CN115872614A - 制造光纤的方法和光纤 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及制造光纤的方法和光纤。根据一些实施方式，加工光纤的方法包括如下步骤：(i)以至少30m/s的拉制速率拉制光纤；和(ii)在气体中冷却经过拉制的光纤，平均冷却速率小于5000℃/s，从而所述冷却使得光纤的温度从1500‑1700℃的进入温度降低到1200‑1400℃的另一个温度，气体处于800‑1500℃的温度；以及对于一个atm(大气压)绝对压力下的800℃至1500℃的范围内的至少一个温度，气体的导热系数κ不大于1.5x10‑4卡/cm‑s‑K。

Description

制造光纤的方法和光纤
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2016/059033，国际申请日为2016年10月27日，进入中国国家阶段的申请号为201680064063.0，发明名称为“制造光纤的方法和光纤”的发明专利申请的分案申请。
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2015年10月30日提交的美国临时申请系列第62/248,376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
本公开一般地属于光纤制造方法和光纤。
背景技术
生产光纤的制造方法通常包括从在拉制炉中加热的玻璃预成形件拉制光纤，冷却拉制的光纤，以及待光纤充分冷却后涂覆光纤。光纤制造工艺中所采用的工艺参数可能对所得到的拉制光纤的性能特性具有明显影响。在玻璃光纤的制造中，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，以形成直径约为125um的玻璃光纤。高的拉制温度、大的下拉比例和快速的拉制速度，会导致光纤直径发生变化、玻璃基质中的缺陷、瑞利散射的增加和衰减增加。因此，重要的是开发这样的光纤制造方法，其提供高的拉制速率同时使得光纤直径的变化最小化并改善光纤衰减。
发明内容
本公开提供了制造光纤的方法。
根据一些实施方式，加工光纤的方法包括如下步骤：
(i)以至少30m/s的拉制速率拉制光纤；以及
(ii)在气体中冷却经过拉制的光纤，平均冷却速率小于5000℃/s，从而冷却使得光纤的温度从1500-1700℃的进入温度降低到1200-1400℃的另一个温度，气体处于800-1500℃的温度，以及对于一个atm(大气压)绝对压力下的800℃至1500℃的范围内的至少一个温度，气体的导热系数κ不大于1.5x10-4卡/cm-s-K。根据本文所揭示的至少一些实施方式，气体在800℃至1500℃的温度范围内的平均导热系数κ(即，κ平均＝κ最大值+κ最小值)/2)不大于1.5x10-4卡/cm-s-K。根据本文所揭示的至少一些实施方式，在1atm绝对压力下，对于800℃至1500℃的温度范围内的所有温度，气体的导热系数κ不大于1.6x10-4卡/cm-s-K(例如，小于或等于1.5x10-4卡/cm-s-K)。根据一些实施方式，在1atm绝对压力下，在800℃至1450℃的范围内的所有温度，气体的导热系数κ不大于1.5x10-4卡/cm-s-K。根据一些示例性实施方式，平均冷却速率为1000-4000℃/s。根据一些示例性实施方式，平均冷却速率为1400-3000℃/s。根据一些实施方式，气体是：(i)温度为1000-1300℃；和(ii)压力为0.025atm至1atm，绝对压力。根据本文所述的示例性实施方式，光纤拉制速率是30-100m/s。
根据一些实施方式，加工光纤的方法包括如下步骤：
(i)以至少30m/s的拉制速率拉制光纤；以及
(ii)在气体中冷却经过拉制的光纤，平均冷却速率小于5000℃/s(例如，>6000℃/s或者甚至>6500℃/s)，从而冷却使得光纤的温度从1500-1700℃的进入温度降低到1200-1400℃的另一个温度，气体处于800-1500℃的温度，以及对于1atm绝对压力下的800℃至1500℃的范围内的所有温度，气体的导热系数κ不大于1.6x10-4卡/cm-s-K。根据一些示例性实施方式，平均冷却速率为1000-4000℃/s。根据一些示例性实施方式，平均冷却速率为1400-3000℃/s。
根据至少一些实施方式，该方法还包括：以第一冷却速率冷却经过拉制的光纤，第一冷却速率大于5000℃/s，以第一冷却速率进行冷却使得光纤温度从第一温度T1下降到第二温度T2，使得T2<T1，第一温度T1是1800℃至2100℃，第二温度T2是1600℃至1800℃；以及然后，在所述气体中后续冷却经过拉制的光纤，平均冷却速率小于5000℃/s，其中，所述进入温度小于或等于T2。
根据一些实施方式，气体是Ar、Kr、Xe和/或Rn或其混合物，以及拉制速率是30m/s至100m/s(例如，30-80m/s或者40-80m/s，或者它们之间)。根据一些实施方式，在气体中进行冷却使得光纤的温度降低了至少100℃(即，根据至少一些实施方式，进入温度减去所述另一个温度≥100℃)。根据一些实施方式，在气体中进行冷却使得光纤的温度降低了至少200℃。
根据本文所述的至少一些示例性实施方式，在800℃至1500℃范围内的所有温度，气体的导热系数κ不大于1.6x10-4卡/cm-s-K；以及在经拉制的光纤的冷却过程中，气体的温度是800℃至1500℃(例如，800-1300℃、或者1000-1250℃、或者1100-1250℃)。在一些实施方式中，在经拉制的光纤的冷却过程中，气体或者气体混合物的温度是1000-1300℃。在一些实施方式中，在800℃至1450℃范围内的所有温度，气体的平均导热系数κ不大于1.5x10-4卡/cm-s-K；以及在经拉制的光纤的冷却过程中，气体的温度是800℃至1500℃(例如，800-1300℃、或者1000-1250℃、或者1100-1250℃)。
根据本文所述的至少一些示例性实施方式，加工光纤的方法包括：
(i)提供光纤，所述光纤的温度为第一温度T1；
(ii)以第一冷却速率对所述光纤进行冷却，所述第一冷却速率大于5000℃/s，以第一冷却速率进行所述冷却将光纤温度从第一温度T1降低至第二温度T2，使得T2<T1，所述第一温度T1为1800-2100℃，以及所述第二温度T2为1600-1800℃；以及
(iii)在气体中以第二冷却速率冷却所述光纤，所处的气体温度为800℃至1500℃，第二冷却速率小于5000℃/s，以所述第二冷却速率进行所述冷却使得所述光纤的温度从第三温度T3降低至第四温度T4，其中，T3≤T2，第三温度T3是1500℃至1700℃以及第四温度T4是1200℃至1400℃，以及其中，对于800℃至1500的范围内的所有温度，气体的导热系数κ不大于1.6x10-4卡/cm-s-K。
