CN109996770A - 使光纤冷却以获得低假想温度的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了具有低假想温度的光纤及制造所述光纤的方法。非单调的冷却包括工艺路径的上游部分中的较慢的冷却速率以及工艺路径的下游部分中的较快的冷却速率。降低光纤的假想温度通过控制光纤的周围温度以减慢工艺路径的上游部分中的光纤的冷却速率来实现，所述工艺路径的上游部分对应于光纤粘度足够地低以允许进行有效的结构松弛的光纤温度范围。增加工艺路径的下游部分中的冷却速率允许根据需要调节光纤温度以满足下游加工单元的入口温度要求。在较快的拉制速度下，通过非单调地冷却光纤温度获得了较低的光纤假想温度和较低的光纤衰减。

Description

使光纤冷却以获得低假想温度的方法
本申请根据35U.S.C.§119要求2016年12月1日提交的系列号为62/428,739的美国临时申请以及2016年10月5日提交的系列号为62/404,345的美国临时申请的优先权权益，本申请以二者的内容为基础，并通过参考将其全文纳入本文。
技术领域
本说明书涉及光纤。更具体地，本说明书涉及具有低假想温度的光纤。具有低假想温度的光纤表现出低的光学信号衰减。本说明书还涉及受控冷却以形成具有低假想温度的光纤的方法。
背景技术
在制造光纤时，将光学预制件加热到显著高于玻璃软化点的温度，然后以大的下拉比拉制形成直径为125μm的光纤。由于拉制温度高、下拉比大且拉制速度快，因此玻璃远达不到平衡态，导致形成具有高假想温度的光纤。高的假想温度是不期望的，因为已知高的假想温度与光纤中的光学信号衰减增加有关。为了减少光纤衰减，期望改进加工条件以生产具有较低假想温度的光纤。
降低假想温度的努力着重于缓慢冷却以将光纤稳定在更接***衡态的状态。使光纤在光纤的玻璃化转变范围中的温度下长时间冷却是降低假想温度的一个策略。然而，在现有的光纤加工***中，在光纤制造中使用的拉制速度下，假想温度可以降低的程度是有限的，因为光纤在玻璃化转变范围内的温度下的停留时间太短(通常<0.2秒)而不能使玻璃结构显著松弛。由于停留时间短，因此玻璃的结构仍然远达不到平衡态并且光纤的衰减对于许多应用来说仍然太高。将期望开发能够生产出具有低假想温度的光纤的加工方法，从而可获得衰减减少的光纤。
发明内容
描述了具有低假想温度的光纤及制造所述光纤的方法。在光纤拉制期间管理光纤的冷却速度使得能够控制光纤的假想温度。非单调的冷却速率被证明能促进降低光纤的假想温度。非单调的冷却包括工艺路径的上游部分中的较慢的冷却速率以及工艺路径的下游部分中的较快的冷却速率。降低光纤的假想温度通过控制光纤附近的周围温度以减慢工艺路径的上游部分中的光纤的冷却速率来实现，所述工艺路径的上游部分对应于光纤粘度足够地低以允许进行有效的结构松弛的光纤温度范围。增加工艺路径的下游部分中的冷却速率允许根据需要调节光纤温度以满足下游加工单元的入口温度要求。在较快的拉制速度下，通过非单调地冷却光纤获得了较低的光纤假想温度和较低的光纤衰减。
本公开扩展至：
一种加工光纤的方法，其包括：
以第一冷却速率将光纤从第一光纤温度冷却到第二光纤温度，所述第一冷却速率小于5000℃/s；
以第二冷却速率将所述光纤从第三光纤温度冷却到第四光纤温度，所述第三光纤温度小于或等于所述第二光纤温度，所述第二冷却速率大于所述第一冷却速率并且小于5000℃/s。
本公开扩展至：
一种加工光纤的方法，其包括：
沿着工艺路径，在缓慢冷却装置中将光纤从第一光纤温度冷却到第二光纤温度；所述缓慢冷却装置具有入口、出口和受控冷却区域；所述光纤以所述入口处的所述第一光纤温度进入所述缓慢冷却装置，所述光纤以所述出口处的所述第二光纤温度离开所述缓慢冷却装置；所述受控冷却区域包括用于加工所述光纤的两个或更多个区；各个所述区具有平均周围温度、最大周围温度和最小周围温度；各个所述区中的所述平均周围温度不同；在各个所述区中，所述最大周围温度与所述最小周围温度之间的差小于25℃；各个所述区以小于5000℃/s的平均冷却速率冷却所述光纤。
本公开扩展至：
一种加工光纤的方法，其包括：
以大于42m/s(米/秒)的拉制速度从预制件拉制光纤，所述光纤的假想温度小于1540℃。
本公开扩展至：
一种用于加工光纤的设备，其包括：
缓慢冷却装置，所述缓慢冷却装置具有用于接收光纤的入口，用于输送光纤的出口，以及在所述入口与所述出口之间的受控冷却区域，所述受控冷却区域包括用于加工光纤的两个或更多个区，所述两个或更多个区包括保持在第一周围温度的第一区和保持在第二周围温度的第二区，所述第一区在所述第二区的上游，所述第二周围温度为至少500℃，所述第一周围温度比所述第二周围温度高至少100℃。
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的技术人员而言是容易理解的，或通过实施书面说明书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，上文的一般性描述和下文的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
包括的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。附图是对本说明书的所选方面的例示，其与说明书一起对本说明书所包含的方法的原理和操作、产品以及组成进行解释。附图所示的特征是本说明书所选的实施方式的例示并且不一定以适当的比例描绘。
附图说明
尽管说明书以权利要求书结束并且权利要求书具体指出并明确要求保护本书面说明书的主题，但是认为当结合附图时能够从以下的书面说明书中更好地理解本说明书，其中：
图1描绘了具有拉制炉和缓慢冷却装置的光纤加工***和方法。
图2描绘了具有拉制炉、具备多个加工区的缓慢冷却装置、以及光纤绕转装置的光纤加工***和方法。
图3描绘了针对图2的***和方法的三种构造的周围温度分布。
图4描绘了具有图3所示周围温度分布的三种构造的模型化光纤温度和光纤假想温度。
图5描绘了具有恒定的周围温度分布以及分级的周围温度分布的缓慢冷却装置的模型化光纤温度冷却速率。
附图所示的实施方式本质上是示例性的，并且不旨在限制具体实施方式或权利要求书的范围。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特征。
具体实施方式
本公开作为能够实施的教导来提供，并且参考以下描述、附图、实施例、权利要求书，可以更容易地理解本公开。为此，本领域技术人员应当意识和体会到，可以对本文所述的实施方式的各个方面进行各种改变，同时仍然能够获得有益效果。还显而易见的是，本实施方式的期望益处中的一部分可以通过选择一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域技术人员应认识到，许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是希望的，并且是本公开的一部分。因此，应理解，本公开不限于公开的具体的组合物、制品、装置和方法，另有说明的除外。还应当理解，本文所使用的术语仅仅是为了描述特定的方面，而不是旨在起限制作用。
在本说明书和所附的权利要求书中提到了许多术语，这些术语应具有以下含义：
光纤温度是指玻璃光纤的芯体区域和包覆区域的平均温度。
假想温度是指玻璃光纤的芯体区域和包覆区域的平均假想温度。
周围是指在加工期间光纤所暴露的环境。
周围温度是指在加工期间光纤所暴露的环境的温度。
现将具体参考本说明书的说明性实施方式。
本说明书提供了具有低衰减和低假想温度的光纤，以及以高拉制速度进行所述光纤制造的方法。所述光纤在1550nm的波长下展现出小于0.200dB/km的光学信号衰减。通过包括受控冷却光纤的方法来制备所述光纤。所述受控冷却允许生产假想温度低于1550℃的光纤。在以大于40m/s的拉制速度下操作的光纤拉制方法中获得光纤的所述衰减和假想温度。
在各个实施方式中，光纤在1550nm的波长下的衰减小于0.200dB/km、或小于0.195dB/km、或小于0.190dB/km、或小于0.185dB/km、或在0.170db/km–0.200dB/km的范围内、或在0.175db/km–0.195dB/km的范围内、或在0.180db/km–0.190dB/km的范围内。
