《光纤光缆制备》课件第3章

学习情境三：石英光纤拉丝3.1学习目标3.2学习内容

★掌握光纤拉丝过程；

★掌握光纤二次涂覆过程；

★掌握筛选工艺；

★掌握复绕工艺；

★了解拉丝塔、复绕机等设备；

★掌握安全操作规程。3.1学习目标

3.2.1石英熔融拉丝原理

1.石英光纤拉丝原理

石英光纤拉丝是指将制备好的光纤预制棒放置在拉丝塔的进棒系统上，并放入高温炉中，利用高温炉加热(温度约1900～2200℃)熔融后拉制成直径符合要求的光纤纤维，并保证光纤的芯包直径比和折射率分布形式不变的工艺操作过程。对于石英光纤而言，芯层中二氧化锗即使在2000℃的高温时也很难扩散到包层中，从而可以保证按原有的折射率分布。3.2学习内容在拉丝操作过程中，最重要的技术是保证不使光纤表面受到损伤，对光纤进行涂覆并固化，保证光纤正常的机械强度；其次，应正确控制芯/包层外径尺寸及折射率分布形式，确保制造出高品质的光纤产品；另外，还应保持拉丝工艺和工艺参数的稳定性，保证拉制光纤的均匀性。如果光纤表面受到损伤，则将会影响光纤的机械强度与使用寿命；如果外径发生波动，则由于结构不完善不仅会引起光纤波导散射损耗，而且在光纤接续时连接损耗也会增大，影响光纤的光学性能。

因此在进行石英光纤拉丝时，必须根据拉丝塔各组成部件的特点，设计出最优化的石英光纤拉丝工艺，并使各种工艺参数与条件保持稳定。

2.石英光纤拉丝塔

光纤拉丝塔由以下部件组成：塔架(根据拉制不同种类光纤的需要高度可为5～30m)、预制棒进棒及自动对中系统、高温炉系统、直径测量系统(裸光纤/涂覆光纤测径仪)、光纤冷却系统、裸光纤张力测试系统、辅助牵引及主牵引系统、涂覆系统(湿-湿/湿-干涂覆)、涂层同心度检测系统、UV固化炉系统、光纤旋转单元(用于减小偏振模色散)、牵引以及张力测试系统、光纤收丝系统、拉丝塔控制系统等。

常见光纤拉丝塔的结构见图3-1。其中，图(a)显示了常见的进行规模生产的光纤拉丝塔的基本组成部分，图(b)所示为特种光纤拉丝塔。从结构上看，两种拉丝塔的主要构成部分基本相同，特种光纤拉丝塔主要考虑进行特种光纤的拉制，只保留了一些必要的部件，同时增加了一些特殊设计，因而比生产型光纤拉丝塔简单，高度也大大减小了。

图3-1常见光纤拉丝塔的结构预制棒进棒系统(如图3-2所示)位于拉丝塔塔架顶部，具有自动/手动x-y对中功能。通过该系统可以手动或自动控制预制棒的运行，其下部为拉丝塔的高温炉。

用卡爪(如图3-3所示)将预制棒夹紧固定，可以通过位于高温炉位置的控制面板来手动调节预制棒的位置，也可以接受光纤直径检测系统的反馈，实时调整高温炉中预制棒的位置，以始终保持光纤丝根位置在高温炉热区的中心，从而保证拉制光纤的直径保持稳定并具有优良的光学性能。

图3-2预制棒进棒系统及高温炉示意图

图3-3预制棒夹棒卡盘高温炉(如图3-4所示)主要有石墨高温炉和氧化锆电阻加热炉两种。目前我国的光纤生产厂商大都使用石墨炉结构，包括石墨感应高温炉和石墨电阻炉。石墨高温炉由石墨加热元件、石墨隔热材料、不锈钢炉体、铜电极/感应线圈、供电设备、冷却水控制系统及功率/温度控制系统构成。

石墨感应炉(如图3-5所示)通过感应线对炉子的石墨发热体进行加热，可以通过调整感应线圈的大小和圈数来调整高温炉内发热区的长度。石墨电阻炉(如图3-6所示)则通过铜电极的放电来对炉中的石墨发热体进行加热。

图3-4石墨高温炉

图3-5石墨感应炉

图3-6石墨电阻炉虽然两种高温炉的工作原理不同，但是为了防止石墨元件在高温下氧化，必须采用高纯度的石墨元件作为高温炉的加热元件和隔热元件，以防止高温炉的热量外泄，保持加热区温度的一致性。拉丝炉(高温炉)内部通常要通入惰性气体以减小炉内的氧含量来保护石墨元件。为了保证在拉丝过程中光纤直径的稳定，要保持高温炉内气流的稳定，必须对通入炉内的保护气体的流速和气流运行的状态进行控制，否则一旦发生气流扰动，不仅光纤的直径会发生波动，而且还会加大炉内挥发的灰尘微粒接触到裸光纤表面的可能，从而引起光纤强度的下降。光纤涂覆及固化炉系统主要是对从高温炉拉制出来的裸光纤涂覆聚丙烯酸树脂类涂料并进行固化，其组成如图3-7所示。

