CN110655321B - 一种低损耗光纤拉丝系统及其拉丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损耗光纤拉丝系统及其拉丝方法，其中低损耗光纤拉丝系统包括自上而下依次设置于拉丝塔架上的预制棒送棒装置、拉丝炉、水蒸气退火装置、脱水装置、冷却管涂覆器和固化装置，以及牵引装置和设于牵引装置一侧的收线装置；水蒸气退火装置和脱水装置的高度及水平位置均可调节，从而实现了一种可根据不同的光纤类型、不同的光纤拉丝速度而设置在不同位置的水蒸气退火装置及其拉丝方法，增设脱水装置，脱除残留在网格中的水，进而改善光纤内部的结构，达到降低光纤损耗的目的。

Description

一种低损耗光纤拉丝系统及其拉丝方法

技术领域

本发明涉及一种低损耗光纤拉丝系统及其拉丝方法。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，光纤在通信中的使用量日益增多，在长距离的传输过程中，由于传统光纤的损耗较高，间隔一段距离需要增加中继站来增加信号的强度，而中继站的价格相对较高，这就催生了光通信对低损耗光纤的需求。

光纤的损耗主要分为本征损耗和制造损耗。光纤的本征损耗是光纤的固有损耗，是无法避免的。光纤的制造损耗主要由在制造过程中引入的杂质的吸收损耗和结构缺陷引起。杂质吸收主要是在制棒过程中引入过渡金属离子等，随着原材料纯度的不断提高，预制棒制造工艺的完善，过渡金属离子量已经得到有效的控制，其对光纤损耗的影响也逐步降低。但是光纤的结构缺陷带来散射损耗却始终存在，主要受光纤内部的晶体结构影响，光纤内部晶体的结构主要受光纤的制造工艺影响，现有的光纤生产工艺包括熔融拉丝工序、退火工序、拉丝冷却工序、涂覆工序和固化工序，其中退火工序对光纤内部结构的影响至关重要。目前最主要的是用热退火，增加光纤表面的驰豫时间，释放光纤内部的应力，减少结构缺陷，但是不同类型的光纤（掺杂剂含量不同）结构驰豫的温度是不一样的；不同的拉丝度，达到结构驰豫温度的位置也是不一样的。另一种常见的光纤退火工艺采水蒸气热处理，这样制造出来的光纤未进行脱水处理即涂覆上涂覆保护材料，水即残留在光纤的网格中，随着时间的推移水会进一步向内部扩散，不仅会影响光纤的衰减，而且会对光纤的强度产生影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种低损耗光纤拉丝系统及其拉丝方法，针对以上专利存在的技术方面的不足，本发明提供了一种在根据不同的光纤类型、不同的光纤拉丝速度而设置在不同位置的水蒸气退火装置及其拉丝方法，以达到改善光纤内部的结构，降低光纤损耗的目的。

实现本发明目的的技术方案是：一种低损耗光纤拉丝系统，包括自上而下依次设置于拉丝塔架上的预制棒送棒装置、拉丝炉、水蒸气退火装置、脱水装置、冷却管、涂覆器和固化装置，以及牵引装置和设于牵引装置一侧的收线装置；所述水蒸气退火装置和脱水装置的高度及水平位置均可调节。

进一步地，所述拉丝塔架上安装有两套三自由度移动平台；所述三自由度移动平台包括X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构；所述水蒸气退火装置和脱水装置分别安装在两套三自由度移动平台的X轴驱动机构上，X轴驱动机构安装在Y轴驱动机构上，Y轴驱动机构安装在Z轴驱动机构上，Z轴驱动机构安装在拉丝塔架上；所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构的动力源为手动或者电机或者气缸。所述Z轴驱动机构带动Y轴驱动机构做升降运动，Y轴驱动机构带动X轴驱动机构在水平方向上做前后移动，两套三自由度移动平台的X轴驱动机构分别带动水蒸气退火装置和脱水装置在水平方向上做左右移动。

进一步地，当所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构的动力源为电机或者气缸时，所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构上均设有位置传感器。通过设置位置传感器，本系统配备的拉丝控制模块可以自动根据光纤类型、拉丝速度控制退火装置的位置。

