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CN108698905A - 加工光纤的方法和系统 - Google Patents

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CN108698905A CN201780013299.6A CN201780013299A CN108698905A CN 108698905 A CN108698905 A CN 108698905A CN 201780013299 A CN201780013299 A CN 201780013299A CN 108698905 A CN108698905 A CN 108698905A
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fibre
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M-J·李
A·刘
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Abstract

加工光纤的方法和对应的设备包括将来自定向光源的光引导向光纤拉制机上的光纤。至少使用来自定向光源的光将光纤的纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围内的纤芯温度。所述方法可用于降低纤芯的假想温度，并且减少瑞利散射，从而在纤芯中具有更低的衰减损失。

Description

加工光纤的方法和系统
本申请依据35 U.S.C.§119要求于2016年2月24日提交的系列号为62/299,055的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
背景技术
光纤可经由将固体玻璃纤维预制件拉制通过垂直光纤拉制系统(或称为“拉制机”)来制造。可由加热炉将纤维预制件的一端加热到玻璃熔点以上，以允许从预制件中拉制出光纤。随后可使光纤经历其他加工步骤，例如基于加热炉的光纤固化。
发明内容
拉制光纤的挑战之一在于玻璃基质在成形后迅速冷却。这导致随后进行要求玻璃高于某一温度的工艺步骤的时间有限。特别地，将光纤的冷却控制到比在室温、环境空气中冷却慢的速率是有利的，以减少纤芯中的非桥氧(NBO)及其他异常现象。纤芯的假想温度也可随着冷却速率的降低而降低，这可减少成品光纤中的与光学信号的衰减相关的瑞利散射。另外，可能期望在高速下操作光纤拉制机，例如在20米光纤/秒(m/s)以上或者在30m/s或40m/s以上操作。更高的光纤拉制速度导致其中必需进行加工步骤的空间(光纤长度)具有显著更大的限制。
本公开的实施方式允许在极短的光纤长度内对光纤拉制机上的光纤快速再加热，即使在高的拉制速度下也如此。可将纤芯温度升高到纤芯的玻璃化转变温度范围，并且随后在必要时可根据各种温度相对于时间/光纤位置分布曲线来控制冷却，以减少缺陷，降低衰减和在光纤拉制机上进行其他加工步骤。
在一个方面中，加工光纤的方法包括将来自定向光源的光引导向光纤拉制机上的光纤。所述方法还可以包括至少使用来自定向光源的光将光纤的纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围内的纤芯温度。加热纤芯可包括在引导了来自定向光源的光之后，用光径向非对称性地照射光纤或使用加热炉来加热。如本文中所使用的，“光”是指发射实质性的并且具有不可忽略的玻璃吸收的任何波长。
加热纤芯可在不使纤芯或包围纤芯的光纤包层熔化的情况下进行。加热纤芯可包括将光纤包层瞬态温度维持在与纤芯瞬态温度相差500℃、400℃、300℃、200℃或100℃以内。加热纤芯可包括在使纤芯冷却到200℃、400℃、600℃、800℃或1000℃以下之前，对拉制出的光纤进行再加热。
所述方法可以包括控制冷却以使得相对于使用室温空气的冷却，更慢地冷却纤芯，从而降低假想温度或纤芯中的非桥氧。控制冷却可以包括使用真空、加热炉或额外的定向光源来降低纤芯的冷却速率。所述方法还可以包括将光纤的光纤包层加热到基本上等于纤芯温度的温度。
将光引导向光纤可以包括将光引入到中空波导中，光纤通过该中空波导拉制。中空波导可以具有非圆形或多边形高反射率内表面。对光进行引导还可以包括将光扩束到大于或等于20的纵横比，沿着光纤轴主动扫描光束，将光分束成多束分裂束并同时对分裂束进行扩束以与多个相应的光纤段相交，或者使用抛物面反射器反射光，其中，光纤通过抛物面反射器的焦线拉制。还可以用以大于或等于10米光纤/秒(m/s)的速度操作的光纤拉制机，或者以大于或等于20m/s或30m/s的速度操作的光纤拉制机进行光的引导和纤芯的加热。对光进行引导还可以包括在任何给定时间用光照射小于或等于约1米(m)的光纤长度。对光进行引导还可以包括在任何给定时间用光照射大于或等于1厘米(cm)的光纤长度。对光进行引导可包括使用定向光源的LED、CO2激光器、CO激光器、量子级联(QC)激光器、脉冲激光器、连续波(cw)激光器或紫外(UV)光源，并且定向光源的光学深度相对于光纤的半径可以很小。
对来自定向光源的光进行引导可包括使用某一光波长，光纤对该波长的吸收深度大于约10微米且大致小于或等于不具有外部涂层的光纤的直径。将光引导向光纤可包括使光从围绕光纤的不止一个径向方向与光纤相交。对光进行引导可包括使用脉冲式定向光源或高纵横比光束。
在另一个方面中，一种用于加工光纤的系统包括基于光的光纤加热器，所述加热器包括(i)定向光源和(ii)光引导器，其被构造用于将来自光源的光引导到光纤拉制机上的光纤。所述光纤加热器可以被构造用于将光纤的纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围以内的纤芯温度。
基于光的光纤加热器还可以被构造用于控制冷却，以相对于室温空气冷却使纤芯冷却地更慢，从而降低假想温度、瑞利散射或纤芯中的非桥氧，并且所述系统可以包括真空系统、加热炉或额外的定向光源以通过降低纤芯的冷却速率来控制冷却。
