專利名稱：光纖及其預制件以及用于制造它們的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于制造諸如光子晶體光纖的光纖的方法和設備，還涉及用于制造光纖的預制件以及涉及根據(jù)所述方法制造的光纖。
背景技術：
在文獻[1]，Mool C.Gupta的Handbook of PHOTONICS，CRCPress，1997 Boca Raton的10.7章第445-449頁中描述了光纖(諸如當前用在超高速數(shù)據(jù)通信網絡中的纖維)的制造。光纖制造的主要程序步驟是制造玻璃毛坯(下面稱作預制件)、從預制件中拉絲出纖維以及在纖維上涂覆用于保護所述纖維免受觸摸(handling)以及免受環(huán)境影響的材料。
根據(jù)文獻[1]，基本上存在三種形成預制件的方法，即，改進的化學氣相淀積(MCVD)、外氣相沉積法(OVD)以及軸向氣相沉積法(VAD)。
在拉絲過程中，從上方將預制件裝入熔爐的拉絲部分中同時使用牽引器從底部將其拉出。之后將纖維纏繞在鼓上同時監(jiān)控抗拉強度。拉絲期間的溫度在2000℃的邊界上。在從熔爐中排出之后，在纏繞在鼓上之前纖維被以可紫外光固化的涂層涂覆。
如文獻[2]，美國6,519,974 B1中所述的，MCVD法具有優(yōu)于其他方法的一些優(yōu)點。在MCVD法中，通過在大約1800℃的溫度下混合氯化物蒸氣和氧氣將連續(xù)的SiO2層和包括氧化鍺、磷及氟的摻雜劑沉積在熔結石英管的內側上。在層沉積程序中，首先鋪設包覆層、之后沉積將構成芯的層。在層的沉積之后，在存在Cl2和He的情況下加熱內層石英管以構成致密石英桿。
如文獻[2]中進一步描述的，單獨使用MCVD法具有以下固有局限性，即，其不適合于制造直徑大于25mm的預制件。為了克服該局限性，在實踐中MCVD法通常與所謂的外包法結合使用，這可制造較大的預制件，因此提高了纖維制造工藝的生產率。通常來說，傳統(tǒng)外包法包括將桿形預制件放置在由適合的外包材料制成的管內部、將桿和管熔化在一起以形成二次預制件、以及從二次預制件中拉出包括被包裹在包覆層中的芯的光纖。實現(xiàn)MCVD法的高生產率需要三個基本步驟通過內部沉積制備一次光纖預制件、對一次光纖預制件進行外包以獲得二次光纖預制件、并最終從二次光纖預制件中拉出光纖。
在[2]中，發(fā)現(xiàn)分別執(zhí)行這三個步驟需要以下幾項a) 需要大量時間，因此對生產率具有負作用；b) 包覆一次光纖預制件的步驟需要大量氧和氫；以及c) 如果一次光纖預制件較大的話，在外包步驟需要施較大量熱量。
為了克服這些缺點，例如在文獻[3]美國專利第2,980,957中提出了外包步驟和拉絲步驟的組合。文獻[3]中公開的方法包括以下步驟在拉絲階段之前，在芯桿和與之同心布置的外包管之間形成高真空，并進一步形成受控低真空，以便于可控地抵消拉拔力并使得管狀件逐漸縮入到(collapse into)芯桿與外包管之間的空間中。在組合外包步驟和拉絲步驟階段的一個問題是必須高精度地控制真空的應用，從而使得所完成的光纖具有現(xiàn)代通信應用所需的充足的強度和光學性能。
文獻[2]中提到的另一個方面是芯桿和外包管的同心性。在文獻[4]美國專利第4,820,322中公開了一種方法，該方法可用同心芯桿和包覆物制造強力纖維、使用真空促進外包管的縮入、以及可以獨立制造階段或以與纖維的拉絲相組合的連續(xù)程序的方式實踐。如文獻[2]中所述的，文獻[4]中公開的方法在芯桿與外包管之間的間隙上具有限制；管內徑不能超過桿直徑到多過某一量。另外，該實施例組合縮入管和拉出纖維不使用確定方式(affirmative means)將桿置于管中心，而是依賴固有自定中心力達到同心性，人們認為當從桿-管預制件的尖端中拉出纖維時存在所述固有自定中心力。
