專利名稱：用于玻璃光纖拉絲期間熱處理的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于形成光纖的方法和設備，更具體是涉及用來形成具有改進性能的光纖的方法和設備。
背景技術：
衰減和對熱老化的敏感性是光纖的關鍵特性，尤其是對于高數據速率光纖而言。在制備光纖時，需要或者希望能將光纖的預定操作窗口中的衰減損失降至最低。光纖在制成之后由于被稱作“熱老化”的現象會使光纖中的衰減增加。熱老化往往會使一些光纖由于光纖環(huán)境中的溫度波動而在形成之后隨時間衰減增加。一般來說，在光譜衰減曲線中，熱老化帶來的衰減變化在約1200納米(nm)處就較為明顯，并且遞增直至約1700nm處。此外，衰減可能是瑞利散射損失的結果。因此，希望有改進的方法能減少由熱老化和瑞利散射造成的光纖衰減。
發(fā)明概述本發(fā)明的實施方案提供了形成光纖(例如摻雜光纖)的方法和設備。因為光纖是由光纖預制棒以一定拉絲速度和拉絲張力拉絲而成的，所以不希望有的缺陷(如熱老化缺陷)會被引入光纖。同樣，某些拉絲條件會產生更多的微觀密度變化，這會導致瑞利散射增加。為了防止這些缺陷，按照本發(fā)明對光纖進行處理，即將光纖保持在熱處理溫度范圍內一段處理時間。具體地說，較好是使經拉絲的光纖經歷特定的冷卻速率。通過放慢的冷卻可以最好地使熱老化現象最小化，優(yōu)選是同時將光纖保持在一定的處理張力范圍內。同樣，通過使光纖經歷特定的冷卻速率能減少瑞利反向散射現象。因此，本發(fā)明能有利地降低光纖在形成之后隨時間衰減增加的趨勢，即減少所謂的熱老化效應。此外，本發(fā)明還減少了造成瑞利散射的微小密度變化，從而降低了光纖的衰減。
玻璃預制棒和由此形成的光纖可以用選自鍺、氟、磷、氯或其組合的摻雜劑進行摻雜。具體地說，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現，一些光纖的折射率分布更易受熱老化的影響，例如摻雜劑含量高的光纖被發(fā)現非常容易受到熱老化的影響。所有的折射率分布顯示了瑞利散射造成的衰減。
在各個實施方案中，光纖從拉絲爐裝置中被拉絲而成。在一個實施方案中，經拉絲光纖經過處理爐，處理爐的位置較佳地位于基本上緊接在所述拉絲爐的下游。更好是該處理爐直接與所述拉絲爐末端的光纖出口位置相連，其間最好形成密封。這能盡量減少不希望有的空氣進入拉絲爐。
在另外的實施方案中，光纖從拉絲爐中拉出，使得經拉絲的光纖最初被第一氣體所包圍?？梢詫⒃摻浝z光纖送過一個無源馬弗爐(passive muffle)(沒有有源的加熱元件)的通道或室來進行處理。所述通道或室優(yōu)選含有第二氣體，該第二氣體比第一氣體的導熱性更低。優(yōu)選是，氣體被混合并從無源馬弗爐的末端排出。
根據本發(fā)明的一個實施方案，控制光纖在含有第二氣體的室內的冷卻速率，從而使引入的熱老化效應最小。據發(fā)現，在約1100℃至約1500℃的溫度范圍內，在840℃/s和4000℃/s之間的冷卻速率能較好地控制光纖的熱老化。
本發(fā)明的其它實施方案提供了在光纖拉絲之后對其進行處理的方法。具體地說，在光纖的形成條件使其衰減傾向于在形成光纖之后隨時間增加的情況下，所述處理有利地減少了熱老化效應。光纖如下進行處理將光纖保持在一處理溫度范圍內一段處理時間，同時將光纖保持在一處理張力范圍內，以減少該光纖在其形成后衰減隨時間增加的趨勢。
本發(fā)明的其它實施方案提供了用于制造熱老化缺陷減少了的光纖的設備。在一個實施方案中，拉絲爐中裝有經摻雜的玻璃預制棒，由該預制棒可以拉絲出光纖，拉絲速率和拉絲張力足以將熱老化缺陷引入光纖。在所述拉絲爐下游放置了一個處理裝置。該處理裝置用來如下處理光纖將光纖保持在一處理溫度范圍內一段處理時間，同時將光纖保持在一處理張力范圍內，以減少該光纖在其形成后衰減隨時間增加的趨勢。
本發(fā)明的其它實施方案提供了用于形成和處理光纖的設備。拉絲爐包括出口壁(exit wall)，適合于形成光纖，光纖由出口壁從拉絲爐中出來。處理爐固定在所述拉絲爐的外殼上鄰近出口壁的位置，其中有一條通道。處理爐的結構和位置能使得光纖從拉絲爐中出來就進入通道。優(yōu)選是，該通道和光纖送過的所有通道均具有12mm的最小尺寸，以使得墜頭(gob)經過通道掉落。
本發(fā)明的其它實施方案提供了形成和處理光纖的設備。拉絲爐包括出口壁，適合于形成光纖，光纖從拉絲爐和出口壁出來。拉絲爐含有第一氣體，例如氦氣。無源馬弗爐(參見以下定義)放置得鄰近拉絲爐，其間有一條通道。該通道含有比第一氣體導熱性更低的第二氣體，如氬氣。無源馬弗爐與出口壁連接，使得環(huán)境氣體不能從兩者間的連接處進入拉絲爐和無源馬弗爐。第一氣體和第二氣體在無源馬弗爐中混合，并從其末端排出。
本發(fā)明的其它實施方案提供了一種高速制造光纖的方法，該方法包括以下步驟由加熱的玻璃源(如光纖預制棒)拉絲光纖，拉絲速率大于或等于10m/s，接著對光纖進行熱處理，即將光纖保持在一加熱的處理區(qū)，停留時間大于0.07秒但小于0.25秒，同時使光纖在所述加熱的處理區(qū)中經歷大于1200℃/s但小于5000℃/s的平均冷卻速率。
本發(fā)明的其它實施方案提供了一種制造光纖的方法，該方法包括以下步驟提供一種加熱的玻璃預制棒，該預制棒具有氧化鍺摻雜的纖芯區(qū)和基本上純的二氧化硅包層區(qū)，由加熱的玻璃預制棒拉絲光纖，拉絲速率大于或等于15m/s，拉絲張力在25-200克的范圍內，在一加熱的處理區(qū)中對光纖進行熱處理，該處理區(qū)具有含流量大于10升/分鐘的氦氣的氣氛，光纖進入該加熱的處理區(qū)的進入溫度大于1600℃，光纖從該加熱的處理區(qū)中出來的離開溫度在1300℃至1400℃之間，光纖保持在該加熱的處理區(qū)中一段大于0.07秒但小于0.15秒的總停留時間，同時控制光纖在該加熱的處理區(qū)中的平均冷卻速率為大于2000℃/s但小于3500℃/s。
本領域普通技術人員在閱讀下文的較佳實施方案的詳細說明和附圖之后能認識到本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點，但詳細說明只是用來解釋本發(fā)明的。
附圖的簡要說明附圖構成說明書的一部分，用來與描述一起說明本發(fā)明的實施方案，用來解釋本發(fā)明的原理。


圖1是說明本發(fā)明實施方案的光纖制造方法的方框圖。
圖2是本發(fā)明實施方案的光纖形成設備的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。
圖3是本發(fā)明其它實施方案的光纖形成設備的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。
圖4是本發(fā)明其它實施方案的光纖形成設備的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。
圖5-7是根據本發(fā)明形成的數根光纖的Δ(％)與半徑(μm)的折射率曲線圖。
圖8是根據本發(fā)明實施方案的光纖拉絲和處理方法的方框圖。
圖9是可以根據本發(fā)明實施方案進行熱處理的光纖的折射率分布的圖表說明。
圖10是本發(fā)明實施方案的方法的冷卻速率分布的圖表說明。
圖11是本發(fā)明實施方案的光纖拉絲和熱處理設備的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。
圖12是本發(fā)明實施方案的另一種光纖拉絲和熱處理設備的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。
較佳實施方案的詳細說明下文將參考附圖更全面地描述本發(fā)明，這些附圖中示出了本發(fā)明的較佳實施方案。但是，本發(fā)明可以有許多不同形式的實施方案，不應認為本發(fā)明受限于說明書列出的實施方案。相反，提供這些實施方案是使得對于本發(fā)明的揭示是全面完整的，使本領域技術人員能完全理解本發(fā)明的范圍。所有附圖中類似的標記用來表示類似的元件。在附圖中，為了清楚起見，可能夸大了層、元件或區(qū)域。
