CN1884165B - 大尺寸低水峰光纤预制棒制造光纤的方法及其专用设备 - Google Patents

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Abstract

一种大尺寸低水峰光纤预制棒制造光纤的方法，涉及一种大尺寸低水峰光纤预制棒的制备和光纤拉制的方法。本发明主要特征是采用VAD工艺制备得到大尺寸低水峰芯棒，该芯棒经简单的延伸即可直接插入套管中拉丝，无需做其他特别的处理；芯棒和套管具有基本相同的长度，拉丝时两者固定在一起，无需对芯棒压缩，只需要一套进料装置；芯棒和套管之间采用特别设计的膨胀塞和利用芯棒和套管一端的锥面连接固定。本发明由于膨胀塞可反复使用，VAD芯棒无需加工即自带精确对称的锥形端，因此该方法简化了RIC工序和光纤在线拉丝的装置，同时提高了RIC法制备光纤的芯包同心度，对现有设备进行少量的改造即可大幅度提高产能，并同时显著降低光纤的制造成本。

Description

大尺寸低水峰光纤预制棒制造光纤的方法及其专用设备
技术领域：
本发明涉及一种大尺寸低水峰光纤预制棒的制备和光纤拉制的方法。
背景技术：
2001年下半年以来，光纤行业的竞争愈演愈烈，光纤预制棒、光纤以及光缆的价格也一跌再跌，成本竞争逐渐成为该行业市场竞争的首要因素，因此如何降低产品的成本也成为各大公司关注的焦点。
研究表明，增大光纤预制棒的尺寸，也即提高单根预制棒的可拉丝长度可非常有效的降低单位长度光纤的成本。例如，按光纤100元/芯公里计算，将预制棒的尺寸由60mm增加到80mm，则每芯公里可节约预制棒原材料6.7元、结尾棒材料0.95元、光纤拉丝留尾材料2.92元、拉丝过渡纤2.84元，合计降低成本达13.41元，也即节约成本13.4％。因此，预制棒尺寸的大型化成为各公司降低光纤成本，提高市场竞争力的必然选择。芯棒+套管(RIC，Rod in thecylinder)技术被认为是投资少、见效快并可充分利用现有设备的最佳选择之一。
在RIC方法中，首先将石英套管在拉丝炉上固定，再同轴插入光纤预制棒的芯棒，然后再将石英套管加热软化并熔缩到芯棒上，从而得到尺寸更大的预制棒。目前使用的石英套管主要采用OVD法制造，具有较高的几何精度。为使单根预制棒拉丝超过1000km，需要套管的重量至少25kg，套管外径通常不小于120mm，与之相匹配的芯棒直径不低于33mm。而芯棒通常采用管内法(MCVD和PCVD)制备得到，由于受衬底尺寸的限制，其尺寸往往太小，将这种芯棒直接插入套管中拉丝，则芯棒与套管之间的间隙过大，光纤的芯包同心度、包层圆度等参数无法得到保证。为解决这个问题，美国专利09/515,227、2005/0064188A1和6,460,378B1介绍了在芯棒和外套管之间增加一个或多个套管的方法，以减小芯棒和套管之间的间隙。但该种方法却增加了固定装置，浪费热源，并使清洗和干燥工艺更困难，光纤的质量难以控制。为此美国专利US 2004/0107735A1、US 6,553,790B1，欧洲专利EP 1156018 A1和中国专利200310102706.0、03124114.X分别采用不同的工艺对芯棒进行“压缩”以增大芯棒的尺寸，其主要思想是首先将多根管内沉积得到的尺寸较小的芯棒熔接在一起形成较长的芯棒，再对该长芯棒加热使之软化，然后再在两端施加压力使之缩短、变粗，从而得到与大尺寸套管相匹配的外径较大的芯棒。但这些压缩工艺都增加了光纤预制棒的制造工序，使光纤的质量控制更加复杂，并在一定程度上增加了光纤的成本。中国专利200510019304.3和200510019135.3介绍了一种改进的“压缩”工艺，该方法将原先独立的芯棒压缩工序改为在拉丝过程中进行，其主体思想是，在拉丝过程中，芯棒和套管不固定在一起，而是分别采用不同的固定和进料装置，通过精确的控制芯棒和套管的相对进料速度，使芯棒的速度按比例大于套管的速度，从而达到预先压缩芯棒的同等效果。但这种方法却增加了一套拉丝的固定和运动装置，且对芯棒和套管相对运动的精度要求非常之高，从而使光纤质量的控制比较艰难。另一方面，为保证芯棒有足够的量，通常需要至少4根普通芯棒熔接在一起，这不仅增加了制棒工序，而且过长的芯棒往往使已有的拉丝设备在空间上难以满足要求。
