加工光纤的方法和系统与流程

加工光纤的方法和系统
1.相关申请的交叉参考
2.本技术根据35 u.s.c.
§
119，要求2020年9月30日提交的美国临时申请系列第63/085,527号的优先权权益，本文其内容作为基础并将其全文通过引用结合于此。


背景技术：
技术领域
3.本说明书大体上涉及加工光纤的设备和方法，更具体来说，涉及在光纤拉制工艺中对光纤进行再加热的设备和方法。
4.背景技术
5.生产光纤的常规制造工艺通常包括从拉制炉向下拉制光纤并沿着线性路径通过光纤拉制塔中的多个生产阶段。一旦拉制离开拉制炉，可以以常规方式冷却光纤以实现所需的光纤性质。
6.为了符合消费者对于光纤的需求，希望在现有的光纤拉制塔中增加光纤生产。为了增加光纤生产，通常增加光纤的拉制速率。然而，增加拉制速率可能导致光纤在各个生产阶段的温度增加，这可能导致光纤质量下降。
7.因此，存在对于在拉制工艺中加工光纤的改进方法和系统的需求。


技术实现要素：

8.本公开内容的第1个实施方式包括光纤的加工系统，其包括：含有光纤预制件的拉制炉；在拉制炉的上游端部与和上游端部相对的下游端部之间延伸的光纤传递路径，其中，从光纤预制件拉制得到的光纤沿着光纤传递路径以光纤传递方向从上游端部传递到下游端部；以及围绕光纤传递路径位于拉制炉下游的火焰再加热装置，其中，火焰再加热装置构造成以大于10,000摄氏度/秒的加热速率将光纤加热了至少100摄氏度，其中，火焰再加热装置包含一个或多个燃烧器，每个包括：具有顶表面和相对底表面的主体，主体内从顶表面延伸穿过主体到底表面的开口，其中，开口构造成使得光纤沿着光纤传递路径通过主体，以及主体内的一个或多个气体出口构造成点燃可燃气体从而形成环绕着开口内的光纤的火焰。
9.本公开内容的第2个实施方式包括实施方式1的系统，其中，开口包括入口部分和相对的出口部分。
10.本公开内容的第3个实施方式包括实施方式2的系统，其中，入口部分和出口部分具有第一直径。
11.本公开内容的第4个实施方式包括实施方式3的系统，其中，第一直径是约0.50英寸至约5英寸。
12.本公开内容的第5个实施方式包括实施方式3的系统，其中，入口部分和出口部分的第一直径靠近开口的中心处减小到第二直径。
13.本公开内容的第6个实施方式包括实施方式5的系统，其中，第二直径是约0.11英寸至约2英寸。
14.本公开内容的第7个实施方式包括实施方式1-6的系统，其中，光纤被加热了至少200摄氏度。
15.本公开内容的第8个实施方式包括实施方式1-7的系统，其中，光纤被加热了至少500摄氏度。
16.本公开内容的第9个实施方式包括实施方式1-8的系统，其中，火焰再加热装置中的光纤的加热速率是至少50,000摄氏度/秒。
17.本公开内容的第10个实施方式包括实施方式1-9的系统，其中，火焰再加热装置中的光纤的加热速率是至少20,000摄氏度/秒。
18.本公开内容的第11个实施方式包括实施方式1-10的系统，其中，光纤传递路径包括拉制炉下游的缓慢冷却装置。
19.本公开内容的第12个实施方式包括实施方式1-11的系统，其中，光纤传递路径包括拉制炉下游的光纤转向装置。
20.本公开内容的第13个实施方式包括实施方式1-12的系统，其中，火焰再加热装置还包括与每个主体的顶表面接触的第一冷却板和与每个主体的底表面接触的第二冷却板，其中，第一冷却板和第二冷却板分别包括延伸穿过冷却板的厚度且与主体内的开口排成一排的开口；冷却板内的一个或多个通道，构造成对冷却流体进行循环；流体连接到所述一个或多个通道的入口，以及流体连接到所述一个或多个通道的出口。
21.本公开内容的第14个实施方式包括实施方式1-13的系统，其中，可燃气体包含氧气以及以下中的一种：甲烷、乙烷、丙烷、一氧化碳(co)或氢气。
22.本公开内容的第15个实施方式包括实施方式1-14的系统，其中，光纤传递路径包括火焰再加热装置下游的缓慢冷却装置。
23.本公开内容的第16个实施方式包括实施方式1-15的系统，其中，火焰再加热装置构造成将光纤加热到大于1100摄氏度的温度。
24.本公开内容的第17个实施方式包括实施方式1-15的系统，其中，火焰再加热装置构造成将光纤加热到大于1200摄氏度的温度。
25.本公开内容的第18个实施方式包括实施方式1-15的系统，其中，火焰再加热装置构造成将光纤加热到大于1300摄氏度的温度。
26.本公开内容的第18个实施方式包括实施方式1-15的系统，其中，火焰再加热装置构造成将光纤加热到大于1400摄氏度的温度。
27.本公开内容的第20个实施方式包括光纤的加工方法，该方法包括：拉制光纤通过拉制炉，传递光纤通过拉制炉下游的火焰再加热装置，其中，火焰再加热装置包含一个或多个燃烧器，每个包括：具有顶表面和相对底表面的主体，主体内从顶表面延伸穿过主体到底表面的开口，其中，光纤穿过开口，以及主体内的一个或多个气体出口；以及点燃通过所述一个或多个气体出口提供的可燃气体，从而形成围绕穿过开口的光纤的火焰，其中，火焰以大于10,000摄氏度/秒的加热速率将光纤加热了至少100摄氏度。