本發(fā)明包括處理經拉絲光纖的方法和用于形成和處理經拉絲光纖的方法，這些方法能減少經處理光纖的熱老化敏感性(缺陷)。本文所用的“熱老化”是指光纖中導致光纖在最初形成之后光纖內衰減隨時間增加的缺陷。從下文說明將更好地理解，本發(fā)明的方法和設備能夠使得以較高速度和高拉絲張力形成的經拉絲和摻雜的玻璃光纖與以所述速度和拉絲張力拉絲但不進行本發(fā)明處理步驟得到的類似光纖相比，熱老化敏感性降低了。
參見圖1，根據本發(fā)明的方法實施方案，例如由合適的經摻雜玻璃坯體或預制棒拉絲出光纖，選定的拉絲速度SD和選定的拉絲張力FD足以將熱老化缺陷引入經拉絲的光纖(方框10)。經拉絲光纖的纖芯和包層(如果有的話)之一或兩者可以摻雜。一般來說，纖芯是摻雜的，其中可包括多個分層，即包括分層纖芯結構。圖5-7說明了數種光纖的折射率分布圖的Δ(％)與半徑(μm)的關系，這些分布圖看來對熱老化敏感，并受益于本發(fā)明的形成和處理。拉絲期間，拉絲速度SD優(yōu)選是保持在約2m/s至35m/s的范圍內。更好是拉絲速度SD在約6m/s至25m/s之間。對于大多數色散補償(DC)光纖而言，大于約6m/s的拉絲速度SD會引入一些缺陷，盡管例如對于一些纖維，低至2m/s或以下的拉絲速度也會產生缺陷。拉絲張力FD優(yōu)選在約25克至200克的范圍內，更好是在約90克至200克的范圍內。據發(fā)現，經摻雜光纖(如DC光纖)以大于約6m/s的拉絲速度被拉伸并保持拉絲張力大于90克時，通常會引入熱老化。
應該注意到，在一些情況下，可以通過用不同的拉絲條件操作來減少熱老化效應，例如以較低的拉絲速度或以較高的拉絲張力進行操作。然而，這些條件中有一些并不適宜，或是由于經濟方面的原因，或是因為所得光纖特性不好。本發(fā)明能更經濟地制造光纖，并能得到更好的特性，如強度、衰減和均勻性，同時還能制得與未經處理的光纖相比由熱老化造成的衰減增加更少的光纖。
如圖6和7所示，DC光纖14通常具有纖芯，纖芯包括中央纖芯15、凹陷(moat)16和環(huán)(ring)17。中央纖芯15和環(huán)17通常包括氧化鍺摻雜，而凹陷通常包括氟摻雜。對于所述DC光纖14而言，纖芯15的Δ值通常大于0.8％，優(yōu)選范圍是約0.8-3.0％，而環(huán)17的Δ值通常大于0.2％，優(yōu)選范圍是約0.2-1.0％。凹陷16的Δ值通常小于-0.2％，優(yōu)選范圍約為-0.2％至-1.0％。其它光纖類型，如圖5所示光纖18也對熱老化敏感，可包括纖芯15和環(huán)17。
以上述方式引入的熱老化缺陷可以通過下述熱老化測試方法來檢測。首先，將經拉絲光纖冷卻至約20℃，然后對光纖進行熱循環(huán)將經拉絲光纖保持于200℃ 20小時然后再將其冷卻至20℃。然后，測量經拉絲光纖在感興趣波長范圍(通常為1000nm-1700nm)的衰減，測量例如使用光具座進行，如得自Photon Kinetics的PK 2500光譜光具座(spectral bench)或者光時域反射計(OTDR)。經過拉絲(方框10)和上述方式測量的光纖所顯示的該經熱循環(huán)的光纖在感興趣波長的衰減，與在熱循環(huán)之前的經冷卻光纖(未經熱老化的光纖)在1550nm測得的衰減相比，至少增加0.03dB/km至0.25dB/km或更多。由此可以認識到，非常需要按照本發(fā)明處理光纖以降低熱老化效應，從而使不希望有的衰減增加達到最小。
為了防止上述熱老化缺陷，將經拉絲光纖的溫度TT保持在選定的溫度范圍T1至T2內一段選定的時間tT，優(yōu)選是保持在選定的張力FT下(方框12)。通常，拉絲張力FD與處理張力FT相同。這樣，在處理步驟之前存在于經拉絲光纖內的熱老化缺陷能夠被顯著減少，或者甚至可能有效地被消除。
通過下文更詳細的說明可以更好地理解上述方法。執(zhí)行上述步驟的合適和優(yōu)選的材料和參數列于下文。此外，下文還說明了用于執(zhí)行上述方法和其它方法的本發(fā)明設備。
參見圖2，該圖示出了本發(fā)明實施方案的光纖形成設備100。該設備100通常包括拉絲爐120、處理爐150和張力段(tensioning station)170，圖中的張力段是一個牽引組件，用來向經拉絲光纖施加張力。設備100可以用來例如由經摻雜玻璃預制棒102形成經處理的光纖110A。更具體地說，拉絲爐120可用來形成經拉絲光纖束(drawn optical fiber strand)110(下文被稱作“經拉絲光纖110”)，此后可使用處理爐150來處理經拉絲光纖110，形成經處理的光纖束110A(下文稱作“經處理的光纖110A”)。經處理的光纖110A經過處理以使熱老化效應最小。張力段170用來控制并保持光纖110、110A所需張力。還可以包括附加的常規(guī)加工步驟，例如非接觸式直徑測量裝置、進一步的光纖冷卻裝置、用來施涂和固化一次光纖涂層和二次光纖涂層的光纖涂覆和固化裝置、卷繞裝置。這些附加的加工步驟是常規(guī)的，為了清楚起見圖中未示出。此外，在處理爐的底部可以使用隔板或移門結構，以使進入該處理爐的空氣量最少。
玻璃預制棒102優(yōu)選由經摻雜的二氧化硅玻璃形成。所形成的該預制棒102可以使得經拉絲光纖的纖芯或包層(如果有的話)之一摻雜，或者使得經拉絲光纖的纖芯和包層都摻雜。二氧化硅玻璃可以用例如鍺、氟、磷或氯中的一種或多種或者它們的組合進行摻雜。還可使用其它合適的摻雜劑。如圖5-7所示，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現，經鍺摻雜的光纖在大多數制造條件下均顯示熱老化。用于形成預制棒102的方法和設備是本領域技術人員熟知和容易理解的。這些方法包括IVD、VAD、MCVD、OVD、PCVD等。
拉絲爐120優(yōu)選包括外殼122，該外殼包圍預制棒并具有固定在其下端的凸緣123，該凸緣123用作拉絲爐120的出口壁。該凸緣123中具有軸向開口124，光纖110和先前掉落的玻璃墜頭可經過該開口。環(huán)形套筒狀接受器(susceptor)126(例如可以由石墨形成)沿拉絲爐120延伸，其中具有通道130。該通道130包括上段和下段，上段用來接受和保持光纖預制棒102，當玻璃熔融并從預制棒102上拉出絲來時經拉絲光纖110經過下段。在拉絲最初形成的墜頭也經過這一段。通道130的下段與開口124相通。優(yōu)選的是，將中空的出口錐體139放置在開口124之上。環(huán)形絕緣體132和感應線圈136環(huán)繞著該接受器126。
一種合適的惰性成纖用氣體(inert forming gas)FG(最好是氦氣)經過合適的流體入口138被引入到通道130中，氣體壓力約為1大氣壓，氣體向下流動并經開口124流出拉絲爐120。如圖所示和上文描述的拉絲爐120僅僅是合適的拉絲爐的一個例子，本領域技術人員知道有其它設計和結構的拉絲爐，例如可使用其它類型的加熱機構、接受器和絕緣體等。
再參見圖2，相對的流體通道148沿凸緣123徑向延伸，終止于凸緣上表面123A處的開口。通道148還垂直延伸穿過凸緣123并終止于錐體139的外周邊附近。還將成纖用氣體FG送過通道148的開口，該氣體向上流動到錐體139附近，再向下經由錐體139的中央開口流出。成纖用氣體FG可以例如是氦氣(He)、氮氣(N2)、氬氣(Ar)或任何其它合適的惰性氣體。成纖用氣體FG最好是氦氣。
處理爐150放置在凸緣123下方，優(yōu)選是與凸緣123互相連接。處理爐150包括其中具有一個或多個環(huán)形加熱元件168的加熱單元160。加熱元件可以例如是電阻或感應加熱線圈。處理爐的上端152和下端154分別具有開口152A和154A。沿拉絲通道的開口應足夠大以使得拉絲開始時玻璃墜頭能夠經由該通道掉落。上端152、下端154和套筒146用作處理爐150的外殼。然而，可以理解，還可使用其它的外殼結構和元件。處理爐150優(yōu)選通過合適裝置(如緊固件)固定在拉絲爐120的凸緣123上。
一種大致圓柱形的石英卷盤162放置在加熱單元160中。該卷盤162具有通道162A和位于通道相對兩端的一對石英凸緣162B。凸緣162B可以例如是熔焊在石英管兩端以形成卷盤162。在凸緣152的下表面和和上凸緣162B之間放入第一石墨墊圈(gasket)164。在下凸緣154和下凸緣162B之間放入第二石墨墊圈164。
具有送氣通道166A的煤氣爐(gas rings)166環(huán)繞石墨墊圈164，它具有小孔適合于將吹掃用氣體PG導入至石墨墊圈164。該吹掃用氣體PG用來減少或防止石墨墊圈164暴露于空氣，可以例如是氦氣(He)、氬氣(Ar)、氮氣(N2)或任何其它合適的惰性氣體。
