CN105593178A - 制造具有降低的氢敏感度的光纤的方法 - Google Patents

制造具有降低的氢敏感度的光纤的方法 Download PDF

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Abstract

制造光纤的方法包括进行受控冷却，以产生具有低浓度非桥接氧缺陷以及对于氢低敏感度的光纤。该方法可以包括在高于其软化点对光纤预成形件进行加热，从经加热的预成形件拉制光纤，并将光纤通过两个处理阶段。光纤可以在1500-1700℃的温度进入第一处理阶段，可以在1200-1400℃的温度离开第一处理阶段，并且在第一处理阶段中可以经受小于5000℃/s的平均冷却速率。光纤可以在1200-1400℃的温度进入第一处理阶段下游的第二处理阶段，可以在1000-1150℃的温度离开第二处理阶段，并且在第二处理阶段中可以经受5000-12000℃/s的冷却速率。该方法还可包括用液体轴承装置或者空气转向装置对光纤进行方向改变。

Description

制造具有降低的氢敏感度的光纤的方法
本申请根据35U.S.C.§119，要求2013年8月8日提交的美国临时申请系列第61/863560号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本发明属于制造光纤的方法。更具体地，本发明涉及提供光纤的加工方法，所述光纤对于氢展现出降低的敏感度。更具体地，本发明涉及制造光纤的方法，其采用受控冷却方案使得形成非桥接氧缺陷最小化。
发明背景
在光纤的制造中，将光学预成形件加热至远高于玻璃软化点的温度，然后以大的下拉比例进行拉制，以形成直径为125um的光纤。由于高拉制温度、大下拉比例和快拉制速度，会破坏光纤的玻璃基质中的二氧化硅键合并且会诱发缺陷。部分此类缺陷是如非桥接氧(NBO)缺陷之类的氧化缺陷，其甚至可以在室温下与氢反应形成氢氧根物质。在光纤中形成氢氧根物质是不合乎希望的，因为氢氧根物质在电信窗口的波长处发生吸收，并导致光纤信号在电信窗口中的传输损耗增加。因此，开发用于电信系统中的具有降低的氢敏感性的光纤是至关重要的。
发明内容
本发明提供了制造光纤的方法。光纤具有低浓度的非桥接氧缺陷以及对于氢的低敏感度。该方法包括受控的冷却方案，其抑制了非桥接氧缺陷的形成或者促进了非桥接氧缺陷的去除。
该方法可以包括：以小于5000℃/s的平均冷却速率对光纤进行冷却，其中，该冷却将光纤的平均温度从1500-1700℃的温度范围降低至1200-1400℃的温度范围。
该方法可以包括：以大于5000℃/s且小于12000℃/s的平均速率对光纤进行冷却，其中，该冷却将平均光纤温度从1200-1400℃的温度范围降低至1000-1175℃的温度范围。
该方法可以包括在高于其软化点对光纤预成形件进行加热，从经加热的预成形件拉制光纤，并将光纤通过两个处理阶段。光纤可以在1500-1700℃的温度进入第一处理阶段，可以在1200-1400℃的温度离开第一处理阶段，并且在第一处理阶段中可以经受小于5000℃/s的平均冷却速率。光纤可以在1200-1400℃的温度进入第一处理阶段下游的第二处理阶段，可以在1000-1150℃的温度离开第二处理阶段，并且在第二处理阶段中可以经受5000-12000℃/s的平均冷却速率。
该方法还可包括用液体轴承装置或者空气转向装置对光纤进行方向改变。方向改变可以包括将光纤的方向从基本垂直方向改变为基本水平方向。可以在光纤离开第二处理阶段之后或者在光纤的表面温度冷却至小于1000℃之后，进行方向改变。
本发明包括：
对光纤进行加工的方法，其包括：
提供光纤，所述光纤具有平均温度；以及
以第一速率对所述光纤进行冷却，所述第一速率大于5000℃/s且小于12000℃/s，所述冷却以所述第一速率将所述光纤的所述平均温度从第一温度降低至第二温度，所述第一温度为1200-1400℃，以及所述第二温度为1000-1175℃。
本发明包括：
在光纤制造过程中对光纤进行冷却的方法，其包括如下步骤：沿着第一路径从经加热的玻璃源拉制光纤，将光纤的方向改变为第二路径，其中，第二路径与第一路径不是共线的，以及
以第一速率对所述光纤进行冷却，所述第一速率大于5000℃/s且小于12000℃/s，所述冷却以所述第一速率将所述光纤的所述平均温度从第一温度降低至第二温度，所述第一温度为1200-1400℃，以及所述第二温度为1000-1175℃。