為了改進上述技術，在[2]中已提出了一種方法，該方法允許在同時熔化桿和外包管時從桿-管預制件的尖端中拉出纖維。該管中桿方法使用可進行壓力差的精細調節(jié)的低強度真空源。還可供芯桿與外包管的可控對齊以確保在所拉出的纖維中實現(xiàn)期望的包覆層圓周均勻性。通過將氣體流引入到鄰接件(adjoiner)而實現(xiàn)低強度真空，該鄰接件將具有第一主軸線及外表面的一次光纖預制件和具有第二主軸線及限定了內部空間的內表面的外包管保持同軸地對齊，它們一起作為二次預制件組件。根據(jù)伯努利定理，流過鄰接件中的槽的氣體流產生減壓的狀態(tài)，因此部分地排空外包管與一次光纖預制件之間的空間。流過槽的流速將決定空間中氣壓減小到哪種程度。
根據(jù)文獻[2]，與管中桿程序的實現(xiàn)相關的主要問題集中在對齊程序和施加精確控制的真空上。然而，除這些已知的主要問題以外，從桿-管預制件中生產高質量光纖所需的成本也一直是個問題。
因此最好提供可從管中桿預制件中生產高質量光纖的改進方法和設備。
具體地，最好提供可在顯著降低的成本下從管中桿預制件中制造高質量光纖的方法。
另外，最好提供允許減少對于桿-管預制件的桿和管的對齊精確度的要求以及減少對于用于控制用于順序地或同時進行預制件熔化和纖維拉出所需的真空的精確度的要求的方法。
另外，最好制造可與本發(fā)明方法結合使用的桿-管預制件，以及從所述桿-管預制件中拉出高質量光纖。
另外，最好制造這樣一種桿-管預制件，其允許以減少的勞動強度改變從所述桿-管預制件中拉出的光纖的特性。
然而除得自于“單桿和單管”預制件中的傳統(tǒng)光纖外，近年來出現(xiàn)了所謂的光子晶體光纖(PCF)，所述光子晶體光纖依賴用于引導光線的新機構。
如文獻[8]，美國專利6,845,204中所述的，傳統(tǒng)波導通過物理效應(被稱為全內反射)引導電磁場(光線或光子)而操作。通過使用該基本效應，減少了沿垂直于波導軸的方向上光能的傳播(或損失)。為了在這些波導中獲得全內反射，必須使用與周圍覆層的折射系數(shù)相比較具有更高折射系數(shù)的芯，所述波導通常是由介電材料(光纖中)或半導體(集成光路中)制成的。
然而，在過去十年里，新材料領域中的研發(fā)通過施加所謂的光子帶隙(PBG)效應揭露了空穴或波導中光線的局限性或電磁場的控制。通過提供空間周期點陣結構引起PBG效應，其中以這種方式選擇點陣尺寸和所使用的材料，即，在一定頻率間隔下并沿一定方向抑制電磁場在間隙中的傳播。
通過局部破壞光子晶體的周期性，可形成其光學特性不同于周圍主體光子晶體的空間區(qū)域。如果這樣的疵點區(qū)域支持其頻率落在周圍全周期晶體的禁隙中的模式的話，這些模式將強烈地局限于疵點。這是引導纖維的PBG的操作賴以執(zhí)行的原理(即，光子晶體覆層顯示出的完全平面外的2D帶隙，以及正確設計的疵點)，形成可對其實現(xiàn)非常強的橫向限制的空間區(qū)域。為了使得該疵點區(qū)域顯示出不同于周圍周期性結構的光學特性(即，能夠支持局部模式)，重要的是不存在下述要求通常為光子晶體光纖的芯的疵點區(qū)域具有高于其周圍部分的系數(shù)。因此，光子晶體光纖可包括中空芯或實心芯。
與傳統(tǒng)纖維相比較，光子晶體光纖包括復雜的結構。光子晶體光纖通常具有沿縱向方向延伸的芯區(qū)域、沿縱向方向延伸的覆層區(qū)域，所述覆層區(qū)域包括至少基本為二維的周期性結構，該結構包括一次、細長元件，每個所述元件都具有沿波導的縱向方向延伸的中心軸。一次元件具有低于鄰近于細長元件的任何材料折射系數(shù)的折射系數(shù)。
因此，覆層形成關于波導軸圍繞芯的介電限制區(qū)域?；趲缎?，限制區(qū)域在至少主頻范圍內沿波導軸引導電磁輻射。因此，不是通過全反射而是通過覆層顯示出的帶隙效應將光線俘獲在芯中，所述覆層起到像光線的隔離裝置那樣的作用。
可以各種方式限定包含至少一種細長結構元件的周期性結構，以便獲得一個期望帶隙或具有期望尺寸的多個帶隙。
一次、第二或進一步的細長元件的幾何形狀和尺寸以及折射系數(shù)通常彼此不同。
