CN1665749A - 用于玻璃光纤拉丝期间热处理的方法和装置 - Google Patents

用于玻璃光纤拉丝期间热处理的方法和装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种形成光纤的方法，该方法包括由玻璃预制棒以高拉丝速度(例如优选是＞10m/s)拉丝出光纤，对该光纤进行处理(退火或缓慢冷却)如下：将光纤保持在一处理温度范围内一段较短的处理时间(例如＜0－5秒)。优选是，光纤以特定的冷却速率(＞830℃/s但＜4000℃/s)进行冷却。该光纤处理能降低由瑞利散射造成的光纤衰减增加的趋势，和/或降低光纤在形成之后由热老化造成的随时间衰减增加的趋势。还提供了设备，它包括紧挨着拉丝炉出口下游的马弗炉或热老化管，优选是马弗炉或热老化管与拉丝炉相连并密封，以防环境空气进入。还公开了供气装置，例如向拉丝炉提供氦气(He)，向马弗炉或热老化管提供另一种气体(如Ar和N2)用来退火或缓慢冷却经拉丝光纤。

Description

用于玻璃光纤拉丝期间热处理的方法和装置
相关申请
本发明是2002年4月30日提交的美国专利申请10/136,937的部分继续申请，要求其优先权和利益。
发明领域
本发明涉及用于形成光纤的方法和设备，更具体是涉及用来形成具有改进性能的光纤的方法和设备。
发明背景
衰减和对热老化的敏感性是光纤的关键特性，尤其是对于高数据速率光纤而言。在制备光纤时，需要或者希望能将光纤的预定操作窗口中的衰减损失降至最低。光纤在制成之后由于被称作“热老化”的现象会使光纤中的衰减增加。热老化往往会使一些光纤由于光纤环境中的温度波动而在形成之后随时间衰减增加。一般来说，在光谱衰减曲线中，热老化带来的衰减变化在约1200纳米(nm)处就较为明显，并且递增直至约1700nm处。此外，衰减可能是瑞利散射损失的结果。因此，希望有改进的方法能减少由热老化和瑞利散射造成的光纤衰减。
发明概述
本发明的实施方案提供了形成光纤(例如掺杂光纤)的方法和设备。因为光纤是由光纤预制棒以一定拉丝速度和拉丝张力拉丝而成的，所以不希望有的缺陷(如热老化缺陷)会被引入光纤。同样，某些拉丝条件会产生更多的微观密度变化，这会导致瑞利散射增加。为了防止这些缺陷，按照本发明对光纤进行处理，即将光纤保持在热处理温度范围内一段处理时间。具体地说，较好是使经拉丝的光纤经历特定的冷却速率。通过放慢的冷却可以最好地使热老化现象最小化，优选是同时将光纤保持在一定的处理张力范围内。同样，通过使光纤经历特定的冷却速率能减少瑞利反向散射现象。因此，本发明能有利地降低光纤在形成之后随时间衰减增加的趋势，即减少所谓的热老化效应。此外，本发明还减少了造成瑞利散射的微小密度变化，从而降低了光纤的衰减。
玻璃预制棒和由此形成的光纤可以用选自锗、氟、磷、氯或其组合的掺杂剂进行掺杂。具体地说，本发明的发明人发现，一些光纤的折射率分布更易受热老化的影响，例如掺杂剂含量高的光纤被发现非常容易受到热老化的影响。所有的折射率分布显示了瑞利散射造成的衰减。
在各个实施方案中，光纤从拉丝炉装置中被拉丝而成。在一个实施方案中，经拉丝光纤经过处理炉，处理炉的位置较佳地位于基本上紧接在所述拉丝炉的下游。更好是该处理炉直接与所述拉丝炉末端的光纤出口位置相连，其间最好形成密封。这能尽量减少不希望有的空气进入拉丝炉。
在另外的实施方案中，光纤从拉丝炉中拉出，使得经拉丝的光纤最初被第一气体所包围。可以将该经拉丝光纤送过一个无源马弗炉(passive muffle)(没有有源的加热元件)的通道或室来进行处理。所述通道或室优选含有第二气体，该第二气体比第一气体的导热性更低。优选是，气体被混合并从无源马弗炉的末端排出。
根据本发明的一个实施方案，控制光纤在含有第二气体的室内的冷却速率，从而使引入的热老化效应最小。据发现，在约1100℃至约1500℃的温度范围内，在840℃/s和4000℃/s之间的冷却速率能较好地控制光纤的热老化。
本发明的其它实施方案提供了在光纤拉丝之后对其进行处理的方法。具体地说，在光纤的形成条件使其衰减倾向于在形成光纤之后随时间增加的情况下，所述处理有利地减少了热老化效应。光纤如下进行处理：将光纤保持在一处理温度范围内一段处理时间，同时将光纤保持在一处理张力范围内，以减少该光纤在其形成后衰减随时间增加的趋势。
本发明的其它实施方案提供了用于制造热老化缺陷减少了的光纤的设备。在一个实施方案中，拉丝炉中装有经掺杂的玻璃预制棒，由该预制棒可以拉丝出光纤，拉丝速率和拉丝张力足以将热老化缺陷引入光纤。在所述拉丝炉下游放置了一个处理装置。该处理装置用来如下处理光纤：将光纤保持在一处理温度范围内一段处理时间，同时将光纤保持在一处理张力范围内，以减少该光纤在其形成后衰减随时间增加的趋势。
本发明的其它实施方案提供了用于形成和处理光纤的设备。拉丝炉包括出口壁(exit wall)，适合于形成光纤，光纤由出口壁从拉丝炉中出来。处理炉固定在所述拉丝炉的外壳上邻近出口壁的位置，其中有一条通道。处理炉的结构和位置能使得光纤从拉丝炉中出来就进入通道。优选是，该通道和光纤送过的所有通道均具有12mm的最小尺寸，以使得坠头(gob)经过通道掉落。
本发明的其它实施方案提供了形成和处理光纤的设备。拉丝炉包括出口壁，适合于形成光纤，光纤从拉丝炉和出口壁出来。拉丝炉含有第一气体，例如氦气。无源马弗炉(参见以下定义)放置得邻近拉丝炉，其间有一条通道。该通道含有比第一气体导热性更低的第二气体，如氩气。无源马弗炉与出口壁连接，使得环境气体不能从两者间的连接处进入拉丝炉和无源马弗炉。第一气体和第二气体在无源马弗炉中混合，并从其末端排出。
本发明的其它实施方案提供了一种高速制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：由加热的玻璃源(如光纤预制棒)拉丝光纤，拉丝速率大于或等于10m/s，接着对光纤进行热处理，即将光纤保持在一加热的处理区，停留时间大于0.07秒但小于0.25秒，同时使光纤在所述加热的处理区中经历大于1200℃/s但小于5000℃/s的平均冷却速率。
本发明的其它实施方案提供了一种制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：提供一种加热的玻璃预制棒，该预制棒具有氧化锗掺杂的纤芯区和基本上纯的二氧化硅包层区，由加热的玻璃预制棒拉丝光纤，拉丝速率大于或等于15m/s，拉丝张力在25-200克的范围内，在一加热的处理区中对光纤进行热处理，该处理区具有含流量大于10升/分钟的氦气的气氛，光纤进入该加热的处理区的进入温度大于1600℃，光纤从该加热的处理区中出来的离开温度在1300℃至1400℃之间，光纤保持在该加热的处理区中一段大于0.07秒但小于0.15秒的总停留时间，同时控制光纤在该加热的处理区中的平均冷却速率为大于2000℃/s但小于3500℃/s。
本领域普通技术人员在阅读下文的较佳实施方案的详细说明和附图之后能认识到本发明的其它特点和优点，但详细说明只是用来解释本发明的。
附图的简要说明
附图构成说明书的一部分，用来与描述一起说明本发明的实施方案，用来解释本发明的原理。
图1是说明本发明实施方案的光纤制造方法的方框图。
图2是本发明实施方案的光纤形成设备的剖面侧视示意图。
图3是本发明其它实施方案的光纤形成设备的剖面侧视示意图。
图4是本发明其它实施方案的光纤形成设备的剖面侧视示意图。
图5-7是根据本发明形成的数根光纤的Δ(％)与半径(μm)的折射率曲线图。
图8是根据本发明实施方案的光纤拉丝和处理方法的方框图。
图9是可以根据本发明实施方案进行热处理的光纤的折射率分布的图表说明。
图10是本发明实施方案的方法的冷却速率分布的图表说明。
图11是本发明实施方案的光纤拉丝和热处理设备的剖面侧视示意图。
图12是本发明实施方案的另一种光纤拉丝和热处理设备的剖面侧视示意图。
较佳实施方案的详细说明
下文将参考附图更全面地描述本发明，这些附图中示出了本发明的较佳实施方案。但是，本发明可以有许多不同形式的实施方案，不应认为本发明受限于说明书列出的实施方案。相反，提供这些实施方案是使得对于本发明的揭示是全面完整的，使本领域技术人员能完全理解本发明的范围。所有附图中类似的标记用来表示类似的元件。在附图中，为了清楚起见，可能夸大了层、元件或区域。
本发明包括处理经拉丝光纤的方法和用于形成和处理经拉丝光纤的方法，这些方法能减少经处理光纤的热老化敏感性(缺陷)。本文所用的“热老化”是指光纤中导致光纤在最初形成之后光纤内衰减随时间增加的缺陷。从下文说明将更好地理解，本发明的方法和设备能够使得以较高速度和高拉丝张力形成的经拉丝和掺杂的玻璃光纤与以所述速度和拉丝张力拉丝但不进行本发明处理步骤得到的类似光纤相比，热老化敏感性降低了。