本发明包括：
对光纤进行加工的方法，其包括：
提供具有纤芯的光纤，所述光纤的平均温度大于或等于1700℃；
以第一冷却速率对所述光纤进行冷却，所述第一平均冷却速率小于5000℃/s，所述冷却以所述第一冷却速率将所述平均光纤温度从第一温度降低至第二温度，所述第一温度为1500-1700℃，以及所述第二温度为1200-1400℃；以及
以第二冷却速率对所述光纤进行冷却，所述第二平均冷却速率大于5000℃/s且小于12000℃/s，所述冷却以所述第二冷却速率将所述光纤的所述平均温度从第三温度降低至第四温度，所述第三温度为1200-1400℃，以及所述第四温度为1000-1175℃。
本发明包括：
一种设备，其包括：
经加热的玻璃源，所述经加热的玻璃源包括光纤预成形件和拉制炉；
光纤，所述光纤是由所述光纤预成形件形成的，所述光纤具有平均温度；
第一处理区域，所述第一处理区域位于所述经加热的玻璃源的下游，所述第一处理区域配置成沿着第一路径将所述光纤的平均温度从1500-1700℃的温度范围冷却至1200-1400℃的温度范围，所述第一处理区域内的所述冷却的平均速率小于5000℃/s；以及
第二处理区域，所述第二处理区域位于所述第一处理区域的下游；所述第二处理区域配置成沿着第二路径将所述光纤的平均温度从1200-1400℃的温度范围冷却至1000-1175℃的温度范围，所述第二处理区域内的所述冷却的平均速率大于5000℃/s且小于12000℃/s。
本发明还包括：
具有纤芯的光纤，所述纤芯的非桥接氧浓度小于6x1013cm-3。
本发明包括：
对光纤进行加工的方法，其包括：
沿着第一路径提供光纤；
沿着所述第一路径在第一处理区域内冷却所述光纤，所述光纤以第一平均温度进入所述第一处理区域并且以第二平均温度离开所述第一处理区域，所述第二平均温度为1000-1500℃；
沿着所述第一路径在第二处理区域内冷却所述光纤，所述光纤以第三平均温度进入所述第二处理区域并且以第四平均温度离开所述第二处理区域，所述第四平均温度为800-1200℃；以及
将所述光纤的方向从所述第一路径改变至第二路径，所述第二路径与所述第一路径不是共线的。
本发明包括：
一种设备，其包括：
经加热的玻璃源，所述经加热的玻璃源包括光纤预成形件和拉制炉；
光纤，所述光纤是由所述光纤预成形件形成的，所述光纤的平均温度大于1400℃；
第一处理区域，所述第一处理区域位于所述经加热的玻璃源的下游，所述第一处理区域配置成沿着第一路径将所述光纤的平均温度冷却至1200-1400℃的温度范围；
第二处理区域，所述第二处理区域位于所述第一处理区域的下游，所述第二处理区域配置成沿着所述第一路径将所述光纤的平均温度冷却至1000-1175℃的温度范围；以及
改变方向装置，所述改变方向装置位于所述第二处理区域的下游，所述改变方向装置配置成将所述光纤的方向从所述第一路径改变为第二路径，所述第二路径与所述第一路径不是共线的。
本发明包括：
对光纤进行加工的方法，其包括：
沿着第一路径提供光纤；
沿着所述第一路径在第一处理区域内冷却所述光纤，所述光纤以第一平均温度进入所述第一处理区域并且以第二平均温度离开所述第一处理区域，所述第一平均温度为1200-1400℃，以及所述第二平均温度为1000-1075℃；以及
将所述光纤的方向从所述第一路径改变至第二路径，所述第二路径与所述第一路径不是共线的。
本发明还包括设备，所述设备具有经加热的玻璃源，所述经加热的玻璃源下游的第一处理区域，以及所述第一处理区域下游的第二处理区域。处理区域可以包括具有加热区的炉，其设定的温度提供了本文所揭示的受控冷却速率。
处理区域可以包括在气体环境中冷却光纤。第一处理区域的气体环境可以包括如下气体或者基本由如下气体构成，该气体在第一处理区域的可操作温度范围的平均热导率小于空气在第一处理区域的可操作温度范围的平均热导率。第二处理区域的气体环境可以包括如下气体或者基本由如下气体构成，该气体在第二处理区域的可操作温度范围的平均热导率小于空气在第二处理区域的可操作温度范围的平均热导率。在第一处理区域的冷却过程中，围绕光纤的气体温度可以是800-1200℃。在第二处理区域的冷却过程中，围绕光纤的气体温度可以是0-300℃。
