專利名稱：大尺寸光纖預(yù)制棒的制備和光纖拉制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大尺寸光纖預(yù)制棒的制備和光纖拉制方法。
背景技術(shù)：
為了降低光纖生產(chǎn)成本，光纖預(yù)制棒的尺寸不斷增大，長(zhǎng)度不斷增加，單根預(yù)制棒的拉絲長(zhǎng)度從幾十公里發(fā)展到上千公里，提高了生產(chǎn)效率?，F(xiàn)在大尺寸光纖預(yù)制棒的直徑一般都超過(guò)100毫米。
光纖預(yù)制棒的制造工藝發(fā)展到現(xiàn)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術(shù)制造外包層。
芯棒制造工藝一般分為管內(nèi)沉積工藝和外部沉積工藝兩大類，其中，管內(nèi)沉積工藝包括改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)和低溫等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)，外部沉積工藝包括外部氣相沉積工藝(OVD)和軸向氣相沉積(VAD)。
管內(nèi)沉積工藝，如MCVD和PCVD，是將SiCl4、GeCl4及其它反應(yīng)氣體通入石英襯底管中，然后在氫氧焰、電加熱爐或者微波等外部能源作用下進(jìn)行反應(yīng)。管內(nèi)法的優(yōu)點(diǎn)是能精確控制光纖結(jié)構(gòu)，但芯棒尺寸受襯底管限制，從而限制了最終的光纖預(yù)制棒尺寸。
外部沉積工藝，如OVD和VAD，是將SiCl4、GeCl4及其它反應(yīng)物氣體通入火焰，發(fā)生火焰水解反應(yīng)，在靶棒外表面進(jìn)行沉積。外部沉積法的優(yōu)點(diǎn)是沉積速率高，適于制造大尺寸芯棒，而且尺寸越大，原材料的利用率越高，沉積速率也越高。但其對(duì)光纖剖面的控制比較粗糙。
外包層制造技術(shù)主要有套管法、外沉積法和等離子體噴涂法。其中套管法是將芯棒插入石英玻璃套管中組成光纖預(yù)制棒。
目前光纖制造使用的套管主要采用OVD方法制造，在靶棒上沉積SiO2粉末，然后燒結(jié)成玻璃，再將靶棒抽走后形成圓筒狀玻璃管。這種圓筒(Cylinder)玻璃管經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，具有非常高的幾何精度。石英玻璃套管就是由這種大尺寸圓筒拉成小尺寸石英玻璃管(Tube)，因此套管法又稱RIT(Rod In Tube)工藝。近年來(lái)，為了提高光纖制造效率和降低生產(chǎn)成本，套管法開(kāi)始直接采用圓筒，形成了RIC(Rod In Cylinder)工藝，這樣組成的單根光纖預(yù)制棒拉絲長(zhǎng)度可以超過(guò)1000公里。
為了充分發(fā)揮RIC工藝的優(yōu)勢(shì)，圓筒(Cylinder)需要120毫米～200毫米大直徑和較長(zhǎng)的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度可達(dá)3米，因此總重量大。為了承受這樣的重量，靶棒尺寸不能過(guò)小，最終玻璃管圓筒的內(nèi)徑由此受到一定的限制，一般都大于45毫米。
采用外部沉積法(OVD和VAD)可以制備較大尺寸的芯棒，但是由于工藝的特點(diǎn)決定了其芯/包比要求較大，如果直接制備可以插入圓筒的芯棒，一方面發(fā)揮不了外部沉積法的優(yōu)勢(shì)，另一方面實(shí)際的拉絲長(zhǎng)度受到限制。因此實(shí)際生產(chǎn)中是制備大尺寸芯棒，然后拉伸成小尺寸芯棒來(lái)使用。如美國(guó)專利6,131,415中介紹的將VAD制備的大尺寸芯棒拉伸成小尺寸芯棒。但是這樣處理則多了單獨(dú)的拉伸工序，需要增加拉伸設(shè)備，使光纖生產(chǎn)成本增加。
采用管內(nèi)法(MCVD和PCVD)制備的芯棒由于受襯底管尺寸的限制，其直徑一般都小于40毫米。如果將芯棒插入圓筒中直接拉絲，則芯棒與圓筒之間的間隙過(guò)大，在拉絲過(guò)程中會(huì)影響光纖的幾何參數(shù)，如光纖包層圓度和芯層/包層同心度等。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在芯棒和圓筒之間增加一個(gè)或多個(gè)間隙套管，以減小芯棒與圓筒之間的間隙，從而改善光纖的幾何性能。美國(guó)專利6,460,378 B1和美國(guó)專利申請(qǐng)2005/0064188A1介紹了這種方法。但是間隙套管的使用使工藝趨于復(fù)雜，且新增加了一個(gè)界面，使界面的清洗和干燥變得更加嚴(yán)格，不利于光纖質(zhì)量控制。
