帶孔的光纖的製作方法

2023-06-14 23:00:11 2

專利名稱：帶孔的光纖的製作方法
背景技術：
本發明涉及帶孔的光纖(holey fiber)和製造帶孔光纖及帶孔光纖予成型件的方法。
帶孔光纖是一種光纖，它的光學制約機理及性質是受沿著光纖長度方向延伸的空腔所限定的空氣孔陣列影響的。光能夠以兩種不同的機理在帶孔光纖內被導引。第一，利用空氣孔的周期性安排，能夠通過光子帶隙效應得到引導[1]。第二，能夠從體平均折射率效應得到引導。這第二種引導機理並不依賴於空氣孔的周期性[2]。
通常，帶孔的光纖具有由帶孔的包層區所圍繞的實心芯(附圖中的

圖1A)或空心芯(附圖中的圖1B)。圖示的帶孔光纖具有一帶孔的結構，其特徵是孔徑為d，孔間距離即節距為Λ。
帶孔的光纖結構是這樣製成的將多根圓管形毛細管以六邊形緊密壓緊的陣列，堆積在一形成含有該毛細管的外套或外殼的較大的圓管內。為了形成實心芯的帶孔光纖，如圖1所示，要從該堆中取走圓管形毛細管之一而用同樣外徑的實心棒代替。為了形成如圖1B所示的空心芯的帶孔光纖，要從該堆的中心部分取走若干毛細管。這個光纖堆然後通過封裝步驟拉製成予製件，隨後再放入光纖拉制塔中並拉製成光纖。所完成的帶孔光纖結構因此具有這樣的特徵由帶孔的包層所圍繞的內芯(實心的或空心的)。帶孔光纖的製造在文獻[3][4]中有進一步的討論。
為了實現供多種應用的帶孔光纖，最好是製造具有較小特徵尺寸的帶孔光纖，例如孔間距離，即節距A約為1-2微米。具有如此小孔的特徵尺寸的光纖有許多有趣而獨特的性質，諸如在短波長下的異常散射，高的光學非線性以及在空氣中具有大的瞬時場的可能性。
為了滿足小節距的需要，有必要構造一種具有相對較小毛細管的予製件結構。由於毛細管的小尺寸，需要數以百計的毛細管元件來提供在予製件封裝和光纖拉制的製造階段能方便地加工的足夠大的結構。此外，從實際出發，製成的光纖需要具有約為80微米或更大的外徑。但是，為了滿足這些需要所要求的大量微小的毛細管對製造提出了困難並且還導致不耐用的光纖。
一種改進方法是將毛細管堆在一外套中，它具有如附圖中圖2所示的相對較厚的壁，該圖表示一厚壁的石英外套1，它限定一內部圓柱形空間，其中放置了兩圈石英包層毛細管2，這些毛細管是圍繞放置在中心的實心石英芯4同心設置的。在所示的例子中，外套1的內部空間額外地套裝一個耐熱玻璃管3。包括在圖中頂部的尺寸是以毫米為單位的示範性予製件的尺寸，而在圖中底部的尺寸是以微米為單位的目標光纖的尺寸。使用厚壁外套具有這樣的優點，它允許所需毛細管的數量可大幅度減少。
厚壁外套的方法已被其它集團論證。但是，至少根據本發明人的經驗，它已被證明，當使用這樣的厚壁外套結構時在製造過程中的光纖拉制階段，要可靠地並且可控地保持小孔特點是很難的。據信，這個問題可歸因於在厚壁結構中相對較小的空氣與玻璃之比，以及在光纖拉制過程中當予製件在拉制塔爐中熔融時外套玻璃的相對較大的熱質量(thermal mass)。
因此，本發明的目的是提供一種用於製造具有相對較小特徵尺寸的帶孔光纖的改進方法。
該帶孔的外部支持結構優選具有比該帶孔光纖至少大5或10倍的橫向特徵尺寸。