基于光的光纤加热器还可被构造用于在不使纤芯或包围纤芯的光纤包层熔化的情况下加热纤芯。基于光的光纤加热器还可被构造用于将光纤包层瞬态温度维持在与纤芯瞬态温度相差500℃、400℃、300℃、200℃或100℃以内。
光引导器可以包括中空波导，光纤通过该中空波导来拉制，并且该中空波导可以具有非圆形、多边形或椭圆形内表面。光引导器还可以包括被构造用于将光束扩展到大于或等于20的纵横比的扩束器；被构造用于沿着光纤的某一方位(z轴)扫描光束的主动扫描仪；被构造用于提供多个分裂束的多个分束器；以及被构造用于使相应的分裂束在多个相应的光纤区段与光纤同时相交的多个相应的扩束器；或者抛物面反射器，其被构造用于使光向着抛物面反射器的焦线聚焦，光纤通过该抛物面反射器拉制。光引导器可以被构造用于在任何给定时间，在小于或等于约1米的光纤长度内引导光。光引导器还可以被构造用于在任何给定时间，在大于或等于1厘米(cm)的光纤长度内引导光。光引导器还可以被构造用于使光从围绕光纤的不止一个径向方向上与光纤相交。光引导器还可被构造用于以高纵横比光束的形式引导光。所述高纵横比可以大于或等于20或100。
基于光的光纤加热器可以包括被构造用于加热光纤纤芯的加热炉，并且基于光的光纤加热器可以被构造成用光径向非对称或径向对称地照射光纤。加热器可以被构造成在光纤拉制机以大于或等于10m/s或者大于或等于20m/s(例如≥30m/s或≥40m/s)的速度操作时，对纤芯进行加热。基于光的光纤加热器还可被构造用于在使纤芯冷却到200℃、400℃、600℃、800℃或1000℃以下之前，对拉制出的光纤进行再加热。
定向光源可以包括LED、CO2激光器、CO激光器、量子级联(QC)激光器、脉冲激光器、连续波(cw)激光器或紫外(UV)光源，并且定向光源可以被构造用于输出具有波长的光，该波长的光学深度相对于光纤的半径较小。这样的光学深度可以确保折射到光纤中的来自定向光源的更多的光被吸收，从而将更高百分比的光能输送给光纤。如下文中将有所描述的，还具有潜在益处的是，使用具有某一波长的光，针对该波长的光学深度与光纤半径处于相同的数量级或大于光纤半径。定向光源还可包括各种光学部件(例如镜子、透镜等)以对光的引导进行调节、整形、导向或以其他方式来引导。定向光源还可被构造输出某一光波长，光纤对该波长的吸收深度大于约10微米且大致小于或等于未涂覆的光纤直径。(注意，对于通信用标准光纤，该直径会是125微米)。定向光源可以为脉冲式定向光源。
在另一个方面中，用于加工光纤的系统包括将来自定向光源的光引导向光纤拉制机上的光纤的装置，以及至少使用来自定向光源的光将光纤的纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围内的纤芯温度的装置。
附图说明
本公开的下述示例性实施方式的更为具体的描述将使前述内容更为清楚，在所示附图中，对于所有不同视图，同样的附图标记表示相同的部件。附图不一定是成比例的，而是将重点放在说明本公开的实施方式上。
图1A是例示了基于光的光纤加热器的框图。
图1B是例示了玻璃光纤芯的焓随温度变化的图。
图2A是具有流体光纤转折装置的光纤拉制机的示意图。
图2B是例示了具有不同的轴对称热通量的1米长的光纤的温度升高计算值的图。
图3A是包括高功率CO2激光器的基于光的光纤加热器的一个实施方式的例示。
图3B是高纵横比光束的截面示意图。
图4A-4C例示了使用各种定向光波长的定向光从单个轴向方向来照射光纤，在光纤截面内的温度变化计算值。
图5A是从四个不同轴向照射光纤的示意图。
图5B-5D是类似于图4A-4C的，分别基于图5A例示的从四个方向照射光纤的温度图。
图6A是示出了当从图5A例示的四个方向加热时，光纤的包层温度和芯体温度图，其中加热以一定的时间间隔发生。
图6B和6C是例示了在图6A例示的加热条件的各个时间的光纤截面温度的温度图。
图7A是包括固定分束器和高纵横比光束整形透镜的基于光的光纤加热器的示意图。
图7B是包括可旋转分束器的基于光的光纤加热器的示意图。
图7C是同时包括可旋转的扫描分束器和抛物面镜的基于光的光纤加热器的示意图。
图7D是图7C例示的抛物面镜和光纤的截面示意图。
图7E包括示出了可使用图7A-7D例示的实施方式系统获得的各种温度分布曲线的图。
图8A-8G例示了可形成基于光的光纤加热器的部分的各种中空波导。
图9A-9C是例示了实施方式方法的流程图。
图10是例示了表面温度和芯体温度随着沿光纤的距离变化以及随着照射变化而变化的图。
具体实施方式
以下描述了本公开的示例性实施方式。
图1A例示了基于光的光纤加热器100，其包括定向光源102和光引导器106。如本文中所使用的，“光”是指对于所公开的应用具有实际发射并且对于光纤玻璃中的吸收是不可忽略的任何波长。定向光源102输出定向光104。例如，定向光源102可包括发光二极管(LED)、CO2激光器、CO激光器、量子级联(QC)激光器、脉冲激光器、连续波激光器或紫外光源。如本文中所使用的，“定向光源”具有受到充分限制的发散度，使得光可瞄准导向、整形、聚焦或以其他方式处理光的光学器件，或者可瞄准光纤。例如，在一些实施方式中，定向光源102包括多千瓦级CO2激光器。另外，定向光源102可以包括可在被光纤吸收的波长范围内工作的其他高亮度光源。优选地，光104的波长在约3.5微米(μm)至约11微米的范围内。但是，也可在更宽的波长范围内提供光，所述更宽的波长范围例如在约2微米至约16微米之间。此外，石英光纤吸收紫外光，并且在一些实施方式中，紫外光源用于定向光。
在一些实施方式中，定向光源102输出的光104的波长使得针对光纤的光的光学深度小于光纤的半径。这样的光学深度确保来自定向光源、并且折射通过光纤的更多的光被吸收，从而将更高百分比的光能输送给光纤。这一特性还可使折射到光纤中的来自定向光源的基本上所有的光能够被光纤吸收，从而基本上输送所有的光能。在其他实施方式中，定向光源102输出的光104的波长使得光的光学深度与光纤半径具有相同的数量级或大于光纤半径。如下所述，该特征能够获得均匀的内部温度。