在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。
应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图是对本发明所选择方面的示意，并且与说明书一起用来对属于本发明的方法、产品和组合物的原理与操作进行解释。
附图说明
图1显示具有玻璃加热源和两个空间上分开的处理阶段的光纤生产系统。
图2显示具有玻璃加热源和两个相邻的处理阶段的光纤生产系统。
图3显示具有玻璃加热源、两个处理阶段、数个光纤方向改变装置、涂覆设备和拉制机制的光纤生产系统。
图4显示两条光纤冷却曲线。
具体实施方式
本发明提供了制造光纤的方法。该方法生产的光纤展现出对于氢敏感度的降低。本文所揭示的光纤具有较少缺陷，从而降低了当光纤暴露于氢时，通过光纤的电信窗口中的光学信号的衰减。在电信窗口中吸收波长的一类物质是氢氧根基团。非桥接氧缺陷是在光纤中形成氢氧根基团的潜在前体。非桥接氧缺陷是自由氧键(danglingoxygenbond)，其可能是从二氧化硅中的桥接氧键形成的。非桥接氧缺陷的形成可以如下示意性所示：
≡Si-O-Si≡→≡Si-O·+·Si≡(I)
其中，“≡”表示硅的3个配位点(通常被氧占据)，“·”表示自由基，·Si≡是自由硅键(通常称作E’缺陷)，以及≡Si-O·是非桥接氧缺陷(自由氧键)。在反应过程中存在氢的情况下，即使是在室温下，也能由非桥接氧缺陷形成氢氧根基团。
≡Si-O·+1/2H2→≡Si-OH(II)
常规光纤制造工艺中的大下拉比例和快速拉制速度可能引入应变，其促进了二氧化硅基质中的Si-O键的断裂，通过反应(I)形成非桥接氧缺陷。不希望受到理论的限制，相信应变诱发的桥接Si-O键的断裂在与初始拉制相关的高温下是特别成问题的。本发明的作者还相信，通过对光纤在初始拉制之后经受的热环境的适当控制，应变诱发的桥接Si-O键的断裂可以是可逆或者部分可逆的。本发明提供了光纤的制造方法，其包括受控冷却方案来生产光纤，所述光纤具有较少的非桥接氧缺陷和对应的暴露于氢之后形成氢氧根基团趋势的下降。因而本发明的光纤提供了电信窗口中较高的传输效率。
本发明方法可以包括从经加热的玻璃源拉制光纤，使得光纤经受受控冷却方案直至光纤达到淬火温度，以及对光纤进行淬火从而冷却至低于淬火温度。经加热的玻璃源可以是在拉制炉中经过加热的光纤预成形件。受控冷却方案包括在位于经加热的玻璃源下游的两个处理区域中，以不同速率进行冷却。每个处理区域中的冷却速率分别小于淬火速率，其中，淬火速率在本文中定义为对应至少12000℃/s的冷却速率。淬火速率近似对应于在室温空气中，通过自然对流对平均光纤温度约为1000℃的光纤进行冷却的速率。
在本发明的方法中，光纤可以以1500-1700℃的平均温度范围进入第一处理区域，并且可以以1000-1500℃或者1200-1400℃的平均光纤温度范围离开第一处理区域。光纤在第一处理区域中的停留时间可以至少为0.05秒，或者至少0.10秒，或者至少0.20秒，或者0.05-0.30秒。本文所用的冷却速率指的是平均冷却速率，其定义为进入和离开处理区域的光纤的平均温度之差除以光纤在处理区域中的停留时间。第一处理区域中的平均冷却速率可以小于5000℃/s、或者小于4000℃/s、或者小于3000℃/s、或者小于2000℃/s、或者1000-4000℃/s、或者2000-3000℃/s。
在离开第一处理区域之后，光纤可以进入第二处理区域。进入第二处理区域的光纤的平均温度可以是1200-1400℃，以及光纤离开第二处理区域的平均温度可以小于1175℃、或者小于1150℃、或者小于1125℃、或者小于1100℃、或者小于1075℃、或者小于1050℃、或者小于1025℃、或者是1000-1175℃、或者是1000-1150℃、或者是1000-1125℃、或者是1000-1100℃、或者是1000-1075℃、或者是800-1200℃、或者是900-1200℃。光纤在第二处理区域中的平均冷却速率可以大于5000℃/s且小于12000℃/s，或者大于5500℃/s且小于12000℃/s，或者大于6000℃/s且小于12000℃/s，或者大于6500℃/s且小于12000℃/s，或者大于7000℃/s且小于12000℃/s，或者大于7500℃/s且小于12000℃/s，或者大于8000℃/s且小于12000℃/s，或者大于8500℃/s且小于12000℃/s，或者大于9000℃/s且小于12000℃/s，或者大于9500℃/s且小于12000℃/s。