目前光纤生产厂家大都采用湿-干两次涂覆的方式进行光纤的涂覆。湿-干光纤涂覆系统主要由可以在x-y方向滑动的加热模台、涂覆模具(包括导模和模具，如图3-8所示)、水浴加热的涂料罐(如图3-9所示)和互联管道、压力控制单元组成。

图3-7辅助牵引、涂覆及固化系统示意图

图3-8涂覆模具示意图

图3-9水浴加热的涂料灌

图3-10UV固化系统目前光纤固化大都采用Fusion公司的UV固化系统(如图3-10所示)。该固化系统的组成部件有灯模块、安装支架、冷却风机、空气冷却软管、氮气供应系统、排烟系统和供电单元以及内联电缆等。根据光纤拉丝速度的不同，可以选用不同数量的固化炉以满足光纤固化的要求。在目前的高速拉丝生产中，第一次涂覆一般采用两节固化炉，第二次涂覆一般采用4～6节固化炉，这样才能在高速拉丝过程中为涂覆光纤的固化提供足够能量。光纤直径测试系统由裸光纤直径测试系统和涂覆光纤直径测试系统组成。图3-11所示为裸光纤直径测试系统。该系统对拉制的光纤直径进行测量，将测试数值与标准值相比较，得到一个偏差信号，并将偏差信号反馈给拉丝塔控制系统，对工艺参数进行调整，从而得到直径波动符合规定的光纤产品。涂覆光纤直径测试系统仅仅对涂覆后的光纤直径进行测量，而不进行信号反馈。

图3-11裸光纤直径测试系统图3-12是两种常用在光纤生产过程中的测径仪。它们既可作为裸光纤测径仪，也可作为涂覆光纤测径仪。典型的光纤测径仪的参数要求为：测量范围为0.1～10mm；分辨率可达0.01μm；扫描速率可达2400线/秒；测量精度为光纤直径的±0.02%；在高速拉丝时，可以进行实时的光纤直径测量及反馈。

图3-12裸(涂覆)光纤测径仪

图3-13光纤收丝系统光纤的牵引装置用来控制光纤的拉丝速度。牵引轮转动的速度即为光纤拉丝的速度。牵引装置是和光纤的收丝系统(如图3-13所示)连在一起的，在操作过程中主要通过牵引轮带动皮带运动，可以通过拉丝塔控制系统设定其运动速度。在拉丝的开始阶段，通过调节牵引轮速度，控制光纤直径并进行涂覆，当光纤涂覆完成后，将牵引轮上的光纤引到光纤收丝筒上即可进行正常的拉丝过程。

收丝系统主要用来收集光纤，即将成品光纤收集到光纤收丝筒上，以备后续对光纤进行张力筛选、复绕、测试等操作。

3.拉丝塔控制系统

拉丝塔最重要的部分就是控制系统(如图3-14所示)，它通过软件控制着光纤拉丝塔中的很多部件，包括炉温/温度控制、进棒速度控制、自动夹棒位置控制、自动或手动光纤对中控制、光纤直径控制、涂层压力控制、拉丝速度控制、光纤长度测量、光纤断点监测、固化炉功率控制、报警系统、数据/故障记录系统等。

图3-14拉丝塔控制柜控制系统各个组成部分之间的精确配合构成了完整的光纤拉丝塔。采用合适的拉丝工艺，通过拉丝控制系统的精确控制，即可完成整个石英光纤的拉丝过程。在光纤拉丝工艺中，整个拉丝都是通过操作控制系统的各个单独的工艺控制菜单(如图3-15所示)完成的。该菜单还可以监控拉丝过程中各个参数的变化。光纤的各项参数可以由计算机自动记录，供拉丝后查阅和进行结果分析。

图3-15工艺控制菜单3.2.2石英光纤拉丝工艺流程

石英光纤拉丝就是通过光纤拉丝塔将石英光纤预制棒的直径缩小(从大约100mm减小到125μm)，且保持光纤的芯包比和折射率分布不变。光纤拉丝与石英预制棒的制造工艺无关，无论是MCVD、PCVD工艺制造的预制棒，还是OVD、VAD工艺制造的预制棒，其拉丝工艺基本都是相同的。石英光纤拉丝工艺示意图如图3-16所示。

