CN102906040A - 在减压下生产光纤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于生产光纤的光纤生产系统和方法。在炉子中由预制件拉制光纤，使光纤在减小的压力下通过处理装置，所述压力在0.01-0.8大气压的范围内。在光纤冷却到至少1600-1300℃的温度范围时，处理装置对裸光纤进行冷却。非接触光纤定心装置位于处理装置出口附近，在光纤离开处理装置时对其进行定心。

Description

在减压下生产光纤的方法

相关申请交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2010年5月27日提交的美国临时申请系列第61/348,906号的优先权。

技术领域

本发明一般涉及形成光纤的方法和设备，更具体地涉及用于形成和冷却光纤的光纤生产方法。

背景技术

生产光纤的常规制造工艺一般包括在拉制炉中由光纤预制件拉制光纤，冷却拉制的光纤，以及在光纤充分冷却后涂覆光纤。光纤通常在约2000℃的炉子中拉制，并且在多数情况下，热通常是通过辐射传递到预制件的，但保护气的强制流动和自然对流在炉子中产生的气体流动也会影响玻璃温度。对流传热的相对贡献在光纤形成区的下部比较明显，该区域位于光纤预制件根部及以下，此处的辐射热传递因光纤直径小而变得可忽略不计。

强制对流和自由对流在炉子中形成的气体流动通常产生对流涡胞（convection cell），这些涡胞在某些温度梯度和气体密度条件下会变得不稳定。这种不稳定的运动对成纤区的传热造成足够大的影响，光纤包层直径会发生显著的改变，这通常是不利的。为了抑制此效应，可用氦气作为炉子里的气体。氦气能减小对流涡胞的强度和横穿涡胞的温差。这通常能改善对光纤直径的控制，但缺点是要消耗昂贵的氦气。此外，炉中所用高温可能在纤芯产生缺陷，所述缺陷通常是密度波动，缺陷的数量根据热平衡分布（玻尔茨曼分布）。光纤结构中的缺陷通常代表能量更高的状态，因此缺陷的数量一般在更高的拉制温度下更大。光纤中的这种缺陷会给光纤带来信号损失。为了抑制这种增大的衰减，需要缓慢冷却光纤，特别是在1600℃和1300℃之间的温度下，使得在正在固化的玻璃逐渐增大的黏度将缺陷冻结在其中之前，缺陷有时间消除。在此温度范围内，辐射冷却可忽略不计，所以人们可以通过减小光纤与沉浸光纤的气体之间的温差来有效降低冷却速率。

发明内容

根据一个实施方式，本发明提供了一种生产光纤的方法。所述方法包括在炉子中由预制件拉制裸光纤的步骤。所述方法还包括处理光纤的步骤，该步骤是将光纤保持在处理装置中以冷却光纤，冷却速率慢于光纤在25℃和1大气压的空气中冷却时将产生的冷却速率。所述方法还包括减小所述炉子和处理装置当中至少一种装置内的压力的步骤，使得所述炉子和处理装置当中至少一种装置内的压力在0.01-0.80大气压的范围内。

根据另一个实施方式，本发明提供了一种生产光纤的方法，所述方法包括在炉子中从被加热的玻璃源拉制光纤的步骤。所述方法还包括减小炉子内的压力的步骤，使得炉子内的压力在0.01-0.80大气压的范围内。

根据另一个实施方式，本发明提供了一种生产光纤的方法。所述方法包括在炉子中从被加热的玻璃源拉制光纤的步骤。所述方法还包括处理光纤的步骤，所述步骤是将光纤保持在处理装置中以冷却光纤，冷却速率慢于光纤在25℃和1大气压的空气中冷却时将产生的冷却速率，其中光纤在高于500℃的温度下离开处理装置。所述方法还包括减小所述处理装置内的压力的步骤，使得所述处理装置内的压力在0.01-0.80大气压的范围内。

根据又一个实施方式，本发明提供了光纤生产系统。所述系统包含适于容纳和加热玻璃源的炉子，光纤自该玻璃源拉制。所述系统还包含处理装置，用于处理从被加热的玻璃源拉制的光纤。处理区冷却所述光纤的速率慢于光纤在25℃和1大气压的空气中冷却时将产生的冷却速率。所述系统还包含真空泵，用来将所述炉子和处理装置当中至少一种装置内的压力减小到0.01-0.80大气压范围内的压力。

其他特征和优点将在下文详细陈述，其中部分特征和优点对本领域的技术人员来说从该描述中容易理解，或者可通过实施本文所述（包括下文的详述、权利要求书以及附图）的实施方式而认识。

