專利名稱：一種成形微結(jié)構(gòu)光纖預制件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微結(jié)構(gòu)光纖制造用的一種工藝和一種裝置。
光纖使用于傳輸光線由一個地方至另一個地方。通常，光纖是由一種以上材料制造的。第一種材料使用于形成光纖的一個中心光線載體部分，稱為芯子，而第二種材料圍繞第一種材料以及形成光纖的一部分，稱為包層。光線能夠被芯子/包層界面上的總內(nèi)反射捕獲在芯子內(nèi)。
這些普通的光纖典型地使用已知的氣相沉積技術(shù)制造，比如改進的化學氣相沉積(MCVD)，外部氣相沉積(OVD)以及氣相軸向沉積(VAD)。
更現(xiàn)代的光纖波導具有與普通的光纖顯著不同的結(jié)構(gòu)，這就是微結(jié)構(gòu)光纖(也稱為“光晶纖維”或“多孔纖維”)。一種微結(jié)構(gòu)光纖是由一種相同的均質(zhì)材料制造的纖維(典型地為二氧化硅)，具有在內(nèi)部的一種微結(jié)構(gòu)(這就是在光波尺度內(nèi)的一種結(jié)構(gòu))，取決于沿著光纖縱向延伸的微結(jié)構(gòu)元件，以及具有一個預定的分布。作為一種微結(jié)構(gòu)元件，它有可能識別一個顯微孔或與基體不同的材料一個細絲元件。
最普通類型的微結(jié)構(gòu)光纖具有一個包層區(qū)，顯示許多等間距的細孔圍繞一個均質(zhì)的和均勻的中心(芯子)區(qū)。這種類型的一條光纖例如參見下列的國際專利申請WO 99/00685。在一個不同的實施例中，光纖的中心區(qū)可以具有一個中心孔，例如參見下列的國際專利申請WO 00/60388。這兩種類型的光纖按照不同的光學現(xiàn)象在芯子內(nèi)傳輸光線。
在不存在中心孔的情況下，光線在包層區(qū)內(nèi)的傳播被禁止，這是因為相對于芯子區(qū)存在一個降低的平均反射指數(shù)。這樣一種結(jié)構(gòu)形成一個低損耗的全二氧化硅光學波導，它借助正確地選擇它的特征參數(shù)值保持在二氧化硅的透射窗口內(nèi)對于所有波長為單型。在此種情況下的波導機理很接近于在普通的光纖內(nèi)的波導機理，以及是具有不同反射指數(shù)的兩種材料(空氣和二氧化硅)的總內(nèi)反射的一種形式。
在存在中心孔的情況下，光線在包層區(qū)內(nèi)的傳播被禁止，這是由于存在一個“光子帶間隙”?！肮庾訋чg隙”現(xiàn)象，它與固態(tài)物理中已知的“電子帶間隙”類似，阻止某些頻率的光線在被孔陣列占據(jù)的區(qū)域內(nèi)的傳播，這些光線因此限定在芯子區(qū)內(nèi)。光纖內(nèi)的光線傳播顯示一個光子帶間隙，例如參見下列文獻J.C.Knight，J.Broeng，T.A.Birks and P.St.J.Russell，“Phtonic Band Gap Guidance in OpticalFibres”，Science 282 1476(1998)。
以上所述的微結(jié)構(gòu)光纖的光學特性取決于孔的數(shù)目，孔的直徑，相鄰孔之間的往復距離以及孔的幾何花樣。由于這些參數(shù)可以廣泛地改變，可以設(shè)計各種不同特性的光纖。
微結(jié)構(gòu)光纖典型地是借助所謂的“疊層和拉制”法制造，其中一系列的二氧化硅棒和/或管疊層為一個緊密包裝排列以形成一個預制件，該預制件能夠使用普通的塔架裝置拉制成為一條光纖。
例如，在申請US 5,802,236A中提供一個芯子元件(例如一個二氧化硅棒)和許多毛細管(例如二氧化硅管)，以及這些毛細管排列為一束，并且使芯子元件典型地處于束的中心。這個束借助一個或多個外包層管保持到一起，這些外包層管壓隔在束上，從而保護此緊密包裝排列。隨后借助供給該預制件至一個普通的拉制爐的加熱區(qū)由最終的預制件拉制光纖。
申請人注意到，疊層和拉制制造方法具有嚴重的缺點。
裝配數(shù)百個非常薄管子的困難性，以及當疊層和拉制管子時可能存在的隙間凹陷可以顯著地影響光纖的衰減，這是由于引入雜質(zhì)，不希望的界面以及引起由于物質(zhì)由管子轉(zhuǎn)移至隙間孔而導致開始孔的再成形或變形。疊層和拉制方法的其它問題可以表現(xiàn)為管子材料的低純度以及在生產(chǎn)要求尺寸的管子和獲得要求花樣孔方面的困難。并且，較低的生產(chǎn)率和高的費用使得此方法不能特別適合于工業(yè)生產(chǎn)。
一種不同的技術(shù)，它至少部分地克服上述問題，就是使用溶膠—凝膠工藝生產(chǎn)玻璃預制件。此技術(shù)例如可參見文獻EP 117 233 9 A1，名稱為Lucent Technologies Inc.涉及制造光纖的一種方法。此方法包括提供一個模具，該模具帶有許多長條元件延伸進入模具以及保持在相對于模具的一個預定的空間排列，引入一種含二氧化硅的溶膠到模具內(nèi)和引起或允許溶膠成為凝膠，在一個凝膠體形成之后，長條元件由凝膠體取出，以及凝膠體由模具取出。代替地，長條元件可以在凝膠體由模具分離之后再拔出。凝膠體隨后干燥、燒結(jié)和凈化，以及由燒結(jié)的凝膠體拉制微結(jié)構(gòu)光纖。取出長條元件可以使用由模具拉出它們機械地進行，單根地拉出或分小組拉出。代替地，長條元件可以由一種聚合物組成，它能夠借助化學或熱作用去除，例如分別地借助暴露組件在一種適當?shù)娜軇﹥?nèi)或借助熱解。
在EP 1172339 A1內(nèi)描述的長條元件的清除技術(shù)顯示某些缺點。
本申請人確認，借助熱作用去除是不實際的，因為長條元件燃燒產(chǎn)生的熱能夠引起凝膠體的開裂。
關(guān)于化學去除，EP 1172339 A1沒有規(guī)定，何種棒材料和何種溶劑可以實際地使用于此目的。此評價的本申請人認為，這樣一個工藝在任何情況下會影響凝膠體的完整性。
參考EP 1172339 A1描述的機械去除法，本申請人發(fā)現(xiàn)，這里再次存在凝膠預制件的開裂問題，特別是申請人經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，在長條元件拔出時兩個原因引起凝膠體開裂。
