CN102667554B - 低损耗光纤 - Google Patents

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Abstract

提供一种波导光纤，该波导光纤包括芯部和覆层，其中，芯部包括阿尔法分布，其中，阿尔法(α)大于2.5且小于3.0。所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处具有小于0.331dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.328dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.270dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.190dB/km的衰减。还提供用于生产光纤的方法。

Description

低损耗光纤
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年11月25日提交的、名称为“Low Loss Optical Fiber（低损耗光纤）”的美国非临时专利申请第12/626305号的权益和优先权，本申请所依赖的内容以参见的方式纳入本文。
背景技术
本发明总体涉及光纤，具体涉及具有低衰减的单模光纤。
适用于各种应用并满足诸如ITU-T G.652的行业标准的单模光纤的需求持续增长。然而，诸如衰减和弯曲损耗的光纤性质会劣化这些光纤的信号。因此，对于减少衰减和弯曲损耗有大量商业利益。
发明内容
一个实施例包括一种波导光纤，该波导光纤包括芯部和覆层，所述芯部具有用%的单位表述的相对折射率分布Δ(r)。所述芯部包括具有起点ri和终点rf的阿尔法分布，其中，阿尔法(α)大于2.5且小于3.0，所述阿尔法分布具有最大相对折射率Δ1MAX和外半径R1。所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处具有小于0.331dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.328dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.270dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.190dB/km的衰减。
另一实施例包括一种用于生产光纤的方法。该方法包括从受热的玻璃源拉制所述光纤。此外，该方法包括通过将所述光纤保持在处理区域同时使所述光纤在所述处理区域经受一平均冷却速率来处理所述光纤，所述平均冷却速率小于5,000°C/s。所述处理区域中的所述平均冷却速率定义为进入处理区域的光纤进入表面温度减去离开处理区域的光纤离开表面温度除以光纤在处理区域中的总驻留时间。离开处理区域的光纤的表面温度是至少约1,000°C。所述光纤具有芯部和覆层，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处具有小于0.323dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.310dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.260dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.184dB/km的衰减。
在下面的详细描述中将阐述本发明的其它特征和优点，它们对本领域的技术人员来说部分地可从该说明书中变得显而易见，或可通过实践在此描述的实施例（包括下面的详细描述、权利要求书以及附图）而认识到。
应理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都描述了各种示例性实施例，并意在提供概况或框架以便理解权利要求的性质和特征。包括附图以提供进一步理解，附图包含在该说明书中并构成该说明书的一部分。附图示出各实施例并与说明书一起用于解释各个实施例的原理和操作。
附图说明
图1示意地示出了波导光纤的一实施例；
图2示出了波导光纤的一示例性实施例的折射率分布；
图3示出了波导光纤的附加示例性实施例的折射率分布；
图4示出了光纤形成设备的示意剖视侧视图；
图5示出了另一光纤形成设备的示意剖视侧视图；
图6示出了光纤生产系统；
图7示出了用于光纤生产系统的流体轴承的分解图；以及
图8示出了用于光纤生产系统的、具有锥形区域的流体轴承的侧视图。
具体实施方式
现将参照附图中所示的实例详细描述本发明的较佳实施例。
“折射率分布”是折射率或相对折射率与波导光纤半径之间的关系。
“相对折射率百分比”定义为Δ%=100x(ni 2-nc 2)/2ni 2，其中，ni是区域i中的最大折射率，除非另有规定，且nc是覆层最外区域的平均折射率。如同这里所使用的那样，相对折射率表示为Δ，其值用单位“%”来给定，除非另有规定。
波导光纤的“彩色消散”，这里称为“色散”，除非另有注明，是材料色散、波导色散和模间色散的总和。在单模波导光纤的情况下，模间色散为零。色散斜率是色散相对于波长的变化率。
“有效面积”定义为：
Aeff=2π(∫f2r dr)2/(∫f4r dr),
其中，积分限是0至∞，f是与波导中传播的光相关联的、电场的横向分量。如同这里所使用的那样，“有效面积”或“Aeff”是指在1550nm波长处的光学有效面积，除非另有注明。
术语“α分布”或“阿尔法分布”是指相对折射率分布，用项Δ(r)来表述，其单位是“%”，其中，r是半径，符合等式，
Δ(r)=(Δ(ro)–Δ(r1))(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α)+Δ(r1),