28.本公开内容的第21个实施方式包括实施方式20的方法，还包括以10m/s至80m/s沿着光纤传递路径传递光纤。
29.本公开内容的第22个实施方式包括实施方式21-21的方法，还包括以2slpm至8slpm每个燃烧器的流速向再加热装置提供可燃气体。
30.本公开内容的第23个实施方式包括实施方式22的方法，其中，可燃气体是氧气与以下一种的混合物：甲烷、乙烷或丙烷、一氧化碳(co)或氢气。
31.本公开内容的第24个实施方式包括实施方式20-23的方法，其中，光纤的加热速率是至少50,000摄氏度/秒。
32.本公开内容的第25个实施方式包括实施方式权利要求20-24的方法，其中，火焰再加热装置中的光纤的加热速率是至少20,000摄氏度/秒。
33.本公开内容的第26个实施方式包括光纤的加工系统，其包括：含有光纤预制件的拉制炉；在拉制炉的上游端部与和上游端部相对的下游端部之间延伸的光纤传递路径，其中，从光纤预制件拉制得到的光纤沿着光纤传递路径以光纤传递方向从上游端部传递到下游端部；以及围绕光纤传递路径位于拉制炉下游的光纤再加热装置，其中，光纤再加热装置构造成将光纤从进入光纤再加热装置时的第一温度加热到高于第一温度的目标峰值温度。
34.本公开内容的第27个实施方式包括实施方式26的系统，其中，光纤再加热装置是以下一种：激光装置或者火焰再加热装置，或者诸如等离子体装置之类的其他再加热装置。
35.本公开内容的第28个实施方式包括实施方式27的系统，其中，激光装置是激光功率为100w至5kw的co2激光。
36.本公开内容的第29个实施方式包括实施方式26-28的系统，其中，光纤的拉制速度是2m/s至100m/s。
37.本公开内容的第30个实施方式包括实施方式26-29的系统，其中，光纤具有1310nm处小于0.002db/km以及1550nm处小于0.001db/km的衰减。
38.本公开内容的第31个实施方式包括实施方式26-30的系统，其中，光纤进入光纤再加热装置时的第一温度是约20摄氏度至约1500摄氏度。
39.本公开内容的第31个实施方式包括实施方式26-31的系统，其中，光纤再加热装置中的光纤的目标峰值温度是约900摄氏度至约1600摄氏度。
40.本公开内容的第33个实施方式包括光纤的加工方法，该方法包括：拉制光纤通过拉制炉，传递光纤通过拉制炉下游的光纤再加热装置；以及将具有第一温度的光纤加热到目标峰值温度从而在光纤再加热装置中的光纤的一个区域中获得目标假想温度。
41.本公开内容的第34个实施方式包括实施方式33的方法，其中，光纤再加热装置是以下一种：火焰再加热装置或者构造成引导激光束朝向光纤再加热装置内的光纤的激光装置，或者诸如等离子体装置之类的其他再加热装置。
42.本公开内容的第35个实施方式包括实施方式34的方法，其中，激光装置是激光功率为100w至450w的co2激光。
43.本公开内容的第36个实施方式包括实施方式33-35的方法，其中，光纤的拉制速度是2m/s至100m/s。
44.本公开内容的第37个实施方式包括实施方式33-36的方法，其中，光纤进入光纤再加热装置时的第一温度是约20摄氏度至约1500摄氏度。
45.本公开内容的第38个实施方式包括实施方式33-37的方法，其中，光纤再加热装置中的光纤的目标峰值温度是约900摄氏度至约1600摄氏度。
46.在以下的具体实施方式中提出了本文所述的工艺和系统的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的实施方式而被认识。
47.要理解的是，前述的一般性描述和下文的具体实施方式都描述了各个实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式，并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
48.附图所示的实施方式本质上是示意性和示例性的，并不旨在限制通过权利要求所限定的主题。结合以下附图阅读可以理解如下示意性实施方式的详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：
49.图1a-1c示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式的光纤生产系统；
50.图2a示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图1的光纤生产系统的再加热装置；
51.图2b显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的具有冷却板的再加热装置；
52.图3是根据本文所述一个或多个实施方式的光纤的冷却方法的流程图。
53.图4是根据本文所述一个或多个实施方式的图2的再加热装置中的光纤温度与光纤位置的关系图。
