CN101925548A - 制造低衰减光纤的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成光纤的方法，它包括从玻璃供给来源拉制光纤，通过将该光纤保持在处理区域中来处理该光纤，该光纤在该区域中以特定的冷却速度冷却。光纤处理减少了光纤由于瑞利(Rayleigh)散射，和/或由于光纤形成之后随着时间推移的热老化造成的衰减增加的倾向。也提供了沿着非线型路径结合流体轴承制造光纤的方法，因而可以增加光纤处理区域的垂直空间。

Description

制造低衰减光纤的方法
相关申请的互相参照
本申请要求于2007年11月29日提交的题为“低衰减光纤的光纤气流转向”(Fiber Air Turn for Low Attenuation Fiber)美国非临时专利申请(U.S.Nonprovisional Patent Application No.)第11/998,366号的权益和优先权，该申请的全部内容被依赖并被参照结合于此。
发明领域
本发明涉及形成光纤的方法与设备，更具体地，涉及形成性能提高了的光纤的方法与设备。
背景技术
衰减和对加热(或热)老化的敏感程度可能是光纤的重要特性，尤其对于高数据传送速率的光纤而言更是如此。在制造光纤的过程中，可能必须或者希望尽量减小纤维在设计的操作范围的衰减损失。纤维加工之后，由于称之为”热老化”的现象，光纤的衰减会增加。热老化是某些光纤在形成纤维之后随着时间的推移，由于纤维周围环境的温度波动造成的衰减增加的趋势。典型地，由热老化引起的衰减变化在光谱衰减图上约1200纳米(nm)出现，然后影响越来越大直至约1700纳米(nm)明显看出。另外，衰减还可能是瑞利(Rayleigh)散射损耗的结果。因此，期望能减小由于像热老化和瑞利散射的影响造成的纤维衰减的改进的方法。
一种已经减小了由于像热老化和瑞利散射的影响造成的衰减的纤维制造方法涉及在从拉制炉中拉制纤维的同时，以有控制的速率来冷却纤维。但是，在常规的光纤制造过程中可能难于实现以有控制的速率来冷却纤维。这些过程一般都是沿着直线型的通道垂直向下拉丝，典型地，沿着这个通道几乎没有可用的空间来加上另外的设备，例如以可控制的速率来冷却纤维的设备，而又不增加整个系统的高度。由于增加现有系统的高度会大大增加系统的成本，所以期望加工系统中有可用的空间来实现有控制的冷却而不必增加系统的总高度。
发明内容
本发明的一个方面包括制造光纤的方法，它包括从加热的玻璃源拉制纤维，通过将该光纤保持在一个处理区域中来处理该光纤，同时使该光纤在该处理区域内经受的平均冷却速率低于5000℃/秒，例如低于2500℃/秒，包括低于1000℃/秒，冷却速度定义为纤维进入处理区域时的表面温度与纤维离开处理区域时的表面温度之差除以光纤在该处理区域内的整个停留时间，其中，纤维在离开处理区域时的温度至少约1000℃。
在至少一个实施方式中，该处理区域的长度至少约3.5米，例如至少约5米，包括至少约10米。
在至少一个实施方式中，纤维在该处理区域内的总停留时间大于0.25秒。
在至少一个实施方式中，纤维以大于或等于10米/秒，例如大于或等于20米/秒，包括大于或等于30米/秒的拉制速度被拉伸。
在至少一个实施方式中，纤维以约25～200克，例如60～170克的拉伸张力被拉伸。
在至少一个实施方式中，光纤进入处理区时的表面温度为约1300-2000℃，例如约1550-1750℃，光纤离开处理区域时的表面温度为约1250-1450℃。
本发明的另外一个方面包括沿第一路径在处理区域内对裸光纤进行处理，随后，使裸光纤与流体轴承中的液体区接触，所述流体轴承包含一条由至少两个侧壁限定的沟道，纤维被保持在所述沟道的区域内，足以使纤维由于在通道内纤维下方存在的压差而基本上漂浮在该沟道内。该压差是由在沟道内纤维下方供给的液体较高的压力相对于纤维上方存在的压力所造成的。当所述裸光纤在液体垫区上拉伸时，使光纤改变方向为沿第二路径。
本发明其他的特征和优点将在随后的详细描述中叙述，本领域的技术人员根据这些描述，会从这些描述中容易地明白或者通过实施例本文描述的发明，包括随后的具体描述，权利要求书和附图，而认识到其中的一部分。
应该理解，前面的综述和随后的详细描述都介绍了本发明的实施方式，并旨在为理解要求保护的本发明的本质和特征耳提供综述或总纲。附图被包括在内以提供对本发明的进一步理解，并且包括在本说明中构成本说明的一部分。附图用图示的方式说明了本发明实例的实施方式，与描述一起用来解释本发明的构思和操作。
附图简要说明
图1所示的为一种光纤制造系统；
图2所示的为用于一种光纤制造系统的流体轴承的分解图；
图3所示的为光纤制造系统的具有锥形区的流体轴承的侧视图；
图4所示的为依照本发明实施方式的形成光纤的装置的侧视截面示意图；
图5所示的为依照本发明另外的实施方式的形成光纤的装置的侧视截面示意图；
图6所示的为依照本发明另外的实施方式的形成光纤的装置的侧视截面示意图。
优选实施方式的详细说明
下面将详细地说明本发明的优选实施方式，附图示出它们的一些例子。
本发明提供形成光纤，例如掺杂的光纤的方法与设备。由于光纤是由光纤预制件以一定的拉伸速度和拉伸张力拉制成的，所以，不希望有的缺陷，像热老化缺陷就被带进光纤中来。同样，某些拉伸条件产生了更多的微尺度的密度变化，它导致瑞利散射增加。为了克服这些缺陷，依照本发明，将光纤保持在处理温度范围内处理一段时间。尤其是在拉伸时，希望使光纤经受给定的冷却速率。热老化现象最好通过缓慢的冷却，而同时将光纤保持在处理张力范围内来减小到最低程度。同样，通过使纤维经受给定的冷却速率来减少瑞利背散射现象的发生。于是，本发明可以有利地减少光纤形成之后因为随时间推移的热老化造成的衰减增加的倾向，亦即它能减小所谓热老化的影响。另外，本发明还能进一步减少会促使瑞利散射的微密度的变化，因此能减小光纤的衰减。
玻璃预制件，和因此的光纤，可以掺杂至少一种掺杂物，如锗，氟，磷，氯或者它们的组合。特别是，发明者发现，某些光纤折射率分布对于热老化更加敏感，例如，发现带有高含量掺杂物的光纤是非常敏感的。所有的折射率分布呈现出来自瑞利散射的衰减。
