CN1736915A - 大尺寸光纤预制棒的制备和光纤拉制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸光纤预制棒的制备和光纤拉制方法,采用管内法或外部沉积法制备出大尺寸光纤预制棒的芯棒;将多根芯棒熔接在一起并插入圆筒中制成光纤预制棒;将光纤预制棒插入拉丝炉中,升温后拉丝;芯棒和圆筒按各自的运动速率向拉丝炉中送料,芯棒进料速度大于圆筒进料速度,在拉丝过程中压缩芯棒;拉出的光纤通过收丝装置缠绕在收丝筒上。本发明能降低光纤生产成本,可以用现有生产设备条件,制备出大尺寸光纤预制棒,从而有效的提高现有工艺的产能,并且本发明的光纤拉制方法连续拉丝长度超过1000公里。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺寸光纤预制棒的制备和光纤拉制方法。
背景技术
为了降低光纤生产成本,光纤预制棒的尺寸不断增大,长度不断增加,单根预制棒的拉丝长度从几十公里发展到上千公里,提高了生产效率。现在大尺寸光纤预制棒的直径一般都超过100毫米。
光纤预制棒的制造工艺发展到现在都采用二步法,即先制造芯棒,然后在芯棒外采用不同的技术制造外包层。
芯棒制造工艺一般分为管内沉积工艺和外部沉积工艺两大类,其中,管内沉积工艺包括改进的化学气相沉积(MCVD)和低温等离子体化学气相沉积(PCVD),外部沉积工艺包括外部气相沉积工艺(OVD)和轴向气相沉积(VAD)。
管内沉积工艺,如MCVD和PCVD,是将SiCl4、GeCl4及其它反应气体通入石英衬底管中,然后在氢氧焰、电加热炉或者微波等外部能源作用下进行反应。管内法的优点是能精确控制光纤结构,但芯棒尺寸受衬底管限制,从而限制了最终的光纤预制棒尺寸。
外部沉积工艺,如OVD和VAD,是将SiCl4、GeCl4及其它反应物气体通入火焰,发生火焰水解反应,在靶棒外表面进行沉积。外部沉积法的优点是沉积速率高,适于制造大尺寸芯棒,而且尺寸越大,原材料的利用率越高,沉积速率也越高。但其对光纤剖面的控制比较粗糙。
外包层制造技术主要有套管法、外沉积法和等离子体喷涂法。其中套管法是将芯棒插入石英玻璃套管中组成光纤预制棒。
目前光纤制造使用的套管主要采用OVD方法制造,在靶棒上沉积SiO2粉末,然后烧结成玻璃,再将靶棒抽走后形成圆筒状玻璃管。这种圆筒(Cylinder)玻璃管经过机械加工,具有非常高的几何精度。石英玻璃套管就是由这种大尺寸圆筒拉成小尺寸石英玻璃管(Tube),因此套管法又称RIT(Rod In Tube)工艺。近年来,为了提高光纤制造效率和降低生产成本,套管法开始直接采用圆筒,形成了RIC(Rod In Cylinder)工艺,这样组成的单根光纤预制棒拉丝长度可以超过1000公里。
为了充分发挥RIC工艺的优势,圆筒(Cylinder)需要120毫米~200毫米大直径和较长的长度,长度可达3米,因此总重量大。为了承受这样的重量,靶棒尺寸不能过小,最终玻璃管圆筒的内径由此受到一定的限制,一般都大于45毫米。
采用外部沉积法(OVD和VAD)可以制备较大尺寸的芯棒,但是由于工艺的特点决定了其芯/包比要求较大,如果直接制备可以插入圆筒的芯棒,一方面发挥不了外部沉积法的优势,另一方面实际的拉丝长度受到限制。因此实际生产中是制备大尺寸芯棒,然后拉伸成小尺寸芯棒来使用。如美国专利6,131,415中介绍的将VAD制备的大尺寸芯棒拉伸成小尺寸芯棒。但是这样处理则多了单独的拉伸工序,需要增加拉伸设备,使光纤生产成本增加。
采用管内法(MCVD和PCVD)制备的芯棒由于受衬底管尺寸的限制,其直径一般都小于40毫米。如果将芯棒插入圆筒中直接拉丝,则芯棒与圆筒之间的间隙过大,在拉丝过程中会影响光纤的几何参数,如光纤包层圆度和芯层/包层同心度等。