其中，ro是沿阿尔法分布的Δ(r)为最大值的位置，r1是沿阿尔法分布的Δ(r)为最小值的位置，r处在范围ri<r<rf，其中Δ如上定义，ri是α分布的起点，rf是α分布的终点，α是作为实数的指数。
模场直径（MFD）是用Peterman II方法测量的，其中，2w=MFD，w2=(2∫f2r dr/∫[df/dr]2r dr)，积分限是0至∞。
波导光纤的弯曲阻力可以通过在规定测试条件下引起的衰减来测量，例如通过围绕规定直径的心轴展开或包裹光纤。
一种类型的弯曲测试是侧向负荷微弯测试。在该所谓的“侧向负荷”测试中，波导光纤的规定长度放置在两个平板之间。#70丝网附连至两个板中的一个板。已知长度的波导光纤夹在两个板之间，当两个板用30牛的力压靠在一起时，测量参考衰减。然后将70牛的力施加至板，测量衰减中的增加，以dB/m计。衰减中的增加是波导的侧向负荷衰减。
“销阵列”弯曲测试用来比较波导光纤的相对弯曲阻力。为了实施该测试，对于波导光纤测量衰减损耗，而基本不引起弯曲损耗。波导光纤然后围绕销阵列编织，再次测量衰减。由弯曲引起的损耗在两次测得衰减中不同。销阵列是布置成单行且保持在平面上固定垂直位置的一组十个圆柱销。销间隔是5mm，中心到中心。销直径是0.67mm。在测试中，施加足够的张力以使波导光纤符合销表面的一部分。
对于给定模来说，理论光纤截止波长、或“理论光纤截止”、或“理论截止”是如下波长：在该波长以上，引导的光无法该模中传播。可在Single Mode FiberOptics（单模光纤）,Jeunhomme,pp.39-44,Marcel Dekker,New York,1990中找到数学定义，其中，理论光纤截止描述成如下波长：在该波长处，模传播常数变成等于外覆层中的平面波传播常数。该理论波长适合于无限长、完全直的光纤，其没有直径变化。
由于弯曲和/或机械压力引起损耗，有效光纤截止低于理论截止。在本文中，截止是指LP11和LP02模中的较高者。LP11和LP02通常在测量中不区分，但两者明显作为光谱测量中的步骤，即，在波长长于测得截止的模中观察不到功率。实际的光纤截止可通过标准2m光纤截止测试来测得，FOTP-80(EIA-TIA-455-80)，从而产生“光纤截止波长”，也称为“2m光纤截止”或“测得截止”。实施FOTP-80标准测试以使用受控量的弯曲抽出高阶模，或者使光纤的光谱响应标准化至多模光纤。
由于在光缆环境中较高程度的弯曲和机械压力，光缆截止波长或“光缆截止”甚至低于测得光纤截止。实际光缆调节可以通过在EIA-445光纤测试过程中描述的光缆截止测试来近似，其是EIA-TIA光纤标准的一部分，即，电子工业联盟－电信行业协会光纤标准，更经常称作FOTP。在EIA-455-170单模光纤的光缆截止波长乘发送功率或“FOTP-170”中描述了光缆截止测量。
除非这里另有注明，光学性质（诸如色散、色散斜率等）报告为LP01模。除非这里另有注明，1550nm的波长是参考波长。
根据这里所述的各实施例，如图1所示，波导光纤10包括芯部12和包围芯部12的至少一个覆层14。在各较佳实施例中，覆层14是纯石英，芯部12是掺杂有一种或多种掺杂物的石英。在一具体较佳实施例中，芯部12掺杂有折射率增大的掺杂物，诸如Ge，从而获得理想的相对折射率改变（例如，3.5-4.2％的Ge，摩尔百分比）。芯部12还可以可选地掺杂有一种或多种折射率减小的掺杂物，诸如硼或氟。较佳的是，芯部12的直径从约9μm变化至约16μm。较佳的是，光纤10的覆层14的外直径是约125μm。较佳的是，覆层区域14具有至少约40μm的外半径。如同惯例那样，光纤可涂覆有多层聚合物涂层16和18。
波导光纤10的芯部12从中心线径向向外延伸至半径R1，且具有用％单位表述的相对折射率分布Δ(r)，带有最大相对折射率百分比Δ1MAX。R1定义为发生在Δ(r)首先从Δ1MAX径向向外达到0.02%之处的半径。
图2示出了这里所述的光纤的一示例性实施例的折射率分布（分布1），其示出目标分布20和制造成对应于目标分布的实际芯茎分布22。表1列出了图2所示实施例的分布参数。
表1
目标分布        实际分布
表2列出了图2所示实施例的模拟（预测）性能参数。
表2
图3示出了这里所述光纤的附加示例性实施例的折射率分布，作为24（分布2）、26（分布3）、28（分布4）和30（分布5）。表3列出了图3所示实施例的分布参数。
表3
Figure BDA00001677976600071
表4列出了图3所示实施例的模拟（预测）性能参数。表4中列出的衰减值是预测源自一处理方法的值，该处理方法包括使光纤经过处理区域，如下文更详细所述。
表4
Figure BDA00001677976600072
Figure BDA00001677976600081
这里所述的光纤具有阿尔法分布，其中，阿尔法(α)大于2.5，诸如阿尔法(α)大于2.5且小于3.0的阿尔法分布，还诸如阿尔法(α)大于2.5且小于2.7的阿尔法分布，甚至还诸如阿尔法(α)大于2.6且小于2.9的阿尔法分布，进一步甚至还诸如阿尔法(α)大于2.6且小于2.7的阿尔法分布。这些范围内的阿尔法值可提供比另外实现的衰减低程度的衰减。
较佳的是，阿尔法分布的起点ri是小于1μm的半径，阿尔法分布的终点rf是至少3μm的半径，诸如起点ri是小于0.5μm的半径且终点rf是至少4μm的半径的阿尔法分布，还诸如起点ri是小于0.25μm的半径且终点rf是至少5μm的半径的阿尔法分布。在图2所示的实施例中，ri处的Δ(r)大于0.35%，rf处的Δ(r)小于0.05%。在图3所示的实施例中，ri处的Δ(r)是至少0.35%，rf处的Δ(r)是至少0.20%，包括至少0.25%，还包括至少0.30%。在图3所示的实施例中，rf+0.5μm处的Δ(r)比rf处的Δ(r)小至少0.10%，诸如比rf处的Δ(r)小至少0.15%，还诸如比rf处的Δ(r)小至少0.20%，甚至还诸如比rf处的Δ(r)小至少0.25%。与图3所示相对应的较佳实施例包括如下的实施例：其中，阿尔法(α)大于2.5且小于3.0，ri是0－0.5μm，rf是3.5－4.5μm，ri处的Δ(r)是0.35%－0.40%，rf处的Δ(r)是0.20%－0.33%，rf+0.5μm处的Δ(r)是0.02%－0.10%。