該帶孔光纖可以有一由帶孔的包層所圍繞的實心或空心的芯，該包層可以包含多個空腔，它們安排在多個同心地圍繞芯的圓環例如2-6或更多個圓環中。
該帶孔的外部支持結構方便地是由管狀結構的安排構成的，每一管狀結構大體上和帶孔光纖有相同的橫向尺寸。該橫向尺寸優選是該帶孔光纖橫向尺寸的五分之一到5倍之間，最好是該帶孔光纖橫向尺寸的一半到兩倍之間。該帶孔的外部支持結構可以方便地另外包含一個圍繞該管狀結構的外套。
實施本發明的光纖結構擁有一微結構的橫截面，其中在帶孔光纖本身中的微結構是在該帶孔光纖所引導的光的波長的量級上，但是在支持該帶孔光纖的外部帶孔結構內是在明顯地更粗大的量級上(例如波長的5倍、10倍或更大的倍數)。
利用本發明可以使用已有的光纖製造技術較為方便地生產耐用的、帶塗層和外套且帶有微結構芯特徵的光纖。
按照本發明的第二方面，提供一種光纖予製件，其包括(a)一芯棒；(b)圍繞該芯棒安排的多個包層毛細管；(c)含有包層毛細管的內套(an inner jacket)；以及(d)圍繞該內套安排的多個支持毛細管。該予製件還可包括含有支持毛細管的外套(an outer jacket)。
按照本發明的第三方面，提供一種製造帶孔光纖予製件的方法，其包括(a)將一芯棒和多根包層毛細管安排在第一包套(a first jacket)內；(b)將第一包套和多根支持毛細管安排在第二包套(a second jacket)內以形成一管形組件；以及(c)縮小該管形組件以成為予製件。該支持毛細管可以安排在外部包套內。
按照本發明的第四方面，提供一種製造帶孔光纖的方法，包括(a)按照第三方面的方法製造帶孔光纖的予製件；以及(b)由該予製件拉制光纖。該支持毛細管可以安排在外部包套內。
按照本發明的第五方面，提供一種沿著帶孔光纖結構引導光的方法，該結構包括安排在一帶孔的外部支持結構中的帶孔光纖，該光具有通過帶孔光纖跨越橫截平面的模式場，其中該模式場被主要限制在該帶孔光纖內。換句話說，該結構是這樣設計的，即該帶孔的外部支持結構並不以任何明顯方式對包含在其中的帶孔光纖的光導性質起作用。優選地是，該模式場延伸到帶孔光纖之外而進入帶孔外部支持結構的功率要小於光功率的10％、5％、2％、1％、0.5％及0.01％之一。
附圖簡介為了更好地理解本發明和表明它怎樣才能實現，現在將參考作為實例的附圖，其中圖1A是一實心芯的帶孔光纖的示意截面；圖1B是空心芯的帶孔光纖的示意截面；圖2是按照現有技術方法的帶孔光纖予製件的示意圖；圖3是按照本發明實施例的帶孔光纖予製件的端視圖；圖4是按照本發明一實例的帶孔光纖結構的橫截面；圖5是圖4帶孔光纖結構的帶孔光纖區域的擴大視圖；以及圖6是按照本發明另一實例的帶孔光纖結構的帶孔光纖區域的橫截面。
詳細說明為了避免在相對較細的微結構內料(inner cane)上施加一較厚壁且有較大熱質量的包套所遇到的問題，在下面所述的實施例中採用了一種途徑，它可以看成是將圖2中現有技術途徑的厚壁外套用一外部薄壁包套和一內部較大毛細管的堆的組合所取代。於是，含有芯和帶孔包層的微結構內料被較大尺寸的毛細管所支持。