在各个实施方式中，光纤从拉制炉中拉出进入处理区域。
如本文所用的术语“处理区域”表示位于拉制炉下游的一个区域，在此区域以一定速率冷却该光纤，当纤维离开处理区域时的表面温度至少约为1000℃时，它的冷却速率要比纤维在室温下的空气(例如，约25℃的空气)中的冷却速率低。在一优选的实施方式中，当纤维温度至少在1000℃左右时，例如纤维温度在1250～1750℃时，纤维在该处理区域中的平均冷却速率可以小于5000℃/秒，包括小于2500℃/秒，进一步还包括小于1000℃/秒。
纤维在处理区域中的平均冷却速率被定义为纤维进入处理区域进口的表面温度(纤维在进口表面温度)与纤维离开处理区域出口的表面温度(纤维在出口表面温度)之差除以纤维在该处理区域内的总停留时间。
在至少一个实施方式中，处理区域包括处理炉。在一个实施方式中，该处理炉设置于基本上紧靠拉制炉的下游，但是本发明并不限于将处理炉设置在基本上紧靠拉制炉的下游的实施方式。在一个优选的实施方式中，处理炉直接与拉制炉的末端在纤维离开拉制炉的位置上相连，使得能够在拉制炉与处理炉较好地形成密封。这样能使不希望发生的空气进入拉制炉的情况减少到最低程度。
在另外一些实施方式中，光纤从拉制炉中拉制，使拉制的纤维最初被第一气体所包围。通过使拉制成的光纤从被动处理组件(passive treatment assembly)的通道或室通过进行处理。该通道或室最好含有第二气体，第二气体的热导率小于第一气体。优选这两种气体混合起来从被动套筒(muffle)的一端排出去。
根据本发明的一个实施fs，纤维在含有第二气体的室中的冷却速率受到控制从而把引起的热老化影响减小到最低程度。业已发现，在约1100℃至约1500℃的温度范围，840℃/秒至4000℃/秒的冷却速率对于控制光纤的热老化是合乎要求的。
根据本发明另外的实施方式，提供一种高速制造光纤的方法，它包括以下步骤，即从加热的玻璃源，例如光纤预制件以大于或等于10米/秒，优选大于或等于20米/秒，甚至更好的是大于或等于30米/秒的速度拉制光纤，然后，使该光纤保持在一个处理区域内进行热处理，而同时使光纤在该处理区域中经受小于5000℃/秒的平均冷却速率，例如平均冷却速率为500-5000℃/秒，包括平均冷却速率为500-2500℃/秒，进一步还包括平均冷却速率为500-1000℃/秒。
为了实现以上所述，本发明的一个实施方式包括一种制造光纤的方法，它包括从加热的玻璃源拉制纤维，在处理区域沿第一通道处理该纤维，使裸光纤与流体轴承的流体垫接触，当在流体垫的区域上拉制该裸光纤时，使光纤改变方向沿着至少一个第二通道。
本发明包括用于处理，以及用于形成和处理拉制的光纤以降低经处理过的光纤的热老化敏感性(缺陷)。如本文所用的“热老化”指的是光纤中存在的一种缺陷，它造成在最初形成光纤后，随着时间的推移光纤的衰减增加。就像从以下的描述中会更好地理解那样，本发明的方法及设备可以使拉制的，掺杂的光纤以较高速度，高张力形成，与在同样速度和张力下但未经本发明的处理步骤形成的纤维相比，它的热老化敏感性较低。
本文所使用的术语“裸光纤”指的是直接从预制件拉制的，未经在其外表面上涂敷一层保护涂层的光纤(例如，在裸光纤尚未涂上一曾聚合物基的物质之前)。本发明的灵活性在于让光纤在被涂上保护涂层之前沿着非线性的路径经过数个生产步骤。此外，如下面要讨论的那样，本发明的系统和方法不仅提供了非线性的路径，还能有助于在光纤制造过程中的加工(例如，冷却)。
参照图1，图示说明制造光纤的系统108的例子。在如图1所示的实施方式中，预制件110被放置在炉112中，纤维从炉中拉出，形成裸光纤114。预制件110可以用任何玻璃或适合于光纤制造的材料构成。一旦从预制件110拉制出裸光纤114并离开炉112，裸光纤114进入处理区域130，在该区域使纤维在受控速率下冷却。当裸光纤114离开处理区域130时，裸光纤接触到至少一个固定的流体轴承116(如图1所示，有多个流体轴承)并从沿一个实质上第一或垂直路径(Y)移动转向到第二路径(Z)。如图所示，第二路径(Z)是与第一路径水平或者垂直取向，但是应该理解到，这里描述的系统和方法可以在光纤上施涂保护涂层之前沿着任何非线型路径改变光纤的方向。
在如图1所说明的实施方式中，光纤114通过流体轴承116，经过涂敷单元120，在该单元中将初始保护涂层121施涂到裸光纤114的外表面。离开涂敷单元120之后，带有保护层121的光纤(不再是裸光纤了)可以经过在系统内的多个加工阶段(未示出)。使用牵引机构128以在光纤被拉引通过如图1所示的整个系统时为光纤提供必需的张力，最终光纤被卷绕在纤维储存线筒(未示出)上。
当光纤114在流体轴承116(以后描述)上传输时，在每个流体轴承116上的流体垫区对裸光纤114进行冷却。例如，参照图1，离开处理区域130的光纤114在进入流体轴承116时的温度可约为500℃-1500℃。在某些优选的实施方式中，光纤在进入流体轴承116的一个位置的温度低于1300℃，优选低于1200℃，在某些实施例中低于1100℃。由于流体轴承采用了支承着光纤的流动的流体流，光纤的冷却速率要比如果纤维在室温下不流动的空气中的冷却速率快，就像它在拉制炉的外面立刻呈现的那样。光纤与流体轴承中的流体(优选室温的空气)的温差越大，流体轴承冷却光纤114的能力就越大。在另外一个实施方式中，经流体轴承116冒出的流体实际上可以被冷却，使得能以甚至更快的速率来冷却光纤。流体垫区的流体可以向光纤114提供足够的冷却，所以光纤可以被直接输送至涂敷单元120，将保护涂层施涂在裸光纤114的外表面上形成涂敷的光纤121。在一个实施方式中，流体轴承116的流体垫区可以包含对裸光纤114为非反应性的流体(例如，空气，氦气)。
除了提供冷却外，在将裸光纤从基本上线型设置(Y)改变至基本上非线型的设置(Y+Z)时，图1中采用多个流体轴承116的布置方式提供了更好的稳定性。不打算拘泥于理论，将多个流体轴承116布置成相互靠近，可以更容易地控制光纤114从一个流体垫区移动至下一个流体垫区所要求的精度。当然，应该理解到，任何数量的轴承组合件(下面再讨论)，包括一个轴承组合件，以任何顺序排列，以及提供任何数量所需的路径，都可以用来制造光纤。