光引导器106将来自光源的光104引导到光纤拉制机上的光纤108。如本文中所使用的，“引导光”包括通过对来自定向光源的光进行导向、整形、扫描、聚焦、散焦或以其他方式操作来处理光，以使定向光在光纤处入射。光纤包括外部的光纤包层110和内部的纤芯112，并且其在图1A所示的拉制方向107上，沿着光纤108的轴109拉制。如下文关于图1B进一步描述的，光纤加热器100被构造用于将光纤108的纤芯112加热到纤芯的玻璃化转变温度范围以内的纤芯温度。相对于仅使用室温空气进行冷却，通过将纤芯温度快速加热到玻璃化转变温度范围，接着随着时间控制纤芯温度，可降低纤芯的假想温度，以及纤芯中的非桥氧缺陷。结果，还可减少来自纤芯的瑞利散射。
在加热纤芯112的过程中，光纤包层110也被加热到某种程度。如结合图6A-6C进一步描述的，在一些条件下，光纤包层110的温度可以基本上等于纤芯112的温度。在其他情况中，尤其是在使用基于光的光纤加热器快速加热期间，或快速冷却期间，纤芯和包层的温度可以相差高达300℃或更高。对于包层表面的温度短暂高于芯体表面温度的情形，期望不将表面短暂加热到玻璃熔点以上的温度。将参考图10更完整地描述避免这种情况的方法。
如下文进一步描述的，图1A例示的光引导器106可包括镜子、分束器、扫描镜、平面镜、曲面镜、抛物面镜、束整形元件(例如透镜)、中空波导或其任意组合。另外，在下文例示的一些实施方式中，光引导器106包括多个透镜、镜子或其他光引导或束整形元件。
图1B是以任意单位(a.u.)例示了玻璃的焓随温度(a.u.)变化的图，从而例示了玻璃冷却时发生的情况。另外，由于玻璃体积以类似于焓的方式变化，因此，所述图还可被理解为表示玻璃体积随温度的变化而变化。图1B例示了玻璃化转变温度范围118，在该范围内玻璃纤芯的性质在过冷液体性质与固体性质之间变化。随着纤芯112冷却到液体温度范围122以下，一旦温度降到晶体熔化温度TM以下，则纤芯进入过冷液体温度范围120。
一旦在玻璃化转变温度范围118中，则玻璃的冷却速率影响玻璃在冷却到固体温度范围124时最终形成的固体玻璃的焓和体积。例如，如图1B所例示的，沿着温度分布曲线114相对较快冷却的玻璃纤芯具有更高的焓和体积，并且以相对更高的假想温度TF快速冷却为特征。另一方面，例如，沿着温度分布曲线116相对较慢冷却的玻璃纤芯具有相对更低的焓和体积，并且以相对更低的假想温度TF缓慢冷却为特征。假想温度也可被称为转变温度，并且由表示玻璃态(固态)的冷却曲线和过冷液态的冷却曲线的直线之间的交点限定。
如图1B所例示的，玻璃纤芯的假想温度的降低仅是控制纤芯的玻璃化转变范围内的冷却的各有益效果之一。非桥氧(NBO)缺陷可通过控制玻璃化转变范围内的冷却速率得到减少，并且还可以以这种方式减少当携带光信号时光纤芯112中的光衰减。
图2A是具有流体光纤转折装置238a-b的光纤拉制机的示意图。在第一流体光纤转折装置238a之后，取决于光纤是以10m/s还是60m/s来拉制的，光纤108将冷却到200℃至800℃之间。如果以大于约50米/秒(m/s)的速度拉制光纤，则由于从光纤拉制炉底部到流体光纤转折装置238a的有限的跨距840a，可在光纤中形成高的假想温度和相当大的残余应力。为了获得所需的产品属性，释放这些应力是有帮助的。例如，利用在流体光纤转折装置238a与238b之间适当加热和冷却，可释放残余应力。由于流体光纤转折装置238a与拉制炉底部之间的跨距840a为约8m，因此有必要在约1m的较短的光纤跨距840b内，将移动的光纤108再加热到约退火温度(在纤芯112的玻璃化转变温度范围内；温度升高约700℃)，并且采用在流体光纤转折装置238a与238b之间的更长的跨距840a来缓慢冷却光纤。对于石英纤芯来说，示例性退火点可以为1215℃，而应变点可以为1120℃。对于掺杂锗(Ge)的纤芯，退火温度和应变温度可以略低。如果纤芯在再加热之前为800℃，则升高700℃将使温度为约1500℃。
使用本文公开的实施方式方法和装置，可在不使纤芯或包围纤芯的光纤包层熔化的情况下，对光纤拉制机上的光纤的纤芯进行这一再加热。注意，在其他实施方式中，各流体光纤转折装置之间的距离可以有所不同，并且光纤必需在其中加热的光纤跨距的具体要求可以不同于一米。然而，加热设备的实际长度常常受限，并且随着光纤拉制速度的增加，光纤存在于任何加热区域中的时间变得更短。
沿着流体光纤转折装置238a和238b之间的光纤距离发生的再加热的准确位置可用于改变在再加热之前，在光纤拉制机上允许纤芯达到的最低温度。如上所述，在某些实施方式中，可在允许纤芯冷却到200℃或800℃以下之前，对拉制出的光纤进行再加热。然而，在其他示例性实施方式中，可在允许纤芯冷却到例如400℃、600℃或1000℃以下之前，发生再加热。
图2B是例示了具有不同的轴对称热通量[单位为瓦特/平方米(W/m2)]，在1米长度内的光纤的温度升高计算值的图。如图所示，大于约6.5兆瓦/平方米(MW/m2)的恒定轴对称热通量对于在1m光纤跨距840b内将光纤温度升高1000℃是需要的。
虽然来自热外壳的热辐射可用于对光纤进行再加热，但是从图2B的图中可推导出单独使用热外壳的多个缺点。制造光纤的石英仅吸收中红外至远红外(3.5微米至430微米)及深UV光谱区域中的辐射。例如，包围长度为1m的光纤的3000℃热管仅可将以30m/s移动的光纤的温度升高约100℃，即使在假设3.5微米至430微米的波长范围内的全部红外辐射完全被吸收的情况下也如此。因此，仅使用热外壳对拉制机上的光纤再加热到玻璃化转变温度范围将需要过长的加热器长度并且是不现实的，尤其是在较高的拉制速度下。这表明相对较聚焦的，或能量密度较高的辐射更适于对拉制机上的光纤快速再加热。定向光源不必是单色的或者是激光器。例如，在一些实施方式中，可使用LED或其他光源。然而，优选的是，发射的辐射被限制在光纤的吸收区域以获得最大的吸收效率。另外，激光器是简便的定向光源。基本上为单色的、高度吸收的辐射，例如来自CO2激光器的辐射具有轮廓分明的、几乎为单色的光输出的优点，并且光的方向性易于控制。
