高速拉制光纖時(shí)影響光纖質(zhì)量的因素

　　前言

　　現(xiàn)在通信用的A類多模光纖和B類單模光纖都是由石英玻璃制造的。石英玻璃光纖在制作的過程中玻璃基體不可避免地存在微小的不均勻性、高溫熔融驟冷拉絲使表面形成應(yīng)力分布不均勻、及環(huán)境塵埃、機(jī)械損傷等致使光纖表面產(chǎn)生一些微裂紋。這些微裂紋在高速拉絲中，承受較大的拉絲張力，會產(chǎn)生進(jìn)一步的擴(kuò)張，導(dǎo)致光纖強(qiáng)度降低。隨著目前拉絲速度的不斷提高，如何在保證光纖強(qiáng)度成為人們比較關(guān)心的問題。本文從工藝的角度探討了預(yù)制棒、爐子溫度、涂覆工藝和拉絲環(huán)境對光纖強(qiáng)度的影響。

　　一、預(yù)制棒對光纖強(qiáng)度的影響

　　光纖在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)低強(qiáng)度斷裂主要是由光纖存在的缺陷引起的。這些缺陷大致可分為內(nèi)部缺陷和表面缺陷，內(nèi)部缺陷主要預(yù)制棒中夾雜的氣泡和雜質(zhì)。表面缺陷主要形式是微裂紋和微塵沾污，它與預(yù)制棒表面損傷，拉絲爐和環(huán)境的潔凈度，涂覆質(zhì)量等因素有密切關(guān)系。為進(jìn)一步說明這些因素對光纖強(qiáng)度的影響，以下分別進(jìn)行討論和分析：

　　1.1內(nèi)部缺陷的影響

　　預(yù)制棒的生產(chǎn)過程中，不可避免的存在氣泡和雜質(zhì)。對于預(yù)制棒內(nèi)部一定直徑的氣泡，在拉絲過程中可能發(fā)生破裂，或者縮小成極細(xì)小的氣線而對光纖強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。而對于內(nèi)部雜質(zhì)造成的缺陷，拉絲過程中不僅無法使其愈合和縮小，相反這類雜質(zhì)大都是天然石英原料中夾雜的高熔點(diǎn)金屬氧化物，由于其膨脹系數(shù)與玻璃體存在較大的差異，因此在高溫融化時(shí)，雜質(zhì)和玻璃體界面產(chǎn)生裂紋。裂紋在拉絲過程中會不斷地增長，裂紋尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雜質(zhì)本身的尺寸，因此這些雜質(zhì)對光纖強(qiáng)度的危害要比氣泡之類的影響大得多。預(yù)制棒中存在的氣泡和雜質(zhì)對于光纖拉絲來說，是不可避免，如果預(yù)制棒質(zhì)量不好，就無法通過拉絲工藝提高強(qiáng)度。因此，預(yù)制棒質(zhì)量時(shí)影響光纖強(qiáng)度的主要因素。

　　1.2表面缺陷的影響

　　表面缺陷主要為微裂紋和表面沾污。預(yù)制棒表面的微裂紋，在拉制過程中不可避免的會轉(zhuǎn)變成光纖表面較小的微裂紋。當(dāng)光纖受到外部應(yīng)力作大于這些小的微裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力時(shí)，小的微裂紋逐漸增大，最終導(dǎo)致光纖斷裂。而表面沾污會降低裸光纖表面與內(nèi)涂涂料的結(jié)合緊密度。由于內(nèi)涂涂料和裸光纖之間有空隙，當(dāng)受到一定外力時(shí)，涂層處首先發(fā)生斷裂，進(jìn)而引起裸光纖斷裂。

　　目前對于表面缺陷主要有兩種處理方法：一為火焰拋光，二為HF酸處理�；鹧鎾伖饪梢杂行У刂斡�預(yù)制棒表面的微裂紋，HF酸可以洗去附著在預(yù)制棒表面的雜質(zhì)。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，對預(yù)制棒進(jìn)行HF酸洗和火焰拋光進(jìn)行二次處理，從而提高光纖強(qiáng)度。我們對未處理預(yù)制棒和處理后預(yù)制棒拉制光纖的強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表所示：

　　從表1可以看出，經(jīng)過二次處理后的預(yù)制棒，拉制的光纖的強(qiáng)度明顯提高。需要注意，HF酸洗時(shí)一定要控制好酸洗的時(shí)間，如果酸洗時(shí)間過長，微裂紋會產(chǎn)生明顯的擴(kuò)張。并且火焰拋光時(shí)，要控制好火焰燃燒氣體的純凈度和環(huán)境的潔凈度，防止拋光時(shí)產(chǎn)生二次污染。

　　二、爐子溫度對光纖強(qiáng)度的影響

　　高溫拉絲過程中發(fā)生點(diǎn)缺陷將導(dǎo)致光纖機(jī)械強(qiáng)度劣化，已發(fā)現(xiàn)的最重要的點(diǎn)缺陷之一E′缺陷是Si-O鏈斷裂產(chǎn)生的，Si-O鏈斷裂和重新鏈合時(shí)動態(tài)變化的，E缺陷的濃度取決于Si-O鏈斷裂和重新鏈合的平衡結(jié)果。E缺陷的濃度隨拉絲爐加熱區(qū)長度增加而增加，隨拉絲速度增加而降低，加熱區(qū)長導(dǎo)致預(yù)制棒在高溫區(qū)時(shí)間加長，從而導(dǎo)致Si-O鏈斷裂產(chǎn)生的頻率更高。有研究表明，當(dāng)加熱爐溫度從2200K增加到3000K時(shí)，剛從加熱爐出來的裸光纖的缺陷濃度就會增加二個(gè)數(shù)量級。

　　同時(shí)由于高溫下，爐中的石墨件揮發(fā)產(chǎn)生如下反應(yīng)：

　　反應(yīng)生成的SiC是一種硬度較高的微粒，在加熱爐內(nèi)若裸光纖被SiC微粒碰的，光纖表面會產(chǎn)生缺陷和裂紋。而當(dāng)加熱爐內(nèi)溫度越高，反應(yīng)生成的SiC微粒的數(shù)量就越多，所以裸光纖表面被碰傷的機(jī)率就越高，光纖表面產(chǎn)生的缺陷越多，光纖強(qiáng)度就越低。