54.图5是根据本文所述一个或多个实施方式的图2的再加热装置中的光纤加热速率与光纤位置的关系图。
55.图6是根据本文所述一个或多个实施方式的实验光纤衰减数据图。
56.图7显示根据本文所述一个或多个实施方式进行再加热的示例性光纤的热力学温度变化和假想温度变化。
具体实施方式
57.下面将详细参见本说明书的示意性实施方式。出于本公开内容的目的，示例性实施方式涉及基于二氧化硅的光纤。基于二氧化硅的光纤包括由纯的二氧化硅、由经掺杂的二氧化硅或者由纯和掺杂二氧化硅的组合制造的光纤。加工条件(例如，温度、冷却范围、冷却速率、拉制速度等)以及性质(例如，假想温度、粘度、衰减、折射率等)参照基于二氧化硅的光纤进行陈述。然而，如本领域技术人员所认识到的，本公开内容的原理延伸至基于其他材料体系的光纤，适当考虑其他材料体系的构成组分的特性(例如，熔化温度、粘度、假想温度、结构松弛的时间规格等)。
58.在常规光纤加工中，通过将玻璃预制件加热到高于软化点以及以大的下拉比进行拉制来形成光纤，以形成具有所需直径的光纤。对于二氧化硅玻璃光纤，预制件直径会是约100mm至约120mm的数量级或更大，以及从预制件拉制得到的玻璃光纤的典型直径是125μm。为了制造二氧化硅玻璃光纤，二氧化硅玻璃预制件加热到高于2000℃的温度，并且以10m/s或更高的速度拉制光纤。由于高的拉制温度、大的下拉比以及快的拉制速度，基于二氧化硅
的光纤的玻璃结构远未平衡并且具有高于1500℃的假想温度。不希望受限于理论，相信二氧化硅玻璃光纤的非平衡结构是二氧化硅玻璃光纤中的信号衰减的明显根本原因。因此，相信可以通过修改加工条件来稳定玻璃结构以及降低玻璃光纤的假想温度来实现光纤中的较低衰减。
59.出于本说明书的目的，假想温度会被用作玻璃结构的指示。相比于具有低假想温度的玻璃，具有高假想温度的玻璃具有更远离平衡的结构。降低了玻璃的假想温度的加工条件产生了具有较低衰减的光纤。
60.显示延长光纤暴露于玻璃转变区域或者靠近玻璃转变区域中的温度的时间段有助于光纤的结构松弛以及降低光纤的假想温度。如本文所用，玻璃转变区域是包括了玻璃转变温度(tg)的温度范围。在一个实施方式中，玻璃转变区域从低于玻璃转变温度延伸到高于玻璃转变温度。对于二氧化硅玻璃光纤，玻璃转变区域通常范围是1200℃至1700℃之间。在低于玻璃转变区域(接近tg区域)可能存在玻璃的额外松弛或者诱发玻璃朝向更近乎平衡状态，这对于基于二氧化硅的光纤而言，对应于1000℃至1200℃的温度。
61.现将详细参考光纤生产方法和系统的实施方式，其例子在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。
62.图1a显示示例性光纤生产系统100，其大致包括：拉制炉110，与拉制炉110连通的马弗炉114，转向装置140，以及转向装置140上游的再加热装置130。图1b显示替代示例性光纤生产系统100，其大致包括：拉制炉110，与拉制炉110连通的马弗炉114，拉制炉110下游的再加热装置130，再加热装置130下游的缓慢冷却装置120，以及缓慢冷却装置下游的转向装置140。图1c显示替代示例性光纤生产系统100，其大致包括：拉制炉110，与拉制炉110连通的马弗炉114，拉制炉110下游的转向装置140，以及转向装置140下游的再加热装置130。图1a-1c显示光纤生产系统100的示例性实施方式。根据本文所述，也可以使用光纤生产系统100的其他替代示例性实施方式。例如，替代示例性光纤生产系统100包括：拉制炉110，与拉制炉110连通的马弗炉114，拉制炉110下游的缓慢冷却装置120，缓慢冷却装置120下游的转向装置140，以及转向装置140下游的再加热装置130。在另一个例子中，替代示例性光纤生产系统100包括：拉制炉110，与拉制炉110连通的马弗炉114，拉制炉110下游的再加热装置130，再加热装置130下游的转向装置140，以及转向装置140下游的缓慢冷却装置120。在另一个例子中，替代示例性光纤生产系统100包括：拉制炉110，与拉制炉110连通的马弗炉114，拉制炉110下游的再加热装置130，再加热装置130下游的第一缓慢冷却装置120，第一缓慢冷却装置下游的转向装置140，以及转向装置140下游的第二缓慢冷却装置120。在一些实施方式中，再加热装置130是沿着光纤传递路径可移动的，从而调节再加热装置与光纤生产系统100的相邻部分之间的间距。在实施方式中，光纤生产系统100可以置于具有大致对应于拉制炉110与转向装置140之间的间距的高度th的拉制塔内。在一些实施方式中，光纤生产系统100可以包括转向装置下游的对光纤进行进一步加工的一个或多个装置，例如光纤涂覆装置等。
63.光纤生产系统100通常限定了从拉制炉110延伸穿过转向装置140的光纤传递路径102。如本文更详细所述，光纤12沿着光纤传递路径102以光纤传递方向101移动。如本文所参照的术语“下游”和“向下”通常指的是光纤生产系统100的组件沿着光纤传递路径102在光纤传递方向101上的相对位置。术语“上游”和“向上”指的是光纤生产系统100的组件沿着