光纤生产过程中一般采用如图3-16所示的工艺进行石英光纤的拉制。石英光纤拉丝工艺流程可用图3-17表示。

图3-16石英光纤拉丝工艺示意图

图3-17石英光纤拉丝流程图其具体描述如下：

(1)拉丝前的准备阶段。拉丝前需要进行高温炉的清洁，检查石墨发热元件(见图3-18)、保温筒等各部件的使用情况，必要时清洁或更换，清除高温炉中残留的污染物，然后打开保护气(一般情况下为氩气，若对光纤品质要求更高，则可选用氦气)，对炉内气氛进行保护，降低炉内氧气的含量，在氧含量下降到规定值(一般情况下其中氧气含量应小于500

×

10-6)后，对炉子进行预热。同时，需要对光纤通道、冷却管(见图3-19)、固化炉石英管、排烟管、供料系统、涂覆器等部件及收丝系统的导轮、皮带等进行检查和清洁，确认是否需要更换或清洗，保证拉丝过程中光纤运行通道的洁净和光滑，防止对裸光纤或涂覆光纤的刮伤，并将涂覆器放置在涂覆模台上。注意：所有需要清洗的部件需要用洁净空气吹干，并应检查冷却风管、排气管以及排烟管是否安装完好(检查方法是从石英管下方往上看，所有石英管应该接近一条直线)。

图3-18石墨发热元件图3-19光纤冷却管另外，在安装光纤预制棒前还需要对预制棒进行清洗。通常采用预制棒清洗机进行，使用去离子水对石英光纤预制棒的表面进行清洗，清除棒表面的污染物，然后用洁净空气将预制棒吹干。需要注意的是，若清洗后的预制棒长时间(超过30分钟)不用，则在下次使用前需再次清洗；在清洗过程中应避免用手接触裸露的预制棒，防止预制棒碰伤和擦伤等情况的发生。

(2)预制棒的熔融拉制阶段。用送棒系统的卡爪将清洗好的光纤预制棒固定好(见图3-20)，采用手动方式将预制棒缓慢下降到炉口上方约3～5mm处，观察预制棒的位置是否在炉口中心处，可以通过手动调节进行预制棒的对中。然后通过自动方式(设定进棒速度和进棒长度)让预制棒进入高温炉内，再一次检查预制棒的对中情况，并将高温炉升温，加热熔融预制棒，如图3-21所示。

图3-20预制棒的安装固定高温炉温度升高会导致预制棒的尖部黏度下降，在黏度降低到一定值时，尖端的石英玻璃由于自身重力作用而逐渐下垂，使得熔融部分的石英玻璃变细形成一个玻珠(Firstdrop)并从炉口下落(见图3-22)。

当光纤头(玻珠)从炉中下来后，操作人员用工具将掉下的光纤头剪断并拉细(如图3-23所示)，用重物将光纤通过光纤通道引到辅助牵引装置上。

图3-21预制棒加热熔融

图3-22预制棒形成玻珠

图3-23预制棒掉头操作过程

(3)光纤的涂覆阶段。启动辅助牵引装置(见图3-7)，调整牵引轮的位置和转动速度，在光纤直径达到100μm左右时，将光纤剪断，迅速将裸光纤穿过涂覆模具及固化炉(见图3-24)，然后将裸光纤黏在细铁棒之类的重物上使其在重力作用下下落。将光纤缠绕在引取轮上，启动压力涂覆控制按钮，对裸光纤进行涂覆(设定模式为先涂覆第一层，后涂覆第二层)，并通过UV固化炉进行固化，在光纤直径达到250μm左右时将光纤剪断并缠绕在转动的收丝盘上。

图3-24光纤涂覆固化过程

(4)光纤的直径控制及成品光纤的拉丝阶段。调整预制棒的进棒速度(下降或上升)、拉丝速度、高温炉的功率以及涂覆的压力，对光纤的直径进行调节，直到裸光纤的直径稳定在125±0.5μm范围内，一次和二次涂覆光纤的直径分别稳定在(190

±

5)μm和(250

±

5)μm范围内(在此之前的光纤为废品)，然后进行拉丝速度的提升(调节进棒速度、拉丝速度、高温炉温度等参数)，根据实际情况启动自动拉丝控制程序，开始光纤成品的拉制。光纤收丝过程如图3-25所示。

注意：拉丝过程中要进行工艺监控、各项工艺参数的检查和记录、设备运行情况的检查等工作，以确保拉丝工作的顺利完成。

图3-25光纤收丝过程

(5)光纤张力筛选和复绕工艺流程。光纤张力筛选是为了确保拉制的光纤在使用过程中具有必需的机械强度而进行的检测。根据相关标准进行光纤的张力筛选时，一般要求光纤能够承受应力的1%～2%，并持续1s或者更长时间。光纤的筛选应力由应力区的两个驱动轮产生。光纤张力筛选过程如图3-26所示。