圖3是按照這一途徑的帶孔光纖予製件的端視圖。該予製件包括一內料14，它含有在光纖拉制後將形成帶孔光纖的元件。中心區域包括一由多個安排在芯棒周圍的小毛細管所環繞的實心芯棒，它們最終會形成光纖的帶孔的包層，不過從這個圖中並不能清楚地顯示。實心芯棒和毛細管被包容在一內套中，該內套形成該內料的外表面。這些小的包層毛細管被安排在同心環繞該芯棒的一個或多個圓環中。對於大多數帶孔光纖的應用通常至少需要兩圈包層毛細管。實際上，二是一個優選的圈數，因為它代表為在許多應用中提供所需光學性質的最小的圓環數。圓環數可以更多，例如三、四、五、六或更多，但是應該記住，很大數量的毛細管會出現製造上的困難，如在涉及已有技術在上面所敘述的那樣。
內料14是由安排在內料周圍的多根較大尺寸的支持毛細管12所支持的。支持毛細管被包容在較細的外套10中。在另一實施例中可以取消外套而將支持毛細管在拉伸之前在頂上和底下融合在一起以便將它們保持在一起。如在圖上所見到的，支持毛細管的外徑大體上和內料14的外徑相同，使得內料和支持毛細管能夠安排在六邊形緊密包封的陣列中。更為廣泛的是，使支持毛細管的橫向尺寸和內料具有相同的數量級是方便的。優選地是使支持毛細管的橫向尺寸為內料橫向尺寸的五分之一到五倍之間，尤其是在內套的一半到兩倍之間。
毛細管可以用多種方法製造。一般情況下毛細管的開始點是大尺寸的管。大尺寸的管可以由以下方法製造擠壓，銑和鑽，拋光，衝孔，自旋/旋轉鑄造，其它鑄造法(例如嵌入鑄造)，模壓，直接粘接等等。然後使用光纖拉制塔將此管封裝(can down)到予製件組件所需的尺寸。
在這一予製件設計中，與已有技術中所用的厚壁外套相比，用於形成(buk out)帶孔光纖中心區域的支持結構的熱質量可明顯地減少。因此這樣就比較容易地拉伸予製件並在中心帶孔光纖區域的附近保持所需的微結構形式。
然後該完成的予製件已準備好用於光纖拉伸的下一主要階段。為了拉伸，予製件放置在光纖拉伸塔中。光纖的拉伸是通過對石英或別的玻璃進行受控的加熱及/或冷卻使其粘度處於約106泊的範圍內。當光纖被拉伸時監控它的直徑和張力是有用的，並將這樣所獲取的數據用於自動反饋環內以控制予製件的饋送速度、光纖拉伸速度及/或其它與爐子有關的參數，以便產生均勻的光纖直徑。
用於將予製件拉製成光纖形式所使用的拉伸塔的主要部件是熱源，它可以是石墨電阻加熱器或射頻(RF)爐。
控制光纖拉伸溫度因而也就是玻璃的粘度是關鍵的，以便滿足兩項判據。首先，光纖拉伸溫度必須使玻璃軟化以提供一種粘度，此時玻璃能夠變形並拉製成纖維而不會形成結晶。第二，玻璃的軟化必須不是這樣的劇烈，以致關鍵的內部結構即小孔將塌陷並熔融在一起。在爐子的熱區的上面和下面要提供冷卻。冷卻使在熱區以外的玻璃保持在它的結晶溫度之下。
圖4是按照本發明一實例的帶孔光纖結構的橫截面，它由通常在圖3中所顯示的那種予製件拉伸而成。
很明顯，該予製件的基本結構在拉伸的帶孔光纖結構中被保存下來。這就是說，所拉伸的帶孔光纖結構包括安排在一帶孔外部支持結構中的帶孔光纖20。此帶孔的外部支持結構包括由外徑大體上等於250微米的較為薄壁的外套24所橫向包圍的管形結構22這樣一種安排。外部的尺寸優選至少為80微米。外部尺寸的優選範圍是80微米到1-5mm之間。帶孔光纖在結構中心的內部結構在圖4中剛剛能看見，但在圖5的放大視圖中可以更清楚地看到。