尽管仅使用来自热外壳的热辐射来再加热对于合理的拉制速度来说具有缺点，但是可以有利地利用这种用热外壳进行的加热，以在使用定向能源完成大部分再加热之后使光纤达到非常精确的最终温度。
图3A例示了一种基于光的光纤加热器，其包括用作定向光源的高功率CO2激光器342。激光器342能够对移动的、拉制时的光纤108进行再加热。光引导器包括镜子343，其被构造用于将来自激光器342的光线344反射向弯曲的抛物面形状的光学镜346，该弯曲的抛物面形状的光学镜346也形成了光引导器的部分。抛物面形状的镜子346将光线344从约3-4mm宽的激光束引导向光纤108。抛物面形状的镜子346引导光线344，以在光纤108处形成几乎线形的光束。虽然图3A未示出，但是可在光纤108的左侧同样提供与镜子343类似的镜子，以将光线344引导向左侧的抛物面镜346。左侧的光线344可由额外的激光器(未示出)提供或通过相同的激光器342利用适当的分束来提供。从光纤108的两侧加热提高了加热均匀性，下文结合图5A-5D进一步描述了该优点。
图3A的实施方式的线形的光束具有大于或等于100的纵横比。在其他实施方式中，光束的纵横比可以较低，例如大于或等于约20。纵横比可由所需的温度分布曲线来确定。纵横比大的光束适于相对较均匀的分布曲线，例如图7E例示的，例如其中一个光束即可符合温度分布曲线要求。对于复杂的温度分布曲线，例如图7E中例示的分布曲线756d-f，多个光束可以是有效的。在这种情况中，可组合纵横比小的多个光束以获得所述分布曲线。在图3A的实施方式中，光纤108的照射长度为约1m，并且大于或等于约100的纵横比提供了优选的与光纤的最小光束重叠。另外，纵横比优选为至少1000，甚至更优选大于5000。例如，如图3B进一步例示的，对于直径为125微米的常规光纤，束高应仅稍大于光纤直径以使重叠最佳，例如约200微米。束宽为至少20mm，优选至少200mm，甚至更优选至少1m。在其他实施方式中，束宽可小于或等于1m，使得光束在任意给定时间照亮小于或等于约1m的光纤长度，即使在不存在光束扫描的情况下也如此。在一些实施方式中，束宽可以大于或等于1cm，使得光束在任意给定时间照亮大于或等于1cm的光纤长度，即使在不存在光束扫描的情况下也如此。鉴于激光束具有足够的能量将光纤加热到期望的程度，这一最小束宽可有助于避免对于实际的光纤拉制速度来说过高的短暂表面加热。另外，在一些实施方式中，可在任意给定时间用光照亮(照射)更大长度的光纤。还应理解的是，虽然图3A中未示出，但是一些实施方式包括准直透镜和各种扩束或束调节光学器件等以控制激光束特性。因此，这些额外的光学部件可形成光引导器的部分，所述光引导器被构造用于将来自光源的光引导到光纤拉制机上的光纤。
图3B例示了高纵横比光束的截面图。例如，光束可以是在从抛物面镜346反射之后由图3A中的光线344表示的激光束。等值线336a、336b和336c表示光束截面中的强度相等的位置。如图3B所例示的，光束的宽度W显著大于光束的高度H，并且纵横比由W除以H限定。如上所述，在包括组合的多个光束，并且这些光束的纵横比较小的实施方式中，纵横比可针对多个光束中的每个光束来限定。
图4A-4C例示了光源的波长对光纤加热均匀性的影响，假设仅从光纤的一侧加热(用光径向非对称性地照射光纤)。图4A-4C例示了使用来自在各种相应波长下工作的CO2和CO激光器的波长来模拟对光纤进行激光加热的数据。具体地，这些模拟考虑2D高斯束，并且峰值强度为10MW/m2，该2D高斯束在光纤圆形截面的顶点处被聚焦成60微米的光斑尺寸。一般而言，红外区域中的各种激光波长可用于加热光纤。具体地，约3.5微米至约11微米的红外波长范围是有效的，因为石英光纤更强烈地吸收这些波长。
图4A是使用在9.3微米下工作的CO2激光器加热5毫秒(ms)后，光纤的截面温度分布曲线。光纤在该波长下的吸收深度为300nm。如图4A所指示的，在5ms的加热时间后，光纤截面上的温度在约320K至约420K的范围内，或者变化范围为约100K。
图4B还例示了以5ms加热，但是使用的是在10.6微米的波长下工作的CO2激光器。针对该波长的吸收深度为10微米，并且截面内的温度为约320K至约440K，或者变化范围为约120K。注意，虽然激光的吸收深度在10.6微米下更大，但是表面与内部的温差更大。这是因为在10.6微米时，从玻璃表面法向入射的反射率为15％，而9.3微米时为40％。这表示偏离了一般规则，即更大的吸收深度产生更低的温度梯度。然而，这是次要影响，这将在下文进一步描述。
在图4C中，光纤加热器为以5微米工作的CO激光器，并且针对该波长的吸收深度为70微米。如可从图4C中见到的，在加热5ms后，温度比图4A或4B中均匀得多，在图4C的截面内仅涵盖约40K的变化范围。因此，如图4A-4C中例示的，用波长大于吸收深度的激光器加热石英光纤在光纤截面上获得了更加均匀的温度分布。然而，注意，激光器还优选将其几乎全部能量沉积到玻璃中，而不是使光以吸收最少的形式通过玻璃。否则，再加热的能力可受到影响。因此，如果该策略用于使光纤的表层(表面)与芯体之间的短暂、瞬态温差最小化，则优选不使用吸收深度显著大于光纤厚度的波长。(对于通信用标准光纤，该直径会是125微米)。
图5A-5D例示了从多个方向加热石英光纤108的温度均匀性益处。图5A是用于图5B-5D例示的模拟情况的条件示意图。具体来说，假设定向光源和光引导器利用来自围绕光纤的四个不同径向方向的光104照亮光纤108。如图5B所例示的，对于在9.3微米下工作，并且吸收深度为300nm的CO2激光器，在加热5ms后，光纤截面上的温度变化仅为约20K。该20K变化与使用相同激光波长但是仅有一个入射光方向的图4A中见到的100K变化形成对比。