管外沉积法(VAD和OVD)不受衬管的限制，可直接制造与套管相匹配的大尺寸芯棒。与OVD相比，VAD对芯棒剖面和几何尺寸的控制更加精确，虽然其沉积效率相对较低，但当沉积的直径较大时，其沉积效率可得到明显的改善，且VAD工艺对水峰的控制非常容易，特别适合于生产低水峰光纤预制棒及其芯棒，因此，采用VAD工艺提供芯棒，并采用RIC技术生产光纤将是一种合理高效、成本低廉的低水峰光纤制造方法。此外，RIC方法中还容易产生芯包同心度的问题，因为芯棒和套管之间存在较大间隙，这使得芯棒在插入套管后容易偏离中心，从而使拉制得到光纤的芯包同心度较差，并导致光纤的PMD值偏高。为解决该问题，美国专利US 2004/0107735A1描述了一种在套管底部增加一个夹头的方法，虽然该方法可以将芯棒在套管中很好的固定，但增加在套管下端的石英夹头在拉丝中必须被融化并拉制成无用的过渡纤维而报废，这不仅浪费了材料，而且也增加了制作和安装下端接头的工序，因而也增加了光纤的生产成本。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种合理高效、成本低廉的低水峰光纤制造方法，采用该方法可实现单棒拉丝1200公里以上。
本发明的核心是：
(1)采用VAD工艺制备得到大尺寸低水峰芯棒，该芯棒经简单的延伸即可直接插入套管中拉丝，无需做其他特别的处理；
(2)芯棒和套管具有基本相同的长度，拉丝时两者固定在一起，无需对芯棒压缩，只需要一套进料装置；
(3)芯棒和套管之间采用特别设计的膨胀塞和利用芯棒和套管一端的锥面连接固定。
本发明的主要工艺过程如下：
(1)采用VAD工艺制备得到直径不低于55mm、长度不低于700mm的低水峰芯棒；
(2)根据套管的尺寸将芯棒延伸到特定的外径和长度；
(3)将套管一端加工成锥形，另一端接上过渡石英管；
(4)将套管装载到拉丝炉中，再在套管中插入芯棒，然后用膨胀塞将套管和芯棒连接固定，然后升温至滴头温度将棒体拉制成光纤。
本发明中芯棒尺寸较大无需预先续借，芯棒和套管相对固定，只需使用一套进料装置进料拉丝，芯棒和套管的同心度可通过膨胀塞中心孔位置和套管锥形端的精确加工而得到控制。由于该膨胀塞可反复使用，VAD芯棒无需加工即自带精确对称的锥形端，因此该方法简化了RIC工序和光纤在线拉丝的装置，同时提高了RIC法制备光纤的芯包同心度，对现有设备进行少量的改造即可大幅度提高产能，并同时显著降低光纤的制造成本。
附图说明：
图1是本发明中套管的剖面图；
图2a是本发明中采用VAD工艺制造的芯棒的纵向剖面示意图；
图2b是本发明中采用VAD工艺制造的芯棒的横截面示意图；
图3为套管经过端面加工和熔接上过渡管后的纵向剖面示意图；
图4为本发明的膨胀塞的剖面示意图；
图5是本发明的套管和芯棒装载在拉丝塔上拉丝前的状态示意图；
图6是本发明的拉丝过程示意图。
具体实施方式：
为描述方便，对相关术语和参数做以下说明：
芯棒20：采用VAD工艺制造的实心石英棒，包含掺Ge的芯层22和纯SiO2的包层23；
套管10：高几何精度的圆柱状高纯石英玻璃管11；
如图4所示膨胀塞30：用于连接芯棒和套管的塞子，主要包括外套31、内塞32、压紧块33和排气孔34；膨胀塞是一个中空的圆筒塞，圆筒由外塞和内塞锥面连接构成，圆筒塞上部设有压紧块，内塞的一侧设有排气孔。
Rr：芯棒包芯比，即芯棒的直径t和芯棒中芯层直径a的比值；
Do：套管的外径；
Di：套管的内径；
Dv：VAD工艺制备得到的芯棒的原始直径；
Dr：经过延伸后芯棒的直径；
Lc：套管的长度；
Lv：VAD工艺制备得到的未经延伸的芯棒长度；
Lr：经过延伸后芯棒的长度
Rf：光纤的包芯比，即裸光纤的外径和光纤中芯层直径的比值。
基于以上名词，对本发明的工艺过程详细描述如下：
芯棒的制备