另外，根據(jù)文獻[9]，美國專利6,625,364，已認識到設計具有較大芯半徑(例如，大于所引導的輻射的波長的大約兩倍)的光子晶體光纖會帶來許多合意的特性。例如，光子晶體光纖中用于引導模式的芯外部的能量部分與芯半徑的立方成反比。因此，通過增加芯半徑可使得與介電限制層相關的輻射和發(fā)散損耗非常小。而且，由于限制機構不是基于全內反射(TIR)的，因此芯材料不局限于具有較高系數(shù)的材料。因此，可將芯材料選擇得使得損失和非直線性最小化。例如，纖維可具有中空芯。此外，通過將用于芯外部的層(或區(qū)域)的材料選擇得在折射系數(shù)上具有較大對比性而進一步改進了芯中的限制。因為較大的芯半徑較少造成外部層(或區(qū)域)導致的發(fā)散損耗，所以所述對比性是可能存在的，因此可更多地基于提供期望的系數(shù)對比而不是基于吸收損耗來選擇外部層(或區(qū)域)的構成材料。
因此，對于制造商來說，重要的是，可通過最小化勞動強度和成本提出并生產具有復雜結構的預制件；謹記未來可提出更優(yōu)選結構或者甚至多芯結構。
另外，尤其是對于復雜結構來說，重要的是，為了避免帶隙梯度，在精確地實現(xiàn)期望的細長空隙的同時避免了不合需要的空隙(見文獻[10]，美國專利6,698,249)。
現(xiàn)今，通過用手將數(shù)以百計的毛細管和桿堆疊成具有適當孔圖案的結構而制成了一些預制件。通過用具有較大直徑的中空管取代一個或多個毛細管制成了中空芯。之后將該預制件引入到拉絲塔的熔爐中，在熔爐中該預制件被熔合并拉制成1-10mm的尺寸。之后在將其拉成為最終尺寸之前加上套管。通過由晶體光纖A/S實施的該方法，更大預制件的生產涉及更大的勞動強度。
由于通過覆層結構的周期性獲得了PBG效應(其為低系數(shù)引導特性的基本要素)，因此為了限制電磁場只需要極有限數(shù)量的周期，并且根據(jù)文獻[8]，可使用包含周期性的預制件的一部分的傳統(tǒng)覆層。因此可應用已知的外包技術，例如所述的套管。
作為傳統(tǒng)外包法的替換，在文獻[8]中提出了另一種方法，其中圍繞芯區(qū)域的纖維是通過根據(jù)周期性覆層區(qū)域的優(yōu)選設計將毛細管集束成密集布置而構成的。在具有必須固定在位置中的毛細管的該周期性區(qū)域的外部，外纖維結構(對應于外覆層區(qū)域)可通過更細玻璃桿的組裝構成，它們可機械地振動到適當位置中。當隨后將預制件拉絲成纖維時，外部覆層結構熔化以形成(近)實心外部覆層。外部布置細玻璃桿的要求是，由于纖維周期性部分外部的不均勻分布而導致的表面張力不會造成周期性的明顯變形。然而，考慮到機械振動的復雜結構，細毛細管涉及裂化管的危險，留下空隙開口或擾亂了周期性結構。
由于可通過將特定摻雜材料或者與纖維基材(例如玻璃或者聚合物)大不相同的材料引到纖維內的區(qū)域來制造具有新功能的光子晶體光纖；因此制造工藝可包括在界限明確的位置處將薄的摻雜(或者不同)材料的桿引到緊密裝填的周期基材結構中?；蛘?，可利用摻雜材料制造一些毛細管，或者預制件(或者其部分)甚至可被放置在可擴散或者粘合基材桿或者管的材料溶液中。由于在進一步的堆疊或者備選的處理繼續(xù)進行之前預制件的特定部分可被單獨處理，因此該手段允許很高程度的靈活性。
因此，人們還希望提供一種能夠利用相應的預制件制造高質量光子晶體光纖的改進方法和設備。
另外，人們還希望提供一種有助于光子晶體光纖的預制件的生產和能夠生產較大的預制件的方法。
人們特別希望提供一種這樣的方法能夠利用選擇用于所生產的光子晶體光纖的最佳性能的管和桿精確地實現(xiàn)復雜結構，同時忽略對于已知的用于獲得所需周期結構的方法來說重要的幾何尺寸。
人們還希望提供一種允許結構元素獨立選擇和布置的方法。
人們還希望形成可與本發(fā)明方法結合使用的預制件以拉絲出高質量光子晶體光纖。

發(fā)明內容
本發(fā)明的上述和其他目的由根據(jù)權利要求1或者2的方法、根據(jù)權利要求14的預制件、根據(jù)權利要求18的光纖以及根據(jù)權利要求19的設備來實現(xiàn)。
