CN110746110A

CN110746110A - 改进的1550低损耗光纤制造设备及操作方法

Info

Publication number: CN110746110A
Application number: CN201911257818.0A
Authority: CN
Inventors: 龚成; 王秋萍; 刘成; 赵禹
Original assignee: Putian Cable Group Co Ltd
Current assignee: Putian Cable Group Co Ltd
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-02-04

Abstract

本发明公开了一种改进的1550低损耗光纤制造设备及操作方法，在拉丝炉装置内，控制预制棒锥头成型的拉丝升速过程的温度，光纤经延伸管进入保温炉装置，将光纤再一次加热，使光纤的内外温度差降低；并在陶瓷管内对光纤进行保温退火，光纤经拉伸后进入涂覆模座；在拉丝过程当涂覆压力大于0.05MPa则单向阀开启，涂料进入模座，完成光纤的涂覆。本发明能够使预制棒锥头熔融区温度梯度缓慢变化，减小了预制棒横向内应力，降低了因预制棒熔融区锥头倾斜带来剪切力导致的附加衰减，避免了因改变折射率剖面结构而带来的瑞利散射，减少了光纤涂覆过程的微弯损耗。

Description

改进的1550低损耗光纤制造设备及操作方法

技术领域

本发明涉及光纤及光纤生产设备，特别涉及一种改进的1550低损耗光纤制造设备及操作方法。

技术背景

随着光通信信息技术的快速发展，对光纤需求量日益增大。在原有基础上提高拉丝速度以及大直径预制棒生产无形中增大了光纤的衰减。光纤的衰减是衡量光纤性能的关键指标之一。它决定了光纤通信系统所能达到的最大无中继传输距离以及信号的质量。所以降低传输过程光纤的衰减，显然已经成为每个光纤生产厂家最为关注的要点。现在光纤拉丝技术虽然比较成熟,但既要满足当代光纤生产厂家高产量生产,又要满足客户低衰减及其他良好性能的光纤使用要求，显然以往的螺旋式拉丝炉感应线圈由于产生的磁感线倾斜导致温度场不均匀影响光纤衰减、简单的延伸管保温退火由于不能够充分的消除光纤本身产生的内应力造成的散射损耗以及简单的涂覆供料装置由于不能充分消除气泡/杂质带来的微弯损耗，所以这些已经不能满足高品质光纤生产。

在预制棒工艺成型的状态下，应尽可能在预制棒到光纤成形过程中，避免因石英分子受拉伸应力引起分子结构的缺陷而导致密度分布的不均匀性；以及防止光纤涂层不均匀引起光纤表层应变产生的微弯损耗。光纤在1550nm波段的损耗主要是瑞利散射引起的散射损耗,对于G652D光纤而言,降低光纤的瑞利散射损耗在于保证石英分子密度分布的均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的1550低损耗光纤制造设备及方法。在光纤拉丝工艺中，从预制棒到光纤成形过程中，保证石英分子受拉伸应力中分子结构密度分布的均匀性，保证光纤涂层的均匀减少因光纤涂层引起的光纤表层应变产生的微弯损耗。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种改进的1550低损耗光纤制造设备，包括拉丝炉装置、保温炉装置和涂覆系统，所述拉丝炉装置的上方设置有挂棒台，挂棒台下方挂装有预制棒，拉丝炉装置中的拉丝金属体内安装有拉丝支架，拉丝支架的外周设置有拉丝线圈引线架，拉丝支架内安装有拉丝石墨件，拉丝石墨件的外周设置有拉丝铜线圈，所述拉丝铜线圈为平行环状排列，长度为0.8~1.2M，匝数为7~9匝；拉丝石墨件的外周设置有拉丝气腔体，预制棒的下端为锥头熔融区，锥头熔融区位于拉丝气腔体内；

所述保温炉装置的保温金属体内装有外周带有保温线圈引线架的保温支架，保温支架内装有保温石墨件，保温石墨件的外周设置有保温铜线圈，所述保温铜线圈为平行环状排列，长度为0.6~1.0M，匝数为4~7匝；保温石墨件的中间为保温气腔体，保温石墨件的下方设置有陶瓷管；

所述拉丝气腔体的下端通过延伸管与保温气腔体的上端连接；

所述涂覆系统中涂料罐、缓存罐和过滤器依次通过管道连接，过滤器通过依次滤网和单向阀与涂覆模座管路连接；

所述陶瓷管的下方通过冷却管与涂覆模座连接，冷却管与涂覆模座之间设置有张力计；涂覆模座的下方出口装有固化灯，固化灯与收线盘之间装有牵引轮；锥头熔融区出口的光纤依次通过延伸管、保温气腔体、陶瓷管、冷却管、张力计、涂覆模座、固化灯和牵引轮到收线盘。