应当理解，前面的概述和下面的详述都仅仅是示例，意在提供理解权利要求书的性质和特点的概要或框架。所包括的附图用于提供进一步的理解，包含在本说明书中并构成其一部分。附图示出了一个或多个实施方式，与文字描述一起用于解释各种实施方式的原理和操作。

附图说明

图1是说明根据第一个实施方式的光纤生产系统的示意图；

图2是说明根据第二个实施方式的光纤生产系统的示意图；

图3是根据一个实施方式用于光纤生产系统处理装置中的采用多尺寸开口的密封件的横截面示意图；

图4是说明根据第三个实施方式采用多个孔的光纤生产系统的示意图；

图5是说明根据第四个实施方式采用冷却风扇的光纤生产系统的示意图；

图6是说明根据第五个实施方式采用加热区的光纤生产系统的示意图；

图7是说明根据第六个实施方式采用线性非接触定心装置的光纤生产系统的示意图；

图8是根据第一个实施方式用来对离开处理装置的光纤进行定心的图7所示线性非接触光纤定心装置的放大示意图；

图9是从图8中线IX-IX截取的光纤定心装置的放大横截面视图；

图10是图9所示光纤定心装置的放大剖视图，进一步呈现了空气相对于光纤的流动；

图11是根据第二个实施方式的线性非接触光纤定心装置的透视图；

图12是从图11中线XII-XII截取的线性非接触光纤定心装置的横截面视图；以及

图13是从图11中线XIII-XIII截取的光纤定心装置的横截面视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的优选实施方式，附图呈现了其实例。只要有可能，在整个附图中用相同的附图标记表示相同或类似的部分。

所述光纤生产系统和方法通过使用减压炉和处理装置生产光纤。本文结合附图1-12描述了光纤生产系统和方法的实施方式，在所有附图中，相同的附图标记表示相同或相应的要素。本文所用的词语“裸光纤”是指直接从被加热的玻璃源（也称作预制件）拉制的、尚未在其外表面施涂保护涂层（例如尚未在裸光纤上涂覆基于聚合物的材料）的光纤。所述光纤生产系统和方法可以利用本文所揭示的效率高、效果好的光纤冷却和光纤定心技术形成缺陷减少的光纤。

参见图1，该图总体上呈现了根据一个实施方式的光纤生产系统10。所述系统10包含可加热到约2000℃的炉子12。将玻璃光纤预制件14置于炉子12中，由加热的预制件14拉制光纤，形成裸光纤20。预制件14可由任何玻璃或材料制成，并且可进行适合制造光纤的掺杂。由预制件14拉制裸光纤20之后，立即在根据一个实施方式被描述为缓慢冷却管的图示处理装置18中冷却。如图所示，根据一个实施方式，缓慢冷却管或处理装置18与炉子12的出口连为一体。但应当理解，根据其他实施方式，处理装置18也可与炉子12隔开一段距离，或者以其他方式与炉子连接。

如本文所用，术语“处理装置”是指拉制炉12下游的装置，裸光纤20在该装置中冷却，其冷却速率比光纤在25℃和1大气压的空气中的冷却速率慢，并且该装置可包含如图所示和如本文所述的管子。处理装置18可与炉子12的输出端连接，使光纤20在例如约2100℃与1600℃之间的温度下进入处理装置18，并缓慢冷却光纤，其冷却速率比光纤在25℃和1大气压的空气中的冷却速率慢。光纤优选在高于500℃的温度下离开处理装置28。光纤优选在缓慢冷却处理装置中处理足够长的时间，从而与未在处理区处理的相同光纤相比使衰减降低。例如，对于纤芯中的氧化锗少于0.5重量%的光纤（对于纤芯不含氧化锗的光纤也是如此），优选至少在光纤温度处于1800℃与1200℃之间、更优选在光纤温度处于1700℃与1200℃之间、甚至更优选光纤温度处于1600℃与1300℃之间的时间内，在处理区中处理（缓慢冷却）光纤。对于纤芯中的氧化锗多于0.5重量%的光纤，优选在光纤温度处于1600℃与900℃之间、更优选在光纤温度处于1500℃与1000℃之间、甚至更优选在光纤温度处于1400℃与1000℃之间的时间内，在处理区中处理（缓慢冷却）光纤。然而，因为处理装置采用的压力低于大气压力，在处理装置中实现这些温度范围的同时，所添加的热量明显少于在处理装置的压力等于或高于大气压力（约1大气压）的情况下所要添加的热量。定心装置32的位置优选距离拉制炉底部1米以内，更优选0.5米以内，甚至更优选20厘米以内，最优选15厘米以内。光纤在处理装置18内的平均冷却速率定义为光纤进入处理装置的进入点处的光纤表面温度（光纤进入表面温度）减去光纤离开处理装置18的离开点处的光纤表面温度（光纤离开表面温度）再除以光纤在处理装置18中的总停留时间。在一个实施方式中，光纤在处理装置的处理区内的平均冷却速率小于5000℃/秒，其中离开处理装置18的光纤表面温度至少约为500℃，更优选至少约为800℃，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再除以光纤在处理装置的处理区内的总停留时间。