图5C示出了以10.6微米工作的CO2激光器从四个不同方向加热光纤的模拟情况。相比于图4B中见到的120K变化范围，在图5C的情况中，光纤截面内的温度均匀性变化在约25K以内。图5D例示了在5微米下工作，并且吸收深度为70微米的CO激光器的模拟情况。相比于图4C中见到的40K变化范围，在图5D的情况中，光纤截面上的温度变化仅为约7K。因此，相比于图4A-4C中例示的模拟情况，图5B-5D例示的模拟情况显示出用四束激光或分裂激光束从不同方向加热(所述不同方向造成定向光从围绕光纤的不止一个径向方向与光纤相交)获得了比使用单个方向照射的情况高得多的温度均匀性。图5A中的图例示了针对围绕光纤的各径向方向的这一原理。例如，下文关于图7C-7D及8A-8G描述的实施方式例示了可用来使光从不止一个方向与光纤相交以增加温度均匀性的其他实施方式。虽然本发明的实施方式不要求从多个方向加热光纤，但是这样做是可避免使光纤表面或包层熔化的众多技术之一，即使在将纤芯快速加热到玻璃化转变温度范围内的情况中也是如此。将参考图10进一步描述这种技术及其他技术。
图6A-6C例示了可通过脉冲式(断续式)加热获得的其他截面均匀性益处。随着时间，脉冲式或断续式加热通过扩散增加了光纤的给定截面中的温度均匀性。例如，这种脉冲式或断续式加热可利用脉冲激光源或与截光器连接的激光源或以其他方式间歇关闭的激光源来实现。这种脉冲式加热是可将光纤包层瞬态温度维持在例如与纤芯瞬态温度相差500℃以内的一种方式。另外，在具有足够长的“关闭”间歇的加热期间，可将光纤包层瞬态温度维持在与纤芯瞬态温度相差400℃、300℃、200℃或100℃以内。
图6A是示出了当假设不时地从图5A例示的四个方向加热时，光纤的包层瞬态温度和纤芯瞬态温度随时间变化的图。发生激光加热的一个示例性时期是0ms至约5ms，在这期间，包层瞬态温度与芯体瞬态温度不同。从20ms开始发生另一个这样的加热时期。例如，在时间为25ms时，图6B显示出光纤的截面温度变化为约20K。然而，在随后的不加热的时期中(例如在50ms时，如图6C中例示的)，光纤包层温度与芯体温度变得基本上相等，其中变化仅为约0.1K。再次，下文将参考图10进一步描述这种技术及其他技术。
图7A-7C是可沿着光纤108的轴109获得期望的温度分布曲线的各种光学布局示意图。在图7A中，激光束104被部分反射镜748a和748b分裂成多个光束，这些多个光束被引导向光纤108及各个位置以与光纤的多个相应区段749a-c相交。通过利用特定的镜面反射率，可适当地分裂光束104以在沿着光纤的每个位置处产生所需强度。例如，对于图7A中的三个分束器748a-c系列，分束器748a的反射率可以为33％，而第二分束器748b的反射率可以为50％，并且最后的分束器748c的反射率可以为100％，以从三个分束器中的每一个分束器产生强度大致相等的光束来传播给光纤。毗邻每个分束器748a-c的是复合光学透镜750，其使光束以高纵横比向光纤108发散。在其他实施方式中，沿着光纤的每个位置处的所需强度不相同，并且根据需要相应地调整分束器的反射率。因此，在图7A的实施方式中，定向光104是分裂成多个分裂束的光束。同时，对分裂束中的每一束进行扩束以与光纤108的相应区段相交。
虽然图7A的实施方式包括分束器和透镜以将光仅引导到光纤108的一侧，但是其他实施方式包括分束器与透镜的另外的组合以从相反方向将光引导向光纤108。另外，如图5A所例示的，其他实施方式包括从四个或更多个方向将光束引导向光纤，以进一步实现图5B-5D例示的径向温度均匀性益处。另外，三个分束器和三个透镜的系列可被加热光纤的各长度所需的任意数目的分束器/透镜组合系列替换。此外，如图7B-7C所例示的，在一些实施方式中，并不要求高纵横比透镜。
图7B是例示了一种替换性光学布局的示意图，其也可沿着光纤的轴向方向109获得各种温度分布曲线，即使是不要求具有图7A的透镜750或其他束整形元件的情况下也如此。与图7A相反，图7B的实施方式省略了透镜750但是包括可旋转的扫描分束器752a-c。可旋转的分束器可进行旋转来照射光纤108，以沿着光纤将光引导到各个轴向位置，从而沿着轴109主动扫描光104的光束。例如，可以使用检流计发动机或本领域已知的其他致动器(未示出)来扫描分束器。
图7C是例示了与图7B相似的一个实施方式的示意图。然而，图7C的实施方式还包括抛物面反射镜754，其被定向成使光纤108通过抛物面镜的焦线来拉制。将定向光104引导向抛物面反射镜754。虽然一些光104在第一次通过时被光纤吸收，但是大多数光104继续行进并且被镜754反射。该实施方式具有如下优点：在第一次通过时未被光纤108初始吸收的光104可向着光纤反射回来，以从不同方向照射光纤。图7D是例示了图7C例示的光纤108和抛物面镜754的截面端视图的示意图。
冷却速率还可以通过调整基于光的光纤加热器的一个或多个区段中的激光功率来控制，所述基于光的光纤加热器的一个或多个区段对应于基于光的光纤加热器的区段749a-c。例如，在图7A中，如果分束器748a和748b具有足够高的反射率，则施加于光纤区段749c的功率可足够地低以不进一步加热光纤，但是仍足够地高以使光纤冷却变慢。因此，在一些实施方式中，基于光的光纤加热器，或其区段可用于在玻璃化转变温度范围内控制冷却速率以延长冷却时间。
图7E例示了例如可使用图7A-7D例示的实施方式系统获得的多个示例性温度分布曲线。每个温度分布曲线示出了光纤温度(任意单位)根据光纤轴向位置(任意单位)的变化而变化。分布曲线756a是缓慢升温的分布曲线。分布曲线756b是在时间段内快速升温，随后缓慢冷却的分布曲线。分布曲线756c的特征是快速升温，快速冷却，并且在中间为平顶分布曲线。分布曲线756c是具有快速冷却区域(在分布曲线的右侧)的一个示例性分布曲线，该快速冷却区域可在光纤表面处导致形成压缩应力。另外，如分布曲线756d-f所例示的，各实施方式可在光纤的长度内(在光纤移动的情况中等于时间)提供多个再加热和冷却循环。温度分布曲线可随着时间改变，例如，通过在几秒或更长的时间段内从缓慢升温变为缓慢冷却来改变。对于图7E中的每个分布曲线，例如，分布曲线中的最大温度、温度分布曲线(例如在分布曲线756c中)的平顶，或光纤的较慢冷却或较慢加热区段可在纤芯的玻璃化转变温度范围内。因此，例如，图7A-7D的基于光的光纤加热器不仅可以将纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围，还在所需的时间段内将纤芯维持在玻璃化转变温度范围内以实现上文所述的益处。
