耗单模光纤，其特征在于，所述芯层中掺锗的质量分数为0.05wt％～0.08wt％。
5.如权利要求1所述的一种低损耗单模光纤，其特征在于，所述内包层中掺氟的质量分数为0.01wt％～0.02wt％。
6.一种低损耗单模光纤的拉丝工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤①：将预制棒塞入高温熔炉中进行拉丝，高温熔炉内的温度为1900℃～2200℃；
步骤②：通过延长尾管将预制棒推入高温熔炉中，同时通过密封石英件在推入预制棒后将高温熔炉的炉口进行密封；
步骤③：拉丝出炉后通过退火管进行退火，通过退火管对光纤进行缓慢降温，降温至1400℃～1700℃；
步骤④：退火管降温后，通过矩阵式保温管对光纤形成从1700℃到1000℃逐级递减的降温；
步骤⑤：通过矩阵式保温管降温后，进入空气中进行自然冷却。
7.如权利要求6所述的一种低损耗单模光纤的拉丝工艺，其特征在于，在步骤②中的所述密封石英件包括固定在所述高温熔炉的炉口的石英环，所述石英环内开设有相连通的通孔一和通孔二，通过所述通孔一容纳石英挡片，所述石英挡片套设在石英柱上并能在石英柱上移动，所述石英柱一端连接石英罩，所述石英柱和所述石英罩内设有同时贯穿所述石英柱和所述石英罩的通孔。
8.如权利要求7所述的一种低损耗单模光纤的拉丝工艺，其特征在于，所述通孔一直径大于所述通孔二的直径，所述通孔一的直径等于所述石英挡片的外径，所述石英挡片的内径等于石英柱的直径，所述石英罩的直径不小于所述石英环的外径，所述通孔的直径等于预制棒的延长尾管的直径。
9.如权利要求6所述的一种低损耗单模光纤的拉丝工艺，其特征在于，在步骤③中的所述退火管的外围设有钢护套，所述退火管和所述钢护套之间填充有硬质石墨毡，所述钢护套外侧设有水冷装置。
10.如权利要求6所述的一种低损耗单模光纤的拉丝工艺，其特征在于，在步骤④中的所述矩阵式保温管包括多个陶瓷管，多个所述陶瓷管呈矩阵式排列，每个所述陶瓷管内依次分散设有多个加热器，所有所述陶瓷管内的所有所述加热器皆与集成控制器连接。
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