图中所示的缓慢冷却装置或处理装置18具有一个或多个与真空泵22连接的减压或真空端口25。真空泵22在处理装置18中产生减小的压力或者部分真空，并且在如图所示的实施方式中，还可在与之相连的炉子12内产生减小的压力或部分真空。在如图所示的实施方式中，图中显示单一真空泵22与单一真空端口25相连。但应当理解，可采用一个或多个真空端口和/或一个或多个真空泵，以便在处理装置18和/或炉子12的一个或多个室中实现所需的减小的压力。较佳的是，将处理装置18构造成在裸光纤20从炉子12到达出口28的过程中，在受控环境里冷却该裸光纤。

此外，图中显示了用于提供惰性气体的气体入口16，所述惰性气体在图中显示为G1，作为炉子12的输入气体。根据一个实施方式，惰性气体可包括氩气（Ar），用来减少到达炉子12的环境气体的量。根据另一个实施方式，惰性气体可包括氮气（N₂）。应当理解，可在炉子12和处理装置18的多个位置采用一个以上的气体入口。应当理解，较佳的是，炉子12和处理装置18中减小的压力减小其中的气体的密度，从而不需要昂贵的气体如氦气（He）。炉子12和处理装置18所提供的减小的压力可使氩气和/或氮气的密度减小到接近氦气的密度水平，而仍能使温度在拉制炉内均匀分布。

在图1所示的实施方式中，由预制件14拉制的裸光纤20从炉子12底部出来，经过处理装置18，从出口28出来，然后通过一个或多个流体轴承50。流体轴承50可使裸光纤20从基本上沿着第一或竖直路径移动转为沿着第二路径移动，并在处于大气压下的环境空气中进一步冷却裸光纤20。所述一个或多个流体轴承50可包括2007年11月26日提交的美国专利申请第11/986,764号（还曾提交临时申请，美国专利申请第60/861,587号）和2007年11月29日提交的美国专利申请第11/998,366号所披露的流体轴承，这些文献的内容通过参考结合于此。在环境空气中冷却后，接着将裸光纤20送入涂覆单元60，在此将一次保护涂层施涂于裸光纤20的外表面。具有保护层的光纤离开涂覆单元60之后，经历生产系统10中的多个处理阶段，如牵引机或辊62，到达光纤贮存卷轴64。在将光纤拉过整个系统并最终卷绕到贮存卷轴64上的过程中，可利用各辊62当中的一个辊在光纤上提供必要的张力。

光纤生产系统10在炉子12的输出口利用处理装置18以一种或多种所需的冷却速率冷却经过拉制的裸光纤20。处理装置18具有长管，所述长管在炉子出口的一端延伸，所述处理装置还在该管相反一端的出口28处具有小孔26，裸光纤20通过该小孔出来。管子18的长度可在1.0-10米的范围内，更优选在2-8米的范围内。在一些实施方式中，管子18的长度可大于3米、4米，在一些情况下大于5米。若处理装置18具有更长的长度，则可以更快的速度拉制光纤，同时仍能实现所需的停留时间，以达到减少衰减的目的。例如，在这种装置中，即使拉制光纤的速度大于20米/秒、25米/秒，在一些情况下大于30米/秒，仍然可以显著减少衰减。例如，在一个实施方式中，处理装置的长度约为6米。出口28下游的第一流体轴承50在紧靠孔26的地方起非接触光纤定心装置的作用，在裸光纤20通过孔26的过程中稳定其横向XY位置，从而消除裸光纤20碰触孔26的侧壁的可能性。根据一个实施方式，起定心装置作用的第一流体轴承50所处位置距离出口28不到2米（78.8英寸），更优选距离出口孔26不到30.5厘米（12英寸）。