除了实现高拉制速度下小光纤跨距内快速再加热，图7A-7D的实施方式可用于将纤芯的温度升高到例如高达1500℃左右或较低的温度。如本文已经描述的，当将纤芯加热到玻璃化转变温度范围内的温度，随后相对较慢地冷却时，可实现多个益处。例如，通过使用真空辅助冷却策略可实现极慢的冷却，以使光纤的假想温度比如果在室温下冷却更低，从而导致超低的衰减损失。
图8A-8G例示了图1A中的光引导器106还可包括中空波导。例如，图8A例示了具有高反射率内表面830的波导828a，其具有六边形截面轮廓。在一些实施方式中，高反射表面包含金属涂层。在一些实施方式中，高反射表面通过使用多个反射性电介质层来形成，例如使用周期性的高折射率和低折射率布拉格(Bragg)层。光纤108通过波导828a拉制，光104被引入到波导的一个端部中并允许其在各反射表面之间传播以及被光纤108吸收。在光沿着波导的轴向方向以及各反射侧之间传播期间，每次激光束与光纤重叠时，一部分激光能被光纤108吸收。如果需要，这可以在光纤长度内产生基本上均匀的轴向加热。例如，类似于图8C-8G例示的其他波导实施方式，图8A的实施方式具有减少或消除多个光学部分(例如镜子或透镜)的优点，从而降低了对光学对准的任何需求并免除了主动式束扫描。基于波导的光学器件的一个优点在于它们可使光纤吸收大部分激光功率。因此，波导可以是极有效的方法。但是，在一些情况中，波导在高功率下可受到损坏，必需小心避免对给定波导带来损坏的功率。图8B是图8A例示的六边形波导828a和光纤108的径向截面图。
图8C-8E例示了波导的几何形状不限于图8A-8B例示的六边形结构。例如，在图8C中，波导828b具有圆形内部截面，而在图8D中，波导828c具有八边形内部截面。此外，图8E例示了具有基本上为正方形内部截面，并且该正方形具有圆角的波导828d。可使用各种内部截面轮廓，包括弯曲的内部轮廓，各种多边形轮廓、圆形轮廓、椭圆形轮廓、D形轮廓等。如果中空波导相对于中心轴具有对称性，则优选地，光纤108偏离波导的中空内部中心进行拉制，以增加光纤与光束之间的重叠。例如，在图8C中，光纤108相对于截面为圆形的圆柱波导内表面是偏离中心的。
例如，可使用与光纤拉制工艺相似的机械拉制工艺形成这些中空波导结构。或者，可用多件精密机械加工部件构建中空波导。例如，可用两件或三件弯曲部件组装圆形波导(例如图8C例示的圆形波导)。优选对波导内表面进行抛光以减少散射损失。
图8F例示了光不需要通过端口来引入到中空波导中。在图8F中，光104被引入到具有基本上为圆柱形反射内表面的中空波导828e中。光104通过高度发散的束整形元件834被引入到中空波导中，并且在两个轴向方向上将光发射到波导中。图8G是图8F例示的中空波导和光纤的截面示意图。虽然波导828e的内表面和外表面基本上是圆柱形，但是波导828e包括容纳发散束整形元件834的平坦部分832。在其他实施方式中，可在没有平坦部分832的情况下使用束整形元件。另外，在未示出的替换性实施方式中，存在多个束整形元件而不是仅单独一个束整形元件834，它们沿着波导长度位于不同的位置处。在这些替代性实施方式中，多个束整形元件定位在用于沿光纤轴109在不同位置加热光纤的不同开口处。另外，在其他实施方式中，多个波导可用于在光纤的各个区段中加热或控制冷却，以获得更多种温度分布曲线，例如图7E例示的那些。
图9A是例示了对光纤进行加工的一种实施方式方法960的流程图。在962处，光从定向光源被引导向光纤拉制机上的光纤。在964处，至少使用来自定向光源的光将光纤的纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围内的纤芯温度。纤芯温度可以为图1B例示的玻璃化转变温度范围118内的任意温度，例如包括假想温度，如TF缓慢冷却或TF快速冷却。
图9B是例示了对光纤进行加工的一种替换性方法966的流程图。在962处引导光并在964处加热纤芯之后，在968处控制纤芯的冷却，以相对于使用室温空气的冷却，降低假想温度或纤芯中的非桥氧。还可因此减少瑞利散射。在各个实施方式中，可使用基于光的光纤加热器(例如图3A和图7A-7D例示的那些)控制纤芯的冷却。此外，在一些实施方式中，使用包括中空波导(例如图8A-8G例示的那些)的基于光的光纤加热器控制冷却。然而，在其他实施方式中，例如图9C例示的，例如可使用加热炉或真空系统控制光纤的冷却。
图9C是例示了对光纤进行再加热加工的一种替换性实施方式方法970的流程图。在962处引导光之后，对光纤的纤芯进行再加热。特别地，加工方法970包括两步光纤再加热步骤。首先，在964处，将纤芯再加热到接近纤芯的玻璃化转变温度范围的温度。与一直加热到转变范围形成对比的是，使用基于光的光纤加热器仅加热到接近玻璃化转变温度范围包括以下益处：在短距离内迅速加热光纤并同时避免光纤发生任何意外过热或熔化情况。随后，在972处，使用加热炉将纤芯进一步加热一直到玻璃化转变温度范围，如之前在上文中所述，加热炉明显更加缓慢地加热光纤，但是明显更加精确地加热到最终温度。
图9C也更加清楚地显示了如何可实现功能978(受控地冷却光纤)。具体来说，在一个实施方式中，通过在真空中进行光纤的加工来控制冷却978。在另一个实施方式中，在980处，可以通过在加热炉中进行光纤的加工来控制冷却，其中热辐射温度显著高于环境温度，但是低于光纤温度。在另一个实施方式中，在982处，通过用强度递减的定向光源持续照射光纤来控制光纤冷却。在未例示的另外的实施方式中，可以使用元件978、980和982的组合或亚组合。