根據(jù)權利要求1的用于制造光纖的方法包括下列步驟將具有主軸線和外表面的一次光纖預制件插入到具有第二主軸線和內表面的外包管中，以使所述外表面和內表面限定內部空間；使得一次預制件在外包管內保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主軸線基本上相互對準；將外包顆粒供給到由殼體限制在外包管下端處的內部空間內；利用鄰接件在被限制在外包管上端的內部空間內產生負壓的狀態(tài)，所述鄰接件用于使一次光纖預制件和外包管定位；以及利用溫度范圍最好在2100℃至2250℃的范圍內的爐在其下端對未經處理的二次預制件(所述二次預制件包括一次預制件、外包管和外包顆粒)加熱至軟化狀態(tài)，同時從中拉絲出光纖，或者利用爐對未經處理的二次預制件(所述二次預制件包括一次預制件、外包管和外包顆粒)在其基本整個長度上加熱以獲得處理后的二次預制件，在隨后的階段中從中拉絲出光纖。
根據(jù)權利要求2的用于制造光子晶體光纖的方法包括以下步驟將具有第一主軸線和外表面并布置在至少基本為二維的周期結構中的細長結構元件插入到具有第二主軸線和內表面的外包管中，所述外表面和內表面限定內部空間；將結構元件保持得使得第一主軸線與外包管的第二主軸線平行；將外包顆粒供給到由殼體限制在外包管下端處的內部空間內；利用鄰接件在被限制在外包管上端的內部空間內產生負壓的狀態(tài)；以及利用爐在其下端對制出的具有細長結構元件、外包管和外包顆粒的預制件加熱至軟化狀態(tài)，同時從中拉絲出光纖，或者利用爐對制出的具有細長結構元件、外包管和外包顆粒的預制件在其基本整個長度上加熱以獲得處理后的預制件，在隨后的階段中從中拉絲出光纖。
由于爐所提供的熱能以及由于在預制件中和預制件外部存在的已形成的壓力差，將導致外包管皺縮并將熔融外包顆粒壓制在一次預制件或結構元件上。由于一次預制件也是結構元件，因此在權利要求1和2的方法之間基本上沒有差別。
外包管和外包顆粒的外包材料將形成實際上的均質層，如[2]中所述的，在傳統(tǒng)桿和管應用中，當其皺縮時，該均質層以與粗外包管相同的方式連接一次預制件。
如[2]中所述的，可同時執(zhí)行二次預制件的熔化和纖維拉絲。然而，為了在當前或另一個處理位置獲得處理后的二次預制件(在隨后的處理階段中可從中拉絲出光纖)，也可在預備處理階段中處理所述未經處理的二次預制件。
然而本發(fā)明產生了優(yōu)越于上述現(xiàn)有技術的若干優(yōu)點摒棄通過在一次預制件上套上具有厚壁的外包管制造二次預制件的已知方法。取而代之，使用具有薄壁的外包管并且在一次預制件與外包管的內部空間之間填充硅石顆粒。因此避免了用厚壁制造外包預制件的勞動強度和成本。取代具有厚壁的昂貴的硅石管，可使用硅石顆粒。
由于外包顆粒的活動性，一次預制件的外表面與外包管的內表面之間的內部空間或間隙均勻地填充有硅石顆粒。因此導致一次預制件與外包管之間的未對齊。除消除對齊問題以外，由于外包管未受控制地未皺縮到自由間隙中而是穩(wěn)定地壓在支撐顆粒上，因此降壓的控制是非關鍵性的。
優(yōu)選地，最好將薄壁外包管的內徑選擇為比一次預制件的外徑大至少1.5倍并比其壁直徑大10倍以上。然而，實際上可實現(xiàn)由相關元件的機械強度支持的任何尺寸。
另外，優(yōu)選地，所述外包管在其下端裝有成圓錐形形成的殼體，以使得外包管和一次預制件的壁在其下端相遇并且硅石顆?？商畛涞絻炔靠臻g中。由于優(yōu)選實施例中的一次預制件在其下端也包括圓錐形形狀，因此顯著地促進對準程序。
在安裝連接件之前或安裝連接件之后，通過設在其中的通道將由具有小直徑的顆粒(例如，粉末)構成的外包顆粒插入到內部空間中。
外包顆?？蔀榧兊幕驌诫s的合成硅石粉末，可根據(jù)所制造的纖維的期望特性選擇所述合成硅石粉末。在[6]美國專利6,047,568中描述了使用溶膠凝膠技術制造硅石粉末的方法，此外，在[7]美國專利6,334,338中描述了其他的溶膠凝膠技術，用于在拉絲處理期間實現(xiàn)更高的拉絲力和減小斷裂危險。因此本發(fā)明還提供了高靈活性以滿足客戶需求。
另外，考慮到光子晶體光纖的制造，本發(fā)明在現(xiàn)有技術上產生了顯著改進。
由于其端部形成二維周期結構的細長結構元件的軸線可遠隔，因此大空間間隙可以節(jié)約成本的方式填充以顆粒，從而避免厚壁管狀結構元件。
另外，對于涉及期望帶隙的所有二維周期結構來說，可使用相同的結構元件。
通過使用具有與二維周期結構相對應的開口的基體可容易地實現(xiàn)細長結構元件或一次預制件的對齊和保持。例如細長結構元件或一次預制件被插入到在兩端固定細長結構元件或一次預制件的兩個基體中。因此，完整的結構可容易地組裝并插入到外包管中。