图3-26光纤张力筛选过程光纤张力筛选工艺流程如下：首先，对筛选机及其部件进行检查和清洁，确保导轮干净，无受损情况，皮带无损伤；其次，将拉丝后经过检查的光纤收丝筒装到筛选机的放线端，并确定光纤的开始端和结束端位置，将光纤的开始端用胶带贴牢；再次，设定筛选参数和筛选长度，确认张力筛选模式及所加张力大小，按图3-26所示方向依次通过每个导轮，并在收丝筒上固定好；最后，在操作面板上确认光纤长度，再次检查光纤是否在导轮和皮带的正确位置上，点击开始按钮，开始筛选作业，筛选到规定长度后，取下光纤盘，并填写记录表。光纤的复绕就是将经过张力筛选的光纤按照标准的长度或客户需要的长度复绕到光纤承绕盘上。其基本操作和张力筛选类似，其工艺流程如图3-27所示。从图3-37中可以看出，与张力筛选相比，光纤复绕工艺只是减少了张力检测的过程。注意：在有的厂家生产的设备上张力筛选和复绕工艺可以合并进行。

图3-27光纤复绕工艺3.2.3熔融温度(高温炉)对拉丝工艺的影响及控制

在拉丝过程中，为了达到预制棒熔融的黏度要求，通常要求高温炉的工作温度在2000℃以上。高温炉作为拉丝塔的重要组成部分，为熔融石英光纤预制棒提供了热源，对光纤的性能起着较为重要的作用。由于石墨高温炉具有结构简单、稳定性高、操作方便等优点，因此成为了光纤拉丝塔高温炉的首选。

在石墨高温炉中，热区的长度和均匀性对拉丝工艺和光纤的性能影响较大，热场分布不均匀的热区会使得光纤受热不均匀，影响光纤的几何性能，严重时可能会使光纤同一界面上受力不均匀，在光纤上产生残余应力，从而影响光纤的光学性能，甚至是光纤的机械强度。在使用过程中，应注意对设备的关键部位进行定期保养和维护，以保证高温炉的正常运行。

在拉丝过程中，高温炉内的石墨元件挥发的C与石英预制棒挥发的Si可以反应生成一系列的C-Si-O化合物，最常见的就是SiC，这会严重影响光纤的强度和石墨元件的使用寿命。实验证明，随着高温炉温度的升高，生成的SiC的数量会增加。因此，在石墨炉的设计和使用过程中，需要调整合适的热区长度，以减少炉内产生的SiC的数量；根据热泳原理，气体微粒从热的区域转移到冷的区域的现象在温差大时最明显，应通过高温炉部件的合理设计和石墨元件的选择，使产生的SiC聚集在远离热区的区域，降低SiC在裸光纤上堆积的概率，保证拉制光纤的强度。

图3-28感应炉内部结构图3-28就是石英光纤拉丝过程中所用的石墨感应炉，它通过感应线圈对炉子中的石墨发热体进行加热，感应线圈的大小和圈数决定了高温炉的热区长度，配套的石墨加热元件则决定了高温炉中热区的稳定性和均匀性。在高温炉的中部装有高温计，与拉丝塔的温度控制系统相连，用于监控和调整高温炉的温度。石墨高温炉内必须通入高纯度的惰性气体进行保护，在炉内形成惰性气氛，以防止炉内的石墨加热元件和石墨隔热元件的氧化并延长其使用寿命；获得良好的温场分布和气场分布；保证炉内十分清洁，气流扰动小，不会释放灰尘颗粒等污染物，以防止石墨加热元件和隔热材料发生氧化；保证尽可能少的热量损失并降低拉丝炉的功率。另外，选用高纯度的石墨元件是非常必要的，以确保从石英预制棒中拉制出的裸光纤具有优异的几何尺寸和机械强度，保持其良好的光学性能。图3-29所示为高温炉中常见的石墨加热元件。

图3-29石墨加热元件目前石墨高温炉选用的惰性气体有两种：高纯氩气和氦气。氦气分子较小且具有较高的热传导性(2.77W/(m·K))，可以保证炉内的温度场分布比较均匀，能够形成较为良好的气氛环境，有利于光纤直径的稳定，因此在高速拉丝过程中常被采用。为了保证光纤的品质，同时降低生产成本，也可以采用氩气和氦气的混合气作为高温炉的保护气体，并且在气体进入高温炉前，通过气体纯化器的纯化，以减少保护气中水分和氧气的含量。在加热炉的不锈钢炉体中需要通入冷却水以对炉体进行冷却。在生产过程中，通过一个冷却循环水系统来实现对高温炉炉体的冷却。该系统能够连续不断地向高温炉提供冷却水，防止加热炉在高温中被烧坏，并且可以防止热量外泄，保持高温炉内加热区温度的一致性。