为了解决这个问题,可以在芯棒和圆筒之间增加一个或多个间隙套管,以减小芯棒与圆筒之间的间隙,从而改善光纤的几何性能。美国专利6,460,378 B1和美国专利申请2005/0064188A1介绍了这种方法。但是间隙套管的使用使工艺趋于复杂,且新增加了一个界面,使界面的清洗和干燥变得更加严格,不利于光纤质量控制。
解决问题的另一个思路是采用芯棒“压缩”工艺增大芯棒的尺寸。所谓压缩工艺是与拉伸工艺相对的一个概念,即对芯棒施加外部机械力使之被压缩,从而获得较大直径的芯棒。欧洲专利EP 1156018 A1和美国专利US6,553,790 B1公开了这样的一种工艺,对芯棒加热使之软化,然后施加拉伸力或压力以获得不同直径的芯棒。中国发明专利申请200310102706.0介绍了在MCVD熔缩成实心棒后,沿纵轴方向压缩芯棒,制得长度短但直径更大的芯棒,然后把这样的芯棒置于套管中拉丝。中国发明专利申请03124114.X公开了类似的技术,根据预制棒的直径分布调整拉伸力或压缩力,以改善预制棒直径的均匀性。但这些方法所介绍的工艺都是一个独立的工艺过程,增加了光纤预制棒的制造工序,不利于降低光纤生产成本。
发明内容
本发明的一个目的为了降低光纤生产成本,提供一种解决制备大尺寸光纤预制棒的方法,采用该方法可以用现有生产设备条件,制备出大尺寸光纤预制棒,从而有效的提高现有工艺的产能。
本发明的另一个目的是提供一种大尺寸光纤预制棒的拉丝方法,采用该方法连续拉丝长度超过1000公里。
本发明主要包括以下步骤:
(1)采用管内法或外部沉积法制备出光纤预制棒的芯棒;
(2)将多根芯棒熔接在一起并插入圆筒中组成光纤预制棒;
(3)将光纤预制棒插入拉丝炉中,升温后拉丝;芯棒和圆筒按各自的运动速率向拉丝炉中送料,芯棒进料速度大于圆筒进料速度,在拉丝过程中压缩芯棒;拉出的光纤通过收丝装置缠绕在收丝筒上。压缩比为芯棒压缩前长度与压缩后长度之比,且压缩比大于1.0,小于9.0。所述芯棒相对于圆筒的进料速度大于零,小于8.0m/min。
本发明的核心在于拉丝过程中,分别控制芯棒和圆筒的进料速度,利用拉丝炉提供的热量软化芯棒,使之在外力作用下被压缩,从而减小芯棒与圆筒之间的间隙,并达到需要的匹配尺寸。
为了方便描述,做以下定义和假设:
术语定义:
芯棒:管内法沉积后经熔缩形成的实心棒,包含光纤的芯层和部分包层。
圆筒:由OVD工艺制备,经机械加工的大尺寸、高几何精度的圆柱状石英玻璃管。
CSA:截面积,Cross-Section Area的简写。
沉积量:反映光纤中由管内法沉积的材料量的多少,以其在光纤横截面中的直径表示。
压缩比:芯棒压缩前长度与压缩后长度之比。
假设:
①、压缩前芯棒4中芯层3直径为a,芯棒直径为c,有效长度为l0;圆筒5内径为D0,外径为D1,长度为L;光纤2中芯层1直径为s0,外径为s1;
②、芯棒6相对圆筒5速度为v1;圆筒5相对拉丝炉10的进料速度为v2;光纤11的拉丝速度为v3。
③、工艺沉积量为b;压缩比y。
在以上定义和假设的基础上,下面详细描述本发明的工艺过程。
1、芯棒制备;
在计算芯棒的相关尺寸前,需要先确定预计的沉积量b、希望达到的压缩比y,并根据图1所示的光纤、芯棒和圆筒之间的几何关系,利用已知的数据确定芯棒中芯层的尺寸,即a值。在此基础上进行程序设定,制备芯棒。
计算公式如下:压缩后芯棒中芯层直径为:
则压缩后芯棒沉积层直径为:
据此计算压缩后芯棒的截面积:
则需要的圆筒截面积为:
其中CSAcylinder和CSAs.t.分别为圆筒和衬管的截面积,可以由其内外径计算而得。由于s0、s1、b、y、CSAcylinder、CSAs.t.等值均已知,因此能算出a值。
上述计算可以通过计算机程序来进行,并能对光纤结构进行灵活的设定,以制造不同种类、不同要求的光纤芯棒。
2、光纤预制棒制备;
上一步骤制备的芯棒有效长度为l0,由圆筒的长度和压缩比可以计算出实际需要的芯棒总长度l’,即:
l′=L×y,