光纤传递路径102在逆传递方向103(其与光纤传递方向102相反)上的相对位置。举例来说，在图1b中，转向装置140在冷却装置120的下游，所述冷却装置120在拉制炉110的下游。类似地，拉制炉110在冷却装置120的上游，所述冷却装置120在转向装置140的上游。在实施方式中，光纤传递路径102大致在拉制炉110的上游端部与和上游端部相对的下游端部之间延伸。在拉制炉110与转向装置140之间，光纤传递路径102大致以纵向方向延伸，其中，拉制炉110的位置在转向装置140的上方。
64.将光纤预制件10放置在拉制炉110中。光纤预制件10可以由任何玻璃或适合制造光纤的材料(例如，二氧化硅玻璃等)构成。在一些实施方式中，光纤预制件10在整个光纤预制件10中可以包括均质组成。在一些实施方式中，光纤预制件10可以包括具有不同组成的区域。
65.拉制炉110包括对光纤预制件10进行加热的一个或多个加热元件112，从而使得可以从光纤预制件10拉制得到光纤12。在实施方式中，加热元件112通常包括适合产生热能的任何元件，例如但不限于感应线圈等。图1a和1b以及1c显示了拉制炉110的截面图，然而应理解的是，在实施方式中，拉制炉110可以限定围绕光纤预制件10的形状。在实施方式中，拉制炉110的取向为纵向取向，从而使得拉制炉110的下游端部位于低于光纤预制件10。随着由于拉制炉110的加热所导致的光纤预制件10的软化，可以从光纤预制件10拉制得到光纤12。通过使得拉制炉110取向为纵向方向，随着光纤预制件10软化，光纤预制件10的部分可能在它们自身重力下屈服以形成光纤12，以及可以沿着光纤传递路径102拉制得到光纤12。在一些实施方式中，光纤生产系统100可以包括位置位于光纤传递路径102的下游端部的光纤收集单元，以及光纤收集单元可以向光纤12施加张力从而沿着光纤传递路径102拉制光纤12。在实施方式中，光纤12包括位置围绕光纤12的纤芯的包层。在实施方式中，包层所包含的折射率不同于光纤的纤芯。例如，在实施方式中，纤芯的折射率可以高于包层，并且可以帮助限制光穿透离开纤芯，例如当光纤12用作光学波导的时候。
66.在实施方式中，一旦光纤12离开拉制炉110，光纤12进入马弗炉114。图1a-1c显示了马弗炉114的截面图，然而类似于拉制炉110，应理解的是，在实施方式中，拉制炉114可以限定围绕光纤传递路径102的形状。在实施方式中，马弗炉114与拉制炉110连通并且可以连接到拉制炉110的下游端部。
67.在实施方式中，马弗炉114所包含的气体环境与拉制炉110是相似或者相同的。例如，在一些实施方式中，在拉制炉110中采用惰性气体或气体混合物，例如氦气或氦气混合物。在一些实施方式中，在拉制炉110中可以采用其他惰性气体或者其他惰性气体混合物，包括但不限于氮气和/或氩气。马弗炉114可以包含与马弗炉114内的拉制炉110相同的惰性气体环境。
68.不受限于理论，氦气具有较高的导热系数并且因此相比于环境空气或者其他气体混合物可以促进来自光纤12的更高的传热速率。因此，在拉制炉110含有包含氦气或氦气混合物的气体环境的实施方式中，马弗炉114内的相同的氦气或氦气混合物气体环境可以有助于相当高效地对马弗炉114内的光纤12进行冷却。
69.在马弗炉14的下游，光纤进入再加热装置130。再加热装置130构造成将光纤10加热到光纤的玻璃转变温度范围内的温度。通过将光纤温度快速加热到玻璃转变温度范围，可以降低光纤的假想温度。作为结果，还可以降低来自光纤纤芯的瑞利散射。在图1a和1b所
示的实施方式中，沿着光纤传递路径102，再加热装置130与马弗炉114和拉制炉110是间隔开的。再加热装置130的实施方式将光纤从进入光纤再加热装置时的第一温度加热到高于第一温度的目标峰值温度。在一些实施方式中，光纤在进入光纤再加热装置130时的第一温度是约20摄氏度至约1500摄氏度，例如约350摄氏度至约500摄氏度。在一些实施方式中，光纤再加热装置130中的光纤的目标峰值温度是约900摄氏度至约1600摄氏度，例如约900摄氏度至约1400摄氏度。本文所述的再加热装置130的实施方式将光纤加热到：大于1100摄氏度的目标峰值温度，或者大于1200摄氏度的目标峰值温度，或者大于1250摄氏度的目标峰值温度，或者大于1300摄氏度的目标峰值温度，或者大于1400摄氏度的目标峰值温度。本文所述的再加热装置130的实施方式将光纤加热了至少100摄氏度，或者至少200摄氏度，或者至少500摄氏度。本文所述的再加热装置130的实施方式对光纤的加热是300摄氏度至1400摄氏度。本文所述的再加热装置130的实施方式对光纤的加热速率是：大于约10,000摄氏度/秒，或者大于约20,000摄氏度/秒，或者大于约30,000摄氏度/秒，或者大于约40,000摄氏度/秒，或者大于约50,000摄氏度/秒。本文所述的再加热装置130的实施方式对光纤的加热速率是50,000摄氏度/秒至60,000摄氏度/秒。光纤随后从目标峰值温度冷却到第二温度，从而在光纤中获得目标假想温度。在一些实施方式中，光纤的第二温度是约700摄氏度至约1400摄氏度。在一些实施方式中，光纤的目标假想温度是约800摄氏度至约1500摄氏度。