在芯棒制备前，首先要根据套管10的内径、外径和长度尺寸计算出所需芯棒20的外径，芯棒的长度取值不低于套管的长度值。计算方法如下：
D r = R r D 0 2 - D i 2 R f 2 - R r 2 - - - ( 1 )
然后，根据Dr值和套管的长度，采用VAD工艺生产芯棒并延伸到特定直径和长度，与Dr相配套的芯棒原始直径和长度关系满足式(2)。VAD工艺所得的芯棒一端为种棒21，其结构和几何尺寸与拉丝时预制棒的结尾棒相同，用作芯棒的结尾棒，而芯棒的另一端则为轴对称性极好的锥体24。
L v = D r 2 D v 2 · L r - - - ( 2 )
套管锥面的加工
在磨面加工机上将套管的一端磨成锥台12，通常锥体高h为60mm，锥度为40度。
套管锥端内径收缩和过渡管熔接
在火焰上加热使套管锥端的内径收缩，通常，收缩后锥体的最末端内径Ds不超过对应芯棒直径的1/2。再在火焰上将长度为Lt(如250mm)、内径Dti和外径Dt。与套管相配套的过渡石英管13熔接在套管的另一端。所有的火焰加工都边加热边均匀旋转管体。
套管拉丝
首先，将加工好锥台和连接好过渡管的套管装载到拉丝炉40中，将拉丝塔上的夹具41固定在过渡管13上；其次，将芯棒插入套管中，使芯棒一端的锥体插入套管下端的锥台内，让芯棒锥体端的外锥面和套管锥台端的内锥面紧密结合；然后，在芯棒另一端的种棒21上安装膨胀塞30并塞入套管的过渡管13中，将膨胀塞锁紧，使套管和芯棒固定在一起；再在套管内通入含氟的气体(如SF6)和辅助气体(如He)对芯棒的表面和套管的内表面进行清洗至表面干净；关闭清洗气体，并接上真空泵，同时升高炉温至2000～2200℃使套管和芯棒底部软化形成熔融区14和25并拉制成光纤50。拉丝时，套管和芯棒始终固定在一起，在套管送料时芯棒也同步送料，直到套管拉制完为止。
实施例1
采用内径为46mm，外径为120mm，长为1500mm的套管生产G.652.D单模光纤。目标光纤的裸光纤直径为125μm，其中光纤的芯径为8.1μm，光纤的包芯比Rf为15.43。受到设备和工艺的限制，本发明中VAD工艺制备的芯棒的包芯比是个变化的值，变化范围是4.8～5.0，为确保芯棒的尺寸足够与套管相匹配，制备芯棒时按照芯棒的包芯比为5.0来设计所需芯棒的长度。本实施例中，采用VAD工艺生产的芯棒原始直径在55mm左右，根据式(1)并考虑到加工损耗，原始芯棒尺寸应不低于718mm。本例中实际得到的两根芯棒参数如表1所示，再根据式(1)和(2)即可得到延伸后芯棒的目标尺寸，据此目标尺寸对该芯棒进行延伸。将延伸后的两根芯棒分别与本例的套管相配合拉丝得到光纤的长度分别为1305km和1220km，且光纤的各项性能均符合ITU-T G.652.D光纤标准的要求，其主要参数如表2所示。
表1实施例1中两根芯棒的包芯比和几何尺寸
Figure G200610052195XD00061
实施例2
采用内径为50mm，外径为150mm，长为1500mm的套管生产G.652.D单模光纤，目标光纤的裸光纤直径为125μm，其中光纤的芯径为8.1μm，光纤的包芯比Rf为15.43。本实施例中，采用VAD工艺生产的芯棒原始直径在60mm左右，根据式(1)式并考虑到加工损耗，原始芯棒尺寸应不低于970mm。本例中实际得到的两根芯棒参数如表3所示，再根据式(1)和(2)得到延伸后芯棒的目标尺寸，据此目标尺寸对该芯棒进行延伸。将延伸后的两根芯棒分别与本例的套管相配合拉丝得到光纤的长度分别为2006km和2018km，且光纤的各项性能均符合ITU-T G.652.D光纤标准的要求。光纤的主要参数如表4所示。
表2实施例1光纤的主要参数
Figure G200610052195XD00071
表3实施例2中两根芯棒的包芯比和几何尺寸
Figure G200610052195XD00072
表4实施例2光纤的主要参数
需要特别指出的是，上述实施例的方式仅限于描述实施例，但本发明不只局限于上述方式，且本领域的技术人员据此可在不脱离本发明的范围内，容易的进行各种修饰。