圖5是圖4所示帶孔光纖結構中心區域的放大視圖。此帶孔光纖包括一實心芯32，它被包層30所圍繞，且包層30包括大體上環繞該芯同心安排的一些孔環。應該理解由於拉伸過程的實際情況這些孔不會形成環繞該芯的完美的圓。所以同心這個詞在本文件中不應以任何幾何上的嚴密性來理解。包層則又被予製件的外套的剩餘物28所圍繞。在本發明的其它實施例中，芯可以是空心而非實心的，例如用於光子晶體光纖(photonic crystal fibre)。
和圖5的帶孔光纖一樣，已經拉制了不同尺寸的一系列其它類似的毛細管支持的帶孔光纖。作為對比，本發明人想要按照參考圖2在上面所敘述的已有技術途徑來生產具有較厚外套的光纖的企圖則趨向於導致芯失去結構整體性的結果。
在帶孔光纖為一方和支持管子為另一方之間的側向特徵尺寸的巨大變化是很明顯的。支持毛細管的外徑優選地至少要比帶孔光纖20的外徑大5或10倍。
在圖4中可以看出，帶孔光纖20的外徑比支持毛細管22的外徑略小一些。通常這兩個橫向尺寸是可比的。具體說，優選的是，管形支持結構22的橫向尺寸是帶孔光纖橫向尺寸的五分之一到五倍之間，尤其是帶孔光纖的一半到兩倍之間。
圖6是按照本發明的另一帶孔光纖結構的中心區域的橫截面。在這一例子中，在予製件中使用了大量的包層毛細管來形成包層中大量的總體上是同心的許多孔的環。圖6例子的其它方面可從前面的說明來理解。
雖然在上述各例中使用管子作為帶孔光纖予製件的基礎，但應理解，其它形狀也可用在帶孔支持結構或該結構的帶孔包層部分中。只要帶孔的外部支持結構和帶孔的包層有足夠數量的間隙或空腔以提供所需性質就夠了。還應該理解，在支持結構中有孔的安排對光纖的光學性質通常沒有什麼影響，因為光纖的波導模式在帶孔包層以外通常沒有明顯的功率。可以使用周期性的或非周期性的安排。還應該理解，包層中的孔洞並不一定要周期性的，除非光纖要具有光子晶體效應的。
按照本發明的帶孔光纖結構在許多原先提議對帶孔光纖感興趣的領域可以找到應用。
一種應用是傳感，曾經建議，在光纖的空腔中存在一種流體，即氣體或液體。於是，流體的性質可根據它對該光學模式部分的效應而被感知，該光學模式部分通常是瞬時波部分，這種波在帶孔的包層區內傳播。
另一種建議的對帶孔光纖的應用是低損耗電信光纖。由於相對光纖的玻璃區域而言與孔相關的損耗較小，故在帶孔光纖中的傳播損耗得以降低。更為基本的是，帶光子帶隙的帶孔光纖可以通過光子晶體效應來降低損耗。
某些特定的感興趣的應用是1)傳送高功率光束(低光學非線性光纖)；2)傳輸系統用的低損耗光纖；3)光學傳感器(氣體檢測，液體組成，醫藥)；4)原子光學；5)微粒子的光學處理；6)粒子分離(通過質量，感應的可極化性，電偶極子矩)；7)喇曼雷射；8)非線性光學器件；9)雷射器對特定的氣體吸收譜線的核對位置(referencing)；10)計量學；以及
11)傳輸系統中的色射補償(實施本發明的帶孔光纖結構可以做成呈現高色散)。
參考文獻1.T A Birks et alElectrolnic Letters，Vol.31，pages 1941-1943(1995)2.US 5,802,236DiGiovanni et alLucent Technologies Inc.