第一個原因是凝膠與元件表面的粘附，申請人觀察到，這樣的粘附可能由于由凝膠拔出長條元件之前施加至元件的一個輕度扭轉(zhuǎn)而破壞。然而，元件的扭轉(zhuǎn)引起在易碎的凝膠表面內(nèi)的界面應(yīng)力和顯微裂紋。
第二個原因有關(guān)這樣的事實，縱向元件的直徑可能不是恒定的作為軸向位置的一個函數(shù)。這點尤其是對于小直徑元件是真實的。比如，元件的直徑小于2mm。因此，一個元件的一個縱向部分在沿著拔出方向的一個相鄰的縱向位置可能具有一個直徑稍大于凝膠孔。在拔出時，元件的此縱向部分被壓緊進入與較小直徑凝膠孔的表面接觸，導致凝膠表面的應(yīng)力和開裂。
申請人現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，在溶膠的凝膠化時施加一個運動至縱向元件，以上所述的凝膠表面的應(yīng)力和開裂問題能夠避免。此運動可以是縱向元件圍繞它們的軸的轉(zhuǎn)動和/或縱向元件沿著它們的軸的移動。
申請人觀察到，在溶膠的凝膠化時施加這樣一個運動至長條元件，凝膠粘附至轉(zhuǎn)動元件可以避免。如果縱向元件調(diào)節(jié)進入轉(zhuǎn)動，也會產(chǎn)生接近表面的液體的一個剪力運動，它導致在凝膠內(nèi)產(chǎn)生一個孔，此孔的直徑稍大于元件，從而減少拔出元件時凝膠表面開裂的可能性。然而，當縱向元件的數(shù)目高時，施加一個軸向(交替的)移動至縱向元件可以較容易實現(xiàn)。
本發(fā)明因此涉及在制造一條微結(jié)構(gòu)光纖的一個工藝內(nèi)一個中間預制件的一種成形方法，該方法包括下列步驟—提供一種溶膠，它含有一種玻璃預配料；—澆注溶膠在內(nèi)部具有一組長條元件的一個容器內(nèi)；—時效處理溶膠，以獲得一個凝膠體，—由凝膠體取出至少一條長條元件，以便在凝膠體內(nèi)產(chǎn)生一個相應(yīng)的孔；以及—由容器取出凝膠體；其中本方法還包括在轉(zhuǎn)變?nèi)苣z成為凝膠的步驟的至少一部分時施加一個運動至上述至少一個長條元件。
由凝膠體取出至少一條長條元件最好在由容器取出凝膠體之前進行，但是也可以在此步驟之后進行。
施加一個運動至至少一條長條元件可以包括施加一個轉(zhuǎn)動至圍繞其縱軸的至少一條長條元件。此轉(zhuǎn)動最好以一個速率為約1至120rpm(轉(zhuǎn)/min)施加。
代替地，施加一個運動至至少一條長條元件可以包括施加一個軸向運動至至少一條長條元件。軸向運動最好是一個交替運動，以及以一個速率最好為約1至20mm/min施加。
作為另一種代替，施加一個運動至至少一條長條元件可以包括施加一個轉(zhuǎn)動圍繞其縱軸和一個軸向運動至至少一條長條元件。
在本方法的一個可能的方案中，上述一組全部的長條元件由凝膠體取出。在此種情況下，本方法最好包括在轉(zhuǎn)變?nèi)苣z成為凝膠的步驟的至少一部分時施加一個運動至全部的長條元件。
代替地，至少一個上述長條元件可以保留在凝膠體內(nèi)。
形成一種溶膠的步驟最好包括混合至少一種玻璃預配料和水。
長條元件最好是棒形或管形元件。
本發(fā)明還涉及一種中間預制件，它是借助以上所述的方法獲得的。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種微結(jié)構(gòu)光纖的一種制造工藝，該工藝包括—按照以上所述的方法成形一個中間預制件；—干燥中間預制件；—燒結(jié)干燥的中間預制件，以獲得一個玻璃預制件；以及—結(jié)構(gòu)上改變玻璃預制件，以獲得微結(jié)構(gòu)光纖。
按照以上所述方法成形的中間預制件具有至少一個縱向孔，以及該工藝可以還包括在中間預制件干燥之后以及干燥的中間預制件燒結(jié)之前，或在干燥的中間預制件燒結(jié)之后以及圓柱形玻璃預制件結(jié)構(gòu)上改變之前，插入至少一條微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元素至上述至少一個孔內(nèi)。
結(jié)構(gòu)上改變玻璃預制件的步驟可以包括拉制玻璃預制件以獲得一個芯子棒。
結(jié)構(gòu)上改變玻璃預制件的步驟可以還包括涂覆玻璃材料在芯子棒的外面以獲得一個最終的預制件。
再者，結(jié)構(gòu)上改變玻璃預制件的步驟可以包括拉制最終的預制件，以獲得微結(jié)構(gòu)光纖。
本發(fā)明還涉及一種微結(jié)構(gòu)光纖，它們是按照以上所述的工藝獲得的。
按照另一個方面，本發(fā)明涉及一種裝置，用于在一種光纖的制造工藝內(nèi)一種中間預制件的成形，該裝置包括一個模具，適合于包容一種溶膠以便轉(zhuǎn)變成為一種凝膠體；此模具包括一個圓筒形容器和一組平行的長條元件排列在容器內(nèi)，以便在凝膠體內(nèi)形成一組相應(yīng)的孔，以及還包括一個機構(gòu)，用于在轉(zhuǎn)變?nèi)苣z成為凝膠時施加一個連續(xù)的運動至長條元件。
上述機構(gòu)可以是一種適當類型的，以施加圍繞相應(yīng)的軸的一個轉(zhuǎn)動至長條元件，例如，一種具有齒輪的機構(gòu)。
代替地，上述機構(gòu)可以是適當類型的，以施加一個移動，最好帶有交替運動的沿著相應(yīng)的軸至長條元件。例如，上述機構(gòu)可以具有一個滑板，軸向結(jié)合至長條元件以及接合至一個垂直的導軌，以及一個器件，用于沿著此導軌移動滑板。在此種情況下，長條元件最好借助接合元件接合至滑板，該接合元件提供一個微不足道的限制至上述長條元件的轉(zhuǎn)動。
作為另一種代替，上述機構(gòu)可以是適當類型的，以施加沿著相應(yīng)軸的移動(最好是交替的)以及圍繞相應(yīng)軸的轉(zhuǎn)動至長條元件。
更詳細的情況見以下說明，并參見附圖，其中