进一步地，所述水蒸气退火装置为长度为300~600mm、直径为30~60mm的圆筒状玻璃管；所述水蒸气退火装置的入口下方20~70mm处设有至少两个沿周向均匀分布的气封气体入口；所述气封气体入口通过管道与气封气源相连，并通过MFC或者流量计控制气封气体的通入量；所述气封气体入口下方20~70mm处设有至少两个沿周向均匀分布的水蒸气入口；所述水蒸气入口通过管路与水蒸气发生装置相连。

进一步地，所述水蒸气退火装置的气封气体入口中通入的气封气体为惰性气体，流量为3~30L/min；所述水蒸气退火装置的水蒸气入口中通入的水蒸气的通入量为5-40L/min，并且在所述与水蒸气入口相连接的管道上设有流量装置控制水蒸气的通入量。

进一步地，所述水蒸气退火装置上设置水蒸气入口的位置设有双层空腔；所述双层空腔之间通过均匀分布的小孔连通；所述水蒸气入口沿周向均匀分布在外部空腔的外周面上。

进一步地，所述水蒸气退火装置的水蒸气入口下方的玻璃管外包覆有加热带；所述加热带外缠绕有保温棉。

进一步地，所述脱水装置为圆筒形玻璃管，并且设置于水蒸气退火装置下方50~200mm处；所述脱水装置距上口20~70mm的位置设有至少两个沿周向均匀分布的脱水气体入口；所述脱水气体入口中通入的脱水气体为干燥的惰性气体，流量为3~30L/min。

上述一种低损耗光纤拉丝系统的拉丝方法，包括以下步骤：

步骤一，预制棒通过预制棒送棒装置送入拉丝炉；

步骤二，预制棒经拉丝炉加热融化并拉制成光纤后送入水蒸气退火装置进行退火，在此过程中，调节水蒸气退火装置的水平位置，使光纤处于水蒸气退火装置的相对中心的位置，并调节水蒸气退火装置的高度，使其处于光纤退火温度附近；

步骤三，退火后的光纤送入脱水装置，脱除光纤中的水分，在此过程中，调节脱水装置的水平位置，使光纤处于脱水装置的相对中心的位置，并调节脱水装置的高度，使脱水装置始终与水蒸气退火装置保持距离；

步骤四，经脱水装置出来的光纤经过冷却管进行冷却后，进入涂覆器涂覆相应的起保护作用的涂覆涂料，涂覆器可以是1个，即湿对湿一次涂覆，也可以是2个，即湿对干，涂覆一层内涂固化后再涂覆外层涂料；

步骤五，经涂覆后的光纤进入到固化装置进行涂覆层的固化；

步骤六，涂覆固化后的光纤经牵引装置后进入到收线装置缠绕成大盘。

进一步地，一种低损耗光纤拉丝系统的拉丝方法，所述水蒸气退火装置的高度的计算公式为：

，

其中，X为光纤熔锥部位到所需温度T_X的距离，T_S为环境温度，T₀为光纤预制棒熔锥部位光纤的温度，ρ为光纤密度，C_p为光纤比热，D为光纤直径，h为玻璃的热传导系数，V为光纤拉丝速度。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：（1）本发明的水蒸气退火装置和脱水装置的高度及水平位置均可调节，因此可以使水蒸气退火装置根据光纤的退火温度和拉丝速度下，调节水蒸气退火装置和脱水装置的位置，使水蒸气退火装置始终处在光纤退火温度的位置，从而改善光纤内部缺陷，达到降低光纤损耗的目的。

（2）本发明在水蒸气退火装置下方设置脱水装置，脱除水蒸气退火过程中用于促进光纤驰豫的水分子，避免这部分水分子长时间残留在晶体网格中，在提高光纤强度的同时减少了光纤损耗。

（3）本发明拉丝炉和冷却管上均安装有三自由度移动平台，实现水蒸气退火装置在垂直于光纤行进方向平面上的自动移动。各移动平台的驱动装置上设有位置传感器，能够实现自动调节水蒸气退火装置和脱水装置的位置，同时距离控制更加精准，保证光纤始终行进在水蒸气退火装置的相对中间位置。