吹掃用氣體部件159固定于凸緣154的下表面。吹掃用氣體PG被泵入吹掃管通道159A，用來防止空氣從下方進入通道162A。
石英管162的通道162A的直徑尺寸D優(yōu)選是在其長度方向的所有位置均大于12mm，較好是在12-80mm的范圍內，更好是在45-80mm的范圍內，以使得拉絲開始時形成的玻璃墜頭易于經該通道掉落。處理爐150在凸緣152上表面和凸緣154下表面之間延伸的處理區(qū)的長度L優(yōu)選是在約0.2-3m之間，更好是在0.5-1.0m之間。優(yōu)選長度L取決于光纖110的拉絲速度，上述優(yōu)選范圍是對于約2-35m/s(更好是6-25m/s)的拉絲速度而言的。
張力段170可以是用來控制經拉絲光纖110中張力的任何合適裝置。較好是，張力裝置170包括一個微處理器，它能連續(xù)接收從一個或多個光纖張力和/或直徑傳感器(圖中未示出)輸入的信號，并用來施加所需的光纖張力。在一個優(yōu)選的實施方案中，指令張力基于將直徑控制到等于存儲器中存儲的設定直徑。
設備100如下用來制造經處理的光纖110A。爐感應線圈136工作以將光纖預制棒102的端部102A加熱至預定拉絲溫度TD。拉絲溫度TD優(yōu)選在約1800-2200℃的范圍內。更好是，拉絲溫度TD在約1900-2050℃的范圍內。將預制棒端部102A保持在預定拉絲溫度TD，使得從端部102A沿拉絲方向V(優(yōu)選是垂直向下)連續(xù)地拉出經拉絲光纖110。用張力裝置170或其它合適的施加張力裝置將光纖110保持于如上所述計算得到的拉絲張力FD，以使得在預定公差范圍內滿足光纖的設定直徑(通常為125μm)。成纖用氣體FG(如氦氣)從上入口138泵入，經過通道130、124、152A、162A、154A，從吹掃管通道159A排出。
這樣，由預制棒102以選定的拉絲速度SD如上所述拉出經拉絲光纖110。用來制造光纖的選定拉絲溫度TD和拉絲張力FD導致光纖110具有不希望有的熱老化缺陷。也就是說，經拉絲光纖110會顯示熱老化敏感性，這是以所需速度SD對光纖110進行拉絲的拉絲溫度TD和拉絲張力FD帶來的結果。
因為處理爐150基本上緊鄰著拉絲爐120的開口124，所以經拉絲光纖110從拉絲爐120中出來時不會經歷較冷的環(huán)境空氣的驟冷。此外還減少了氧氣進入拉絲爐的可能性，從而使石墨接受器126可能發(fā)生的降解最小化。在本發(fā)明中，經拉絲光纖110經過通道124，基本上立刻由加熱單元160加熱。加熱單元160將光纖110的溫度保持在處理溫度TT，該溫度在選定的T1至T2的溫度范圍內。下限溫度T1優(yōu)選在約1100-1400℃的范圍內，上限溫度T2優(yōu)選在約1200-1800℃的范圍內。更好是，下限溫度T1在約1200-1350℃的范圍內，上限溫度T2在約1300-1450℃的范圍內。此外，當光纖110經過通道162A時，將光纖110保持在選定的處理張力FT。優(yōu)選是，處理張力FT在約25克至200克的范圍內，更好是在約90克至170克的范圍內。選擇處理區(qū)的長度L以使得經拉絲光纖110被保持在選定的溫度范圍T1-T2一段選定的停留處理時間tT。經處理光纖110A經過底部開口154A被送出處理爐150，優(yōu)選是繼續(xù)向下到其它加工段(附加冷卻、測量、涂覆等)。
共同選擇上述處理溫度TT、處理張力FT和停留時間tT以減少或消除光纖110中的熱老化缺陷或敏感性。因此，如此形成的經處理光纖110A與未經上述方法恰當處理(即使用圖1方框12步驟)但其它方面以相同方式形成的光纖110相比，熱老化缺陷或敏感性更少。因此，上述方法和設備能獲得較高的光纖拉絲速度，其熱老化缺陷與以相同速度拉絲得到的未經處理光纖相比熱老化缺陷減少了。
優(yōu)選是，相對配置和固定拉絲爐120和處理爐150并提供氣體，以使得從通道130至開口159A是一條氣密通道。
參見圖3，該圖示出了本發(fā)明其它實施方案的光纖形成設備200。設備200包括拉絲爐220，對應于拉絲爐120。設備200包括無源處理組件250。組件250被稱作“無源”是因為該組件在其任何部分都不包括對應于加熱單元160的加熱裝置。換言之，光纖是在不借助有源加熱單元的情況下以受控制的速率冷卻的。
設備200包括拉絲爐220和張力段270，分別對應于拉絲爐120和張力段170。優(yōu)選是，拉絲爐220是具有石墨接受器的類型。無源處理組件250包括具有上凸緣254的管式馬弗爐252。馬弗爐252通過螺栓或其它緊固件(為了清楚起見圖中未示出)直接固定在拉絲爐220的下端壁223上，所述螺栓或其它緊固件延伸穿過凸緣254中的孔并與端壁223咬合。馬弗爐252優(yōu)選是由金屬形成，金屬例如是不銹鋼或鋁。
馬弗爐252具有位于第一端的上部開口256、相反的位于第二端的下部開口258和延伸于兩個開口之間的通道252A。優(yōu)選是，通道252A的直徑E大致均勻且大于12mm，更好是在約12mm至80mm之間，最好是在45-80mm之間。上部開口256與拉絲爐220的下開口224相通。在馬弗爐252的側壁中形成多個軸向間隔的供料口259，沿通道252A的長度方向與其相通。
處理用氣流系統(tǒng)260在操作上和流動上與馬弗爐252相連。處理用氣流系統(tǒng)260包括處理用氣源261，該氣源通過多支管或管道262在氣流上和操作上與每個供料口259相連。處理用氣源站261包括選定的處理用氣體TG源，以及泵或類似裝置，用來將處理用氣體TG加壓至足以使其流經管道262和供料口259進入通道252A。處理用氣源站261可任選地包括加熱單元來加熱處理用氣體TG。然而，優(yōu)選以20℃提供處理用氣體。
設備200可如下用來形成經處理的光纖210A。使用拉絲爐220和張力裝置270，由對應于預制棒102的預制棒202以設備100中所述的方式拉絲出光纖210(對應于光纖110)，拉絲溫度和拉絲張力足以引入熱老化缺陷。在對光纖110進行拉絲時，通過與圖2所示相同的入口引入成纖用氣體FG。成纖用氣體流經圍繞預制棒202和光纖210的通道230，經過拉絲爐端壁223中的開口224，通過開口256進入通道252A的第一端。
經拉絲光纖210一從拉絲爐220中出來就立即進入馬弗爐252的通道252A。當光纖210經過通道252A時，將處理用氣體TG從處理用氣源261中泵出，經過至少兩個軸向間隔的供料口259(如圖3中箭頭所示)進入通道252A。處理用氣體在不同的階段流入通道252A并與成纖用氣體FG混合。優(yōu)選是，處理用氣體TG于25℃的導熱系數k小于約120×10-6cal/(sec)(cm)2(℃/cm)，更好是小于約65×10-6cal/(sec)(cm)2(℃/cm)。處理用氣體TG和成纖用氣體FG的混合物流經通道252A，從第二端出口258排出。
處理用氣體TG的導熱性低于成纖用氣體FG。優(yōu)選是處理用氣體TG的導熱系數低于成纖用氣體FG導熱系數的40％，更好是低于成纖用氣體FG導熱系數的20％。處理用氣體TG優(yōu)選氮氣或氬氣，更好是氬氣。成纖用氣體FG優(yōu)選氦氣。
當經拉絲光纖210被拉過通道252A時，經拉絲光纖210被保持在選定的處理張力FT，光纖210在通道252A中的處理溫度TT保持在選定的溫度范圍T1-T2一段選定的停留時間tT，正如上文關于設備100所述。以上文關于設備100所述的方式，共同選擇所述選定的處理張力FT、溫度范圍T1-T2和停留時間tT以減少或消除光纖210中的熱老化缺陷，從而得到對應于經處理光纖110A的經處理光纖210A。在設備200的情況下，選擇無源處理裝置250的通道252A的長度M，以根據光纖210的拉絲速度設置所需的停留時間tT。
處理用氣體TG的導熱系數較低，減緩了從經拉絲光纖210向外的傳熱，即放慢了經拉絲光纖210的冷卻，這樣光纖210在通道252A中保持在選定的溫度范圍T1-T2?？梢郧‘數剡x擇處理用氣體TG的流量、湍流和溫度，以提供所需的冷卻速率。根據本發(fā)明的該實施方案，處理爐250中所需的冷卻速率在1200-1500℃的溫度范圍內是2500-3500℃/秒。