这里所述的光纤较佳地具有大于0.30%的Δ1MAX，还较佳地具有小于0.40%的Δ1MAX，诸如0.30%<Δ1MAX<0.40%，还诸如0.35%<Δ1MAX<0.40%，甚至还诸如0.36%<Δ1MAX<0.39%。
这里所述的光纤较佳地具有在约4和12μm之间的R1，诸如5μm<R1<10μm，还诸如6μm<R1<8μm。
这里所述的光纤较佳地具有对于所有大于10μm的半径小于0.01%的Δ(r)，诸如对于所有大于8μm的半径小于0.01%的Δ(r)，还诸如对于所有大于7μm的半径小于0.01%的Δ(r)。
对应于图2和3所示实施例的光纤相对易于制造且可满足行业标准性能要求，其由康宁的
Figure BDA00001677976600091
和光纤来满足，同时提供与这些光纤相比甚至更低的衰减和弯曲损耗。
例如，这里所述的光纤，包括图2和3所示的实施例，较佳地在1310nm的波长处提供约8.8－9.6μm的模场直径，更佳地约9.0－9.4μm的模场直径。这里所述的光纤较佳地在1550nm的波长处提供约9.8－11.0μm的模场直径，更佳地约10.0－10.8μm的模场直径。这里所述的光纤较佳地在1310nm的波长处提供约60－70μm2的有效面积，更佳地约62－68μm2的有效面积。这里所述的光纤较佳地在1550nm的波长处提供约75－90μm2的有效面积，更佳地约78－86μm2的有效面积。这里所述的光纤较佳地具有约1300－1335nm的零色散波长λ0，更佳地具有约1302－1322nm的零色散波长λ0。这里所述的光纤较佳地具有小于或等于约0.089ps/(nm2·km)的零色散斜率。这里所述的光纤在1550nm的波长处较佳地具有小于18.0ps/(nm·km)的色散。这里所述的光纤较佳地具有小于或等于1300nm的光缆截止波长，诸如小于或等于1260nm的光缆截止波长，还诸如小于或等于1220nm的光缆截止波长，甚至还诸如小于或等于1200nm的光缆截止波长，又甚至还诸如小于或等于1180nm的光缆截止波长。
这里所述的光纤，包括图2和3所示的实施例，在1310nm的波长处具有小于0.331dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.328dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.270dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.190dB/km的衰减。
在较佳实施例中，这里所述的光纤在1310nm的波长处具有小于0.325dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.323dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.264dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.186dB/km的衰减。
在甚至更佳实施例中，这里所述的光纤在1310nm的波长处具有小于0.324dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.322dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.263dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.185dB/km的衰减。
在又甚至更佳实施例中，这里所述的光纤在1310nm的波长处具有小于0.323dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.310dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.260dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.184dB/km的衰减。
在仍又甚至更佳实施例中，这里所述的光纤在1310nm的波长处具有小于0.323dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.300dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.255dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.182dB/km的衰减。
在另外较佳实施例中，这里所述的光纤在1310nm的波长处具有小于0.327dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.303dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.259dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.187dB/km的衰减。
在又另外较佳实施例中，这里所述的光纤在1310nm的波长处具有小于0.327dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.303dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.259dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.185dB/km的衰减。