優(yōu)選地，每個基體都形成為盤狀的，并可借助于內凸緣將其保持在外包管的限定位置中。
此外，優(yōu)選地，每個基體都包括用于顆粒傳輸?shù)拈_口。
優(yōu)選地，基體是由與顆粒相對應的材料制成的，以使得其與外包材料熔化在一起。
為了封閉間隙和孔并獲得更高的材料密度，可施加振動，優(yōu)選地，可施加高頻振動。
結構元件可為管和桿或管-桿組合。如果氣孔形成得與管的內部空間相對應的話可使用管。為了在纖維中形成相應的實線，可使用具有選定折射率的實心管。然而，在加熱處理階段期間或在其后或者完全在顆粒熔化之后，為了形成細長氣孔也可移除桿，所述細長氣孔也是預制件和纖維中的一種結構元件。使用可移除的桿，防止結構元件在加熱處理期間皺縮。
為了防止皺縮，在熔化顆粒的處理期間也可通過結構元件傳輸冷卻劑。通過在熔化顆粒的處理期間將管狀結構元件的內部暴露于壓力下也可實現(xiàn)防止皺縮。


已描述了本發(fā)明的一些目的和優(yōu)點，結合附圖閱讀以下描述可明白其他的目的和優(yōu)點，其中圖1示出了具有第一主軸線x1的一次預制件11；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明方法的具有第一主軸線x2的薄壁硅石管12用作外包管12，在其下端具有圓錐形殼體125；圖3示出了保持在外包管12中的中央插入位置中的一次預制件11，其中所述第一和第二主軸線x1、x2基本上彼此對準；圖4示出了具有一次預制件11和具有內部空間15的圖3的外包管12的未經處理的二次預制件1，所述內部空間15是由一次預制件11的外表面111和外包管12的內表面限定的，填充有外包顆粒13；圖5示出了圖4的二次預制件1，其中連接件3部分地插入于外包管12中，將一次預制件11保持在集中位置中并在其上側封閉并密封內部空間15；圖6示出了二次預制件1，具有連接件3，其允許通過溝道38插入外包顆粒13；圖7詳細地示出了圖5的二次預制件1的上端；圖8示出了用于圖4二次預制件1的連接件3；圖9示出了圖6連接件3的截面圖，其中提供了用于外包顆粒13的插入的溝道38；圖10示出了用于從圖5的二次預制件1中拉出光纖的設備；圖11示出了管狀和實心細長結構元件1201、1201′，布置在填充有外包顆粒13的外包管12的二維周期結構中，以便于形成設計得用于拉絲出光子晶體光纖的預制件1；圖12示出了插入到進一步的外包管12′中的圖11的熱處理后的預制件1，所述外包管12′中填充有外包顆粒13以形成更大的預制件1；圖13從頂部示出了圖13的布置；圖14示出了設計得用于將結構元件1201、1201′接收和保持在二維周期結構中的玻璃基體200；圖15示出了熱處理之前的預制件1的截面圖，其具有兩個插入的基體200，所述基體用于將管狀和實心細長結構元件1201、1201′和布置在二維周期結構中的中心可移動桿1205保持在外包管12中；圖16示出了熱處理和移除可移動桿1205之后圖15的預制件1，所述可移動桿1205占據(jù)預制件的核心；以及圖17示出了用于從圖16的預制件1中拉出光子晶體光纖的設備；具體實施方式
圖1示出了具有第一主軸線x1、外徑d1和外表面111的一次預制件11。這樣一個預制件的制造已經如上所述。
圖2示出了薄壁硅石管12，具有第一主軸線x2、內徑d2、外徑d20和內表面120。下端包括圓錐形殼體125的薄壁硅石管12根據(jù)本發(fā)明方法用作外包管12。這種硅石管可從多個制造商獲得。
圖3示出了在外包管12內被固定在中心插入位置的一次預制件11，其中所述第一和第二主軸線x1、x2基本上相互對準。
外包管12的圓形壁的直徑d20例如比其內徑d2小10倍。但是，所述直徑d2/d20的比值可高達50或者更大。外包管12的內徑d2與一次預制件11從外徑d1的比值d2/d1例如在1.5至5或者更大的范圍內。
因此，由一次預制件11的外表面111和外包管12的內表面120限定的內部空間15的體積較大，即，比一次預制件11的體積大幾倍。