至此，已经描述了在非线型的路径中制造光纤的系统和方法。如本文所述，这样的系统和方法可以包含引入一个或多个轴承组合件。图2图示说明一个可用于制造本文所述的光纤的轴承组合件216的实施方式。在图2所示的实施方式中，轴承组合件216(有时称之为“流体轴承”)包含第一板230，第二板232，内构件236，在第一和第二板的至少一板上有至少一个开孔234。第一板230和第二板232可由金属制成，它们包含弧形的外表面238，239，互相对置。第一板230和第二板232用紧固件(例如，螺栓240)连接在一起，使得流体可以穿过轴承组件216。230，232板的各自的弧形外表面238，239通常分别位于沿着板230，232各板的外周上。第一板230和第二板232分别具有内表面242，244以及外表面243，245，其中，板230，232的内表面242和244互相对齐。凹进部分247至少部分地在第一板230或者第二板232的内表面242，244周围延伸，向流动的流体提供增压。在另一个实施方式中，如下面讨论的那样，凹进部分可以包含各种各样的构形提供均匀流入光纤的支承沟道250。
在图示的实施方式中，第一板230和第二板232的弧形外表面238，239优选基本上是对齐的，在第一板230和第二板232的弧形外表面238，239之间形成一个区域。使该区域具备的一定的构形来接受光纤，使光纤能沿着该区域前行而轴承组合件不旋转。在图3所示的实施方式中(下边再讨论)更清楚地说明该光纤支承沟道250(下边再讨论)。至少一个开孔234穿过第一板230和第二板232中的至少一块板。如图2所示，第一板230和第二板232的开孔234允许流体(例如空气，氦气或者其他所需的气体或液体)通过轴承组合件216输送，该流体可以在光纤支承沟道250处离开轴承组件216，光纤支承沟道250形成于第一板230和第二板232之间。
此外，如图2所示，轴承组件216可以包含位于第一板230和第二板232之间的内构件236。该内构件236(例如，薄垫片237)设计的构形状能帮助将流体引导到第一板230和第二板232的外表面238，239之间的区域，使流体离开光纤支承沟道250时有预先规定的流动方向。内构件236静置在第一板230和第二板232之间，提供在它们之间的间隙。内构件236引导流体使流体在离开光纤支承沟道250时有预先规定的流动方向。如果希望的话，内构件236可以包含多个指状物(未示出)通过抑制非径向的流动以进一步控制流体的流动。另外，内构件236用作密封部分，为第一板230和第二板232之间提供实质上接触。内构件还可以包含凹口便于光纤的进出。
如图3所示，在第一板230和第二板232的外表面238，239之间形成的光纤支承沟道250可以在流体离开第一板230和第二板232之间的位置逐渐缩小。但在另一个实施方式中，例如，纤维支承沟道250可以包含平行或倒置的锥形。还有，在锥形的纤维支承沟道250之中的开孔260可根据光纤214垂直定位的地点而变化。开孔260和纤维支承沟道250优选设计的构形能对于采用的特定拉伸张力和拉制速度以及流经开孔260的流体流速，将典型外径为125μ的纤维保持在纤维支承沟道250的一部分中，该部分宽度小于500微米，更适宜的小于400微米，甚至更优选小于300微米，最好小于200微米。因此，纤维优选地被保持在沟道250的一个区域内，它是光纤直径的1至2倍，更加优选地是纤维直径的1至1.75倍，最好是纤维直径的1至1.5倍。优选地，纤维位于所述沟道的一段区域内，纤维外表面与每个沟壁之间的距离是纤维直径的0.05至0.5倍。
在图示的实施方式中，为了易于观察，图中的锥形角从优选的锥形开口朝着纤维支承沟道250的角已被放大。实际上，至少支承沟道250对置的两个面中的一个，优选两个面都各自倾斜的角度大于0度小于10度，更优选在0.3度至7度之间，最好在0.4度至3度之间，使纤维支承沟道250的顶部或外部部分的宽度260大于纤维支承沟道250的底部或内部部分237的宽度260。例如，在这样一个实施方式中，第一板230和第二板232形成的区域可以分别倾斜-0.6度和+0.6度。或者，纤维支承沟道250可以包含任意的深度，宽度和锥形角度。通过利用锥形的纤维支承沟道250以及将流体射入由纤维支承沟道250构成的狭缝，使流体进入纤维支承沟道250较窄的内部部分，离开纤维支承沟道250较宽的外部部分，通过沟道250排出的流体垫会使得纤维本身定位于沟道250的深度之内。例如，对于一定的流体流速，当纤维的拉伸张力加大时，纤维会在沟道250内往下移行直至纤维214与沟道壁之间的间隙小到足以使区域237的压力足够高来准确地抵消新的较高的张力。当纤维的张力减小时，纤维会在沟道250内往上移行直至纤维214与沟道壁之间的间隙大到足以使区域237的压力足够低来准确地抵消新的较低的张力。使沟道250渐缩能使沟道250在较宽张力范围操作。不然的话，如果沟道250不是像图示的那样有锥度，当张力减小时，纤维就会往上移行到纤维支承沟道250的外边。
优选地，纤维位于沟道250中的区域，该区域是纤维直径的1至2倍，更加优选地是纤维直径的1至1.75倍，最好是纤维直径的1至1.5倍。通过使纤维定位在沟道250内这样一个比较狭窄的区域，由于伯努利效应(Bernoulli effect)，在操作过程中纤维会自己居中。例如，当纤维接近沟道250任一相对的表面时，空气的速度会在最接近一个表面的地方增加，而在最接近另一个表面的地方减小。根据伯努利效应，流体速度增加的同时发生压力的降低。结果，由于接近一个表面处流体流速的降低所造成的较高的压力会迫使纤维回到沟道250的中央。因此，在优选的实施方式中，至少基本上通过伯努利效应使纤维在支承沟道250内处于中心位置，它是由于当纤维被拉伸时，有一股流体流在纤维周围通过，并从纤维支承沟道250流出。值得注意的是，这样的居中现象的发生毋须利用任何可能会从侧面撞击到纤维上的流体的流动，例如，没有利用从沟道250的侧壁上发射出来的流体射流。流经狭缝的流体速度优选地被调整到使纤维完全位于狭缝250的锥形区域内。在目前被描述的实施例中，因为纤维位于沟道250的1至2倍于纤维直径的地区，纤维被存在于纤维214之下的压差所支承(宁愿与气动牵引相比，如果选择气动牵引的话，它也可能会被用于支承光纤)。利用流体的压差将纤维支承或飘浮在沟道250内，可以比用气动牵引使纤维飘浮所用少得多的流体流动。