在各个实施方式中，光纤在1310nm的波长下的衰减小于0.340dB/km、或小于0.335dB/km、或小于0.330dB/km、或小于0.325dB/km、或在0.310db/km–0.340dB/km的范围内、或在0.315db/km–0.335dB/km的范围内、或在0.320db/km–0.330dB/km的范围内。
在各个实施方式中，光纤的假想温度低于1550℃、或低于1545℃、或低于1540℃、或低于1535℃、或低于1530℃、或低于1525℃、或在1500℃-1550℃的范围内、或在1510℃-1540℃的范围内、或在1515℃-1535℃的范围内。
实施方式进一步扩展到展现出两种或更多种本文公开的性能属性(在1550nm下的衰减、在1310nm下的衰减以及假想温度)的光纤。
在以下述拉制速度来操作的光纤拉制方法中生产本文公开的实施方式的光纤，所述拉制速度大于30m/s、或大于40m/s、或大于42m/s、或大于45m/s、或大于47m/s、或大于50m/s、或大于55m/s、或大于60m/s、或在30m/s–70m/s的范围内、或在40m/s–65m/s的范围内、或在42m/s–63m/s的范围内、或在44m/s–60m/s的范围内、或在46m/s–58m/s的范围内。
在光纤拉制方法中，通过从玻璃预制件拉制纤维来形成光纤。将玻璃预制件加热到软化态，并且通过重力作用以及所施加的张力从软化的预制件拉制出光纤。随着光纤从预制件拉制出，光纤冷却，并且随着光纤冷却，玻璃结构从预制件中的相对无序状态演变成冷却的光纤中的更加有序的状态。在冷却期间使玻璃结构有序化的驱动力是能量的降低以及热力学平衡态的接近。热力学平衡态相当于玻璃的最小能态。然而，随着玻璃冷却，其粘度增加，并且使结构松弛所需的结构重排受到抑制。结果，达到平衡态所需的时间尺度增大。
在冷却期间，给定时间段内的玻璃结构松弛的程度取决于冷却速率。在快的冷却速率下，玻璃的粘度迅速增加，并且粘度足够地低以允许结构重排的时间窗口很短。结果，玻璃结构的松弛程度受到限制，平衡的接近在动力学上受到抑制，并且玻璃仍处于非平衡态。随着冷却速率降低，玻璃展现出粘度处于有利于结构松弛的范围中的时间窗口增大，并且在冷却期间玻璃实现了更加接***衡结构态。
如本领域已知的，假想温度是玻璃结构的指示。当玻璃结构松弛并接***衡态，玻璃的假想温度降低。对于给定的组成，具有高假想温度的玻璃比具有低假想温度的玻璃更加不平衡，并且具有松弛程度更低的结构。玻璃结构的松弛通过降低假想温度来完成。
由于具有低假想温度的光纤表现出低衰减，因此，使光纤的假想温度降低的加工条件是有利的。光纤的假想温度受制造期间对光纤的冷却速率的控制影响。用于控制光纤的冷却速率的加工阶段在本文中被称为缓慢冷却装置。缓慢冷却装置包括受控冷却区域，其确立了冷却期间光纤所暴露的周围温度。在拉制过程期间，光纤通过受控冷却区域，并且光纤的温度受到受控冷却区域中保持的热条件(包括周围温度)影响。
在一个实施方式中，向受控冷却区域提供加热气体，并且在加工期间，当光纤通过受控冷却区域时，使光纤暴露于加热气体。围绕光纤的气体环境在本文中被称为周围或周围环境。加热气体的温度对应于周围温度，其中周围温度低于光纤的温度，但高于室温。结果，加热气体存在时的光纤的冷却速率比室温空气存在时的光纤的冷却速率慢。
原则上，通过在足够低的速率下冷却光纤，可获得光纤所需的任何结构松弛程度和任何假想温度。缓慢冷却装置中的冷却速率可例如通过控制光纤温度与受控冷却区域的周围温度之间的差而受到影响。周围温度越接近光纤温度，则冷却速率越慢。
光纤暴露于受控冷却区域的时间在本文中被称为“停留时间”，其对控制光纤的假想温度也是重要的。玻璃的结构松弛发生在以玻璃接***衡态时出现原子重排为特征的时间尺度上。对于给定的玻璃组成，结构松弛的时间尺度根据玻璃的粘度而变化。当玻璃具有低粘度时，原子重排更加容易，玻璃松弛的特征性时间尺度更短。为了使玻璃的结构有效松弛，玻璃的粘度必须足够地低并且保持足够长的时间以能够使结构重排。由于玻璃粘度根据玻璃温度而变化，降低假想温度要求在工艺中，光纤处于保持在特定周围温度下的受控冷却区域中的停留时间足够地长，以允许进行结构松弛。为了在受控冷却区域的特定周围温度下实现假想温度的最大程度的降低，光纤在受控冷却区域中的停留时间应足够地长，以在受控冷却区域的特定周围温度下，使玻璃结构尽可能地松弛。假想温度的进一步降低可以通过降低光纤温度来实现，所述降低光纤温度通过下述来进行：***地降低受控冷却区域的环境温度(或使光纤通过周围温度逐渐降低的一系列受控冷却区域)，并且确保光纤在各周围温度下的受控冷却区域中的停留时间足够地长，以允许最大程度地进行结构松弛。
然而，随着光纤温度降低，结构有效松弛到能够有意义地降低假想温度的程度所需的时间尺度增大。在冷却期间的某一时刻，光纤到达某一光纤温度，在该温度下，所需的时间尺度对于制造来说变得不合理地长。此时，冷却速率不再是实际考虑因素，而是期望以高的冷却速率将光纤温度降低到室温以改进工艺速度。
对二氧化硅和掺杂的二氧化硅的结构松弛有利的优选光纤温度是1000℃–1700℃范围内的光纤温度、或1100℃–1650℃范围内的光纤温度、或1200℃-1600℃范围内的光纤温度、或1250℃-1550℃范围内的光纤温度、或1300℃-1500℃范围内的光纤温度。
出于成本和效率的原因，连续制造工艺是优选的，在该工艺中，光纤以特定的拉制速度被连续拉制出。然而，由于光纤处于不断运动中，因此连续制造工艺对于降低假想温度存在另外的挑战。由于不断运动，光纤在受控冷却区域中的停留时间取决于拉制速度。可以通过以较低的速度拉制光纤来获得增大的停留时间，但是从工艺效率的角度出发，低的拉制速度是不期望的。在特定的拉制速度下，受控冷却区域的长度也影响停留时间。但是，由于实际的制造设施的空间限制，受控冷却区域的长度必然受限。
空间限制引入了其他复杂情况，这是因为用于加工光纤的***包括除缓慢冷却装置之外的工艺单元。在通常的光纤制造工艺中，光纤从位于拉制炉中的预制件拉制出并按路线通过工艺路径，所述工艺路径包括热处理装置(例如缓慢冷却装置)、涂覆装置(例如施加液体组合物以形成一次涂层、二次涂层和油墨层的装置)、计量单元(例如光纤直径控制)以及各种光纤处理装置(例如绕转装置、卷起卷轴)。为了减小制造光纤所需的空间，期望各工艺单元尽可能彼此靠近地来定位。由于操作不同的工艺单元要求光纤温度在某一特定范围内，因此各工艺单元靠近定位是复杂的。例如，为了涂覆光纤，需要使光纤温度足够地低以防止施加于光纤表面的液体涂覆制剂中的挥发性组分蒸发。光纤处理装置要求光纤温度足够地低，以保持光纤的机械完整性。如果光纤温度过高，则弯曲或缠绕光纤可引入使光纤的完整性受损或折中的永久结构变形。结果，与光纤冷却相关的考虑因素扩展超出了与控制假想温度有关的温度窗口，而包含了涂覆和处理光纤所需的较低的温度。
在光纤拉制过程期间对光纤温度演变的竞争性要求必然使光纤的冷却速率受折中。一方面，优选慢的冷却速率以进一步实现降低光纤的假想温度的目的。另一方面，需要快的冷却速率以进一步实现在制造和高速加工时加工单元的布置的紧凑性的目的。
在常规的光纤拉制工艺中，通过在制造工艺中包含具有受控冷却区域的缓慢冷却装置，并且使该受控冷却区域保持在恒定周围温度下，以及通过将恒定周围温度调节到提供以某一速率进行冷却的水平来解决对光纤温度的竞争性要求，所述速率足以确保缓慢冷却装置出口处的光纤温度足够地低，以满足下游加工单元的要求。
虽然常规的光纤拉制工艺中所体现的冷却速率的折中使光纤假想温度得到了降低并向许多应用提供了具有令人满意的衰减的光纤，但是本公开意识到，在空间受限的高速光纤拉制工艺中，进一步降低光纤的假想温度和衰减是可能的。特别地，本公开证明了，在利用缓慢冷却装置、并且该缓慢冷却装置在受控冷却区域中是以非恒定周围温度条件来操作的这样的工艺中，可以获得较低的光纤假想温度和较低的光纤衰减。特别地，本公开证明了，当改变缓慢冷却装置的受控冷却区域以使其包含不均匀的周围温度分布时，相对于利用受控冷却区域是保持在恒定周围温度下的缓慢冷却装置来操作的对应工艺，实现了光纤假想温度和衰减的降低。
图1例示了包括拉制炉和缓慢冷却装置的用于拉制光纤的简化***。如本文所定义的，缓慢冷却装置以某一速率冷却光纤，该速率比光纤在室温下、静止空气中的冷却速率更慢。
在一个或多个实施方式中，通过控制供给围绕光纤的周围环境的气体的温度、压力和/或流动速率，可确立、改变或维持受控冷却区域或者受控冷却区域中的各区的周围温度。