圖4示出了具有圖3的一次預制件11和外包管12的未經處理的二次預制件1，內部空間15充填有外包顆粒13，根據(jù)在拉絲過程中的所需性能或者考慮到其以后的性能選擇的純的或者摻雜合成硅石顆?；蛘叻勰?。
圖1a、2a、3a和4a示出了沿著圖1至4中的線s的一次預制件11、外包管12和外包顆粒13的橫截面。
圖5示出了圖4的二次預制件1，具有插入在外包管12中的鄰接件3，鄰接件3將一次預制件11固定在中心位置并且在上側封閉和密封內部空間1。在本發(fā)明的該實施例中，在安裝鄰接件3之前外包顆粒13已經被插入到內部空間15中。
圖6示出了對準的并且被鄰接件3覆蓋的一次預制件11和外包管12，鄰接件3包括槽38，外包顆粒13可通過通道38被插入。
具有第一主軸線x3的圖5和圖6中所示的鄰接件3還包括抽真空通道32、33，利用真空泵22可通過抽真空通道32、33對充填有外包顆粒13的二次預制件1抽真空。
圖5和圖6還示出了供熱源或者爐23，供熱源或者爐23可使得二次預制件1的下端被加熱到例如在2100℃至2350℃的范圍內的溫度。由于由爐23提供的熱能和存在于二次預制件內外的所建立的壓力差，外包管12將崩潰并且將熔融的外包顆粒13壓在一次預制件11上。這樣，外包管12的外包材料和外包顆粒13將形成連接一次預制件的基本均勻的層。
圖5a和6a示意性地示出了熔化后的二次預制件1的橫截面。
二次預制件1的熔融和纖維拉絲可同時進行。但是也可在纖維被拉絲之前完全處理二次預制件1。
圖6詳細地示出了圖5的二次預制件1的上端的截面圖。被插入到外包管12中的鄰接件3包括兩個周向圓形溝槽，所述兩個周向圓形溝槽具有密封元件，例如O形圈，以緊密地鄰接和密封外包管12的內表面120使得被鄰接件3限制的內部空間15、一次預制件11的外表面111和外包管12的內表面120以及下端的其殼體125可被抽真空?？赏ㄟ^設置在鄰接件3中的抽真空通道32和33以及通過將鄰接件3與真空泵22相連的管220進行抽真空。在抽真空后可利用關閉的閥221使得管220與鄰接件3相連。相反，為了產生負壓條件，氣體可被供給到鄰接件3中的相應通道中，如[2]中所述。
圖7至圖9中所示的鄰接件3還包括；與第一主軸線x3同軸對準的圓柱形開口31和與第一主軸線x3同軸對準的兩個圓柱形部分35，圓柱形開口31具有等于一次預制件11的外徑d1的直徑d3，圓柱形部分35具有等于外包管12的內徑d2的直徑d4。因此，鄰接件3可被插入到外包管13中以使圓柱形部分35連接外包管12的內表面120，并且一次預制件11插入到圓柱形開口31中從而形成封閉的或者被密封蓋39封閉的端部36。
為了使得連接件與外包管12的內表面120密封，提供兩個鄰接所述圓柱形部分35的溝槽，密封元件91插入到所述溝槽中。
圖8示出了用于圖4的二次預制件1的鄰接件3，圖9示出了圖7的鄰接件的截面圖，通道38是為外包顆粒13的插入而提供的。在圖9中，還示出了相對于鄰接件3的主軸線x3同心布置的第一抽真空通道32，其直徑d5遠大于連接的圓柱形開口31的直徑d3。
圖10示出了用于從圖5的二次預制件1拉出光纖5的設備。在二次預制件1被加熱到其熔點并且光纖5已經被拉出后，形成被稱為頸縮的角度區(qū)域。一個光纖5以半熔融狀態(tài)從預制件出現(xiàn)并且通過直徑監(jiān)測儀24。光纖5繼續(xù)被向下拉并且通過涂層涂布裝置25，涂層涂布裝置25涂布涂層以保護光纖5。光纖5還通過其他單元26、27以使得光學涂層固化并且監(jiān)測在涂布涂層后的總的直徑。接著，光纖5遭遇旋轉設備28，旋轉設備28可包括為光纖提供旋轉的輥。接著，光纖25最后遭遇一系列輥(未示出)以在光纖被卷繞在鼓或者卷軸29上之前拉光纖。二次預制件1被安裝在固定裝置21中，固定裝置21能夠沿著其軸線x123可控地垂直移動并且最好圍繞該軸線轉動。另外，固定裝置21可被設計成在二次預制件上施加振動以使得被提供到內部空間15中的外包顆粒13凝結。