參見圖4，該圖示出了本發(fā)明其它實施方案的光纖形成設備300。該設備300包括具有石墨接受器類型的拉絲爐320。該設備300除了下述不同之外均對應于設備200，并以與設備200相同的方式使用，除了下述不同。
用具有連續(xù)通道349A的多片式馬弗爐組件349代替馬弗爐250。馬弗爐組件349包括一個環(huán)狀馬弗爐上段351，該上段包括一凸緣354用來將馬弗爐組件349固定在拉絲爐320的出口壁323上。環(huán)狀馬弗爐第二段353固定在馬弗爐段351的下端，具有通道353A。在馬弗爐353的側面形成出口357并與通道353A相通。環(huán)狀馬弗爐第三段352固定在馬弗爐段353的下端，具有通道352A。環(huán)狀馬弗爐第四段355固定在馬弗爐段352下端，具有通道355A。在馬弗爐355中形成有進料口359并與通道355A相通。通道349A的直徑F優(yōu)選是大致均勻，且優(yōu)選大于12mm，更好是在約12-80mm的范圍內，最好是在45-80mm的范圍內，以沿其長度N基本上恒定的直徑為宜。馬弗爐組件349的長度N優(yōu)選在約0.2m至1.0m之間。
此外，在設備300中，采用處理用氣流系統(tǒng)360代替處理用氣流裝置260。氣流系統(tǒng)360包括處理用氣源361，對應于處理用氣源站261。處理用氣源站361通過管道362與進料口359不固定地相連(fluidly connected)。氣流系統(tǒng)360還包括泵364，它通過管道363與出口357不固定地相連。泵364優(yōu)選文丘里泵，它具有從其入口365A(如圖所示)輸入的壓縮空氣源。
在使用中，處理用氣體TG從處理用氣源361經由管道362和進料口359引入通道355A。泵364提供足夠的真空，結果將至少一部分處理用氣體TG抽提上來，經過通道352A和353A，經過出口357和管道363，經由出口365B排出。同時，泵364產生的真空還將成纖用氣體FG從拉絲爐320抽提過來，經過通道353A、出口357和管道363，經由泵出口365B排出。這是有利的，因為它防止了兩種氣體在通道349A下端發(fā)生混合。
實施例1使用拉絲爐，由經摻雜預制棒以14米/秒(m/s)的速率和150克的張力拉絲得到負色散的氧化鍺摻雜光纖，該光纖具有如圖5所示的包括纖芯和環(huán)的分布。然后，將光纖冷卻至20℃，再進行如上所述的熱老化試驗。試驗之后，對未經處理的光纖測量其在1550nm的衰減增加，為0.0830dB/km。
用上文所述相同的方式由相同的預制棒拉絲形成第二光纖。該第二光纖一從拉絲爐中出來就立即送入本發(fā)明圖4所示的處理設備。選擇處理爐的長度和工藝參數以使得第二光纖的溫度保持于所需溫度一段所需的時間。具體地說，通道長度M約為0.615m。這樣，光纖保持在約1700℃至約1525℃范圍內的溫度一段約0.044秒的停留時間，同時光纖中的張力保持在150克。成纖用氣體FG為氦氣，處理用氣體TG為23℃的氬氣。此后，將光纖冷卻至20℃，然后進行如上所述相同的熱老化試驗。經處理光纖在1550nm處測得的衰減僅增加了0.027dB/km。因此，對于圖5所示的這類光纖而言，經過本發(fā)明額外處理步驟的光纖的熱老化能降低67％。
實施例2使用拉絲爐，由預制棒以14米/秒(m/s)的速率和150克的張力拉絲得到負色散的氧化鍺和氟摻雜光纖，該光纖具有如圖6所示的包括纖芯、凹陷和環(huán)的分布。然后，將光纖冷卻至20℃，再進行如上所述的熱老化試驗。試驗表明，在200℃加熱20小時之后，光纖在1550nm處測得的衰減增加為0.285dB/km。
用上文所述相同的方式由相同的預制棒拉絲形成第二光纖。該第二光纖一從拉絲爐中出來就立即送入本發(fā)明圖4所示的處理設備進行處理。選擇處理爐的長度和工藝參數以使得第二光纖的溫度保持在與實施例1相同的條件下。此后，將光纖冷卻至20℃，然后進行如上所述相同的熱老化試驗。經處理光纖在1550nm處測得的衰減增加僅約為0.033dB/km。由此可見，對于這一類具有正Δ纖芯、負Δ凹陷和正Δ環(huán)的色散補償光纖而言，經過額外處理步驟的光纖的熱老化劇烈降低(88％)。以上兩個實施例采用的冷卻速率約為3980℃/s。
實施例3使用拉絲爐，由預制棒以14米/秒(m/s)的速率和150克的張力拉絲得到氧化鍺和氟摻雜的二氧化硅玻璃光纖，該光纖具有如圖5所示的負色散及色散斜率和分布。拉絲爐中使用氦氣作為成纖用氣體。此后，將光纖冷卻至20℃，然后進行熱老化試驗將光纖在200℃保持20小時。結束后，將光纖再冷卻至20℃，在1550nm測得的光纖中衰減增加為0.420dB/km。
用上文所述相同的方式由相同的光纖拉絲形成第二光纖。該第二光纖一從拉絲爐中出來就立即送入本發(fā)明圖2所示的加熱處理設備。馬弗爐的長度為0.4m，內徑為60mm，選擇溫度以使得第二光纖的溫度保持在約1700℃至約1525℃范圍內一段約0.028秒的停留時間，同時光纖中的張力保持在150克。對第二光纖進行如上的熱老化試驗，在1550nm測得的光纖中的衰減增加為0.0015dB/km。因此，本發(fā)明得到熱老化下降96％。
表1示出了其它實施例。所列的是實施例號(Ex.)、經過熱老化減少處理(經處理)和未經熱老化減少處理(未經處理)的衰減變化、經處理的熱老化降低％(降低％)、被處理光纖的光纖分布(分布)、被處理光纖中存在的摻雜劑(摻雜劑)、所用的拉絲張力(張力)、所用的拉絲速度(拉絲速度)、所用設備(設備)，以及設備是否包括加熱器(加熱器)。
表1示出了各個實施例的結果。
本發(fā)明另一個實施方案示于圖8-11，參見這些附圖進行說明。該實施方案提供了一種用于高速拉絲(拉絲速度大于或等于10m/s)和熱處理光纖的方法。圖11最好地示出了該實施方案，用光纖形成設備400高速制得經處理光纖。設備400總體包括拉絲爐420和拉絲爐下游的熱處理爐450，熱處理爐優(yōu)選與拉絲爐機械連接。設備400可用來如下形成經處理的光纖410A由加熱的玻璃源402(例如光纖預制棒)以高速拉絲，然后使經拉絲光纖經歷給定的溫度分布變化(例如圖10所示的時間-溫度分布變化圖)，以減少瑞利散射造成的光纖衰減。上述方法對于高速制造具有鍺摻雜中央纖芯的光纖而言特別有效，能減少瑞利散射損失從而降低衰減。具體地說，該方法能很好地用來得到具有鍺摻雜中央纖芯的光纖的低衰減，即1550nm處的衰減小于或等于0.187dB/km，和/或1310nm處的衰減小于或等于0.327。一種此類光纖例如是單模突變折射率型光纖，如圖9所示，該光纖具有鍺摻雜的中央纖芯414和包圍纖芯并與其鄰接的大致純的二氧化硅包層415。
更具體地說，拉絲爐420可用來高速形成經拉絲光纖束410(下文被稱作“經拉絲光纖410”)，此后可使用處理爐450來熱處理經高速拉絲形成的光纖410，以形成經處理的光纖束410A(下文稱作“經處理的光纖410A”)。經處理的光纖410A經過熱處理以較好地減少在工作波長范圍內由瑞利反向散射造成的衰減，例如在1310nm處的衰減小于或等于0.327dB/km，優(yōu)選是在1550nm處的衰減小于或等于0.187dB/km。
應該理解，還可以包括附加的設備來進行熱處理步驟之后的后道常規(guī)加工步驟。例如，在熱處理步驟之后可以用非接觸式直徑測量裝置404來測量光纖的典型直徑。此外，光纖冷卻裝置406可用來將經處理光纖410A進一步冷卻至足夠低的溫度(如低于約100℃)，使聚合物保護涂層能夠施涂到經處理光纖410A的外周邊。還可提供用于施涂和固化一次聚合物涂層的光纖涂覆裝置408A和固化裝置408B。此外，額外的涂覆和固化設備可用來施涂和固化二次聚合物涂層(圖中未示出)。張力裝置470優(yōu)選地在光纖涂覆之后向其施加所需的拉絲張力。最后，卷盤卷繞裝置471和往復式導向器(reciprocating guide)469可用來將經熱處理和涂覆的光纖卷繞在卷繞用卷盤473(如運輸用卷盤或堆放用卷盤(a shipping or bulk spool))上。此外，處理爐450的底部可使用隔板或移門結構472，以使從出口進入的空氣量最少。
