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2012/06/26
作者：陈明 贺作为
一、引言
在光纤的拉丝工艺中，拉丝张力是一个重要的工艺参数。通过调节拉丝张力来确定光纤的一些主要性能参数，比如：截止波长，模场直径和衰减等。而拉丝的张力主要受拉丝速度和加热炉温度的影响，通过在张力轮附近安装传感装置，把收集到张力信号传递到控制面板上。张力的显示数值再通过相关的系统来调节拉丝速度和加热炉温度，使得张力在设定值附近进行微小的调节，从而保证光纤上述性能参数的合格。下面就实际生产过程中，拉丝张力的组成和影响因素，拉丝张力的测量以及拉丝张力如何调节光纤性能参数进行论述。
二、拉丝张力影响因素
拉丝张力主要有两部分组成：一是光纤形成区因石英的粘度而在拉丝过程中产生的阻力，二是光纤涂覆时涂料对光纤的阻力。而在实际生产中，光纤的拉丝速度都在1000m/min以上，并且涂料只是少量的填充在模具中。因此涂料对光纤通过时产生的阻力非常的小，光纤张力的大小主要是由形成区的石英粘度所决定的。
1、形成区粘度对拉丝张力的影响
下式为光纤在形成区域的张力理论公式：
（1）
图1 光纤形成区示意图
式中η为形成区石英的粘度，s为光棒的截面积，
vz/ 
z为 形成区的速度梯度。
从式中我们可以看出，光纤形成区的光纤张力与粘度、截面积和速度梯度成正比，并且η、s和vz/ z都是z的函数。
在生产过程中，光棒的截面积s是不变的，光纤形成区域的张力的大小主要与粘度的和速度梯度有关，而它们是由炉子温度和拉丝速度来控制。当我们在实际拉丝过程中，炉子的功率是保持不变的，即粘度η不变。拉丝速度的增加会造成速度梯度vz/ z的增大，F也会增加。而在拉丝结束的时期，光棒由于制造的原因，会产生局部的不均匀，引起张力的变化。张力减小时，为了维护比较稳定的拉丝速度，利用降低炉子功率，从而增大粘度来增大张力，维持张力的稳定。
2、光纤涂覆工艺对张力的影响
在光纤出炉后，及时的对光纤涂覆树脂。其目的是为了保护裸光纤的原始强度，防止外界的水分侵蚀光纤，并增加光纤抗机械外力作用，减小光纤的弯曲损耗。高速拉丝中，均采用压力涂覆方式，防止因速度过大，涂料和光纤的接触角接近180 °，不能附着在光纤上。
在光纤涂覆的理想状态下，忽略粘性发热和重力的作用。假设内涂覆层是牛顿流体，则流动方程可写为：
（2）
图2 涂覆时涂料与光纤相互作用示意图
P是涂覆压力；Z是涂料入口与光纤出口模的高度；
是涂料压力梯度
对内层涂覆代入边界条件：
=V0 r=f （光纤表面）
=0 r=R(z) （涂覆模壁）
解得：
（3）
是半径为r处，涂料的流速；
（4）
是半径为r处，涂料流动产生的剪切速率；
涂覆工艺附加在光纤上的张力：
（5）
是涂料模具中涂覆液的深度，
是涂料的粘度，
是光纤表面的剪切速率。
外涂覆层流体力学的分析可以用相似的方法，在实际的生产中，模具的参数、光纤的直径和拉丝的速度保持一定。对张力影响最大是涂覆时内外涂涂料的粘度，而光纤的粘度主要由模具的温度，涂料温度和拉丝过程中光纤与涂料剪切产生的热量。在实际工艺调节中，主要是调节模具温度和涂料温度来控制涂覆对光纤张力的影响。
三、拉丝张力的测量
1、裸光纤张力的测量
裸光纤张力测量原理图如图3所示；
图3 裸光纤测试原理示意图
测量的主要设备采用PULLMAN非接触张力测量系统。PULLMAN的扬声器在夹缝中以垂直于光纤的方向发出声波，声波激励光纤产生驻波，驻波沿着光纤向上，向下传播。向上传播的驻波到炉子后在预制棒熔融点被吸收,向下的驻波到达涂覆器被涂覆液反射向上传播，安装在PULLMAN上的光电检测器检测到驻波传输的时间t。光纤在t时间内经过的距离X（实际生产过程中为定值），可以求的驻波的传播速度v.再根据公式得出裸光纤的张力。
（6）
是光纤的密度，一般为定值。
因此说裸光纤的张力主要和形成区的粘度有关，粘度越大，裸光纤的张力也越大。这和上述对光纤形成区的理论分析相一致。
2、涂覆光纤张力的测量
