生产工艺对光纤质量的影响

陈嘉鹭，施国棋，查健江

（山东鑫茂光通信科技有限公司，济南　250031）

1　光纤发展历史

光纤由于具有带宽、衰减等优点，在互联网、信息网络、用户等网络中得到了广泛的应用。绝大多数信息网络数据都是通过光缆传输的，现阶段光纤已经成为世界上最重要的传输介质。发展我国光纤光缆产业对我国信息化建设具有重要意义。我国光纤光缆行业的发展历史已经近40年，在经历了光纤光缆行业的繁荣和低迷时期之后，近年来有爆炸式增长的趋势。然而，在光纤光缆行业发展过程中，市场需求、关键环节、产品质量和国际市场等方面存在一些问题，严重阻碍了光纤光缆行业的发展。研究生产工艺对光纤性能的影响，不仅可以直接提高我国光纤生产的质量，而且对我国新时期的信息技术建设具有直接的现实意义。

1.1　光纤产业市场特点

第一，发展迅速。我国开始逐步走向5G时代，光纤行业的市场潜力巨大，市场需求大大提高。在这种情况下，我国积极加大对光纤光缆行业的投资，提高光纤光缆行业的生产能力。

第二，产品质量难以满足市场需求。我国光纤光缆企业数量众多，生产厂家众多。但是，各企业生产规模不大，光纤技术含量低，难以满足光纤光缆行业的市场需求。

第三，市场高度集中。我国光纤光缆制造商主要集中在长三角地区，区域分布不均匀。

第四，价格下降。在国际发展的大背景下，国外光纤光缆厂商严重挤压了国内厂商的利润空间，导致国内光纤光缆价格严重下滑。

第五，生产受到限制。我国国内生产的光纤光缆技术含量低，产品质量不高，生产的产品以购买预制棒为主，生产预制棒为辅，利润少，缺乏预制棒制造技术，生产受到技术的限制。

1.2　产业链缺陷

我国光纤光缆生产技术不断提高，光纤光缆产品的质量也得到了用户的认可。而且在设备和材料方面我国已经形成完整的光纤光缆生产产业链，然而我国预制棒技术与国际水平还有很大的差距，光纤预制棒的制造利润很高，只有熟悉先进的预制棒技术才能提高经济效益目前预制棒技术已成为我国光纤光缆工业发展的最大障碍。

1.3　产品质量

我国光纤光缆用户集中在中国联通、中国移动和中国电信这三家运营商。由于光纤和电缆客户的高度集中，光纤光缆产品的辐射面很窄。此外，随着中国联通、中国移动和中国电信等三大运营商在运营过程中改变了购买光缆产品的方式。为实现光缆生产厂家的投标，采取低价手段。在这种情况下，光缆制造商只能以低廉的价格销售光缆产品。低成本销售将导致光纤光缆厂家使用劣质原材料，使光纤光缆产品存在严重的质量问题。

2　光纤拉丝工艺

拉丝是光纤生产中的重要环节。目前，高速拉丝机已用于拉丝生产，生产速度可达2400 m/min。在高速拉丝过程中，光纤的质量受多种因素的影响。尽量提高生产设备的精度可以更好地确保光纤的质量。光纤拉丝是将光纤预制棒在高温下熔化，在拉力作用下拉成光纤。

2.1　预制棒加热

电磁感应炉通过电磁感应加热内部的石墨加热元件，加热预制棒，使预制棒在拉丝过程中的温度达到2000-2250℃。为了防止加热过程中石墨件氧化，向电磁感应炉中通入氩气、氦气进行保护，氩气、氦气流量由流量控制器控制，以保证炉内气场的稳定性，从而保证光纤直径的稳定。

由于光纤属于一种SiO2基玻璃，其粘度、温度关系类似于玻璃。在非常高的温度下，光纤不再易碎，而是随着温度逐渐软化，其粘度降低。由于裸纤自身的的重力和粘度，预制棒在加热区中的下端开始下坠，并且预制棒软化的下端逐渐被拉细成丝。电磁感应炉下方设有退火管，退火管主要用于控制光纤的冷却温度，以保证光纤的强度，从而提高光纤的光学性能和机械性能。