在一个实施方式中，光纤的温度和冷却速率通过向受控冷却区域提供气体来控制。受控冷却区域填充有静态或流动气体，并且周围温度和光纤冷却速率通过控制气体的温度、压力和/或流动速率来改变。在缓慢冷却装置的受控冷却区域中使用的代表性气体包含He、Ar、N2、空气、CO2、Kr和Xe。为了促进降低光纤的假想温度，较慢的冷却速率是优选的。
较高的气压和/或较快的气体流动速率导致较快的冷却速率，而较低的气压和/或较慢的气体流动速率导致较慢的冷却速率。在一个实施方式中，受控冷却的周围中的气压小于室内压力。在一些实施方式中，受控冷却区域中的气压小于1.0atm(标准大气压)、或小于0.9atm、或小于0.8atm、或小于0.7atm、或小于0.6atm、或小于0.5atm、或小于0.4atm、或小于0.3atm、或在0.1atm–1.0atm的范围内、或在0.2atm–0.9atm的范围内、或在0.3atm–0.8atm的范围内、或在0.4atm–0.7atm的范围内。
围绕光纤的周围中的气体的热导率也影响冷却速率。热导率较高的气体导致了较快的冷却速率，而热导率较低的气体导致了较慢的冷却速率。为了促进得到较慢的冷却速率，在围绕光纤的周围的周围温度下，气体的热导率小于2.0x10-4cal/cm-s-K、或小于1.8x10-4cal/cm-s-K、或小于1.6x10-4cal/cm-s-K、或小于1.5x10-4cal/cm-s-K、或小于1.4x10-4cal/cm-s-K、或在0.5x10-4cal/cm-s-K-2.0x10-4cal/cm-s-K的范围内、或在0.75x10-4cal/cm-s-K–1.75x10-4cal/cm-s-K的范围内、或在1.0x10-4cal/cm-s-K–1.6x10- 4cal/cm-s-K的范围内。在其他实施方式中，在800℃–1500℃中的一个或多个温度下，围绕光纤的周围中的气体的热导率小于2.0x10-4cal/cm-s-K、或小于1.8x10-4cal/cm-s-K、或小于1.6x10-4cal/cm-s-K、或小于1.5x10-4cal/cm-s-K、或小于1.4x10-4cal/cm-s-K、或在0.5x10-4cal/cm-s-K-2.0x10-4cal/cm-s-K的范围内、或在0.75x10-4cal/cm-s-K–1.75x10- 4cal/cm-s-K的范围内、或在1.0x10-4cal/cm-s-K–1.6x10-4cal/cm-s-K的范围内。在其他实施方式中，在800℃–1500℃范围内的每个温度下，围绕光纤的周围中的气体的热导率小于2.0x10-4cal/cm-s-K、或小于1.8x10-4cal/cm-s-K、或小于1.6x10-4cal/cm-s-K、或小于1.5x10-4cal/cm-s-K、或小于1.4x10-4cal/cm-s-K、或在0.5x10-4cal/cm-s-K-2.0x10-4cal/cm-s-K的范围内、或在0.75x10-4cal/cm-s-K–1.75x10-4cal/cm-s-K的范围内、或在1.0x10- 4cal/cm-s-K–1.6x10-4cal/cm-s-K的范围内。
围绕光纤的周围中的气体的温度也影响冷却速率。特别地，由气体确立的光纤温度与周围温度之间的差代表了热从光纤传递到气体的驱动力并且影响冷却速率。光纤温度与周围温度之间的较大的差导致了较快的热传递和较快的冷却速率，而光纤温度与周围温度之间的较小的差导致了较慢的热传递和较慢的冷却速率。如本文所述，为了降低光纤的假想温度，优选在低的冷却速率下加工光纤。
为了促进得到较慢的冷却速率，在本文的一个或多个实施方式中，光纤温度与周围温度之间的差小于500℃、或小于400℃、或小于300℃、或小于200℃、或在50℃-500℃的范围内、或在100℃-450℃的范围内、或在150℃-400℃的范围内、或在200℃-300℃的范围内，其中，光纤温度高于周围温度。为了促进得到较快的冷却速率，在本文的一个或多个实施方式中，光纤温度与周围温度之间的差大于200℃、或大于300℃、或大于400℃、或大于500℃、或在200℃-800℃的范围内、或在300℃-700℃的范围内、或在400℃-600℃的范围内，其中，光纤温度高于周围温度。在前述的实施方式中，光纤温度对应于冷却期间的任何时刻或者受控冷却区域或受控冷却区域的区中的任何位置的光纤温度。本文公开的光纤温度与周围温度的差适用于，例如，缓慢冷却装置的入口、内部位置或出口处的光纤温度，或适用于受控冷却区域的入口、内部位置或出口处的光纤温度，或适用于受控冷却区域的某个区的入口、内部位置或出口处的光纤温度，或适用于受控冷却区域的两个或更多个区的组合的入口、内部位置或出口处的光纤温度。
***100包括具有光纤预制件110的拉制炉105。在一个实施方式中，光纤预制件110可以为二氧化硅或掺杂的二氧化硅预制件，并且其包含单一组成区域或多重组成区域。多重组成区域可以是同心的。例如，光纤预制件110可以包含对应于光纤的芯体组合物的中心区域，以及对应于光纤的一层或多层包覆层的组合物的一个或多个同心的外部区域。芯体和/或包覆区域可以包含纯二氧化硅或掺杂的二氧化硅。
光纤115从光纤预制件110拉制出并且被引导到缓慢冷却装置120的入口123。光纤115通过缓慢冷却装置120并且出现在出口127处。出口127处的光纤115的温度低于入口123处的光纤115的温度。缓慢冷却装置120包括内部受控冷却区域，其确立了光纤所暴露的周围温度。缓慢冷却装置120影响光纤315的受控冷却，并且能够使冷却速率比光纤115在未加热的静止空气中的自然冷却速率更慢。在一个实施方式中，光纤115以～1700℃的光纤温度离开拉制炉105。光纤115离开拉制炉105并前进到缓慢冷却装置120。当光纤115在出口127处从缓慢冷却装置120出现之后，随着其沿着工艺路径前进，光纤115继续冷却。
***100限定了沿着其来引导光纤的工艺路径。工艺路径是光纤拉制工艺中光纤所经过的路线。***100的工艺路径从拉制炉105延伸到缓慢冷却装置120的出口127外。箭头限定了光纤115沿着工艺路径传输的方向。随着光纤115的前进，其离开拉制炉105并沿着工艺路径前进。更靠近光纤离开拉制炉105的点的沿工艺路径的位置在本文中被称为是更远离光纤离开拉制炉105的点的沿着工艺路径的位置的上游，其中距离拉制炉105的距离在本文中应被理解为意指沿着光纤115测量的距离。光纤的传输方向是下游方向；光纤沿着工艺路径从上游位置传输到下游位置。例如，位于拉制炉105与缓慢冷却装置120的入口123之间的光纤115的部分是光纤115的另一部分的上游，所述光纤115的另一部分比缓慢冷却装置120的出口127离拉制炉105更远。类似地，缓慢冷却装置120的入口123位于缓慢冷却装置120的出口127的上游，并且拉制炉105位于缓慢冷却装置120的上游。由于光纤115沿着工艺路径通过拉制炉105和缓慢冷却装置120，因此拉制炉105和缓慢冷却装置120在本文中可以被称为沿工艺路径操作性地连接。
虽然图1未明确地示出，但是光纤工艺路径还可以沿着工艺路径包括位于缓慢冷却装置120上游或下游的其他加工单元(例如，重新加热平台、另外的缓慢冷却装置、计量单元、光纤绕转装置、涂覆单元、测试单元、卷起单元等)。
沿着通过本文公开的缓慢冷却装置的光纤的拉制速度(传输速度)大于30m/s、或大于40m/s、或大于42m/s、或大于45m/s、或大于47m/s、或大于50m/s、或大于55m/s、或大于60m/s、或在30m/s–70m/s的范围内、或在40m/s–65m/s的范围内、或在42m/s–63m/s的范围内、或在44m/s–60m/s的范围内、或在46m/s–58m/s的范围内。
缓慢冷却装置120包括受控冷却区域，该受控冷却区域被设计成相对于未加热的空气中的冷却速率来降低光纤115的冷却速率。受控冷却区域位于缓慢冷却装置120内，并且包含缓慢冷却装置120的整个内部体积或其一部分。随着光纤115沿着工艺路径从缓慢冷却装置120的入口123前进到缓慢冷却装置120的出口127，光纤115通过受控冷却区域。在各个实施方式中，受控冷却区域的周围温度由加热元件和/或光纤115附近的环境中的加热气体流来确立。