圖1示出一條微結(jié)構(gòu)光纖；圖2是一個組件的方框圖，該組件使用于制造按照本發(fā)明的一條微結(jié)構(gòu)光纖；圖3示出按照本發(fā)明的一個模型裝置；圖4是圖3的模塑裝置的一個頂視圖；圖5示出本發(fā)明的模塑裝置的一個代替的實施例；圖6a和6b示出圖5的模塑裝置的細節(jié)圖；圖7a至7m示出按照本發(fā)明的一條微結(jié)構(gòu)光纖的制造工藝的不同的步驟。
圖1示出一條微結(jié)構(gòu)光纖的橫剖面，該光纖適合于傳送遠距離光學信號。光纖1具有一個中心軸2以及一組縱向孔3，這些孔平行于中心軸2，以及圍繞軸2對稱地排列。孔3陣列顯示一個“缺陷”在它的中心區(qū)，因為一個孔沿著軸2失蹤。如已知，存在這樣一個“缺陷是必要的，以便具有光纖的希望的光導性能”。
各孔3最好具有相同的尺寸，但也可以具有不同的尺寸，例如，如專利US 5,802,236所述(其中在一個內(nèi)冠部的孔具有尺寸大于較外的孔的尺寸)。
孔3可以含有空氣或不同的氣體，或者用一種液體或材料充填，這種材料與主玻璃體不同。如果孔3用一種不同的材料充填，此材料典型地具有與周圍材料不同的反射指數(shù)。
在一個代替的實施例中(未示出)，光纖可以具有一個中心孔與軸2共軸，它的尺寸大于孔3的尺寸。并且，此中心孔可以含有空氣或不同的氣體，或者用一種液體或不同的材料充填，這種材料與主玻璃體不同。
表征以上所述的微結(jié)構(gòu)光纖的參數(shù)是孔3的直徑、兩個相鄰孔3之間的間距(節(jié)距)Λ和光纖的外徑D，如果有一個中心孔存在，這個直徑是中心孔的。
光纖的性能在一個預定的光波長λ內(nèi)取決于比率d/Λ和比率Λ/λ。典型地，d和Λ的數(shù)量在微米尺度內(nèi)，以及D對于一條標準的光纖為125μm。比率d/Λ最好為0.1至0.5之間，以及比率Λ/λ最好為0.5至10之間，而比率d/D最好為0.004至0.08之間(一個典型值為1/125)。如果孔3的直徑是節(jié)距Λ的一個足夠小的函數(shù)，光纖以一個簡單模式導光。
圖2示出一個組件的方框圖，該組件適合于制造以上所述類型的一條微結(jié)構(gòu)光纖，以及在這里組件整體作為10。組件10包括一個模塑裝置20，用于由一種溶膠生產(chǎn)一種凝膠芯子，一臺爐子30，用于燒結(jié)干燥后的凝膠預制件，因此獲得一個中間玻璃芯子預制件，一臺拉制機構(gòu)40，用于拉制中間玻璃芯子預制件成為一條芯子棒，一個外包層裝置50，用于涂覆外包層至芯子棒，從而獲得一個最終的預制件，以及一個拉制塔架60，用于由一個最終預制件拉制一條光纖。虛線指示組件10的不同部分的工作順序。
參見圖3和4，模塑裝置20包括一個圓筒容器201，在其中溶膠將形成為凝膠芯子預制件和一組有間距的長條元件202(其中一些沒有示出)縱向地跨過容器201，以及適合于在溶膠—凝膠轉(zhuǎn)變工藝結(jié)束時由凝膠預制件機械地取出。
長條元件202可以是絲、棒或管子，以及這樣排列，以限定凝膠芯子預制件的一個預定的內(nèi)結(jié)構(gòu)。預制件的此種內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)相當于最終光纖的內(nèi)微結(jié)構(gòu)，以及長條元件202因此也稱為“微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件”。
容器201最好包括一個圓筒側(cè)壁203，該容器201具有一個中心軸204和一個第一蓋子205和一個第二蓋子206—分別為上蓋子和下蓋子—它們與側(cè)壁203的邊緣配合。容器201的直徑的選擇是根據(jù)容易操作和處理的實際考慮。適當?shù)慕雍掀骷?未示出)，比如連桿和帽套，螺帽或凸緣連接可以使用于固定蓋子205和206至壁203。密封元件可以插入在側(cè)壁203和蓋子205，206之間，以避免流體由容器201內(nèi)部流動至外部，或由外部流動至容器201內(nèi)部。
代替下蓋子206可以設(shè)置一個底壁與側(cè)壁制成整體，從而形成一個單件的杯形容器。
側(cè)壁203可以是一個管形元件，由玻璃、塑料或金屬制造。蓋子205，206可以是盤形元件，由聚四氟乙烯制造。上蓋205最好具有一組通孔205a，排列如同微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。類似地，下蓋子206也可以具有一組凹陷206a，與孔205a同樣地排列。蓋子205，206這樣定位，使孔205a與凹陷206a對準?？梢栽O(shè)置器件，用于方便地允許此種對準，這些器件類似于基準標記，或借助銷釘接合。最好，上蓋子205較厚，從而對微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202提供一個引導功能。如果沿著光纖的中心軸204形成一個中心孔，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202組將引入一個中心的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件，以及蓋子205，206也將分別地設(shè)置一個相應(yīng)的孔和一個相應(yīng)的接合凹陷。
當模塑裝置20裝配時，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202前進通過一端上的一組孔25a和另一端上的接合凹陷26a。微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202最好具有尺寸和剛度，以允許容易操作和容易裝配模塑裝置，以及它們可以是相同的圓筒元件或不同尺寸的和不同材料的元件。