（4）本发明水蒸气退火装置的水蒸气入口处设置成双层空腔，减小了水蒸气进入圆筒状退火装置时的气压，从而减小光纤在圆筒状退火装置中的扰动，进而提高涂覆的质量。

（5）本发明水蒸气退火装置的外周面上部设有气封气体入口，气封气体主要起到气封作用，防止水蒸气从上口溢出，影响退火工艺效果，从而降低光纤损耗。

（6）本发明水蒸气退火装置的水蒸气入口下方部分的玻璃管外包覆有加热带，使玻璃管保持一定的温度，有效防止水蒸气在玻璃管上冷凝，提高退火工艺效果，降低光纤损耗。

（7）本发明设有流量控制装置，从而精准控制进入水蒸气退火装置内的水蒸气和气封气体流量，提高退火工艺效果，进一步降低光纤损耗。

（8）本发明提出的拉丝系统结构简单、工艺方法简便，成本低，易实现。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为实施例1的水蒸气退火装置结构示意图。

图3为实施例2的水蒸气退火装置结构示意图。

附图中的标号为：

预制棒送棒装置1、拉丝炉2、水蒸气退火装置3、气封气体入口31、水蒸气入口32、小孔33、脱水装置4、冷却管5、涂覆器6、固化装置7、牵引装置8、收线装置9。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

（实施例1）

如图1和图2所示的低损耗光纤拉丝系统，包括自上而下依次设置于拉丝塔架上的预制棒送棒装置1、拉丝炉2、水蒸气退火装置3、脱水装置4、冷却管5、涂覆器6和固化装置7，以及牵引装置8和设于牵引装置8一侧的收线装置9。

拉丝塔架上安装有两套三自由度移动平台，该三自由度移动平台包括X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构，水蒸气退火装置3和脱水装置4分别安装在两套三自由度移动平台的X轴驱动机构上，X轴驱动机构安装在Y轴驱动机构上，Y轴驱动机构安装在Z轴驱动机构上，Z轴驱动机构安装在拉丝塔架上。Z轴驱动机构带动Y轴驱动机构做升降运动，Y轴驱动机构带动X轴驱动机构在水平方向上做前后移动，两套三自由度移动平台的X轴驱动机构分别带动水蒸气退火装置3和脱水装置4在水平方向上做左右移动，从而实现了水蒸气退火装置3和脱水装置4的高度及水平位置均可调节。

X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构的动力源为手动或者电机或者气缸。

当X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构的动力源为电机或者气缸时，X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构上均设有位置传感器。位置传感器可以选择但不限于激光位置传感器或者光栅尺。通过设置位置传感器，本系统配备的拉丝控制模块可以自动根据光纤类型、拉丝速度控制退火装置的位置。

如图2所示，水蒸气退火装置3为长度为300~600mm、直径为30~60mm的圆筒状玻璃管，水蒸气退火装置3的入口下方20~70mm处均匀分布四个气封气体入口31，主要起到气封作用，防止水蒸气从上口溢出，影响退火工艺效果。气封气体入口31通过管道与气封气源相连，并通过MFC或者流量计控制气封气体的通入量。气封气体入口31中通入的气封气体为惰性气体，流量为3~30L/min。

气封气体入口31下方20~70mm处均匀分布四个水蒸气入口32。水蒸气入口32通过管路与水蒸气发生装置相连。水蒸气入口32中通入的水蒸气的通入量为5-40L/min，并且在所述与水蒸气入口32相连接的管道上设有流量装置控制水蒸气的通入量。

通过精准控制进入水蒸气退火装置内的水蒸气和气封气体流量，有效提高了退火工艺效果。

水蒸气入口32下方的玻璃管外包覆有加热带；加热带外缠绕有保温棉，使玻璃管保持一定的温度，有效防止水蒸气在玻璃管上冷凝，进一步提高退火工艺效果，降低光纤损耗。

脱水装置4结构与水蒸气退火装置3相近，为圆筒形玻璃管，并且设置于水蒸气退火装置3下方50~200mm处，脱水装置4距上口20~70mm的位置均匀分布四个脱水气体入口。脱水气体入口中通入的脱水气体为干燥的惰性气体，流量为3~30L/min。脱水装置4用于脱除水蒸气退火过程中用于促进光纤驰豫的水分子，避免这部分水分子长时间残留在晶体网格中，在提高光纤强度的同时减少了光纤损耗。脱水装置4在平行于光纤行进方向上根据水蒸气退火装置3的移动而移动，始终与水蒸气退火装置3保持50~200mm的距离。