在常规的设计中，将受控冷却区域保持在恒定的周围温度下。恒定的周围温度是室温和入口123处的光纤115的温度之间的温度。恒定的周围温度优选为(i)使光纤115结构松弛的温度；(ii)使光纤115的假想温度降低的温度；和/或(iii)在如上所述的冷却期间使光纤115更接***衡态的温度。
根据本说明书所述的缓慢冷却装置包括具有非恒定周围温度的受控冷却区域。与受控冷却区域中的恒定或均匀的周围温度分布不同，受控冷却区域包括周围温度梯度。在一个实施方式中，周围温度分布是非单调的，并且包括一个或多个阶跃变化。由于认识到对于较高的光纤温度，结构松弛的时间尺度更短，并且随着光纤温度降低，该时间尺度逐渐增加，因此有动机形成分级的周围温度分布。因此，分级的周围温度分布被设计用于在离缓慢冷却装置的入口更近的受控冷却区域的部分中提供更高的周围温度，而在离缓慢冷却装置的出口更近的受控冷却装置的部分中提供更低的周围温度。
缓慢冷却装置的入口处的光纤温度高于缓慢冷却装置的出口处的光纤温度。缓慢冷却装置的入口处的光纤温度高于1400℃、或高于1500℃、或高于1600℃、或高于1700℃、或在1400℃-1900℃的范围内、或在1450℃-1800℃的范围内、或在1500℃-1700℃的范围内。缓慢冷却装置的出口处的光纤温度低于1350℃、或低于1300℃、或低于1250℃、或低于1200℃、或在1000℃-1350℃的范围内、或在1050℃-1300℃的范围内、或在1100℃-1250℃的范围内、或在1000℃-1250℃的范围内。
缓慢冷却装置的入口处的较高的光纤温度对应于当光纤冷却时，其在缓慢冷却装置的入口处比在缓慢冷却装置的出口处具有更低的粘度和更容易的结构重排。因此，结构松弛通过下述得到增强：在离缓慢冷却装置的入口更近的受控冷却区域部分中保持较慢的冷却速率，并且根据需要，在离缓慢冷却装置的出口更近的受控冷却区域的部分中增加冷却速率以获得所需的出口光纤温度。当光纤接近缓慢冷却装置的出口时，增加冷却速率可被设计用于提供在缓慢冷却装置的出口处具有目标光纤温度的光纤。如上所述，可调节缓慢冷却装置的出口处的光纤温度，以使其与光纤拉制工艺中的各下游加工单元的入口条件兼容。
在缓慢冷却装置或受控冷却区域中，更加邻近入口的部分被称为是更加邻近出口的部分的上游。如下文更完整描述的，在一些实施方式中，缓慢冷却装置或受控冷却区域包括用于加工光纤的一个或多个区。这些区是沿着工艺路径位于缓慢冷却装置或受控冷却区域中的离散、分离的加工区域。光纤在入口处进入缓慢冷却装置或受控冷却区域，并且向下游传送通过所述一个或多个区而到达缓慢冷却装置或受控冷却区域的出口。当存在两个或更多个区时，这些区相对于缓慢冷却装置或受控冷却区域的入口和出口的位置不相同。某一区相对于另一区的位置被指定为沿着工艺路径的上游或下游。如果特定的区沿着工艺路径比另一区更加邻近缓慢冷却装置或受控冷却区域的入口，则该特定的区位于该另一区的上游。类似地，如果特定的区沿着工艺路径比另一区更加邻近缓慢冷却装置或受控冷却区域的出口，则该特定的区位于该另一区的下游。
在本公开的缓慢冷却装置的分级周围温度分布中，周围温度分布偏向于在缓慢冷却装置的入口附近以及受控冷却区域的上游部分中提供较高的周围温度，以促进在较高的光纤温度下光纤具有较长的停留时间。通过以此方式使周围温度分布偏向，光纤较长时间地保持了较低的粘度状态，发生了更大的结构松弛，并且获得了更低的光纤假想温度。为了实现充分的冷却以确保离开缓慢冷却装置的光纤与下游加工单元的兼容性，周围温度分布偏向于使受控冷却区域的下游部分中的周围温度足以补偿与受控冷却区域的上游部分中所保持的较高的周围温度相关的较低的冷却速率。
相对于常规缓慢冷却装置，本公开的缓慢冷却装置的一些现象值得注意。在常规缓慢冷却装置中，将受控冷却区域保持在恒定的周围温度下。选择恒定的周围温度以确保缓慢冷却装置的出口处的光纤温度可与下游单元的进一步加工兼容。影响恒定的周围温度的选择的因素包括：缓慢冷却装置的入口处的光纤温度、缓慢冷却装置的长度、拉制速度、以及周围温度的控制方式(例如供给受控冷却区域的气体的热导率、流动速率、和/或压力)。
针对常规缓慢冷却装置所选择的恒定的周围温度反映了几个竞争性考虑因素的折中。本说明书认识到，为了适当地平衡各竞争性考虑因素，针对常规缓慢冷却装置的受控冷却区域所选择的恒定的周围温度需低于最佳温度，该最佳温度用于促进在缓慢冷却装置的入口附近的受控冷却区域部分中所存在的较高的光纤温度下，发生更有效的结构松弛。相对于缓慢冷却装置的入口处的光纤温度，恒定的周围温度足够地低，从而以某一速率冷却光纤，该速率使光纤在更有利于结构松弛的更高的光纤温度下的停留时间变短。
在本公开的缓慢冷却装置中，受控冷却区域的周围温度分布包括受控冷却区域的上游部分中的较高的周围温度，以及受控冷却区域的下游部分中的较低的周围温度。上游部分中的较高的周围温度使光纤的冷却速率变慢，并且延长了光纤处于某光纤温度下——该光纤温度足以保持适于有效结构松弛的粘度——的时间。为了在缓慢冷却装置的出口处获得所需的光纤温度，使本公开的缓慢冷却装置中的受控冷却区域的下游部分的周围温度充分降低，以将冷却速率增加到提供目标出口光纤温度所需的程度。
在拉制速度给定的工艺中，对于具有相同入口光纤温度和相同出口光纤温度、并且设计和长度给定的缓慢冷却装置，本公开的缓慢冷却装置的受控冷却区域的上游部分中的周围温度高于用于对应的常规缓慢冷却装置的恒定的周围温度。更高的上游周围温度使光纤温度较高的缓慢冷却装置部分中的光纤冷却速率变慢，因此，相对于对应的常规缓慢冷却装置，在本公开的缓慢冷却装置的受控冷却区域上游部分中发生更大的结构松弛。
然而，应认识到，为了获得特定的光纤出口温度，本公开的缓慢冷却装置的受控冷却区域下游部分中的周围温度需低于对应的常规缓慢冷却装置为获得相同的光纤出口温度所需的恒定周围温度。虽然该较低的周围温度导致了在本公开的缓慢冷却装置的受控冷却区域的下游部分中，光纤具有更快的冷却速率，并且相对于对应的常规缓慢冷却装置，结构松弛不那么有效，但是该不那么有效的结构松弛发生在这样的光纤温度范围中，在该光纤温度范围中使光纤结构松弛的时间尺度是过长而无法有意义地降低假想温度的。结果，即使相对于对应的常规现有技术的缓慢冷却装置，在本公开的缓慢冷却装置的受控冷却区域下游部分中发生的结构松弛更小，但是这一结构松弛差异是不重要的，并且更多的是由发生在本公开缓慢冷却装置的受控冷却区域的上游部分中的结构松弛相对于对应的常规缓慢冷却装置的较大的差异来补偿，在所述上游部分中，光纤温度使得光纤粘度较低并且能进行有效的结构松弛。因此，相对于对应的常规缓慢冷却装置，本公开的缓慢冷却装置所加工的光纤得到了更低的光纤假想温度。
本公开缓慢冷却装置的受控冷却区域的周围温度分布被设计成当光纤温度较高时，相对于对应的常规缓慢冷却装置来说，促进更长时间的结构松弛。相对于对应的常规缓慢冷却装置，通过在本公开的缓慢冷却装置的受控冷却区域上游部分中以更慢的速率来冷却光纤，获得了该更长的时间。折中方式是相对于对应的常规缓慢冷却装置，在本公开缓慢冷却装置的受控冷却区域的下游部分中具有更快的冷却速率和更小的结构松弛。然而，总的来说，相对于对应的常规缓慢冷却装置，本公开的缓慢冷却装置中发生更大的光纤假想温度净下降，这是因为，受控冷却区域中的周围温度从恒定的周围温度偏向这样的分布：当光纤具有较高的光纤温度和较低的粘度时，从提供较慢的冷却速率，而当光纤具有较低的光纤温度和较高的粘度时，提供较快的冷却速率。本公开缓慢冷却装置的周围温度分布提供了具有较低假想温度的光纤，同时能够根据需要调节光纤的出口温度以确保与下游加工单元兼容。
在一个实施方式中，本公开缓慢冷却装置的受控冷却区域的周围温度梯度在光纤传送通过受控冷却区域的方向上随着周围温度的连续变化是连续的。周围温度的连续变化在光纤传送方向上，在受控冷却区域上具有恒定或可变的斜率。
在另一个实施方式中，本公开缓慢冷却装置的受控冷却区域的周围温度梯度包括周围温度的阶跃变化或不连续性。在一个实施方式中，受控冷却区域包括两个或更多个区，其中，在区中的周围温度是恒定的或大致恒定的，而不同区中的恒定周围温度各不相同。区的数目为至少两个、或至少三个、或至少四个、或至少五个、或至少六个、或在2–10的范围内、或在3–9的范围内、或在4–8的范围内。