70.在一些实施方式中，再加热装置包括受引导光源和光引导器。如本文所用，“光”指的是对于所公开的应用具有实际发射且在光纤玻璃中的吸收不可忽略不计的任何波长。在一些实施方式中，受引导光源可以包括例如：发光二极管(led)、co2激光、co激光、量子级联(qc)激光器、脉冲激光、连续波激光或者紫外光源。如本文所用，“受引导光源”具有充分受限的发散度，使得光可以瞄准对光进行控制、整形、聚集或者任意其他方式处理光的光学件，或者可以瞄准光纤。例如，在一些实施方式中，受引导光源包括数千瓦co2激光。此外，受引导光源可以包括运行在会被光纤吸收的波长范围内的其他高亮度光源。优选地，光具有约3.5微米(μm)至约11微米的波长范围。然而，也可以在更宽的波长范围之间提供光，例如约2微米至约16微米。此外，二氧化硅光纤在紫外发生吸收，并且在一些实施方式中，使用紫外光源用于受引导光。光引导器将光从光源导向光纤拉制上的光纤。如本文所用，“将光导向”包括通过对来自受引导光源的光进行控制、整形、扫描、聚集、失焦或者任意其他方式操控光来对光进行处理，引导导致受引导光入射到光纤。光引导器可以包括：镜子、分束器、扫描镜、平面镜、曲面镜、抛物线形镜、束整形元件(例如，透镜)、中空波导，或其任意组合。此外，在一些实施方式中，光引导器包括多个透镜、镜子或者其他光引导或束整形元件。
71.在一些实施方式中，再加热装置130是火焰再加热装置。图2显示示例性火焰再加热装置130，其包括一个或多个火焰燃烧器，每个包括主体202。在一些实施方式中，火焰再加热装置130具有约10英寸至约150英寸的长度。火焰再加热装置130的长度是沿着光纤传递路径从第一个主体202的进口到最后一个主体202的离开口的间距。在一些实施方式中，火焰再加热装置130具有如下长度：约20英寸至约150英寸，或者约30英寸至约150英寸，或者约40英寸至约60英寸，或者约50英寸至约150英寸。
72.在一些实施方式中，如图2所示，火焰再加热装置130包括4个燃烧器202。火焰再加热装置130可以含有多于或少于示例性实施方式中所述的燃烧器，例如，1个、2个、3个、5个、
6个或者10个或者15个或者20个燃烧器。每个燃烧器主体202具有顶表面210和相对的底表面212。图2a显示具有圆形形状的燃烧器主体202。然而，燃烧器主体202不限于圆形形状并且可以是能够适配在光纤生产系统中的任意其他合适的形状(例如，正方形、矩形)。在一些实施方式中，从燃烧器主体202的底表面210到相邻燃烧器主体202的顶表面210的间距214是可调节的，从而控制达到光纤的热传递。例如，在一些实施方式中，从燃烧器主体202的底表面210到相邻燃烧器主体202的顶表面210的间距214是约2英寸至约10英寸。在一些实施方式中，间距214是约4英寸至约10英寸，或者约6英寸至约10英寸，或者约8英寸至约10英寸。在一些实施方式中，间距214是约2英寸至约8英寸，或者约2英寸至约6英寸，或者约2英寸至约4英寸。在一些实施方式中，间距214是约4英寸至约8英寸或者约6英寸至约8英寸。在一些实施方式中，每个燃烧器能够具有约1,000摄氏度/秒至约20,000摄氏度/秒的加热速率。在一些实施方式中，每个燃烧器能够具有约5,000摄氏度/秒至约20,000摄氏度/秒的加热速率。在一些实施方式中，每个燃烧器能够具有约10,000摄氏度/秒至约20,000摄氏度/秒的加热速率。在一些实施方式中，每个燃烧器能够具有约15,000摄氏度/秒至约20,000摄氏度/秒的加热速率。
73.每个主体202具有从顶表面210延伸穿过主体202到底表面212的开口204。光纤12穿过开口204。在一些实施方式中，开口204包括入口部分和相对的出口部分。入口部分和出口部分具有约0.5英寸至约5英寸的第一直径。在一些实施方式中，第一直径是约1英寸至约5英寸。在一些实施方式中，第一直径是约2英寸至约5英寸。在一些实施方式中，第一直径是约3英寸至约5英寸。在一些实施方式中，第一直径是约4英寸至约5英寸。入口部分和出口部分的第一直径靠近开口的中心处减小到第二直径。在一些实施方式中，第二直径是约0.1英寸至约2英寸。在一些实施方式中，第二直径是约0.5英寸至约2英寸。在一些实施方式中，第二直径是约1英寸至约2英寸。在一些实施方式中，第二直径是约0.1英寸至约1.5英寸。在一些实施方式中，第二直径是约0.1英寸至约1英寸。在一些实施方式中，第二直径是约0.1英寸至约0.5英寸。