微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的材料最好是這樣的，它能夠避免在溶膠聚合工藝中腐蝕以及避免拔出操作中的損壞。元件202最好由金屬、塑料、橡膠或玻璃制造。元件202也可以由聚四氟乙烯制造或涂覆聚四氟乙烯，它能減少凝膠的粘附。其它可使用的材料是帶涂層金屬，最好是帶一種陶瓷涂層和硅烷化玻璃，它們可以改進元件表面的平滑性。在孔具有較大橫截面的情況下(數(shù)mm或更大)，元件202最好由一種彈性體材料制造，比如橡膠，它們能夠借助施加一個機械載荷在室溫下拉出。在此種情況下，由于在拉制應(yīng)力下，橡膠管或棒的直徑減小，其程度與材料的泊松比(Poisson ratio)有關(guān)，內(nèi)表面損壞的危險受到限制。
元件202組內(nèi)的一個或多個元件可以設(shè)計為保留埋置在預制件內(nèi)，從而變成預制件的一個結(jié)構(gòu)元件，以及隨后是光纖的一個微結(jié)構(gòu)元件。這些元件的功能能夠是光學的或力學的。例如，模塑裝置20可以包括一個中心的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件，設(shè)計為保留埋置在凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而形成它的一個中心的結(jié)構(gòu)元件。設(shè)計為保留埋置在預制件內(nèi)的這些元件是由預定的材料制造的，它不同于預制件的基體材料，以及它適合于在光纖的制造工藝結(jié)束時拔出，最終的預制件拉制成為一條光纖，例如，中心的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202可以是一個玻璃棒，含有鍺。
微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的排列和尺寸應(yīng)這樣選擇，以獲得在制造的光纖內(nèi)孔的一個預定的空間分布和尺寸。尤其是，元件202的尺寸和它們的往復距離之間的比率應(yīng)相當于最終的光纖內(nèi)的孔5的直徑d(更通常是在包層區(qū)內(nèi)的微結(jié)構(gòu)元件的)和這些孔的周期Λ之間預定的比率d/Λ。不同的是，元件202的直徑和容器21的內(nèi)徑之間的比率不需要相當于孔的直徑d和最終的光纖的外徑D之間的比率d/D，以及能夠按照容易操作和處理的需要選擇。特殊地，孔的過小的尺寸和間距使得模塑裝置的裝配非常困難，而太大的容器直徑使預制件的后處理復雜化以及容易引起碎片。
如圖3內(nèi)所示，模塑裝置20可以包括一個轉(zhuǎn)動機構(gòu)210，適合于施加一個轉(zhuǎn)動至圍繞相應(yīng)軸的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。機構(gòu)210最好包括一組齒輪211，每個齒輪剛性地接合至一個相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。齒輪211最好具有相同的尺寸，從而使一個相同的轉(zhuǎn)動速率能夠施加至不同的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。
此組齒輪211最好分為一個第一組齒輪211a和一個第二組齒輪211b，由于障礙的原因定位在不同的高度上。這種排列例如能夠借助提供不同長度的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202獲得。在圖3的特定的實施例中，第一組齒輪211a與外面一組微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202聯(lián)系(圖3內(nèi)為12個)，而第二組齒輪211b與內(nèi)部一組微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202聯(lián)系(圖3內(nèi)為6個)。
每個微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202攜帶兩個疊置的齒輪211’，211”，分別地屬于第一組齒輪211a和第二組齒輪211b，以及連接至適合于施加轉(zhuǎn)動的一個電動機213。
傳動齒輪211’和211”分別地與第一組齒輪211a和第二組齒輪211b的其它的齒輪嚙合為鏈傳送裝置。
如圖5內(nèi)所示，模塑裝置可以是一個較復雜的裝置，在此處它的圖號為20’，該裝置除轉(zhuǎn)動機構(gòu)210外，一個移動機構(gòu)220適合于對微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202提供一個軸向(即縱向)運動，最好是交替的運動。軸向運動施加至微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202，以避免在溶膠凝膠化時凝膠粘附至微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。
模塑裝置20’還包括一個支承結(jié)構(gòu)219，該支承結(jié)構(gòu)219具有一個水平底座221，用于容器201，以及一個垂直壁222，由水平底座221延伸，以支承移動機構(gòu)220。垂直壁222具有一個高度大于容器201的高度的兩倍。
移動機構(gòu)220具有一個水平平面223，滑動地接合至垂直壁222，以及一個帶電動機的機構(gòu)226，以施加一個移動運動至水平平臺223。
水平平臺223具有一組孔，這些孔被微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202穿過。如圖6a和6b所示，每個微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202可以借助定位在水平平臺223的相對側(cè)面的兩個臺座224接合至水平平臺223，從而在移動運動時與水平平臺223成為整體。有利的是，臺座224提供一個微不足道的限制至微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的轉(zhuǎn)動，換句話說，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202基本上是自由轉(zhuǎn)動的。