光纤在第二处理区域中的平均冷却速率可以大于5000℃/s且小于11000℃/s，或者大于5500℃/s且小于11000℃/s，或者大于6000℃/s且小于11000℃/s，或者大于6500℃/s且小于11000℃/s，或者大于7000℃/s且小于11000℃/s，或者大于7500℃/s且小于11000℃/s，或者大于8000℃/s且小于11000℃/s，或者大于8500℃/s且小于11000℃/s，或者大于9000℃/s且小于11000℃/s，或者大于9500℃/s且小于11000℃/s。光纤在第二处理区域中的平均冷却速率可以大于5000℃/s且小于10000℃/s，或者大于5500℃/s且小于10000℃/s，或者大于6000℃/s且小于10000℃/s，或者大于6500℃/s且小于10000℃/s，或者大于7000℃/s且小于10000℃/s，或者大于7500℃/s且小于10000℃/s，或者大于8000℃/s且小于10000℃/s，或者大于8500℃/s且小于10000℃/s，或者大于9000℃/s且小于10000℃/s，或者大于9500℃/s且小于10000℃/s。
在离开第二处理区域之后，光纤还可以以不同于第一处理区域中的平均冷却速率的冷却速率进行进一步冷却，包括大于5000℃/s的速率、或者大于6000℃/s的速率、或者大于8000℃/s的速率，或者以大于或等于12000℃/s的速率进行淬火。在离开第二处理区域之后对光纤进行冷却可以将光纤的温度从光纤离开第二处理区域时的温度降低至低于1000℃的温度、或者低于800℃的温度、或者低于600℃的温度、或者低于400℃的温度、或者低于200℃的温度、或者室温。
处理区域可以包括在气体环境中冷却光纤。第一处理区域的气体环境可以包括如下气体或者可以基本由如下气体构成，该气体在第一处理区域的可操作温度范围的平均热导率小于空气在第一处理区域的可操作温度范围的平均热导率。第二处理区域的气体环境可以包括如下气体或者可以基本由如下气体构成，该气体在第二处理区域的可操作温度范围的平均热导率小于空气在第二处理区域的可操作温度范围的平均热导率。在第一处理区域的冷却过程中，围绕光纤的气体温度可以是800-1200℃。在第二处理区域的冷却过程中，围绕光纤的气体温度可以是0-300℃。
通过本发明方法制备的光纤具有纤芯，并且在室温下，纤芯中的非桥接氧缺陷浓度可以小于6.0x1013cm-3、或者小于5.5x1013cm-3、或者小于5.0x1013cm-3、或者小于4.5x1013cm-3、或者小于4.2x1013cm-3、或者小于4.0x1013cm-3、或者小于3.8x1013cm-3、或者小于3.6x1013cm-3、或者小于3.4x1013cm-3、或者小于3.2x1013cm-3。
用于进行本发明方法的系统如图1和2示意性所示。生产系统104包括具有炉112和光纤预成形件110的玻璃加热源。在炉112中，将预成形件110加热至高于其软化点的温度并拉制形成光纤105，其以光纤进入温度被导向到第一处理区域111，如上文所述，并以上文所述的速率冷却，从而生产离开第一处理区域111的具有离开温度的光纤107，如上文所述。光纤107以光纤进入温度进入第二处理区域113，如上文所述，并以上文所述的速率冷却，从而生产离开第二处理区域113的具有离开温度的光纤109，如上文所述。可以对处理区域111和113相互之间的位置以及它们相对于炉112的位置，以及处理区域111和113的尺寸或者路径长度进行调节，从而符合上文所述的进入温度、离开温度、停留时间和/或冷却速率。图2是图1的变化形式，其中，处理区域111和113直接相互相邻，不存在间距。
光纤可以沿着第一路径通过第一处理区域，并且可以沿着第一路径在第一处理区域中对光纤进行冷却。第一路径可以是线性的。光纤可以沿着第二路径通过第二处理区域，并且可以沿着第二路径在第二处理区域中对光纤进行冷却。第二路径可以是线性的。第二路径可以与第一路径是共线的。
光纤可以沿着第一路径通过第一处理区域和第二处理区域，并且可以沿着第一路径在第一和第二处理区域中对光纤进行冷却。在第二处理区域之后，在进行了淬火之后，光纤可以沿着第二路径通过。第二路径可以是线性的。第二路径可以与第一路径是共线的。