74.来自主体202内的一个或多个气体出口208的可燃气体被点燃以形成围绕穿过开口204的光纤10的火焰从而加热光纤10。在一些实施方式中，可燃气体是氧气与以下中的一种的混合物：甲烷(ch4)、乙烷(c2h6)、丙烷(c3h8)、一氧化碳(co)或氢气。在一些实施方式中，所述的甲烷、乙烷、丙烷、一氧化碳(co)或氢气中的一种与氧气之比高于它们的化学计量比。
75.在一些实施方式中，所述一个或多个气体出口208是引导朝向光纤10的多个喷嘴。在一些实施方式中，所述多个喷嘴是2至50个喷嘴，优选3至20个喷嘴，更有选3至12个喷嘴。在一些实施方式中，每个喷嘴与相邻喷嘴等间距放置，从一个喷嘴的中心到相邻喷嘴的中心进行测量。在一些实施方式中，所述多个喷嘴中的每一个具有约100微米至约5mm的直径。在一些实施方式中，每个主体202提供了约2slpm至约8slpm的可燃气体体积流速。
76.在一些实施方式中，所述一个或多个气体出口208是引导朝向光纤10的单个狭缝开口。在一些实施方式中，狭缝开口具有约50微米至约2mm的宽度。在一些实施方式中，狭缝开口具有如下宽度：约100微米至约2mm，或者约500微米至约2mm，或者约1mm至约2mm。
77.在实施方式中，再加热装置130包括多个冷却板。可燃气体的燃烧可能导致燃烧器主体202和光纤10周围的水发生冷凝。对燃烧器进行冷却防止了主体202和光纤10周围的冷
凝。图2b显示燃烧器主体202的示例性实施方式，其具有放置成与主体202的顶表面210接触的第一冷却板214以及放置成与主体202的底表面212接触的第二冷却板214。冷却板214具有延伸穿过冷却板的厚度且与主体202的开口204排成一排的开口216，从而允许光纤沿着光纤传递路径以光纤传递方向从上游端部传递到下游端部。在实施方式中，冷却板214可以具有与主体202相同的形状。例如，冷却板214和主体202这两者都可以具有圆形形状。在实施方式中，冷却板214可以具有不同于主体202的形状。例如，冷却板可以具有矩形形状，而主体202可以具有圆形形状。在实施方式中，冷却板可以放置成仅与主体202的顶表面210接触。在实施方式中，冷却板可以放置成仅与主体202的底表面212接触。每个冷却板214具有板214内的一个或多个通道218从而允许冷却流体的流动。在实施方式中，冷却流体是水。在实施方式中，在进入通道218之前，冷却流体是加热到大于或等于50摄氏度的温度的水，例如约50摄氏度至约60摄氏度。每个冷却板214具有流体连接到通道218的入口220和出口222，从而实现冷却流体循环通过通道218。在一些实施方式中，冷却板维持在高于50摄氏度的温度。
78.图4是根据本文所述一个或多个实施方式的图2的火焰再加热装置中的光纤温度与光纤位置的关系图。图形显示非常靠近火焰再加热装置面的温度的非常剧烈增加。绝大部分的温度增加是在靠近火焰再加热装置中心平面的4英寸(10cm)的空间内。图5是根据本文所述一个或多个实施方式的图2的火焰再加热装置中的光纤加热速率与光纤位置的关系图。图形显示在火焰再加热装置面的约4英寸内，加热速率高于10,000摄氏度/秒。更靠近火焰再加热装置面中心平面，加热速率要高得多，其峰值高于约80,000摄氏度/秒。
79.在如图1b所示的实施方式中，在再加热装置130的下游，光纤12进入第一缓慢冷却装置120。图1b显示了冷却装置120的截面图，然而应理解的是，在实施方式中，缓慢冷却装置120可以限定围绕光纤传递路径102的形状。在图1b所示的实施方式中，沿着光纤传递路径102，缓慢冷却装置120与马弗炉114和拉制炉110是间隔开的。
80.在实施方式中，缓慢冷却装置120在第二入口126与位置与第二入口126相对的第二出口128之间延伸。通常来说，光纤12在第二入口126进入冷却装置120并且在第二出口128离开冷却装置120。冷却装置120包括当光纤12穿过冷却装置120时向光纤12施加热的一个或多个冷却装置加热元件122。在一些实施方式中，所述一个或多个加热元件122通常包括适合产生热能的任何元件，例如但不限于感应线圈等。冷却装置120可以帮助降低当光纤12处于玻璃转变区域时的光纤12的冷却速率。降低光纤12在玻璃转变区域中的冷却速率通常可以帮助实现光纤12的玻璃网络以降低当光纤12用作光学波导时源自瑞利散射的衰减降低的方式进行重排。
81.在一些实施方式中，光纤生产系统100还包括向冷却装置120提供干净空气(即，未受到光纤生产工艺影响的环境空气)的空气流动歧管124。空气流动歧管124可以放置在冷却装置120的下游并且可以与冷却装置120流体连通。
82.转向装置140放置在光纤传递路径102上位于冷却装置120的下游，并且在一些实施方式中，转向装置140改变了光纤传递方向101。例如，在实施方式中，转向装置140包括一个或多个流体轴承等，其对光纤12进行方向改变，改变了光纤传递方向101。在转向装置140的上游，光纤传递方向101大致以纵向方向延伸，以及转向装置140对光纤12进行引导的方向是与纵向方向为横向或者成角度，如图1a或1b或1c所示的实施方式。在转向装置140包括