涂覆后光纤的张力主要通过张力轮测量，其原理图如图4所示：
图4 涂覆张力测试示意图
图中主牵引轮高速运转，和皮带一起加紧光纤，光纤经过张力轮，对张力轮产生一个力F。
（7）
张力轮的轴承上的感应器，感应到张力轮受到的力的大小，并将数据传递到控制器上。通过控制涂覆张力的大小，来调节拉丝生产中的其他参数，从而保证拉制出合格的光纤。
四、拉丝张力对光纤性能的影响
1、拉丝张力对截止波长和模场直径的影响
生产过程中，光纤的截止波长和模场直径主要通过调节光纤张力的大小来控制。光纤截止波长的理论公式为：
（8）
式中a为纤芯半径，n1为芯层折射率，n2为包层折射率。
对于用于生产的光棒，a和n1是不变的，而n2随着加热炉温度的变化而发生变化。这是因为，在拉丝过程中，光棒芯层中的GeO2发生分解反应：
（9）
在这个分解反应中，加热炉功率降低，炉子温度的降低有利于反应向左移动，造成GeO2的浓度增大。又因为GeO2的折射率大于GeO的折射率，使得芯层折射率n1增加，包层折射率n2保持不变。芯层和包层的折射率差△n=n1-n2增大，从而光纤的截止波长λc增大。光通过光纤时辐射到包层中的能量减小，使得光能更加集中，光纤的模场直径减小。反之，加热炉功率增加，炉子温度升高，反应向右移动，使得n1减小，△n也随之减小，光纤的截止波长λc减小。光通过光纤时辐射到包层的能量增大，光纤的模场直径增大。
在拉丝生产中，生产线的工艺趋于稳定时，拉丝速度设定值通常是保持恒定。我们通常情况下是通过设置张力的大小，来改变加热炉的温度，从而进一步改变纤芯折射率n1的分布，因此我们根据上面拉丝张力的温度影响因素可以得出下面的结论：
拉丝速度不变，张力增大，炉子温度降低，截止波长增大，模场直径减小；张力减小，炉子温度增加，截止波长减小，模场直径增大。
2、拉丝张力对衰减的影响
拉丝过程中，光纤外径的波动会引起芯径和模场直径的波动，从而导致光纤散射损耗和光纤接续损耗的增加。适当降低加热炉工作温度，使光纤成形区石英粘度偏高，拉丝张力偏大可减小光纤外径波动，使光纤散射损耗和光纤接续损耗减小。同时随拉丝张力增大，加热炉内温度降低，使得Si-O链断裂的机会减少，因Si-O链断裂而产生的缺陷的数量减少，因此光纤的衰减也随之减小[4]。
五、结论
光纤张力的计算和测量，为光纤拉丝生产提供了重要依据。根据测量获得的实际张力数据，调整其他工艺参数以获得稳定的拉丝生产。并且调节光纤张力的大小， 可以有效地控制光纤的截止波长、模场直径和衰减。
在光纤的拉丝工艺中，拉丝张力是一个重要的工艺参数。通过调节拉丝张力来确定光纤的一些主要性能参数，比如：截止波长，模场直径和衰减等。而拉丝的张力主要受拉丝速度和加热炉温度的影响，通过在张力轮附近安装传感装置，把收集到张力信号传递到控制面板上。张力的显示数值再通过相关的系统来调节拉丝速度和加热炉温度，使得张力在设定值附近进行微小的调节，从而保证光纤上述性能参数的合格。下面就实际生产过程中，拉丝张力的组成和影响因素，拉丝张力的测量以及拉丝张力如何调节光纤性能参数进行论述。
二、拉丝张力影响因素
拉丝张力主要有两部分组成：一是光纤形成区因石英的粘度而在拉丝过程中产生的阻力，二是光纤涂覆时涂料对光纤的阻力。而在实际生产中，光纤的拉丝速度都在1000m/min以上，并且涂料只是少量的填充在模具中。因此涂料对光纤通过时产生的阻力非常的小，光纤张力的大小主要是由形成区的石英粘度所决定的。
1、形成区粘度对拉丝张力的影响
下式为光纤在形成区域的张力理论公式：
（1）
图1 光纤形成区示意图
vz/ z为 形成区的速度梯度。从式中我们可以看出，光纤形成区的光纤张力与粘度、截面积和速度梯度成正比，并且η、s和
vz/ z都是z的函数。在生产过程中，光棒的截面积s是不变的，光纤形成区域的张力的大小主要与粘度的和速度梯度有关，而它们是由炉子温度和拉丝速度来控制。当我们在实际拉丝过程中，炉子的功率是保持不变的，即粘度η不变。拉丝速度的增加会造成速度梯度