参见图1，根据本发明的方法实施方案，例如由合适的经掺杂玻璃坯体或预制棒拉丝出光纤，选定的拉丝速度SD和选定的拉丝张力FD足以将热老化缺陷引入经拉丝的光纤(方框10)。经拉丝光纤的纤芯和包层(如果有的话)之一或两者可以掺杂。一般来说，纤芯是掺杂的，其中可包括多个分层，即包括分层纤芯结构。图5-7说明了数种光纤的折射率分布图的Δ(％)与半径(μm)的关系，这些分布图看来对热老化敏感，并受益于本发明的形成和处理。拉丝期间，拉丝速度SD优选是保持在约2m/s至35m/s的范围内。更好是拉丝速度SD在约6m/s至25m/s之间。对于大多数色散补偿(DC)光纤而言，大于约6m/s的拉丝速度SD会引入一些缺陷，尽管例如对于一些纤维，低至2m/s或以下的拉丝速度也会产生缺陷。拉丝张力FD优选在约25克至200克的范围内，更好是在约90克至200克的范围内。据发现，经掺杂光纤(如DC光纤)以大于约6m/s的拉丝速度被拉伸并保持拉丝张力大于90克时，通常会引入热老化。
应该注意到，在一些情况下，可以通过用不同的拉丝条件操作来减少热老化效应，例如以较低的拉丝速度或以较高的拉丝张力进行操作。然而，这些条件中有一些并不适宜，或是由于经济方面的原因，或是因为所得光纤特性不好。本发明能更经济地制造光纤，并能得到更好的特性，如强度、衰减和均匀性，同时还能制得与未经处理的光纤相比由热老化造成的衰减增加更少的光纤。
如图6和7所示，DC光纤14通常具有纤芯，纤芯包括中央纤芯15、凹陷(moat)16和环(ring)17。中央纤芯15和环17通常包括氧化锗掺杂，而凹陷通常包括氟掺杂。对于所述DC光纤14而言，纤芯15的Δ值通常大于0.8％，优选范围是约0.8-3.0％，而环17的Δ值通常大于0.2％，优选范围是约0.2-1.0％。凹陷16的Δ值通常小于-0.2％，优选范围约为-0.2％至-1.0％。其它光纤类型，如图5所示光纤18也对热老化敏感，可包括纤芯15和环17。
以上述方式引入的热老化缺陷可以通过下述热老化测试方法来检测。首先，将经拉丝光纤冷却至约20℃，然后对光纤进行热循环：将经拉丝光纤保持于200℃ 20小时然后再将其冷却至20℃。然后，测量经拉丝光纤在感兴趣波长范围(通常为1000nm-1700nm)的衰减，测量例如使用光具座进行，如得自Photon Kinetics的PK 2500光谱光具座(spectral bench)或者光时域反射计(OTDR)。经过拉丝(方框10)和上述方式测量的光纤所显示的该经热循环的光纤在感兴趣波长的衰减，与在热循环之前的经冷却光纤(未经热老化的光纤)在1550nm测得的衰减相比，至少增加0.03dB/km至0.25dB/km或更多。由此可以认识到，非常需要按照本发明处理光纤以降低热老化效应，从而使不希望有的衰减增加达到最小。
为了防止上述热老化缺陷，将经拉丝光纤的温度TT保持在选定的温度范围T1至T2内一段选定的时间tT，优选是保持在选定的张力FT下(方框12)。通常，拉丝张力FD与处理张力FT相同。这样，在处理步骤之前存在于经拉丝光纤内的热老化缺陷能够被显著减少，或者甚至可能有效地被消除。
通过下文更详细的说明可以更好地理解上述方法。执行上述步骤的合适和优选的材料和参数列于下文。此外，下文还说明了用于执行上述方法和其它方法的本发明设备。
参见图2，该图示出了本发明实施方案的光纤形成设备100。该设备100通常包括拉丝炉120、处理炉150和张力段(tensioning station)170，图中的张力段是一个牵引组件，用来向经拉丝光纤施加张力。设备100可以用来例如由经掺杂玻璃预制棒102形成经处理的光纤110A。更具体地说，拉丝炉120可用来形成经拉丝光纤束(drawn optical fiber strand)110(下文被称作“经拉丝光纤110”)，此后可使用处理炉150来处理经拉丝光纤110，形成经处理的光纤束110A(下文称作“经处理的光纤110A”)。经处理的光纤110A经过处理以使热老化效应最小。张力段170用来控制并保持光纤110、110A所需张力。还可以包括附加的常规加工步骤，例如非接触式直径测量装置、进一步的光纤冷却装置、用来施涂和固化一次光纤涂层和二次光纤涂层的光纤涂覆和固化装置、卷绕装置。这些附加的加工步骤是常规的，为了清楚起见图中未示出。此外，在处理炉的底部可以使用隔板或移门结构，以使进入该处理炉的空气量最少。
玻璃预制棒102优选由经掺杂的二氧化硅玻璃形成。所形成的该预制棒102可以使得经拉丝光纤的纤芯或包层(如果有的话)之一掺杂，或者使得经拉丝光纤的纤芯和包层都掺杂。二氧化硅玻璃可以用例如锗、氟、磷或氯中的一种或多种或者它们的组合进行掺杂。还可使用其它合适的掺杂剂。如图5-7所示，本发明的发明人发现，经锗掺杂的光纤在大多数制造条件下均显示热老化。用于形成预制棒102的方法和设备是本领域技术人员熟知和容易理解的。这些方法包括IVD、VAD、MCVD、OVD、PCVD等。
拉丝炉120优选包括外壳122，该外壳包围预制棒并具有固定在其下端的凸缘123，该凸缘123用作拉丝炉120的出口壁。该凸缘123中具有轴向开口124，光纤110和先前掉落的玻璃坠头可经过该开口。环形套筒状接受器(susceptor)126(例如可以由石墨形成)沿拉丝炉120延伸，其中具有通道130。该通道130包括上段和下段，上段用来接受和保持光纤预制棒102，当玻璃熔融并从预制棒102上拉出丝来时经拉丝光纤110经过下段。在拉丝最初形成的坠头也经过这一段。通道130的下段与开口124相通。优选的是，将中空的出口锥体139放置在开口124之上。环形绝缘体132和感应线圈136环绕着该接受器126。
一种合适的惰性成纤用气体(inert forming gas)FG(最好是氦气)经过合适的流体入口138被引入到通道130中，气体压力约为1大气压，气体向下流动并经开口124流出拉丝炉120。如图所示和上文描述的拉丝炉120仅仅是合适的拉丝炉的一个例子，本领域技术人员知道有其它设计和结构的拉丝炉，例如可使用其它类型的加热机构、接受器和绝缘体等。
再参见图2，相对的流体通道148沿凸缘123径向延伸，终止于凸缘上表面123A处的开口。通道148还垂直延伸穿过凸缘123并终止于锥体139的外周边附近。还将成纤用气体FG送过通道148的开口，该气体向上流动到锥体139附近，再向下经由锥体139的中央开口流出。成纤用气体FG可以例如是氦气(He)、氮气(N2)、氩气(Ar)或任何其它合适的惰性气体。成纤用气体FG最好是氦气。
处理炉150放置在凸缘123下方，优选是与凸缘123互相连接。处理炉150包括其中具有一个或多个环形加热元件168的加热单元160。加热元件可以例如是电阻或感应加热线圈。处理炉的上端152和下端154分别具有开口152A和154A。沿拉丝通道的开口应足够大以使得拉丝开始时玻璃坠头能够经由该通道掉落。上端152、下端154和套筒146用作处理炉150的外壳。然而，可以理解，还可使用其它的外壳结构和元件。处理炉150优选通过合适装置(如紧固件)固定在拉丝炉120的凸缘123上。
一种大致圆柱形的石英卷盘162放置在加热单元160中。该卷盘162具有通道162A和位于通道相对两端的一对石英凸缘162B。凸缘162B可以例如是熔焊在石英管两端以形成卷盘162。在凸缘152的下表面和和上凸缘162B之间放入第一石墨垫圈(gasket)164。在下凸缘154和下凸缘162B之间放入第二石墨垫圈164。
具有送气通道166A的煤气炉(gas rings)166环绕石墨垫圈164，它具有小孔适合于将吹扫用气体PG导入至石墨垫圈164。该吹扫用气体PG用来减少或防止石墨垫圈164暴露于空气，可以例如是氦气(He)、氩气(Ar)、氮气(N2)或任何其它合适的惰性气体。
吹扫用气体部件159固定于凸缘154的下表面。吹扫用气体PG被泵入吹扫管通道159A，用来防止空气从下方进入通道162A。
石英管162的通道162A的直径尺寸D优选是在其长度方向的所有位置均大于12mm，较好是在12-80mm的范围内，更好是在45-80mm的范围内，以使得拉丝开始时形成的玻璃坠头易于经该通道掉落。处理炉150在凸缘152上表面和凸缘154下表面之间延伸的处理区的长度L优选是在约0.2-3m之间，更好是在0.5-1.0m之间。优选长度L取决于光纤110的拉丝速度，上述优选范围是对于约2-35m/s(更好是6-25m/s)的拉丝速度而言的。