操作中，本發(fā)明實施方案的方法包括以下步驟由加熱的玻璃源(如光纖預制棒402)拉絲成光纖410，所述預制棒優(yōu)選包括氧化鍺摻雜的中央纖芯區(qū)和大致純的二氧化硅包層區(qū)，對應于拉絲后形成的具有氧化鍺摻雜的中央纖芯和大致純的二氧化硅包層的光纖，拉絲速率大于或等于10m/s；接著對光纖進行熱處理，將光纖保持在加熱的處理區(qū)412一段停留時間(優(yōu)選為大于0.07秒但小于0.25秒)，光纖410在即加熱的處理區(qū)412中的平均冷卻速率為大于1200℃/s但小于5000℃/s，更好是大于2000℃/s但小于5000℃/s，在有些實施方案中，平均冷卻速率為大于2000℃/s但小于3500℃/s。例如，當拉絲速度大于或等于20m/s時，平均冷卻速率優(yōu)選是大于2000℃/s但小于5000℃/s。加熱的處理區(qū)412中的平均冷卻速率定義為光纖在入口處“A”的光纖表面溫度(即光纖進入表面溫度)減去光纖在出口處“B”的光纖表面溫度(即光纖離開表面溫度)的差除以光纖在處理區(qū)中的總停留時間得到的商。
本發(fā)明實施方案的方法特別適合用來降低光纖410(如圖9所示的標準的突變折射率型單模光纖)由于瑞利散射造成的衰減。該方法特別適用于制造這樣的光纖，它具有位于光纖中心線的含鍺摻雜劑的中央纖芯414和包括大致純的二氧化硅的包層415(不含明顯改變折射率的摻雜劑)。此處所用術語“中央纖芯”是指光纖在工作時大多數光線被限制在其中的部分，這部分位于光纖的中央部分，其折射率要高于最外層的玻璃包層部分。包層415是光纖410中包圍中央纖芯并與其鄰接的那部分，包層延伸至光纖玻璃部分的外徑(至直徑為約125微米處)，其折射率低于中央纖芯414。應該理解，加熱的玻璃源預制棒402還包括纖芯區(qū)414A和包層區(qū)415A(其部分剖面如圖11所示)，它們的物理比例和組成大致對應于由該預制棒得到的經拉絲光纖的中央纖芯414和包層415。換言之，纖芯區(qū)414A至少摻雜鍺，包層區(qū)415A由大致純的二氧化硅形成。
參見圖10和11進一步說明本發(fā)明實施方案的方法。圖10示出了按照本發(fā)明形成經熱處理的光纖410A的一個較佳的冷卻分布圖。優(yōu)選是，在由經加熱的玻璃源預制棒402(具有加熱至約1800-2200℃的接棒(root)部分)拉絲之后，經拉絲光纖410在時間等于0.0秒時進入處理爐450，以使光纖410在處理爐處理區(qū)412的入口位置處(標記為“A”)的光纖進入表面溫度優(yōu)選在1700℃的上限溫度411A和1200℃的下限溫度411B之間；更好是在1550-1700℃之間，在有些實施方案中大于1600℃。然后，在處理區(qū)412中加熱光纖410并緩慢冷卻，光纖在處理區(qū)412中的總停留時間tr應足夠長，使得發(fā)生局部光纖退火(玻璃在原子尺度上放慢但不均衡的重排)。光纖在熱處理區(qū)出口(標記為“B”)處的表面溫度在1450℃的上限溫度413A和1250℃的下限溫度413B之間。此處按照本發(fā)明的退火降低了瑞利反向散射損失，從而使得經處理光纖410A與未經處理光纖相比，在感興趣波長(如1310nm和1550nm)處的衰減減少了。
如圖11所示，拉絲爐420和處理爐450優(yōu)選配置形成連續(xù)的封閉式通道，用于拉絲步驟和熱處理步驟之間光纖的傳送。例如，處理爐450可直接安裝在拉絲爐420的下凸緣420B上，或者連接在連接件420C(如圖示管子)上。當光纖在拉絲爐420和處理爐450之間傳送時，處于惰性氣氛且不暴露于空氣。這能有利地使與拉絲爐420的石墨馬弗爐管432接觸的空氣最少，所述空氣會導致石墨馬弗爐降解。
如圖8所示，在拉絲步驟403和熱處理步驟405的過程中，優(yōu)選含有惰性氣體的氣氛。惰性氣體可以是氦氣、氮氣、氬氣或者它們的混合物。較好是，在拉絲爐頂部的拉絲爐入口420A處提供惰性氣體(優(yōu)選氦氣)。惰性氣體沿著玻璃源預制棒402旁邊流動，在拉絲爐下端與光纖410一起排出拉絲爐420。然后，該氣體與光纖一起流動(但通常以不同的速率)經過處理爐450的通道413，經處理爐的下端(即位置“B”)排出。在熱處理過程中惰性處理用氣體(優(yōu)選氦氣)流經處理爐415的加熱處理區(qū)412的通道413的流量較好是大于10升/分鐘，最好是10-50升/分鐘。
可任選地，拉絲爐520還可以在位置上與熱處理爐550分開，即拉絲爐的出口端不直接連接在熱處理爐的入口端上，如圖12的剖面圖所示。在這種位置關系中，處理爐550中的氣氛可以含有不同于拉絲爐中的氣體。例如，在熱處理時可以向通道513內提供僅含氬氣的氣氛或者氦氣和氬氣的混合氣體，以使光纖處于惰性氣氛中。例如較好是，拉絲步驟時使拉絲用氣體(如氦氣)流經拉絲爐520，熱處理步驟時向處理爐550提供處理用氣體，例如大致純的氮氣、純氬氣，或者大致純的氬氣和大致純的氦氣的混合氣體。例如，如圖12所示，處理爐550中的處理用氣體可以從輸入端口511通入，從處理爐底部的515排出。熱處理步驟中惰性處理用氣體流經處理爐550的加熱的處理區(qū)512中通道513的流量較好是大于10升/分鐘，最好是在10-50升/分鐘的范圍內。為了清楚起見，圖12中未示出額外的處理用組件(如額外的測量裝置、冷卻器、涂覆/固化裝置和卷繞裝置)。
在圖11的優(yōu)選實施方案中，光纖410被拉絲經過加熱的處理區(qū)412，拉絲速率為大于或等于10m/s，更好是大于或等于15m/s，在有些實施方案中為大于或等于20m/s。較好是，光纖410是單模突變折射率型光纖，如圖9所示，該光纖具有鍺摻雜劑的中央纖芯414和大致純的二氧化硅包層415。然而應該理解，所述方法也能同樣有效地用來處理任何具有鍺摻雜中央纖芯的光纖。優(yōu)選是，纖芯中鍺的存在量足以提供相對于包層至少0.3％的相對折射率百分比。光纖410較好是如下進行拉絲將預制棒402加熱至其拉絲接棒有流動稠度(1800-2200℃)并向經涂覆的光纖施加拉絲張力，使用一組張力裝置470來提供約25克至約200克之間的張力，更好是約60-170克，最好是約90-150克。在高速和張力下拉絲能大量制得光纖，這些光纖再按照本發(fā)明進行熱處理，以使所得光纖與未經處理光纖相比衰減進一步降至最小。
將經拉絲光纖410保持在加熱的處理區(qū)412中，總停留時間大于0.07秒但小于0.25秒，更好是大于0.07秒但小于0.15秒，在有些實施方案中是小于0.1秒。處理之后，光纖從處理區(qū)412的出口(位置“B”)離開處理區(qū)。光纖410經過處理區(qū)412期間的平均冷卻速率優(yōu)選為大于1200℃/s但小于5000℃/s，更好是大于2000℃/s但小于5000℃/s，在有些實施方案中是大于2200℃/s但小于3500℃/s。在處理步驟中，將處理區(qū)412的爐壁414加熱并保持在合適的溫度，以在至少一部分加熱的處理區(qū)412中提供大于1300℃的通道溫度(在光纖通過的通道413中央)，更好是1400-1600℃。熱處理步驟通過一個或多個加熱器完成，加熱器可以例如是電阻式加熱器。
在一個優(yōu)選的實施方案中，處理爐450包括多個單獨的加熱器(c-h)沿處理爐450的軸向長度方向分開放置。每個加熱器都環(huán)繞光纖，優(yōu)選是每個加熱器由控制器417單獨控制。在熱處理步驟中，光纖受到來自多個加熱區(qū)的熱；多個加熱區(qū)中至少有一個加熱區(qū)的設定溫度不同于另一個加熱區(qū)(每個加熱區(qū)大致對應于加熱器(c-h)的物理尺寸)。較好是，每個加熱器的壁414的溫度受到控制器417的控制，以使得加熱區(qū)c-h中至少有一個具有1400-1600℃的通道溫度。在一個優(yōu)選的工作方式中，控制靠近拉絲爐420的第一區(qū)(例如c)中央(位置“c′”)通道溫度在1100-1300℃之間，同時控制遠離拉絲爐的第二區(qū)(例如h)中央(位置“h′”)通道溫度在1400-1500℃之間。實際的壁溫設定為能實現所需的光纖離開表面溫度的條件，以提供所需的冷卻速率。例如，若所用氣體是除氦氣以外的氣體，則壁溫應設定至較低的溫度，因為氬氣以及氬氣和氦氣的混合氣體的導熱系數較低，這樣要達到相同的冷卻速率，爐通道溫度和光纖溫度間的溫差就需要更大。
根據本發(fā)明的實施方案，優(yōu)選配置處理爐450的位置以使光纖在進入處理區(qū)412時在位置″A″的光纖進入表面溫度在1200-1700℃范圍內，更好是在1550-1700℃的范圍內，在有些實施方案中是大于1600℃。較好的還有，配置處理爐450的長度和工作溫度以使得光纖410A在處理區(qū)412的出口位置“B”的離開溫度在1250-1450℃的范圍內，更好是在1300-1450℃范圍內，最好是在1325-1425℃的范圍內。