臺座224可以限定為例如“Seeger”環(huán)形，使用在相應(yīng)的環(huán)座225上(其中僅示出一個)，該環(huán)形座225設(shè)置在每個微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202上。
一個不同的解決方案用于提供微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的一個軸向限制和一個轉(zhuǎn)動自由，這就是使用兩個滾珠軸承第五齒輪(未示出)至在水平平臺223的相對側(cè)面上的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。此兩個滾珠軸承第五齒輪可以借助Seeger環(huán)軸向地固定至微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。
帶電動機機構(gòu)226適合于在一個第一位置和一個第二位置之間垂直地移動平臺223，第一位置(下位置)接近容器221的頂部，在其中微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202沿著容器221延伸向下至下蓋子206，第二位置(上位置)接近垂直壁222的頂部，在其中微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202由容器221拔出。
帶電動機機構(gòu)226包括一個長條螺桿227，在垂直壁222的一個凹陷228內(nèi)垂直地延伸，以及一個電動機229，定位在垂直壁222的頂部，以施加一個轉(zhuǎn)動運動至螺桿227。螺桿227與設(shè)置在平臺223上的一個螺帽230接合，尤其是在平臺223的一個延伸部223a上，它配合進入凹陷228，從而使螺桿227的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生平臺223的一個垂直運動。
可以理解，轉(zhuǎn)動機構(gòu)210和移動機構(gòu)220可以彼此獨立地工作，或者組合地工作，從而使微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202能夠沒有移動地轉(zhuǎn)動，或者同時移動和轉(zhuǎn)動。
使用模塑裝置20生產(chǎn)一個凝膠預制件的工藝以及隨后的轉(zhuǎn)變凝膠預制件直至獲得最終光纖的步驟如以下所述，并參見圖7a至7m。
此工藝由準備一個液體預配料開始(圖7a)，尤其是一種原材料，它含有無機的溶膠，圖號為80，溶膠80可以借助混合一種玻璃預配料和水，尤其是溶膠80可以借助在一種醇溶劑內(nèi)加入烴氧基金屬和水的化學反應(yīng)獲得。第一種反應(yīng)典型的是水解，它包括借助硅烷醇Si-OH組代替與硅接合的OR組，這些化學形式可以一起反應(yīng)以形成Si-O-Si(硅氧烷)鍵，它導致二氧化硅網(wǎng)絡(luò)的形成。該相建立一個3D網(wǎng)絡(luò)，它侵入容器的整個體積。在此兩種合成的不同的化學反應(yīng)中作為溶劑使用的液體保留在固體網(wǎng)絡(luò)的松孔內(nèi)。
在一個第二步驟內(nèi)(圖7b)，在模塑裝置20的裝配之后，將無機溶膠80澆注入容器201。溶膠80可以在插入微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202之前通過孔25a澆注，或通過設(shè)置在上蓋子205上一個適當?shù)娜肟跐沧?未示出)。在第一種情況下，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202是在澆注溶膠之后，但在其凝膠化之前插入的。
適當?shù)臏囟群蛪毫l件，最好是正常環(huán)境溫度和壓力，隨后施加經(jīng)要求的時間，使溶膠硬化和完全轉(zhuǎn)變成為一個凝膠體(圖7c)在此處凝膠體的圖號為81。
在溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z時，一個運動，最好是連續(xù)的運動施加至微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。本申請人實際發(fā)現(xiàn)，在溶膠的凝膠化時微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的運動可以避免凝膠粘附至元件表面。
在本發(fā)明的工藝的一個可能實現(xiàn)方案中，轉(zhuǎn)動機構(gòu)210起動以施加一個緩慢的轉(zhuǎn)動至微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202，特別是，運動是由電動機213傳送至齒輪211’，211”，隨后至其它的齒輪和與其聯(lián)系的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。
申請人觀察到，接近轉(zhuǎn)動的元件表面的液體的剪切運動導致在凝膠內(nèi)的一個孔，它相對于元件的直徑具有稍大的直徑，從而減少了在元件拔出時凝膠表面開裂的可能性。
申請人確認，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的轉(zhuǎn)動速率的一個普通的范圍為了達到上述優(yōu)點應(yīng)在約1至120rpm之間。
在本發(fā)明的工藝的一個第二可能的實現(xiàn)方案內(nèi)，移動機構(gòu)220這樣起動，以施加一個交替的軸向運動至微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202，其速率最好在1至20mm/min之間。運動的方向以一個頻率反轉(zhuǎn)，此頻率最好在0至100反轉(zhuǎn)/min之間。