一个或多个流体轴承的实施方式中，转向装置140通过使得流体(例如，氮气、氩气、氦气或者空气等)撞击到光纤12上来改变光纤12的方向。
83.图3是具有再加热装置130的光纤加工系统中的光纤加工方法的流程图。方法300开始于302：将光纤拉制通过拉制炉。光纤和拉制炉的实施方式如上文所述。接着，在304，光纤传递通过再加热装置130。在一些实施方式中，传递通过再加热装置130的光纤的光纤拉制速度约为2m/s至100m/s，或者在一些实施方式中约为10m/s至80m/s，或者在一些实施方式中约为50m/s至60m/s。用于方法300的再加热装置130的实施方式如上文所述。用于方法300的火焰再加热装置130的实施方式如上文参照图2所述。光纤在第一入口进入再加热装置130并且在第一出口离开再加热装置130。在306，具有第一温度的光纤被加热到目标峰值温度，从而在光纤再加热装置中的光纤区域中获得目标假想温度。在一些实施方式中，光纤在进入光纤再加热装置130时的第一温度是约20摄氏度至约1500摄氏度。在一些实施方式中，光纤再加热装置130中的光纤的目标峰值温度是约900摄氏度至约1600摄氏度。在一些实施方式中，经过再加热的光纤具有1310nm处小于0.002db/km以及1550nm处小于0.001db/km的衰减。
84.对光纤进行拉制的挑战之一在于玻璃基质在形成之后快速冷却。这导致可以执行要求玻璃温度高于某一温度的后续工艺步骤的有限完成时间。经由光纤的再加热还可以降低光纤纤芯的假想温度，这可以降低完成的光纤中的光纤信号的瑞利散射相关衰减。瑞利散射是造成感兴趣波长范围内的光纤衰减的最重要原因。本文所述的方法和设备降低了瑞利散射从而降低了光纤衰减。图7显示以10,000
°
k/s的速率进行加热的示例性锗(ge)掺杂二氧化硅光纤的热力学温度变化与假想温度变化。热力学温度变化和假想温度变化分成四个区。在区1中，光纤的热力学温度低于假想温度，但是热力学温度太低而不能改变假想温度。在区2中，光纤的热力学温度低于假想温度，但是其足够热到来实现假想温度的降低。在区3中，光纤的热力学温度高于其假想温度。在区4中，光纤的假想温度和热力学温度彼此相等，假想温度大于初始假想温度。如果将光纤加热到区2和3，并且然后随着光纤离开再加热区域(即，离开激光再加热装置中的激光斑或者离开火焰再加热装置中的火焰区)突然猝冷，则会将假想温度锁定到低于初始假想温度的数值。然而，如果允许光纤温度提升到非常高温度的区4，并且突然猝冷，则由于更高假想温度的结果光纤损失会升高。
85.图6绘制了光纤在再加热之后的实验光纤衰减数据。图6显示对于对照光纤(没有再加热)、再加热到1200摄氏度的第一光纤以及再加热到1280摄氏度的第二光纤的1310nm和1550nm处的衰减。当光纤加热到大于或等于1250c时，显示出经由光纤再加热的衰减下降。
86.对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因而本说明书旨在涵盖本文所述的各个实施方式的修改和变化形式，条件是这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

技术特征：
1.一种对光纤进行加工的系统，其包括：含有光纤预制件的拉制炉；在拉制炉的上游端部与和上游端部相对的下游端部之间延伸的光纤传递路径，其中，从光纤预制件拉制得到的光纤沿着光纤传递路径以光纤传递方向从上游端部传递到下游端部；以及围绕光纤传递路径位于拉制炉下游的火焰再加热装置，其中，火焰再加热装置构造成以大于10,000摄氏度/秒的加热速率将光纤加热了至少100摄氏度，其中，火焰再加热装置构造成以大于10,000摄氏度/秒的加热速率将光纤加热了至少100摄氏度，其中，火焰再加热装置包含一个或多个燃烧器，每个包括：具有顶表面和相对底表面的主体，主体内从顶表面延伸穿过主体到底表面的开口，其中，开口构造成使得光纤沿着光纤传递路径通过主体，以及主体内的一个或多个气体出口，构造成点燃可燃气体从而形成环绕着开口内的光纤的火焰。2.如权利要求1所述的系统，其中，开口包括入口部分和相对的出口部分。3.如权利要求2所述的系统，其中，入口部分和出口部分具有第一直径。4.如权利要求3所述的系统，其中，第一直径是约0.50英寸至约5英寸。5.如权利要求3所述的系统，其中，入口部分和出口部分的第一直径靠近开口的中心处减小到第二直径。6.如权利要求5所述的系统，其中，第二直径是约0.1英寸至约2英寸。7.如权利要求1所述的系统，其中，光纤被加热了至少200摄氏度。8.如权利要求1所述的系统，其中，光纤被加热了至少500摄氏度。9.如权利要求1所述的系统，其中，火焰再加热装置中的光纤的加热速率是至少50,000摄氏度/秒。10.如权利要求1所述的系统，其中，火焰再加热装置中的光纤的加热速率是至少20,000摄氏度/秒。11.如权利要求1所述的系统，其中，光纤传递路径包括拉制炉下游的缓慢冷却装置。12.如权利要求1所述的系统，其中，光纤传递路径包括拉制炉下游的光纤转向装置。