CN1325827A

CN1325827A - 光纤拉制方法

Info

Publication number: CN1325827A
Application number: CN01117784.5A
Authority: CN
Inventors: 米科尔·德萨尔; 安德里·达哥尼; 让－皮艾尔·布洛斯; 埃里克·兰尼特; 史蒂夫·勒·布里斯
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent SAS; Alcatel Lucent NV
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2001-12-12
Also published as: US20010047667A1; FR2809721A1; FR2809721B1; EP1160210A1

Abstract

本方法包括在由预制棒拉制光纤的操作过程中,当拉引两段预制棒之间的焊接点时提高注入至拉纤炉底部的氩气的流速。这可以避免所述焊接点引起生成光纤直径的过度增大和/或拉制速度的过度波动。

Description

光纤拉制方法

本发明涉及一种光纤拉制方法，用于将预制棒转变成光纤。更具体地说，本发明涉及一种尽管有影响预制棒的不规则点例如两段预制棒之间的焊接点，但仍然能够保持光纤直径恒定的光纤拉制方法。

传统的制作光纤的方法包括制作预制棒，然后将预制棒转变成光纤。光纤拉制操作，即将预制棒转变成光纤，传统上是在一个称作拉纤塔的设施中进行的，在其中通过对预制棒加以拉伸，在一个充有惰性气体特别是氩气和氦气的感应炉中对预制棒端部不加接触地加以熔化，来将预制棒转变成光纤。将预制棒导入拉纤炉中，其速度称作预制棒下降速率。所得光纤在拉纤塔出口处由一卷盘拉引，其速度称作拉制速度，其张力称作拉制张力。在拉纤炉出口处对光纤的直径加以测量以控制拉制速度从而保持光纤直径恒定。拉制速度可以为15米/秒(m/s)以上。在离开拉纤炉之后，立即对光纤涂覆以基本涂层，一般为树脂，其外径取决于光纤所通过的模具。有时会以同样方法施加次级涂层。

为制作很长的光纤，在进行拉纤操作之前通过对接熔焊两个以上预制棒来制作长的预制棒。

两个相继预制棒连接在一起的焊接点使得拉纤操作变得困难。

具体地说，所述焊接点会引起光纤的断裂以及拉制速度和所得光纤直径的显著变化。拉制速度的显著变化不利之处在于会引起在线施加至拉纤塔出口处光纤上的基本树脂涂层以及适用时次级树脂涂层的直径变化。所得光纤直径的显著变化不利之处在于会引起光纤的光传输特性的变化。在有些情况下速度的显著变化会导致对镀覆涂层处弯月形透镜不可回复的损害，此时唯一的解决途径就是重新开始拉纤操作。

为防止光纤在控制对接预制棒时断裂，现有技术的解决办法是限制拉纤速度。该办法导致在拉制每一预制棒对接点时生成光纤直径的瞬时增大。然而如今的趋势是增加预制棒的直径，从而上述解决办法不再适合。特别地，在对接点引起的最大扰动处，生成光纤的直径接近于基本涂层施加器模具的临界直径，其结果是会使光纤断裂。

本发明的目的在于消除现有技术的上述缺点。

为此目的，本发明提出了一种拉引预制棒的方法，包括：

拉引受热预制棒的端部以形成光纤；并且

在预制棒受热部分附近注入至少一种第一气体；以及该方法特征在于在存在预制棒不规则点时改变第一气体注入的流速。

所述不规则点可以包括两段预制棒之间的焊接点。

第一气体注入的流速最好根据一个预定的曲线随时间改变。

第一气体注入的流速优选以小于4升每分每秒的变化率改变，更优选以小于1升每分每秒的变化率改变。

在第一优选实施例中，注入的第一气体为氩气，且改变注入流速的步骤包括：- - 在存在会增大光纤直径的不规则点时提高注入氩气的流速，其它情况不变；或者- - 在存在会减小光纤直径的不规则点时降低注入氩气的流速。其它情况不变。

在此情况下注入流速最好改变10至20升/分或更小。

在另一优选实施例中，在预制棒受热部分附近注入至少一种第二气体，以与第一气体注入流速变化相反的方向改变第二气体注入的流速。第二气体注入流速变化的绝对值最好大致等于第一气体注入流速变化的绝对值。第二气体最好是氦气。

在再一个优选实施例中，注入的第一气体为氦气，且改变注入速率的步骤包括：- - 在存在会减小生成光纤直径的不规则点时提高注入氦气的流速，其它情况不变；或者- - 在存在会增大生成光纤直径的不规则点时降低注入氦气的流速，其它情况不变。