vz/ z的增大，F也会增加。而在拉丝结束的时期，光棒由于制造的原因，会产生局部的不均匀，引起张力的变化。张力减小时，为了维护比较稳定的拉丝速度，利用降低炉子功率，从而增大粘度来增大张力，维持张力的稳定。2、光纤涂覆工艺对张力的影响
在光纤出炉后，及时的对光纤涂覆树脂。其目的是为了保护裸光纤的原始强度，防止外界的水分侵蚀光纤，并增加光纤抗机械外力作用，减小光纤的弯曲损耗。高速拉丝中，均采用压力涂覆方式，防止因速度过大，涂料和光纤的接触角接近180 °，不能附着在光纤上。
在光纤涂覆的理想状态下，忽略粘性发热和重力的作用。假设内涂覆层是牛顿流体，则流动方程可写为：
（2）图2 涂覆时涂料与光纤相互作用示意图
是涂料压力梯度对内层涂覆代入边界条件：
=V0 r=f （光纤表面）
=0 r=R(z) （涂覆模壁）（3）是半径为r处，涂料的流速；（4）是半径为r处，涂料流动产生的剪切速率；涂覆工艺附加在光纤上的张力：
（5）是涂料模具中涂覆液的深度，是涂料的粘度，是光纤表面的剪切速率。外涂覆层流体力学的分析可以用相似的方法，在实际的生产中，模具的参数、光纤的直径和拉丝的速度保持一定。对张力影响最大是涂覆时内外涂涂料的粘度，而光纤的粘度主要由模具的温度，涂料温度和拉丝过程中光纤与涂料剪切产生的热量。在实际工艺调节中，主要是调节模具温度和涂料温度来控制涂覆对光纤张力的影响。
三、拉丝张力的测量
1、裸光纤张力的测量
裸光纤张力测量原理图如图3所示；
图3 裸光纤测试原理示意图
（6）是光纤的密度，一般为定值。因此说裸光纤的张力主要和形成区的粘度有关，粘度越大，裸光纤的张力也越大。这和上述对光纤形成区的理论分析相一致。
2、涂覆光纤张力的测量
涂覆后光纤的张力主要通过张力轮测量，其原理图如图4所示：
图4 涂覆张力测试示意图
（7） 张力轮的轴承上的感应器，感应到张力轮受到的力的大小，并将数据传递到控制器上。通过控制涂覆张力的大小，来调节拉丝生产中的其他参数，从而保证拉制出合格的光纤。
四、拉丝张力对光纤性能的影响
1、拉丝张力对截止波长和模场直径的影响
生产过程中，光纤的截止波长和模场直径主要通过调节光纤张力的大小来控制。光纤截止波长的理论公式为：
（8）式中a为纤芯半径，n1为芯层折射率，n2为包层折射率。
对于用于生产的光棒，a和n1是不变的，而n2随着加热炉温度的变化而发生变化。这是因为，在拉丝过程中，光棒芯层中的GeO2发生分解反应：
（9）在这个分解反应中，加热炉功率降低，炉子温度的降低有利于反应向左移动，造成GeO2的浓度增大。又因为GeO2的折射率大于GeO的折射率，使得芯层折射率n1增加，包层折射率n2保持不变。芯层和包层的折射率差△n=n1-n2增大，从而光纤的截止波长λc增大。光通过光纤时辐射到包层中的能量减小，使得光能更加集中，光纤的模场直径减小。反之，加热炉功率增加，炉子温度升高，反应向右移动，使得n1减小，△n也随之减小，光纤的截止波长λc减小。光通过光纤时辐射到包层的能量增大，光纤的模场直径增大。
在拉丝生产中，生产线的工艺趋于稳定时，拉丝速度设定值通常是保持恒定。我们通常情况下是通过设置张力的大小，来改变加热炉的温度，从而进一步改变纤芯折射率n1的分布，因此我们根据上面拉丝张力的温度影响因素可以得出下面的结论：
拉丝速度不变，张力增大，炉子温度降低，截止波长增大，模场直径减小；张力减小，炉子温度增加，截止波长减小，模场直径增大。
2、拉丝张力对衰减的影响
拉丝过程中，光纤外径的波动会引起芯径和模场直径的波动，从而导致光纤散射损耗和光纤接续损耗的增加。适当降低加热炉工作温度，使光纤成形区石英粘度偏高，拉丝张力偏大可减小光纤外径波动，使光纤散射损耗和光纤接续损耗减小。同时随拉丝张力增大，加热炉内温度降低，使得Si-O链断裂的机会减少，因Si-O链断裂而产生的缺陷的数量减少，因此光纤的衰减也随之减小[4]。
五、结论
光纤张力的计算和测量，为光纤拉丝生产提供了重要依据。根据测量获得的实际张力数据，调整其他工艺参数以获得稳定的拉丝生产。并且调节光纤张力的大小， 可以有效地控制光纤的截止波长、模场直径和衰减。