在仍又另外较佳实施例中，这里所述的光纤在1310nm的波长处具有小于0.326dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.302dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.258dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.184dB/km的衰减。
在甚至仍又另外较佳实施例中，这里所述的光纤在1310nm的波长处具有小于0.324dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.300dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.256dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.183dB/km的衰减。
这里所述的光纤在1550nm的波长处较佳地具有小于10dB的销阵列宏弯曲损耗，在1550nm的波长处甚至更佳地具有小于9.5dB的销阵列宏弯曲损耗，在1550nm的波长处还甚至更佳地具有小于9dB的销阵列宏弯曲损耗。
这里所述的光纤在1550nm的波长处较佳地具有小于0.7dB的侧向负荷微弯曲损耗，在1550nm的波长处甚至更佳地具有小于0.65dB的侧向负荷微弯曲损耗，在1550nm的波长处还甚至更佳地具有小于0.6dB的侧向负荷微弯曲损耗。
在较佳实施例中，这里所述的光纤通过使光纤经过处理区域来制造，该处理区域定义为拉制炉下游的区域，在该区域中，光纤以比光纤在室温空气（即，约25°C的空气）下的冷却速率慢的速率冷却。较佳的是，离开处理区域的光纤的表面温度是至少约1,000°C。
光纤在处理区域中的平均冷却速率定义为光纤在处理区域的进入位置处的光纤表面温度（光纤进入表面温度）减去光纤在处理区域的离开位置处的光纤表面温度（光纤离开表面温度）除以光纤在处理区域中的总驻留时间。在一较佳实施例中，当光纤的温度是至少1,000°C时，诸如当光纤的温度是1,250°C－1,750°C时，光纤在处理区域中的平均冷却速率小于5,000°C/s，包括小于2,500°C/s，还包括小于1,000°C/s。
在至少一个实施例中，处理区域包括处理炉。在一个实施例中，处理炉设置在拉制炉的基本紧邻下游，但是本发明并不局限于处理炉设置在拉制炉的基本紧邻下游的实施例。在一较佳实施例中，处理炉在光纤从中离开的位置直接附连至拉制炉的端部，从而密封件较佳地形成在两者之间。这使空气至拉制炉的不想要进入最小化。
图4示出了可用于制造这里所述光纤的光纤形成设备300。设备300通常包括拉制炉112、处理炉350和张紧工位128，该张紧工位显示成牵引组件，用于将张力施加至已拉制的光纤。设备300例如可用来处理来自掺杂玻璃预制件110的裸光纤10。更具体地说，拉制炉112可用来形成裸光纤10，处理炉350然后可用来处理已拉制的光纤10。张紧工位128用来控制和保持光纤10中的所需张力。还可包括附加的传统处理步骤，诸如非接触直径测量设备，进一步光纤冷却设备，用于涂覆和固化初始和次级光纤涂层的光纤涂覆固化设备，以及卷轴卷绕设备。这些附加的处理步骤是传统的，且为了清楚起见不示出。此外，在处理炉的底部可采用膜片或可动门机构，以使至处理炉的空气进入量最小化。
玻璃预制件110较佳地由掺杂的石英玻璃形成，且较佳地由掺杂有至少锗的石英玻璃形成。用于形成预制件110的方法和设备是众所周知的且容易被本领域技术人员理解。这些方法包括IVD、VAD、MCVD、OVD、PCVD等。
拉制炉112较佳地包括罩壳322，该罩壳包围预制件且具有固定在其下端的凸缘323，凸缘323用作拉制炉112的离开壁。轴向开口324限定于凸缘323中，光纤10穿过该轴向开口，先前的掺杂玻璃坯块可穿过该轴向开口。环形套筒状接受器326（其例如可以由石墨形成）延伸穿过拉制炉112且在其中限定通道330。通道330包括上部段和下部段，该上部段适于接纳和保持光纤预制件110，当玻璃熔化且从预制件110拉制时，已拉制的光纤10穿过该下部段。在拉制开始时形成的坯块还穿过该部段。通道330的下部段与开口324连通。中空出口锥管339较佳地定位在开口324上方。环形隔离器332和感应线圈336包围接受器326。
诸如氦气的合适惰性合成气体FG可通过合适的流入口338以约1个大气压引入通道330，并向下流动且通过开口324流出拉制炉112。如同所述和所示的那样，拉制炉112仅仅是合适拉制炉的示例，本领域技术人员可以理解的是，也可采用具有其它设计和构造的拉制炉，例如使用其它类型的加热机构、接受器和隔离器等。
再次参见图4，两个相对的流动通道348径向地延伸通过凸缘323，且终止于在其上表面323A处的开口。通道348还竖直地延伸通过凸缘323，且终止于锥管339的外周界附近。合成气体FG附加地馈送通过通道348的开口，且围绕锥管339向上流动，向下回流通过锥管339的中心开口。合成气体FG例如可以是氦气（He）、氮气（N2）、氩气（Ar）、或任何其它合适惰性气体。
处理炉350定位在凸缘232下方，且较佳地与凸缘232互连。处理炉350包括加热单元360，该加热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分别限定于处理炉的上端352和下端354。沿着拉制路径的开口足够大以使在拉制开始时玻璃坯块能落过。端部352、354和套筒346用作用于处理炉350的罩壳。然而，可以理解，也可采用其它罩壳构造和部件。处理炉350较佳地通过诸如紧固件的合适装置来固定至拉制炉112的凸缘323。
大体圆柱形的管段或管子362设置在加热单元360中。管段或管子362，其可由基本纯的石英玻璃、陶瓷和/或碳材料制成，限定通道362A并具有位于其两个相对端部上的一对凸缘（即，石英凸缘）362B。凸缘362B例如可以火焰焊接至管子的端部以形成管段362。第一石墨垫片364插设在凸缘352的下表面和上凸缘362B之间。第二石墨垫片364插设在下凸缘354和下凸缘362B之间。