根据一些实施方式，光纤包括玻璃纤芯和玻璃包层。根据至少一些实施方式，纤芯是掺杂了Ge、Cl、K2O中的至少一种的基于二氧化硅的纤芯。根据至少一些实施方式，光纤在1310nm的模场直径MFD是8.2-9.5微米，光缆截止小于1260nm，以及1550nm的衰减小于0.18dB/km。根据至少一些实施方式，纤芯相对于二氧化硅正掺杂，并且相对于二氧化硅的相对折射率差异为0.1-0.45％(例如，0.25-0.45％)。根据至少一些实施方式，光纤纤芯的残留应力是拉伸应力，其值约为10-40MPa。根据至少一些实施方式，光纤包括由基于二氧化硅的包层围绕的含GeO2玻璃纤芯，以及光纤的假想温度小于1450℃且1550nm处的衰减小于0.18dB/km。根据一些实施方式，光纤的假想温度小于1300℃或者甚至小于1200℃。
根据至少一些实施方式，该方法可以包括：以至少30m/s的速率拉制光纤，和以小于5000℃/s的平均冷却速率冷却光纤，其中，冷却使得光纤的温度从1500℃至1700℃的进入温度降低至1200℃至1400℃的另一个温度，这是在气体中进行的，在位于0.025atm至1atm绝对压力的压力范围内(例如，0.25atm、0.5atm、或者0.75atm)，所述气体在800℃至1500℃的整个温度范围的导热系数小于1.6x10-4卡/cm-s-K。根据至少一些实施方式，该方法可以包括：以至少30m/s的速率拉制光纤，和以小于5000℃/s的平均冷却速率冷却光纤，其中，冷却使得光纤的温度从1500℃至1700℃的进入温度降低至1200℃至1400℃的另一个温度，这是在气体中进行的，在位于1atm绝对压力下，所述气体在800℃至1450℃的整个温度范围的导热系数小于1.5x10-4卡/cm-s-K。
根据至少一些实施方式，该方法可以包括：以至少30m/s的速率拉制光纤，和以小于5000℃/s的平均冷却速率冷却光纤，其中，冷却使得光纤的温度从1500℃至1700℃的进入温度降低至1200℃至1400℃的另一个温度，这是在气体中进行的，所述气体在800℃至1500℃的温度范围的平均导热系数小于1.5x10-4卡/cm-s-K。在一些实施方式中，气体在800℃至1500℃的温度范围的平均导热系数为0.25x10-4卡/cm-s-K至1.5x10-4卡/cm-s-K。
根据至少一些实施方式，该方法可以包括：以至少30m/s的速率拉制光纤，和以小于5000℃/s的平均冷却速率冷却光纤，其中，冷却使得光纤的温度从1500℃至1700℃的进入温度降低至1200℃至1400℃的另一个温度，这是在气体中进行的，当以1atm绝对压力测量时，所述气体在800℃至1500℃的温度范围的最大导热系数小于1.6x10-4卡/cm-s-K。在一些实施方式中，当以1atm绝对压力测量时，气体在800℃至1500℃的温度范围的最大导热系数是0.25x10-4卡/cm-s-K至1.6x10-4cal/cm-s-K(例如，0.25x10-4卡/cm-s-K至1.55x10-4卡/cm-s-K、或者0.5x10-4卡/cm-s-K至1.55x10-4卡/cm-s-K)。
根据一些实施方式，气体是Ar、Kr、Xe和/或Rn或其混合物。根据一些实施方式，光纤拉制速率是30-100m/s(例如，30-80m/s)。根据一些实施方式，在气体中冷却光纤使得光纤的温度降低了至少100℃。根据至少一些实施方式，在气体中冷却光纤使得光纤的温度降低了至少200℃。根据一些实施方式，在光纤的冷却过程中，气体的温度是800℃至1500℃(例如，800-1300℃、或者1000-1250℃、或者1100-1250℃)。在一些实施方式中，在光纤的冷却过程中，气体或者气体混合物的温度是1000-1300℃。
根据一些实施方式，加工光纤的方法包括：(i)以至少30m/s的速率拉制光纤，和(ii)以小于5000℃/s的平均冷却速率冷却经拉制的光纤，从而冷却使得光纤的温度从1500℃至1700℃的温度降低至1200℃至1400℃的另一个温度，这是在气体或气体混合物中进行的，所述气体或气体混合物在800℃至1500℃的温度范围的平均导热系数为0.5x10-4卡/cm-s-K至1.5x10-4cal/cm-s-K。根据一些实施方式，气体是Ar、Kr、Xe和/或Rn或其混合物；以及拉制速率是30m/s至100m/s(例如，40-100m/s或者40-80m/s)。根据一些实施方式，在所述气体中进行所述冷却的冷却速率为1200-5000℃/s，或者1300-5000℃/s，例如，1400-3000℃/s，或者1450-2500℃/s，或者1450-2300℃/s，或者1625-2500℃/s。
根据一些实施方式，光纤的冷却进行0.08-1秒。根据一些其他实施方式，光纤的冷却进行大于0.1秒的时间。根据一些其他实施方式，光纤的冷却进行大于0.2秒的时间。根据一些其他实施方式，光纤的冷却进行大于0.3秒的时间。
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1800-2100℃的温度进入第一处理阶段，并在第一处理阶段经受大于5000℃/s的平均冷却速率，以及在1600-1800℃的温度离开第一处理阶段，并且可以在第二处理阶段经受小于5000℃/s的平均冷却速率。光纤可以在1500℃至1700℃的温度进入位于第一处理阶段下游的第二处理阶段，以及可以在1200℃至1400℃的温度离开第二处理阶段。根据本文所述的示例性实施方式，在第二阶段中的平均气体温度是800℃至1500℃(例如，800℃至1300℃或者1000℃至1250℃)。根据本文所述的其他示例性实施方式，第二阶段中的平均气体温度是1000℃至1300℃。
根据一些实施方式，制造光纤的方法包括：
(i)在高于光纤预成形件的软化点对其进行加热，
(ii)以至少30m/s的拉制速率，从经加热的预成形件拉制光纤；以及
(iii)使得光纤通过至少两个处理阶段，从而：
(a)光纤以1800℃至2100℃的温度进入第一处理阶段，并在第一处理阶段中经受大于5000℃/s的平均冷却速率；
(b)光纤以1600℃至1800℃的温度离开第一处理阶段；
(c)光纤以1500℃至1700℃的温度进入位于第一处理阶段下游的第二处理阶段，并在第二处理阶段中，在气体或气体混合物中经受小于5000℃/s的平均冷却速率，所述气体或气体混合物具有：
a.温度为800℃至1500℃，和
b.在1atm绝对压力下，在800℃至1500℃的范围内的所有温度，导热系数κ不大于1.6x10-4卡/cm-s-K，以及
c.光纤以1200℃至1400℃的温度离开第二处理阶段。
方法还可包括用流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。在另一个实施方式中，方向改变可以使得光纤从垂直方向改变为相反的垂直方向。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。
本公开的实施方式还包括：如本文所揭示的那样拉制光纤和冷却光纤，其中，光纤是基于二氧化硅的玻璃光纤，其包括：
(i)基于二氧化硅的玻璃纤芯，其含有GeO2、Cl、K中的至少一种；纤芯相对于二氧化硅的相对折射率差异为0.1％至0.45％，纤芯具有残留应力，所述残留应力是值为0MPa至15MPa的拉伸应力；