在本發(fā)明的一個第三可能的實現(xiàn)方案中，兩個轉(zhuǎn)動機構(gòu)210和移動機構(gòu)220起動，以同時施加一個轉(zhuǎn)動和一個軸向交替的移動至微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202。轉(zhuǎn)動速率最好在約1至120rpm之間，以及移動速率最好在1至20mm/min之間。軸向移動以一個頻率反轉(zhuǎn)，此頻率最好在0至100反轉(zhuǎn)/min之間。
當一個凝膠體已形成，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202借助升起平臺223至它的上部位置而由容器21取出。上述凝膠體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)因此限定。
在本發(fā)明的另一種可能的實現(xiàn)方案中，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的一個分組可以保留埋置在凝膠體內(nèi)，從而形成光纖的微結(jié)構(gòu)部分。當微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202拔出時，一個基本上相同尺寸和幾何形狀的孔產(chǎn)生在凝膠體內(nèi)。在溶膠的凝膠化時移動微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的上述技術(shù)保證在元件拔出時沒有任何裂紋以及孔的均勻性。這個最后步驟的結(jié)果是凝膠芯子預制件82具有一個預定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
凝膠預制件82隨后由容器201拔出(圖7e)。特殊地，蓋子205和206由側(cè)壁23分離，以及凝膠預制件由側(cè)壁23拔出。
凝膠芯子預制件82隨后借助由凝膠材料的松孔排除溶劑而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N氣凝膠芯子預制件83(圖7f)，這些溶劑可能引起開裂。凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)闅饽z的此工藝可能包括時效、溶劑交換和超臨界干燥。最好，凝膠首先經(jīng)受溶劑交換，以及隨后借助熱處理在對于溶劑的超臨界條件下進行干燥。轉(zhuǎn)變一種凝膠成為一種氣凝膠的工藝例如描述于專利US 5,207,814。
氣凝膠芯子預制件83可以隨后在燒結(jié)爐30內(nèi)燒結(jié)，從而獲得一個中間的玻璃芯子預制件84(圖7g)，該玻璃芯子預制件84具有在孔直徑和預制件外直徑之間相同的比率。燒結(jié)爐30可以是技術(shù)中任何已知的爐子，適合于燒結(jié)凝膠預制件成為玻璃預制件，尤其是任何的爐子，適合于在氦和/或氧氣的一種氣氛內(nèi)產(chǎn)生一個隨時間改變的溫度，其范圍至少可升至1300℃。燒結(jié)最好包括一個熱處理，用于在存在適當?shù)臍怏w，比如氧、氯和氦的條件下密實氣凝膠，以便清除有機殘留物和水份。熱處理最好在一個變化的溫度下進行，從而進行氣凝膠內(nèi)的有機殘留物的氧化，脫水以清除水份以及最終致密氣凝膠。如果需要，一個或多個其他結(jié)構(gòu)元件可以在此步驟內(nèi)插入先前在中間芯子預制件內(nèi)形成的孔內(nèi)，例如，具有一個不同反射指數(shù)的玻璃芯子棒85(圖7h)。這樣的元件可以作為元件由工藝的開始成形時保留在體內(nèi)，變成預制件的結(jié)構(gòu)元件，以及隨后變成光纖的微結(jié)構(gòu)元件。這些元件的功能可以是光學的或力學的。在前一種情況下，元件插入是為了改變最終光纖的光學傳播性能，以及它可以具有相對于基體一個較高或較低的反射指數(shù)。一個或多個元件也可以插入通過應(yīng)力引起光學作用而改變光學性能。插入其它結(jié)構(gòu)元件的步驟也可以代替地在預制件的燒結(jié)步驟之前進行。
最終的預制件84可以用一個已知類型的拉制機構(gòu)40拉制，以獲得一個芯子棒51(圖7i)。如圖所示，拉制機構(gòu)40典型地具有一個普通的拉制爐子41和一個拖拉機構(gòu)42以便由玻璃預制件84拉制芯子棒51。
一個外包層可以隨后借助已知的“棒在管內(nèi)技術(shù)”(“road in tube”technique)(圖71)或氣相沉積工藝(比如已知的OVD工藝)。
按照“棒在管內(nèi)”技術(shù)使用一種已知類型的棒在管內(nèi)組件50以便在芯子棒51上涂覆一個預制的由玻璃制造的管體52，以及壓陷管體52在芯子棒51上，在本步驟的結(jié)束時，一個結(jié)構(gòu)的預制件已獲得。此拉制和外包層步驟可以要求獲得帶有一個預定的d/D比率的一種結(jié)構(gòu)的最終的玻璃預制件。事實上，由于在模塑裝置20內(nèi)容器201和微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的尺寸選擇是根據(jù)容易操作和處理的實際考慮，在芯子預制件內(nèi)的比率d/D可以比在微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)需要的大。然而，尺寸比率d/Λ仍保持。因此，拉制方便于孔直徑的進一步減小。
總工藝的最后的步驟(圖7m)是使用一種已知類型的一個拉制塔架60拉制這樣獲得的結(jié)構(gòu)的最終的預制件61，以獲得微結(jié)構(gòu)的光纖62，此光纖62纏繞在一個卷軸63上。