解決問(wèn)題的另一個(gè)思路是采用芯棒“壓縮”工藝增大芯棒的尺寸。所謂壓縮工藝是與拉伸工藝相對(duì)的一個(gè)概念，即對(duì)芯棒施加外部機(jī)械力使之被壓縮，從而獲得較大直徑的芯棒。歐洲專利EP 1156018 A1和美國(guó)專利US6,553,790 B1公開(kāi)了這樣的一種工藝，對(duì)芯棒加熱使之軟化，然后施加拉伸力或壓力以獲得不同直徑的芯棒。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)200310102706.0介紹了在MCVD熔縮成實(shí)心棒后，沿縱軸方向壓縮芯棒，制得長(zhǎng)度短但直徑更大的芯棒，然后把這樣的芯棒置于套管中拉絲。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)03124114.X公開(kāi)了類似的技術(shù)，根據(jù)預(yù)制棒的直徑分布調(diào)整拉伸力或壓縮力，以改善預(yù)制棒直徑的均勻性。但這些方法所介紹的工藝都是一個(gè)獨(dú)立的工藝過(guò)程，增加了光纖預(yù)制棒的制造工序，不利于降低光纖生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的為了降低光纖生產(chǎn)成本，提供一種解決制備大尺寸光纖預(yù)制棒的方法，采用該方法可以用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備條件，制備出大尺寸光纖預(yù)制棒，從而有效的提高現(xiàn)有工藝的產(chǎn)能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種大尺寸光纖預(yù)制棒的拉絲方法，采用該方法連續(xù)拉絲長(zhǎng)度超過(guò)1000公里。
本發(fā)明主要包括以下步驟(1)采用管內(nèi)法或外部沉積法制備出光纖預(yù)制棒的芯棒；(2)將多根芯棒熔接在一起并插入圓筒中組成光纖預(yù)制棒；(3)將光纖預(yù)制棒插入拉絲爐中，升溫后拉絲；芯棒和圓筒按各自的運(yùn)動(dòng)速率向拉絲爐中送料，芯棒進(jìn)料速度大于圓筒進(jìn)料速度，在拉絲過(guò)程中壓縮芯棒；拉出的光纖通過(guò)收絲裝置纏繞在收絲筒上。壓縮比為芯棒壓縮前長(zhǎng)度與壓縮后長(zhǎng)度之比，且壓縮比大于1.0，小于9.0。所述芯棒相對(duì)于圓筒的進(jìn)料速度大于零，小于8.0m/min。
本發(fā)明的核心在于拉絲過(guò)程中，分別控制芯棒和圓筒的進(jìn)料速度，利用拉絲爐提供的熱量軟化芯棒，使之在外力作用下被壓縮，從而減小芯棒與圓筒之間的間隙，并達(dá)到需要的匹配尺寸。
為了方便描述，做以下定義和假設(shè)術(shù)語(yǔ)定義芯棒管內(nèi)法沉積后經(jīng)熔縮形成的實(shí)心棒，包含光纖的芯層和部分包層。
圓筒由OVD工藝制備，經(jīng)機(jī)械加工的大尺寸、高幾何精度的圓柱狀石英玻璃管。
CSA截面積，Cross-Section Area的簡(jiǎn)寫。
沉積量反映光纖中由管內(nèi)法沉積的材料量的多少，以其在光纖橫截面中的直徑表示。
壓縮比芯棒壓縮前長(zhǎng)度與壓縮后長(zhǎng)度之比。
假設(shè)①、壓縮前芯棒4中芯層3直徑為a，芯棒直徑為c，有效長(zhǎng)度為l0；圓筒5內(nèi)徑為D0，外徑為D1，長(zhǎng)度為L(zhǎng)；光纖2中芯層1直徑為s0，外徑為s1；②、芯棒6相對(duì)圓筒5速度為v1；圓筒5相對(duì)拉絲爐10的進(jìn)料速度為v2；光纖11的拉絲速度為v3。
③、工藝沉積量為b；壓縮比y。
在以上定義和假設(shè)的基礎(chǔ)上，下面詳細(xì)描述本發(fā)明的工藝過(guò)程。
1、芯棒制備；在計(jì)算芯棒的相關(guān)尺寸前，需要先確定預(yù)計(jì)的沉積量b、希望達(dá)到的壓縮比y，并根據(jù)圖1所示的光纖、芯棒和圓筒之間的幾何關(guān)系，利用已知的數(shù)據(jù)確定芯棒中芯層的尺寸，即a值。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行程序設(shè)定，制備芯棒。
計(jì)算公式如下壓縮后芯棒中芯層直徑為a′=a×y]]>則壓縮后芯棒沉積層直徑為b′=bs0×a′]]>據(jù)此計(jì)算壓縮后芯棒的截面積CSAcore-rod′=CSAs.t.×y+π4×b′2]]>則需要的圓筒截面積為CSAcylinder=π4×a′2×s12s02-CSAcore-rod′]]>其中CSAcylinder和CSAs.t.分別為圓筒和襯管的截面積，可以由其內(nèi)外徑計(jì)算而得。由于s0、s1、b、y、CSAcylinder、CSAs.t.等值均已知，因此能算出a值。