在图示的实施例中，流体流优选由单股流体提供，该流体流通过纤维支承沟道250较窄的内部部分进入纤维支承沟道250，通过纤维支承沟道250较宽的外部部分离开纤维支承沟道250。以这种方式，纤维能完全定位在由纤维支承沟道250形成的狭缝内，如此，纤维飘浮在狭缝最窄和最宽的部分之间。通过利用锥形的纤维支承沟道250以及用这种方式注入流体通过区域250，有可能将纤维保持在由纤维支承沟道250形成的所述狭缝区域中，其中，狭缝的宽度比被引导穿过纤维支承沟道250的纤维直径大10～150微米，更优选地大15～100微米，最好大24～70微米。在纤维拉制过程中，纤维也优选保持在该沟道的一个区域内，以使纤维的外层与各壁之间的距离是光纤直径的0.05至0.5倍。
在某些优选的实施方式中，纤维支承沟道250配置有在纤维下面的降压手段，以当纤维从流体流动源向外移动时降低压力。这种压力释放手段可以通过像上面所述那样的锥形的通道设计来实现。另外的降低压力的手段在美国专利申请序列号60/861,587中描述，其全部内容通过参考结合于本文。
在此描述的流体轴承能够使光纤沿着流体垫前行以防止或基本上防止光纤与轴承组合件之间的实际机械接触，例如，光纤在支承构道250中移动时不与板230或232接触。另外，由于该区域的尺寸大小和构形，流体轴承能够将光纤保持在该区域内，在拉伸应力范围内在无主动控制流体流动下不发生机械接触。
参照图3，流体流速对防止光纤214向纤维支承沟道250的底部移动并与薄垫片237或者纤维支承沟道250的侧壁接触是重要的。当光纤仍然是裸露的时候这点尤其这样，这样就不会因为光纤与轴承组合件的机械接触而损害纤维的质量。还相信，光纤214的位置越靠近纤维支承沟道250的底部，为了将光纤214保持在纤维支承沟道250内所希望的位置时所需的压力就越高。很明显，沟道侧壁的锥度会造成沟道壁与纤维之间的缝隙变小，造成这个必需的较高压力。
影响纤维在纤维支承沟道250内位置的其他因素包括拉伸张力。例如，在相同的流体流速下，用200克的张力牵拉的纤维飘浮在纤维支承沟道250的位置要比用200克的张力牵拉的纤维飘浮在纤维支承沟道250的位置低。因此，重要的是，在特定的拉丝速度和拉伸张力条件下，离开流体轴承区域的流体要足以将光纤保持在所希望的位置。
例如，在一个实施方式中使用的纤维支承沟道250在板230和板232之间的最内一段的宽度约127微米，最外一段的宽度约380微米，流体流速为约0.5升/秒至约5升/秒。这样的构造和流体流速可以在光纤周围产生高达800千米/小时或者更高的局部流体流速。在某些实施方式中，在纤维支承沟道250内所采用的纤维周围的最大流体流速可高于900千米/小时。例如，申请者已在纤维支承沟道250内成功地采用纤维周围的最大为1000千米/小时的流体流速。但是，这里披露的方法并不限制在这些流体流速上，事实上，要根据拉制条件(例如，拉丝速度，拉伸张力等)和流体轴承的设计，选择流体流速，宜能使纤维位于纤维支承沟道250内合乎希望的位置。在另一个实施方式中，流体的流速可以从约3升/秒至约4升/秒。当然可以采用在一定的拉伸张力下能足以将光纤保持在所希望的位置上的任意流速。利用这么高的流体流速能大大促进光纤的冷却效果。纤维与从流体轴承流出的流体的温差越大，流体的流速越高，能达到的冷却量就越大。在某些实施方式中，进入流体轴承的纤维温度要比从流体轴承流出并支承纤维在该流体轴承内的流体的温度高100℃，高500℃，高1000℃，甚至高1500℃。利用在上述实施方式中所讨论的这样的温差，当光纤的拉丝速度大于20米/秒时，光纤进入流体轴承时的温度为1100℃，利用室温的(即，20℃左右)流体(优选空气)，通过使纤维从流体轴承通过，使纤维做180度的转向，冷却量可高达1000℃，即，冷却至100℃左右。这个非常可观的冷却量表明，采用在此披露的流体轴承，其冷却纤维冷的能力大于50℃，200℃以上，500℃以上，700℃以上，甚至900℃以上。或许更加有意义的是，能够在3米以下，更加优选2米以下，最好1米以下的纤维距离范围(纤维接触流体轴承的流体垫上的切线距离)得以实现这样的纤维冷却量。不过，纤维/流体垫的距离远一点或近一点都可以，它取决于希望得到的结果和制造现场的布局。这里披露的流体轴承出色的冷却能力有可能最终完全将氦气冷却装置从光纤拉制过程中去掉。
流体轴承116的半径不是关键因素。在某些实施方式中，流体轴承的结构能使得纤维的转弯半径约8～16cm。可以用半径大些的或小些的流体轴承，或者可以使用附加的几个流体轴承(如图1所示的那样)，它取决于是需要更多的冷却(在这种情况下，优选更大半径的流体轴承)，或者光纤拉制过程中的限制。
下面参照另一处理区域(如图1中的130所示)的实施方式来描述本发明的实施方式。
图4中的光纤形成装置300通常包括：拉制炉112，处理炉350，和张力调整站128，如图中所示的牵引机组合件，以向拉制的纤维施加张力。例如装置300可用来处理由掺杂的玻璃预制件110形成的裸光纤114。更具体地，拉制炉112可用来形成裸光纤114，然后，处理炉350可用来处理拉制出的纤维114以形成被处理过的裸光纤310A，经过处理使热老化效应减小到最低程度。张力调整站128用来控制和保持纤维114中所需的张力。还可以包含其他常规的工艺步骤，包括非接触型的直径测量仪器，纤维进一步冷却的装置，以施涂和固化初始纤维涂层和二次纤维涂层的纤维涂敷和固化装置，线轴卷绕装置。这些另外的工艺步骤都是常规的，为清晰，未示出中心步骤。另外，在处理炉的底部可以采用一个隔板或移门装置以使进入处理炉的空气量减少到最少程度。