Claims (2)

1.一种大尺寸低水峰光纤预制棒制造光纤的方法，其特征在于先采用轴向气相沉积(VAD)工艺制备出大尺寸低水峰芯棒，该低水峰芯棒一端为种棒，种棒的结构和尺寸与普通光纤预制棒拉丝时的结尾棒相同，低水峰芯棒的另一端为高度轴对称的锥体；然后将大尺寸高纯石英套管插入拉丝炉中，将制作好的几何尺寸和高纯石英套管相匹配的低水峰芯棒经过简单延伸即可直接插入高纯石英套管中拉丝，所述的高纯石英套管的一端被加工成高度轴对称的锥形，高纯石英套管的锥形端的内锥面和低水峰芯棒锥形端的外表面紧密配合接触，采用膨胀塞将高纯石英套管和低水峰芯棒锁紧固定成一体，升温后进料拉丝；在拉丝过程中拉丝塔的夹具夹在高纯石英套管的过渡管上，低水峰芯棒和高纯石英套管相对固定，只需一套进料装置实现低水峰芯棒的在线拉丝。
2.如权利要求1所述的一种大尺寸低水峰光纤预制棒制造光纤的方法，其特征在于所述低水峰芯棒的外径不低于55mm、长度不低于700mm，且低水峰芯棒的几何尺寸与采用的高纯石英套管相匹配。
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Free format text: FORMER OWNER: ZHEJIANG FUTONG OPTICAL FIBER TECHN CO., LTD.

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Applicant after: Futong Group Co., Ltd.

Address before: 311422 Fuyang Zhejiang Fortis Optical Fiber Technology Co., Ltd.

Applicant before: Zhejiang Futong Optical Fiber Technology Co., Ltd.

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Address after: 311422 Yinhe Development Zone, Fuyang District, Hangzhou, Zhejiang

Patentee after: Hangzhou Futong Communication Technology Co., Ltd.

Address before: 311400, No. 1-8, Fortis Science Park, Golden Autumn Road, Zhejiang, Fuyang

Patentee before: Futong Group Co., Ltd.