2.2　光纤冷却

裸纤从出炉口到涂覆之前需要充分的冷却，特别是在高速拉丝的情况下，因为拉丝速度达到2400 m/min或更高，所以必须缩短冷却光纤所需的时间。冷却管中目前使用具有良好导热性的氦气。虽然氢气的热导率为0.163W（m·C）优于氦气的热导率0.144W（m·C），但是氦气仍是目前已知的稳定性和安全性最合适的导热气体。如果要在今后的生产过程中再次加快拉丝速度，那么有两点可以解决这个问题：

（1）延长炉口到光纤涂覆系统的距离。提高拉丝塔的高度，延长光纤下坠的距离能够使光纤能够得到充分的冷却。这一点在理论上完全是行得通的，然而在实际情况中我们并不可能把拉丝塔的高度提得太高。因为首先在成本上会有提高，其次在实际操作中也会带来极大的不便。

（2）降低冷却管内冷却液体的温度。目前冷却管内使用的冷却水都是经过冷却机冷却的纯水。降低冷却水的温度、更换冷却水种类，使用液氮或者其他液体可以使得光纤在通过冷却管的时候能够迅速降温。这样不仅可以便于大幅度提高拉丝速度还可以降低拉丝塔的高度。但是也存在一定的问题，循环冷却水的温度降低会造成冷却管表面因内外温差而产生凝露。凝露在管外的形成、下滑，会影响到光纤的正常生产。解决这个问题，就可以大幅度提高拉丝生产速度、降低生产成本。

2.3　光纤涂覆和固化

裸纤温度冷却至50℃左右，光纤涂覆时，将涂料罐预热后的涂料在压缩空气的作用下压入涂杯内，涂杯内预先充入CO2，并在生产中用恒压（0.6MPa）把CO2充入涂杯内，可使涂料更好地附着在裸光纤表面。为了保证涂料涂覆在最佳温度下进行，涂料桶、涂料管道、涂料杯本身在光纤生产过程中采用循环水加热，涂覆温度基本稳定在45℃。

光纤的涂覆将通过UV固化炉，在UV固化炉中，氧气的存在将降低光纤涂料的固化程度，因此需要将中心管通入氮气或其他惰性气体来消除大部分氧气。在UV紫外光照射下，丙烯酸酯涂料发生化学反应固化。

经过两次涂覆、固化处理后，裸纤的外表面被涂覆上两层主要材料为丙烯酸环氧树脂的保护层，以保护光纤不受外界作用和吸收诱发微变的剪切应力。

2.4　光纤筛选和测试

将生产出的大盘光纤放在复绕机上进行筛选，去除强度不够的光纤。在整个生产过程中，还需要裸纤丝经仪、涂层丝径仪等，对光纤生产过程中的质量进行分析并加以控制。

3　光纤强度的改善

SiO2基玻璃在常温下是一种脆性材料，其强度在很大程度上取决于表面结构。裸纤的表面可能具有许多肉眼看不见的微裂纹。微裂纹尺寸越大，光纤的抗拉强度越差。在拉丝过程中，在拉伸应力的作用下，这些微裂纹开始横向扩展，然后扩展到整个截面，导致光纤断裂。因此，如果能够消除这些表面裂纹，则抗拉强度能够显著提高。

3.1　预制棒表面处理

预制棒表面若未经过处理，很容易因为其表面缺陷，使预制棒在拉丝过程中或光纤在筛选中发生断裂。所以在拉丝前会用氢氟酸与浓硝酸的混合溶液对预制棒进行酸洗。

3.2　改善生产环境

在整个拉丝过程中，灰尘、颗粒等杂质的存在将严重影响光纤强度，颗粒可能由不干净的拉丝炉、涂覆前的光纤通道处引入。所以拉丝车间的洁净度要保持好，拉丝前的擦拭等准备工作要做充分。

4　光纤几何参数的控制

由PLC控制的光纤拉丝机可以精确控制光纤直径，经过涂覆的光纤，绕到收线机上时，其收线机的速度与预制棒的下棒速度之间的关系如下：

式中，R1为预制棒半径；R2为裸纤包层半径；V1为预制棒下棒速度；V2为收线机收线速度。如已知预制棒的半径，设备就可根据公式调整预制棒下棒速度以及收线机的收线速度，从而能够得到稳定的光纤包层半径。