根据本发明的处理区域可以是炉或加热区，其温度、尺寸和环境发生调节从而为预选定的拉制速度提供根据本发明的冷却速率和停留时间。光纤可以在不与固体表面发生接触的情况下通过处理区域，并且可以通过辐射或对流工艺进行冷却。处理区域内的环境可以包括气体或者惰性气体，其可以作为传热介质用于当光纤冷却时从其接收热量。可以基于导热性来选择气体特性，从而影响从光纤传输热量的速率或效率。例如，出于上文所述的使得第二处理区域113中的冷却速率比第一处理区域111中更快的目的，可以对第一处理区域111中所使用的气体进行选择，使其热导率低于第二处理区域113中所使用的气体。例如，第一处理区域111中所使用的气体的平均热导率可以小于或等于或者可以小于第一处理区域111的可操作温度范围内的空气的平均热导率。第二处理区域113中所使用的气体的平均热导率可以大于或等于或者可以大于第二处理区域113的可操作温度范围内的空气的平均热导率。可以将处理区域的温度维持在室温和光纤的平均温度之间的水平。
第一处理区域111中所采用的温度可以高于第二处理区域113中所采用的温度。处理区域的温度越靠近光纤的平均温度，冷却速率越缓慢。第一处理区域111可以包括具有加热区的炉，其温度为800-1500℃、或者850-1400℃、或者900-1300℃、或者950-1200℃。
在第二处理区域113中的加工可以包括使得光纤通过气体环境。气体环境可以包括空气或如下气体，或者可以基本由空气或如下气体构成，所述气体的热导率大于或等于空气的热导率。气体环境可以经过加热或者未经加热。可以改变气体环境的温度和/或压力，从而影响第二处理区域中的冷却速率，以实现根据本发明的冷却速率。可以对光纤在第二处理区域113中的停留时间进行调节，从而在光纤开始淬火之前，提供1000-1175℃的离开温度范围或者上文所述的其他范围。
本发明的方法还可包括在离开第二处理区域之后改变光纤的方向。方向改变可以包括将光纤从一种加工路径转向至另一种加工路径。可以以垂直向下方向从经加热的玻璃源(例如，拉制炉中的光纤预成形件)拉制光纤，并且光纤可以以基本垂直方向导向通过第一处理区域和第二处理区域。在离开第二处理区域之后，改变光纤的方向可以实现以非垂直方向(例如水平方向)进行进一步冷却或加工。在离开第二处理区域之后，改变光纤的方向可以涉及沿其光纤路径多次改变光纤的方向。改变光纤的方向是有利的，原因在于，这增加了有效加工路径长度，而无需增加生产设备的垂直空间。
可以通过一种或多种方向改变装置来完成改变光纤的方向。方向改变装置包括流体轴承装置(fluidbearingdevice)和空气转向装置(air-turndevice)。流体轴承装置和空气转向装置通过在不与光纤发生物理接触的情况下完成光纤的方向改变，从而保留了光纤的完整性。作为替代，通过加压流体的作用力实现方向改变。光纤通过流体轴承或空气转向装置内所含的支撑通道。流体轴承或空气转向装置可以是环形的，并且可以沿着装置的圆周或者在装置的圆周内形成光纤支撑通道。从光纤支撑通道的底部处的槽或孔供给的加压流体提供了将光纤从通道表面推开的作用力，以防止物理接触。当流体或空气绕着光纤通过并离开光纤支撑通道时，其产生的压力分布经由伯努利作用将光纤保持在支撑通道的中心，其原理是本领域已知的。作为结果，光纤符合光纤支撑通道，并以被光纤支撑通道所限定的精确方向进行引导，从而实现方向改变。光纤方向可以从基本垂直变化成基本水平。光纤方向改变的角度可以小于90°，或者改变的角度为90°，或者改变的角度为90-180°，或者改变的角度为180°。示意性方向改变装置如美国专利第7,737,971号和第8,074,474号以及美国专利申请公开第2009/0158779号所述，其全文通过引用结合入本文。
当在本发明的方法中进行光纤方向改变时，上文所述的两个处理区域可以置于方向改变装置的上游或者一系列方向改变装置中的第一个的上游。处理区域的上游放置使得能够在受控温度范围内，并且以上文所述的受控冷却速率对光纤进行冷却，并且避免方向改变装置内可能发生的任意冷却。预期当光纤通过空气转向装置时，冷却速率远高于例如12000℃/s，其原因在于用于提供使得光纤漂浮所需的作用力的空气高速流动所伴随的对流热去除。如上文所述，光纤离开两个处理区域中的后者之后的冷却速率可以是任意的。本发明所给予的低浓度的非桥接氧缺陷是经由上文所述的工艺结合两个处理区域所实现的。在低于两个处理区域中的后者的离开温度的进一步冷却预期对于非桥接氧缺陷浓度具有不明显的影响。