具有馈送通道366A的气环366围绕石墨垫片364，且具有小孔以适于将吹扫气体PG引向石墨垫片364。提供吹扫气体PG以减少或防止石墨垫片364暴露至空气，吹扫气体PG例如可以是氦气（He）、氩气（Ar）、氮气（N2）、或任何其它合适惰性气体。
吹扫气体构件359固定至凸缘354的下表面。吹扫气体PG泵送入吹送管子通道359A以防止空气从下方进入通道362A。
管子362的通道362A较佳地在沿其长度的所有位置具有大于12mm的直径尺寸D，该直径尺寸D较佳地是约12mm－80mm，更佳地是45mm－80mm，从而允许在拉制开始时形成的玻璃坯块易于落过。
张紧工位128可以是用于控制已拉制的光纤10中张力的任何合适装置。较佳的是，张紧工位128包括微处理器，该微处理器连续地从一个或多个光纤张力和/或直径传感器（未示出）接收输入，并可操作以根据需要向光纤10施加张力。在一较佳实施例中，基于将直径控制成等于存储在存储器中的设定直径来指令该张力。
设备300可以下列方式用来制造已处理的光纤10。炉子感应线圈336可操作以将光纤预制件110的末端302A加热至预选的拉制温度TD。较佳的是，拉制温度TD是约1,800°C－2,200°C。更佳的是，拉制温度TD是约1,900℃－2,050℃。预制件末端302A保持在选定的拉制温度TD，从而沿拉制方向V将已拉制的光纤10连续地拉离末端302A，该拉制方向较佳地是竖直向下的。光纤10如上所述通过张紧装置370或其它合适张力施加设备保持在算出的拉制张力FD下，使得光纤的设定直径（典型地125μm）满足在预定公差带内。合成气体FG（例如氦气）从上入口338泵送通过通道330、324、352A、362A、354A，并通过吹扫管子通道359A泵送出去。
因为处理装置350较佳地固定成基本紧邻拉制炉112的开口324，所以当光纤10离开拉制炉112时，已拉制的光纤10较佳地不被较冷的周围空气急冷。此外，减少了氧气进入拉制炉的可能性，因此使石墨接受器326的可能劣化最小化。裸光纤10穿过通道324，且被加热单元360基本立即加热。加热单元360将光纤10的温度保持在选定温度范围T1至T2内的处理温度TT。较低温度T1较佳地是约1,100°C－1,400°C，较高温度T2较佳地是约1,200°C－1,800°C。更佳的是，较低温度T1较佳地是约1,150℃－1,350℃，较高温度T2较佳地是约1,300℃－1,700℃。同样，当光纤10通过通道362A时，光纤10保持在选定的处理张力FT下。较佳的是，处理张力FT是约25－200克。更佳的是，处理张力FT是约75－175克。处理区域的长度L选定为：已拉制的光纤10保持在选定的温度范围T1至T2内以持续选定的驻留处理时间tT。已处理的光纤10通过底部开口354A离开处理炉350，且较佳地向下继续至另外的处理工位（另外的冷却、测量、涂覆等）。
较佳的是，拉制炉112和处理炉350相对构造和固定成且气体供给成：它们提供从通道330至开口359A的气密路径。
在一较佳实施例中，处理炉350包括沿处理炉350的轴向长度间隔的多个单独加热器。每个加热器围绕光纤，且每个加热器较佳地各自由控制器来控制。在热处理步骤期间，光纤经受来自多个加热区域的热量；多个加热区域中的至少一个加热区域（每个加热区域粗略地对应于各加热器的物理尺寸）设定至与多个加热区域中的其它加热区域相比不同的温度。较佳的是，每个加热器的壁的温度由控制器来控制，从而至少一个加热区域具有600°C－1,500°C的通道温度。在一较佳工作模式中，靠近拉制炉112的第一区域被控制成具有600°C－1,200°C的通道温度，而远离拉制炉112的第二区域被控制成具有900°C－1,500°C的通道温度。实际壁温度将被设定成：实现所需的光纤离开表面温度条件以提供所需的冷却速率。假如所用的气体不同于氦气，例如，壁温度将设定成较低温度，因为氩气和氩气氦气混合物的导热率将具有较低的导热系数，因此，在炉子通道温度和光纤温度之间需要较大的温差以实现相同的冷却速率。
在至少一个较佳实施例中，处理炉350的加热元件较佳地是可从康奈尔公司（Kanthal）获得的二硅化钼高温加热元件。
在至少另一实施例中，处理区域包括无源处理组件。在一个实施例中，无源处理组件设置在拉制炉的基本紧邻下游，但是本发明并不局限于无源处理组件设置在拉制炉的基本紧邻下游的实施例。在一较佳实施例中，无源处理组件在光纤从中离开的位置直接附连至拉制炉的端部，从而密封件较佳地形成在两者之间。这使空气至拉制炉的不想要进入最小化。
图5示出了可用于制造这里所述光纤的另一光纤形成设备400。光纤形成设备400包括对应于拉制炉112的拉制炉112。代替处理炉350，设备400包括无源处理组件450。组件450是“无源的”，因为它不包括在其任何部分中对应于加热模块360的加热装置。换而言之，光纤不借助有源加热模块以受控速率冷却。
设备400包括分别与拉制炉112和张紧工位128相对应的拉制炉112和张紧工位128。较佳的是，拉制炉112是具有石墨接受器的类型。无源处理组件450包括具有上凸缘454的管状套筒452。套筒452通过螺栓或其它紧固件（为了清楚起见未示出）直接固定至炉子112的下端壁423，该螺栓或其它紧固件延伸穿过凸缘454中的孔且接合端壁423。套筒452较佳地由金属形成，诸如不锈钢或铝。
套筒452限定了在第一端处的上开口456、在第二端处的相对下开口458和在上开口和下开口之间延伸的通道452A。较佳的是，通道452A的直径E基本均匀且大于12mm，更佳地是约12mm－80mm，最佳地是约45mm－80mm。上开口456与拉制炉112的下开口424连通。多个轴向隔开的供给端口459形成在套筒452的侧壁中且沿其长度与通道452A连通。