(ii)围绕纤芯的基于二氧化硅的玻璃包层；以及
(iii)围绕包层的聚合物涂层。
根据一些实施方式，纤芯具有至少一个区域，该区域具有值为0.1MPa至15MPa(例如，1-10MPa或2-10MPa)的残留拉伸应力。根据一些实施方式，包层具有至少一个区域，该区域具有残留应力，所述残留应力是值为5MPa至40MPa(例如，10-40MPa、5-20MPa、10-20MPa、或8-20MPa)的拉伸应力。
根据一些实施方式，纤芯相对于二氧化硅的相对折射率差异是0.1％至0.45％，例如，0.25％至0.45％。
在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，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。附图是对本公开所选择方面的示意，并且与说明书一起用来对属于本公开的方法、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显示数种气体的运动粘度与温度关系。
图5显示在大气压下，数种气体的气体导热系数κ(卡/cm s-K)与温度(℃)关系。
图6显示对于各种气体，在1100℃和42m/s光纤拉制速度下，计算得到的对流传热系数h(卡/cm2s-K)。
图7A显示来自拉制炉的出口孔的计算得到的光纤冷却分布与时间的关系。
图7B显示示例性光纤温度分布(℃)与时间(秒)的关系。
图7C对应图7B，显示示例性光纤的冷却速率与时间(秒)的关系。
图7D显示数种示例性温度分布与从光纤离开拉制炉开始的时间的关系。
图7E对应图7D的光纤，显示来自拉制炉的出口孔的示例性光纤冷却速率(dT/dt)与时间的关系。
图8显示对于不同气体流(slpm)，从第二处理阶段离开之后测得的光纤温度。这些数据是用于42m/s拉制速度和第二处理阶段内1100℃平均运行温度。
图9显示在第二处理阶段中采用氩气对于光纤衰减的影响，在1310nm进行测量。
图10A示意性显示本文所述的一些示例性光纤实施方式的横截面图。
图10B-E示意性显示本文所述示例性光纤实施方式的数种折射率分布。
具体实施方式
本公开还描述了制造和加工光纤的方法。注意到的是，如本文所述，提供的气体的导热系数κ的单位是在特定温度下的，并且单位是卡/cm·秒·°卡尔文(本文也称作卡/cm-s-K)。
当光纤处于1700℃至1200℃的温度范围时，光纤的较为缓慢的冷却导致：玻璃转化区域中玻璃松弛的增加、较低的光纤平均假想温度和较低的光纤衰减。但是，给定相同长度L的光纤冷却区(例如，给定长度的第二炉113')，当光纤拉制速率增加到>30m/s时，该温度范围内的光纤冷却速率明显增加，这增加了假想温度并增加了光纤衰减。抵消这种情况的一种方式是增加冷却装置的运行温度，以降低光纤冷却速率，但是该选项并不总是可行的。我们发现，可以通过如下方式实现当光纤从约1700℃冷却到约1200-1400℃时减缓光纤冷却(降低光纤冷却速率)：对冷却时围绕光纤的气体或气体混合物进行适当选择，如下文所述，这可以有利地导致光纤衰减的改善。本文所揭示的示例性光纤实施方式有利地具有：1550nm处<0.184dB/km的光学信号低衰减，例如，1550nm波长处0.178-0.184dB/km或0.179-0.181dB/km。在一些实施方式中，光纤在1550nm处的衰减小于0.18dB/km(例如，0.15dB/km至0.18dB、或者0.15dB/km至0.17dB)。
根据一些实施方式，光纤在1310nm的衰减小于0.324dB/km，或者甚至在1310nm的衰减小于0.31dB/km。例如，对于一些实施方式，衰减是例如：在1310nm为0.28-0.324dB/km，或者在1310nm为0.29-0.31dB/km，或者在1310nm为0.30-0.324dB/km，或者在1310nm为0.30-0.32dB/km，或者在1310nm为0.31-0.324dB/km。
本方法可以包括：从加热的玻璃源拉制光纤，以及使得光纤在位于加热的玻璃源下游的两个处理区域(例如，两个处理阶段)以不同速率经受冷却。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。
根据本文所述的一些实施方式，光纤可以以1800-2100℃的温度T1进入第一处理区域(快速冷却区域)，并且可以以1600-1800℃(例如1675-1800℃)的光纤温度T2离开第一处理区域。光纤在第一处理区域中的停留时间(确定为第一处理区域的长度L1除以光纤拉制速度)可以是例如至少0.005秒、或者0.005-0.05秒。除非另有说明，否则，如本文所用的冷却速率指的是平均冷却速率，其定义为处理区域的入口和出口处的光纤的温度之差除以光纤在处理区域中的停留时间。在第一处理区域中的平均冷却速率大于5000℃/s，例如，5000-20000℃/s，以及在一些实施方式中，5000-15000℃/s。例如，在一些实施方式中，第一处理区域中的平均冷却速率是12000-18000℃/s、或者14000-16000℃/s(例如，约15000℃/s)。根据一些示例性实施方式，在第一处理区域中，围绕着光纤的气体或气体混合物是空气或He。在第一处理区域中，围绕着光纤的气体或气体混合物的平均温度(第一处理区域中的可运行温度)是例如，175-500℃、或者200-500℃，例如约300℃。
在离开第一处理区域之后，光纤进入温度T3为1500-1700℃的第二处理区域，并且以光纤温度T4为1100-1400℃(或者在一些实施方式中，1200-1400℃，例如1200-1300℃)离开第二处理区域。也就是说，光纤在位于第二处理区域的入口处的温度可以是1500-1700℃，以及光纤在位于第二处理区域的出口处的温度不大于1400℃，或者可以小于1300℃，或者可以约为1200-1300℃。
光纤在第二处理区域中的停留时间(确定为第二处理区域的长度L2除以光纤拉制速度)可以是至少0.08秒、或者至少0.1秒、或者至少0.2秒、或者甚至至少0.3秒，例如在一些实施方式中，0.08-1秒。根据一些实施方式，光纤拉制速度是30-80m/s。
光纤在第二处理区域(缓慢冷却区域)中的平均冷却速率小于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1000-3000℃/s。例如，根据一些实施方式，光纤在第二处理区域中的平均冷却速率是1000-4000℃/s、或者1000-3000℃/s、或者1400-3000℃/s、或者1000-2000℃/s、或者例如1300-1700℃/s、或者1400-1600℃/s。在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体的平均温度(本文也称作第二处理区域的可运行温度范围或者运行温度范围)可以是800-1500℃，例如，900-1300℃，或者1000-1250℃。例如，第二处理区域可以位于加热炉(本文也称作第二炉)内或者位于缓慢冷却装置(SCD)内，并且围绕着光纤的气体的平均温度是炉或者SCD中的气体的平均温度或者第二炉或SCD的运行温度。根据一些实施方式，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体的平均温度是800-1300℃，以及优选为1000-1300℃，以及对于一些实施方式，优选为1100-1250℃。根据示例性实施方式，光纤拉制速度(本文也称作拉制速率)是≥30m/s，例如，30-100m/s、40-80m/s、或者50-80m/s。