根据这个长度要求,把n根芯棒熔接在一起,然后插入圆筒中,组成光纤预制棒。原则上n可以为任意大于1的值,但从生产效率出发n取0.5的整数倍,且大于1。
熔接可以采用氢氧焰做为热源来进行,为了降低由于氢氧焰引起的光纤水峰增加,还可以采用电加热炉或等离子体做为热源进行熔接。
熔接后的长芯棒6接上延长棒8,按正常程序进行清洗、干燥。
如图2所示,将圆筒5接上延长管7,然后把长芯棒6装配进圆筒中,用堵头9将延长管密封并固定芯棒。
3、拉丝;
把光纤预制棒用夹头固定,将其底部置于拉丝炉10内。然后升高炉温至2000~2200℃,使预制棒的锥部12软化而抽成裸光纤11。
通过预设的压缩比及相关几何参数,可以由拉丝速度v3计算芯棒和圆筒的进料速度。
其中,圆筒相对拉丝炉的进料速度为:
而芯棒相对于圆筒的运动速度为:
其中,CSAcore-rod为压缩前的芯棒截面积,CSAcore-rod=CSA′core-rod/y,CSAfiber为光纤的截面积,可以直接由光纤的外径计算得出。
通过伺服机构对芯棒施加力F,使芯棒以相对于圆筒v1的速度进料。芯棒在13受热变软后被压缩,在13位置芯棒直径增大。圆筒则在传动机构作用下,以速度v2进料。
拉制的裸光纤11通过监测设备控制直径,然后依次穿过涂敷器和固化单元,最后被缠绕在收丝筒上。
本领域的普通技术人员知道,在不偏离本发明范围的条件下可以对本发明做各种改进和变化。例如芯棒可以由管内法制备,也可以由外部沉积法制得。因此,本发明将包括这些改进和变化,只要它们在所附权利要求范围及其等价内容以内。
如上所述,本发明可以制备大尺寸光纤预制棒,并提供了一种连续拉制大尺寸光纤预制棒的方法。
本发明能降低光纤生产成本,可以用现有生产设备条件,制备出直径超过100毫米的大尺寸光纤预制棒,从而有效的提高现有方法的生产能力,并且本发明的光纤拉制方法连续拉丝长度超过1000公里。
附图说明
图1a是光纤横截面结构示意图。
图1b芯棒横截面结构示意图。
图1c圆筒横截面结构示意图。
图2是本发明所装配的光纤预制棒示意图。
图3是本发明的拉丝前状态示意图。
图4是本发明的拉丝过程示意图。
具体实施方式
实施例1
采用内径为50mm,外径为150mm,有效长度为3000mm的圆筒生产G.652.B单模光纤。光纤的芯径为8.6um,外径为125um。设计采用20um的沉积量,压缩比定为2.0。则根据公式可以计算出:
a=7.05mm,c=22.38mm。实际需要的总棒长:l’=6000mm
由前述参数制备芯棒,芯棒的有效长度为1000mm,因此将6根芯棒用氢氧焰熔接在一起,组成新的长芯棒。经过清洗和干燥后,将该芯棒插入圆筒中装配成光纤预制棒。
将光纤预制棒进到拉丝炉内,按设定程序升温使光纤预制棒的端部受热软化。根据实际拉丝速度,按照下面的设定值进芯棒和圆筒。
v3(m/min) | v2(mm/min) | v1(mm/min) | v3(m/min) | v2(mm/min) | v1(mm/min) |
200 | 0.15 | 0.15 | 900 | 0.67 | 0.67 |
300 | 0.22 | 0.22 | 1000 | 0.74 | 0.74 |
400 | 0.30 | 0.30 | 1100 | 0.82 | 0.82 |
500 | 0.37 | 0.37 | 1200 | 0.89 | 0.89 |
600 | 0.45 | 0.45 | 1300 | 0.97 | 0.97 |
700 | 0.52 | 0.52 | 1400 | 1.04 | 1.04 |
800 | 0.60 | 0.60 | 1500 | 1.12 | 1.12 |
最后光纤稳定在1500m/min的拉丝速度,拉制的光纤总长度为8000km,各项性能符合ITU-T G.652.B光纤标准的要求,光纤的主要参数如下:
实施例2
