CN1204071C - 光纤在拉丝过程中的冷却方法 - Google Patents

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CN1204071C CNB001355872A CN00135587A CN1204071C CN 1204071 C CN1204071 C CN 1204071C CN B001355872 A CNB001355872 A CN B001355872A CN 00135587 A CN00135587 A CN 00135587A CN 1204071 C CN1204071 C CN 1204071C
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Abstract

一种光纤(7)在拉丝过程中的冷却方法是在至少一个冷却区(10、11、13)中与至少一种流体进行接触，其特征在于其中有一个快冷却(10)，即较空气冷却为快的冷却，使光纤(7)从从初始温度过渡到所述光纤(7)的快冷却的末温度，然后接着一个慢冷却(11)，即较空气冷却为慢的冷却，以使光纤(7)从慢冷却的开始温度过渡到光纤(7)慢冷却的末温度。

Description

光纤在拉丝过程中的冷却方法
本发明涉及的是光纤在拉丝过程中的冷却方法，是在至少一个冷却区，和至少一种冷却流体进行的。
有多种类型的光纤：氧化物玻璃基光纤、氟化物基光纤、聚合物基的塑料光纤。氧化物基光纤通常为石英玻璃，通常是用热拉丝制造，或从一个预制件开始拉丝，这个预制件为一粗的石英玻璃圆柱体。通常至少部分掺杂，其直径一般在20至200mm之间，其长度通常在300至2000mm之间。图1示意性地画出拉丝塔(tour de fibrage)1。预制件2在拉丝炉3中熔化，拉丝炉3将预制件2的温度保持在2000℃。这样得到的光纤7在空气中冷却，然后在至少一个冷却装置4中冷却，最后，在进入保护层装置之前又用空气冷却。在拉丝塔1中的冷却装置4的位置通常要经过优选，以便在树脂整理处有一合适的温度。保护层装置为光纤7加上至少一层保护层树脂，这层树脂通常是紫外光网格化的。在装置5中一般有至少一个喷涂装置(5a、5c)，每个后面跟着一个网格化装置(5b、5d)。在图1所示的情况下，装置5中有第一树脂喷涂装置5a，其后跟着用紫外光将喷涂的树脂网格化的装置5b，然后是第二树脂喷涂装置5c，它的后面又有将这喷涂的树脂网格化的装置5d。最后由绞盘6将加了保护层的光纤8抽出，然后绕在卷筒9上。
上面所述的拉丝炉3是沿着同一条向下的竖直线Z，通常是沿着拉丝炉(four de fibrage)3的底部铅直向下，如竖直标z所示。图1中所示出的装置的所有组件都是技术人员所熟悉的。另外，在上面没有示出的其它部件也是技术人员所熟悉的，例如未加保护层和/或加了保护层光纤的直径的测量装置、光纤在第一保护层和第二保护层中的偏心情况的测量装置、在给定的铅直标度的光纤温度的测量装置都是属于已知技术。
所述的冷却应该使得光纤在从拉丝炉出口处保持的温度可与要涂的保护树脂的温度相当，就是说，约为50℃。事实上，光纤在拉丝炉出口处的温度很高，对于石英基的光纤来说根据使用的拉丝炉和使用的拉丝速度，一般在1000-2000℃。光纤在拉丝炉出口到保护层装置的入口间的冷却就是在拉丝中要解决的重要问题，越要提高拉丝的速度，这个问题就越重要。已经知道，光纤的衰减和冷却条件有关，也知道，如果光纤在保护层装置入口处的温度太高，则会出现一些问题，由于光纤在保护层中偏心而影响保护层的质量。然而，在几年前，在工业生产中石英基光纤的拉丝速度已达到300m/mn，逐渐地到今天已经达到约1500m/mn或更高。这种倾向是和生产率的提高相连系的，这是光纤工艺的重要目标之一，在今天得到验证。