第一和第二处理区域可以包括在气体环境中冷却光纤。例如，第二区域的气体环境可以包括如下气体或气体混合物或者可以由如下气体或气体混合物构成：其在第二处理区域的可运行温度范围上具有小于1.5x10-4卡/cm-s-°K的平均导热系数κ平均(即，κ平均<1.5x10-4卡/cm·秒·°开尔文)。可以在1个绝对大气压下测量气体在该温度范围的传导率。(第二处理区域的可运行温度对应于第二处理区域中所使用的气体或气体混合物的温度)。
在离开第二处理区域之后，光纤可以以不同于第一或第二处理区域中的平均冷却速率的平均冷却速率进一步冷却。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进一步降低至低于1200℃的温度、优选低于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50℃的温度或更低。
用于进行本方法的系统如图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，其以上文所述的光纤进入温度T1被导向到第一处理区域111(对应于处理阶段111'，这在一些实施方式中，是例如炉)，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T2的光纤107，如上文所述。光纤107以光纤进入温度T3进入第二处理区域113(对应于处理阶段113'，这是例如，管状炉)，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T4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(预成形件加热炉)的位置，以及处理区域111和113的尺寸或者路径长度(L1、L2)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。
在离开第二处理区域之后，光纤可以任选地以超过15000C/s的速率冷却。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。在离开第二处理区域之后，在冷却到低于1100℃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。或者，第二路径可以不与第一路径是共线的。
根据本公开，对应于处理区域111或113的处理阶段111'或113'可以是例如炉或加热区，其温度、尺寸和环境发生调节从而为预选定的光纤拉制速度提供根据本公开的冷却速率和停留时间。但是，第一处理区域111可以不采用炉，以及光纤可以在进入第二处理区域113(例如，加热炉或能够含有经加热的气体或气体混合物的另一封闭结构，其具有位于800-1500℃的选定温度范围)之前在空气中冷却。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111、113，并且可以通过辐射或对流过程进行冷却。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，对第一处理区域111中所采用的气体进行选择，以具有比第二处理区域113中所用气体更高的导热系数，以促进本文所述的目的。例如，第一处理区域111中所使用的气体或气体混合物的平均导热系数可以大于或等于或者可以小于第一处理区域111的可运行温度范围内的空气的平均导热系数。如上文所述，优选地，第二处理区域113中所使用的气体或气体混合物的平均导热系数κ平均小于第二处理区域113的可运行温度范围内的空气的平均导热系数。
当光纤在处理阶段113'(较为缓慢冷却阶段)中以较快速的光纤拉制速率(>30mm/s)从约1700℃冷却到约1200℃时，冷却速率的下降导致较低的光纤假想温度和较低的光纤衰减。我们发现，可以通过对第二处理区域(处理阶段113')中所使用的气体或气体混合环境进行适当选择，来实现所需的光纤冷却的减缓和/或光纤衰减的改善，如本文所述。
对于>30m/s(例如，30-80m/s)的拉制速度，光纤在约1700℃和约1200℃之间的冷却速率(dT/dL)主要是热传输的受迫对流机制。从数学上来说，这通过下式(1)描述，并且是如下3个参数的乘积：(i)对流热传输系数h；(ii)光纤的热含量；以及(iii)光纤与周围气体环境之间的温差。
Figure BDA0004082167750000111
其中，T是光纤温度，T∞是气体温度，L是距离，h是对流热传输系数，V是光纤的拉制速度，ρ是光纤密度，Cpf是光纤热容量，以及r是光纤半径(即，未涂覆光纤的外半径)，
可以通过降低前述段落中所述的这些单个参数(i)至(iii)中的任意一个，来降低光纤冷却速率。但是，降低光纤的热含量需要降低拉制速度，这增加了生产成本。希望增加而不是降低光纤拉制速度。降低温差可能需要将处理阶段113'(例如，炉)的温度设定点增加至高于用于向炉供热的电阻元件的寿命受到损害的极限。这种寿命降低迫使设备运行和维护成本上升。因此，选择具有合适的热传输系数的气体或气体混合物是降低第二处理区域113中的光纤冷却速率的最佳实践方式。
在恒定拉制条件下，气体的运动粘度性质(更重要来说，导热系数)决定了热传输效率。对于第二处理区域113，这些性质应该在第二处理区域113所采用的运行温度或者光纤温度T与第二处理区域113的温度T∞之间的平均边界层温度进行评估，而不是在室温下进行评估。例如，如果光纤温度T4是1200℃(位于第二处理区域的出口)，以及第二处理区域113的平均运行温度是1100℃，则平均边界层温度约为1150℃。因此，在该示例性实施方式中，气体性质的相关温度约为1150℃。要注意的是，光纤温度是光纤表面的温度，并且可以通过商业装置测量，例如红外高温计。
如图4所示，除了氦气之外，在第二处理区域113所采用的温度范围上(或者，平均边界层温度)，不同气体的运动粘度仅具有小差异。也就是说，在用于第二处理区域113的温度范围上，(除了He之外的)气体的运动粘度接近空气(图4)，因而对于选择气体用于在第二处理区域113中减缓光纤冷却不是主要考虑。我们发现，第二处理区域113所采用的运行温度(或者，光纤温度T与第二处理区域113的温度T∞之间的平均边界层温度)上的导热系数是除了He之外的气体的热传输系数的主要决定性因素。