在另一个实施方式中，受控冷却区域包括两个或更多个区，其中，在各区中的周围温度是变化的，而不同区中的平均周围温度不相同。每个区中的周围温度变化在该区的空间尺寸中从最大周围温度变化到最小周围温度，其中平均周围温度选定为最大周围温度与最小周围温度的平均值。区中的最大周围温度与最小周围温度的差小于30℃、或小于25℃、或小于20℃、或在0℃–30℃的范围内、或在5℃–30℃的范围内、或在5℃–25℃的范围内、或在5℃–20℃的范围内、或在10℃–30℃的范围内、或在10℃–25℃的范围内。区的数目为至少两个、或至少三个、或至少四个、或至少五个、或至少六个、或在2–10的范围内、或在3–9的范围内、或在4–8的范围内。另外的实施方式包括具有两个或更多个区的受控冷却区域，所述两个或更多个区包括一个或多个具有恒定周围温度的区以及一个或多个包含变化的周围温度的区。
在一个或多个实施方式中，所述两个或更多个区包括上游区和下游区，其中，上游区中的恒定周围温度比下游区中的恒定周围温度高至少100℃、或至少150℃、或至少200℃、或至少250℃、或至少300℃、或至少350℃、或至少400℃，或者高100℃-500℃的量，或者高150℃-450℃的量，或者高200℃-400℃的量，或者高125℃-300℃的量，或者高150℃-250℃的量。在一个实施方式中，上游区和下游区相邻而没有中间区。在另一个实施方式中，上游区和下游区被一个或多个中间区隔开。在另一个实施方式中，上游区毗邻光纤进入缓慢冷却装置的入口。在另一个实施方式中，下游区毗邻光纤离开缓慢冷却装置的出口。
在一个或多个实施方式中，所述两个或更多个区包括上游区和下游区，其中，上游区中的平均周围温度比下游区中的平均周围温度高至少100℃、或至少150℃、或至少200℃、或至少250℃、或至少300℃、或至少350℃、或至少400℃，或者高100℃-500℃的量，或者高150℃-450℃的量，或者高200℃-400℃的量，或者高125℃-300℃的量，或者高150℃-250℃的量。在一个实施方式中，上游区和下游区相邻而没有中间区。在另一个实施方式中，上游区和下游区被一个或多个中间区隔开。在另一个实施方式中，上游区毗邻光纤进入缓慢冷却装置的入口。在另一个实施方式中，下游区毗邻光纤离开缓慢冷却装置的出口。
在一个或多个实施方式中，在拉制过程期间光纤所暴露的周围温度为下述温度：至少500℃、或至少600℃、或至少700℃、或至少800℃、或至少900℃,至少1000℃、或至少1100℃，或者在500℃-1200℃范围内的温度、或者在600℃-1100℃范围内的温度、或者在700℃-1000℃范围内的温度。在一个实施方式中，周围温度是在受控冷却区域或缓慢冷却装置的整个区中所保持的恒定温度。
在本公开缓慢冷却装置的受控冷却区域中，光纤温度的冷却速率是恒定或可变的、连续或不连续的、以及/或者单调或非单调的。优选地，冷却速率是可变的，并且在邻近光纤进入到缓慢冷却装置中的入口点的受控冷却区域部分中具有较慢的冷却速率，而在邻近光纤离开缓慢冷却装置的出口点的受控冷却区域部分中具有较快的冷却速率。在一个实施方式中，受控冷却区域的上游部分中的冷却速率比受控冷却区域的下游部分中的冷却速率慢。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括两个或更多个区，并且每个区中的冷却速率是恒定的，而不同区中的恒定冷却速率各不相同。区中的冷却速率是单调或非单调的，并且冷却速率从一个区到另一个区的过渡是连续或不连续的。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括两个或更多个区，其中所述两个或更多个区各自的光纤温度的恒定冷却速率各不相同，其中，所述两个或更多个区各自的光纤温度的恒定冷却速率低于5000℃/s、或低于4000℃/s、或低于3500℃/s、或低于3000℃/s、或低于2500℃/s、或低于2000℃/s、或低于1500℃/s、或在1000℃/s-4500℃/s的范围内、或在1500℃/s-4000℃/s的范围内、或在2000℃/s-3500℃/s的范围内。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括上游区和下游区，它们中的光纤温度的恒定冷却速率不相同，其中，上游区和下游区各自中的光纤温度的恒定冷却速率低于5000℃/s、或低于4000℃/s、或低于3500℃/s、或低于3000℃/s、或低于2500℃/s、或低于2000℃/s、或低于1500℃/s、或在1000℃/s-4500℃/s的范围内、或在1500℃/s-4000℃/s的范围内、或在2000℃/s-3500℃/s的范围内。在一个实施方式中，上游区和下游区相邻而没有中间区。在另一个实施方式中，上游区和下游区被一个或多个中间区隔开。在另一个实施方式中，上游区毗邻光纤进入缓慢冷却装置的入口。在另一个实施方式中，下游区毗邻光纤离开缓慢冷却装置的出口。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括上游区和下游区，它们中的光纤温度的恒定冷却速率不相同，其中，上游区和下游区各自中的光纤温度的恒定冷却速率低于5000℃/s、或低于4000℃/s、或低于3500℃/s、或低于3000℃/s、或低于2500℃/s、或低于2000℃/s、或低于1500℃/s、或在1000℃/s-4500℃/s的范围内、或在1500℃/s-4000℃/s的范围内、或在2000℃/s-3500℃/s的范围内，并且其中下游区中的恒定冷却速率比上游区中的恒定冷却速率高至少250℃/s、或至少500℃/s、或至少750℃/s、或至少1000℃/s、或者高250℃/s–2000℃/s的量、或高500℃/s–1750℃/s的量、或高750℃/s–1500℃/s的量。在一个实施方式中，上游区和下游区相邻而没有中间区。在另一个实施方式中，上游区和下游区被一个或多个中间区隔开。在另一个实施方式中，上游区毗邻光纤进入缓慢冷却装置的入口。在另一个实施方式中，下游区毗邻光纤离开缓慢冷却装置的出口。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括上游区和下游区，它们中的光纤温度的恒定冷却速率不相同，其中，上游区和下游区各自中的光纤温度的恒定冷却速率低于5000℃/s、或低于4000℃/s、或低于3500℃/s、或低于3000℃/s、或低于2500℃/s、或低于2000℃/s、或低于1500℃/s、或在1000℃/s-4500℃/s的范围内、或在1500℃/s-4000℃/s的范围内、或在2000℃/s-3500℃/s的范围内，并且其中下游区中的恒定冷却速率比上游区中的恒定冷却速率高至少5％、或至少10％、或至少15％、或至少20％，或者高5％-25％的量，或者高10％-20％的量。在一个实施方式中，上游区和下游区相邻而没有中间区。在另一个实施方式中，上游区和下游区被一个或多个中间区隔开。在另一个实施方式中，上游区毗邻光纤进入缓慢冷却装置的入口。在另一个实施方式中，下游区毗邻光纤离开缓慢冷却装置的出口。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括两个或更多个区，并且每个区中的冷却速率是可变的，而不同区中的平均冷却速率各不相同。每个区中的冷却速率变化在该区的空间尺寸中从最大冷却速率变化到最小冷却速率，其中平均冷却速率选定为最大冷却速率与最小冷却速率的平均值。区中的最大冷却速率与最小冷却速率之间的差小于100℃/s、或小于75℃/s、或小于50℃/s、或小于25℃/s、或在0℃/s-100℃/s的范围内、或在10℃/s-90℃/s的范围内、在10℃/s-50℃/s的范围内、或在20℃/s-80℃/s的范围内、或在20℃/s-60℃/s的范围内。区中的冷却速率是单调或非单调的，并且冷却速率从一个区到另一个区的过渡是连续或不连续的。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括两个或更多个区，其中所述两个或更多个区各自中的光纤温度的平均冷却速率各不相同，其中，所述两个或更多个区各自中的光纤温度的平均冷却速率低于5000℃/s、或低于4000℃/s、或低于3500℃/s、或低于3000℃/s、或低于2500℃/s、或低于2000℃/s、或低于1500℃/s、或在1000℃/s-4500℃/s的范围内、或在1500℃/s-4000℃/s的范围内、或在2000℃/s-3500℃/s的范围内。