高速拉丝工艺的关键技术

近年来，随着光纤生产规模不断扩大，拉丝速度不断提升，预制棒的直径和长度也不断增加，高速拉丝已成为光纤制造厂家的主要生产工艺。下面重点介绍高速拉丝工艺注意事项。

3.3.2.1　高速拉丝工艺对光纤性能的影响

光纤的性能参数主要由光纤预制棒决定，但光纤的拉丝工艺以及光纤的涂覆工艺对光纤的性能参数也会产生非常重要的影响。拉丝炉是光纤拉丝工艺的核心部件，拉丝工艺参数（如拉丝温度、拉丝速度等）对光纤性能有很大的影响。

（1）降低光纤的拉丝温度，拉丝张力将增加，光纤的截止波长将增大

预制棒的温度越低，其粘度越大，对应的拉丝张力也越大，即降低拉丝温度，拉丝张力将增大，对应的光纤的截止波长增大。拉丝张力与拉丝速度成正比，拉丝速度越高，拉丝张力也更大。

（2）拉丝温度降低，光纤的衰减一定程度降低

拉丝温度降低，玻璃粘度会增大，在拉丝速度恒定时，拉丝张力也会增加，最终的结果将是颈缩锥形状变得更平滑，即颈缩锥更长。颈缩锥面平滑，将有利于减小光纤内径向的应力，改善光纤的衰减。同时，降低拉丝温度，可降低预制棒内掺杂材料的扩散迁移与挥发，减少光纤内部的缺陷，改善光纤的衰减。

（3）拉丝速度对光纤衰减的影响

相同拉丝温度条件下，拉丝速度v0提高理论上可降低光纤的衰减，但实际生产过程中由于速度提高，反而可能会导致其他附加衰减增加，从而抵消这部分的理论改善，实际甚至可能导致最终的光纤衰减增加的现象。

如果拉丝温度保持不变，只提高拉丝速度，拉丝张力会增加，将使得颈缩锥形状变得更平滑，即颈缩锥更长。

另外，提高拉丝速度将减少光纤预制棒在高温区滞留的时间。在高温作用下，容易在石英玻璃内诱导产生点缺陷。高温拉丝过程中发生的点缺陷将导致光纤的传输损耗增加，已发现的最重要的点缺陷之一是Si—O链和Ge—O断裂产生的Si·和Ge·点缺陷，它们的吸收波长落在紫外区域。点缺陷的浓度与石英光纤在高温区所停留的时间成正比例关系，也与拉丝炉中紫外线的浓度成正比例关系，还与光纤中Ge含量相关。

但随着拉丝速度提高，光纤振动及拉丝设备的机械稳定性将变差，同时光纤的退火保温时间和固化反应及冷却时间均将缩短，这将增加光纤的结构缺陷引起的吸收衰减和其他应力导致的附加衰减，反而可能导致总的光纤衰减随拉丝速度的提升而增加。

（4）预制棒的棒径增大，光纤的衰减增加(www.xing528.com)

当预制棒的棒径增大时，颈缩锥的自重增加，颈缩锥形状变得陡峭，光纤的衰减会增加。同时，预制棒在高温区滞留的时间延长，也会增加光纤的衰减。但是如果热区长度增加，其有效温度降低，粘度增大，可能导致颈缩锥形状变得平缓，光纤的衰减可能降低。因此，增大预制棒的棒径需要同步增加拉丝炉的热区长度。

（5）拉丝炉热区长度的影响

拉丝炉热区越长，预制棒受到高温加热的长度也就越长，其变形的长度也就越长，颈缩区的长度也就越长，锥面越平滑。维持相同的拉丝张力，粘度增大，拉丝温度降低，从而可以改善光纤的衰减。但因受表面张力的影响，当热区到达合适长度后，继续增加热区长度非但不能改善光纤的衰减，还将因为光纤在高温区滞留的时间增加，反而不利于光纤衰减改善。

3.3.2.2　高速拉丝中的包层直径控制

光纤包层直径的波动引起芯径和模场直径波动，导致光纤散射损耗、熔接损耗增加，因此，光纤包层直径波动越小越好。可能导致光纤拉丝时包层直径波动的主要因素有：

（1）拉丝时控制系统中进棒系统和拉丝速度之间的自动控制与反馈条件系统的控制水平。

（2）拉丝炉内气流的分布和走向。光纤预制棒拉丝时，如果拉丝炉内的气流，特别是变径区的气流分布出现紊乱的情况下，将会严重影响石英光纤的丝径波动。通过改变加热炉内石墨件及拉丝炉下方延伸管结构，使拉丝炉内气体分布呈现理想的层流分布，能够避免拉丝时出现石英光纤的丝径波动，实现石英光纤包层直径稳定均匀的目标，将石英玻璃光纤包层直径稳定控制在（125±0.2）μm范围。

3.3.2.3　高速拉丝中的衰减控制

拉丝过程中，光纤从熔融状态逐渐冷却至玻璃态，对应的温度在1600℃～1700℃。如果光纤从熔融状态快速急剧冷却至玻璃态，会导致光纤衰减显著增加。实际光纤拉丝工艺控制实践中，通过在加热炉热区下方出口位置安装延伸管提供足够的光纤保温退火距离，优化加热炉温场分布，保证在高速拉丝情况下，能够将光纤温度按梯度分布缓慢降下来，从而保证光纤从拉丝炉高温区出来后有充分的距离缓慢冷却至合适的温度，使得光纤暴露在空气中时的温度已经低于玻璃结构重组温度，实现高速拉丝时光纤衰减不会明显增加的目标。另外，高速拉丝情况下，由于速度提高，光纤在热区的存留时间相应减少，能够一定程度地减少光纤的结构缺陷，从而部分抵消了大直径预制棒高速拉丝时需要提高炉温而带来的附加衰减。

3.3.2.4　光纤预制棒高速拉丝技术发展

随着光纤拉丝技术持续快速进步，预制棒朝着更大更长，同时拉丝速度也朝着越来越快的方向不断向前。尽管大尺寸光纤预制棒高速拉丝存在不少困难，但因其产量、效率、设备利用率和效益等都相对较高，因此朝着大尺寸光纤预制棒高速拉丝方向发展趋势是明显的。近年来，光纤预制棒直径已经从过去的120mm以内提高至200mm，甚至更大；拉丝的预制棒长度也从1m左右增加至3m以上，有的甚至达6m左右；光纤拉丝速度也提升至2500m／min以上，直至3000m／min以上。