玻璃预制件110最好由掺杂过的石英玻璃制成。可以形成预制件110，以使拉制出的光纤的芯或包层(如果有的话)被掺杂，或者使拉制出的光纤的芯及包层都被掺杂。石英玻璃可以用锗，氟，磷或氯的一种或多种或它们的组合来进行掺杂。也可以采用其他合适的掺杂剂。发明者发现，锗掺杂的纤维在大多数制造条件下发生热老化。形成预制棒110的方法及设备是大家熟知的，业内人士很容易理解。这些方法包括IVD，VAD，MCVD，OVD，PCVD等。
拉制炉112最好包括包围预制件112的外壳322，在外壳底端固定有法兰323，法兰323作为拉制炉112的出口壁。法兰323上开有轴向开孔324，纤维114从中通过，前面滴下来的玻璃料滴从中通过。环形套筒状接受器326(例如，可由石墨制成)延伸通过拉制炉112，在其中限定出通道330。通道330包括适合接受和保持光纤预制棒110的上段，以及当玻璃熔化从预制件上拉出时拉制的纤维114从中通过的下段。在拉伸开始时形成的玻璃料滴也通过次段。通道330的下段与开孔324连通。优选将中空出口锥体339设置于开孔324之上。环状隔热器332和感应线圈336包围该接受器326。
将一种合适的惰性形成气体FG，例如氦气，以大约1个大气压的压力通过合适的流动入口338进入通道330，往下流动并从开孔324从拉制炉112连出。如图所示和描述，拉制炉112只是一个合适的拉制炉的例子，业内人士会理解到可以采用其他设计和结构的拉制炉，例如其他类型的加热装置，接受器和隔热等。
再参见图4，对置的流动通道348径向地延伸穿过法兰323，在法兰的上表面323A的开孔324处终止。通道348也垂直延伸穿过法兰323，在锥体339的外周附近终止。通过流动通道348的开口还输入形成气体FG，该气体绕锥体339向上流动，并折返通过锥体339的中心开口向下流动。形成气体FG可以是氦气(He)，氮气(N2)，氩气(Ar)，或者任何其他合适的惰性气体。
处理炉350位于法兰323的底下，最好与法兰323相互连接。处理炉350包括加热单元360，该单元中有一个或多个环形加热元件368。加热元件例如可以是电阻或感应加热线圈。开口352A和354A分别限定在处理炉的顶端352和底端354上。沿着拉丝路径的开口应足够大，以使玻璃料滴在拉丝开始时滴下去。两端352，354以及套筒346作为处理炉350的外壳。但是要理解，可以采用其他的外壳结构和元件。处理炉350最好通过合适的手段例如紧固件与拉制炉112的法兰323固定在一起。
将通常为圆柱形线轴或管子362置于加热单元360中。线轴或管子362可以由基本上纯的石英玻璃，陶瓷和/或碳素材料制成，它限定出通道362A，有一对法兰(例如石英法兰)362B位于其相对的两个端部。法兰362B例如可以用火焰焊在一根管子的两端形成线轴362。第一石墨垫片364设置在法兰352的下表面与上部法兰362B之间。第二石墨垫片364置于在下边的法兰354与下边的法兰362B之间。
带有输气通道366A的气体环366包围住石墨垫片364，并且具有小的穿孔，适合于将吹扫气体PG引向石墨垫片364。提供吹扫气体PG是为了减少或防止石墨垫片接触空气，PG可以是氦气(He)、氩气(Ar)或氮气(N2)，或者任何其他合适的惰性气体。
吹扫气体构件359固定在法兰354的下表面上。吹扫气PG被泵送到吹扫管通道359A以防止空气从底下进入通道362A。
管子362的通道362A的直径在沿长度方向上的所有点都大于12毫米，优选约12毫米至80毫米之间，更好的是45毫米至80毫米之间，使拉丝开始时形成的玻璃料滴容易从该通道滴下。处理炉350的处理区域从法兰352的上表面延伸至法兰354的下表面的长度L优选约2.5米～10米之间，更好的是约3.5米～8.5米之间，例如，约5.0米～7.5米之间。优选的长度L将取决于纤维114的拉制速度，拉制速度范围的例子有从约5米/秒至约45米/秒，例如从约10米/秒至约35米/秒，包括从约15米/秒至约25米/秒。存在于光纤形成装置300下游的流体轴承116(如图1所示)使得处理区域有较长的长度，例如处理区域有至少5米的长度，包括处理区域有至少7.5米的长度，进一步还包括处理区域有至少10米的长度。
优选地，形成光纤的总系统容纳在由外部元件保护的区域内，例如建筑物或工厂，屋顶高度约6米至15米之间，例如屋顶高度约9米至11米之间。在至少一个实施方式中，处理区域的长度L可延伸为总系统垂直高度的至少50％，包括总系统垂直高度的至少60％，还包括总系统垂直高度的至少70％，甚至包括总系统垂直高度的至少80％。另外，处理区域的长度L可延伸为容纳总系统的建筑物或工厂屋顶至地面的垂直距离的至少50％，包括从容纳总系统的建筑物或工厂屋顶至地面的垂直距离的至少60％，还包括从容纳总系统的建筑物或工厂屋顶至地面的垂直距离的至少70％，甚至包括从容纳总系统的建筑物或工厂屋顶至地面的垂直距离的至少80％。
张力调整站128可以是用于控制拉制的纤维114的张力的任何合适装置。优选地，张力调整装置370包括微处理器，它连续地接收来自一个或多个纤维张力和/或直径传感器(未示出)的输入信号，运算，给纤维114施加所需要的张力。在一个优选的实施方式中，发出的张力指令是根据将直径控制在等于储存在存储器中的设定好的直径。
装置300可以通过以下的方式用于制造经处理的光纤114。操作炉的感应线圈336，以加热光纤预制件110的尖端302A至预先选定的拉丝温度TD。拉丝温度TD优选约1800℃～2200℃的范围。更好些的是，拉丝温度TD在约1900℃～2050℃的范围。将预制件尖端302A保持在选定的拉丝温度TD，使拉制的纤维114按拉丝方向V(优选垂直往下)连续地拉出离开尖端302A。通过如上所述的张力调整装置370，或者其他合适的施加张力的设备，将纤维114保持在计算好的拉力FD，例如在预先设置好的公差带内满足纤维的设定直径(典型的为125μm)。形成气体FG(例如氦气)从上部入口338泵入，从通道330，324，352A，362A，354A通过，并经过吹扫管通道359A排出。