涂覆器6可以是1个，即湿对湿一次涂覆，也可以是2个，即湿对干，涂覆一层内涂固化后再涂覆外层涂料。

本实施例的低损耗光纤拉丝系统进行拉丝的方法，包括以下步骤：

第一步，预制棒通过预制棒送棒装置1送入拉丝炉2；

第二步，预制棒经拉丝炉2加热融化并拉制成光纤后送入水蒸气退火装置3进行退火，采用加热的方式来产生水蒸气，在此过程中，调节水蒸气退火装置3的水平位置，使光纤处于水蒸气退火装3的相对中心的位置，并调节水蒸气退火装置3的高度，使其处于光纤退火温度附近，使退火效果达到最佳；水蒸气退火装置在平行于光纤方向上的位置可通过自然冷却公式进行计算，公式为：

，

其中，X为光纤熔锥部位到所需温度TX的距离，TS为环境温度，T0为光纤预制棒熔锥部位光纤的温度，ρ为光纤密度，C_p为光纤比热，D为光纤直径，h为玻璃的热传导系数，V为光纤拉丝速度。可以将公式集成到拉丝控制模块中，软件根据不同的拉丝速度，自动控制光纤退火装置在光纤行进方向上移动，使光纤退火装置处于光纤退火温度TX的位置。用气管将四个气封气体入口31与浮子流量计连接，气封气体为惰性气体，实施例1采用氮气作为气封气体，通过用浮子流量计控制其流量为15L/min。用气管将4个水蒸气入口32与水蒸气发生装置相连接，在水蒸气发生装置出口设有浮子流量计控制进入水蒸气退火装置的水蒸气的量为25L/min。水蒸气进入口下方的玻璃管外缠绕有加热带，保证玻璃管的温度，防止水蒸气在玻璃管壁发生冷凝。

第三步，退火后的光纤送入脱水装置4，脱水气体为干燥的惰性气体，实施例1采用干燥的氮气，通过拉丝控制模块自动控制干燥氮气的通入量为25L/min。脱除光纤中的水分，在此过程中，调节脱水装置4的水平位置，使光纤处于脱水装置4的相对中心的位置，防止光纤与脱水装置4的玻璃管壁发生碰擦，造成塔断或者光纤强度问题，并调节脱水装置4的高度，使脱水装置4始终与水蒸气退火装置3保持距离。

第四步，经脱水装置4出来的光纤经过冷却管5进行冷却后，进入涂覆器6涂覆相应的起保护作用的涂覆涂料；

第五步，经涂覆后的光纤进入到固化装置7进行涂覆层的固化；

第六步，涂覆固化后的光纤经牵引装置8后进入到收线装置9缠绕成大盘。

经测试，经过本实施例提供的拉丝方法所拉制的光纤的损耗仅为0.19dB/km。

（实施例2）

本实施例与实施例1的低损耗光纤拉丝系统结构相近，不同之处在于水蒸气退火装置3，采用微波的方式来产生水蒸气，此外，如图3所示，实施例2的水蒸气退火装置3在实施例1的基础上增设双层空腔，位于水蒸气入口32的外周位置，双层空腔之间通过均匀分布的小孔33连通，减小了水蒸气进入圆筒状退火装置时的气压，从而减小光纤在圆筒状退火装置中的扰动，进而提高涂覆的质量。为了防止水蒸气在管道中凝结，可以采用双层管道，外层通入循环热水，使玻璃管保持一定的温度，有效防止水蒸气在玻璃管上冷凝，进一步提高退火工艺效果，降低光纤损耗。