圖11示出了以二維周期結構的形式布置在充填有外包材料13的外包管12內的管狀實心細長結構件1201、1201’以產生為拉出光子晶體光纖而設計的預制件1。選擇二維周期結構以在從預制件1拉出的光子晶體光纖上施加光子帶隙(PBG)效應。二維周期結構的定義不是本申請的主體。描述這些結構的申請如上所述。但是，對于本發(fā)明，具有所有類型的結構的預制件可容易且低成本地實現(xiàn)，這是由于在細長結構件1201、1201’之間的內部空間以及外包管12充填由撓性介質，即顆粒13。
因此，最好具有標準尺寸的薄壁管被選擇作為細長結構件1201，其在加熱過程中不變形或者崩潰。但是，如圖11中所示，在加熱后被去除的可去除的桿1205’可被使用以使得管狀細長結構件1201的內部保持適合的形狀。另外，在沒有管狀細長結構件的情況下也可使用可去除的桿1205以保持細長的空間或者空隙，即無外包材料13、130。在預制件1被處理后，可去除的桿1205被去除。在圖11中，去除的桿1205用作光將被引導到其中的空的或者充填氣體的芯的空間保持裝置。
用于圖11的預制件1中的二維周期結構包括6個外包單元，每一個外包單元包括6個外部和一個中心細長結構件1201、1201。外部元件1201是管狀的以形成形成空隙，而中心元件1201’為實心的或者實體圓柱，其材料的折射率不同于外包材料的折射率。
圖12示出了被插入到充填有外包顆粒13的另一種外包管12’中的圖11的熱處理預制件1以產生較大的預制件1。對于該方法，不僅一次PCF預制件而且二次和三次預制件等可被容易地生產。這是由于二維周期結構無需分別在預制件或者光子晶體光纖的整個橫截面上延伸而導致的。預制件1表示一次預制件并且如上所述的方式被處理(見圖1-4)。
圖13從頂部示出了具有實心的和外部熔融管狀元件1201、1201’的圖13的布置。在芯部區(qū)域中的可去除的桿1205和在管狀元件1201中的可去除的桿1205’已經被去除，留下中空的芯和細長側空隙。由于可利用任何二維周期結構實施本發(fā)明，因此作為一個示例，附加的第二結構件1202可被加入到預制件1。
圖14示出了被設計為用于接收和固定采用二維周期結構的結構件1201、1201’、1202、1205、1205’的玻璃基體200。采用盤或者片形狀的玻璃基體200包括開口201、202，結構件1201、1201’可通過開口201、202插入。該設有其他的開口203以使得顆粒1通過。對于這些基體200，可容易地組裝預制件。如果基體200包括外包材料13，那么基體200將在加熱過程中以與顆粒13相同的方式轉變?yōu)橥獍鼘拥囊徊糠帧?br> 但是可利用很小的努力來完成基體200的生產。
圖15示出了具有兩個插入的基體200的預制件1，所述兩個插入的基體200可在熱處理前將采用二維周期結構形式的管狀實心細長結構件1201、1201’和中心可去除的桿1205固定在外包管12內。
圖16示出了在熱處理和占據(jù)預制件1的中空芯11’的可去除的桿1205被去除后的圖1 5的預制件1。代替空的芯11’，實心桿1201’可被提供以代表實心的芯11。通過比較，最好充填有可去除的桿1205’、中心實心桿1201’或者中心可去除的桿1205的管狀結構件1201用作圖1中所示的一次預制件11的代替物。
圖17示出了利用圖16的預制件1拉出光子晶體光纖5的設備。
上述內容僅是為了說明本發(fā)明的原理的應用。本領域技術人員可在不脫離本發(fā)明的保護范圍的基礎上采用其他布置。一次預制件11和外包管12或者細長結構件1201、1201’、1202、1205、1205’的尺寸以及外包顆粒或者粉末13的量以及所用材料的折射率和摻雜劑可在寬的范圍內選擇。充填的或者空的芯元件11、11’的直徑通常是保留的結構件1201、1201’、1202的直徑的倍數(shù)。可選擇具有適合的熱膨脹的可去除的桿1205、1205’以當預制件冷卻時使得它們可被容易地去除?？扇コ臈U1205、1205’例如可包括石墨。因此，如果使用熱膨脹系數(shù)大于玻璃的熱膨脹系數(shù)的材料，那么從玻璃化硅石中去除桿可容易實現(xiàn)。在冷卻過程中，例如石墨桿將以比玻璃更強烈的方式收縮從而不保持與玻璃粘附的狀態(tài)。因此，利用可去除的桿可容易地產生具有包括大量細長空隙元件的復雜結構的預制件。