3.P J Bennett et alOptics Letters，vol.24，pages 1203-1205(1999)4.P J Bennett et alCLEO』99，CWF64，page 29權利要求
1.一種光纖結構，包括安排在一帶孔的外部支持結構中的帶孔光纖。
2.按照權利要求1的光纖結構，其中該帶孔的外部支持結構具有比帶孔光纖的橫向特徵尺寸大至少五倍的橫向特徵尺寸。
3.按照權利要求1的光纖結構，其中該帶孔的外部支持結構具有比帶孔光纖的橫向特徵尺寸大至少十倍的橫向特徵尺寸。
4.按照前述任一權利要求的光纖結構，其中該帶孔光纖包括一實心或空心芯，它由一帶孔的包層環繞。
5.按照權利要求4的光纖結構，其中該帶孔的包層包括多個空腔，它們被安排在圍繞該芯同心的多個圓環中。
6.按照權利要求5的光纖結構，其中圓環的數量為2。
7.按照權利要求5的光纖結構，其中圓環的數量為3、4、5或6。
8.按照前述任一權利要求的光纖結構，其中該帶孔光纖包含在一管狀結構中，且其中帶孔的外部支持結構包括環繞該管狀結構安排的多個管狀結構。
9.按照權利要求8的光纖結構，其中該管狀結構具有的橫向尺寸是帶孔光纖橫向尺寸的五分之一到五倍之間。
10.按照權利要求8的光纖結構，其中該管狀結構具有的橫向尺寸是帶孔光纖橫向尺寸的一半到兩倍之間。
11.按照前述任一權利要求的光纖結構，其中該帶孔的外部支持結構還包括一圍繞該管狀結構安排的外套。
12.一種光纖予製件，包括(a)一芯棒；(b)環繞該芯棒安排的多根包層毛細管；(c)一含有該包層毛細管的內套；以及(d)一環繞該內套安排的多根支持毛細管。
13.按照權利要求12的光纖予製件，還包括一含有該支持毛細管的外套。
14.按照權利要求12或13的光纖予製件，其中該支持毛細管具有的橫向尺寸為內套的橫向尺寸的五分之一到五倍之間。
15.按照權利要求12或13的光纖予製件，其中該支持毛細管具有的橫向尺寸為內套的橫向尺寸的一半到兩倍之間。
16.按照權利要求12到15中任一項的光纖予製件，其中該芯棒是中空的。
17.按照權利要求12到16中任一項的光纖予製件，其中該芯棒是實心的。
18.按照權利要求12到17中任一項的光纖予製件，其中該包層毛細管被安排在多個同心環繞芯棒的圓環中。
19.按照權利要求18的光纖予製件，其中圓環的數量為2。
20.按照權利要求18的光纖予製件，其中圓環的數量為3、4、5或6。
21.一種製造帶孔光纖預成形件的方法，包括(a)將一芯棒和多個包層毛細管安裝在第一包套內；(b)安排第一包套及多根支持毛細管以形成一管狀組件；以及(c)將該管狀組件縮小成予製件。
22.一種製造帶孔光纖的方法，包括(a)按照權利要求21的方法製造帶孔光纖的予製件；以及(b)由該予製件拉制帶孔光纖。
23.按照權利要求21或22的方法，其中該支持毛細管被安排在第二包套內。
24.一種沿著帶孔光纖結構導引光的方法，該結構包括安排在一多孔的外部支持結構中的帶孔光纖，該光具有跨越穿過帶孔光纖橫截平面的模式場，其中該模式場被限制在帶孔光纖內，使得延伸到帶孔光纖以外而進入外部支持結構中的光功率小於10％、5％、2％、1％、0.5％和0.01％之一。
全文摘要
一種光纖結構，包括安排在一帶孔的外部支持結構中的帶孔光纖(20)，該支持結構是由包容在一薄壁外套(24)中的帶孔管(22)製成的。該帶孔光纖可以具有一由帶孔的包層環繞的實心芯，且該包層包括該多圈孔。根據這一發明，有可能較為容易地利用現有光纖製造技術來生產耐用的、帶敷層和包套的並具有微米尺寸的微結構芯特性的光纖。這一改進是外側帶孔結構的結果，它減少了支持結構的熱質量並使它有可能在光纖製造過程中可靠和可控地保持小孔特性。
文檔編號G02B6/04GK1447929SQ0181430
公開日2003年10月8日 申請日期2001年8月10日 優先權日2000年8月18日
發明者瓦特·柏樂蒂, 肯特羅·富魯薩瓦, 坦亞·蒙羅, 大衛·理察森, 保羅·特諾 申請人:南安普敦大學