处理气流系统460可操作地且流体地连接至套筒452。处理气流系统460包括处理气体供源461，该处理气体供源通过集管或管道462流体地且可操作地连接至各个端口459。处理气体供给工位461包括选定处理气体TG的供源和泵或类似部件，该泵或类似部件可操作以对处理气体TG进行加压从而足以迫使处理气体通过管道462和馈送端口459并进入通道452A。处理气体供给工位461可以可选地包括用来加热处理气体TG的加热单元。然而，较佳的是，处理气体以约20°C供给。
设备400可以下列方式用来形成已处理的光纤10。使用拉制炉112和张紧工位128，光纤10用以上关于设备300所述的方式从预制件110拉制，拉制温度和拉制张力足以引入热老化缺陷。当光纤10被拉制时，通过与图4所示入口相同的入口来引入合成气体FG。合成气体流过围绕预制件110和光纤10的通道430，流过炉子端壁423中的开口424，且通过开口456流入通道452A的第一端。
已拉制的光纤10在一旦离开炉子112之后立即进入套筒452的通道452A。当光纤通过通道452A时，处理气体TG通过至少两个轴向隔开的供给端口459从处理气体供源461泵送入通道452A，如图5中的箭头所示。处理气体在各个阶段流入通道452A，且与合成气体FG混合。较佳的是，处理气体TG在25°C处具有导热率k，该导热率k小于约120×10-6cal/(sec)(cm)2(°C/cm)，更佳地小于约65×10-6cal/(sec)(cm)2(°C/cm)。处理气体TG和合成气体FG的混合物流过通道452A且离开第二端部开口458。
处理气体TG具有比合成气体FG低的导热率。较佳的是，处理气体TG的导热率比合成气体FG的导热率小40%，更佳地小20％。处理气体TG较佳地是氮气或氩气，但也可包括氪气或氙气。
当已拉制的光纤10被拉过通道452A时，已拉制的光纤10保持在选定的处理张力FT下，光纤10在通道452A中的处理温度TT保持在选定的温度范围T1-T2持续选定驻留时间tT，如同以上关于设备300所述。在以上关于设备300所述的方式中，协配地选择选定的处理张力FT、温度范围T1-T2和驻留时间tT，使得它们减少或消除光纤10中的热老化缺陷，因此提供已处理的裸光纤10。在设备400的情况下，无源处理装置450的通道452A的长度M被选定为考虑光纤10的拉制速度提供所需的驻留时间tT。
处理气体TG的较低导热率减缓了热量从已拉制光纤10的转移或对已拉制光纤10的冷却，从而光纤10在位于通道452A中时保持在选定的温度范围T1-T2。处理气体TG的流量、紊流和温度可被合适地选定为提供所需的冷却速率。根据本发明的该实施例，处理区域中的所需冷却速率可以在1,200°C－1,500°C的温度范围中处于1,000°C/sec－3,500°C/sec。
在一尤其较佳实施例中，拉制炉112和处理区域130（其例如可包括如图4所示的处理炉350或如图5所示的无源处理组件450）结合入如图6所示的用于生产光纤的系统108。一旦光纤10离开处理区域130，光纤接触至少一个固定流体轴承116（图6示为多个流体轴承），并从沿基本第一或竖直路径（Y）运动转变至第二路径（Z）。如图所示，第二路径（Z）定向成水平或定向成垂直于第一路径，但应理解的是，这里所述的系统和方法可在将保护涂层涂覆至光纤之前沿任何非线性路径将光纤改向。
在图6所示的实施例中，光纤10经过流体轴承116，且经受涂覆单元120，在该涂覆单元中，初始保护涂层121涂覆至光纤10的外表面。在离开涂覆单元120之后，带有保护层121（不再裸露）的光纤可经过系统（未示出）内的各个其它处理阶段。当光纤被拉过如图6所示的整个系统且最终卷绕到光纤储存卷轴（未示出）上时，拉伸机构128用来在光纤上提供必需的张力。
当光纤10被输送过流体轴承116（这里随后描述）时，每个流体轴承116上的流体垫区域冷却光纤10。例如，参见图6，离开处理区域130的光纤10可在其进入流体轴承116时具有约500°C-1500°C的温度。在一些较佳实施例中，光纤10在光纤温度低于1,300°C的情况下、更佳地低于1,200°C的情况下、在一些实施例中低于1,100°C的情况下进入流体轴承116。因为流体轴承采用支承光纤的运动流体流，对光纤进行冷却，该冷却速率比光纤在室温下的非运动空气中冷却（如同在拉制炉紧邻外侧存在的那样）的速率快。光纤和流体轴承中流体（其较佳地是室温空气）之间的温差越大，流体轴承冷却光纤10的能力就越大。在另一实施例中，通过流体轴承116排出的流体可实际上被冷却以用甚至更快的速率冷却光纤。与流体垫区域相关联的流体可为光纤10提供足够的冷却，从而流体可直接输送至涂覆单元120且保护层可施加至光纤10的外表面以产生已涂覆的光纤121。在一个实施例中，流体轴承116的流体垫区域可包括相对于光纤10不反应的流体（例如，空气、氦气）。
图7示出了可用于生产这里所述的光纤的轴承组件216的一实施例。在如图7所示的实施例中，轴承组件216（有时称为“流体轴承”）包括第一板230、第二板232、内部构件236、以及第一板和第二板中的至少一个板中的至少一个开口234。第一板230和第二板232可由金属制成且包括弧形外表面238、239，并可定位在彼此的相对两侧上。第一板230和第二板232通过紧固件（例如螺栓240）连接以将两个板230、232联接在一起，使得流体可通过轴承组件216。每个板230、232的弧形外表面238、239大体沿着每个相应板230、232的周界定位。第一板230和第二板232各自具有相应的内表面242、244和外表面243、245，其中，两个板230、232的内表面242、244彼此对准。凹陷部分247至少部分地围绕第一板230或第二板232的内表面242、244延伸以为流体流提供腔室。在另一实施例中，凹陷部分可包括各种构造以提供进入光纤支承通道250的均匀流，如同这里随后所述。
在所示的实施例中，第一板230和第二板232的弧形外表面238、239较佳地基本对准，且在第一板230和第二板232的外表面238、239之间形成一区域。该区域构造成接纳光纤，使得光纤可沿着该区域行进而不转动轴承组件。在图8所示的实施例中更清楚地示出了该光纤支承通道250（这里随后描述）。至少一个开口234穿过第一板230和第二板232中的至少一个板。如图7所示，第一板230和第二板232的开口234允许流体（例如，空气、氦气或其它所需气体或液体）馈送通过轴承组件216，使得流体可在第一板230和第二板232之间形成的光纤支承通道250处离开轴承组件216。