上述計(jì)算可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)進(jìn)行，并能對(duì)光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活的設(shè)定，以制造不同種類、不同要求的光纖芯棒。
2、光纖預(yù)制棒制備；上一步驟制備的芯棒有效長(zhǎng)度為l0，由圓筒的長(zhǎng)度和壓縮比可以計(jì)算出實(shí)際需要的芯棒總長(zhǎng)度l’，即l′＝L×y，n=1′10]]>根據(jù)這個(gè)長(zhǎng)度要求，把n根芯棒熔接在一起，然后插入圓筒中，組成光纖預(yù)制棒。原則上n可以為任意大于1的值，但從生產(chǎn)效率出發(fā)n取0.5的整數(shù)倍，且大于1。
熔接可以采用氫氧焰做為熱源來(lái)進(jìn)行，為了降低由于氫氧焰引起的光纖水峰增加，還可以采用電加熱爐或等離子體做為熱源進(jìn)行熔接。
熔接后的長(zhǎng)芯棒6接上延長(zhǎng)棒8，按正常程序進(jìn)行清洗、干燥。
如圖2所示，將圓筒5接上延長(zhǎng)管7，然后把長(zhǎng)芯棒6裝配進(jìn)圓筒中，用堵頭9將延長(zhǎng)管密封并固定芯棒。
3、拉絲；把光纖預(yù)制棒用夾頭固定，將其底部置于拉絲爐10內(nèi)。然后升高爐溫至2000～2200℃，使預(yù)制棒的錐部12軟化而抽成裸光纖11。
通過(guò)預(yù)設(shè)的壓縮比及相關(guān)幾何參數(shù)，可以由拉絲速度v3計(jì)算芯棒和圓筒的進(jìn)料速度。
其中，圓筒相對(duì)拉絲爐的進(jìn)料速度為
v2=CSAfiberCSAcylinder+CSAcore-rod′×v3]]>而芯棒相對(duì)于圓筒的運(yùn)動(dòng)速度為v1=CSAfiber×v3-CSAcylinder×v2-CSAcore-rod×v2CSAcore-rod]]>其中，CSAcore-rod為壓縮前的芯棒截面積，CSAcore-rod＝CSA′core-rod/y，CSAfiber為光纖的截面積，可以直接由光纖的外徑計(jì)算得出。
通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)對(duì)芯棒施加力F，使芯棒以相對(duì)于圓筒v1的速度進(jìn)料。芯棒在13受熱變軟后被壓縮，在13位置芯棒直徑增大。圓筒則在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下，以速度v2進(jìn)料。
拉制的裸光纖11通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備控制直徑，然后依次穿過(guò)涂敷器和固化單元，最后被纏繞在收絲筒上。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道，在不偏離本發(fā)明范圍的條件下可以對(duì)本發(fā)明做各種改進(jìn)和變化。例如芯棒可以由管內(nèi)法制備，也可以由外部沉積法制得。因此，本發(fā)明將包括這些改進(jìn)和變化，只要它們?cè)谒綑?quán)利要求范圍及其等價(jià)內(nèi)容以內(nèi)。
如上所述，本發(fā)明可以制備大尺寸光纖預(yù)制棒，并提供了一種連續(xù)拉制大尺寸光纖預(yù)制棒的方法。
本發(fā)明能降低光纖生產(chǎn)成本，可以用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備條件，制備出直徑超過(guò)100毫米的大尺寸光纖預(yù)制棒，從而有效的提高現(xiàn)有方法的生產(chǎn)能力，并且本發(fā)明的光纖拉制方法連續(xù)拉絲長(zhǎng)度超過(guò)1000公里。


圖1a是光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1b芯棒橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1c圓筒橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明所裝配的光纖預(yù)制棒示意圖。
圖3是本發(fā)明的拉絲前狀態(tài)示意圖。