通过真空泵22将炉子12和处理装置18内部抽气至减小的压力，所述减小的压力基本上低于一个大气压，优选在0.01-0.80大气压的范围内。在如图所示的实施方式中，真空泵22在位于管出口28上游的真空口25处抽气。真空泵22提供的减小的压力抑制了炉子12内部随时间变化的流动，因而不需要利用氦气来获得直径稳定的光纤，并且抑制了裸光纤20在管子18内的对流冷却，使管子18成为改善光纤衰减的缓慢冷却装置。通过密封炉子12的顶部，并在处理装置18的出口孔26中提供小的环形开口，可最大程度减少环境空气的进入，并避免由于环境空气，尤其是氧气进入炉子12而使炉子劣化。根据一个实施方式，出口孔26的尺寸可以是直径在1-2毫米的范围内，此尺寸适合直径约为125微米的裸光纤，或者出口孔的尺寸可约为裸光纤20的直径的10倍。通过使低水平的惰性气体（如氩气）流从炉子12的气体输入口16流至管子18内的抽气口25，可阻止残余空气经出口孔26进入并沿管子18上行至炉子12。

经孔26进入处理装置18的环境空气高速进入孔26，所述速度可能是超音速。高速空气会导致裸光纤20振动，从而在XY方向发生横向移动。过分的横向移动会导致光纤20接触孔26，这会降低光纤强度，并且可能中断拉制过程。通过采用非接触光纤定心装置50，在紧靠孔26的地方，光纤20可在横向或XY方向保持稳定。第一流体轴承定心装置50是用来给裸光纤定心的非接触装置，可防止裸光纤20与处理装置18的结构发生机械接触。我们所说的机械接触是指在拉制过程中与固体组件接触。

光纤生产系统10有利地改善了对光纤直径的控制，而且根据一个实施方式，通过将炉子12与缓慢冷却管18相连并降低二者的内部压力，能够显著减慢光纤的冷却速率。减小的压力减少了炉子12中传热的对流成分，并且提高了对流的稳定性。其效果是传热更稳定，这改善了对光纤直径的控制。处理装置18中较低的压力进一步降低了冷却速率，即通过减少冷却的对流成分实现所需的冷却速率。

炉子12和处理装置18中减小的压力可在0.01-0.80大气压（7.6-608.0托）的范围内，此压力最大程度减小了各传热速率。根据其他实施方式，减小的压力可在0.02-0.65大气压（15.2-494.0托）的范围内，更优选在0.05-0.5大气压（38.2-380.0托）的范围内。应当理解，减小的压力可使处理装置18内的冷却更慢，而在较高的压力下可能需要加热处理装置18，如加热外壁，以实现缓慢冷却。

为了最大程度减少裸光纤20中的光损耗，在1600℃与1300℃之间的温度下的冷却速率不应超过5000℃/秒，更优选不超过3000℃/秒，最优选不超过2000℃/秒，以便纤芯修复尽可能多的缺陷或密度波动。处理装置18，尤其是处理区内的冷却速率可包括多种冷却速率，如快冷区域的1500-4000℃/秒的冷却速率，以及慢冷区域的1600-1300℃/秒的冷却速率。根据一个实施方式，光纤20可在0.2秒或更短的时间内，以超过20米/秒的速度通过处理装置18，并以至少800℃/秒的温降冷却光纤。在大于20米/秒、更优选25米/秒、最优选大于30米/秒的速度下，长度约为6米或更长的处理装置18有利于实现约2000℃/秒的冷却速率。裸光纤20达到1300℃之后，宜更快地使其冷却，从而使裸光纤20可在低于1300℃、更优选低于1200℃、在一些实施方式中低于1100℃的温度下离开处理装置18。裸光纤20必须保持在处理装置18中进行受控冷却，并在高于500℃的温度下离开处理装置18，在一些实施方式中可在高于800℃的温度下离开处理装置18。管子18底部处在靠近定心装置50的位置，以确保裸光纤在出口孔28内充分定心。在一个实施方式中，出口孔28的长度至少两倍于孔的直径。

处理装置18，尤其是处理区内的冷却速率在1600-1300℃的窗口内是可控的，以最大程度减少损耗。在所述温度窗口的低端，更慢的冷却可进一步降低纤芯的假想温度，这可减少密度波动的数量并改善损耗。根据一个实施方式，处理装置18可被构造成在开始的时候使裸光纤20从1600℃缓慢冷却到1450℃，然后降低冷却速度，使其进一步从1450℃冷却到1300℃。下面提供在处理装置18中加快或减慢光纤冷却速度的方法的例子。