改变第一气体注入流速的步骤可以一般地并且最好是具有100秒(s)至350秒的持续时间。

在另一实施例中，该方法包括测量光纤的直径并且根据所测直径改变第一气体注入的流速。最好在所测直径达到一个既定值时改变第一气体注入的流速。

在再一个实施例中，该方法包括测量拉制速度并通过作用于拉制速度控制光纤直径，并且根据所测的拉制速度改变第一气体注入的流速。最好在所测拉制速度达到一个既定值时改变第一气体注入的流速。

该方法的再一个优选实施例包括，通过控制预制棒的下降速率和/或施加于预制棒端部的加热功率，对拉制张力和拉制速度进行多重控制。

本发明特别有利之处在于以此方式注入的惰性气体流速的变化能立即影响光纤的直径，从而在拉制速度受光纤直径控制时影响拉制速度，一般情况下，能在一秒量级的期间内产生作用。因而本发明对于克服由预制棒中不规则点例如焊接点引起的快速直径波动是有效的。相反地，单独地作用于预制棒下降速率和/或加热功率不能有效地克服快速直径波动，考虑到这种系统与焊接点引起的扰动相比极慢的动态特性以及这种扰动的持续时间：实际上达到一个新的平衡状态需要大约10至15分钟。

本发明的其它特色和优点在看过本发明优选实施例的下述说明之后将更加清楚，其中说明只是例示性的并结合附图给出。

图1为以恒定拉制速度拉引预制棒中对接点时所得光纤直径(以微米(μm)表示)随时间(以秒(s)表示)变化的曲线。

图2为采用PID控制拉引预制棒中对接点时拉制速度(以米/分(m/min)表示)以及所得光纤直径(以微米(μm)表示)随时间(以秒(s)表示)变化的曲线。

图3为采用PID控制与注入氩气流速增减相对应的拉制速度(以米/分(m/min)表示)的变化随时间(以秒(s)表示)变化的曲线。

图4表示采用本发明优选实施例所获得的结果。

对通过对接焊接数个预制棒所得的长预制棒进行拉纤测试。采用标准熔焊方法。进行测试的长预制棒每个含有长度均为75毫米(mm)的五个对接焊接的预制棒(段)。因此每个所得的预制棒具有四个焊接点。预制棒直径在81mm至85mm的范围。拉纤测试在一个含有具有220μm直径模具的基本涂层施加器的拉纤塔中进行。

以990m/min的恒定拉制速度进行第一组拉纤测试。结果获得具有132μm恒定直径的光纤。但是在拉引各焊接点时，生成光纤的直径逐渐增加至185μm，然后逐渐复原至132μm，相应的扰动持续时间为大约15分钟。图1表示在拉引焊接点时所得光纤的直径随时间变化的曲线。光纤直径的这些波动太大从而导致前面所述的缺点。

进行第二组拉纤测试，对拉制速度施加不饱和PID(比例、积分、微分)控制以使生成光纤的直径尽可能恒定。结果所得光纤具有125μm的恒定直径。在拉引各焊接点时生成光纤直径的波动较小，其最大直径为155μm。相应扰动的持续时间也为大约15分钟。在焊接点之间，拉制速度恒定为990m/min。然而在拉引各焊接点时，由于PID控制而使拉制速度显著变化，拉制速度的波动范围达到450m/min，最大速度为1200m/min，此为卷盘的最大速度。图2为拉引焊接点时拉制速度以及所得光纤直径随时间变化的曲线。还可以观察到由于拉制速度变化而引起的光纤基本和次级树脂涂层直径的变化。

第二组测试所用的方法限制了所得光纤直径的波动，但是拉制速度的变化太大以致于不能接受。

另外，这两组测试数次由于光纤断裂而中断。

本发明基于这样的观点，即在拉纤操作中，注入拉纤塔感应炉底部的惰性气体(例如氩气)量显著影响制得光纤的直径，其它情况不变。

感应炉的“底部”是指炉中拉引受热预制棒的区域。

测试表明，在恒定的拉制速度，提高注入氩气的流速会减小生成光纤的直径，而降低注入氩气的流速会增大生成光纤的直径。

还对没有焊接点或其它不规则点的预制棒进行拉纤测试，条件与第二组测试相同，并改变注入炉底的氩气的流速。标定拉纤速度为1000m/min，标定注入氩气流速为10升/分(l/min)。图3表示对应于注入氩气流速的增减，拉制速度(以米每分表示)相对于标定拉制速度的波动随时间(以秒表示)的变化。图中ΔD_arg的值对应于氩气流速相对于标定流速的变化。因此，例如如果提高注入氩气的流速4l/min(至14l/min)，则可获得高达80m/min的负的拉制速度变化(在此例中速度降至920m/min)。图3说明拉制速度随着注入氩气流速的降低而增大，随着注入氩气流速的提高而减小。速度的波动可明显解释为采用了PID控制，它改变拉制速度来补偿由于注入氩气流速变化而引起的光纤直径的变化。