根據如圖11所示的一個實施方案，光纖410進入處理區(qū)450(位置“A”)的進入溫度在1550-1700℃的范圍內，更好是在1600-1700℃的范圍內，經熱處理的光纖410A離開處理區(qū)412(位置“B”)的離開溫度在1300-1450℃的范圍內，更好是在1325-1425℃的范圍內。
處理爐450的馬弗爐管416較好是由大致純的二氧化硅石英玻璃、陶瓷和/或碳材料制得。處理爐的加熱元件優(yōu)選得自Kanthal的二硅化鉬(molydisilicide)高溫加熱元件。管416的內徑優(yōu)選約為60mm。圖12的加熱爐結構使得它具有與圖11所述相同的組件。
如圖12所示，用設備500對光纖510進行拉絲和熱處理。光纖510由加熱的玻璃源502拉絲而成，拉絲速度大于10m/s，拉絲張力在25-200克之間。向拉絲爐520中提供氦氣氣氛。優(yōu)選是在拉絲爐下端使用防止空氣進入的裝置572，如氣罩、可移動的隔板或門結構，以使得可能進入爐膛的空氣(會導致石墨馬弗爐管526降解)最少。在拉絲爐520下游提供一個多組件的熱處理爐550，其結構與圖11所示相同，不同的是熱處理爐550與拉絲爐520在物理位置上是分開的，它們之間的間隔內光纖經過空氣。優(yōu)選是以圖10所示相同的方式配置熱處理爐550的熱處理區(qū)512的冷卻溫度分布，以使得處理區(qū)內的總停留時間在0.07秒至0.25秒之間，處理區(qū)512內的平均冷卻速率優(yōu)選為大于1200℃/s但小于5000℃/s，更好是大于2200℃/s但小于3500℃/s。同樣，熱處理爐550的結構和位置應使得位置A處的光纖進入表面溫度在1400-1700℃之間(對于大于或等于15m/s的拉絲速度而言，應在1550-1700℃的范圍內)，經熱處理的光纖510A在離開處理區(qū)512(位置“B”處)的光纖離開表面溫度在1325-1425℃之間。
實施例下表2示出了用圖11的處理設備制得的各種實施例(13-18)光纖的結果。
表2
實施例13圖11示出了用于制造實施例13的經處理光纖410A的設備400，不同的是本實施例中的處理爐只包括兩個加熱元件。由預制棒402拉絲形成單模突變折射率型光纖，該光纖具有鍺摻雜的二氧化硅纖芯和大致純的二氧化硅包層。拉絲光纖的拉絲張力為100克。光纖的折射率分布示于圖9，選擇纖芯Δ折射率分布與半徑以使得光纖在1550nm的總色散在16-22 ps/nm/km之間。熱處理爐450直接連接在拉絲爐420上，提供了一條封閉通道，大致純的氦氣處理用氣體以約23升/分鐘的流量從入口420A流入，環(huán)繞預制棒402，經過通道413，從位置B流出。兩個加熱元件的溫度均設定為1250℃。處理爐450的處理區(qū)412的長度為1.19m，處理爐450的馬弗爐管416由純石英制得，內徑為60mm。光纖410以10m/s的拉絲速度進行拉絲，經過處理爐450，在區(qū)412中的總停留時間為0.119秒。光纖的進入表面溫度為1440℃，光纖的離開表面溫度為1270℃。因此，在處理區(qū)412中的平均冷卻速率為1430℃/s。測量按照該方法制得的光纖的衰減，在1310nm為0.327dB/km，在1550nm為0.186dB/km。
實施例14同樣，圖11示出了用來制造實施例14的經處理光纖410A的設備400。在本實施例中，將加熱元件c-d、e-f和g-h成對纏繞在一起，以使得例如組合元件c-d用作一個單獨的加熱元件。同樣，e-f和g-h也纏繞在一起，從而制得三個可獨立控制的加熱元件。由預制棒402拉絲形成單模突變折射率型光纖，該光纖具有鍺摻雜的二氧化硅纖芯和大致純的二氧化硅包層。拉絲光纖的拉絲張力為100克。光纖的折射率分布示于圖9，選擇該折射率分布以使得光纖在1550nm的總色散在16-22ps/nm/km之間。熱處理爐450直接連接在拉絲爐420上，從而形成一條封閉通道，大致純的氦氣處理用氣體以約23升/分鐘的流量從入口420A流入，環(huán)繞預制棒402，經過通道413，從位置B流出。加熱元件c-d、e-f和g-h的溫度分別設定為1250℃、1450℃和1450℃。處理爐450的處理區(qū)412的長度為1.77m，處理爐450的馬弗爐管416由純石英制得，內徑為60mm。光纖410以15m/s的拉絲速度進行拉絲，經過處理爐450，在區(qū)412中的總停留時間為0.118秒。光纖的進入表面溫度為1560℃，光纖的離開表面溫度為1370℃。因此，在處理區(qū)412中的平均冷卻速率為1610℃/s。測量按照實施例14制得的光纖的衰減，在1310nm為0.322dB/km，在1550nm為0.185dB/km。
實施例15實施例3的設備的結構與實施例13所述相同(只有兩個加熱元件)。由預制棒402拉絲形成單模突變折射率型光纖，該光纖具有鍺摻雜的二氧化硅纖芯和大致純的二氧化硅包層。拉絲光纖的拉絲張力為100克。光纖的折射率分布示于圖9，選擇其纖芯Δ與半徑以使得光纖在1550nm的總色散在16-22ps/nm/km之間。熱處理爐450直接連接在拉絲爐420上，形成了一條封閉通道，大致純的氦氣處理用氣體以約23升/分鐘的流量從入口420A流入，環(huán)繞預制棒402，經過通道413，從位置B流出。兩個加熱元件的溫度均設定為1150℃。處理爐450的處理區(qū)412的長度為1.19m，處理爐450的馬弗爐管416由純石英制得，內徑為60mm。光纖410以15m/s的拉絲速度進行拉絲，經過處理爐450，在區(qū)412中的總停留時間為0.079秒。光纖的進入表面溫度為1560℃，光纖的離開表面溫度為1270℃。因此，在處理區(qū)412中的平均冷卻速率為3670℃/s。測量按照該方法制得的光纖的衰減，在1310nm為0.326dB/km，在1550nm為0.185dB/km。
實施例16圖11示出了用來制造實施例16的經處理光纖410A的設備400。加熱元件的結構與實施例13和15中所述相同。由預制棒402拉絲形成單模突變折射率型光纖，該光纖具有鍺摻雜的二氧化硅纖芯和大致純的二氧化硅包層。拉絲光纖的拉絲張力為100克。光纖的折射率分布示于圖9，選擇該折射率分布以使得光纖在1550nm的總色散在16-22ps/nm/km之間。熱處理爐450直接連接在拉絲爐420上，形成了一條封閉通道，大致純的氦氣處理用氣體以約23升/分鐘的流量從入口420A流入，環(huán)繞預制棒402，經過通道413，從位置B流出。所用兩個加熱元件的溫度均設定為1300℃。處理爐450的處理區(qū)412的長度為1.19m，處理爐450的馬弗爐管416由純石英制得，內徑為60mm。光纖410以15m/s的拉絲速度進行拉絲，經過處理爐450，在區(qū)412中的總停留時間為0.079秒。光纖的進入表面溫度為1560℃，光纖的離開表面溫度為1360℃。因此，在處理區(qū)412中的平均冷卻速率為2530℃/s。測量光纖的衰減，在1310nm為0.326dB/km，在1550nm為0.184dB/km。
實施例17用于制備實施例17的經處理光纖的設備與實施例14所述相同。由預制棒拉絲形成單模突變折射率型光纖，該光纖具有鍺摻雜的二氧化硅纖芯和大致純的二氧化硅包層。拉絲光纖的拉絲張力為100克。光纖的折射率分布示于圖9，選擇該折射率分布以使得光纖在1550nm的總色散在16-22ps/nm/km之間。熱處理爐450直接連接在拉絲爐420上，從而形成一條封閉通道，大致純的氦氣處理用氣體以約23升/分鐘的流量從入口420A流入，環(huán)繞預制棒402，經過通道413，從位置B流出。加熱元件c-d、e-f和g-h的溫度分別設定為1150℃、1150℃和1450℃。處理爐450的處理區(qū)412的長度為1.77m，處理爐450的馬弗爐管416由純石英制得，內徑為60mm。光纖410以24m/s的拉絲速度進行拉絲，經過處理爐450，在區(qū)412中的總停留時間為0.074秒。光纖的進入表面溫度為1690℃，光纖的離開表面溫度為1360℃。因此，在處理區(qū)412中的平均冷卻速率為4460℃/s。測量按照本方法制得的光纖的衰減，在1310nm為0.325dB/km，在1550nm為0.187dB/km。