光纤离开高温炉热区后即进入冷却阶段，这一阶段对于涂覆工艺和光纤的性能影响很大。在高速拉丝过程中，高温炉的温度可达1900℃，这些能量在降低热区预制棒的黏度使之软化的过程中，也会破坏预制棒中的分子结构(如Si-O-Ge键等)。如果光纤离开热区后骤冷，则会使这些缺陷保留下来，同时会造成光纤受热不均，残余内应力累积，进而破坏光纤的性能。因此，需要在炉口安装一节延长管或保温管，实现高温炉炉口的延伸，并通过开启下炉口光栅到适当位置，减小氧气进入高温炉的机会，以稳定高温炉内的温场分布，有效控制光纤的冷却温度。3.2.4拉丝环境(洁净度、湿度、温度)对拉丝工艺的影响及控制

光纤是由预制棒拉制而成的。在光纤制造过程中，各种操作都不可能在完全封闭的条件下进行，难免会受到环境中灰尘等的污染。在工艺上，预制棒的制备、存放过程中都可能在预制棒表面存积灰尘或杂质，光纤预制棒经过拉丝成为光纤后，灰尘或杂质将会严重影响光纤的强度。因此需要对厂房的环境因素包括温度、湿度、空气洁净度等条件进行严格控制。由于张力与拉丝速度和炉温有关，因此拉丝过程中光纤对高温炉的温度变化也很敏感，由温度变化引起的光纤张力的变化又会严重影响光纤本身的机械性能和光学性能。拉丝过程中，光纤的张力只能在一个很小的范围内变化，否则光纤会被拉断。此外，光纤的涂覆工艺也和光纤本身的温度密切相关，光纤进入涂覆器的温度必须严格控制在一定范围内，才能获得很好的涂覆效果。

温度对光纤质量的影响则更为直接。因此，对光纤拉丝过程中采用的原材料的含水量有较高的要求。在采购原材料时，除对原材料的品质有较为严格的要求外，还应严格控制环境的湿度，防止环境空气结露。要达到拉制光纤所需要的洁净度、温度和湿度要求，整个拉丝过程必须在洁净室中进行。当操作人员进入洁净室时，为防止不洁净的空气进入室内，必须更换防静电净化服，经过风淋室(见图3-30)的吹扫，防止将外界灰尘等污染物带入洁净室。洁净室应具有密封良好的空间，在其天花板或壁板上都应设置高效过滤器的进风口，在地坪或墙壁上设置排风口，在送风系统中应配备加温、加湿和制冷设备，以保证洁净室内的空气质量符合要求。

图3-30净化风淋室根据光纤拉丝的要求，洁净室的洁净度应保持在10000级，即每立方英尺(1英尺=0.3048米)空气中直径大于或等于0.5μm的微粒数不超过10000个，同时直径大于或等于5μm的微粒数目不超过65个。在拉丝塔的局部区域(如石墨高温炉)的净化度应达到100～1000级(必要时可以对该部分设备进行局部净化处理)，对二次涂覆设备位置的要求则相应较低，达到100000级即可。光纤拉丝环境的空气温度一般保持在20

±

3℃，相对湿度保持在40%～60%，洁净室应维持正压，以确保空气只能从洁净室内向室外流动，不致造成空气的倒流。3.2.5送棒速度与拉丝速度的选择对拉丝工艺的影响

当把石英光纤预制棒放入高温炉中加热到软化点时，光纤拉丝开始，随即达到稳定状态，张力趋于稳定。此时，使送棒速度和收丝速度达到平衡即可获得均匀的光纤直径。调节高温炉温度，以便获得一个可以接受的拉丝张力，通过高温炉中部的温度计进行反馈，以保持相对稳定的炉温。精确设计的控制系统可以把炉温的波动减小到最低程度。通过下炉口的裸光纤测径仪可以连续监测光纤的直径并反馈到拉丝塔控制系统，以进一步减小光纤直径的偏差，从而使拉丝过程高速稳定。

在实际工艺中，送棒速度、光纤直径在线测试值以及收线筒的速度(拉丝速度)控制和匹配非常复杂，这是光纤拉丝控制系统的关键所在。在高温炉中，预制棒熔融拉丝过程原理图如图3-31所示。

图3-31预制棒熔融拉丝过程原理图由图3-31可知，高温炉中，预制棒直径和光纤直径的关系可以根据光纤和预制棒的体积比得到：

(3-1)

式中，Dp为预制棒直径；d为光纤直径；vp为送棒速度；νf为拉丝速度。随着预制棒直径的增加，对炉子高温区的长度和中心温度的稳定性的要求也越来越高。拉丝速度可由下式求得：

(3-2)