进一步，所述陶瓷管的长度为0.7~1.3M 。

进一步，所述过滤器的滤孔为2~4um 。

进一步，所述滤网的滤孔为1~2um 。

一种改进的1550低损耗光纤制造设备的操作方法，其步骤如下：

步骤1：在拉丝炉装置内，控制预制棒锥头成型的拉丝升速过程的温度为1970℃~2200℃，以3℃的步级升速，速度平滑升高达到2000~2200m/min，拉丝之后，光纤经延伸管进入保温炉装置；

步骤2：在保温炉装置内，将光纤再一次加热到1300℃~1400℃，使光纤的内外温度差降低，并在陶瓷管内对光纤进行保温退火，使光纤的温度缓慢降温至800~1000℃并经牵引轮进行光纤的拉伸，张力计通过调控预制棒的进棒速度和拉丝炉装置的温度来控制光纤张力为80~100g；光纤经拉伸后进入涂覆模座；

步骤3：在冷却管中，通过冷却管里面的氦气对光纤进行热交换处理，使光纤的温度降低到50~60℃，降温后的光纤再进入涂覆系统中；

步骤4：在涂覆系统中，设定单向阀的开启压力为0.05MPa，涂料进入模座，完成光纤的涂覆；单向阀用于防止涂覆模座及其管道内的涂料回流到过滤器内而形成气泡；

步骤5：涂覆系统中涂覆的光纤进入固化灯进行涂覆树酯的紫外固化。

进一步，所述拉丝升速过程中对于Φ150mm 预制棒的进棒速度为2mm/min，步级升速时间为55~65min。

进一步，所述拉丝升速过程中对于Φ200mm预制棒的进棒速度为1mm/min，步级升速时间为85~95min。

本发明能够使预制棒锥头熔融区温度梯度缓慢变化，减小了预制棒横向内应力，降低了因预制棒熔融区锥头倾斜带来剪切力导致的附加衰减，避免了因改变折射率剖面结构而带来的瑞利散射。降低了光纤结构中分子键的断裂，减少了结构缺陷，使得瑞利散射引起的损耗大大减少。有效地防止了因光纤骤冷带来的内部聚集应力带来的微裂纹现象，减少了光纤涂覆过程的微弯损耗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明中拉丝铜线圈6和保温铜线圈13的平行环状排列结构示意图；

图3为本发明中光纤的1550衰减与常规工艺光纤的1550衰减数值对比曲线图。

图中：1-挂棒台，2-预制棒，3-拉丝金属体，4-拉丝石墨件，5-拉丝线圈引线架，6-拉丝铜线圈，7-拉丝支架，8-锥头熔融区，9-拉丝气腔体，10-延伸管，11-保温金属体，12-保温线圈引线架，13-保温铜线圈，14-保温支架，15-保温石墨件，16-保温气腔体，17-陶瓷管，18-冷却管，19-张力计，20-涂覆模座，21-单向阀，22-滤网，23-过滤器，24-缓存罐，25-涂料罐，26-固化灯，27-牵引轮，28-收线盘，29-光纤；001-拉丝炉装置，002-保温炉装置，003-涂覆系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。参见图1和图2，挂设在挂棒台1下方预制棒2的锥头熔融区8处于拉丝炉001的拉丝气腔体9中，其中拉丝炉001包含拉丝金属体3、拉丝线圈引线架5、拉丝铜线圈6、拉丝支架7以及拉丝石墨件4。有拉丝铜线圈6产生的涡流作用于拉丝石墨件4上进而产生热量，对锥头熔融区8进行加热，然后经过延伸管10进行退火处理，由于拉丝速度过快为了更好的对光纤进行退火处理光纤需要经过保温炉装置002，其中保温炉装置002的上半部分由保温金属体11、保温线圈引线架12、保温铜线圈13、保温支架14和保温石墨件15组成。光纤保温炉装置002下半部分由陶瓷管17构成。保温炉装置002内部光纤通道有保温气腔体16构成。经过以上过程可以有效防止因光纤骤冷带来的内部聚集应力带来的微裂纹现象。从保温炉装置002出来的光纤要经过冷却管18以后才能进行涂覆，其中张力计19主要是检测光纤张力大小进而调整控制预制棒2的进棒速度以及拉丝炉装置001的炉温。光纤29进入涂覆模座20之前所用的涂料要经过涂覆系统003，涂覆系统003有涂料罐25、用于缓存涂料的缓存罐24、过滤气泡/杂质的过滤器23、防止涂料回流的单向阀21、再次过滤涂料的过滤网22。光纤29经过涂覆模座20后，再经过固化灯26进行固化。最后光纤29经过牵引轮27进入收线盘28。