张力段170可以是用来控制经拉丝光纤110中张力的任何合适装置。较好是，张力装置170包括一个微处理器，它能连续接收从一个或多个光纤张力和/或直径传感器(图中未示出)输入的信号，并用来施加所需的光纤张力。在一个优选的实施方案中，指令张力基于将直径控制到等于存储器中存储的设定直径。
设备100如下用来制造经处理的光纤110A。炉感应线圈136工作以将光纤预制棒102的端部102A加热至预定拉丝温度TD。拉丝温度TD优选在约1800-2200℃的范围内。更好是，拉丝温度TD在约1900-2050℃的范围内。将预制棒端部102A保持在预定拉丝温度TD，使得从端部102A沿拉丝方向V(优选是垂直向下)连续地拉出经拉丝光纤110。用张力装置170或其它合适的施加张力装置将光纤110保持于如上所述计算得到的拉丝张力FD，以使得在预定公差范围内满足光纤的设定直径(通常为125μm)。成纤用气体FG(如氦气)从上入口138泵入，经过通道130、124、152A、162A、154A，从吹扫管通道159A排出。
这样，由预制棒102以选定的拉丝速度SD如上所述拉出经拉丝光纤110。用来制造光纤的选定拉丝温度TD和拉丝张力FD导致光纤110具有不希望有的热老化缺陷。也就是说，经拉丝光纤110会显示热老化敏感性，这是以所需速度SD对光纤110进行拉丝的拉丝温度TD和拉丝张力FD带来的结果。
因为处理炉150基本上紧邻着拉丝炉120的开口124，所以经拉丝光纤110从拉丝炉120中出来时不会经历较冷的环境空气的骤冷。此外还减少了氧气进入拉丝炉的可能性，从而使石墨接受器126可能发生的降解最小化。在本发明中，经拉丝光纤110经过通道124，基本上立刻由加热单元160加热。加热单元160将光纤110的温度保持在处理温度TT，该温度在选定的T1至T2的温度范围内。下限温度T1优选在约1100-1400℃的范围内，上限温度T2优选在约1200-1800℃的范围内。更好是，下限温度T1在约1200-1350℃的范围内，上限温度T2在约1300-1450℃的范围内。此外，当光纤110经过通道162A时，将光纤110保持在选定的处理张力FT。优选是，处理张力FT在约25克至200克的范围内，更好是在约90克至170克的范围内。选择处理区的长度L以使得经拉丝光纤110被保持在选定的温度范围T1-T2一段选定的停留处理时间tT。经处理光纤110A经过底部开口154A被送出处理炉150，优选是继续向下到其它加工段(附加冷却、测量、涂覆等)。
共同选择上述处理温度TT、处理张力FT和停留时间tT以减少或消除光纤110中的热老化缺陷或敏感性。因此，如此形成的经处理光纤110A与未经上述方法恰当处理(即使用图1方框12步骤)但其它方面以相同方式形成的光纤110相比，热老化缺陷或敏感性更少。因此，上述方法和设备能获得较高的光纤拉丝速度，其热老化缺陷与以相同速度拉丝得到的未经处理光纤相比热老化缺陷减少了。
优选是，相对配置和固定拉丝炉120和处理炉150并提供气体，以使得从通道130至开口159A是一条气密通道。
参见图3，该图示出了本发明其它实施方案的光纤形成设备200。设备200包括拉丝炉220，对应于拉丝炉120。设备200包括无源处理组件250。组件250被称作“无源”是因为该组件在其任何部分都不包括对应于加热单元160的加热装置。换言之，光纤是在不借助有源加热单元的情况下以受控制的速率冷却的。
设备200包括拉丝炉220和张力段270，分别对应于拉丝炉120和张力段170。优选是，拉丝炉220是具有石墨接受器的类型。无源处理组件250包括具有上凸缘254的管式马弗炉252。马弗炉252通过螺栓或其它紧固件(为了清楚起见图中未示出)直接固定在拉丝炉220的下端壁223上，所述螺栓或其它紧固件延伸穿过凸缘254中的孔并与端壁223咬合。马弗炉252优选是由金属形成，金属例如是不锈钢或铝。
马弗炉252具有位于第一端的上部开口256、相反的位于第二端的下部开口258和延伸于两个开口之间的通道252A。优选是，通道252A的直径E大致均匀且大于12mm，更好是在约12mm至80mm之间，最好是在45-80mm之间。上部开口256与拉丝炉220的下开口224相通。在马弗炉252的侧壁中形成多个轴向间隔的供料口259，沿通道252A的长度方向与其相通。
处理用气流系统260在操作上和流动上与马弗炉252相连。处理用气流系统260包括处理用气源261，该气源通过多支管或管道262在气流上和操作上与每个供料口259相连。处理用气源站261包括选定的处理用气体TG源，以及泵或类似装置，用来将处理用气体TG加压至足以使其流经管道262和供料口259进入通道252A。处理用气源站261可任选地包括加热单元来加热处理用气体TG。然而，优选以20℃提供处理用气体。
设备200可如下用来形成经处理的光纤210A。使用拉丝炉220和张力装置270，由对应于预制棒102的预制棒202以设备100中所述的方式拉丝出光纤210(对应于光纤110)，拉丝温度和拉丝张力足以引入热老化缺陷。在对光纤110进行拉丝时，通过与图2所示相同的入口引入成纤用气体FG。成纤用气体流经围绕预制棒202和光纤210的通道230，经过拉丝炉端壁223中的开口224，通过开口256进入通道252A的第一端。
经拉丝光纤210一从拉丝炉220中出来就立即进入马弗炉252的通道252A。当光纤210经过通道252A时，将处理用气体TG从处理用气源261中泵出，经过至少两个轴向间隔的供料口259(如图3中箭头所示)进入通道252A。处理用气体在不同的阶段流入通道252A并与成纤用气体FG混合。优选是，处理用气体TG于25℃的导热系数k小于约120×10-6cal/(sec)(cm)2(℃/cm)，更好是小于约65×10-6cal/(sec)(cm)2(℃/cm)。处理用气体TG和成纤用气体FG的混合物流经通道252A，从第二端出口258排出。
处理用气体TG的导热性低于成纤用气体FG。优选是处理用气体TG的导热系数低于成纤用气体FG导热系数的40％，更好是低于成纤用气体FG导热系数的20％。处理用气体TG优选氮气或氩气，更好是氩气。成纤用气体FG优选氦气。
当经拉丝光纤210被拉过通道252A时，经拉丝光纤210被保持在选定的处理张力FT，光纤210在通道252A中的处理温度TT保持在选定的温度范围T1-T2一段选定的停留时间tT，正如上文关于设备100所述。以上文关于设备100所述的方式，共同选择所述选定的处理张力FT、温度范围T1-T2和停留时间tT以减少或消除光纤210中的热老化缺陷，从而得到对应于经处理光纤110A的经处理光纤210A。在设备200的情况下，选择无源处理装置250的通道252A的长度M，以根据光纤210的拉丝速度设置所需的停留时间tT。
处理用气体TG的导热系数较低，减缓了从经拉丝光纤210向外的传热，即放慢了经拉丝光纤210的冷却，这样光纤210在通道252A中保持在选定的温度范围T1-T2。可以恰当地选择处理用气体TG的流量、湍流和温度，以提供所需的冷却速率。根据本发明的该实施方案，处理炉250中所需的冷却速率在1200-1500℃的温度范围内是2500-3500℃/秒。
参见图4，该图示出了本发明其它实施方案的光纤形成设备300。该设备300包括具有石墨接受器类型的拉丝炉320。该设备300除了下述不同之外均对应于设备200，并以与设备200相同的方式使用，除了下述不同。
用具有连续通道349A的多片式马弗炉组件349代替马弗炉250。马弗炉组件349包括一个环状马弗炉上段351，该上段包括一凸缘354用来将马弗炉组件349固定在拉丝炉320的出口壁323上。环状马弗炉第二段353固定在马弗炉段351的下端，具有通道353A。在马弗炉353的侧面形成出口357并与通道353A相通。环状马弗炉第三段352固定在马弗炉段353的下端，具有通道352A。环状马弗炉第四段355固定在马弗炉段352下端，具有通道355A。在马弗炉355中形成有进料口359并与通道355A相通。通道349A的直径F优选是大致均匀，且优选大于12mm，更好是在约12-80mm的范围内，最好是在45-80mm的范围内，以沿其长度N基本上恒定的直径为宜。马弗炉组件349的长度N优选在约0.2m至1.0m之间。
此外，在设备300中，采用处理用气流系统360代替处理用气流装置260。气流系统360包括处理用气源361，对应于处理用气源站261。处理用气源站361通过管道362与进料口359不固定地相连(fluidly connected)。气流系统360还包括泵364，它通过管道363与出口357不固定地相连。泵364优选文丘里泵，它具有从其入口365A(如图所示)输入的压缩空气源。