實施例18用來制備實施例18的經處理光纖的設備與實施例14和17中所述的相同。由預制棒402拉絲形成單模突變折射率型光纖，該光纖具有鍺摻雜的二氧化硅纖芯和大致純的二氧化硅包層。拉絲光纖的拉絲張力為100克。光纖的折射率分布示于圖9，選擇該折射率分布以使得光纖在1550nm的總色散在16-22ps/nm/km之間。熱處理爐450直接連接在拉絲爐420上，從而提供一條封閉通道，大致純的氦氣處理用氣體以約23升/分鐘的流量從入口420A流入，環(huán)繞預制棒402，經過通道413，從位置B流出。加熱元件c-d、e-f和g-h的溫度分別設定為1150℃、1150℃和1550℃。處理爐450的處理區(qū)412的長度為1.77m，處理爐450的馬弗爐管416由純石英制得，內徑為60mm。光纖410以24m/s的拉絲速度進行拉絲，經過處理爐450，在區(qū)412中的總停留時間為0.074秒。光纖的進入表面溫度為1690℃，光纖的離開表面溫度為1380℃。因此，在處理區(qū)412中的平均冷卻速率為4190℃/s。測量光纖的衰減，在1310nm為0.325dB/km，在1550nm為0.186dB/km。
下表3示出了使用圖11的處理設備的各理論實施例(實施例19-22)的計算結果。
表 3
在表3所示的理論實施例中，應該理解，對于高速處理如圖9所示具有氧化鍺摻雜的中央纖芯和大致純的二氧化硅包層的光纖而言，所需的冷卻速率優(yōu)選為大于1200℃/s；更好是大于1200℃/s但小于5000℃/s。熱處理區(qū)內的總停留時間較好是在0.07-0.25秒之間，更好是在0.07-0.15秒之間。
以上內容用來說明本發(fā)明，但本發(fā)明不受這些內容的限制。盡管本發(fā)明描述了本發(fā)明的一些實施方案，但本領域技術人員能容易地想到這些實施方案可以有許多改動而不會實質性偏離本發(fā)明的新穎特點和優(yōu)點。因此，所有這些改動都在本發(fā)明權利要求書的范圍內。應該理解，說明書的以上內容是對本發(fā)明的說明，而非將本發(fā)明局限于所揭示的具體實施方案，對所揭示實施方案的改動以及其它實施方案都在權利要求書的范圍內。本發(fā)明由權利要求書及其等同范圍來界定。
權利要求
1.一種形成光纖的方法，該方法包括由經摻雜的玻璃源拉絲光纖，拉絲速度和拉絲張力足以將熱老化缺陷引入所述光纖；和對所述光纖進行如下處理在一處理溫度范圍內將所述光纖保持一段處理時間，同時將所述光纖保持在一處理張力范圍內，以降低所述光纖在形成之后衰減增加的趨勢。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述光纖是用鍺摻雜劑摻雜的。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述光纖是用選自氟、氯和磷的摻雜劑摻雜的。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述處理溫度范圍是約1100℃至約1500℃。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于所述處理溫度范圍是約1200℃至約1450℃。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述處理時間在約0.025秒至0.5秒的范圍內。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于所述處理時間在約0.03秒至0.1秒的范圍內。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述處理張力范圍是約25克至約200克。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于所述處理張力范圍是約60克至約170克。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述拉絲速度在約2-35m/s的范圍內。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于所述拉絲速度在約6-25m/s的范圍內。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于處理步驟還包括以大于830℃/s但小于4000℃/s的冷卻速率對所述光纖進行冷卻。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于在所述拉絲步驟之后進行所述處理步驟，兩者之間沒有任何其它處理加工步驟。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于在所述拉絲步驟之后基本上立即進行所述處理步驟。
15.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述拉絲步驟包括在拉絲爐內拉絲光纖；所述處理步驟包括將拉絲的光纖送過處理爐；和所述處理爐的位置基本上緊挨著所述拉絲爐下游，并與所述拉絲爐的下側密封。
16.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述拉絲步驟包括在拉絲爐內拉絲光纖，以使得拉絲的光纖最初被第一氣體所包圍；和所述處理步驟包括將拉絲的光纖送過無源馬弗爐的通道，所述通道含有第二氣體，該第二氣體的導熱系數低于所述第一氣體，在通道中第一氣體和第二氣體混合，從所述無源馬弗爐的所述通道末端排出。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于該方法還包括將所述無源馬弗爐放置在基本上緊挨著所述拉絲爐下游的位置。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述拉絲爐和所述無源馬弗爐的相對放置使得環(huán)境空氣不能從兩者之間的接合處進入所述拉絲爐或所述無源馬弗爐。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于所述無源馬弗爐包括鄰近所述拉絲爐的入口、在所述入口相反的出口和位于所述入口和所述出口之間的側向孔口，所述入口、所述出口和所述側向孔口均與所述通道相通；和所述處理步驟包括在光纖經過所述通道時，使所述第二氣體流經側向孔口、所述通道和所述出口。
20.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述無源馬弗爐包括鄰近所述拉絲爐的入口、在所述入口相反的出口、位于所述入口和所述出口之間的上部側向孔口和位于所述上部側向孔口和所述出口之間的下部側向孔口，所述入口、所述出口、所述上部側向孔口和所述下部側向孔口均與所述通道相通；和所述處理步驟包括在光纖經過所述通道時，使所述第二氣體流動經過所述上部側向孔口、所述通道和所述下部側向孔口。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于使所述第二氣體流動的步驟包括在所述上部側向孔口施加真空，以使所述第一氣體和所述第二氣體均通過所述上部側向孔口被抽出。
22.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述第二氣體選自氬、氖、氮和氧。
23.一種制造光纖的設備，該設備包括拉絲爐，它具有一條通道，該通道容納有可由其拉絲出光纖的光纖預制棒，和具有第一導熱系數的成纖用氣體；位于所述拉絲爐下游的熱老化處理裝置，該處理裝置包括處理管和與該處理管不固定地相連的處理用氣體分配器，所述氣體分配器具有至少兩個軸向間隔的供料口，該供料口與所述處理管在至少兩個軸向間隔的位置相連，能夠在至少兩個軸向間隔的位置向所述處理管提供處理用氣體。
24.如權利要求23所述的設備，其特征在于所述處理裝置還包括環(huán)繞所述馬弗爐管的處理爐，所述處理爐包括至少一個加熱元件。
25.一種制造光纖的設備，該設備包括拉絲爐，它具有一條適合容納可由其拉絲出光纖的光纖預制棒的通道，該通道內有一種具有第一導熱系數的第一氣體；位于所述拉絲爐下游的熱老化處理裝置，該處理裝置包括處理管和與該處理管連接的第二氣體源，所述第二氣體的導熱系數低于所述第一氣體，所述處理管的最小尺寸至少為12mm。