测试还表明改变氩气流速会立即影响光纤的直径。在图3所示的测试中，可以看到拉制速度变化跟随注入氩气流速增减的反应时间在一秒的量级甚至更短。

采用氦进行的类似测试表明，改变注入至炉底的氦气的流速也会影响生成光纤的直径，但远小于氩气的影响。在恒定的拉制速度下，改变注入炉底的氦气的流速使得生成光纤直径沿相同方向变化，与氩气产生的影响相反。

在拉纤操作过程中，本发明限制了生成光纤直径的波动和/或受生成光纤直径影响的拉纤参数(例如拉制速度或预制棒下降速率)的波动，它们易于产生影响预制棒的不规则因素。本发明通过在不规则点通过拉纤炉时改变注入至拉纤炉底部的惰性气体(例如氩气)的流速实现了这一点。

“预制棒不规则点”的表述指的是预制棒中在相对于时间恒定的条件下拉制光纤的过程中引起生成光纤直径改变的任何不规则因素。它一般指构成长预制棒的各段之间的焊接点。也可以指预制棒外径的变化。

下面结合一个含有焊接点并且为上述测试所用类型的预制棒来说明本发明的优选实施例。拉纤塔为现有技术中公知的类型并且与上述测试中所用的相对应。

在含有焊接点的区域之外，预制棒的拉引在下述标定操作条件下进行：- - 拉制速度：1000m/min；- - 拉制张力：85克(g)；- - 预制棒下降速率：2mm/min；- - 拉纤炉加热功率：18kw；- - 注入炉底氩气的流速：10l/min；- - 注入炉底氦气的流速：10l/min；以及- - 在拉纤塔出口处施加树脂涂层之前的裸纤直径：125μm。

更一般地说，在标定操作条件下最好预制棒下降速率在1mm/min至3mm/min的范围，拉纤炉加热功率在15kw至25kw的范围，以及注入炉底的氩气和氦气的流速各在5l/min至20l/min的范围。

如前所述，拉引预制棒中焊接点易于引起光纤直径的相应增加和/或相对生成光纤直径加以控制的拉制速度的变化。为了确保光纤拉制正确地进行以及基本涂层正确地施加，为了制作具有满意光学特性的光纤，最好限制生成光纤的直径在180μm以下并且拉制速度在1050m/min以下。

通过初级控制改变卷盘的拉制速度以保持光纤直径恒定，以传统方式检验生成光纤的直径。该初级控制最好采用内部模式。拉纤塔出口处的光纤直径以本领域公知方式加以测量。技术人员可以通过本领域公知方式采用试差技术确定内部控制模式。可以采用PID控制或任何其它适当形式的控制来替代内部模式控制。该初级控制对于本发明本身的发挥作用并不是必需的。

为了消除拉引预制棒焊接点时光纤直径的波动，在焊接点通过拉纤炉时提高注入炉底氩气的流速。也可以替代地降低注入炉底的氦气量来达到同样目的。然而，由于改变氩气流速比改变氦气流速对光纤直径具有更大的影响，所以改变氩气流速更好。也可以既改变氩气流速也改变氦气流速。

采用最大容量为30l/min的附加流速计来增加拉引焊接点时的标定氩气流速。

在预制棒焊接点开始拉引时附加流速计增大注入炉底氩气的流速。可以估算出根据例如从开始拉制或者从拉制前一焊接点经过时间开始拉引预制棒焊接点的时刻。也可以通过探测生成光纤直径何时增大至特定阈值来确定其发生的时刻。还可以通过探测拉制速度何时增大至超过阈值来确定其发生的时刻，其中该阈值对应于初级控制的介入以克服由焊接点所引起的直径增加。上述确定关注事件发生时刻的方法可以采用适当的电子系统来实现，这对普通技术人员来说是显而易见的。累积结合两种或所有三种前述方法来确定开始拉引预制棒中焊接点的时刻是有利的。在此例中，探测拉制速度达到1050m/min并且探测光纤直径达到130μm。

当探测到开始拉引焊接点时，向附加流速计发出指令以增大注入炉底氩气的流速。氩气附加流速的幅度确定为使得可以将光纤直径维持在其标定直径或者至少在稍大于标定直径的一个既定值之下。可以采用试差法并且根据预制棒特性和所采用的标定拉纤条件来确定氩气附加流速的幅度。一般地说，注入氩气的附加流速最好在10l/min至20l/min的范围。在此例中最大氩气附加流速为15l/min。最好逐渐增加流速以免引起拉纤炉压力的突然变化，这会影响拉纤操作。流速变化优选小于4升每分每秒，此时最大附加流速15升每分在超过4秒的时间段逐渐施加。流速变化最好小于1升每分每秒。