在制造氟化物基的光纤的情况下，制造方法的原理是一样的，但预制件通常要小，直径在15到20mm，最大长度为几个几十厘米，例如10cm，而在拉丝炉出口处的温度通常在300到450℃之间，这就可以存在同样的问题。在制造聚合物材料基的光纤的情况下，也是使用相同的方法，在这里，预制件的尺寸更小，通常直径为几十个mm，如80mm，最大长度为几十个厘米，例如50cm，在拉丝炉出口处的温度一般在200-250℃之间，这存在有同样的问题。在后面的叙述中，是以石英基光纤进行描述的，而这种描述对于其它类型的光纤同样适用，即对于不同于石英的玻璃为基的光纤同样适用。
已有多种装置用来冷却石英基光纤。一种可能的方案是增加冷却光纤与空气的交换面积，特别是使用增加拉丝炉与保护层装置之间的距离。然而这种方案就要求提高目前所用的拉丝塔的高度，这使投资项目太大。
另一种方案是提高在拉丝炉和保护层装置距离上的冷却的有效性。单一的空气冷却对于现在使用的拉丝塔是太不够了，除此之外在工业中所使用的各种不同的装置，例如在欧洲专利申请号为EP-A1-0,079,186所示出的装置，其共同原理是向处在拉丝炉出口的给定侧的光纤表面沿径向喷射一种气体，这种气体在处在热交换管的中心的一定长度的光纤上向上或向下循环。气体的热导率是技术人员所熟知，通常如空气、二氧化碳、氮气、氩气或氦气。或许混合氦和氮气是一种热传导源。最好用冷却流体对前述的管子进行周期性的冷却，通常的冷却流体是水。例如，专利US-A 4,761,168就描述了这种系统的一种改良型，此处是使气体在一根特殊形状的热交换管中沿光纤的长度方向流动，这保证了沿光纤长度方向流动的气体的有限层的有规律地替换。这种改善的目的在于提高热交换的有效性。
使用以前技术冷却光纤还有其它的一些问题，其中之一是制造时的冷却是在炉的出口和到通过保护层装置之前进行的，这就会非常明显的增加和光纤相关的瑞利(Rayleigh)散射，因此，增加准备要用的光纤的衰减的最大部分。然而，众所周知在光纤的使用波长处，即在约1310nm或1550nm处，光纤的衰减要尽可能小，以使光信号在述及的光纤中的传输最好。
因此，提出了多种方案来确定冷却的轮廓线，采用特殊的方法和/或装置来得到，以使光纤的瑞利散射最小。一般说来，是建议至少部分地应用慢冷却轮廓线，慢冷却就是说比空气冷却还要慢。例如，申请号为DE-A1-3,713,029就指出在拉丝炉出口处实施慢冷却。
然而，这些方法并不令人满意，因为这些方法不能将需要的衰减降到相对于最小的理论衰减为最低的水平而不损坏光纤的机械稳定性。
本发明的目的在于消除现有技术冷却系统的弊端，使得光纤在制造过程中的冷却得以改善，其目的还特别在于相对于已知的现有技术的冷却系统而言，使用本发明的冷却方法的拉丝方法，能明显地减少瑞利散射，因而明显地减少衰减，而且保持光纤的机械稳定性。
为此，本发明在于一种光纤在制造中的冷却方法，在至少一个冷却区中和至少一种冷却流体接触，
这种方法的特征在于：在一个快冷区进行快冷却，即较空气冷却为快的冷却，以使光纤从最初的温度：对于以石英玻璃基光纤在2000℃到1500℃之间，对掺氟玻璃基光纤，在450℃到250℃之间，对聚合物基的光纤在250℃到175℃之间，过渡到快冷却的末温度：对于石英基光纤在1700℃到1200℃之间，对于掺氟玻璃基的光纤在400℃到200℃之间，对聚合物基的光纤在225℃到75℃之间。然后进入一个慢冷区进行慢冷却，即较空气冷却为慢的冷却，从慢冷却的开始温度：对于石英玻璃基的光纤在1700℃到1000℃之间，对于掺氟玻璃基光纤在400℃到150℃之间，对于聚合物基的光纤在225℃到50℃之间，过渡到慢冷却的末温度：对于石英玻璃基的光纤在1500℃到700℃之间，对于掺氟玻璃基的光纤在350℃到25℃之间，对于聚合物基的光纤在200℃到25℃之间。
在快冷区和慢冷区之间可以有一个空气过渡区，而这并非是必须的。
在快冷区的快速冷却至少是快于空气冷却，最好是快许多。换言之，快冷却的瞬时斜率值
Figure C0013558700061
要比将光纤放在空气中冷却的瞬时斜率值要高，此处T表示光纤的温度，t表示时间。所说的这种冷却的瞬时斜率的值大于将光纤放在空气中的瞬时斜率，最好在快冷区的中部，更好是在大部分快冷区，再好的是在几乎全部快冷区。
在慢冷区的慢速冷却至少是慢于在空气中的冷却，最好慢得多。换言之，慢速冷却的瞬时斜率