在使用中，处理用气体TG从处理用气源361经由管道362和进料口359引入通道355A。泵364提供足够的真空，结果将至少一部分处理用气体TG抽提上来，经过通道352A和353A，经过出口357和管道363，经由出口365B排出。同时，泵364产生的真空还将成纤用气体FG从拉丝炉320抽提过来，经过通道353A、出口357和管道363，经由泵出口365B排出。这是有利的，因为它防止了两种气体在通道349A下端发生混合。
实施例1
使用拉丝炉，由经掺杂预制棒以14米/秒(m/s)的速率和150克的张力拉丝得到负色散的氧化锗掺杂光纤，该光纤具有如图5所示的包括纤芯和环的分布。然后，将光纤冷却至20℃，再进行如上所述的热老化试验。试验之后，对未经处理的光纤测量其在1550nm的衰减增加，为0.0830dB/km。
用上文所述相同的方式由相同的预制棒拉丝形成第二光纤。该第二光纤一从拉丝炉中出来就立即送入本发明图4所示的处理设备。选择处理炉的长度和工艺参数以使得第二光纤的温度保持于所需温度一段所需的时间。具体地说，通道长度M约为0.615m。这样，光纤保持在约1700℃至约1525℃范围内的温度一段约0.044秒的停留时间，同时光纤中的张力保持在150克。成纤用气体FG为氦气，处理用气体TG为23℃的氩气。此后，将光纤冷却至20℃，然后进行如上所述相同的热老化试验。经处理光纤在1550nm处测得的衰减仅增加了0.027dB/km。因此，对于图5所示的这类光纤而言，经过本发明额外处理步骤的光纤的热老化能降低67％。
实施例2
使用拉丝炉，由预制棒以14米/秒(m/s)的速率和150克的张力拉丝得到负色散的氧化锗和氟掺杂光纤，该光纤具有如图6所示的包括纤芯、凹陷和环的分布。然后，将光纤冷却至20℃，再进行如上所述的热老化试验。试验表明，在200℃加热20小时之后，光纤在1550nm处测得的衰减增加为0.285dB/km。
用上文所述相同的方式由相同的预制棒拉丝形成第二光纤。该第二光纤一从拉丝炉中出来就立即送入本发明图4所示的处理设备进行处理。选择处理炉的长度和工艺参数以使得第二光纤的温度保持在与实施例1相同的条件下。此后，将光纤冷却至20℃，然后进行如上所述相同的热老化试验。经处理光纤在1550nm处测得的衰减增加仅约为0.033dB/km。由此可见，对于这一类具有正Δ纤芯、负Δ凹陷和正Δ环的色散补偿光纤而言，经过额外处理步骤的光纤的热老化剧烈降低(88％)。以上两个实施例采用的冷却速率约为3980℃/s。
实施例3
使用拉丝炉，由预制棒以14米/秒(m/s)的速率和150克的张力拉丝得到氧化锗和氟掺杂的二氧化硅玻璃光纤，该光纤具有如图5所示的负色散及色散斜率和分布。拉丝炉中使用氦气作为成纤用气体。此后，将光纤冷却至20℃，然后进行热老化试验：将光纤在200℃保持20小时。结束后，将光纤再冷却至20℃，在1550nm测得的光纤中衰减增加为0.420dB/km。
用上文所述相同的方式由相同的光纤拉丝形成第二光纤。该第二光纤一从拉丝炉中出来就立即送入本发明图2所示的加热处理设备。马弗炉的长度为0.4m，内径为60mm，选择温度以使得第二光纤的温度保持在约1700℃至约1525℃范围内一段约0.028秒的停留时间，同时光纤中的张力保持在150克。对第二光纤进行如上的热老化试验，在1550nm测得的光纤中的衰减增加为0.0015dB/km。因此，本发明得到热老化下降96％。
表1示出了其它实施例。所列的是实施例号(Ex.)、经过热老化减少处理(经处理)和未经热老化减少处理(未经处理)的衰减变化、经处理的热老化降低％(降低％)、被处理光纤的光纤分布(分布)、被处理光纤中存在的掺杂剂(掺杂剂)、所用的拉丝张力(张力)、所用的拉丝速度(拉丝速度)、所用设备(设备)，以及设备是否包括加热器(加热器)。
表1示出了各个实施例的结果。
  Ex   气体   未经处理dB/km  经处理dB/km   降低％   分布   掺杂剂   张力克   拉丝速度m/s   设备     加热器
  1   Ar   0.083  0.027   67％   图5   Ge   150   14   图4     否
  2   Ar   0.285  0.033   88％   图6   Ge/F   150   14   图4     否
  3   He   0.420  0.0015   96％   图7   Ge/F   150   14   图2     是
  4   He   0.032  0.0155   52％   图5   Ge   150   14   图2     是
  5   He   0.191  0.0175   91％   图6   Ge/F   150   14   图2     是
  6   He   0.560  0.050   91％   图7   Ge/F   150   20   图2     是
  7   Ar   0.141  0.066   53％   图5   Ge   150   20   图3     否
  8   Ar   0.135  0.054   60％   图5   Ge   150   17.5   图3     否
  9   Ar   0.108  0.059   45％   图5   Ge   150   15.0   图3     否
  10   Ar   0.082  0.052   36％   图5   Ge   150   12.5   图3     否
  11   Ar   0.649  0.294   55％   图6   Ge/F   90   15   图4     否
  12   Ar   0.458  0.101   78％   图6   Ge/F   150   20   图4     否
本发明另一个实施方案示于图8-11，参见这些附图进行说明。该实施方案提供了一种用于高速拉丝(拉丝速度大于或等于10m/s)和热处理光纤的方法。图11最好地示出了该实施方案，用光纤形成设备400高速制得经处理光纤。设备400总体包括拉丝炉420和拉丝炉下游的热处理炉450，热处理炉优选与拉丝炉机械连接。设备400可用来如下形成经处理的光纤410A：由加热的玻璃源402(例如光纤预制棒)以高速拉丝，然后使经拉丝光纤经历给定的温度分布变化(例如图10所示的时间-温度分布变化图)，以减少瑞利散射造成的光纤衰减。上述方法对于高速制造具有锗掺杂中央纤芯的光纤而言特别有效，能减少瑞利散射损失从而降低衰减。具体地说，该方法能很好地用来得到具有锗掺杂中央纤芯的光纤的低衰减，即1550nm处的衰减小于或等于0.187dB/km，和/或1310nm处的衰减小于或等于0.327。一种此类光纤例如是单模突变折射率型光纤，如图9所示，该光纤具有锗掺杂的中央纤芯414和包围纤芯并与其邻接的大致纯的二氧化硅包层415。
更具体地说，拉丝炉420可用来高速形成经拉丝光纤束410(下文被称作“经拉丝光纤410”)，此后可使用处理炉450来热处理经高速拉丝形成的光纤410，以形成经处理的光纤束410A(下文称作“经处理的光纤410A”)。经处理的光纤410A经过热处理以较好地减少在工作波长范围内由瑞利反向散射造成的衰减，例如在1310nm处的衰减小于或等于0.327dB/km，优选是在1550nm处的衰减小于或等于0.187dB/km。
应该理解，还可以包括附加的设备来进行热处理步骤之后的后道常规加工步骤。例如，在热处理步骤之后可以用非接触式直径测量装置404来测量光纤的典型直径。此外，光纤冷却装置406可用来将经处理光纤410A进一步冷却至足够低的温度(如低于约100℃)，使聚合物保护涂层能够施涂到经处理光纤410A的外周边。还可提供用于施涂和固化一次聚合物涂层的光纤涂覆装置408A和固化装置408B。此外，额外的涂覆和固化设备可用来施涂和固化二次聚合物涂层(图中未示出)。张力装置470优选地在光纤涂覆之后向其施加所需的拉丝张力。最后，卷盘卷绕装置471和往复式导向器(reciprocating guide)469可用来将经热处理和涂覆的光纤卷绕在卷绕用卷盘473(如运输用卷盘或堆放用卷盘(a shipping or bulk spool))上。此外，处理炉450的底部可使用隔板或移门结构472，以使从出口进入的空气量最少。