式中，v为拉丝速度；F为拉丝张力；l为预制棒受热长度(略短于高温炉热区长度)；η为石英玻璃的黏度；A为预制棒的横截面面积。3.2.6光纤直径的监测与控制

在光纤的拉制过程中，光纤直径的动态连续测量和控制，不仅可以提高光纤拉制的自动化程度和光纤的成品率，还能有效改善光纤的几何尺寸和光学性能。由于裸光纤具有直径小、透光的特点，因此一般的测量直径的仪器无法使用在光纤拉丝塔上。现在光纤拉丝塔上使用的测径仪采用激光扫描法对裸光纤直径进行实时测量，并由拉丝塔的控制系统实现对测试信号的实时反馈，自动调整拉丝参数，从而实现对光纤直径的控制。拉丝工艺中控制光纤直径的方法有两种：一种是通过调整高温炉中的气体流量，进而控制高温炉的温度来实现的，但是在生产过程中通过调节气体流量控制光纤直径可能会造成光纤直径出现一定程度的波动，从而造成光纤直径的不稳定，该法在生产中不常使用；另一种是通过调节光纤预制棒的进棒速度和光纤的拉丝速度来实现对速度的控制，该法在生产过程中经常使用。

在生产过程中，计算利用测径仪测出的光纤直径与标准值的偏差，输出一个偏差信号，然后反馈给控制系统去控制预制棒的进棒速度和拉丝速度。当裸光纤直径变大时，由于反馈的偏差信号的作用，控制系统减小进棒速度，增大拉丝速度，光纤直径也随之减小；当裸光纤直径变小时，由于反馈的偏差信号的作用，控制系统增大进棒速度，减小拉丝速度，光纤直径也随之增大。这样便可达到控制光纤直径的目的。在生产用拉丝塔的设计过程中，设备生产厂家已经将拉丝塔的控制系统模块化，操作人员在生产过程中可以选择相应的控制模式实现对光纤拉丝的自动控制，从而实现了高效率的拉丝过程，确保了拉制光纤的品质。3.2.7光纤张力对光纤性能的影响及控制

拉丝张力是拉丝工艺中重要的控制参数之一。拉丝张力是指在光纤拉丝塔的牵引设备上的张力计所测得的张力，为光纤成形区石英黏度所产生的阻力与光纤涂覆时所受到的阻力之和。在石英光纤的生产制造过程(包括拉丝、复绕和筛选)中，任何有关光纤的机器都必须配备张力控制装置。生产过程中的任何变化都会引起光纤张力的变化，所以，通过张力测试仪可以监测整个光纤拉丝过程。

图3-32接触式张力测试仪光纤张力的大小可以通过接触式和非接触式张力测试仪来测定。接触式张力测试仪一般安装在涂覆固化系统之后，主牵引轮之前，主要用于测量涂覆后光纤的张力。图3-32就是常见的接触式张力测试仪，适用于涂覆后光纤的张力测试、复绕光纤的张力测试等。

非接触式张力测试仪安装在光纤涂覆系统之前，主要用于测量裸光纤的张力。一般情况下，该张力测试仪可以和裸光纤测径仪放置在同一位置。图3-33就是一个典型的非接触式张力测试仪的装置图示。通过PULLMAN非接触式张力测试仪测试裸光纤的张力其原理是：测量声音在光纤表面传播的速度，并根据测径仪产生的光纤振荡幅度数据，由计算机计算出张力。

图3-33非接触式张力测试仪拉丝张力的作用如下：

(1)拉丝张力是直接反映丝根温度的物理量，与石英玻璃的黏度有关，而黏度和高温炉温度有关。在一般情况下，高温炉温度和丝根温度是不一致的，因此，拉丝张力是直接控制丝根温度的一种简便有效的方法。

(2)拉丝张力稳定能够保持丝根内部作用的稳定，这对保证拉丝质量是非常必要的。

拉丝张力的数学表达式为

(3-3)式中，η是玻璃材料的黏度；μ

=

Sν是丝根截面积和速度的乘积，为常数；M是拉伸比，

M2

=

vl/vo，vl是拉丝速度，vo是送棒速度；L是丝根长度。式(3-3)表示拉丝张力与各工艺参数的关系，包括棒径、送棒速度、拉伸比、石英玻璃的热性能和高温炉的结构特性。

在常见的石墨高温炉中，炉体直径、高温区长度以及温度分布是影响张力产生的重要因素。在拉丝生产过程中，通常通过设置高温炉的温度来改变高温区长度和炉温分布，从而达到调整拉丝张力的目的。当熔融石英玻璃拉制的光纤从较高温度(约2000℃)迅速冷却至室温时，其高温结构(包括熔融体、残余应力和缺陷)迅速冻结，熔融体在冷却过程中其质点重新排列，玻璃结构也随外界条件(如拉丝张力和温度等不同因素)而变化，使得拉丝张力对光纤的性能产生重大的影响。

(3)光纤拉制时，由拉丝张力导致的光纤径向不同材料的黏弹性质发生变化，张力松弛时，应力冻结在光纤中，随着拉丝张力的增加其轴向应力减小。从应力分布来看，随着拉丝张力的增加，包层区的应力从压应力变为张应力，掺锗的纤芯区的张应力减小，并随拉丝张力的增加，部分变成压应力。泵浦激光器给出的光纤布里渊增益谱表明，光纤中残余应力集中在纤芯，其大小与拉丝张力成正比，随拉丝张力的增大而增大。