根据图2所示的一个实施方式，光纤生产系统10可采用多级减压或部分真空，如具有与真空泵22连接的第一真空端口25A和第二真空端口25B的两级真空。对于这种两级真空实施方式，可在出口28处有第一孔26，在出口28上方约1米处有第二孔24。第一孔26可具有第一尺寸的圆直径，如直径为1毫米；第二孔24可具有第二尺寸的圆直径，该圆直径大于第一孔直径，如1.5毫米，以便在孔24与26之间的底部区域产生约0.9-0.4大气压的减小的压力，在孔24上方的顶部区域产生0.4-0.2大气压的减小的压力。这在孔24上方的区域或室内产生第一冷却速率（速率1），在孔24下方的区域或室内产生第二冷却速率（速率2）。在此实例中，裸光纤20在压力更高的区域冷却得更快，因为度量传热效率的传热系数h依赖于雷诺数，并因此依赖于压力。例如，根据Kase和Matsuo发表的光纤在空气中的传热关系[J.Poly.Sci.A,3,2541—2554(1965)]，Nu=hD/κ=0.42Re^0.334，其中Nu是努塞尔数（无量纲传热系数），κ是环境空气的热导率，Re是V_fD/υ，其中V_f是光纤速度，D是光纤直径，υ是环境空气的动力黏度，υ=μ/ρ，其中μ是空气的动态黏度，ρ是密度。由于热导率和黏度几乎与压力无关，故h~P^0.334。因此，压力加倍可导致传热系数h增加约25%。此外，通过利用多个孔24和26，尤其是两个以上的孔（参见图3和4），可减小光纤振动，因为每个孔上的压降减小了。

通过增加更多的孔，可减小裸光纤20的总体振动。减小的振动使裸光纤20接触孔24和26的可能性降低，因此孔24、26和第一流体轴承定心装置50之间的距离可延长，处理装置18的长度可设计得更短。由于在环境空气中，在大气压力下或者在接近大气压力下的冷却速率明显比在低于大气压的压力下的冷却速率高，光纤温度可在光纤通过定心装置50的过程中显著降低。

此外，可在气体G1输入口16向炉子中输入具有低热导率κ的第一气体，使该气体通过处理装置18的上段，而在处理装置18的下段采用具有更高的热导率κ的第二气体，该气体在标记为G2的气体输入口30输入。例如，若在顶部将氩气（Ar）作为气体G1吹入，而通过第一真空端口25A将其抽出，产生真空1，则传热系数h可比底段高40%，即使在顶段和底段的压力相同的情况下也是如此。在多孔实施方式中，气体的组成可在各孔之间改变，例如在每段吹入氩气。

根据一个实施方式，在图2所示的实施方式中，相对于冷却速率更高的速率2冷却区，速率1冷却区可以是慢冷却速率。但应当理解，根据其他实施方式，速率1和速率2冷却区可以相同，或者速率2区可比速率1冷却区具有更慢的冷却速率。还应理解，根据其他实施方式，可采用两个以上的孔和/或两个以上的真空端口，以便在处理装置18中产生两个以上的冷却速率。

随着裸光纤20移动通过处理装置18，光纤20上形成一个气体边界层。所述边界层在每个孔处至少部分剥离，从而减小它转变为湍流的可能性，因此进一步提高了光纤的稳定性。与更厚的边界层相比，通过更薄的边界层的传热也更快。不过，压力越低，边界层也生长得越快。孔之间每个室内的压力可逐一控制，例如通过改变通入每个室的孔的尺寸（孔可以是可调节隔膜如膜片），或者通过改变经可调阀从每个室抽出的气体的流速。这样，可在最大程度减小光纤振动的同时优化传热速率。

根据另一个实施方式，出口28可采用多个孔密封件28′，例如图3所示的密封件，该密封件包括四个圆孔130A-130D，这些孔基本上居中或者彼此间共中心，并且相对于光纤20的预期轨迹居中。在图示实施方式中，这四个孔具有尺寸不同的开口。相邻孔之间的室内空间可连接到真空泵上，产生多个压力梯级。根据一个实例，孔130A的直径约为2.5-5.0毫米，孔130B的直径约为2.0-4.0毫米，孔130C的直径约为1.5-3.0毫米，孔130D的直径约为1.0-2.5毫米。通过为孔130A-130D提供不同大小的直径，当光纤20离开出口28′时，每个孔处的边界层可被剥离，从而消除湍流，在光纤离开出口28时提供改善的光纤稳定性。根据一个实施方式，相邻孔之间的距离可在0.5-4.0英寸的范围内。