操作中，本发明实施方案的方法包括以下步骤：由加热的玻璃源(如光纤预制棒402)拉丝成光纤410，所述预制棒优选包括氧化锗掺杂的中央纤芯区和大致纯的二氧化硅包层区，对应于拉丝后形成的具有氧化锗掺杂的中央纤芯和大致纯的二氧化硅包层的光纤，拉丝速率大于或等于10m/s；接着对光纤进行热处理，将光纤保持在加热的处理区412一段停留时间(优选为大于0.07秒但小于0.25秒)，光纤410在即加热的处理区412中的平均冷却速率为大于1200℃/s但小于5000℃/s，更好是大于2000℃/s但小于5000℃/s，在有些实施方案中，平均冷却速率为大于2000℃/s但小于3500℃/s。例如，当拉丝速度大于或等于20m/s时，平均冷却速率优选是大于2000℃/s但小于5000℃/s。加热的处理区412中的平均冷却速率定义为光纤在入口处“A”的光纤表面温度(即光纤进入表面温度)减去光纤在出口处“B”的光纤表面温度(即光纤离开表面温度)的差除以光纤在处理区中的总停留时间得到的商。
本发明实施方案的方法特别适合用来降低光纤410(如图9所示的标准的突变折射率型单模光纤)由于瑞利散射造成的衰减。该方法特别适用于制造这样的光纤，它具有位于光纤中心线的含锗掺杂剂的中央纤芯414和包括大致纯的二氧化硅的包层415(不含明显改变折射率的掺杂剂)。此处所用术语“中央纤芯”是指光纤在工作时大多数光线被限制在其中的部分，这部分位于光纤的中央部分，其折射率要高于最外层的玻璃包层部分。包层415是光纤410中包围中央纤芯并与其邻接的那部分，包层延伸至光纤玻璃部分的外径(至直径为约125微米处)，其折射率低于中央纤芯414。应该理解，加热的玻璃源预制棒402还包括纤芯区414A和包层区415A(其部分剖面如图11所示)，它们的物理比例和组成大致对应于由该预制棒得到的经拉丝光纤的中央纤芯414和包层415。换言之，纤芯区414A至少掺杂锗，包层区415A由大致纯的二氧化硅形成。
参见图10和11进一步说明本发明实施方案的方法。图10示出了按照本发明形成经热处理的光纤410A的一个较佳的冷却分布图。优选是，在由经加热的玻璃源预制棒402(具有加热至约1800-2200℃的接棒(root)部分)拉丝之后，经拉丝光纤410在时间等于0.0秒时进入处理炉450，以使光纤410在处理炉处理区412的入口位置处(标记为“A”)的光纤进入表面温度优选在1700℃的上限温度411A和1200℃的下限温度411B之间；更好是在1550-1700℃之间，在有些实施方案中大于1600℃。然后，在处理区412中加热光纤410并缓慢冷却，光纤在处理区412中的总停留时间tr应足够长，使得发生局部光纤退火(玻璃在原子尺度上放慢但不均衡的重排)。光纤在热处理区出口(标记为“B”)处的表面温度在1450℃的上限温度413A和1250℃的下限温度413B之间。此处按照本发明的退火降低了瑞利反向散射损失，从而使得经处理光纤410A与未经处理光纤相比，在感兴趣波长(如1310nm和1550nm)处的衰减减少了。
如图11所示，拉丝炉420和处理炉450优选配置形成连续的封闭式通道，用于拉丝步骤和热处理步骤之间光纤的传送。例如，处理炉450可直接安装在拉丝炉420的下凸缘420B上，或者连接在连接件420C(如图示管子)上。当光纤在拉丝炉420和处理炉450之间传送时，处于惰性气氛且不暴露于空气。这能有利地使与拉丝炉420的石墨马弗炉管432接触的空气最少，所述空气会导致石墨马弗炉降解。
如图8所示，在拉丝步骤403和热处理步骤405的过程中，优选含有惰性气体的气氛。惰性气体可以是氦气、氮气、氩气或者它们的混合物。较好是，在拉丝炉顶部的拉丝炉入口420A处提供惰性气体(优选氦气)。惰性气体沿着玻璃源预制棒402旁边流动，在拉丝炉下端与光纤410一起排出拉丝炉420。然后，该气体与光纤一起流动(但通常以不同的速率)经过处理炉450的通道413，经处理炉的下端(即位置“B”)排出。在热处理过程中惰性处理用气体(优选氦气)流经处理炉415的加热处理区412的通道413的流量较好是大于10升/分钟，最好是10-50升/分钟。
可任选地，拉丝炉520还可以在位置上与热处理炉550分开，即拉丝炉的出口端不直接连接在热处理炉的入口端上，如图12的剖面图所示。在这种位置关系中，处理炉550中的气氛可以含有不同于拉丝炉中的气体。例如，在热处理时可以向通道513内提供仅含氩气的气氛或者氦气和氩气的混合气体，以使光纤处于惰性气氛中。例如较好是，拉丝步骤时使拉丝用气体(如氦气)流经拉丝炉520，热处理步骤时向处理炉550提供处理用气体，例如大致纯的氮气、纯氩气，或者大致纯的氩气和大致纯的氦气的混合气体。例如，如图12所示，处理炉550中的处理用气体可以从输入端口511通入，从处理炉底部的515排出。热处理步骤中惰性处理用气体流经处理炉550的加热的处理区512中通道513的流量较好是大于10升/分钟，最好是在10-50升/分钟的范围内。为了清楚起见，图12中未示出额外的处理用组件(如额外的测量装置、冷却器、涂覆/固化装置和卷绕装置)。
在图11的优选实施方案中，光纤410被拉丝经过加热的处理区412，拉丝速率为大于或等于10m/s，更好是大于或等于15m/s，在有些实施方案中为大于或等于20m/s。较好是，光纤410是单模突变折射率型光纤，如图9所示，该光纤具有锗掺杂剂的中央纤芯414和大致纯的二氧化硅包层415。然而应该理解，所述方法也能同样有效地用来处理任何具有锗掺杂中央纤芯的光纤。优选是，纤芯中锗的存在量足以提供相对于包层至少0.3％的相对折射率百分比。光纤410较好是如下进行拉丝：将预制棒402加热至其拉丝接棒有流动稠度(1800-2200℃)并向经涂覆的光纤施加拉丝张力，使用一组张力装置470来提供约25克至约200克之间的张力，更好是约60-170克，最好是约90-150克。在高速和张力下拉丝能大量制得光纤，这些光纤再按照本发明进行热处理，以使所得光纤与未经处理光纤相比衰减进一步降至最小。
将经拉丝光纤410保持在加热的处理区412中，总停留时间大于0.07秒但小于0.25秒，更好是大于0.07秒但小于0.15秒，在有些实施方案中是小于0.1秒。处理之后，光纤从处理区412的出口(位置“B”)离开处理区。光纤410经过处理区412期间的平均冷却速率优选为大于1200℃/s但小于5000℃/s，更好是大于2000℃/s但小于5000℃/s，在有些实施方案中是大于2200℃/s但小于3500℃/s。在处理步骤中，将处理区412的炉壁414加热并保持在合适的温度，以在至少一部分加热的处理区412中提供大于1300℃的通道温度(在光纤通过的通道413中央)，更好是1400-1600℃。热处理步骤通过一个或多个加热器完成，加热器可以例如是电阻式加热器。
在一个优选的实施方案中，处理炉450包括多个单独的加热器(c-h)沿处理炉450的轴向长度方向分开放置。每个加热器都环绕光纤，优选是每个加热器由控制器417单独控制。在热处理步骤中，光纤受到来自多个加热区的热；多个加热区中至少有一个加热区的设定温度不同于另一个加热区(每个加热区大致对应于加热器(c-h)的物理尺寸)。较好是，每个加热器的壁414的温度受到控制器417的控制，以使得加热区c-h中至少有一个具有1400-1600℃的通道温度。在一个优选的工作方式中，控制靠近拉丝炉420的第一区(例如c)中央(位置“c′”)通道温度在1100-1300℃之间，同时控制远离拉丝炉的第二区(例如h)中央(位置“h′”)通道温度在1400-1500℃之间。实际的壁温设定为能实现所需的光纤离开表面温度的条件，以提供所需的冷却速率。例如，若所用气体是除氦气以外的气体，则壁温应设定至较低的温度，因为氩气以及氩气和氦气的混合气体的导热系数较低，这样要达到相同的冷却速率，炉通道温度和光纤温度间的温差就需要更大。
根据本发明的实施方案，优选配置处理炉450的位置以使光纤在进入处理区412时在位置″A″的光纤进入表面温度在1200-1700℃范围内，更好是在1550-1700℃的范围内，在有些实施方案中是大于1600℃。较好的还有，配置处理炉450的长度和工作温度以使得光纤410A在处理区412的出口位置“B”的离开温度在1250-1450℃的范围内，更好是在1300-1450℃范围内，最好是在1325-1425℃的范围内。
根据如图11所示的一个实施方案，光纤410进入处理区450(位置“A”)的进入温度在1550-1700℃的范围内，更好是在1600-1700℃的范围内，经热处理的光纤410A离开处理区412(位置“B”)的离开温度在1300-1450℃的范围内，更好是在1325-1425℃的范围内。