以这种方法，拉制的纤维114以如上所述的选定拉丝速度SD从预制件110拉出。用于制造纤维的选定拉丝温度TD和张力FD使纤维具有不希望的热老化缺陷。亦即，用于以所需速度SD来拉制纤维114的拉丝温度TD和张力FD使拉制的纤维呈现对于热老化的敏感性。
由于处理装置350基本上紧邻拉制炉320的开孔324固定，当拉制的纤维114离开拉制炉320时，纤维114未被较冷的环境空气所急冷。又，氧气进入拉制炉的可能性减小，因此使石墨接受器降解的可能性减少到最低程度。当裸光纤114从通道324通过时，该裸光纤114基本上立即被加热单元360加热。加热单元360将纤维114的温度保持在处理温度TT，其温度范围选为T1至T2。低些的温度T1最好在约1100℃至1400℃之间，高些的温度T2最好在约1200℃至1800℃之间。更优选地，低些的温度T1最好在约1200℃至1350℃之间，高些的温度T2最好在约1300℃至1450℃之间。当纤维114从通道362A通过时，纤维114保持在选定的处理张力FT下。优选地，处理张力FT为约25克至约200克。更优选地，处理张力FT为约90克至约170克。选择处理区域的长度L，使拉制的纤维114对选定的停留时间tT保持在选定的T1和T2温度范围之内。经过处理的纤维114经过底部的开孔354A离开处理炉350，优选继续向下进入其他加工工序(另外的冷却，测量，涂敷等)。
协同选择上述的处理温度TT，处理拉力FT和停留时间tT，以减小或消除纤维114中的热老化缺陷或敏感性。因此，如此形成的经过处理的纤维114，与未经过如上所述的方法处理的但是以相同的方法形成的纤维相比，会有较少的热老化缺陷或较低的敏感性。上述的方法及设备使得拉丝速度较高的光纤比用同样拉丝速度但未经处理的纤维有较少的热老化缺陷。
优选地，拉制炉112和处理炉350是相关地结构和固定的，气体的供应方式使它们提供了从通道330至开口359A的气密路径。
在一个优选的实施方式中，处理炉350包含多个独立的沿着处理炉350轴向长度方向间隔的加热器。每个加热器都围绕着纤维，每个加热器优选由控制器单独控制。在加热处理过程中，纤维经受了来自多个加热区的热量；在多个加热区中至少有一个加热区(每个加热区大致对应于加热器的物理尺寸)的温度设定为不同于多个加热器中的另外一个加热区。优选地，各加热器的壁温由控制器所控制，这样一来，至少一个加热区的通道温度在1400～1600℃。在一个优选的操作模式中，控制靠近拉制炉112的第一区使其中心的通道温度为1400～1300℃，控制远离拉制炉的第二区使通道温度为1400-1500℃。实际的壁温设定为能达到所需的纤维离开时的表面温度，以提供所需的冷却速率。例如，如果使用的气体不是氦气，则壁温就要设定得低一些，这是因为氩气，氩气与氦气的混合物的的导热系数较低，所以炉子通道温度与纤维温度之间的温差就要设定得更大些以实现相同的冷却速率。
在至少一个优选的实施方式中，处理炉的加热元件优选Kanthal公司出品的焦硅酸钼(molydisilicide)高温加热元件。
图5示出一种光纤形成装置400，它包括相应于拉制炉112的一台拉制炉112。装置400包含一个被动式处理组合件450来代替处理炉350。组合件450之所以是“被动式的”在于它在任何部分都不包含相应于加热模块360的加热设备。换言之，纤维不需要借助于主动的加热模块就能以有控制的速率冷却。
装置400包括分别相应于拉制炉112和张力调整站128的拉制炉112和张力调整站128。优选地，拉制炉112的形式是有石墨接收器的那种。被动式处理组合件450包括一个有上部法兰454的管式套筒452。套筒452通过用穿过法兰454上的孔并与端壁423啮合的螺栓或其他紧固件(未示出)直接固定在炉112的下端的壁423上。套筒452最好由金属，例如不锈钢或铝制成。
套筒452在第一端限定的上部开口456，在第二端的相对下部的开口458，以及在它们之间延伸的通道452A。优选地，通道452A的直径E基本上是均一的，大于12毫米，更优选的是在约12毫米～80毫米之间，最好是在约45毫米～80毫米之间。上部开口456与拉制炉112的下部开口424连通。在套筒452的侧壁上形成有多个轴向间隔的供应端口459，它们在沿着套筒的长度方向上与通道452A连通。
处理气体流动系统460可操作和流动地连接于套筒452。处理气体流动系统460包括处理气体源461，它通过多支歧管或导管462的操作和流动与每一个开口459相连。处理气体供应站461包括选择的处理气体TG的供给，泵等对处理气体TG加压至足以使TG穿过导管462和加气口459进入通道452A。处理气体供应站461可选地可包含加热单元，以加热处理气体TG。但是优选供给20℃左右的处理气。
装置400可以如下的方式来形成经处理的光纤114。利用拉制炉112和张力调整站128，按照上面对装置300所述的方式可以从预制件110拉制得裸光纤114，此时的拉丝温度和张力足以带来热老化缺陷。当纤维114被拉制时，形成气体FG通过与图4所示相同的进口被引入。形成气体在预制件110和纤维114的周围流经通道430，通过拉制炉端壁423上的开口424，经开口456进入通道452A的第一端。
拉制的纤维114离开拉制炉112后立即进入套筒452的通道452A。当纤维114经过通道452A时，将处理气体TG从处理气供应站461泵送通过按图5箭头所示方向经过至少两个轴向间隔的供给口459进入通道452A。处理气在各段流入通道452A，与形成气体FG混合。优选地，处理气体25℃的导热系数k小于约120x10-6cal/(sec)(cm)2(℃/cm)，更优选地，小于约65x10-6cal/(sec)(cm)2(℃/cm)。处理气TG与形成气FG的混合物流经通道452A，经过第二端开口458流出。
处理气TG的导热系数比形成气FG的导热系数低。优选地，处理气TG的导热系数为形成气FG的导热系数的40％以下，更优选地，20％以下。处理气体优选氮气或氩气，但也可以包括氪气或氙气。