参考图4，根据第三个实施方式，图中所示的光纤生产系统10在处理装置18中采用三个孔。在此实施方式中，出口28采用第一孔26。第二孔24位于第一孔26的上方或上游，第三孔23进一步位于第二孔24的上方或上游。与真空泵22相连的真空端口25位于第二孔24与第三孔23之间。在此实施方式中，图中所示炉压为压力P_F，而第二孔24与第三孔23之间的减小的压力为压力P₁，第一孔26与第二孔24之间的减小的压力为第三压力P₂。在一个实施方式中，中间区域的压力P₁小于炉压P_F，而底部区域的压力P₂大于第一压力P₁。因此，可在处理装置18的三个独立区域或室内提供三种独立的减小的压力，以实现不同的冷却速率。应当理解，孔23、24和26当中一个或多个孔的尺寸可以相同，或者可以不同，以实现所需的压力。通过选择每个区域或室内的合适压力，可实现裸光纤20的受控冷却。

参考图5，该图显示了根据第四个实施方式的光纤生产系统10，该系统采用一个或多个与光纤20之间形成传热关系的风扇80，以进一步冷却处理装置18内的光纤20。图中所示的一个或多个风扇80使室82内的对流冷却气体循环，进一步冷却处理装置18内的裸光纤20。室82可包括装有气体如惰性气体的封闭回路室，所述气体与裸光纤20直接发生流体对流接触。风扇80进一步提高了室82内的对流冷却速率，所述冷却速率可根据风扇速度控制，从而调节和实现所需的冷却速率。另外，应当理解，可采用一个或多个与裸光纤20之间形成间接传热关系的风扇，以进一步实现处理装置18所需的冷却，达到所需的冷却速率。冷却风扇80可如图所示用在处理装置18底段的快速冷却区，以提供加快传热的交叉流动，或者可用在其他位置。

参考图6，该图显示了根据第五个实施方式的光纤生产系统10，该系统采用一个或多个电加热器90，提供与处理装置18之间存在传热关系的加热区。根据一个实施方式，一个或多个加热器90可包括安装在处理装置18外部的电加热线圈，以提供200-600℃之间的升高的温度。根据另一个具体实施方式，加热区的温度可约为300℃。加热器90对处理装置18的冷却速率提供了附加控制。

通过将缓慢冷却区部分加热到比过去低的程度，可在减小的压力下实现更慢的冷却速率。例如，壁温为300℃时，在0.2大气压的空气中的冷却速率可等于1.0大气压下的900℃处理装置18中的冷却速率。结果，在采用加热处理装置18的一些实施方式中，将处理装置加热到约200-600℃之间的温度，而压力维持在约0.02-0.50大气压（15.2-380.0托），更优选在0.05-0.3大气压（38.2-228托）的范围内。与此同时，由于不会对快速冷却区的壁进行加热，快速冷却区的传热可加快。为了优化缓慢冷却区的冷却速率，可调节温度分布，使速率在1300-1450℃的临界区间最慢。还应理解，可将多个实施方式组合起来一起利用，如多个孔、不同的气体、在下段的一个或多个风扇、在顶段的加热区以及其他的改良形式，以进一步将缓慢冷却区和快速冷却区的传热速率分开，实现所需的最佳光纤冷却。

其他实施方式可包括优化真空端口25的位置，使气体在缓慢冷却区内与光纤沿相同方向行进，而在快速冷却区内沿着与光纤相反的方向行进。根据一个实施方式，若气体速度是光纤速度的一半，则传热系数h在缓慢冷却区可大致减小20%，而在快速冷却区可增大相同幅度。在一个实施方式中，真空端口25最好以环形排气方式安装，以防空气射流偏离轴向路径。

参考图7，该图显示了根据第六个实施方式的光纤生产系统10，该系统采用线性非接触定心装置32。线性非接触定心装置32的位置紧靠出口28，从而对离开孔26的裸光纤20进行定心，防止裸光纤20与出口孔26发生机械接触。定心装置32是线性定心装置，使光纤20在沿直线通过的时候保持在中心位置。如本文所用，术语“线性”是指基本上呈直线。定心装置32的位置可在与出口孔26相距1米的范围内，优选在与出口孔26相距0.5米的范围内，更优选在20厘米的范围内，最优选在15厘米的范围内。在一个实施方式中，定心装置32的光纤进入侧（元件32A的顶部）位于与出口孔26相距2.54厘米（1.0英寸）至15厘米的范围内。