26.一種用于形成和處理光纖的設備，該設備包括拉絲爐，它包括出口壁并適合于形成光纖以使所述光纖由出口壁離開拉絲爐，所述拉絲爐中有第一氣體，所述第一氣體也從所述出口壁離開拉絲爐；鄰近所述拉絲爐的無源馬弗爐，它具有第一端和第二端以及由此限定的一條通道，該通道中有第二氣體，該第二氣體的導熱系數低于所述第一氣體，所述第一氣體從第一端進入所述通道，所述第一氣體和所述第二氣體在所述無源馬弗爐中混合，從所述第二端排出；所述無源馬弗爐在所述第一端與所述出口壁連接，以使得環(huán)境空氣不能從兩者之間的接合處進入所述拉絲爐或所述無源馬弗爐。
27.如權利要求26所述的設備，其特征在于所述第二氣體選自氬、氖、氮和氧。
28.一種制造光纖的方法，該方法包括以下步驟由加熱的玻璃源拉絲出光纖，拉絲速度大于或等于10m/s；對所述光纖進行如下熱處理將光纖保持在一加熱的處理區(qū)內，總停留時間大于0.07秒但小于0.25秒，同時使所述光纖在所述處理區(qū)內經歷的平均冷卻速率為大于1200℃/s但小于5000℃/s，所述平均冷卻速率定義為光纖進入表面溫度減去光纖離開表面溫度的差除以光纖在處理區(qū)內的總停留時間得到的商。
29.如權利要求28所述的制造光纖的方法，其特征在于所述拉絲步驟還包括將光纖形成為具有氧化鍺摻雜的中央纖芯和包括大致純的二氧化硅的包層。
30.如權利要求28所述的制造光纖的方法，其特征在于該方法還包括在所述拉絲步驟和所述熱處理步驟期間提供含氦氣的氣氛的步驟。
31.如權利要求28所述的制造光纖的方法，其特征在于該方法還包括在所述熱處理步驟期間使位于所述熱處理區(qū)內的光纖處于含氦氣和氬氣的氣氛中的步驟。
32.如權利要求28所述的制造光纖的方法，其特征在于該方法還包括如下步驟在所述熱處理步驟過程中在至少一部分所述加熱的處理區(qū)內使光纖處于大于1300℃的爐溫。
33.如權利要求32所述的制造光纖的方法，該方法還包括在所述熱處理步驟過程中使光纖處于多個加熱區(qū)的步驟，所述多個加熱區(qū)中至少一個加熱區(qū)的設定溫度不同于所述多個加熱區(qū)中另一個加熱區(qū)的設定溫度。
34.如權利要求33所述的制造光纖的方法，該方法還包括如下步驟控制所述多個加熱區(qū)中的所述至少一個加熱區(qū)的溫度，使其具有1400-1600℃范圍內的溫度。
35.如權利要求33所述的制造光纖的方法，該方法還包括以下步驟控制靠近所述拉絲爐的第一區(qū)的溫度使其具有在1100-1300℃范圍內的溫度，控制拉絲爐更下游的第二區(qū)的溫度，使其具有1400-1500℃范圍內的溫度。
36.如權利要求32所述的制造光纖的方法，該方法還包括如下步驟形成一條供光纖在所述拉絲步驟和所述熱處理步驟之間傳送的連續(xù)的封閉式通道，以使得所述光纖不與空氣接觸。
37.如權利要求28所述的制造光纖的方法，該方法還包括如下步驟在所述熱處理步驟過程中，使流量為10-50升/分鐘的惰性氣體流經所述加熱的處理區(qū)。
38.如權利要求28所述的制造光纖的方法，該方法還包括如下步驟使光纖進入所述處理區(qū)時的所述光纖進入表面溫度在1200-1700℃的范圍內。
39.如權利要求28所述的制造光纖的方法，該方法還包括如下步驟使光纖進入所述處理區(qū)時的所述光纖進入表面溫度在1550-1700℃的范圍內。
40.如權利要求28所述的制造光纖的方法，該方法還包括如下步驟使所述光纖的光纖進入表面溫度大于1600℃。
41.如權利要求28所述的制造光纖的方法，該方法還包括如下步驟在所述處理區(qū)的出口處使所述光纖離開表面溫度在1250-1450℃的范圍內。
42.如權利要求41所述的制造光纖的方法，其特征在于所述光纖離開表面溫度在1325-1425℃的范圍內。
43.如權利要求28所述的制造光纖的方法，該方法還包括如下步驟使光纖進入所述處理區(qū)時的所述光纖進入表面溫度在1550-1700℃的范圍內，使光纖離開所述處理區(qū)時的所述光纖離開表面溫度在1325-1425℃的范圍內。
44.如權利要求28所述的制造光纖的方法，其特征在于所述平均冷卻速率大于1200℃/s但小于5000℃/s。
45.如權利要求44所述的制造光纖的方法，其特征在于所述平均冷卻速率大于2000℃/s但小于3500℃/s。
46.如權利要求44所述的制造光纖的方法，其特征在于所述平均冷卻速率大于2500℃/s但小于3500℃/s。
47.如權利要求28所述的制造光纖的方法，其特征在于所述總停留時間為大于0.07秒但小于0.15秒。
48.如權利要求28所述的制造光纖的方法，其特征在于所述總停留時間為小于0.10秒。
49.如權利要求28所述的制造光纖的方法，其特征在于所述拉絲速度為大于或等于15m/s。
50.如權利要求49所述的制造光纖的方法，其特征在于所述拉絲速度為大于或等于20m/s。
51.如權利要求28所述的方法，其特征在于在約25克至約200克范圍內的拉絲張力下拉絲所述光纖。
52.如權利要求51所述的方法，其特征在于所述拉絲張力在約60克至約170克的范圍內。
53.如權利要求28所述的方法，其特征在于所述加熱的玻璃源是光纖預制棒，它包括鍺摻雜的中央纖芯區(qū)和大致純的二氧化硅包層區(qū)，所述拉絲速度為大于或等于20m/s，光纖在所述加熱的處理區(qū)內的所述平均冷卻速率為大于2000℃/s但小于5000℃/s。
54.如權利要求28所述的方法，其特征在于所述加熱的玻璃源是光纖預制棒，它包括氧化鍺摻雜的中央纖芯區(qū)和大致純的二氧化硅包層區(qū)，所述拉絲速度為大于或等于15m/s，所述熱處理步驟包括使光纖進入所述加熱的處理區(qū)時的光纖進入表面溫度為大于1600℃，使光纖離開所述加熱的處理區(qū)時的光纖離開表面溫度為大于1350℃，所述加熱的處理區(qū)內光纖的平均冷卻速率為大于2000℃/s但小于3500℃/s，所述加熱的處理區(qū)的溫度為大于1300℃。
55.如權利要求28所述的方法，其特征在于所述加熱的玻璃源是光纖預制棒，它包括氧化鍺摻雜的中央纖芯區(qū)和大致純的二氧化硅包層區(qū)，所述熱處理步驟包括使光纖進入所述加熱的處理區(qū)時的光纖進入表面溫度在1500-1700℃之間，使光纖離開所述加熱的處理區(qū)時的光纖離開表面溫度為在1350-1400℃之間，所述加熱的處理區(qū)內光纖的平均冷卻速率為大于2000℃/s但小于3500℃/s。
56.一種制造光纖的方法，該方法包括以下步驟提供加熱的玻璃預制棒，該預制棒具有氧化鍺摻雜的中央纖芯區(qū)和大致純的二氧化硅包層區(qū)，由加熱的玻璃預制棒拉絲出光纖，拉絲速度為大于或等于15m/s，拉絲張力在25-200克的范圍內，在加熱的處理區(qū)內對所述光纖進行熱處理，該處理區(qū)中具有流量大于10升/分鐘的氦氣氣氛，光纖進入所述加熱的處理區(qū)時的光纖進入表面溫度大于1600℃，光纖離開所述加熱的處理區(qū)時的光纖離開表面溫度在1300-1400℃的范圍內，光纖在所述加熱的處理區(qū)內的總停留時間大于0.07秒但小于0.15秒，同時將光纖在所述加熱的處理區(qū)內的平均冷卻速率控制在大于2000℃/s但小于3500℃/s的范圍內。
全文摘要
公開了一種形成光纖的方法，該方法包括由玻璃預制棒以高拉絲速度(例如優(yōu)選是＞10m/s)拉絲出光纖，對該光纖進行處理(退火或緩慢冷卻)如下將光纖保持在一處理溫度范圍內一段較短的處理時間(例如＜0－5秒)。優(yōu)選是，光纖以特定的冷卻速率(＞830℃/s但＜4000℃/s)進行冷卻。該光纖處理能降低由瑞利散射造成的光纖衰減增加的趨勢，和/或降低光纖在形成之后由熱老化造成的隨時間衰減增加的趨勢。還提供了設備，它包括緊挨著拉絲爐出口下游的馬弗爐或熱老化管，優(yōu)選是馬弗爐或熱老化管與拉絲爐相連并密封，以防環(huán)境空氣進入。還公開了供氣裝置，例如向拉絲爐提供氦氣(He)，向馬弗爐或熱老化管提供另一種氣體(如Ar和N
文檔編號C03B37/02GK1665749SQ03815052
公開日2005年9月7日 申請日期2003年4月28日 優(yōu)先權日2002年4月30日
發(fā)明者J·D·福斯特, D·W·霍托夫, C·L·萊西, Y·L·彭, D·R·鮑爾斯, J·L·塔普勒, H·B·馬修斯, D·米奇斯考夫斯基, R·A·奎恩, W·J·瓦爾扎克 申請人:康寧股份有限公司