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括上游区和下游区，它们中的光纤温度的平均冷却速率不相同，其中，上游区和下游区各自中的光纤温度的平均冷却速率低于5000℃/s、或低于4000℃/s、或低于3500℃/s、或低于3000℃/s、或低于2500℃/s、或低于2000℃/s、或低于1500℃/s、或在1000℃/s-4500℃/s的范围内、或在1500℃/s-4000℃/s的范围内、或在2000℃/s-3500℃/s的范围内。在一个实施方式中，上游区和下游区相邻而没有中间区。在另一个实施方式中，上游区和下游区被一个或多个中间区隔开。在另一个实施方式中，上游区毗邻光纤进入缓慢冷却装置的入口。在另一个实施方式中，下游区毗邻光纤离开缓慢冷却装置的出口。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括上游区和下游区，它们中的光纤温度的平均冷却速率不相同，其中，上游区和下游区各自中的光纤温度的平均冷却速率低于5000℃/s、或低于4000℃/s、或低于3500℃/s、或低于3000℃/s、或低于2500℃/s、或低于2000℃/s、或低于1500℃/s、或在1000℃/s-4500℃/s的范围内、或在1500℃/s-4000℃/s的范围内、或在2000℃/s-3500℃/s的范围内，并且其中，下游区中的平均冷却速率比上游区中的平均冷却速率高至少250℃/s、或至少500℃/s、或至少750℃/s、或至少1000℃/s，或高250℃/s–2000℃/s的量、或高500℃/s–1750℃/s的量、或高750℃/s–1500℃/s的量。在一个实施方式中，上游区和下游区相邻而没有中间区。在另一个实施方式中，上游区和下游区被一个或多个中间区隔开。在另一个实施方式中，上游区毗邻光纤进入缓慢冷却装置的入口。在另一个实施方式中，下游区毗邻光纤离开缓慢冷却装置的出口。
在一个或多个实施方式中，受控冷却区域包括上游区和下游区，它们中的光纤温度的平均冷却速率不相同，其中，上游区和下游区各自中的光纤温度的平均冷却速率低于5000℃/s、或低于4000℃/s、或低于3500℃/s、或低于3000℃/s、或低于2500℃/s、或低于2000℃/s、或低于1500℃/s、或在1000℃/s-4500℃/s的范围内、或在1500℃/s-4000℃/s的范围内、或在2000℃/s-3500℃/s的范围内，并且其中下游区中的平均冷却速率比上游区中的平均冷却速率高至少5％、或至少10％、或至少15％、或至少20％，或者高5％-25％的量，或者高10％-20％的量。在一个实施方式中，上游区和下游区相邻而没有中间区。在另一个实施方式中，上游区和下游区被一个或多个中间区隔开。在另一个实施方式中，上游区毗邻光纤进入缓慢冷却装置的入口。在另一个实施方式中，下游区毗邻光纤离开缓慢冷却装置的出口。
在另外的实施方式中，缓慢冷却装置的受控冷却区域包括三个或更多个区、或者四个或更多个区、或者五个或更多个区、或者六个或更多个区、或者在2个区至10个区之间、或者在3个区至9个区之间、或者在4个区至8个区之间，其中，如本文所公开的，任意一对或多对区的恒定周围温度、平均周围温度、恒定冷却速率和/或平均冷却速率不相同。在一个实施方式中，成对的区或者多对区中的任意一对或多对区是相邻的，在另一个实施方式中，它们是不相邻的。在另外的实施方式中，多对区中的各对区包含相邻的成对区和不相邻的成对区。
在一个或多个实施方式中，加工光纤的方法包括：以小于5000℃/s、或小于4000℃/s、或小于3500℃/s、或小于3000℃/s、或小于2500℃/s、或小于2000℃/s、或小于1500℃/s、或1000℃/s-4500℃/s、或1500℃/s-4000℃/s、或2000℃/s-3500℃/s的冷却速率使光纤从1400℃–1900℃的光纤温度、或1450℃–1800℃的光纤温度、或1500℃–1700℃的光纤温度冷却到1000℃–1450℃的光纤温度、或1000℃–1400℃的光纤温度、或1000℃–1300℃的光纤温度、或1000℃–1250℃的光纤温度、或1000℃–1200℃的光纤温度。可在缓慢冷却装置的受控冷却区域的一个或多个区中进行这些实施方式中的每个实施方式，并且在缓慢冷却装置的受控冷却区域的不同区中，可与本文公开的其他实施方式组合来进行这些实施方式，其中，不同区是相邻的或者被一个或多个中间区隔开。
在一个或多个实施方式中，加工光纤的方法包括：以小于5000℃/s、或小于4000℃/s、或小于3500℃/s、或小于3000℃/s、或小于2500℃/s、或小于2000℃/s、或小于1500℃/s、或1000℃/s-4500℃/s、或1500℃/s-4000℃/s、或2000℃/s-3500℃/s的冷却速率使光纤从1300℃–1650℃的光纤温度、或1350℃–1600℃的光纤温度、或1400℃–1550℃的光纤温度冷却到1150℃–1450℃的光纤温度、或1200℃–1400℃的光纤温度、或1250℃–1350℃的光纤温度。可在缓慢冷却装置的受控冷却区域的一个或多个区中进行这些实施方式中的每个实施方式，并且在缓慢冷却装置的受控冷却区域的不同区中，可与本文公开的其他实施方式组合来进行这些实施方式，其中，不同区是相邻的或者被一个或多个中间区隔开。
在一些实施方式中，当光纤离开缓慢冷却装置时，将光纤引导到下游加工单元。在缓慢冷却装置出口下游的加工单元的入口处，光纤温度低于1150℃、或低于1125℃、或低于1100℃、或低于1075℃、或低于1050℃、或低于1025℃、或低于1000℃、或在950℃-1150℃的范围内、或在975℃-1125℃的范围内、在1000℃-1100℃的范围内。
为了说明与本公开的缓慢冷却装置相关的选定益处，考虑了以下的代表性实施例。
实施例1
在该实施例中，考虑了受控冷却区域具有六个区的缓慢冷却装置。工艺方案示于图2。***200包括具有光纤预制件210的拉制炉205。光纤215从光纤预制件210拉制出，在出口212处离开拉制炉205，并且被引导到缓慢冷却装置220的入口223。光纤215通过缓慢冷却装置220，出现在出口227处，并且被引导到光纤绕转装置230。光纤215在入口232处进入光纤绕转装置230，并且在出口234处离开光纤绕转装置230以传输到任选的下游加工单元(未示出)。箭头示出了光纤215的传送方向。
从炉底板出发测量沿工艺路径的距离，所述炉底板位于拉制炉205的出口212上游短距离位置处。在下文的论述中，将炉底板的位置选定为零位置，并且位置从炉底板出发，通过出口212到达缓慢冷却装置220而沿着工艺路径在下游方向上增加。缓慢冷却装置220的入口223位于出口212的下游。缓慢冷却装置220具有受控冷却区域，其包含六个区，该六个区在光纤215的工艺路径的下游方向上编号为1-6，如图2所示。每个区的长度为1米，并且光纤的工艺路径延伸通过每个区的中心。受控冷却区域的入口位于缓慢冷却装置220的入口223的下游短距离处。受控冷却区域的出口位于缓慢冷却装置220的出口227的上游短距离处。出口227位于入口223的下游600cm位置处。光纤绕转装置230的入口232位于出口227的下游，相距900cm的位置处。
为了说明，将进入缓慢冷却装置220的入口223处的光纤215的温度选定为2000℃，并且将光纤绕转装置230的入口232处的光纤215的温度选定为约1075℃。光纤215具有掺锗二氧化硅芯体(平均掺锗浓度为8重量％)，芯体直径为约6微米，并且具有二氧化硅包覆层且外直径为125微米。
在该实施例中考虑了几个工艺构造。在第一种构造(构造1)中，设置光纤拉制速度为42m/s，并且将缓慢冷却装置220的受控冷却区域中的各个区设定在1015℃的恒定周围温度下。在第二种构造(构造2)中，设置光纤拉制速度为45m/s，并且将缓慢冷却装置220的受控冷却区域中的各区设定在945℃的恒定周围温度下。构造1和构造2代表了常规缓慢冷却装置。对恒定的周围温度进行选择，以在每种拉制速度下最大程度地减小光纤假想温度。在第三种构造(构造3)中，设置光纤拉制速度为45m/s，并且将梯度周围温度分布用于缓慢冷却装置220。将缓慢冷却装置220的受控冷却区域中的六个区分别设置到恒定的周围温度，但是一些区的周围温度与其他区的周围温度不同。将区1-3设置到1200℃的恒定周围温度。将区4设置到960℃的恒定周围温度。将区5和6设置到600℃的恒定周围温度。图3示出了三种构造各自的温度分布，并且表1概括了各种条件。在图3中，线迹251、252和253分别示出了构造1、2和3的周围温度分布。距离以离缓慢冷却装置220的入口223的距离来示出。每个区的长度对应于1m的距离。