图8-10更详细地呈现了根据第一个实施方式的定心装置32。图8所示的定心装置32具有在一侧对裸光纤20进行定心的第一线性定心装置32A和在相反一侧对裸光纤20进行定心的第二线性定心装置32B。如图9所示，第一定心装置32A和第二定心装置32B各自具有通向楔形开口44的高压流体（空气）通道38。根据一个实施方式，楔形通道44具有互成夹角的相对侧壁，使得壁与壁的全角θ在10-60°的范围内，相当于图9中相对于水平线的半角为5-30°。根据另一个实施方式，所述楔形件具有倾斜侧壁，使得壁与壁之间的全角θ在1-60°的范围内，更优选在10-60°之间，还优选在40-60°之间。根据又一个实施方式，全角θ在1-10°的范围内。从流体输送通道38出来并通过楔形通道44的高压流体使裸光纤20悬浮在楔形开口44中。这样，从图10可以看出，通过空气喷嘴提供并流经输送通道38的气体如空气45在裸光纤20两侧流动，形成流体轴承，使裸光纤20以一定方式悬浮，防止其接触定心装置32的任何结构。将流体（一般是气体，典型的是干燥空气）强制通入楔形通道44的区域，使处于牵拉张力下的裸光纤保持在该区域内，并因该通道内光纤20下方存在压差而基本上浮在通道44内。结果，裸光纤20自定位于楔形通道44的中心。

从图9可以看出，独立的定心元件32A和32B各自可由第一侧构件34和第二侧构件36组成。空气输送通道38可在构件34与36的界面处形成狭缝。第一侧构件34具有倾斜壁40，第二侧构件36具有倾斜壁42，它们一起形成始自空气通道38的楔形通道44。空气输送通道38的狭缝和楔形通道44的深度或长度限定了施加于光纤20的空气垫的有效长度L_C。应当理解，虽然图9呈现了定心元件32B，但定心元件32A可用相同的方法形成，不过如图8所示，其取向与元件32B相差180°。

第一定心元件32A和第二定心元件32B各自提供线性或伸直区段，用来对位于体积扩大的通道44中的裸光纤20进行定心，其中高速空气从楔形通道44顶点处的输送通道38的出口流向周围环境。施加于光纤20的空气速度可在25-500米/秒的范围内。通过元件32A和32B各自定心的光纤元件的长度L_C可在数毫米至数厘米之间，如在0.5-100厘米的范围内。定心元件32A和32B在壁到壁的方向上产生强定心作用力，但在另一方向上仅产生提升力，从而将裸光纤20拉离空气输送通道38的出口。通过如图所示组合两对或更多对线性定心元件32A和32B，可使裸光纤20定位于相反横向方向的中心，很少有或没有光纤张力变化的影响。若需要增大定心作用力，可依次采用一对以上的线性定心元件32A和32B，后面每对定心元件相对于前一对定心元件绕裸光纤20旋转0-180°之间的任何角度，以使定心效应对方向的依赖性更小。

如图10所示，楔形通道44内的裸光纤20浮在高压强制空气45上，所述高压强制空气以一定方式在光纤20与楔形侧壁40、42之间通过，防止光纤20与壁40、42之间接触。在高压空气45离开通道38并经楔形通道44通向外面的过程中，其压力减小，因此，尽管在生产过程中牵拉张力可能发生变化，但压降使光纤20移动非常少。

图11-13显示了根据第二个实施方式的线性非接触光纤定心装置132。定心装置132可作为图7所示的定心装置32的替代装置，用来对离开处理装置18的裸光纤20进行定心。在此实施方式中，用定心管元件136使定心作用力对角度的依赖性非常低。管子136具有侧壁，所述侧壁限定了圆筒形开口以及第一和第二相对端部，用于接收和送出裸光纤20。此外，定心装置132包括多个沿径向位于管子136的侧壁周边的流体注射端口134，所述端口适合与空气喷嘴流体连通，用来将高压流体如空气沿径向向内导向裸光纤20，从而使光纤基本上保持在管子136内的中心位置，防止光纤与管子136的侧壁发生机械接触。在流体注射端口134注入的空气流在裸光纤20与管子136的内壁之间流动，并从相对的两端流出。

在如图所示的实施方式中，具有空气喷嘴（未示出）的流体注射端口134包括至少八个等角度分开的流体注射端口134。在此实施方式中，裸光纤20可位于圆形直管136内，管直径为光纤直径D_F的1-20倍。根据一个实施方式，管子136可具有圆形横截面，其内径小于1毫米，该管子对外径约为125微米的裸光纤20具有良好的效果。在一个实施方式中，管子136的内径D_T与光纤20的外径D_F之比小于20:1，更优选小于10:1。在管子136内，沿其轴向可有多个狭孔或端口134，使一系列空气射流进入光纤与管壁136之间的空隙。光纤20的位移可改变管子136内的空气流，所述改变产生具有压力分量和摩擦力分量的定心作用力，从而使裸光纤20定位于管子136的中心。根据一个实施方式，管子136可具有例如小于50厘米、更优选小于25厘米的长度L_T。流体注射端口134可具有长度L_P，该长度小于管长度L_T的90%。

