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高速拉制光纤时影响光纤质量的因素

  前言

  现在通信用的A类多模光纤和B类单模光纤都是由石英玻璃制造的。石英玻璃光纤在制作的过程中玻璃基体不可避免地存在微小的不均匀性、高温熔融骤冷拉丝使表面形成应力分布不均匀、及环境尘埃、机械损伤等致使光纤表面产生一些微裂纹。这些微裂纹在高速拉丝中,承受较大的拉丝张力,会产生进一步的扩张,导致光纤强度降低。随着目前拉丝速度的不断提高,如何在保证光纤强度成为人们比较关心的问题。本文从工艺的角度探讨了预制棒、炉子温度、涂覆工艺和拉丝环境对光纤强度的影响。

  一、预制棒对光纤强度的影响

  光纤在生产过程中出现低强度断裂主要是由光纤存在的缺陷引起的。这些缺陷大致可分为内部缺陷和表面缺陷,内部缺陷主要预制棒中夹杂的气泡和杂质。表面缺陷主要形式是微裂纹和微尘沾污,它与预制棒表面损伤,拉丝炉和环境的洁净度,涂覆质量等因素有密切关系。为进一步说明这些因素对光纤强度的影响,以下分别进行讨论和分析:

  1.1内部缺陷的影响

  预制棒的生产过程中,不可避免的存在气泡和杂质。对于预制棒内部一定直径的气泡,在拉丝过程中可能发生破裂,或者缩小成极细小的气线而对光纤强度产生严重的影响。而对于内部杂质造成的缺陷,拉丝过程中不仅无法使其愈合和缩小,相反这类杂质大都是天然石英原料中夹杂的高熔点金属氧化物,由于其膨胀系数与玻璃体存在较大的差异,因此在高温融化时,杂质和玻璃体界面产生裂纹。裂纹在拉丝过程中会不断地增长,裂纹尺寸远远大于杂质本身的尺寸,因此这些杂质对光纤强度的危害要比气泡之类的影响大得多。预制棒中存在的气泡和杂质对于光纤拉丝来说,是不可避免,如果预制棒质量不好,就无法通过拉丝工艺提高强度。因此,预制棒质量时影响光纤强度的主要因素。

  1.2表面缺陷的影响

  表面缺陷主要为微裂纹和表面沾污。预制棒表面的微裂纹,在拉制过程中不可避免的会转变成光纤表面较小的微裂纹。当光纤受到外部应力作大于这些小的微裂纹扩展临界应力时,小的微裂纹逐渐增大,最终导致光纤断裂。而表面沾污会降低裸光纤表面与内涂涂料的结合紧密度。由于内涂涂料和裸光纤之间有空隙,当受到一定外力时,涂层处首先发生断裂,进而引起裸光纤断裂。

  目前对于表面缺陷主要有两种处理方法:一为火焰抛光,二为HF酸处理。火焰抛光可以有效地治愈预制棒表面的微裂纹,HF酸可以洗去附着在预制棒表面的杂质。因此在实际生产中,对预制棒进行HF酸洗和火焰抛光进行二次处理,从而提高光纤强度。我们对未处理预制棒和处理后预制棒拉制光纤的强度进行了统计,结果如表所示:

筛选张力   预制棒  光纤长度  断点数
9.0N           未处理  1000KM    14
9.0N           处理        1000KM      8
  
  表 1 预制棒表面处理对光纤强度的影响

  从表1可以看出,经过二次处理后的预制棒,拉制的光纤的强度明显提高。需要注意,HF酸洗时一定要控制好酸洗的时间,如果酸洗时间过长,微裂纹会产生明显的扩张。并且火焰抛光时,要控制好火焰燃烧气体的纯净度和环境的洁净度,防止抛光时产生二次污染。

  二、炉子温度对光纤强度的影响

  高温拉丝过程中发生点缺陷将导致光纤机械强度劣化,已发现的最重要的点缺陷之一E′缺陷是Si-O链断裂产生的,Si-O链断裂和重新链合时动态变化的,E缺陷的浓度取决于Si-O链断裂和重新链合的平衡结果。E缺陷的浓度随拉丝炉加热区长度增加而增加,随拉丝速度增加而降低,加热区长导致预制棒在高温区时间加长,从而导致Si-O链断裂产生的频率更高。有研究表明,当加热炉温度从2200K增加到3000K时,刚从加热炉出来的裸光纤的缺陷浓度就会增加二个数量级。

  同时由于高温下,炉中的石墨件挥发产生如下反应:

  反应生成的SiC是一种硬度较高的微粒,在加热炉内若裸光纤被SiC微粒碰的,光纤表面会产生缺陷和裂纹。而当加热炉内温度越高,反应生成的SiC微粒的数量就越多,所以裸光纤表面被碰伤的机率就越高,光纤表面产生的缺陷越多,光纤强度就越低。

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