CN1736915A

CN1736915A - 大尺寸光纤预制棒的制备和光纤拉制方法

Info

Publication number: CN1736915A
Application number: CNA2005100191353A
Authority: CN
Inventors: 谢康; 韩庆荣; 顾立新
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: CN100334023C

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

大尺寸光纤预制棒的制备和光纤拉制方法

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：

a^{'} = a \times \sqrt{y}

则压缩后芯棒沉积层直径为：

b^{'} = \frac{b}{s_{0}} \times a^{'}

据此计算压缩后芯棒的截面积：

CS A_{core - rod}^{'} = CS A_{s . t .} \times y + \frac{π}{4} \times b^{' 2}

则需要的圆筒截面积为：

CS A_{cylinder} = \frac{π}{4} \times \frac{a^{' 2} {\times s}_{1}^{2}}{s_{0}^{2}} - {CSA}_{core - rod}^{'}

其中CSA_cylinder和CSA_s.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、CSA_cylinder、CSA_s.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，

n = \frac{1'}{1_{0}}

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：

v_{2} = \frac{{CSA}_{fiber}}{CS A_{cylinder} + CS A_{core - rod}^{'}} \times v_{3}

而芯棒相对于圆筒的运动速度为：

v_{1} = \frac{CS A_{fiber} \times v_{3} - {CSA}_{cylinder} \times v_{2} - {CSA}_{core - rod} \times v_{2}}{{CSA}_{core - rod}}

其中，CSA_core-rod为压缩前的芯棒截面积，CSA_core-rod＝CSA′_core-rod/y，CSA_fiber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)
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	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	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	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)
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	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	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

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，

n = \frac{1^{'}}{1_{0}},

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。