图5显示在温度范围上的气体导热系数κ。用于减缓光纤冷却的最佳气体在800℃至1500℃范围内的第二处理区域113的运行温度范围(例如，一个温度或多个温度)具有最低导热系数。优选地，在一些实施方式中，在第二处理区域113中，运行温度位于800-1300℃，例如1000-1300℃，以实现玻璃以足够快的速率松弛，与此同时，允许发生非常大量的松弛，这导致较低的光纤衰减。优选地，运行温度是1000℃至1250℃。我们发现，在高于15000℃的温度，光纤的平均假想玻璃温度变高，导致较高的光纤衰减。优选地，第二处理区域的运行温度小于或等于1300℃，因为所得到的光纤具有非常低的衰减，例如，在1550nm处≤0.18dB/km以及在1310nm处≤0.32dB/km。在一些实施方式中，所得到的光纤在1310nm处的衰减≤0.31dB/km，或者在1310nm处≤0.30dB/km，或者甚至在1310nm处≤0.29dB/km(例如，1310nm处为0.28-0.29dB/km)。用于第二处理区域113的示例性气体是单原子“稀有气体”，在800℃至1500℃的温度下的平均导热系数小于1.5x10-4卡/cm-s-K，例如，氩气、氪气、氙气和氡气(1个绝对大气压)。但是，第二处理区域的压力可以是例如0.25-1atm绝对压力。可以用于第二处理区域的候选物的其他气体是SF6。导热系数与气体分子的横截面直径和分子质量的平方根成反比，并且还与气体的比热成比例。此外，在给定温度下，低导热系数的气体具有小的比热、大的横截面直径和大的质量。作为单原子分子，稀有气体在所有温度上具有恒定的比热值。相反地，多原子气体(例如，空气、二氧化碳、四氯化碳、氯苯和六氟化硫)具有随温度增加的比热。由于分子内的原子间振荡，使得多原子气体储存能量，从而导致比热增加。这种比热增加解释了为何多原子导热系数随温度增加比单原子气体更多。如图5所示，在第二处理区域113所采用的运行温度下，单原子气体的导热系数远低于多原子气体。
降低第二处理区域113中的气体导热系数的影响如图6-8所示。图6显示，在42m/s拉制速度和1100℃的第二处理区域113的温度，热传输系数下降约40％。图8显示当光纤在Ag中冷却而不是在空气中冷却时，测得从第二处理区域113离开的光纤温度增加约100℃。也就是说，当第二处理区域采用Ag替代空气时，光纤冷却较为缓慢。
在第二处理区域113中采用较缓慢冷却速率的益处如图9所示。图9所示的实验数据显示，当在Ar而不是在空气中冷却时，对于以50m/s拉制速度拉制的光纤的1310nm衰减分布，对应的数值数据显示约为0.0016dB/km的平均衰减下降。(对于第二处理阶段中的运行温度为1165℃的那些光纤实施方式，对于空气冷却光纤，在1310nm的中值衰减约为0.32192dB/km，而对于在Ar中冷却的光纤，中值衰减约为0.32037dB/km。)如图9所示，这种在气体导热系数κ平均不大于1.6x10-4卡/cm-s-K中的缓慢冷却，对于制造低损耗光纤的统计学分布是极为有利的。此外，这种较为缓慢冷却的能力可以起到杠杆作用，有效地增加拉制速度和进一步降低制造成本。
根据本文所揭示的实施方式，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物对于在800℃至1500℃温度范围内的温度的平均导热系数κ平均不大于1.5x10-4卡/cm-s-K。如本文所述，在给定温度范围上的平均导热系数κ平均定义为0.5x(该给定温度范围上的最大导热系数减去同一给定温度范围上的最小导热系数)。在一些实施方式中，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物在800℃至1500℃温度范围内的平均导热系数κ平均不大于1.3x10-4卡/cm-s-K、或者不大于1.2x10-4卡/cm-s-K、或者不大于1.0x10-4卡/cm-s-K、或者不大于0.9x10-4卡/cm-s-K。在一些实施方式中，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物对于在800℃至1500℃温度范围内的温度的平均导热系数κ平均是0.3-1.4x10-4卡/cm-s-K。
根据一些实施方式，优选地，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物在第二处理区域的可运行温度范围内的最大导热系数κ不大于1.6x10-4卡/cm-s-K，例如，2.5x10-5卡/cm-s-K≤κ≤1.6x10-4卡/cm-s-K，或者0.5x10-4卡/cm-s-K≤κ≤1.6x10-4卡/cm-s-K，或者0.6x10-4卡/cm-s-K≤κ≤1.6x10-4卡/cm-s-K。优选地，在第二处理区域中所使用的气体或气体混合物应该处于800-1500℃的温度，例如，低于1300℃的温度(例如，900-1300℃、或者1000-1300℃、或者1100-1275℃)。这提供了在高拉制速率(>30m/s，例如，>40m/s)下的玻璃的快速松弛优势，这导致较低的光纤衰减。根据一些实施方式，优选地，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物在第二处理区域的可运行温度范围内的平均导热系数(在第二处理区域的可运行温度范围内(κ平均＝(最大导热系数+最小导热系数)/2)不大于1.6x10-4cal/cm-s-K，例如：
2.5x10-5卡/cm-s-K≤κ平均≤1.5x10-4卡/cm-s-K，或者
0.5x10-4卡/cm-s-K≤κ平均≤1.5x10-4卡/cm-s-K，
或者0.6x10-4卡/cm-s-K≤κ平均≤1.5x10-4卡/cm-s-K。
根据一些示例性实施方式，在1atm绝对压力下，在第二处理区域K的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物对于800℃至1500℃的范围内的所有温度的导热系数κ是：0.25x10-4卡/cm-s-K≤κa≤1.6x10-4卡/cm-s-K或者≤κa≤1.6x10-4卡/cm-s-K卡/cm-s-K。
根据一些实施方式，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物对于800℃至1500℃、或者900-1300℃、或者1000-1250℃(例如，约1200℃)的平均边界层温度的导热系数κ不大于1.5x10-4卡/cm-s-K。因此，根据一些示例性实施方式(其中，平均边界层温度约为1200℃)，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物在1200℃的导热系数κ是0.5x10-4卡/cm-s-K至约1.5x10-4卡/cm-s-K。类似地，在示例性实施方式(其中，平均边界层温度约为1100℃)，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物在1100℃的导热系数κ优选是0.5x10-4卡/cm-s-K至约1.5x10-4卡/cm-s-K。作为另一个例子，在平均边界层温度约为1000℃的实施方式中，在第二处理区域的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物在1000℃的导热系数κ优选约为0.5x10-4卡/cm-s-K至约1.5x10-4卡/cm-s-K。