图10是示出了当芯体从600℃再加热到1250℃时光纤的表面(表层)温度和芯体温度的图，1250℃是用于进一步加工芯体的有效温度，使用的束宽分别为100mm、200mm和500mm，其中束宽如图3B所示限定。使用激光加热模式来产生该图，其中光纤以60m/s移动(注意，这一高的速度例示了就再加热难度方面而言特别严格的情形)。用于该模式的激光器是功率为4kW的CO2激光器，并且束引导光学器件形成了两束，每一束在相同高度接近光纤，但是是从相反(180度)方向接近。在光束与光纤表面相交处，该两束具有250微米的(截面等值线)高度(在图3B中例示出)。
图10中的100mm束宽显示出了在表面处短暂过热的问题。具体而言，最大方位表面温度为1850℃，这明显远高于玻璃的熔点。(熔点可替换性地称为软化点，熔融石英的熔点为约1700℃)。对于200mm的束宽，将纤芯再加热到相同的有效温度，但是最大表面温度为1500℃，这低于熔点。
同样对于图10中500mm的束宽，将纤芯再加热到相同的有效温度，但是最大表面温度难以超过该纤芯温度。束宽阈值和对应的纵横比将随着具体情况而变化，高于束宽阈值和对应的纵横比时，纤芯获得所需的温度，同时避免在光纤表面处熔化。该具体的模式假设光纤拉制速度非常高，因此加剧了充分加热纤芯同时不使光纤表面过热的难度。但是，一般来说，对于给定的束功率和光纤速度，增加束宽[并因此增加纵横比(假设束高固定)]是可减少光纤表面短暂过热，尤其是避免表面熔化的一种方法。
如本公开的上文所述，在将纤芯再加热到有效进行进一步加工的温度时，期望避免使光纤表面熔化的副作用。下文概括了避免熔化副作用的一些方式，如下所述：
(i)可用吸收深度更大(同时考虑反射率)的波长照射光纤，例如，如图4A-4C所例示的。
(ii)可从不止一个方向照射光纤，从而减少方位热点，例如如图5A-5D所例示的。
(iii)可分步加热光纤，其中各步之间的时间允许表面与芯体的温度梯度减小，例如，如图6A-6C所例示的。
(iv)可沿着光纤轴扫描一束或多束光束，例如，如图7B-7C所例示的。
(v)例如，可由足够宽的、高纵横比的非扫描光束照射光纤。这些光束的作用例如通过图10来例示。
上述示例性方法中的每一种方法可以单独使用，或任意组合使用，以避免光纤表面短暂过热或可能的熔化。
除了上述方法，避免光纤表面过热和可能的熔化的另一种方式在于光纤自身。如果光纤已经远高于室温，则减少使纤芯到达期望温度所需的额外能量。为了说明这一点，参考图10，如果进入再加热设备的光纤已经是室温(20℃)而不是600℃，则鉴于相同的激光器和光纤速度，使用100mm束宽将芯体加热到相同的1250℃会导致2600℃的光纤最大方位表层温度。这不仅远高于熔融石英的熔点，而且实际上还过于热，使得SiO2或SiO形式的熔融石英会极其迅速地升华。因此，纤芯与包层先前越接近期望温度，则越容易将它们再加热到期望温度，并且越容易避免光纤表面短暂过热和光纤表面可能发生的熔化。一般而言，例如，期望在芯体和包层温度早已大于200℃、或大于400℃、600℃、800℃或1000℃的情况下使光纤进入再加热步骤，以有助于避免光纤表面或包层过热。
最后，应注意的是，虽然期望避免光纤表面熔化，但是并非绝对必需避免光纤表面熔化。因此，可以在没有上述用于避免表面熔化的附加技术的情况下使用本申请所述的再加热方法。
虽然参照示例性实施方式对本发明进行了具体展示和描述，但本领域技术人员应理解，可在形式和细节上做出各种改变而不偏离所附权利要求书所包含的本发明范围。

Claims (44)

1.一种加工光纤的方法，所述方法包括：
将来自定向光源的光引导向光纤拉制机上的光纤；以及
至少使用来自定向光源的光将光纤的纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围内的纤芯温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在不使纤芯或围绕纤芯的光纤包层熔化的情况下对纤芯进行加热。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，对纤芯进行加热包括将光纤包层瞬态温度保持在与纤芯瞬态温度相差500℃以内。
4.如权利要求3所述的方法，其中，对纤芯进行加热包括将光纤包层瞬态温度保持在与纤芯瞬态温度相差300℃以内。
5.如权利要求4所述的方法，其中，对纤芯进行加热包括将光纤包层瞬态温度保持在与纤芯瞬态温度相差100℃以内。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，引导来自定向光源的光包括使用某一光波长，光纤对该波长的吸收深度大于约10微米且小于或等于未经涂覆的光纤的直径。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，将光引导向光纤包括使光从围绕光纤的不止一个方向与光纤相交。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，对光进行引导包括使用脉冲定向光源。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，对光进行引导包括使用高纵横比光束。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，对光进行引导包括在任何给定时间下，用光照射小于或等于约1米的光纤长度。
11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，对光进行引导包括在任何给定时间下，用光照射大于或等于约1厘米的光纤长度。
12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，对纤芯进行加热包括在使纤芯冷却到200℃以下之前，对拉制的光纤进行再加热。