（1）加热区增长的平行环状线圈感应拉丝炉：

其结构特征是拉丝炉中的拉丝铜线圈6在原有的基础上增加1匝，并且拉丝铜线圈6由原来的螺旋式改造成平行环状式（如图2所示），匝数增加即延长了拉丝炉装置001内部温场，能够使锥头熔融区8温度梯度缓慢变化，延长锥头熔融区8的长度，使每个单位方向锥头熔融区8的直径变化缓慢，减小锥头熔融区8的横向内应力。拉丝铜线圈6由原来螺旋式更改成平行环状排列样式（如图2所示），主要是因为平行环状排列样式线圈内部产生的电磁场垂直度更好，不会带来温场倾斜导致锥头熔融区8四周受热不均匀带来分子间附加剪切力影响预制棒折射率剖面结构。这样既可以降低因锥头熔融区8的倾斜带来剪切力导致的附加衰减，又可以避免因改变折射率剖面结构而带来的瑞利散射。

（2）拉丝升速过程锥头成型控制：

拉丝升速过程是锥头熔融区8成型过程。合适的进棒速度，合适的升温温度以及合适的收线速度梯度是控制成型，降低石英分子受拉伸应力引起分子结构的缺陷，从而导致密度分布不均匀性的关键。拉丝工艺中要降低石英分子受拉伸应力引起分子结构的缺陷，就必须使速度滞后保持一个适当的梯度，使锥头熔融区8的截面各点在拉丝时均以与质点流动路径成正比的速度梯度沿轴向被拉伸,否则预制棒原有的折射率剖面分布在拉伸过程中会产生畸变,引起石英分子结构的缺陷，从而导致光纤性能恶化。拉丝炉装置001的温度过高时,锥头熔融区8表面粘度偏低。由于石英玻璃是热的不良导体,热传导滞后,预制棒2中心温度偏低,导致速度滞后增大。拉丝炉装置001的温度过低时，石英玻璃的粘度随温度变化的斜率增大，使预制棒2表面和轴心的粘度差增大，也导致速度滞后增大。速度滞后也会导致光纤29内较大应力及应变，从而造成光纤29结构中分子键的断裂，形成结构缺陷。根据实际经验，直径150mm预制棒2以2mm/min进棒速度要60min左右升速过程，预制棒2成型较好，缩颈段以及拉伸段在变径过程内部应力释放最充分，拉丝光纤衰减较小。根据实际经验直径200mm预制棒2以1mm/min进棒速度要90min左右升速过程，预制棒2成型较好，缩颈段以及拉伸段在变径过程内部应力释放最充分，从而降低了光纤29结构中分子键的断裂，减少了结构缺陷，使得瑞利散射引起的损耗大大减少。

（3）保温炉装置：

保温炉装置002其特征是：光纤29在拉丝炉装置001内形成之后，随后进入冷却管18逐步由高温（800 ℃以上）冷却到50~60℃，再进入涂覆系统003。在冷却管18内冷却过程，玻璃经历了粘度由低到高的变化。在这个冷却过程中，对光纤衰减至关重要的是光纤玻璃由软化态向凝固态转变的转变温度T。T的高低代表了光纤29在冷却过程中的退火程度。T越低，玻璃内的应力释放越完全，由密度不均匀造成的瑞利散射的系数就越低。普通拉丝塔正常情况下，光纤29从拉丝炉内成型后温度约为1800℃，在经过1.5~1.8米延伸管后温度在800℃左右，由于拉丝速度较快光纤29冷却过程中，内部应力无法充分释放，致使产生分子结构的缺陷，从而导致密度分布不均匀光纤衰减较大。在延伸管10改造后，长度缩短到0.8~1.2米，光纤29出延伸管10温度约为1200℃左右。所以，在优化缩短的延伸管10下再安装保温炉装置002，上半部分有加热用保温铜线圈13进行加热，保温铜线圈13为平行环状排列（如图2所示），其长度为0.6~1.0米，匝数为4~7匝；使光纤29再一次加热到1300℃-1400℃，使光纤29内外温度差降低，细化石英晶粒减少裂纹延展，使内部残余的内应力再一次得到充分释放。保温炉装置002下半部分有陶瓷管17构成，对光纤29进行再次保温退火，其长度为0.7~1.3米，使从保温炉装置002下半部分的陶瓷管17出的光纤29温度进行缓慢降温至800~900℃。经过以上过程，可以有效防止因光纤29骤冷带来的内部聚集应力带来的微裂纹现象，最终降低光纤的散射损耗。