根据一些示例性实施方式(其中，平均边界层温度范围是800-1500℃)，在第二处理区域113的冷却过程中，围绕着光纤的气体或气体混合物的导热系数κ约为0.5x10-4卡/cm-s-K至约1.6x10-4卡/cm-s-K，例如，0.5x10-4卡/cm-s-K至约1.5x10-4卡/cm-s-K。(也就是说，根据这些实施方式，气体或气体混合物在位于800℃至1500℃的温度范围内的平均边界层温度的导热系数值κ是0.5x10-4卡/cm-s-K≤κ≤1.6x10-4卡/cm-s-K，或者0.5x10-4卡/cm-s-K≤κ≤1.5x10-4卡/cm-s-K。)
根据至少一些实施方式，该方法包括：以至少30m/s(例如，40-80m/s)的速率拉制光纤，和(在第二处理区域中)以小于5000℃/s的平均冷却速率冷却光纤，其中，冷却使得光纤的温度从1500℃至1700℃的进入温度降低至1200℃至1400℃的另一个温度，这是在气体中进行的，所述气体在800℃至1500℃的温度范围的平均导热系数小于1.5x10-4卡/cm-s-K。在一些实施方式中，气体在800℃至1500℃的温度范围的平均导热系数为0.25x10-4卡/cm-s-K至1.5x10-4卡/cm-s-K。根据一些实施方式，气体是Ar、Kr、Xe和/或Rn或其混合物。根据一些实施方式，光纤拉制速率是30-80m/s。根据一些实施方式，在气体中冷却光纤使得光纤的温度降低了至少100℃。根据至少一些实施方式，在气体中冷却光纤使得光纤的温度降低了至少200℃。根据一些实施方式，在光纤的冷却过程中，气体的温度是800℃至1500℃(例如，800-1300℃、或者900-1250℃、或者1000-1250℃、或者1100-1250℃)。在一些实施方式中，在第二处理区域的光纤冷却过程中，气体或者气体混合物的温度是1000-1300℃。
优选地，在第二冷却区域中，光纤以小于5000℃/s的平均冷却速率进行冷却。在这些实施方式中，在进入第二冷却区域之后的光纤温度(进入温度T3)是1500℃至1700℃，以及第二冷却区域中的冷却使得光纤的温度从进入温度T3降低至另一个温度T4，其中，1200℃≤T4≤1400℃，这是在气体中进行的，所述气体在800℃至1500℃的温度范围上具有小于1.5x10-4卡/cm-s-K的平均导热系数κ平均。在一些实施方式中，气体在800℃至1500℃的温度范围的平均导热系数为0.25x10-4卡/cm-s-K至1.5x10-4卡/cm-s-K并且所述气体处于800℃至1500℃的温度。
图5显示对于数种气体，在大气压下的气体导热系数(k)对于温度的依赖性。
图6显示在1100℃(第二处理区域113的示例性运行温度)和42m/s光纤拉制速度下，对于数种气体计算得到的对流热传输系数h。h值相对于距离进入第二处理区域113的入口的距离作图(即，位于第二处理区域的内部与进入处理阶段113'(本文也称作缓慢冷却装置(SCD)，这在图6实施方式中被称作例如炉2)的入口的距离(单位，cm))。因而，第二处理区域113提供有处理阶段113'，这可以是例如具有基于镍铬铁合金的加热元件的炉(优选运行温度范围为1275℃或更低)或者可以是保持烘箱或炉(其具有二硅化钼加热元件，运行在例如>1300℃的温度)。
在该示例性实施方式中，第二处理区域113的长度L2是800cm。注意到的是，氩气的h值明显低于空气和二氧化碳。注意到的是，第二处理区域113的示例性平均运行温度(气体温度)可以是900-1500℃(例如，1000-1400℃、或者1100-1300℃、或者1100-1250℃)。根据至少一些实施方式，第二处理区域113的中心(即，长度中点)处的气体或气体混合物在第二处理区域113的运行温度的导热系数h小于6.5x10-3卡/cm2-s-K，例如，小于6.0x10-3卡/cm2-s-K，或者小于5.0x10-3卡/cm2-s-K。根据至少一些实施方式，第二处理区域113的中心(即，长度中点)处的气体或气体混合物在第二处理区域113的运行温度的导热系数h是3.0x10-3卡/cm2-s-K至6.5x10-3卡/cm2-s-K，或者3.0x10-3卡/cm2-s-K至6.0x10-3卡/cm2-s-K，或者3.0x10-3卡/cm2s-K至5.0x10-3卡/cm2-s-K。
图7A显示来自拉制炉的出口孔的第二处理区域113内(处理阶段113'内)的计算得到的光纤冷却分布(光纤温度与时间关系)。注意到的是，图的第一部分(时间0至约0.3秒对应第一处理区域内的光纤温度，图的第二部分(时间是约0.3秒至约0.213秒)对应第二处理区域中的光纤温度，以及图的第三段(时间>0.23秒)对应于其离开第二处理区域之后的光纤温度。在该实施方式中，第二处理区域113内的运行温度是1100℃，以及光纤拉制速率是42m/s。注意到，计算预测了相比于空气(层状流)，在氩气环境中较为缓慢的冷却速率。当使用氩气(Ar)时，如图7A所示，在该实施方式中，缓慢冷却区域(即，第二处理区域)中的平均冷却速率近似为1800℃/s。根据一些实施方式，第二处理区域113中的光纤平均冷却速率可以是1450-2500℃/s，例如，1450-2300℃/s，或者1625-2500℃/s。例如，对于类似于图7A所示的Ar冷却实施方式(当在第二处理区域113中使用Ar时)，对于以42m/s拉制的光纤和进入第二处理区域113为1670℃的初始(进入温度)以及第二处理区域113内0.1095秒的停留时间，平均冷却速率(ΔT/Δt)约为1474℃/s。这总结在下表1中，其对比了当第二处理区域113采用Ar与使用空气代替的比较例时，相似条件下计算得到的光纤冷却速率。
表1
Figure BDA0004082167750000171
表1的光纤的拉制速度是42m/s。
图7A还显示对于800-1500℃的温度，在第二处理区域中的气体的导热系数κ是空气的导热系数的0.8倍和0.4倍的情况，计算得到的光纤的冷却分布。从图7A可以看出，使得气体的导热系数相对于对应的空气的导热系数降低20％和60％，导致发生玻璃松弛的感兴趣的光纤温度范围内的冷却速率的明显下降。
图7B显示对于如下实施方式(d)，光纤温度分布与从炉出口离开的时间的关系，该实施方式(d)的拉制速度为50m/s，第二处理区域的温度＝1200℃，以及第二处理区域的位置位于拉制炉下游126cm处(从炉的出口孔开始)。计算得到光纤在进入第二处理区域113时的温度约为1680℃，以及在离开第二处理区域时的温度是1380℃。这些条件下对应的冷却速率如图7C所示。第二处理区域中的冷却速率是1000-4000℃/s。