表1
对构造1-3中的每种构造的光纤温度和光纤假想温度进行建模。结果示于图4。从炉底板出发测量距离，所述炉底板位于拉制炉205的出口212上游短距离处。光纤在119cm的距离处(构造1和2)或153cm的距离处(构造3)进入缓慢冷却装置220，在734cm(构造1和2)的距离处或768cm的距离处(构造3)离开缓慢冷却装置220，并且在900cm的距离处进入光纤绕转装置230。实线迹线示出了光纤温度，并且其与左边坐标轴中所示的温度尺度有关。虚线迹线示出了光纤的假想温度，并且其与右边坐标轴中所示的温度尺度有关。迹线261、262和263分别示出了构造1、2和3的光纤温度。迹线264、265和266分别示出了构造1、2和3的光纤假想温度。对于构造1、2和3，缓慢冷却装置220的入口223处的光纤温度分别为1707℃、1732℃和1624℃。对于构造1、2和3，缓慢冷却装置220的出口227处的光纤温度分别为1295℃、1279℃和1230℃。对于构造1、2和3，光纤绕转装置230的入口232处的光纤温度分别为1078℃、1075℃和1075℃。光纤假想温度主要在缓慢冷却装置220的出口227处确立，并且沿着缓慢冷却装置220下游的工艺路径保持恒定。对于构造1、2和3，光纤的假想温度分别为1534℃、1542℃和1528℃。
在波长λ下，相对于参照条件的光纤衰减变化ΔAT可利用方程(1)由光纤的假想温度来计算
其中Aλ是瑞利光谱常数，Tf是光纤假想温度，且Tf,参照是参照条件下的光纤假想温度。为了比较由构造1、2和3生产的光纤，选择构造1的光纤为参照光纤，并且选择1310nm的波长来比较衰减。在1310nm下，Aλ＝A1310nm＝0.907dB/km-nm4。利用构造1、2和3所生产的光纤的假想温度，方程(1)得出：相对于构造1，构造2和构造3的衰减变化分别为0.00034dB/km和-0.00020dB/km。随着拉制速度增大，构造2相对于构造1的光纤衰减增加。然而，构造3的结果显示出光纤衰减的增加可在构造2的较高的拉制速度下，通过操作具有分级的周围温度分布的缓慢冷却装置220得到补偿。
为了验证模型的结果，使用对应于构造1、2和3的光纤设计和加工条件，在实验光纤拉制工艺中制备一系列光纤。对于每种构造，拉制一系列的多个光纤，并且测量1310nm下的衰减。对于构造1，在一系列光纤中，衰减范围为0.3205dB/km–0.3224dB/km，并且中值为0.3213dB/km。对于构造2，在一系列光纤中，衰减范围为0.3200dB/km–0.3211dB/km，并且中值为0.3208dB/km。对于构造3，在一系列光纤中，衰减范围为0.3197dB/km–0.3215dB/km，并且中值为0.3203dB/km。实验结果与模型的预测一致。
该实施例的结果显示，相比于针对与构造1和2相关的恒定周围温度分布所观察到的，与构造3相关的分级的周围温度分布在缓慢冷却装置220的显著更长部分内得到了更高的光纤温度(将迹线263与迹线261和262进行比较)。相对于利用构造1和2的恒定周围温度分布得到的光纤的假想温度，利用构造3的分级的周围温度分布得到的光纤的假想温度相应地降低(将迹线266与迹线264和265进行比较)。然而，对于构造1、2和3，光纤绕转装置230的入口232处的光线温度是相同的。结果显示，构造有分级周围温度分布的缓慢冷却装置所生产的光纤比对应的构造有恒定周围温度分布的缓慢冷却装置所生产的光纤具有更低的假想温度，同时保持了确立缓慢冷却装置下游的目标温度所需的灵活性而不会在较高拉制速度下操作时使光纤衰减受损。
实施例2
在该实施例中，对缓慢冷却装置中的冷却速率进行建模。冷却速率定义为光纤温度相对于时间的变化率，并且用℃/s单位表达。缓慢冷却装置具有图2所示的类型，并且其包含受控冷却区域，该受控冷却区域具有六个区，其中的每个区沿着工艺路径的长度为1m。确定实施例1所述的构造1以及构造5的冷却速率。对于构造5，周围温度分布是分级的。保持每个区中的周围温度恒定，但是在其中的一些区中使用不同的恒定周围温度。具体地，将区1-3的周围温度设置在1165℃，将区4的温度设置在875℃，并且将区5和6的温度设置在725℃。构造1和5的周围温度分布在图5中显示为虚线，并且其与右边的坐标轴所示的温度尺度相关。迹线271和273分别示出了构造1和5的周围温度分布。图5中的距离对应于离缓慢冷却装置的受控冷却区域入口的距离，并且从0cm(受控冷却区域的入口)延伸到600cm(受控冷却区域的出口)。缓慢冷却装置的受控冷却区域的入口相当于区1的入口，而缓慢冷却装置的受控冷却区域的出口相当于区6的出口。两种构造1和5的拉制速度均为42m/s。
图5还示出了光纤温度的冷却速率随着缓慢冷却装置的受控冷却区域中的位置而变化的情况。迹线275和277分别示出了构造1和5的冷却速率，其中在左边的坐标轴尺度上示出了冷却速率。对于构造1，冷却速率显示为从缓慢冷却装置的入口附近的约4400℃/s单调下降到缓慢冷却装置的出口附近的约1300℃/s。相反，构造5的冷却速率是非单调的，并且在保持在不同恒定周围温度下的各区之间的边界处显示出不连续性或阶跃变化。每个区中的冷却速率以及保持在同一恒定温度下的各区的冷却速率是单调下降的，但是由于各区的温度沿着通过缓慢冷却装置的工艺路径不相同，因此总冷却速率是非单调的。相对于构造1，在缓慢冷却装置的上游部分(区1-3)中观察到构造5具有较慢的冷却速率，这是因为较高的周围温度所致。如上所述，慢的冷却速率有利于玻璃的结构松弛以及光纤的假想温度的降低。由于具有较慢的冷却速率，构造5的区3的出口处的光纤温度比构造1的高。相对于构造1，通过降低缓慢冷却装置的下游部分(区4-6)中的周围温度，构造5的冷却速率高于针对构造1所观察到的冷却速率。构造5在缓慢冷却装置下游部分中的较高的冷却速率使得能够在缓慢冷却装置的出口处调节构造5的光纤温度。对于给定的目标光纤出口温度，构造5提供了假想温度比构造1低的光纤。
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，如果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，则都不旨在暗示该任意特定顺序。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以进行各种修改和变动而不偏离例示的实施方式的精神或范围。因为本领域技术人员可以结合例示的实施方式的精神和实质，对所公开的实施方式进行各种改良、组合、子项组合和变化，因此应认为本说明书包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (47)

1.一种加工光纤的方法，其包括：
以第一冷却速率将光纤从第一光纤温度冷却到第二光纤温度，所述第一冷却速率小于5000℃/s；
以第二冷却速率将所述光纤从第三光纤温度冷却到第四光纤温度，所述第三光纤温度小于或等于所述第二光纤温度，所述第二冷却速率大于所述第一冷却速率并且小于5000℃/s。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一光纤温度在1600℃–1800℃的范围内，并且所述第二光纤温度在1400℃–1550℃的范围内。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第三光纤温度在1400℃–1550℃的范围内，并且所述第四光纤温度在1250℃–1350℃的范围内。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述第一冷却速率在1500℃/s–4000℃/s的范围内，并且所述第二冷却速率比所述第一冷却速率大至少250℃/s。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述第二冷却速率比所述第一冷却速率大至少500℃/s。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述第一光纤温度在1650℃–1750℃的范围内，并且所述第二光纤温度在1350℃–1500℃的范围内。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述第三光纤温度在1350℃–1500℃的范围内，并且所述第四光纤温度在1200℃–1300℃的范围内。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述第三温度低于所述第二温度。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，以所述第一冷却速率进行的所述冷却包括：以至少42m/s的拉制速度传送所述光纤。