此外，如图7的实施例所示，轴承组件216可包括定位在第一板230和第二板232之间的内部构件236。该内部构件236（例如衬垫237）构造成有助于将流体引导至第一板230和第二板232的外表面238、239之间的区域，使得流体离开具有预定流动方向的光纤支承通道250。内部构件236抵靠在第一板230和第二板232之间以在其间提供间隙。内部构件236引导流体，使得流体离开具有预定流动方向的光纤支承通道250。假如想要的话，内部构件236可包括多个指状件（未示出）以通过抑制非径向流进一步控制流体流。此外，内部构件236用作密封部以在第一板230和第二板232之间提供基本接触。内部构件还可包括槽口以有利于光纤进出。
如图8所示，形成在第一板230和第二板232的外表面238、239之间的流体支承通道250可在流体离开第一板230和第二板232之间之处呈锥形。然而，在另一实施例中，光纤支承通道250例如可包括平行的形状或倒置锥形的形状。此外，根据光纤10竖直定位之处，锥形光纤支承通道250内的开口260是可变的。较佳的是，开口260和光纤支承通道250构造成：对于采用的特定拉制张力和拉制速度以及通过开口260的流体流量，对于具有125微米的典型外直径的光纤，光纤保持在光纤支承通道250的小于500微米宽、更佳地小于400微米宽、甚至更佳地小于300微米宽、最佳地小于200微米宽的部段中。因此，光纤较佳地保持在通道250的一区域内，该区域是光纤直径的1－2倍，更佳地是光纤直径的1－1.75倍，最佳地是光纤直径的1－1.5倍。较佳的是，光纤位于所述通道的一区域内，使得外部光纤和每个壁之间的距离是光纤直径的0.05－0.5倍。
这里所述的流体轴承能使光纤沿流体垫区域行进，从而防止或基本防止光纤和轴承组件之间的实际机械接触，例如，光纤在光纤支承通道250内行进而不接触任一板230或232。此外，由于该区域的尺寸和构造，流体轴承能在不主动控制流体流的情况下将光纤保持在该区域内，而通过一定范围的拉制张力没有机械接触。参见图8，流体流对于防止光纤10移向光纤支承通道250并与光纤支承通道250的衬垫237或侧部接触可能是重要的。当光纤仍旧裸露使得光纤质量不受与轴承组件的机械接触损害时，这是尤其重要的。
影响光纤支承通道250内的光纤位置的其它因素包括拉制张力。例如，给定相同的流体流，用200g的张力拉伸的光纤将比用100g的张力拉伸的光纤在光纤支承通道250内浮得较低。这样，重要的是，对于所采用的特定光纤拉制速度和拉制张力，离开流体轴承的该区域的流体足以将光纤保持在所需位置。
流体轴承116的半径不是关键的。在一些实施例中，每个流体轴承构造成导致约8－16cm的光纤转弯半径。例如根据是否需要较大的冷却（在这种情况下，较大半径的流体轴承可能是较佳的）或光纤拉制过程的约束，可采用较大或较小半径的流体轴承，或可采用附加的流体轴承（如图1所示）。
在较佳实施例中，以一拉制速率拉制光纤，该拉制速率大于或等于15m/s、较佳地大于或等于25m/s，更佳地大于或等于35m/s，然后通过将光纤保持在处理区域中并同时使光纤在处理区域中经受一平均冷却速率来对光纤进行热处理，该平均冷却速率小于5,000°C/s，诸如500°C/s－5,000°C/s的平均冷却速率，包括500°C/s－2,500°C/s的平均冷却速率，还包括500°C/s－1,000°C/s的平均冷却速率。
在图6所示的实施例中，处理区域130的长度较佳地是约2m－10m，更佳地是约3m－8m，诸如约4m－6m。较佳的长度将取决于光纤10的拉制速度，拉制速度范围的示例是约5m/s至约45m/s，诸如约10m/s至约35m/s，包括约15m/s至约25m/s。在处理区域130下游流体轴承116（如图6所示）的存在能使处理区域130具有较长的长度。具有较长长度的处理炉350则能生产具有较低衰减的光纤。
在较佳实施例中，光纤10在处理区域130中的驻留时间是0.05秒至0.50秒，诸如0.10秒至0.35秒，还诸如0.15秒至0.25秒。
如同这里所述涉及使光纤经过处理区域的方法可包括如图4所示的有源加热组件，或如图5所示的无源加热组件，其中，有源或无源加热组件可单独使用，或与如图6所示的轴承组件组合使用。在这里所述的处理步骤之后，还可使用附加的处理步骤，诸如使用本领域已知方法的标准氘处理。
这里所述的实施例还通过下面的实例来阐明。
实例1
约430km的光纤制造成具有与图2所示的分布相对应的折射率分布。使用类似于如图4所示的光纤形成设备来制造光纤，其中，处理炉定位在拉制炉下游，处理炉的受热部分具有约1.5米的长度和约600°C的壁温度设定点。以约14m/s的拉制速率、约150克的拉制张力来拉制光纤。表5中列出了光纤的测得性能参数。如表5所示，测得的衰减值低于表2中列出的模拟（预测）值。
表5
Figure BDA00001677976600211
对本领域的技术人员来说很明显，可进行各种更改和改变而不背离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种波导光纤，包括：
芯部和覆层，所述芯部具有用%的单位表述的相对折射率分布Δ(r)，所述芯部包括具有起点ri和终点rf的阿尔法分布，其中，阿尔法(α)大于2.5且小于3.0，所述阿尔法分布具有最大相对折射率Δ1MAX和外半径R1；
所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处具有小于0.331dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.328dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.270dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.190dB/km的衰减。