(4)光纤拉制过程中，高的应力梯度使Si-O-Si或Ge-O-Ge键中断，形成非桥氧空穴中心，产生拉丝诱导缺陷，引起632nm波长损耗增加，而该吸收峰强度随着拉丝张力的增大而增大。对于拉丝过程中产生的光纤附加损耗来说，拉丝张力的增加会产生较小的附加损耗，随着Δn的增加，由拉丝张力引起的损耗也会增大。单模光纤的附加损耗取决于拉丝张力的大小。在同一张力下，以不同的炉温和拉丝速度拉制同一根预制棒，测得光纤附加损耗几乎相同。对于不同类型的光纤，一般情况下都会有一个最佳的拉丝张力，其最佳值的范围和预制棒的制造工艺、组成、类型等相关。

(5)拉丝张力的增加会引起光纤残余应力的增大，残余应力又会引起相对折射率差Δn减小。对于与折射率分布密切相关的保偏光纤而言，应力层几何形状对光纤的保偏性能至关重要，因此控制拉丝过程中的张力就显得非常必要。光纤截止波长的计算公式为

(3-4)

式中，a为纤芯半径；n1为芯层折射率；n2为包层折射率。从式(3-4)中可以看出，λc由a、n1和n2决定，即λc取决于相对折射率差Δn、折射率分布形状和芯径等因素。一般情况下，拉丝过程中a和n2是不会变化的，当高温炉的温度变化时，纤芯n1会随着炉温的变化而改变。拉丝过程中，高温炉中的预制棒芯层中的GeO2存在以下化学反应：

当炉温增加时，化学反应正向移动，造成GeO2浓度减小，芯层折射率减小(GeO2的折射率大于GeO的折射率)，即炉温增加，拉丝张力减小， 减小，由式(3-4)可得，截止波长减小；反之，当炉温降低时，拉丝张力增大，截止波长增大。

对于模场直径(MFD)来说，当炉温降低时，芯层折射率n1增大，相对折射率差Δn=n1-n2增大，辐射至包层的光能量减弱，光线更强地被限制在纤芯传播，光斑减小，模场直径减小；反之，当炉温增加时，辐射至包层的光能量增加，光斑增大，模场直径增大。

由以上可知，光纤的截止波长λc和模场直径(MFD)对拉丝张力有较显著的依赖关系，λc随着拉丝张力的增加向长波长方向移动，MFD随着拉丝张力的增加而减小。

(6)拉丝张力会导致瑞利散射损耗和结构不完整损耗，瑞利散射系数随拉丝张力的增加而增加。可以通过对拉丝张力的调整对零色散波长进行有效控制。在实际生产中，保持拉丝速度不变，将张力从正常拉丝的张力逐步降低，记录不同张力时加热炉功率的大小，并对各张力段拉制的光纤分别进行零色散波长测试。由此可知，在拉丝速度一定的情况下，减小拉丝张力可增加加热炉功率，零色散波长将会减小。

(7)拉丝张力导致光纤中产生残余应力，而光纤中残余应力会影响光纤的强度。压缩应力可防止表面裂纹的生长，而拉伸应力则会导致裂纹增长，致使光纤强度和寿命降低。较低的拉丝温度会造成较大的拉丝张力，导致表面裂纹增加，所以拉丝张力越大，光纤的强度越低。拉丝张力增加1N，其光纤强度下降约600MPa。

(8)光纤拉丝张力对光纤轴向应力、光纤残余应力、光纤拉丝诱导缺陷、光纤损耗、折射率及其分布、光纤色散、截止波长、模场直径以及光纤的强度都有不同程度的影响，因此，在进行拉丝工艺的设计时，必须根据光纤预制棒的组成和制备工艺、高温炉的结构特点、光纤的技术指标以及其他相关条件，分析预制棒送棒速度、拉丝速度、高温炉温度以及拉丝张力的相互关系，确定合理的拉丝工艺和合适的拉丝张力值，这样才能拉制出高品质的光纤。3.2.8静电对拉丝工艺的影响及控制