图7D类似于图7B，但是显示对于以不同拉制速度(35m/s至80m/s)拉制的数种示例性光纤的温度分布与(从炉出口离开的)时间的关系。第二处理区域的入口同样是距离拉制炉出口孔下游126cm处。在第二处理区域中，模型运行温度是1100℃和1200℃，如附图所示。图7D显示在这些示例性实施方式中，当光纤在Ar中冷却时，光纤温度约为1600-1750℃(进入温度T3)，和约1300℃至1400℃(离开温度T4)；以及在这些实施方式中，第二处理区域中间部分的光纤温度是约为1400-1550℃。
图7E对应于图7D的光纤，显示第二处理区域113中的光纤冷却速率(dT/dt)，这在图7D中显示为曲线的平坦部分。(冷却表示为负的dT/dt值)。更具体来说，对于图7D的光纤实施方式，对于刚进入第二处理区域的光纤，dT/dt的绝对值范围小于4000℃/s(即，3000℃/s至4000℃/s)，而对于第二处理区域中部则是500℃/s至2000℃/s。图7E还表明，在这些实施方式中，在离开第二处理区域之后，光纤以较快速率冷却。在图7E的示例性实施方式中，第二处理区域(缓慢冷却区域)的运行温度是1200℃(即，气体温度是1200℃)，以及光纤拉制速度是35-80m/s。
图8显示对于处理阶段113'中的不同气体流，离开第二处理区域113之后(即，处理阶段113'的出口孔处)的光纤所测得的光纤温度。这些数据是用于42m/s拉制速度和处理区域113内1100℃的运行温度，以及图显示的是对于氩气和比较例(空气)的数据。注意到，对于氩气环境的光纤温度数据表明以相同的拉制速度拉制通过相同处理阶段113'的光纤比经受空气环境的光纤热了约100℃，这与图7所示的计算数据是符合的。
图9显示在第二处理区域113(对应于炉或阶段113')中引入氩气对于示例性光纤的1310nm衰减的影响。更具体来说，数据来自一个SMF(单模光纤)，其运行在50m/s拉制速率，第二处理阶段113'运行的温度是1165℃，3/4"入口(喷嘴孔直径)，第二处理区182的入口低于炉的出口。图左侧对应在空气中冷却的光纤，图右侧显示在氩气环境中冷却的光纤的衰减(它们两者都是在保持在相同温度的炉阶段113'中进行冷却)。所有的光纤数据都是大于19km的线轴长度，在拉制“牵引机速度合格”条件下拉制都没有产生点缺陷。我们发现，相比于其他条件类似情况下在空气中冷却的对照光纤，在第二处理区域113内氩气中冷却的图9光纤实施方式展现出1310nm处约0.0012dB/km的衰减下降。
如上文所述，优选地，第一处理区域111中采用的气体或气体混合物平均温度低于第二处理区域113中采用的气体平均温度。处理区域的温度越接近光纤的温度，冷却速率越慢。例如，第一处理区域111可以包括炉111'，其具有可运行温度为200-500℃的处理区，而第二处理区域113可以包括炉113'，其具有平均运行温度为800-1500℃(但是优选为900-1300℃，例如，1000-1300℃)的处理区。
在第二处理区域113中进行加工包括：使得光纤以大于30m/s(例如，30-80m/s，例如，40m/s、50m/s、60m/s、70m/s、80m/s，或者它们之间)的拉制速度通过气体环境。例如，第二处理区域13可以包括炉，所述炉具有热区，其温度是800-1500℃，更优选为800-1300℃。气体环境可以包括如下气体或者可以基本由如下气体构造，所述气体在第二处理区域113的运行温度的导热系数小于1.5x10-4卡/cm-s-K(例如，小于1.25x10-4卡/cm-s-K，或者甚至小于1.0x10-4卡/cm-s-K，例如，在第二处理区域113的运行温度下为0.5x10-4卡/cm-s-K至1.5x10-4卡/cm-s-K)。可以改变气体环境的温度，从而影响第二处理区域中的冷却速率，以实现根据本公开的冷却速率。可以对光纤在第二处理区域113中的停留时间进行调节，从而提供1200-1400℃或者上文所述其他范围的离开温度。
本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。光纤方向还可以从基本水平变化成基本垂直。
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(fluid bearing device)和空气转向装置(air-turn device)。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开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。
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。将制造的光纤切割成所需长度，使其从仍然在进行拉制的光纤分离，形成光纤10。
实施例
采用上文所述的方法制造了数种光纤，并进行评估。降低了光纤假想温度，并且光纤具有改善的衰减。
本文所揭示的实施方式的玻璃光纤10包括用Ge、Cl和/或K掺杂的基于二氧化硅的纤芯1，其被基于二氧化硅(SiO2)的包层12围绕。例如，纤芯可以是Ge掺杂的二氧化硅、Cl掺杂的二氧化硅，或者可以同时包含Ge和Cl。包层12可以包含Fl或者可以不包含Fl，以及可以包含Cl。根据一些实施方式，光纤的平均假想温度小于1475℃。
可以对光纤进行涂覆，经涂覆的光纤包括围绕包层的基于聚合物的涂层13(未示出)，该涂层13可以包括第一涂层和第二涂层。
根据一些实施方式，管线10可以包括：
(i)基于二氧化硅的玻璃纤芯1，其含有GeO2、Cl、K2O或其混合物，纤芯相对于二氧化硅的相对折射率差异为0.1％至0.45％，纤芯1具有残留应力，所述残留应力是值为0MPa至15MPa(例如，在纤芯的至少一个区域中为0.1-15MPa或1-15MPa)的拉伸应力；和
(ii)围绕纤芯的基于二氧化硅的玻璃包层12；以及
(iii)围绕包层的至少一层聚合物涂层13。
根据一些实施方式，至少一部分的光纤包层具有残留应力，所述残留应力是拉伸应力，值为5-40MPa、优选小于35MPa、更优选值为5-30MPa，例如5-25MPa、或者5-20MPa，以进一步改善光纤衰减。
根据一些实施方式，光纤10包括：
(i)基于二氧化硅的玻璃纤芯1，其含有GeO2，纤芯相对于二氧化硅的相对折射率差异为0.25％至0.45％，纤芯1具有残留应力，所述残留应力是值为0MPa至15MPa的拉伸应力；和
(ii)围绕纤芯1的基于二氧化硅的玻璃包层12；以及
(iii)围绕包层12的聚合物涂层13。
在一些实施方式中，包层12包括基于二氧化硅的内包层部分(例如，凹陷折射率部分2，其围绕有外包层部分)。内包层部分可以是例如掺杂了Fl的二氧化硅。
图10A示意性显示一些示例性光纤10的横截面图。如图10A的实施方式所示，光纤10包括纤芯1、包层12，所述纤芯1具有外半径r1，以及所述包层12包含环状包层部分2(其具有外半径r2)和围绕包层部分2的外包层部分3(其具有外半径r3)。图10B-E示意性显示对应于图10A的4种示例性光纤实施方式的数种折射率分布。如图10B-10E所示，纤芯具有最大相对折射率Δ1最大值(相对于纯二氧化硅)，环状包层部分2具有相对折射率Δ2(相对于纯二氧化硅)，以及外包层部分具有相对折射率Δ2(相对于纯二氧化硅)。在图10B-10E所示的实施方式中，Δ1最大值>Δ2和Δ2<Δ3，以及环状包层部分2(包层的凹陷折射率部分，或者凹区)具有残留应力，所述残留应力是值为5-40MPa(优选小于35MPa、更优选值为5-30MPa)的拉伸应力，以进一步改善光纤衰减。