处理炉450的马弗炉管416较好是由大致纯的二氧化硅石英玻璃、陶瓷和/或碳材料制得。处理炉的加热元件优选得自Kanthal的二硅化钼(molydisilicide)高温加热元件。管416的内径优选约为60mm。图12的加热炉结构使得它具有与图11所述相同的组件。
如图12所示，用设备500对光纤510进行拉丝和热处理。光纤510由加热的玻璃源502拉丝而成，拉丝速度大于10m/s，拉丝张力在25-200克之间。向拉丝炉520中提供氦气气氛。优选是在拉丝炉下端使用防止空气进入的装置572，如气罩、可移动的隔板或门结构，以使得可能进入炉膛的空气(会导致石墨马弗炉管526降解)最少。在拉丝炉520下游提供一个多组件的热处理炉550，其结构与图11所示相同，不同的是热处理炉550与拉丝炉520在物理位置上是分开的，它们之间的间隔内光纤经过空气。优选是以图10所示相同的方式配置热处理炉550的热处理区512的冷却温度分布，以使得处理区内的总停留时间在0.07秒至0.25秒之间，处理区512内的平均冷却速率优选为大于1200℃/s但小于5000℃/s，更好是大于2200℃/s但小于3500℃/s。同样，热处理炉550的结构和位置应使得位置A处的光纤进入表面温度在1400-1700℃之间(对于大于或等于15m/s的拉丝速度而言，应在1550-1700℃的范围内)，经热处理的光纤510A在离开处理区512(位置“B”处)的光纤离开表面温度在1325-1425℃之间。
实施例
下表2示出了用图11的处理设备制得的各种实施例(13-18)光纤的结果。
表2
  Ex   气体    拉丝速度(m/s)     拉丝张力(克)     进入温度(℃)     离开温度(℃)     平均冷却速率(℃/s)  tr(s)     区长度L(m)     1310处衰减dB/km     1550处衰减dB/km
  13   He    10     100     1440     1270     1430  0.119     1.19     0.327     0.186
  14   He    15     100     1560     1370     1610  0.118     1.77     0.322     0.185
  15   He    15     100     1560     1270     3670  0.079     1.19     0.326     0.185
  16   He    15     100     1560     1360     2530  0.079     1.19     0.326     0.184
  17   He    24     100     1690     1360     4460  0.074     1.77     0.325     0.187
  18   He    24     100     1690     1380     4190  0.074     1.77     0.325     0.186
实施例13
图11示出了用于制造实施例13的经处理光纤410A的设备400，不同的是本实施例中的处理炉只包括两个加热元件。由预制棒402拉丝形成单模突变折射率型光纤，该光纤具有锗掺杂的二氧化硅纤芯和大致纯的二氧化硅包层。拉丝光纤的拉丝张力为100克。光纤的折射率分布示于图9，选择纤芯Δ折射率分布与半径以使得光纤在1550nm的总色散在16-22 ps/nm/km之间。热处理炉450直接连接在拉丝炉420上，提供了一条封闭通道，大致纯的氦气处理用气体以约23升/分钟的流量从入口420A流入，环绕预制棒402，经过通道413，从位置B流出。两个加热元件的温度均设定为1250℃。处理炉450的处理区412的长度为1.19m，处理炉450的马弗炉管416由纯石英制得，内径为60mm。光纤410以10m/s的拉丝速度进行拉丝，经过处理炉450，在区412中的总停留时间为0.119秒。光纤的进入表面温度为1440℃，光纤的离开表面温度为1270℃。因此，在处理区412中的平均冷却速率为1430℃/s。测量按照该方法制得的光纤的衰减，在1310nm为0.327dB/km，在1550nm为0.186dB/km。
实施例14
同样，图11示出了用来制造实施例14的经处理光纤410A的设备400。在本实施例中，将加热元件c-d、e-f和g-h成对缠绕在一起，以使得例如组合元件c-d用作一个单独的加热元件。同样，e-f和g-h也缠绕在一起，从而制得三个可独立控制的加热元件。由预制棒402拉丝形成单模突变折射率型光纤，该光纤具有锗掺杂的二氧化硅纤芯和大致纯的二氧化硅包层。拉丝光纤的拉丝张力为100克。光纤的折射率分布示于图9，选择该折射率分布以使得光纤在1550nm的总色散在16-22ps/nm/km之间。热处理炉450直接连接在拉丝炉420上，从而形成一条封闭通道，大致纯的氦气处理用气体以约23升/分钟的流量从入口420A流入，环绕预制棒402，经过通道413，从位置B流出。加热元件c-d、e-f和g-h的温度分别设定为1250℃、1450℃和1450℃。处理炉450的处理区412的长度为1.77m，处理炉450的马弗炉管416由纯石英制得，内径为60mm。光纤410以15m/s的拉丝速度进行拉丝，经过处理炉450，在区412中的总停留时间为0.118秒。光纤的进入表面温度为1560℃，光纤的离开表面温度为1370℃。因此，在处理区412中的平均冷却速率为1610℃/s。测量按照实施例14制得的光纤的衰减，在1310nm为0.322dB/km，在1550nm为0.185dB/km。
实施例15
实施例3的设备的结构与实施例13所述相同(只有两个加热元件)。由预制棒402拉丝形成单模突变折射率型光纤，该光纤具有锗掺杂的二氧化硅纤芯和大致纯的二氧化硅包层。拉丝光纤的拉丝张力为100克。光纤的折射率分布示于图9，选择其纤芯Δ与半径以使得光纤在1550nm的总色散在16-22ps/nm/km之间。热处理炉450直接连接在拉丝炉420上，形成了一条封闭通道，大致纯的氦气处理用气体以约23升/分钟的流量从入口420A流入，环绕预制棒402，经过通道413，从位置B流出。两个加热元件的温度均设定为1150℃。处理炉450的处理区412的长度为1.19m，处理炉450的马弗炉管416由纯石英制得，内径为60mm。光纤410以15m/s的拉丝速度进行拉丝，经过处理炉450，在区412中的总停留时间为0.079秒。光纤的进入表面温度为1560℃，光纤的离开表面温度为1270℃。因此，在处理区412中的平均冷却速率为3670℃/s。测量按照该方法制得的光纤的衰减，在1310nm为0.326dB/km，在1550nm为0.185dB/km。
实施例16
图11示出了用来制造实施例16的经处理光纤410A的设备400。加热元件的结构与实施例13和15中所述相同。由预制棒402拉丝形成单模突变折射率型光纤，该光纤具有锗掺杂的二氧化硅纤芯和大致纯的二氧化硅包层。拉丝光纤的拉丝张力为100克。光纤的折射率分布示于图9，选择该折射率分布以使得光纤在1550nm的总色散在16-22ps/nm/km之间。热处理炉450直接连接在拉丝炉420上，形成了一条封闭通道，大致纯的氦气处理用气体以约23升/分钟的流量从入口420A流入，环绕预制棒402，经过通道413，从位置B流出。所用两个加热元件的温度均设定为1300℃。处理炉450的处理区412的长度为1.19m，处理炉450的马弗炉管416由纯石英制得，内径为60mm。光纤410以15m/s的拉丝速度进行拉丝，经过处理炉450，在区412中的总停留时间为0.079秒。光纤的进入表面温度为1560℃，光纤的离开表面温度为1360℃。因此，在处理区412中的平均冷却速率为2530℃/s。测量光纤的衰减，在1310nm为0.326dB/km，在1550nm为0.184dB/km。
实施例17
用于制备实施例17的经处理光纤的设备与实施例14所述相同。由预制棒拉丝形成单模突变折射率型光纤，该光纤具有锗掺杂的二氧化硅纤芯和大致纯的二氧化硅包层。拉丝光纤的拉丝张力为100克。光纤的折射率分布示于图9，选择该折射率分布以使得光纤在1550nm的总色散在16-22ps/nm/km之间。热处理炉450直接连接在拉丝炉420上，从而形成一条封闭通道，大致纯的氦气处理用气体以约23升/分钟的流量从入口420A流入，环绕预制棒402，经过通道413，从位置B流出。加热元件c-d、e-f和g-h的温度分别设定为1150℃、1150℃和1450℃。处理炉450的处理区412的长度为1.77m，处理炉450的马弗炉管416由纯石英制得，内径为60mm。光纤410以24m/s的拉丝速度进行拉丝，经过处理炉450，在区412中的总停留时间为0.074秒。光纤的进入表面温度为1690℃，光纤的离开表面温度为1360℃。因此，在处理区412中的平均冷却速率为4460℃/s。测量按照本方法制得的光纤的衰减，在1310nm为0.325dB/km，在1550nm为0.187dB/km。