作為一種可能的代替方案，拉制可以直接地在中間的玻璃芯子預制件84上進行(燒結(jié)氣凝膠芯子預制件83獲得的)，或在芯子棒51上進行。
對于技術(shù)熟練人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的條件下，可對以上所述的本發(fā)明的實施例做出各種改進和變動。特別是，以上所述工藝的某些步驟可以省略或以不同的順序進行。
例如，在燒結(jié)步驟的結(jié)束時獲得的玻璃芯子預制件可以直接地拉制，從而省略拉制和棒在管內(nèi)裝配的步驟。代替地，玻璃芯子預制件可以直接地經(jīng)受棒在管內(nèi)工藝，而不進行先前的拉制。
以下的實例涉及按照本發(fā)明的工藝不同的氣凝膠預制件的生產(chǎn)。
實例1一條微結(jié)構(gòu)光纖按以下方法制造首先，50g四乙基原硅酸鹽(TEOS)在室溫下與150ml 0.01N的鹽酸溶液攪拌30min。膠體溶液的pH使用氨溶液升高至4.0，以獲得一種適當?shù)娜苣z用于后續(xù)的凝膠化步驟。
溶膠澆注入容器201內(nèi)，容器201內(nèi)已經(jīng)裝配三個微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202，元件202排列為一個三角形。容器201是用聚四氟乙烯材料制造。微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202是用不銹鋼棒制造，直徑為3mm和長度為250mm。
澆注溶膠之后，容器關(guān)閉以及微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202調(diào)節(jié)進入速率80rpm的轉(zhuǎn)動。
溶膠的凝膠化經(jīng)許多小時后產(chǎn)生。在約68h之后一個小量收縮可觀察到，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的轉(zhuǎn)動停止以及微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202借助由容器201拉出而拔出。
凝膠隨后首先在水中，然后在丙酮中浸透，丙酮是隨后的干燥步驟中使用的液體。干燥是將凝膠放置在一個體積為5l的熱壓罐內(nèi)在超臨界條件下進行，熱壓罐隨后用氮增壓至50Bar。加熱隨后以速率為100℃/h開始。壓力增加至65Bar以及隨后借助一個通氣活門作用保持恒定，直至溫度達到290℃。在此點活門開啟以及壓力以速率為7.5Bar/h減小。熱壓罐隨后冷卻至室溫。獲得的試樣是一個結(jié)構(gòu)的氣凝膠預制件，沒有缺陷或裂紋。
獲得的結(jié)構(gòu)的氣凝膠預制件在空氣中逐漸地加熱至280℃，加熱速率為5℃/min；由280至400℃的加熱速率為1℃/min；由400至1250℃的加熱速率為2℃/min。此溫度隨后保持經(jīng)6h以及最后降低至25℃。結(jié)構(gòu)玻璃預制件具有一個尺寸為相對于開始的結(jié)構(gòu)氣凝膠預制件的約50％。
實例2在一個不同的實驗中，100g四乙基原硅酸鹽(TEOS)在室溫下與300ml 0.01N鹽酸溶液攪拌30min。澄清的溶液隨后使用旋轉(zhuǎn)氣化器濃縮直至消除140ml乙醇/水份。隨后58g已發(fā)煙二氧化硅添加至澄清溶液。合成的混合物強烈攪拌，直至均勻以及隨后在1500rpm離心處理10min。膠體溶液的pH使用氨溶液增加至3.9，以獲得一種適當?shù)娜苣z用于后續(xù)的凝膠化步驟。
溶膠隨后澆注入容器201內(nèi)，容器201是由聚四氟乙烯材料制造。微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202是不銹鋼棒，其直徑為3mm和長度為250mm；兩個元件之間的間距為7.5mm(d/Λ＝0.4)。微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202的花樣為圖1內(nèi)的六邊形。
澆注溶膠之后，容器201封閉，以及微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202調(diào)節(jié)進入速率100rpm的轉(zhuǎn)動。
溶膠的凝膠化經(jīng)若干小時后產(chǎn)生。在15-20h之后，一個小量的收縮可觀察到，以及微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件202借助由容器201拉出而手工地拔出。
凝膠隨后在丙酮內(nèi)和之后在乙酸乙酯內(nèi)浸透，乙酸乙酯是隨后的干燥步驟中使用的液體。干燥是將凝膠放置在一個體積為5l的熱壓罐內(nèi)，在超臨界條件下進行，熱壓罐隨后用氮增壓至50Bar。加熱隨后以速率100℃/h開始。壓力增加至60Bar，以及隨后借助一個通氣活門作用保持恒定，直于溫度達到290℃。在此點活門開啟以及壓力以速率7.5Bar/h減小。熱壓罐隨后冷卻至室溫。獲得的試樣是一個氣凝膠預制件，沒有缺陷或裂紋。
結(jié)構(gòu)氣凝膠預制件在氦和氧流中逐漸地加熱至500℃，加熱速率為1℃/min；由500至900℃在氦、氧和氯流中，加熱速率為1℃/min；由900至1200℃在氦、氧和氯流中，加熱速率為0.8℃/min；由1200至1350℃在氦流中，加熱速率為0.8℃/min。此溫度保持經(jīng)6h以及最后降低至25℃。隨后獲得一個微結(jié)構(gòu)玻璃預制件，為沒有氫氧組(小于1ppm)，相對于開始的結(jié)構(gòu)氣凝膠預制件尺寸減小約50％。
權(quán)利要求