Figure C0013558700062
的值小于将这种光纤放到空气中的冷却时的瞬时斜率的值，此处T表示温度，t表示时间。所说的瞬时斜率的值小于将光纤放在空气中冷却时的瞬时斜率的值，最好在慢冷区的中部，更好的是在大部分的慢冷区，再进一步好的是在几乎所有的慢冷区。
根据本发明的一个理想的实施方式，每个冷却区的温度轮廓线的建立是使得包层的假定温度(temperature fictive)(Tfg)尽可能的高，而纤芯的假定温度(Tfc)尽可能的低。
当然，这种实施方式能够在冷却中防止光纤衰减，改善使用根据本发明的冷却方法所拉丝制造的光纤的机械强度。此处，机械强度是按照Bellcore CR 20规范2/1998标准中定义的，即对有保护层的光纤施以轴向伸长进行检验，在使用Weibull统计定理的统计分布中，光纤的断裂占50％。
技术人员懂得包层和纤芯的标准。纤芯是传播至少50％的光能所对应的部分，即光纤的中心部分。在传统上，将直到直径为125μm的部分称为包层，即为和纤芯相补的光纤的外围部分。在这里，我们感兴趣的是光纤外围的包层部分，它对机械特性有影响，特别是对光纤的机械强度有影响。所说的包层的假定温度，例如在用预制件制造光纤的情况下，预制件是用MCVD(改进的化学汽相沉积工艺)类型等离子体沉积方法实现的，用重新装载(recharge)的假定温度来推算。
述及的假定温度是目前在玻璃领域中引入的一个概念，为的是更完整地了解玻璃。假定温度是对于一个给定的性质p，在数值上给出目前给定的沉积的石英组成的热经过。可将这个概念用于光纤，特别应用于拉制过程。现在是用红外分析法或拉曼(Raman)分析法间接测量的。在我们的这个申请中，所说的假定温度是和瑞利散射相关的。在拉制过程中，对于述及的组成，假定温度随着这个组成的冷却轮廓线而连续下降，而且当石英的温度较它的玻璃状瞬态温度低得太多时，这个值为常数。
假定温度具有多种研究的目的，这里，我的引证G.W Scherer的研究“Relaxation in Glass and Composites”，Krieger Publishing，1992，联系C.T.Moynihan的研究：“Phenomenology of the structuralRelaxation process and the Glass Transition”，Assignment of GlassTransition，ATM STP 1249，ed.American Society for testing andmaterials，1994，pp.32-49，以及O.S.Narayanaswamy，Journal of theAmerican Ceramics Society，1971，54(10)，pp.491-498。根据这些研究，有一个可以根据给定组成的玻璃的驰豫特性来模拟计算假定温度。模拟计算再用实验结果来修正，所述的实验结果是以在不同的冷却条件下，对加热、浸渍的光纤的衰减和机械强度的测量为基础的。
由于纤芯是光纤导光的主要部分，在拉丝过程中实施本发明的冷却方法，由这种拉丝而得到的光纤的衰减自然与纤芯的假定温度有关。由于光纤的表面的表面效应(effet de surface àsurface)，在拉丝过程中实施本发明的冷却方法，由这种拉丝方法而得到的光纤的机械强度自然和光纤的包层的假定温度相关。因此，实施根据本发明的方法就要包括对纤芯假定温度的优选和对光纤包层假定温度的优选。
使用根据本发明的方法，在实际上能方便地控制由在具有冷却装置的拉丝塔中拉丝而得到的光纤的两个主要参量，即衰减和机械强度。事实上已经看到，根据本发明所实现的快冷曲线在实际上对光纤的衰减没有影响。
根据本发明的方法的另一优越性在于经济上必要性。即降低了为了冷却而必需的塔的高度，且使拉丝的速度提高。事实上，因为有一个快速冷却区，这就达到了拉丝塔的高度和/或拉丝的速度，而且增加了慢冷区，这就改善了衰减。另外，这样的区能方便地控制光纤进入慢冷区入口处的温度，不管拉丝的速度如何。