表1显示在公司日常生产过程中不同速度下测得的光纤几何参数，其中包层不圆度，芯包同心度误差等参数在很大程度上受到预制棒制造工艺的影响。

表1　不同拉丝速度下的光纤几何参数

从表1中可以看出，在不同拉丝情况下，所生产的光纤几何参数都比较稳定，均能符合甚至优于国家标准及我公司技术标准。

4.1　冷却管介质气体对涂层直径的影响

在光纤拉丝生产中，拉丝速度的提高会使得光纤在冷却管中滞留的时间缩短，冷却不充分。其结果是较高温度光纤使其周围涂料的粘度降低，内涂层厚度变薄。

在高速拉丝条件下，为了使内涂层直径控制在要求范围内，通常采用的解决方法：一是增加冷却管长度；二是加大氦气流量。增加冷却管长度可以延长光纤在冷却管内的滞留时间，使光纤冷却更充分，但是这种方法需要增加拉丝塔高度，相应的厂房等设施的高度也都要增加，从而导致成本大幅提高。加大氦气流量，可以增加氦气在冷却管介质气体中的比例，同时增加氦气的密度，从而增加了冷却管介质气体的实际导热系数，提高冷却效果。

图1显示了拉丝速度对内涂层直径的影响：在冷却管内氦气流量不变的情况下，将拉丝速度从1400m/min逐步提高到2000m/min，内涂层直径不断降低，而且速度越高，下降幅度越大。

图1　拉丝速度对内涂层直径的影响

图2显示了不同拉丝速度下氦气流量对内涂层直径的影响：在相同的拉丝速度下，加大氦气流量会使得内涂层直径逐渐增大，如：在1600m/min的拉丝速度下，氦气流量为4L时，内涂层直径为189.7um，而当氦气加大到8L时，内涂层直径则增大到192.7um；不同的拉丝速度其氦气流量的增加对内涂层直径的影响幅度不同，速度越高影响更为明显。

图2　氦气流量对内涂层直径的影响

由于氦气价格昂贵，在实际生产过程中由拉丝速度提高所获得的经济效益，通常会因为氦气消耗增加而有所下降。因此，通过设备和工艺优化降低冷却管中的氦气消耗量成为降低光纤成本的有效方式之一。

4.2　涂覆方式对涂层直径的影响

内涂层直径的大小除了与冷却管的冷却效果有关外，还受涂覆模具的孔径和涂覆系统的工艺参数等因素的影响。本实验中使用的内涂模具孔径为220um，涂覆工艺参数主要包括模具内涂料温度、涂覆压力等。

4.2.1模具涂料温度对内涂层直径的影响

涂料粘度一般随着温度的升高而降低。当涂覆模具的温度升高时，模具内涂料的粘度就会随之降低，从而使从模具涂料进口到裸光纤之间的涂料压阻降低，这样会使更多的涂料达到光纤附近并随光纤从下模具口挤出，其结果是涂层直径增加。

图3为不同拉丝速度下，内涂层直径与模具涂料温度的之间关系曲线。图5中光纤的内涂层直径随模具内涂料温度的增加而增加，当拉丝速度逐渐增加时，涂料温度对内涂层直径的影响越来越小。当拉丝速度提升到2000m/min时，涂料温度变化20℃，内涂层直径变化约1um。在高速拉丝条件下，裸光纤附近非常薄的区域内的涂料会因为“剪切变稀”效应使得其粘度急剧降低，这样使裸光纤和附近区域的涂料产生“打滑”现象，被裸光纤带出模具下口的涂料会减少。因此，高速拉丝条件下温度对内涂层直径的影响降低。

图3　内涂层直径随模具涂料温度的变化

4.2.2涂覆压力对内涂层直径的影响

提高涂覆模具内的涂料压力，理论上从两方面可以使涂层直径增加：（1）涂料压力增加会使模具入模口处的涂料弯液面上升，从而提高了光纤在模具内的有效涂覆距离；（2）高的涂料压力可以使更多的涂料被压送到裸光纤附近并被带出下模具口。

图4给出了内涂层直径与涂覆压力之间的关系曲线，从中可以看出在相同的拉丝速度下，内涂层直径随涂覆压力的增加，呈现出小幅增大的趋势。不同速度下内涂层直径随压力的变化幅度差异不大。

图4　内涂层直径随涂覆压力的变化

5　结束语

本文简单阐述了光纤光缆的发展史，并主要研究了光纤具体生产过程中的工艺控制过程对于所生产光纤几何性能及其强度的影响，主要是为了在相同情况下能够在生产工艺上进一步提高光纤质量。在研究理论的同时，在公司的具体生产过程中进行了一系列有关实验，提出了有关问题的想法及具体解决方案。

[1]林宗寿.无机非金属材料工学.武汉：武汉工业大学出版社.