当拉制的纤维114被牵拉通过通道452A时，拉制的纤维114保持在选定的张力FT，和纤维114的处理温度TT条件，同时，通道452A按照上面有关装置300讨论的那样，保持在选定的温度范围T1-T2内达选定的停留时间tT。采用上面有关装置300讨论的方式，协同选择选定的处理张力FT，温度范围T1-T2和和停留时间tT，使得它们减少或消除纤维114中的热老化缺陷，提供经过处理的裸光纤114。在装置400的情况下，选择被动处理设备450的通道452A的长度M，考虑到纤维114的拉制速度，提供有利的停留时间tT。
处理气TG较低的导热系数减慢了从拉制的纤维114的传热或纤维的冷却，使纤维114在通道452A中时保持在选定的温度范围T1-T2内。适当选择处理气体TG的流速，湍流度和温度来提供所希望的冷却速率。根据本发明的这个实施方式，在1200℃～1500℃的温度范围，处理区中所需的冷却速率可以在1000℃/秒～3500℃/秒之间。在光纤形成装置400下游存在流体轴承116(如图1所示)能使处理区域有更长的长度，例如处理区域长度至少5米，包括处理区域长度至少为7.5米，进一步还包括处理区域长度至少为10米。
根据本发明的另外一些实施方式的光纤形成装置500如图6所示。装置500包括带有石墨接受器类型的拉制炉112。装置500相当于装置400，也可以相同方式使用，除了以下所述的内容。
套筒450被多节套筒组合件549所代替，该组合件限定出连续的通道549A。套筒组合件549包含环形的上套筒部分551，它包含法兰554，用于将套筒组合件549固定于拉制炉112的出口壁523。第二环形套筒部分553固定于套筒部分551的下端，并限定出通道553A。在套筒553的侧壁上形成出口的端口557并与通道553A连通。第三环形套筒部分552固定于套筒部分553的下端，并限定出通道552A。第四环形套筒部分555固定于套筒部分552的下端，并限定出通道555A。在套筒555上形成有进料口559，它与通道555A连通。通道549A的直径F优选基本上是均一的，优选大于12毫米，更优选约为12毫米～80毫米之间，最好是在约45毫米～80毫米之间，沿着其长度N方向上的直径基本上是一致的。套筒组合件549的长度L优选约2.5米～10米之间，更优选的约3.5米～8.5米之间，例如5.0米～7.5米之间。光纤形成装置500下游存在流体轴承116(如图1所示)能使处理区域有更长的长度，例如处理区域长度至少为5米，包括处理区域至少为7.5米，进一步还包括处理区域长度至少为10米。
另外，在设备500中，处理气流动设备460被处理气流动系统560所代替。流动系统560包括相当于处理气体供应站461的处理气供应站561。处理气体供应站561通过导管562与进料口559流体连通。流动系统560还包括泵564，该泵通过导管563与输出口557流体连通。泵564优选是文丘理(Venturi)泵，它配置有来自图示的入口565A的压缩空气源。
使用时，处理气体TG经过导管562和进料口559从处理气供应站561引入通道555A。泵564提供了足够的真空，结果至少抽出一部分的处理气体TG经过通道552A和553A，经过输出口557和导管563，经过出口565B流出去。同时，由泵564产生的真空将形成气体FG从拉制炉112经过通道553A，输出口557和导管563抽出，也经过泵出口565B流出。这是有利的，因为这避免了两种气体在通道549A的下端混合。
操作时，依照本发明实施方式的方法包括以下步骤：将光纤从加热的玻璃源，例如光纤预制件以大于或等于10米/秒的拉丝速度拉出，优选大于或等于20米/秒，包括大于或等于30米/秒，接着，通过将光纤保持在处理区域内一段停留时间来处理光纤，至少在一个实施方式中停留时间可超过0.05秒但不超过0.25秒，在其他的实施方式中可以至少为0.25秒(例如从0.25秒至0.5秒)，同时让光纤在处理区域内经受超过500℃/秒但不超过5000℃/秒的平均冷却速率，在某些实施方式中，超过500℃/秒但不超过2500℃/秒，在进一步的实施方式中，超过500℃/秒但是不超过1000℃/秒，其中的处理区域长度至少为3.5米，例如至少5米，包括至少7.5米，进一步还包括10米。
在优选的实施方式中，光纤是单模阶跃型光纤，中央芯中有锗掺杂剂，包层是基本纯石英。但是应该认识到，在此描述的方法对于处理任何具有锗掺杂的中央芯的光纤都是同样有用和合适的。优选地，芯中的锗含量应足以提供与包层相比，至少0.3％的相对折射率百分数。优选通过以下方式拉制光纤，将预制件加热到在其拉伸根部的流动稠度(1800-2000℃)，利用张力调整设备向涂覆的光纤施加约25克至约200克之间的张力，更优选地，约60克至约170克的张力，最好是约90-150克的张力。高速度和高张力条件下拉制能生产大量的光纤，然后再依照本发明进行处理，与未经处理的光纤相比，进一步将衰减减小到最低程度。
依照本发明的实施方式，优选构建和放置处理区域以提供纤维的入口表面温度，当进入处理区域时在1300℃至2000℃之间；更优选地，在1550℃至1750℃之间；在某些实施方式中高于1600℃。同样优选地，希望构建处理区域的长度和操作参数，以提供光纤在离开处理区域时的出口表面温度至少约1100℃，例如在1250℃与1450℃之间，更优选1300-1450℃，最优选1325-1425℃。
实施例
由以下实施例进一步说明本发明。
实施例1-12
将代表了本发明各种实施方式的实施例1-12列于表1中。这些实施例显示出在以下条件通过处理区域对光纤进行处理，处理区域具有指示的长度L(以米表示)，光纤经过处理区域的指示的拉制速度(米/秒表示)，纤维进入处理区域时的指示的纤维表面温度(以℃表示)，纤维离开处理区域时的指示的纤维表面温度(以℃表示)，计算的纤维在处理区域内的平均冷却速率(以℃/秒表示)。
表1
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本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作各种修改和变化。因此，本发明意欲涵盖本发明的修改形式和变化形式，只要这些修改形式和变化形式落在附加的权利要求和它们的等同物的范围内。