根据一种实施方式，选择慢冷却轮廓线，使得纤芯的假定温度尽可能的低，调节快冷却轮廓线，使得包层的假定温度尽可能高。这样可能使用一种装置，实施给定的慢冷却曲线，放置进行拉丝的拉丝炉处，以使纤芯的假定温度最小，然后安排利用快冷却曲线的装置并位于进行拉制的拉丝炉处以使包层的假定温度最大。如果希望以控制衰减为主，然后根据对衰减的控制来使机械强度的值最大，这也是一种方法，这是最经常的情况。
按照另一种实施方式，选择快冷却曲线，以使包层的假定温度尽可能的高，然后调节慢冷却曲线，使纤芯的假定温度尽可能的低。这样可以采用一种装置来实施给定的快冷却曲线，被放置于实施拉丝的拉丝炉上以使包层的假定温度最大化，然后确定实施慢冷却曲线的装置，并使其位于拉丝炉上以使纤芯的假定温度最小化。如果首先希望控制机械强度，并根据对机械强度的控制来使衰减取最小值，这是一种方法。
一般说来，光纤在快冷却区入口处的初始温度大体上等于拉丝炉出口处的温度，这样如前所述光纤在快冷区出口处的温度和包层的成分有关，根据所希望得到的包层的假定温度来建立。
一般说来，光纤在慢冷区入口处的初始温度以及光纤在慢冷却区出口处的温度，如前所述二者都和纤芯的成分有关，根据所希望的纤芯的假定温度来建立。
在一个实施方式中，根据本发明的方法是在述及的慢冷却之后，在第二快冷区中有一附加的快冷却。
这样的一个附加的快冷却的好处在于能将光纤的温度引导到整理区的入口温度而不损坏光纤的机械特性和光学特性。
尽管，本发明是用石英玻璃光纤来说明的，然而，它亦可应用于前面所述的其它类型的光纤，按顺序所采用温度方案是技术人员所知道的。
例如选用空气、氩气、氮气、二氧化碳以及氦气作为冷却气体，通常，最好是混合氮和氦气作为冷却气体。
最后，本发明还涉及实施本发明方法的一个装置，其中至少有一个给定的快冷却装置和一个给定的慢冷却装置。
在阅读后面的描述中将更好地弄懂本发明的别的特征和好处。给出后面的描述并非是进行限制，参照图1至5。
图1示出一个拉丝装置的示意图，其中有一个根据现有技术的光纤冷却装置。
图2示出一个拉丝装置的示意图，其中有一个根据本发明的光纤冷却装置。
图3示出根据现有技术的一个拉丝装置中的几条冷却曲线。
图4示出纤芯7的假定温度(为纵座标，单位为℃)随在慢冷却装置11的入口处的温度(横坐标，单位为℃)而变化。所述的慢冷却装置是在和图2中的装置相同的拉丝装置中。
图5是根据本发明的方法最终加在光纤上的冷却曲线。
前面已和现有技术相联系对图1作过描述。拉丝塔1中有一个拉丝炉3、一个根据以前技术的冷却装置4、一个保护层装置5、一个绞盘6和一个卷筒9。
图2也示出一条拉丝塔1’，其中除冷却装置12之外所有部件都和图1中的相同，此处的冷却装置12是根据本发明的，其中有第一快冷却装置10和第二慢冷却装置11。第一快冷却装置10确定一个快冷却区100；第二慢冷却装置11确定一个慢冷却区101。这两个装置中的一个放在另一个的上方，这就限定了过渡区105的高度h，高度h可以取任意值。
根据一个变形，根据本发明的冷却装置中还有一个快冷却管13，确定一个快冷区102，在图2中用虚线画出。管13可以并非是必须的，例如是为了在慢冷却装置11的出口到保护层装置5的入口之间有足够的空间用空气冷却光纤7，而是相反，这样管子13的快冷装置可足以使光纤7在所需的空间中达到保护装置5的进入温度。在铅直方向，装置13在实际上不能再对由光纤7加保护层而成光纤8的机械性能和光学性能产生影响，在慢冷却装置11的出口处，光纤7的各种组成就已经固定了。
后面描述本发明的一个特殊实施方式的例子，而这对本发明没有任何限制。
示例
图3示出光纤在根据现有技术的拉丝装置中的几条冷却曲线。根据现有技术的装置与图2所示的装置相比没有装置10和13。拉丝炉3的出口温度为1800℃，拉丝炉3到保护层装置5之间的高度为9m，拉丝速度为900m/mn，在这样表示的根据以前技术的情况中，在拉丝炉3的出口只有一个慢冷却装置11，使用一种给定效率的再加热装置11，长度5m。横轴为铅直线Z，单位为米，从拉丝炉3的底部算起(见图2)。纵坐标为光纤温度T，单位为℃。冷却曲线的连续部分的方程是：