13.如权利要求1所述的系统，其中，火焰再加热装置还包括与每个主体的顶表面接触的第一冷却板和与每个主体的底表面接触的第二冷却板，其中，第一冷却板和第二冷却板分别包括延伸穿过冷却板的厚度且与主体内的开口排成一排的开口；冷却板内的一个或多个通道，构造成对冷却流体进行循环；流体连接到所述一个或多个通道的入口，以及流体连接到所述一个或多个通道的出口。14.如权利要求1所述的系统，其中，可燃气体包含氧气以及以下中的一种：甲烷、乙烷、丙烷、一氧化碳(co)或氢气。15.如权利要求1所述的系统，其中，光纤传递路径包括火焰再加热装置下游的缓慢冷却装置。16.如权利要求1所述的系统，其中，火焰再加热装置构造成将光纤加热到大于1100摄氏度的温度。
17.如权利要求1所述的系统，其中，火焰再加热装置构造成将光纤加热到大于1200摄氏度的温度。18.如权利要求1所述的系统，其中，火焰再加热装置构造成将光纤加热到大于1300摄氏度的温度。19.如权利要求1所述的系统，其中，火焰再加热装置构造成将光纤加热到大于1400摄氏度的温度。20.一种对光纤进行加工的方法，该方法包括：拉制光纤通过拉制炉；将光纤传递通过拉制炉下游的火焰再加热装置，其中，火焰再加热装置包含一个或多个燃烧器，每个包括：具有顶表面和相对底表面的主体，主体内从顶表面延伸穿过主体到底表面的开口，其中，光纤穿过开口，以及主体内的一个或多个气体出口；以及点燃通过所述一个或多个气体出口提供的可燃气体，从而形成围绕穿过开口的光纤的火焰，其中，火焰以大于10,000摄氏度/秒的加热速率将光纤加热了至少100摄氏度。21.如权利要求20所述的方法，其还包括以10m/s至80m/s沿着光纤传递路径传递光纤。22.如权利要求20所述的方法，其还包括以2slpm至8slpm每个燃烧器的流速向再加热装置提供可燃气体。23.如权利要求22所述的方法，其中，可燃气体包含氧气以及以下中的一种：甲烷、乙烷或丙烷、一氧化碳(co)或氢气。24.如权利要求20所述的方法，其中，光纤的加热速率是至少50,000摄氏度/秒。25.如权利要求20所述的方法，其中，火焰再加热装置内的光纤的加热速率是至少20,000摄氏度/秒。26.一种对光纤进行加工的系统，其包括：含有光纤预制件的拉制炉；在拉制炉的上游端部与和上游端部相对的下游端部之间延伸的光纤传递路径，其中，从光纤预制件拉制得到的光纤沿着光纤传递路径以光纤传递方向从上游端部传递到下游端部；以及围绕光纤传递路径位于拉制炉下游的光纤再加热装置，其中，光纤再加热装置构造成将光纤从进入光纤再加热装置时的第一温度加热到高于第一温度的目标峰值温度。27.如权利要求26所述的系统，其中，光纤再加热装置是激光装置或火焰再加热装置中的一种。28.如权利要求27所述的系统，其中，激光装置是激光功率为100w至5kw的co2激光。29.如权利要求26所述的系统，其中，光纤的拉制速度是2m/s至100m/s。30.如权利要求26所述的系统，其中，光纤的衰减为1310nm处小于0.002db/km以及1550nm处小于0.001db/km。31.如权利要求26所述的系统，其中，光纤在进入光纤再加热装置时的第一温度是约20摄氏度至约1500摄氏度。32.如权利要求26所述的系统，其中，光纤再加热装置中的光纤的目标峰值温度是约
900摄氏度至约1600摄氏度。33.一种对光纤进行加工的方法，该方法包括：拉制光纤通过拉制炉；传递光纤通过拉制炉下游的光纤再加热装置；以及将具有第一温度的光纤加热到目标峰值温度，从而在光纤再加热装置中的光纤的区域中获得目标假想温度。34.如权利要求33所述的方法，其中，光纤再加热装置是构造成朝向光纤再加热装置中的光纤引导激光束的激光装置。35.如权利要求34所述的方法，其中，激光装置是激光功率为100w至450w的co2激光。36.如权利要求33所述的方法，其中，光纤的拉制速度是2m/s至100m/s。37.如权利要求33所述的方法，其中，光纤在进入光纤再加热装置时的第一温度是约20摄氏度至约1500摄氏度。38.如权利要求33所述的方法，其中，光纤再加热装置中的光纤的目标峰值温度是约900摄氏度至约1600摄氏度。

技术总结
在一些实施方式中，光纤的加工方法包括：拉制光纤通过拉制炉(110)，传递光纤通过拉制炉下游的火焰再加热装置(130)，其中，火焰再加热装置包含一个或多个燃烧器，每个包括：具有顶表面和相对底表面的主体，主体内从顶表面延伸穿过主体到底表面的开口，其中，光纤穿过开口，以及主体内的一个或多个气体出口；以及点燃通过所述一个或多个气体出口提供的可燃气体，从而形成围绕穿过开口的光纤的火焰，其中，火焰以超过10,000摄氏度/秒的加热速率将光纤加热了至少100摄氏度。加热了至少100摄氏度。加热了至少100摄氏度。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：康宁股份有限公司
技术研发日：2021.09.30
技术公布日：2023/8/14