利用实施例2的低损耗光纤拉丝系统进行拉丝的方法与实施例1相同，经测试，经过实施例2的工艺所拉制光纤的损耗仅为0.18dB/km。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低损耗光纤拉丝系统，其特征在于：包括自上而下依次设置于拉丝塔架上的预制棒送棒装置（1）、拉丝炉（2）、水蒸气退火装置（3）、脱水装置（4）、冷却管（5）、涂覆器（6）和固化装置（7），以及牵引装置（8）和设于牵引装置（8）一侧的收线装置（9）；所述水蒸气退火装置（3）和脱水装置（4）的高度及水平位置均可调节；所述拉丝塔架上安装有两套三自由度移动平台；所述三自由度移动平台包括X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构；所述水蒸气退火装置（3）和脱水装置（4）分别安装在两套三自由度移动平台的X轴驱动机构上，X轴驱动机构安装在Y轴驱动机构上，Y轴驱动机构安装在Z轴驱动机构上，Z轴驱动机构安装在拉丝塔架上；所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构的动力源为手动或者电机或者气缸；所述脱水装置（4）为圆筒形玻璃管，并且设置于水蒸气退火装置（3）下方50~200mm处；所述脱水装置（4）距上口20~70mm的位置设有至少两个沿周向均匀分布的脱水气体入口；所述脱水气体入口中通入的脱水气体为干燥的惰性气体，流量为3~30L/min；

所述水蒸气退火装置（3）为长度为300~600mm、直径为30~60mm的圆筒状玻璃管；所述水蒸气退火装置（3）的入口下方20~70mm处设有至少两个沿周向均匀分布的气封气体入口（31）；所述气封气体入口（31）通过管道与气封气源相连，并通过MFC或者流量计控制气封气体的通入量；所述气封气体入口（31）下方20~70mm处设有至少两个沿周向均匀分布的水蒸气入口（32）；所述水蒸气入口（32）通过管路与水蒸气发生装置相连；

所述水蒸气退火装置（3）上设置水蒸气入口（32）的位置设有双层空腔；所述双层空腔之间通过均匀分布的小孔（33）连通；所述水蒸气入口（32）沿周向均匀分布在外部空腔的外周面上。

2.根据权利要求1所述的一种低损耗光纤拉丝系统，其特征在于：当所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构的动力源为电机或者气缸时，所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴驱动机构上均设有位置传感器。

3.根据权利要求1所述的一种低损耗光纤拉丝系统，其特征在于：所述水蒸气退火装置（3）的气封气体入口（31）中通入的气封气体为惰性气体，流量为3~30L/min；所述水蒸气退火装置（3）的水蒸气入口（32）中通入的水蒸气的通入量为5-40L/min，并且在与所述水蒸气入口（32）相连接的管道上设有流量装置控制水蒸气的通入量。

4.根据权利要求1所述的一种低损耗光纤拉丝系统，其特征在于：所述水蒸气退火装置（3）的水蒸气入口（32）下方的玻璃管外包覆有加热带；所述加热带外缠绕有保温棉。

5.根据权利要求1所述的一种低损耗光纤拉丝系统的拉丝方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，预制棒通过预制棒送棒装置（1）送入拉丝炉（2）；

步骤二，预制棒经拉丝炉（2）加热融化并拉制成光纤后送入水蒸气退火装置（3）进行退火，在此过程中，调节水蒸气退火装置（3）的水平位置，使光纤处于水蒸气退火装置（3）的相对中心的位置，并调节水蒸气退火装置（3）的高度，使其处于光纤退火温度附近；

步骤三，退火后的光纤送入脱水装置（4），脱除光纤中的水分，在此过程中，调节脱水装置（4）的水平位置，使光纤处于脱水装置（4）的相对中心的位置，并调节脱水装置（4）的高度，使脱水装置（4）始终与水蒸气退火装置（3）保持距离；

步骤四，经脱水装置（4）出来的光纤经过冷却管（5）进行冷却后，进入涂覆器（6）涂覆相应的起保护作用的涂覆涂料；

步骤五，经涂覆后的光纤进入到固化装置（7）进行涂覆层的固化；

步骤六，涂覆固化后的光纤经牵引装置（8）后进入到收线装置（9）缠绕成大盘。

6.根据权利要求5所述的一种低损耗光纤拉丝系统的拉丝方法，其特征在于：所述水蒸气退火装置（3）的高度的计算公式为：

，

其中，X为光纤熔锥部位到所需温度T_X的距离，T_S为环境温度，T₀为光纤预制棒熔锥部位光纤的温度，ρ为光纤密度，C_p为光纤比热，D为光纤直径，h为玻璃的热传导系数，V为光纤拉丝速度。