T(℃)-T0＝(Te-To)exp(-α*z)
此处Z是铅直线，单位是米，而α、Te、To都是玻璃的驰豫参数。这里有多条曲线，分别为31、32、33，对应于再加热装置11的入口处的温度T11分别为1660℃、1400℃、1170℃。这里还给出一条比较曲线30，是在拉丝炉3和保护层装置5之间没有冷却装置10、11，或13中的任何一个，单纯用空气冷却的。
与图3相联系，图4中示出光纤7的纤芯的假定温度Tfc(纵坐标，单位为℃)随慢冷却装置11的入口处的温度(单位℃)的变化，是在和图3相同的拉丝装置中。可以看出，入口处的温度T11有一个最佳值，约为1400℃，对于这样的温度，光纤7的纤芯假定温度Tfc取最小值，约为1202℃。在拉丝塔1’的装置11的最后位置就由这个最小的入口温度来确定。对于这个值，包层的假定温度Tfg约为1423℃。
然后根据本发明安排快冷却装置10，长度20cm，具有给定的效率，在拉丝线1’的拉丝炉3与装置11之间，实现根据图2的拉丝装置，而没有装置13。调整装置10，使能得到最大的包层假定温度Ttg为1440℃，并保持慢冷装置入口处的温度T11，于是计算纤芯的假定温度Tfc，总是在1202℃附近。
为了说明，由在图3中的曲线30所示出的单纯空气冷却给出的纤芯假定温度Tfc约为1259℃和包层假定温度Tfg约为1480℃。
图5示出根据本发明的光纤上的最终冷却曲线50。曲线30和32(参见图3)是做为说明画出的，要区分快冷10：曲线50e、跟着的慢冷11：曲线50d、然后的空气冷却：50c、跟着的直到保护层装置5：曲线50a，或用快冷却13延长：曲线50b，直到装置5。
根据本发明的拉丝过程1’，其中有一个冷却阶段，包括一个快冷却10跟着一个慢冷却11，由此而生成的加保护层的光纤8，其性能就得以改善，主要在机械强度方面，和以前技术条件所实现的光纤相比，约改善1％到10％，而保持在空气中冷却所得到的衰减低于0.005dB/km。
当然，根据本发明的方法，并不限于上面所述。特别是可以在拉丝炉3下的铅直线方向从拉丝炉3到保护层装置5之间放置冷却装置12，以使纤芯的假定温度Tfc最小，包层的假定温度Tfg为最大。

Claims (5)

1.一种光纤(7)在拉制过程中的冷却方法，是在至少一个冷却区(10、11，13)和至少一种流体接触进行冷却，
其特征在于在快冷区(100)中进行快冷却(10)，即较空气冷却为快的冷却，以使光纤(7)从初始温度：对于石英玻璃基光纤在2000℃到1500℃之间，对于掺氟玻璃基光纤在450℃到250℃之间，而对于聚合材料基光纤在250℃到175℃之间，过渡到一个快冷的末温度：对于石英玻璃基光纤在1700℃到1200℃之间，对于掺氟玻璃基光纤在400℃到200℃之间，对于聚合物基光纤情况下在225℃到75℃之间，接着在一个慢冷区(101)中进行慢冷却(11)，即较空气冷却为慢的冷却，以使述及的光纤(7)从慢冷的开始温度：对于石英玻璃基光纤1700℃到1000℃之间，对于掺氟玻璃基光纤在400℃到150℃之间，对于聚合物基光纤225℃到50℃之间，过渡到慢冷(11)的末温度：对于石英玻璃基光纤在1500℃到700℃之间，对于掺氟玻璃基光纤在350℃到25℃之间，而对于聚合物基光纤在200℃到25℃之间。
2.根据权利要求1的方法，在每个冷却区(10，11)中建立温度曲线，以使包层的假定温度(Tfg)尽可能的高，而使纤芯的假定温度(Tfc)尽可能的低。
3.根据权利要求2的方法，选择慢冷却(11)的温度曲线，以使纤芯的假定温度(Tfc)尽可能的低，再调节快冷却(10)曲线，以使包层的假定温度(Tfg)尽可能的高。
4.根据权利要求2的方法，选择快冷却(10)的冷却曲线，以使包层的假定温度(Tfg)尽可能的高，再调节慢冷却(11)的曲线，以使纤芯的假定温度(Tfc)尽可能的低。
5.根据权利要求1至4中某一条的方法，是在慢冷区(11)之后，在第二快冷区(102)中有一附加的快冷却(13)。
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