应当理解，根据一个实施方式，线性非接触光学定心装置32和132有利地对离开处理装置18的出口28的裸光纤20进行定心，从而防止裸光纤20与出口发生机械接触。应当理解，线性非接触光学定心装置32或132可在光纤生产系统中的其他位置用来对裸光纤20进行定心。此外，应当理解，当裸光纤20在处理装置18中进行受控冷却之后，在它通过定心装置32时，用来对裸光纤20进行定心的强制空气可提高光纤的冷却速率。在定心装置下游，光纤可通过一个或多个流体轴承，并且可通过涂覆单元进行涂覆，然后卷绕到牵拉机构和卷轴上。

本文所述的方法可用来制备单模或多模光纤，用于通信应用，特别是不需要在光纤上施涂气密性涂层的应用。采用这些方法时，可不必使用氦气冷却装置。在上述任何实施方式中，定心装置所处位置优选与处理装置的出口孔相距1米以内，更优选在.5米以内，甚至更优选在20厘米以内，最优选在15厘米以内。对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离权利要求书的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。

Claims (20)

1.一种生产光纤的方法，所述方法包括以下步骤：

在炉子中由被加热的玻璃源拉制光纤；

对所述光纤进行处理，即将所述光纤保持在处理装置中，以一定的速率冷却所述光纤，所述速率比所述光纤在25℃和1大气压的空气中冷却的速率慢；以及

减小所述炉子和所述处理装置当中至少一个装置内的压力，使得所述炉子和所述处理装置当中至少一个装置内的压力在0.01-0.80大气压的范围内。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力在0.02-0.650大气压的范围内。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力在0.05-0.50大气压的范围内。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤在高于500℃的温度下离开所述处理装置。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炉子和所述处理装置的压力均在0.01-0.80大气压的范围内。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述炉子和所述处理装置当中至少一个装置内加入惰性气体的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述炉子中基本上没有氦气。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减压步骤包括在所述处理装置的多个阶段减压，使得每个阶段具有不同的减小的压力，以提供不同的冷却速率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个冷却阶段通过在相邻阶段之间采用孔来实现，使所述光纤从所述孔中通过。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理装置包含在与炉子相反的一端形成的密封件，所述密封件中具有开口，光纤通过所述开口离开所述处理装置，所述方法还包括通过用非接触定心装置对所述光纤进行定心，对光纤离开所述处理装置的密封件时的位置进行控制的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述密封件包含多个具有不同开口尺寸的开口，其中所述光纤经所述多个开口离开。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤在0.2秒或更短的时间内，以超过20米/秒的速度通过所述处理装置，并冷却所述光纤，使温度降低至少800℃。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述处理装置中用风扇冷却所述光纤的步骤。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述处理装置的一部分加热到200-600℃范围内的温度的步骤。

15.一种生产光纤的方法，所述方法包括以下步骤：

在炉子中由被加热的玻璃源拉制光纤；以及

减小所述炉子中的压力，使得炉子中的压力在0.05-0.80大气压的范围内。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述炉子中基本上没有氦气。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过将所述光纤保持在处理装置中以冷却所述光纤来对所述光纤进行处理的步骤，其中所述光纤在高于500℃的温度下离开所述处理装置。

18.一种生产光纤的方法，所述方法包括以下步骤：

在炉子中由被加热的玻璃源拉制光纤；

对所述光纤进行处理，即将所述光纤保持在处理装置中，以一定的速率冷却所述光纤，所述速率比所述光纤在25℃和1大气压的空气中冷却的速率慢，其中所述光纤在高于500℃的温度下离开所述处理装置；以及

减小所述处理装置中的压力，使得所述处理装置中的压力在0.05-0.80大气压的范围内。

19.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

在接近大气压力的环境空气中冷却所述光纤；以及

在所述于环境空气中冷却的步骤之后涂覆所述光纤。

20.一种光纤生产系统，它包含：

适合容纳和加热用来拉制光纤的玻璃源的炉子；

用来对由被加热的玻璃源拉制出来的光纤进行处理的处理装置，其中所述处理使所述光纤冷却，冷却速率比所述光纤在25℃和1大气压的空气中冷却的速率慢；以及

用来将所述炉子和所述处理装置当中至少一个装置内的压力减小到0.05-0.80大气压范围内的真空泵。

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