圖4是本發(fā)明的拉絲過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用內(nèi)徑為50mm，外徑為150mm，有效長(zhǎng)度為3000mm的圓筒生產(chǎn)G.652.B單模光纖。光纖的芯徑為8.6um，外徑為125um。設(shè)計(jì)采用20um的沉積量，壓縮比定為2.0。則根據(jù)公式可以計(jì)算出a＝7.05mm，c＝22.38mm。實(shí)際需要的總棒長(zhǎng)l’＝6000mm由前述參數(shù)制備芯棒，芯棒的有效長(zhǎng)度為1000mm，因此將6根芯棒用氫氧焰熔接在一起，組成新的長(zhǎng)芯棒。經(jīng)過(guò)清洗和干燥后，將該芯棒插入圓筒中裝配成光纖預(yù)制棒。
將光纖預(yù)制棒進(jìn)到拉絲爐內(nèi)，按設(shè)定程序升溫使光纖預(yù)制棒的端部受熱軟化。根據(jù)實(shí)際拉絲速度，按照下面的設(shè)定值進(jìn)芯棒和圓筒。

最后光纖穩(wěn)定在1500m/min的拉絲速度，拉制的光纖總長(zhǎng)度為8000km，各項(xiàng)性能符合ITU-T G.652.B光纖標(biāo)準(zhǔn)的要求，光纖的主要參數(shù)如下

實(shí)施例2采用內(nèi)徑為46mm，外徑為120mm，長(zhǎng)為1500m的圓筒生產(chǎn)G.652.D單模光纖。該光纖的芯徑為8.6um，外徑為125um。采用22um的沉積量，壓縮比定為2.67。則根據(jù)公式可以計(jì)算出a＝4.86mm，c＝19.66mm。實(shí)際需要的總棒長(zhǎng)l’＝4000mm。
由前述參數(shù)制備芯棒，芯棒的有效長(zhǎng)度為1000mm，將4根芯棒用等離子焰熔接在一起，組成新的長(zhǎng)芯棒。經(jīng)過(guò)清洗和干燥后，將該芯棒插入圓筒中裝配成光纖預(yù)制棒。
同上操作，根據(jù)實(shí)際拉絲速度，按下面設(shè)定控制芯棒和圓筒進(jìn)料速度。

最后拉絲速度穩(wěn)定在1200m/min，拉制的光纖總長(zhǎng)度為3400km，各項(xiàng)指標(biāo)均符合ITU-T G.652.D光纖標(biāo)準(zhǔn)的要求。主要參數(shù)如下

以上提供的實(shí)施例是為了說(shuō)明本專利，而不是對(duì)本專利的限制。本專利所描述的方法，不僅適用于G.652單模光纖，也適用于其他各種光纖。
權(quán)利要求
1.大尺寸光纖預(yù)制棒的制備方法，采用管內(nèi)法或外部沉積法制備出大尺寸光纖預(yù)制棒的芯棒，將n根大尺寸光纖預(yù)制棒的芯棒熔接在一起，并插入圓筒中制成大尺寸光纖預(yù)制棒，n=1′10,]]>其中l(wèi)0為芯棒有效長(zhǎng)度，l’＝L×y，其中L為圓筒的長(zhǎng)度，y為壓縮比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述芯棒熔接采用氫氧焰、電加熱爐或等離子體做為熱源進(jìn)行熔接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于壓縮比大于1.0，小于9.0。
4.大尺寸光纖預(yù)制棒的拉絲方法，將大尺寸光纖預(yù)制棒插入拉絲爐中，升溫后拉絲，芯棒和圓筒按各自的運(yùn)動(dòng)速率向拉絲爐中送料，在拉絲過(guò)程中壓縮芯棒，拉出的光纖通過(guò)收絲裝置纏繞在收絲筒上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述芯棒相對(duì)于圓筒的進(jìn)料速度大于零，小于8.0m/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大尺寸光纖預(yù)制棒的制備和光纖拉制方法，采用管內(nèi)法或外部沉積法制備出大尺寸光纖預(yù)制棒的芯棒；將多根芯棒熔接在一起并插入圓筒中制成光纖預(yù)制棒；將光纖預(yù)制棒插入拉絲爐中，升溫后拉絲；芯棒和圓筒按各自的運(yùn)動(dòng)速率向拉絲爐中送料，芯棒進(jìn)料速度大于圓筒進(jìn)料速度，在拉絲過(guò)程中壓縮芯棒；拉出的光纖通過(guò)收絲裝置纏繞在收絲筒上。本發(fā)明能降低光纖生產(chǎn)成本，可以用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備條件，制備出大尺寸光纖預(yù)制棒，從而有效的提高現(xiàn)有工藝的產(chǎn)能，并且本發(fā)明的光纖拉制方法連續(xù)拉絲長(zhǎng)度超過(guò)1000公里。
文檔編號(hào)C03B37/02GK1736915SQ20051001913
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者謝康, 韓慶榮, 顧立新 申請(qǐng)人:長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司