当预制棒中焊接点的拉引完成时，必须将注入氩气流速降至其标定值。最好以其增大时的相同方式逐渐降低。最好是一旦探测到生成光纤的直径减小就降低氩气流速。

如果任何特定预制棒中的不同焊接点以及不同预制棒中的焊接点都在拉制光纤过程中产生基本相同的扰动，则可以例如通过试差法预先确定注入氩气附加流速的变化作为时间函数的曲线，然后用相同的曲线调整各焊接点拉引时注入氩气的附加流速。这种方法可以通过在焊接点影响开始时向一个二级数字滤波器施加设定点步骤来实现，其中二级数字滤波器的输出信号馈送至一差动电路的输入端。输出端获得的信号具有从零逐渐上升至最大值的前沿，然后更缓慢地逐渐下降至零。将此输出信号施加至附加流速计的控制输入端使氩气注入流速符合相同分布的曲线。在此例中，在开始增大流速之后40秒达到最大附加流速15l/min。该附加流速在开始降低流速之后大约200秒回复至零。一般地说，注入气体流速的变化时间最好在100s至350s的范围内。图4表示附加注入氩气流速变化的曲线。

作为替代方案，可以根据生成光纤的直径改变氩气流速。

最好施加二级控制，优选为多重控制型并且通过作用于预制棒下降速率和/或拉纤炉加热功率来控制拉制速度和拉制张力。二级控制优选为线性二次高斯(LQG)型。以本领域公知的方式，技术人员最好将二级控制确定为使其能提供可以在拉引焊接点之间预制棒时防止拉制速度超过给定最大速度的高级性能。该最大速度为拉制过程中焊接点的估算速度，在此例中为1050m/min。二级控制同样可以限制拉引焊接点时拉制速度的波动以及由初级控制引起的拉制速度的波动。

另外，最好为拉制速度施加饱和度以使其在扰动时不超过前述的最大速度。

图4表示此例中所得结果。可以看出，光纤直径在拉引焊接点时达到最大值165μm，拉制速度限制在1050m/min，这是一个十分满意的结果。

在一个优选实施例中，通过氦气流速的对应降低来补偿氩气流速的增大。其效果是结合这两种气体的作用将光纤直径保持在接近其标定值。然而，结果使得炉底的气体压力也保持基本恒定。

当然，本发明并不局限于所述的和所示的例子和实施例，其有助于启示技术人员作出多种变型。

Claims

1．一种预制棒拉制方法，该方法包括：

--将受热预制棒的端部拉制成光纤；并且

--在预制棒受热部分附近注入至少一种第一气体；

其特征在于在预制棒存在不规则点时改变第一气体注入的流速。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述不规则点包括两段预制棒之间的焊接点。

3．如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于根据一个既定的曲线随时间改变第一气体注入的流速。

4．如权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于第一气体注入的流速以小于4升每分每秒的变化率加以改变，优选以小于1升每分每秒的变化率加以改变。

5．如权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于注入的第一气体为氩气，且所述改变注入流速的步骤包括：

--在存在会增大光纤直径的不规则点时提高注入氩气的流速，其它情况不变；或者

--在存在会减小光纤直径的不规则点时降低注入氩气的流速，其它情况不变。

6．如权利要求5所述的方法，其特征在于注入流速改变10l/min至20l/min或更小。

7．如权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于在预制棒受热部分附近注入至少一种第二气体，以与第一气体注入流速变化相反的方向改变第二气体注入的流速。

8．如权利要求7所述的方法，其特征在于第二气体注入流速变化的绝对值基本等于第一气体注入流速变化的绝对值。

9．如权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于第二气体为氦气。

10．如权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于注入的第一气体为氦气，且所述改变注入流速的步骤包括：

--在存在会减小生成光纤直径的不规则点时提高注入氦气的流速，其它情况不变；或者

--在存在会增大生成光纤直径的不规则点时降低注入氦气的流速，其它情况不变。

11．如权利要求1至10任一所述的方法，其特征在于改变第一气体注入流速的步骤持续时间在100s至350s的范围内。

12．如权利要求1至11任一所述的方法，其特征在于该方法包括测量光纤的直径并且根据所测直径改变第一气体注入的流速。

13．如权利要求12所述的方法，其特征在于在所测直径达到一个既定值时改变第一气体注入的流速。

14．如权利要求1至13任一所述的方法，其特征在于该方法包括测量拉制速度并通过作用于拉制速度控制光纤直径，并且根据所测的拉制速度改变第一气体注入的流速。

15．如权利要求14所述的方法，其特征在于在所测拉制速度达到一个既定值时改变第一气体注入的流速。

16．如权利要求1至15任一所述的方法，其特征在于通过控制预制棒的下降速率和/或施加于预制棒端部的加热功率，对拉制张力和拉制速度进行多重控制。