1.一種微結(jié)構(gòu)光纖制造工藝中中間預制件的一種成形方法，該方法包括下列步驟—形成一種溶膠，它含有一種玻璃預配料；—澆注溶膠在內(nèi)部具有一組長條元件的一個容器內(nèi)；—時效處理溶膠，以獲得一個凝膠體；—由凝膠體取出至少一條長條元件，以便在凝膠體內(nèi)產(chǎn)生一個相應(yīng)的孔，以及—由容器取出凝膠體；其中，本方法還包括在轉(zhuǎn)變?nèi)苣z成為凝膠的步驟的至少一部分時，施加一個運動至上述至少一個長條元件。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述施加一個運動至上述至少一條長條元件，包括施加一個轉(zhuǎn)動至圍繞其縱軸的上述至少一條長條元件。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，上述轉(zhuǎn)動以一個速率為約1至120rpm施加。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述施加一個運動至上述至少一條長條元件，包括施加一個軸向運動至上述至少一條長條元件。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，此軸向運動是一個交替的運動。
6.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，所述軸向運動是以一個速率為約1至20mm/min施加。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，上述一組長條元件的全部長條元件由凝膠體取出。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在轉(zhuǎn)變?nèi)苣z成為凝膠的步驟的至少一部分時，施加一個運動至上述一組長條元件的全部長條元件。
9.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，至少一個上述長條元件保留在凝膠體內(nèi)。
10.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，形成一種溶膠包括混合至少一種玻璃預配料和水。
11.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，長條元件是棒形或管形元件。
12.按照權(quán)利要求1至9任何一項的方法獲得的一個中間預制件。
13.一種微結(jié)構(gòu)光纖的制造工藝，包括—按照權(quán)利要求1至9任何一項的方法形成一個中間預制件；—干燥中間預制件；—燒結(jié)干燥的中間預制件，以獲得一個玻璃預制件；以及—結(jié)構(gòu)上改變玻璃預制件，以獲得微結(jié)構(gòu)光纖。
12.按照權(quán)利要求11的工藝，其特征在于，中間預制件具有至少一個縱向孔，以及其中該工藝還包括在中間預制件干燥之后以及干燥的中間預制件燒結(jié)之前，或在中間預制件燒結(jié)之后以及圓柱形玻璃預制件結(jié)構(gòu)上改變之前，插入至少一個微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生元件至上述至少一個孔內(nèi)。
13.按照權(quán)利要求11的工藝，其特征在于，結(jié)構(gòu)上改變玻璃預制件包括拉制玻璃預制件，以獲得一個芯子棒。
14.按照權(quán)利要求11的工藝，其特征在于，結(jié)構(gòu)上改變玻璃預制件包括涂覆一種玻璃材料至芯子棒的外部，以獲得一個最終的預制件。
15.按照權(quán)利要求14的工藝，其特征在于，結(jié)構(gòu)上改變玻璃預制件包括拉制最終的預制件，以獲得微結(jié)構(gòu)光纖。
16.借助權(quán)利要求10至15任何一項的工藝獲得的一條微結(jié)構(gòu)光纖。
17.一種微結(jié)構(gòu)光纖制造工藝中中間預制件成形用的一種裝置，該裝置包括一個模具，適合于包容一種溶膠，以轉(zhuǎn)變成為一種凝膠體，此模具包括一個圓筒容器，以及一組平行的長條元件排列在容器內(nèi)，以便在凝膠體內(nèi)形成一組相應(yīng)的孔；其特征在于，所述模具包括一個機構(gòu)，用于在轉(zhuǎn)變?nèi)苣z成為凝膠時施加一個連續(xù)的運動至長條元件。
18.按照權(quán)利要求17的裝置，其特征在于，上述機構(gòu)適合于施加圍繞相應(yīng)的軸的一個轉(zhuǎn)動至長條元件。
19.按照權(quán)利要求18的裝置，其特征在于，上述機構(gòu)具有多個齒輪。
20.按照權(quán)利要求19的裝置，其特征在于，上述機構(gòu)適合于沿著相應(yīng)的軸施加一個交替的移動至長條元件。
21.按照權(quán)利要求20的裝置，其特征在于，上述機構(gòu)具有一個滑板，軸向地結(jié)合至長條元件以及接合至一個垂直的導軌，以及一個器件，用于沿著此導軌移動滑板。
22.按照權(quán)利要求21的裝置，其特征在于，所述長條元件借助接合元件接合至滑板，該接合元件提供一個微不足道的限制至上述長條元件的轉(zhuǎn)動。
全文摘要
一種微結(jié)構(gòu)光纖的制造工藝中中間預制件的一種成形方法，該方法包括形成一種溶膠，它含有一種玻璃預配料，澆注此溶膠在內(nèi)部具有一組長條元件(202)的一個模具(20)內(nèi)；時效處理溶膠，以獲得一個凝膠體；由凝膠體取出該組長條元件，以便在凝膠體內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的一組孔；以及由模具取出凝膠體；其中此方法還包括在溶膠時效處理時施加一個運動至此組長條元件，以避免凝膠粘附至長條元件，此運動最好是圍繞相應(yīng)軸的一個轉(zhuǎn)動，或者是沿著相應(yīng)軸的交替的移動。執(zhí)行此方法的一種裝置也在權(quán)利要求內(nèi)。
文檔編號C03B37/016GK1771206SQ03826561
公開日2006年5月10日 申請日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者S·索利納斯, F·韋羅內(nèi)利 申請人:皮雷利&C.有限公司