实施例18
用来制备实施例18的经处理光纤的设备与实施例14和17中所述的相同。由预制棒402拉丝形成单模突变折射率型光纤，该光纤具有锗掺杂的二氧化硅纤芯和大致纯的二氧化硅包层。拉丝光纤的拉丝张力为100克。光纤的折射率分布示于图9，选择该折射率分布以使得光纤在1550nm的总色散在16-22ps/nm/km之间。热处理炉450直接连接在拉丝炉420上，从而提供一条封闭通道，大致纯的氦气处理用气体以约23升/分钟的流量从入口420A流入，环绕预制棒402，经过通道413，从位置B流出。加热元件c-d、e-f和g-h的温度分别设定为1150℃、1150℃和1550℃。处理炉450的处理区412的长度为1.77m，处理炉450的马弗炉管416由纯石英制得，内径为60mm。光纤410以24m/s的拉丝速度进行拉丝，经过处理炉450，在区412中的总停留时间为0.074秒。光纤的进入表面温度为1690℃，光纤的离开表面温度为1380℃。因此，在处理区412中的平均冷却速率为4190℃/s。测量光纤的衰减，在1310nm为0.325dB/km，在1550nm为0.186dB/km。
下表3示出了使用图11的处理设备的各理论实施例(实施例19-22)的计算结果。
表  3
  Ex   气体    拉丝速度(m/s)     拉丝张力(克)     进入温度(℃)     离开温度(℃)     平均冷却速率(℃/s)  tr(s)   区长度L(m)   1310处衰减dB/km   1550处衰减dB/km
  19   He    10     100     1650     1350     1500  0.200   2.0   0.316   0.183
  20   He    15     100     1650     1370     2110  0.133   2.0   0.318   0.184
  21   He    20     100     1650     1380     2700  0.100   2.0   0.320   0.185
  22   He    24     100     1650     1390     3130  0.083   2.0   0.320   0.185
在表3所示的理论实施例中，应该理解，对于高速处理如图9所示具有氧化锗掺杂的中央纤芯和大致纯的二氧化硅包层的光纤而言，所需的冷却速率优选为大于1200℃/s；更好是大于1200℃/s但小于5000℃/s。热处理区内的总停留时间较好是在0.07-0.25秒之间，更好是在0.07-0.15秒之间。
以上内容用来说明本发明，但本发明不受这些内容的限制。尽管本发明描述了本发明的一些实施方案，但本领域技术人员能容易地想到这些实施方案可以有许多改动而不会实质性偏离本发明的新颖特点和优点。因此，所有这些改动都在本发明权利要求书的范围内。应该理解，说明书的以上内容是对本发明的说明，而非将本发明局限于所揭示的具体实施方案，对所揭示实施方案的改动以及其它实施方案都在权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等同范围来界定。

Claims (56)

1.一种形成光纤的方法，该方法包括：
由经掺杂的玻璃源拉丝光纤，拉丝速度和拉丝张力足以将热老化缺陷引入所述光纤；和
对所述光纤进行如下处理：在一处理温度范围内将所述光纤保持一段处理时间，同时将所述光纤保持在一处理张力范围内，以降低所述光纤在形成之后衰减增加的趋势。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述光纤是用锗掺杂剂掺杂的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述光纤是用选自氟、氯和磷的掺杂剂掺杂的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述处理温度范围是约1100℃至约1500℃。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述处理温度范围是约1200℃至约1450℃。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述处理时间在约0.025秒至0.5秒的范围内。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述处理时间在约0.03秒至0.1秒的范围内。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述处理张力范围是约25克至约200克。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述处理张力范围是约60克至约170克。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述拉丝速度在约2-35m/s的范围内。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述拉丝速度在约6-25m/s的范围内。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于处理步骤还包括以大于830℃/s但小于4000℃/s的冷却速率对所述光纤进行冷却。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述拉丝步骤之后进行所述处理步骤，两者之间没有任何其它处理加工步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于在所述拉丝步骤之后基本上立即进行所述处理步骤。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述拉丝步骤包括在拉丝炉内拉丝光纤；
所述处理步骤包括将拉丝的光纤送过处理炉；和所述处理炉的位置基本上紧挨着所述拉丝炉下游，并与所述拉丝炉的下侧密封。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述拉丝步骤包括在拉丝炉内拉丝光纤，以使得拉丝的光纤最初被第一气体所包围；和
所述处理步骤包括将拉丝的光纤送过无源马弗炉的通道，所述通道含有第二气体，该第二气体的导热系数低于所述第一气体，在通道中第一气体和第二气体混合，从所述无源马弗炉的所述通道末端排出。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于该方法还包括将所述无源马弗炉放置在基本上紧挨着所述拉丝炉下游的位置。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述拉丝炉和所述无源马弗炉的相对放置使得环境空气不能从两者之间的接合处进入所述拉丝炉或所述无源马弗炉。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：
所述无源马弗炉包括邻近所述拉丝炉的入口、在所述入口相反的出口和位于所述入口和所述出口之间的侧向孔口，所述入口、所述出口和所述侧向孔口均与所述通道相通；和
所述处理步骤包括在光纤经过所述通道时，使所述第二气体流经侧向孔口、所述通道和所述出口。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于：
所述无源马弗炉包括邻近所述拉丝炉的入口、在所述入口相反的出口、位于所述入口和所述出口之间的上部侧向孔口和位于所述上部侧向孔口和所述出口之间的下部侧向孔口，所述入口、所述出口、所述上部侧向孔口和所述下部侧向孔口均与所述通道相通；和
所述处理步骤包括在光纤经过所述通道时，使所述第二气体流动经过所述上部侧向孔口、所述通道和所述下部侧向孔口。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于使所述第二气体流动的步骤包括在所述上部侧向孔口施加真空，以使所述第一气体和所述第二气体均通过所述上部侧向孔口被抽出。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述第二气体选自氩、氖、氮和氧。