（4）涂覆系统除气泡/杂质装置：

涂覆系统003其特点是：缓存罐24可以对涂料进行充分静止排除气泡，在出现涂料罐25排空时，则可以保证气泡不会立刻进入涂覆模座20。因为在长时间拉丝过程，涂覆系统003内的涂料因热固化容易产生凝胶以及涂料里面的杂质等，很容易进入涂覆模座20，导致出现各种涂覆缺陷影响光纤29的性能。过滤网22能够进一步处理掉在过滤器23到涂覆模座20过程的气泡/杂质。单向阀21开启压力为0.05MPa，是为了防止在拉丝结束过程涂覆模座20处的涂料回流到过滤器23时产生回流气泡，在再次拉丝时由于气泡导致涂层和光纤之间存在空隙而导致光纤29微弯损耗。经过涂覆系统003的处理，能够确保进入涂覆模座20的涂料既没有气泡又没有杂质等，降低了涂覆问题，即减少了光纤涂覆过程的微弯损耗。

经过以上设备选用改造以及工艺控制，对同一根棒进行前后分两段拉丝对比实验，选出1550波段衰减数值和常规工艺拉丝1550衰减对比（如图3所示）。经过制造方法的改进，拉丝炉的拉丝铜线圈6由平行环状式代替以前螺旋式、7匝换成8匝，拉丝升速过程锥头熔融区成型控制、拉丝炉延伸管由1.8米缩短到1.0米、在拉丝炉延伸管下面增加保温炉装置，利用涂覆系统003装置的除气泡/杂质装置，降低了气泡/杂质对光纤29衰减的影响。生产设备方面：加热区增长的平行式线圈感应拉丝炉装置001、光纤保温炉装置002、涂覆系统003除气泡/杂质装置。分别对五根套管棒（RIC）棒做实验，对同一根预制棒2前后两段分别拉制的光纤29在1550nm波段衰减数据进行统计均值分析由以前的0.184~0.196dB/KM和总均值0.189dB/KM，优化到现在的0.177~0.185dB/KM和总均值0.182dB/KM。均值减小0.007dB/KM更能满足市场需求。

本发明从预制棒2到光纤29成形过程中，保证了石英分子不受拉伸应力引起分子结构的缺陷，从而导致密度分布的不均匀性，同时防止了光纤内涂层不均匀引起光纤表层应变产生的微弯损耗。

Claims

1.一种改进的1550低损耗光纤制造设备，包括拉丝炉装置、保温炉装置和涂覆系统，其特征在于: 所述拉丝炉装置的上方设置有挂棒台，挂棒台下方挂装有预制棒，拉丝炉装置中的拉丝金属体内安装有拉丝支架，拉丝支架的外周设置有拉丝线圈引线架，拉丝支架内安装有拉丝石墨件，拉丝石墨件的外周设置有拉丝铜线圈，所述拉丝铜线圈为平行环状排列，长度为0.8~1.2M，匝数为7~9匝；拉丝石墨件的外周设置有拉丝气腔体，预制棒的下端为锥头熔融区，锥头熔融区位于拉丝气腔体内；

2.根据权利要求1所述的改进的1550低损耗光纤制造设备，其特征在于，所述陶瓷管的长度为0.7~1.3M 。

3.根据权利要求1所述的改进的1550低损耗光纤制造设备，其特征在于，所述过滤器的滤孔为2~4um 。

4.根据权利要求1所述的改进的1550低损耗光纤制造设备，其特征在于，所述滤网的滤孔为1~2um 。

5.一种如权利要求1所述的光纤制造设备的操作方法，其特征在于，其步骤如下:

6.根据权利要求5所述的操作方法，其特征在于，所述拉丝升速过程中对于Φ150mm 预制棒的进棒速度为2mm/min，步级升速时间为55~65min。

7.根据权利要求5所述的操作方法，其特征在于，所述拉丝升速过程中对于Φ200mm预制棒的进棒速度为1mm/min，步级升速时间为85~95min。