如图3示意性所示是用于实现光纤的方向改变的设备。光纤生产系统108包括炉112，其用于将光纤预成形件110加热至高于其软化点的温度并且拉制形成光纤105，其被导向到第一处理区域111和第二处理区域113，以形成光纤109，如上文关于图1所述。第一处理区域111和第二处理区域113配置成根据上文所述的范围来降低光纤的平均温度。光纤通过第一处理区域111的路径是线性的，以及光纤通过第二处理区域113的路径是线性的。光纤通过第一处理区域111的线性路径与光纤通过第二处理区域113的线性路径是共线的。光纤109被进一步导向通过方向改变装置116的序列118，并从垂直路径改变方向至更为近乎水平路径并回到更为近乎垂直路径，用于将光纤递送到涂覆单元120以形成经涂覆的光纤121。牵拉光纤的作用力由拉制机制128提供，其也可以存在于图1和图2的生产系统中。方向改变装置116可以是流体轴承装置或者空气转向装置。
实施例1
在不同处理条件下制备一系列6根光纤，以证实通过本发明的方法提供的非桥接氧缺陷的降低。从包含氧化锗掺杂的纤芯的单模石英预成形件拉制光纤。在拉制炉中，以垂直方向将预成形件加热至高于2000℃的拉制温度，并传输到一系列的两个下游处理区域。第一处理区域包括维持在1200℃的加热区。光纤进入第一处理区域的进入平均温度约为1580℃，光纤离开第一处理区域的平均温度为1300-1330℃。光纤样品1、2和3在第一处理区域中以约为2500℃/s的速率进行冷却，在第一处理区域中的停留时间约为0.20秒。光纤样品4、5和6在第一处理区域中以约为2850℃/s的速率进行冷却，在第一处理区域中的停留时间约为0.17秒。离开第一处理区域的光纤进入相邻的第二处理区域。在第二处理区域中，每根光纤分别在空气中进行冷却。每根光纤进入第二处理区域的进入温度紧密对应于其离开第一处理区域的温度。在第二处理区域中，每根光纤的冷却速率分别约为8000℃/s。改变第二处理区域中的停留时间，以调节每根光纤离开第二处理区域的温度。在离开第二处理区域之后，以约为25000℃/s的冷却速率对每根光纤进行淬火，并且分析光纤它们的纤芯非桥接氧(NBO)缺陷浓度。每根光纤的加工条件以及结果总结见表1。
表1：加工条件和NBO缺陷浓度
结果表明，采用根据本发明的两个处理区域的受控冷却始终如一地产生了具有非桥接氧缺陷浓度小于6x1013cm-3的纤芯的光纤。出于比较目的，由常规工艺制备的光纤缺少本发明的受控冷却，并且在纤芯中的非桥接氧缺陷浓度通常大于或等于8x1013cm-3。
结果还表明，光纤离开第二处理区域的离开温度对于非桥接氧缺陷的浓度具有明显影响。离开第二处理区域的离开温度比1200℃低得越多，则非桥接氧缺陷浓度越低。随着离开第二处理区域的离开温度接近1000℃，非桥接氧缺陷浓度看上去变稳定了。结果表明，根据本发明的受控冷却能够显著降低非桥接氧缺陷的浓度。对于其他未预见的发现，结果暗示了在第二处理区域的温度窗口(例如，1000-1200℃)中的受控冷却对于进一步降低可以通过1200-1500℃的温度范围内的受控冷却所实现的非桥接氧缺陷浓度是重要的。该温度窗口内的受控冷却条件对于降低非桥接氧缺陷浓度的重要性对于本领域技术人员而言是尚未知晓的。
实施例2
在该实施例中，对比了采用不同冷却曲线制备的光纤。从相同的设备，以分开的轨迹拉制光纤，并经受图4所示的两种冷却曲线中的一种。图4中的冷却曲线分别显示光纤表面温度与时间的关系，其中，时间为零对应了光纤平均温度为1700℃的时间点。冷却曲线1表示与现有技术光纤加工条件相一致的曲线，而冷却曲线2表示根据本发明的曲线。
对于冷却曲线1，进入第一处理区域的光纤的平均光纤温度为1700℃，其以7500℃/s的平均速率进行冷却，并以1400℃的平均光纤温度离开第一处理区域。然后，光纤以1400℃的平均光纤温度进入第二处理区域，其以15000℃/s的平均速率进行冷却，并以1000℃的平均光纤温度离开第二处理区域。在离开第二处理区域之后，光纤以约为25000℃/s的冷却速率进行淬火。