23.一种制造光纤的设备，该设备包括：拉丝炉，它具有一条通道，该通道容纳有可由其拉丝出光纤的光纤预制棒，和具有第一导热系数的成纤用气体；位于所述拉丝炉下游的热老化处理装置，该处理装置包括处理管和与该处理管不固定地相连的处理用气体分配器，所述气体分配器具有至少两个轴向间隔的供料口，该供料口与所述处理管在至少两个轴向间隔的位置相连，能够在至少两个轴向间隔的位置向所述处理管提供处理用气体。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于所述处理装置还包括环绕所述马弗炉管的处理炉，所述处理炉包括至少一个加热元件。
25.一种制造光纤的设备，该设备包括：
拉丝炉，它具有一条适合容纳可由其拉丝出光纤的光纤预制棒的通道，该通道内有一种具有第一导热系数的第一气体；位于所述拉丝炉下游的热老化处理装置，该处理装置包括处理管和与该处理管连接的第二气体源，所述第二气体的导热系数低于所述第一气体，所述处理管的最小尺寸至少为12mm。
26.一种用于形成和处理光纤的设备，该设备包括：
拉丝炉，它包括出口壁并适合于形成光纤以使所述光纤由出口壁离开拉丝炉，所述拉丝炉中有第一气体，所述第一气体也从所述出口壁离开拉丝炉；
邻近所述拉丝炉的无源马弗炉，它具有第一端和第二端以及由此限定的一条通道，该通道中有第二气体，该第二气体的导热系数低于所述第一气体，所述第一气体从第一端进入所述通道，所述第一气体和所述第二气体在所述无源马弗炉中混合，从所述第二端排出；所述无源马弗炉在所述第一端与所述出口壁连接，以使得环境空气不能从两者之间的接合处进入所述拉丝炉或所述无源马弗炉。
27.如权利要求26所述的设备，其特征在于所述第二气体选自氩、氖、氮和氧。
28.一种制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：
由加热的玻璃源拉丝出光纤，拉丝速度大于或等于10m/s；
对所述光纤进行如下热处理：将光纤保持在一加热的处理区内，总停留时间大于0.07秒但小于0.25秒，同时使所述光纤在所述处理区内经历的平均冷却速率为大于1200℃/s但小于5000℃/s，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的差除以光纤在处理区内的总停留时间得到的商。
29.如权利要求28所述的制造光纤的方法，其特征在于所述拉丝步骤还包括将光纤形成为具有氧化锗掺杂的中央纤芯和包括大致纯的二氧化硅的包层。
30.如权利要求28所述的制造光纤的方法，其特征在于该方法还包括在所述拉丝步骤和所述热处理步骤期间提供含氦气的气氛的步骤。
31.如权利要求28所述的制造光纤的方法，其特征在于该方法还包括在所述热处理步骤期间使位于所述热处理区内的光纤处于含氦气和氩气的气氛中的步骤。
32.如权利要求28所述的制造光纤的方法，其特征在于该方法还包括如下步骤：在所述热处理步骤过程中在至少一部分所述加热的处理区内使光纤处于大于1300℃的炉温。
33.如权利要求32所述的制造光纤的方法，该方法还包括在所述热处理步骤过程中使光纤处于多个加热区的步骤，所述多个加热区中至少一个加热区的设定温度不同于所述多个加热区中另一个加热区的设定温度。
34.如权利要求33所述的制造光纤的方法，该方法还包括如下步骤：控制所述多个加热区中的所述至少一个加热区的温度，使其具有1400-1600℃范围内的温度。
35.如权利要求33所述的制造光纤的方法，该方法还包括以下步骤：控制靠近所述拉丝炉的第一区的温度使其具有在1100-1300℃范围内的温度，控制拉丝炉更下游的第二区的温度，使其具有1400-1500℃范围内的温度。
36.如权利要求32所述的制造光纤的方法，该方法还包括如下步骤：形成一条供光纤在所述拉丝步骤和所述热处理步骤之间传送的连续的封闭式通道，以使得所述光纤不与空气接触。
37.如权利要求28所述的制造光纤的方法，该方法还包括如下步骤：在所述热处理步骤过程中，使流量为10-50升/分钟的惰性气体流经所述加热的处理区。
38.如权利要求28所述的制造光纤的方法，该方法还包括如下步骤：使光纤进入所述处理区时的所述光纤进入表面温度在1200-1700℃的范围内。
39.如权利要求28所述的制造光纤的方法，该方法还包括如下步骤：使光纤进入所述处理区时的所述光纤进入表面温度在1550-1700℃的范围内。
40.如权利要求28所述的制造光纤的方法，该方法还包括如下步骤：使所述光纤的光纤进入表面温度大于1600℃。
41.如权利要求28所述的制造光纤的方法，该方法还包括如下步骤：在所述处理区的出口处使所述光纤离开表面温度在1250-1450℃的范围内。
42.如权利要求41所述的制造光纤的方法，其特征在于所述光纤离开表面温度在1325-1425℃的范围内。
43.如权利要求28所述的制造光纤的方法，该方法还包括如下步骤：
使光纤进入所述处理区时的所述光纤进入表面温度在1550-1700℃的范围内，
使光纤离开所述处理区时的所述光纤离开表面温度在1325-1425℃的范围内。
44.如权利要求28所述的制造光纤的方法，其特征在于所述平均冷却速率大于1200℃/s但小于5000℃/s。
45.如权利要求44所述的制造光纤的方法，其特征在于所述平均冷却速率大于2000℃/s但小于3500℃/s。
46.如权利要求44所述的制造光纤的方法，其特征在于所述平均冷却速率大于2500℃/s但小于3500℃/s。
47.如权利要求28所述的制造光纤的方法，其特征在于所述总停留时间为大于0.07秒但小于0.15秒。
48.如权利要求28所述的制造光纤的方法，其特征在于所述总停留时间为小于0.10秒。
49.如权利要求28所述的制造光纤的方法，其特征在于所述拉丝速度为大于或等于15m/s。
50.如权利要求49所述的制造光纤的方法，其特征在于所述拉丝速度为大于或等于20m/s。
51.如权利要求28所述的方法，其特征在于在约25克至约200克范围内的拉丝张力下拉丝所述光纤。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于所述拉丝张力在约60克至约170克的范围内。
53.如权利要求28所述的方法，其特征在于所述加热的玻璃源是光纤预制棒，它包括锗掺杂的中央纤芯区和大致纯的二氧化硅包层区，所述拉丝速度为大于或等于20m/s，光纤在所述加热的处理区内的所述平均冷却速率为大于2000℃/s但小于5000℃/s。
54.如权利要求28所述的方法，其特征在于所述加热的玻璃源是光纤预制棒，它包括氧化锗掺杂的中央纤芯区和大致纯的二氧化硅包层区，所述拉丝速度为大于或等于15m/s，所述热处理步骤包括使光纤进入所述加热的处理区时的光纤进入表面温度为大于1600℃，使光纤离开所述加热的处理区时的光纤离开表面温度为大于1350℃，所述加热的处理区内光纤的平均冷却速率为大于2000℃/s但小于3500℃/s，所述加热的处理区的温度为大于1300℃。
55.如权利要求28所述的方法，其特征在于所述加热的玻璃源是光纤预制棒，它包括氧化锗掺杂的中央纤芯区和大致纯的二氧化硅包层区，所述热处理步骤包括使光纤进入所述加热的处理区时的光纤进入表面温度在1500-1700℃之间，使光纤离开所述加热的处理区时的光纤离开表面温度为在1350-1400℃之间，所述加热的处理区内光纤的平均冷却速率为大于2000℃/s但小于3500℃/s。
56.一种制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：
提供加热的玻璃预制棒，该预制棒具有氧化锗掺杂的中央纤芯区和大致纯的二氧化硅包层区，
由加热的玻璃预制棒拉丝出光纤，拉丝速度为大于或等于15m/s，拉丝张力在25-200克的范围内，
在加热的处理区内对所述光纤进行热处理，该处理区中具有流量大于10升/分钟的氦气气氛，光纤进入所述加热的处理区时的光纤进入表面温度大于1600℃，光纤离开所述加热的处理区时的光纤离开表面温度在1300-1400℃的范围内，光纤在所述加热的处理区内的总停留时间大于0.07秒但小于0.15秒，同时将光纤在所述加热的处理区内的平均冷却速率控制在大于2000℃/s但小于3500℃/s的范围内。
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