在光纤拉丝的开始过程中，由于速度较低，拉丝张力较小，因此光纤晃动得比较厉害，与光纤通道(如冷却管、固化炉石英管等)接触摩擦时会产生大量静电。在光纤的收丝过程中，由于光纤表面带有静电，因此会造成收丝筒上光纤的排丝不均匀，甚至造成光纤紧密相贴，且发生光纤抖动，在高速拉丝的过程中还可能会出现光纤断纤等现象，造成光纤的浪费和损失。因此，在裸光纤冷却管、收丝系统等部位都配有除静电装置，并且在生产过程中定时检查各个部位光纤的静电量，从而确保不会因为静电而对光纤生产造成影响。此外，在光纤的复绕和张力筛选过程中，光纤表面也会产生静电。高速运动光纤经过导轮、皮带、收丝筒等部件后会产生大量的静电，这些静电会吸附在光纤上将直接导致光纤盘上的光纤不能进行平整的排线，在后续的操作中会因为光纤的排线问题而造成光纤断纤，严重的将导致复绕成盘的光纤其衰减性能降低或出现衰减突变等现象。如果在高速复绕或张力筛选过程中出现断纤现象，则断裂的光纤可能会甩击到光纤盘上，对成品光纤的质量造成较大的影响。为了消除光纤冷却管上产生的静电，在裸光纤冷却管上方安装静电消除器。该装置由静电消除器和静电转移部件两部分组成，工作中交替产生正、负离子，以消除光纤在进入冷却管前产生的静电。静电转移部件位于冷却管的上、下口出处，它具有静电集中块，静电集中块上连接有静电接地连接线，用来接地转移静电。在低速拉丝时，光纤存在一定程度的晃动，裸光纤与冷却管内壁接触产生的静电会通过静电转移部件接地转移。为了消除光纤收丝筒等部件上产生的静电，通常在收丝系统、复绕和张力筛选系统等的关键部位安装除静电的离子风嘴(见图3-34)。该装置是一种固定式自动除静电除尘的专用设备，产生的强离子风可以清除光纤表面和光纤盘表面的异物、灰尘和静电等。其工作原理为：离子风嘴可产生大量带有正负电荷的气流，该气流被压缩空气高速吹出，将光纤和光纤盘上所带的电荷中和掉。当光纤表面所带电荷为负电荷时，它会吸引气流中的正电荷，当光纤表面所带电荷为正电荷时，它会吸引气流中的负电荷，从而使光纤表面的静电被中和，达到消除静电的目的。

图3-34除静电的离子风嘴在光纤收丝系统、光纤复绕机和光纤张力筛选机上安装这种消除静电的设备后，可以有效减小光纤收丝、复绕以及筛选过程中光纤和光纤盘所带的静电，避免由于光纤带有静电而造成的鞭打现象，有效改善光纤强度，提高光纤生产的产量和光纤的品质。另外，除静电装置也可以防止灰尘等微粒夹带进入收丝筒，影响光纤的排丝效果。3.2.9光纤涂覆及其对光纤性能的影响

石英光纤上加涂层的目的是防止纤维表面受外界的损害并保护其原有的强度。涂层对于提供机械保护和阻止水分渗入光纤表面的微裂纹是很有必要的。二氧化硅光纤在空气中的理论强度为7GN/m2，但在与外界微粒或物质接触后容易受到损伤，其强度急剧下降，因此光纤从石英预制棒中拉出后，一个保护性的涂层很快便应用在细如发丝的纤维上，从而形成光纤涂层，对光纤进行保护。

光纤的涂层材料可分为两类：一类是无机材料，如碳涂层、金属涂层、碳化硅以及适合特种要求的新涂层材料；另一类是有机材料，如热固化材料、UV光固化材料等。在石英光纤的生产过程中，常使用紫外光固化涂料(通常为聚丙烯酸树脂)作为光纤的涂层材料。

进行光纤的涂覆时，需要注意以下问题：

(1)裸光纤进入涂覆杯接触涂料时的温度通常要低于某一温度值(大约为40～60℃)。

(2)涂覆杯中的剪切应力应减至最小，以防止涂层气泡的出现。

(3)系统必须提供足够能量的固化系统。

图3-35开放式涂覆系统常见的光纤涂覆系统有以下两种：

(1)开放式涂覆系统(见图3-35)。这种涂覆系统没有外界压力，主要通过涂料随光纤流动产生的牵引力进行涂覆，涂层厚度与拉丝速度和涂料的黏度无关，取决于涂覆磨具和光纤直径的关系。当拉丝速度增加到一定程度时，涂覆效果将急剧下降，涂料开始脱离。由此可见，开放式涂覆系统只在低速拉制某些特种涂层光纤时具有较好的涂覆效果，不适合进行高速拉丝。

(2)加压涂覆系统(见图3-36)。该系统采用加压涂覆模具进行涂覆，依靠压力将涂料挤压在光纤表面，涂层的厚度与涂覆模具的直径、涂覆压力、光纤入杯温度、拉丝速度和涂料黏度相关。实验证明，在确定涂覆磨具的情况下，随着压力的增加，涂层厚度呈线性增加，涂层厚度反比于拉丝速度和涂料黏度。涂覆过程中，空气会随光纤进入涂料中并积聚，涂料固化后则保存于光纤涂层中，这样将会严重影响涂层的同心度和光纤的强度。在高速拉丝