例如，光纤10可以具有保持处于拉伸应力(值为0-15MPa)的纤芯，以及内包层2可以具有值为5-40MPa或者10-40MPa的拉伸应力。在一些实施方式中，内包层2的拉伸应力可以是5-35MPa，或者10-35MPa，或者5-25MPa、5-20MPa。
例如，根据一些示例性实施方式，光纤纤芯的拉伸应力可以是0-13MPa、或者0-10MPa、或者0-7MPa、或者0-5MPa。在至少一些实施方式中，纤芯至少在纤芯的(径向)外半部分处于拉伸应力，约为0.1-13MPa，这围绕了大部分的纤芯区域。在至少一些实施方式中，光纤的内包层部分(环状包层部分2)具有最大残留应力，该残留应力是值小于或等于35MPa(例如，5-30MPa、或5-25MPa、或10-20MPa)的拉伸应力。我们发现，当内包层部分处于5-20MPa的拉伸应力时，进一步改善了光纤衰减。
根据本说明书制备的二氧化硅光纤的假想温度可以小于1450℃、或者小于1400℃、或者小于1350℃、或者小于1300℃、或者小于1250℃、或者小于1200℃、或者小于1150℃、或者小于1100℃。
假想温度是玻璃结构处于平衡时的温度。这可以通过IR(红外)束测量方法测量，采用例如D.L.Kim和M.Tomozawa在“Fictive Temperature of Silica Glass Fiber(二氧化硅玻璃光纤的假想温度)”中所述的方法。如本文所用，光纤的假想温度是光纤径向横截面上的本体假想温度(因为光纤的小横截面，在玻璃光纤的横截面中进行一次测量是足够的)。
根据本说明书制备的二氧化硅光纤10在1550nm处的衰减可以小于0.18dB/km、或者小于0.17dB/km、或者小于0.16dB/km、或者小于0.15dB/km、或者小于0.14dB/km、或者小于0.13dB/km、或者小于0.12dB/km。注意到的是，光纤的假想温度随着光纤通过第二处理区域的冷却速率的增加而降低，以及光纤的衰减随着光纤的假想温度的降低而降低。这是因为，较为缓慢的冷却有助于光纤更为完全的结构松弛，并导致产生具有较低假想温度的光纤。
根据一些实施方式，光纤10在1310nm波长处的模场直径(MFD)为8.2微米<MFD<9.5微米；22米光缆截止<1260nm；以及1550nm处的衰减<0.183dB/km。根据至少一些实施方式，光纤包括由基于二氧化硅的包层围绕的含GeO2的玻璃纤芯，以及光纤的假想温度小于1450℃且1550nm处的衰减小于0.18dB/km。根据一些实施方式，光纤的假想温度小于1300℃或者甚至小于1200℃。例如，根据一些实施方式，光纤的假想温度可以是900-1400℃、或者900-1300℃、或者900-1250℃。在一个实施方式中，光纤的假想温度小于1250℃且1550nm处的衰减小于0.13dB/km。例如，在一个实施方式中，光纤10的假想温度小于1350℃且1550nm处的衰减约为0.13dB/km。例如，在一个实施方式中，光纤的假想温度小于1250℃且1550nm处的衰减约为0.13dB/km。
根据一些实施方式，光纤在1310nm波长处的模场直径(MFD)为8.2微米<MFD<9.5微米；22米光缆截止<1260nm；以及1550nm处的衰减<0.183dB/km。根据至少一些实施方式，光纤包括由基于二氧化硅的包层围绕的含GeO2玻璃纤芯，以及光纤的假想温度小于1450℃且1550nm处的衰减小于0.18dB/km。根据一些实施方式，光纤的假想温度小于1300℃或者甚至小于1200℃。例如，根据一些实施方式，光纤的假想温度可以是900-1400℃、或者900-1300℃、或者900-1250℃。在一个实施方式中，光纤的假想温度小于1250℃且1550nm处的衰减小于0.13dB/km。例如，在一个实施方式中，光纤的假想温度小于1350℃且1550nm处的衰减约为0.13dB/km。例如，在一个实施方式中，光纤的假想温度小于1250℃且1550nm处的衰减约为0.13dB/km。
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 (9)

1.一种加工光纤的方法，其包括以下步骤：
以至少30m/s的拉制速率拉制光纤；
以第一冷却速率冷却光纤；
以小于5000℃/s的平均冷却速率在气体中冷却光纤，从而所述冷却使得光纤的温度从1500℃至1700℃范围内的进入温度下降到1200℃至1400℃范围内的另一温度；
特征在于，气体所处的温度是800℃至1500℃；以及对于1atm绝对压力下的800℃至1500℃范围内的至少一个温度，气体的导热系数κ不大于1.5x10-4cal.cm-1.s-1.K-1，以及第一冷却速率大于5000℃/s，所述第一冷却速率时的所述冷却使得所述光纤温度从第一温度T1下降到第二温度T2，从而T2<T1，所述第一温度T1的范围是1800℃至2100℃以及所述第二温度T2的范围是1600℃至1800℃；以及其中，所述进入温度≤T2。
2.如权利要求1所述的方法，其中：对于1atm绝对压力下的800℃至1500℃的温度范围内，气体的平均导热系数κ不大于1.5x10-4 cal.cm-1.s-1.K-1，并且优选地，对于1atm绝对压力下的800℃至1500℃范围内的所有温度，不大于1.6x10-4 cal.cm-1.s-1.K-1，或者对于800℃至1450℃范围内的所有温度，不大于1.5x10-4 cal.cm-1.s-1.K-1。
3.如权利要求1所述的方法，其中，气体处于：(i)温度为1000℃至1300℃；以及(ii)压力为0.025至1atm，绝对压力。
4.如权利要求1所述的方法，其中：(i)气体是Ar、Kr、Xe或其混合物；以及拉制速率是30m/s至100m/s；或者(ii)气体是Ar、Kr、Xe或其混合物；以及拉制速率是40m/s至100m/s，以及所述气体中的所述冷却是以0.025至1atm绝对压力下的1000℃/s至4000℃/s的平均冷却速率进行的。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述进入温度比所述另一温度高了至少100℃，并且优选高了至少≥200℃。
6.如权利要求1所述的方法，其中，拉制速率是40m/s至100m/s。
7.如权利要求1所述的方法，其中，在所述进入温度与所述另一温度之间进行的光纤的冷却持续超过0.1秒，并且优选持续超过0.2秒。
8.如权利要求1所述的方法，其中，平均冷却速率为1400℃/s至3000℃/s。
9.如权利要求1所述的方法，其中，光纤的冷却包括使得光纤通过处理区域，所述处理区域的温度是800℃至1300℃。
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