10.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，以所述第一冷却速率进行的所述冷却包括：以至少50m/s的拉制速度传送所述光纤。
11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，当存在保持在第一周围温度下的第一气体时发生以所述第一冷却速率进行的所述冷却，所述第一周围温度低于所述第一光纤温度，所述第一光纤温度与所述第一周围温度之间的差小于500℃。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一周围温度低于所述第二光纤温度，并且所述第二光纤温度与所述第一周围温度之间的差小于300℃。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一光纤温度在1600℃–1800℃的范围内，并且所述第二光纤温度在1400℃–1550℃的范围内。
14.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其中，当存在保持在第二周围温度下的第二气体时发生以所述第二冷却速率进行的所述冷却，所述第二周围温度低于所述第一周围温度和所述第三光纤温度，所述第三光纤温度与所述第二周围温度之间的差小于500℃。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第二周围温度低于所述第四光纤温度，所述第四光纤温度与所述第二周围温度之间的差小于300℃。
16.如权利要求14或15所述的方法，其中，所述第三光纤温度在1400℃–1550℃的范围内，并且所述第四光纤温度在1250℃–1350℃的范围内。
17.如权利要求14-16中任一项所述的方法，其中，所述第一气体在所述第一周围温度下的热导率小于1.5x10-4cal/cm-s-K。
18.如权利要求11所述的方法，其中，当存在保持在第二周围温度下的第二气体时发生以所述第二冷却速率进行的所述冷却，所述第二周围温度低于所述第一周围温度和所述第三光纤温度，所述第三光纤温度与所述第二周围温度之间的差大于500℃。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述第二周围温度低于所述第四光纤温度，所述第四光纤温度与所述第二周围温度之间的差大于300℃。
20.如权利要求18或19所述的方法，其中，所述第三光纤温度在1350℃–1500℃的范围内，并且所述第四光纤温度在1200℃–1300℃的范围内。
21.一种加工光纤的方法，其包括：
以大于42m/s的拉制速度从预制件拉制光纤，所述光纤的假想温度低于1540℃。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述光纤的假想温度低于1535℃。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述光纤的假想温度低于1530℃。
24.如权利要求21-23中任一项所述的方法，其中，所述光纤在1550nm下的衰减小于0.185dB/km。
25.如权利要求21-24中任一项所述的方法，其中，所述拉制速度大于45m/s。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述拉制速度大于50m/s。
27.一种加工光纤的方法，其包括：
沿着工艺路径，在缓慢冷却装置中将光纤从第一光纤温度冷却到第二光纤温度；所述缓慢冷却装置具有入口、出口和受控冷却区域；所述光纤以所述入口处的所述第一光纤温度进入所述缓慢冷却装置，所述光纤以所述出口处的所述第二光纤温度离开所述缓慢冷却装置；所述受控冷却区域包括用于加工所述光纤的两个或更多个区；各个所述区具有平均周围温度、最大周围温度和最小周围温度；各个所述区中的所述平均周围温度不同；在各个所述区中，所述最大周围温度与所述最小周围温度之间的差小于25℃；各个所述区以小于5000℃/s的平均冷却速率冷却所述光纤。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述第一光纤温度在1500℃–1700℃的范围内，并且所述第二光纤温度在1000℃–1250℃的范围内。
29.如权利要求27或28所述的方法，其中，相邻的所述区的所述平均冷却速率在下游方向上增加至少5％，所述下游方法包括从所述缓慢冷却装置的所述入口延伸到所述缓慢冷却装置的所述出口的所述工艺路径的一部分。
30.如权利要求27-29中任一项所述的方法，其中，所述缓慢冷却装置包括四个或更多个所述区。
31.如权利要求27-29中任一项所述的方法，其中，所述缓慢冷却装置包括六个或更多个所述区。
32.如权利要求27-29中任一项所述的方法，其中，所述缓慢冷却装置包括八个或更少的所述区。
33.如权利要求27-29中任一项所述的方法，其中，所述受控冷却区域包含气体，所述气体在800℃–1500℃范围中的一个或多个温度下具有小于1.5x10-4cal/cm-s-K的热导率。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述气体选自下组：Ar、N2和空气。
35.如权利要求27-34中任一项所述的方法，还包括将所述光纤从所述缓慢冷却装置的所述出口引导到光纤绕转装置。
36.如权利要求35所述的方法，其中，在进入所述光纤绕转装置的入口处的所述光纤温度低于1075℃。
37.一种用于加工光纤的设备，其包括：
缓慢冷却装置，所述缓慢冷却装置具有用于接收光纤的入口，用于输送光纤的出口，以及在所述入口与所述出口之间的受控冷却区域，所述受控冷却区域包括用于加工光纤的两个或更多个区，所述两个或更多个区包括保持在第一平均周围温度的第一区和保持在第二平均周围温度的第二区，所述第一区在所述第二区的上游，所述第二平均周围温度为至少500℃，所述第一平均周围温度比所述第二平均周围温度高至少100℃。
38.如权利要求37所述的设备，其中，所述第一平均周围温度为至少900℃。
39.如权利要求37所述的设备，其中，所述第一平均周围温度为至少1100℃。
40.如权利要求37-39中任一项所述的设备，其中，所述第二平均周围温度为至少700℃。
41.如权利要求37-39中任一项所述的设备，其中，所述第二平均周围温度为至少900℃。
42.如权利要求37-41中任一项所述的设备，其中，所述第一平均周围温度比所述第二平均周围温度高至少300℃。
43.如权利要求37-41中任一项所述的设备，其中，所述第一平均周围温度比所述第二平均周围温度高至少500℃。
44.如权利要求37-43中任一项所述的设备，其中，所述第一区与所述第二区是相邻的。
45.如权利要求37-44中任一项所述的设备，其中，所述第一区包含第一最大周围温度和第一最小周围温度，所述第一最大周围温度与所述第一最小周围温度之间的差小于25℃。
46.如权利要求37-45中任一项所述的设备，其中，所述第二区包含第二最大周围温度和第二最小周围温度，所述第二最大周围温度与所述第二最小周围温度之间的差小于25℃。
47.如权利要求37-46中任一项所述的设备，其还包括第三区，所述第二区在所述第三区的上游，所述第三区具有第三平均周围温度，所述第三平均周围温度比所述第二平均周围温度高至少100℃。
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