对于冷却曲线2，进入第一处理区域的光纤的平均光纤温度为1700℃，其以2000℃/s的平均速率进行冷却，并以1300℃的表面温度离开第一处理区域。然后，光纤以1300℃的平均光纤温度进入第二处理区域，其以5500℃/s的平均速率进行冷却，并以1000℃的平均光纤温度离开第二处理区域。在离开第二处理区域之后，光纤以约为25000℃/s的冷却速率进行淬火。
完成对采用两种冷却曲线制备的光纤的非桥接氧缺陷浓度的测量。结果表明，采用冷却曲线1制备的光纤比采用冷却曲线制备的光纤具有明显更高的非桥接氧缺陷浓度。
实施例3
在该实施例中，考虑了第一处理区域的加热区域的温度对于一系列7根光纤的非桥接氧缺陷浓度的影响。在常用拉制设备中，由常用光纤预成形件制备光纤，所述常用拉制设备包括拉制炉、拉制炉下游的第一处理区域、第一处理区域下游的第二处理区域，以及拉制机制。第二处理区域与第一处理区域直接相邻，并且包括在空气中冷却光纤。在离开第一处理区域之后，在第二处理区域中分别对每根光纤在空气中进行冷却，持续相同的停留时间，然后淬火。在淬火之后，测量非桥接氧缺陷浓度。
第一处理区域的加热区的温度对第一处理区域中的光纤温度-时间函数以及离开第一处理区域的光纤的离开温度造成影响。温度-时间函数以及第一处理区域的终点的离开温度不仅对第一处理区域中的非桥接缺陷的愈合(healing)造成影响，还对第二处理区域中的非桥接缺陷的愈合造成影响，这是由于在该实施例中，第二处理区域中的温度-时间函数以及第二处理区域的离开温度(这也是光纤进行淬火的温度)所导致的。除了第一处理区域的温度之外，对于该实施例的每个光纤样品的加工条件也是一样的。该实施例中考虑的光纤样品编号为7-13。
第一热处理区域包括加热区。第一处理区域的加热区中所采用的温度，离开第一和第二处理区域的平均光纤温度，以及光纤样品7-13中的非桥接氧缺陷(NBO缺陷)浓度总结见表2。
表2：非桥接氧缺陷浓度
结果表明，对于第二处理区域中的常用停留时间和气体温度条件，第一处理区域的加热区中所采用的温度影响非桥接氧缺陷的浓度。加热区温度影响第一处理区域中的光纤的温度-时间函数，还影响第一处理区域终点处的离开温度。温度-时间函数以及第一处理区域的终点的离开温度不仅对第一处理区域中的非桥接缺陷的愈合(healing)造成影响，还对第二处理区域中的非桥接缺陷的愈合造成影响，这是由于第二处理区域中的温度-时间函数以及第二处理区域的离开温度(这也是光纤样品进行淬火的温度)所导致的。观察到随着第一处理区域中所采用的温度从885℃增加到1030℃，非桥接氧浓度降低，并且随着温度进一步增加到高至1200℃，发生增加。随着第一处理区域中所采用的温度变化存在非桥接氧缺陷浓度的最小值，这证实了在第一和第二处理区域条件(温度、冷却速度和/或停留时间)之间具有协同作用。如果第一处理区域的加热区中所采用的温度是影响非桥接氧缺陷浓度的仅有因素，则非桥接氧缺陷浓度的趋势会是单调的，而不显示出最小值。该实施例证实了第二处理区域的条件对于非桥接氧缺陷浓度的影响。对第二处理区域中所采用的条件以及第一处理区域中所采用的条件进行协调，实现了非桥接氧缺陷浓度的最小化。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离本发明的范围或精神的情况下对本发明进行各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融合了本发明精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (19)

1.一种对光纤进行加工的方法，该方法包括：
提供光纤，所述光纤的平均温度大于或等于1700℃；
以第一冷却速率对所述光纤进行冷却，所述第一冷却速率小于5000℃/s，所述冷却以所述第一冷却速率将所述平均光纤温度从第一温度降低至第二温度，所述第一温度为1500-1700℃，以及所述第二温度为1200-1400℃；以及