Claims (20)

1.一种制造光纤的方法，所述方法包含：
从加热的玻璃源拉制光纤，和
通过将该光纤保持在处理区域中来处理该光纤，其中，处理区域的长度至少约5米，同时使该光纤在该处理区域内经受的平均冷却速率小于5000℃/秒，平均冷却速率定义为纤维进入处理区域时的表面温度与纤维离开处理区域时的表面温度之差除以光纤在该处理区域内的总停留时间，其中，光纤在离开处理区域时的表面温度至少约1000℃。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，纤维在该处理区域内的总停留时间大于0.25秒。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，纤维以大于或等于20米/秒的拉制速度被拉伸。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，纤维在处理区域内的平均冷却速率小于2500℃/秒。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光纤进入处理区域时的表面温度约为1550-1750℃，光纤离开处理区域时的表面温度约为1250-1450℃。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，纤维在处理区域内的平均冷却速率小于1000℃/秒。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，纤维以大于或等于30米/秒的拉制速度被拉伸。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从加热的玻璃源拉制纤维和在处理区域内处理该纤维的步骤沿第一路径发生，该方法还进一步包括：
使裸光纤与流体轴承中的流体区接触，所述流体轴承包含由至少两个侧壁限定的沟道，纤维保持在所述沟道的区域内，它足以使纤维由于在通道内纤维下方存在的压差而基本上漂浮在该通道内，所述压差是由在通道内纤维下方供给的液体较高的压力相对于纤维上方存在的压力所造成的，以及
当所述裸光纤在流体垫区上拉伸时，使光纤改变方向为沿第二路径。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，以大于或等于20米/秒的拉制速度拉伸纤维。
10.一种制造光纤的方法，所述方法包括：
以大于或等于20米/秒的拉制速度从加热的玻璃源拉制纤维，和
通过将该光纤保持在处理区域中来处理该光纤，光纤在处理区域的总停留时间超过0.25秒，同时使该光纤在该处理区域内经受的平均冷却速率小于5000℃/秒，平均冷却速率定义为纤维进入处理区域时的表面温度与纤维离开处理区域时的表面温度之差除以光纤在该处理区域内的总停留时间，其中，光纤离开处理区域时的表面温度至少约为1000℃。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，纤维在处理区域内的平均冷却速率小于2500℃/秒。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，以大于或等于30米/秒的拉制速度拉伸纤维。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，纤维在处理区域内的平均冷却速率小于1000℃/秒。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，光纤进入处理区时的表面温度约为1550℃至约1750℃，光纤离开处理区域时的表面温度为约1250℃至约1450℃。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，从加热的玻璃源拉制纤维和在处理区域内处理该纤维的步骤沿着第一路径发生，该方法还进一步包括：
使裸光纤与流体轴承中的流体区接触，所述流体轴承包含由至少两个侧壁限定的沟道，纤维保持在所述沟道的区域内，足以使纤维由于在沟道内纤维下方存在的压差而基本上漂浮在该沟道内，所述压差是由在沟道内纤维下方所述供给的液体较高的压力相对于纤维上面存在的压力所造成的，以及
当所述裸光纤在所述流体垫区拉伸时，使纤维改变方向为沿着第二路径。
16.一种制造光纤的方法，所述方法包括：
以大于或等于10米/秒的拉制速度从加热的玻璃源拉制纤维，和
通过将该光纤保持在处理区域中来处理该光纤，其中，该处理区域的长度至少约5米，光纤进入处理区域时的表面温度为约1300℃至约2000℃，光纤离开处理区域时的表面温度至少约为1000℃。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，以大于或等于20米/秒的拉制速度拉伸纤维。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，以大于或等于30米/秒的拉制速度拉伸纤维。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，光纤进入处理区域时的表面温度为约1550℃至约1750℃，光纤离开处理区域时的表面温度为约1250℃至约1450℃。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，从加热的玻璃源拉制纤维和在处理区域内处理该纤维的步骤沿着第一路径发生，该方法进一步包括：
使裸光纤与流体轴承中的流体区接触，所述流体轴承包含由至少两个侧壁限定的沟道，纤维保持在所述沟道的区域内，足以使纤维由于在沟道内纤维下方存在的压差而基本上漂浮在该沟道内，所述压差是由在通道内纤维下方供给的液体较高的压力相对于纤维上面存在的压力所造成的，以及
当所述裸光纤在流体垫区上拉伸时，使光纤改变方向为沿着第二通道。
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