2.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，0.30%<Δ1MAX<0.40%。
3.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处具有小于0.325dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.323dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.264dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.186dB/km的衰减。
4.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，2.6<阿尔法(α)<2.9。
5.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1550nm的波长处具有小于10dB的销阵列宏弯曲损耗。
6.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1550nm的波长处具有小于0.7dB的侧向负荷微弯曲损耗。
7.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处具有小于0.323dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.300dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.255dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.182dB/km的衰减。
8.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述阿尔法分布的起点ri是小于1μm的半径，所述阿尔法分布的终点rf是至少4μm的半径。
9.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，rf处的Δ(r)是至少0.2%。
10.如权利要求9所述的波导光纤，其特征在于，rf+0.5μm处的Δ(r)比rf处的Δ(r)小至少0.10%。
11.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤的光缆截止波长小于或等于1260nm。
12.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处的模场直径是约8.8－9.6μm，在1550nm的波长处的模场直径是约9.8－11.0μm。
13.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处的有效面积是约60－70μm2，在1550nm的波长处的有效面积是约75－90μm2。
14.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤的零色散波长λ0是1302－1322nm，所述光纤的零色散斜率小于或等于0.089ps/(nm2·km)。
15.如权利要求1所述的波导光纤，其特征在于，所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1550nm的波长处的色散小于18.0ps/(nm·km)。
16.一种用于生产光纤的方法，所述方法包括：
从受热的玻璃源拉制所述光纤，以及
通过将所述光纤保持在处理区域同时使所述光纤在所述处理区域经受一平均冷却速率来处理所述光纤，所述平均冷却速率定义为光纤进入表面温度减去光纤离开表面温度除以光纤在处理区域中的总驻留时间，所述平均冷却速率小于5,000℃/s，其中，所述光纤离开处理区域的表面温度是至少约1,000℃；其中，所述光纤具有芯部和覆层，所述芯部具有用%的单位表述的相对折射率分布Δ(r)，所述芯部包括具有起点ri和终点rf的阿尔法分布，其中，阿尔法(α)大于2.5且小于3.0，所述阿尔法分布具有最大相对折射率Δ1MAX和外半径R1，并且其中
所述芯部和所述覆层形成一光纤，所述光纤在1310nm的波长处具有小于0.323dB/km的衰减，在1383nm的波长处具有小于0.310dB/km的衰减，在1410nm的波长处具有小于0.260dB/km的衰减，在1550nm的波长处具有小于0.184dB/km的衰减。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述处理区域的长度是至少约5米。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，以大于或等于25m/s的拉制速度拉制所述光纤。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，从受热的玻璃源拉制所述光纤和在处理区域中处理所述光纤的步骤沿着第一路径发生，且所述方法还包括：
使裸光纤与流体轴承中的流体区域相接触，所述流体轴承包括通道，所述通道由至少两个侧壁限定，所述光纤被保持在所述通道的区域内，足以致使所述光纤基本由于所述通道内的所述光纤下方存在的压差而浮在所述通道内，所述压差通过在所述通道内的所述光纤下方供给的所述流体导致的、与在所述光纤上方存在的压力相比的较高压力来引起，以及
当所述裸光纤被拉过流体垫区域时，沿着第二路径将所述光纤改向。
20.一种用权利要求16所述的方法制成的光纤。
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