采用内径为46mm,外径为120mm,长为1500m的圆筒生产G.652.D单模光纤。该光纤的芯径为8.6um,外径为125um。采用22um的沉积量,压缩比定为2.67。则根据公式可以计算出:a=4.86mm,c=19.66mm。实际需要的总棒长:l’=4000mm。
由前述参数制备芯棒,芯棒的有效长度为1000mm,将4根芯棒用等离子焰熔接在一起,组成新的长芯棒。经过清洗和干燥后,将该芯棒插入圆筒中装配成光纤预制棒。
同上操作,根据实际拉丝速度,按下面设定控制芯棒和圆筒进料速度。
v3(m/min) | v2(mm/min) | v1(mm/min) | v3(m/min) | v2(mm/min) | v1(mm/min) |
200 | 0.23 | 0.39 | 700 | 0.82 | 1.37 |
300 | 0.35 | 0.59 | 800 | 0.94 | 1.56 |
400 | 0.47 | 0.78 | 900 | 1.06 | 1.76 |
500 | 0.59 | 0.98 | 1000 | 1.17 | 1.96 |
600 | 0.70 | 1.17 | 1200 | 1.41 | 2.35 |
最后拉丝速度稳定在1200m/min,拉制的光纤总长度为3400km,各项指标均符合ITU-T G.652.D光纤标准的要求。主要参数如下:
以上提供的实施例是为了说明本专利,而不是对本专利的限制。本专利所描述的方法,不仅适用于G.652单模光纤,也适用于其他各种光纤。
Claims (5)
1、大尺寸光纤预制棒的制备方法,采用管内法或外部沉积法制备出大尺寸光纤预制棒的芯棒,将n根大尺寸光纤预制棒的芯棒熔接在一起,并插入圆筒中制成大尺寸光纤预制棒,
其中l0为芯棒有效长度,l’=L×y,其中L为圆筒的长度,y为压缩比。
2、根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述芯棒熔接采用氢氧焰、电加热炉或等离子体做为热源进行熔接。
3、根据权利要求1所述的方法,其特征在于:压缩比大于1.0,小于9.0。
4、大尺寸光纤预制棒的拉丝方法,将大尺寸光纤预制棒插入拉丝炉中,升温后拉丝,芯棒和圆筒按各自的运动速率向拉丝炉中送料,在拉丝过程中压缩芯棒,拉出的光纤通过收丝装置缠绕在收丝筒上。
5、根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述芯棒相对于圆筒的进料速度大于零,小于8.0m/min。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: YANGTZE OPTICAL FIBRE AND CABLE CO., LTD Free format text: FORMER NAME: CHANGFEI FIBRE-OPTICAL + OPTICAL CABLE CO., LTD. |
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CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 430073 Hubei Province, Wuhan city Hongshan district two Guanshan Road No. four Patentee after: Yangtze Optical Fibre and Cable Co., Ltd Address before: 430073 Hubei Province, Wuhan city Hongshan district two Guanshan Road No. four Patentee before: Changfei Fibre-Optical & Optical Cable Co., Ltd. |