13.如权利要求12所述的方法，其中，对纤芯进行加热包括在使纤芯冷却到600℃以下之前，对拉制的光纤进行再加热。
14.如权利要求13所述的方法，其中，对纤芯进行加热包括在使纤芯冷却到1000℃以下之前，对拉制的光纤进行再加热。
15.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其还包括控制纤芯的冷却，以相对于使用室温空气的冷却，降低假想温度、减少瑞利散射或纤芯中的非桥氧。
16.如权利要求15所述的方法，其中，控制冷却包括使用真空、加热炉或额外的定向光源来降低纤芯的冷却速率。
17.如权利要求1-16中任一项所述的方法，其中，将光引导向光纤包括将光引入到中空波导中，光纤通过该中空波导被拉制。
18.如权利要求1-17中任一项所述的方法，其中，对光进行引导包括沿着光纤的轴主动扫描光束。
19.如权利要求1-18中任一项所述的方法，其中，对光进行引导包括将光分束成多束分裂束，并且同时对各分裂束进行扩束以与光纤的多个相应区段相交。
20.如权利要求1-19中任一项所述的方法，其中，对光进行引导包括使用抛物面反射器反射光，光纤通过该抛物面反射器的焦线被拉制。
21.如权利要求1-20中任一项所述的方法，其中，对纤芯进行加热包括在引导了来自定向光源的光之后使用加热炉。
22.一种加工光纤的系统，所述系统包括：
基于光的光纤加热器，其包括：
(i)定向光源；和
(ii)光引导器，其被构造用于将来自光源的光引导到光纤拉制机上的光纤，
所述光纤加热器被构造用于将光纤的纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围内的纤芯温度。
23.如权利要求22所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还被构造用于在不使纤芯或围绕纤芯的光纤包层熔化的情况下加热纤芯。
24.如权利要求22或23所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还被构造用于将光纤包层瞬态温度维持在与纤芯瞬态温度相差500℃以内。
25.如权利要求24所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还被构造用于将光纤包层瞬态温度维持在与纤芯瞬态温度相差300℃以内。
26.如权利要求25所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还被构造用于将光纤包层瞬态温度维持在与纤芯瞬态温度相差100℃以内。
27.如权利要求22-26中任一项所述的系统，其中，定向光源被构造用于输出某一光波长，光纤对该波长的吸收深度大于约10微米且大致小于或等于未经涂覆的光纤的直径。
28.如权利要求22-27中任一项所述的系统，其中，光引导器还被构造用于使光从围绕光纤的不止一个方向与光纤相交。
29.如权利要求22-28中任一项所述的系统，其中，所述定向光源为脉冲定向光源。
30.如权利要求22-29中任一项所述的系统，其中，光引导器还被构造用于以高纵横比光束的形式引导光。
31.如权利要求22-30中任一项所述的系统，其中，光引导器被构造用于在任何给定时间下，在小于或等于约1米的光纤长度内引导光。
32.如权利要求22-31中任一项所述的系统，其中，光引导器被构造用于在任何给定时间下，在大于或等于约1厘米的光纤长度内引导光。
33.如权利要求22-32中任一项所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还被构造用于在使纤芯冷却到200℃以下之前，对拉制的光纤进行再加热。
34.如权利要求33所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还被构造用于在使纤芯冷却到600℃以下之前，对拉制的光纤进行再加热。
35.如权利要求34所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还被构造用于在使纤芯冷却到1000℃以下之前，对拉制的光纤进行再加热。
36.如权利要求22-35中任一项所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还被构造用于控制纤芯的冷却，以相对于室温空气中的冷却，降低假想温度或纤芯中的非桥氧。
37.如权利要求36所述的系统，其还包括真空系统、加热炉或额外的定向光源，以通过降低纤芯的冷却速率来控制冷却。
38.如权利要求22-37中任一项所述的系统，其中，光引导器包括中空波导，光纤通过该中空波导被拉制。
39.如权利要求22-37中任一项所述的系统，其中，光引导器包括主动扫描仪，所述主动扫描仪被构造用于沿着光纤的轴扫描光束。
40.如权利要求22-37中任一项所述的系统，其中，光引导器包括被构造用于提供多个分裂束的多个分束器；以及被构造用于使相应的分裂束在多个相应的光纤区段与光纤同时相交的多个相应的扩束器。
41.如权利要求22-37中任一项所述的系统，其中，光引导器包括抛物面反射器，其被构造用于使光向着抛物面反射器的焦线聚焦，光纤通过该抛物面反射器被拉制。
42.如权利要求22-41中任一项所述的系统，其中，基于光的光纤加热器还包括被构造用于加热光纤纤芯的加热炉。
43.如权利要求22-42中任一项所述的系统，其中，定向光源包括LED、CO2激光器、CO激光器、量子级联(QC)激光器、脉冲激光器、连续波(cw)激光器或紫外(UV)光源。
44.一种加工光纤的系统，所述系统包括：
用于将来自定向光源的光引导向光纤拉制机上的光纤的装置；和
至少使用来自定向光源的光将光纤的纤芯加热到纤芯的玻璃化转变温度范围内的纤芯温度的装置。
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