以第二冷却速率对所述光纤进行冷却，所述第二冷却速率大于5000℃/s且小于12000℃/s，所述冷却以所述第二冷却速率将所述光纤的所述平均温度从第三温度降低至第四温度，所述第三温度为1200-1400℃，以及所述第四温度为1000-1175℃。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一冷却速率为2000-4000℃/s。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述冷却以所述第一冷却速率进行至少0.05秒。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述冷却以所述第一冷却速率进行0.05-0.3秒。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，以所述第一冷却速率进行所述冷却包括使得所述光纤通过经加热的区域，所述经加热的区域的温度为800-1500℃。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二冷却速率大于6000℃/s且小于11000℃/s。
7.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二冷却速率大于5800℃/s。
8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述第四温度为1000-1100℃。
9.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，在第一气体环境中，以所述第一冷却速率进行所述冷却，所述第一气体环境基本由如下气体构成，在从所述第一温度到所述第二温度的温度范围内，该气体的平均热导率小于空气的热导率。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在气体环境中，以所述第二冷却速率进行所述冷却，所述气体环境基本由如下气体构成，在从所述第三温度到所述第四温度的温度范围内，该气体的平均热导率大于或等于空气的热导率。
11.如权利要求1-6中任一项所述的方法，所述方法还包括以第三冷却速率将所述光纤从所述第四温度冷却至低于1000℃的温度，所述第三冷却速率超过5000℃/s。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第三冷却速率超过12000℃/s。
13.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述光纤包括纤芯，所述方法还包括将所述光纤冷却至室温，所述室温光纤在所述纤芯中的非桥接氧浓度小于6x1013cm-3。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述室温光纤在所述纤芯中的非桥接氧浓度小于5x1013cm-3。
15.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，在以所述第一速率进行所述冷却以及以所述第二速率进行所述冷却的过程中，所述光纤的取向是第一方向，所述方法还包括在所述冷却至第四温度之后，将所述光纤从所述第一方向改变方向至第二方向。
16.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述提供光纤包括形成所述光纤，所述形成包括从加热的玻璃源拉制所述光纤。
17.一种设备，该设备包括：
经加热的玻璃源，所述经加热的玻璃源包括光纤预成形件和拉制炉；
光纤，所述光纤由所述光纤预成形件形成，所述光纤具有平均温度；
第一处理区域，所述第一处理区域位于所述经加热的玻璃源的下游，所述第一处理区域配置成沿着第一路径将所述光纤的平均温度从1500-1700℃的温度范围冷却至1200-1400℃的温度范围，所述第一处理区域内的所述冷却的平均速率小于5000℃/s；以及
第二处理区域，所述第二处理区域位于所述第一处理区域的下游；所述第二处理区域配置成沿着第二路径将所述光纤的平均温度从1200-1400℃的温度范围冷却至1000-1175℃的温度范围，所述第二处理区域内的所述冷却的速率大于5000℃/s且小于12000℃/s。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述第一路径和所述第二路径是共线的。
19.一种具有纤芯的光纤，所述纤芯的非桥接氧浓度小于6x1013cm-3。
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