重要的是，注意所有的結構件的形狀尺寸不限于上述示例，也可擴展到本領域披露的所有形狀。另外，如圖11中所示，結構件1210可被例如在外包顆粒13已經被加入后熔融的蓋覆蓋或者被玻璃層密封。材料根據(jù)制造參數(shù)和被制造的光纖所需的性能來選擇?？梢愿鞣N方式設計連接件3的通道和開口31、32、33、38和密封裝置34、39、91。在外包管12的下端處的殼體125可具有完全不同于圓錐狀的形狀。但是，殼體125和一次預制件的下端最好匹配以有助于對準?？梢砸阎姆椒ㄊ┘雍蛢?yōu)化拉出光纖的條件(例如見[5]，EP 1 384 700 A1)，以使優(yōu)選操作參數(shù)，諸如爐溫和拉絲速度可被找出。因此，這樣的操作參數(shù)沒有受到上述值限制。
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1.用于制造光纖的方法，包括下列步驟將具有第一主軸線(x1)和外表面(111)的一次光纖預制件插入到具有第二主軸線(x2)和內表面(120)的薄壁外包管(12)中，所述外表面(111)和內表面(120)限定內部空間(15)；使得一次預制件(11)在外包管(12)內保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主軸線(x1、x2)基本上相互對準；將外包顆粒(13)供給到由殼體(125)限制在外包管(12)下端處的內部空間(15)內；利用鄰接件(3)在被限制在外包管(12)上端的內部空間(15)內產生負壓的狀態(tài)，所述鄰接件(3)用于使一次光纖預制件(11)和外包管(12)定位；以及利用爐(23)在其下端對未經處理的二次預制件(1)加熱至軟化狀態(tài)，同時從中拉絲出光纖(5)，所述二次預制件包括一次預制件(111)、外包管(12)和外包顆粒(13)，或者利用爐(23)對未經處理的二次預制件(1)在其基本整個長度上加熱以獲得處理后的二次預制件(1)，在隨后的階段中從中拉絲出光纖(5)，所述二次預制件包括一次預制件(111)、外包管(12)和外包顆粒(13)。
2.用于制造光子晶體光纖的方法，包括以下步驟將具有第一主軸線(x1，x20)和外表面(111′)并布置在至少基本為二維的周期結構中的細長結構元件(11、11′；1201、1202......120n)，例如桿和/或管，插入到具有第二主軸線(x2)和內表面(120)的外包管(12)中，所述外表面(111′)和內表面(120)限定了內部空間(15)；將結構元件(11、11′；1201、1202......120n)保持得使得第一主軸線(x1，x20)與外包管(12)的第二主軸線(x2)平行；將外包顆粒(13)供給到由殼體(125)限制在外包管(12)下端處的內部空間(15)內；利用鄰接件(3)在被限制在外包管(12)上端的內部空間(15)內產生負壓的狀態(tài)；以及利用爐(23)對制出的具有細長結構元件(11、11′；1201、1202......120n)、外包管(12)和外包顆粒(13)的預制件(1)在其下端加熱至軟化狀態(tài)，同時從中拉絲出光纖(5)，或者利用爐(23)對制出的具有細長結構元件(11、11′；1201、1202......120n)、外包管(12)和外包顆粒(13)的預制件(1)在其基本整個長度上加熱以獲得處理后的預制件(1)，在隨后的階段中從中拉絲出光纖(5)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，制出的預制件(1)用作根據(jù)權利要求1方法的一次預制件，以便加上外包層。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述外包管(12)的內徑(d2)比一次預制件(11)的外徑(d1)大至少1.5倍并比其壁直徑(d20)大10倍以上。
5.根據(jù)權利要求1至4中任意一項所述的方法，其特征在于，所述外包管(12)包括以圓錐形形成的殼體(125)，和/或在安裝鄰接件(3)之前或安裝鄰接件(3)之后，通過設在其中的通道(38)將由具有小直徑的顆粒構成的外包顆粒(13)插入。
6.根據(jù)權利要求1至5中任意一項所述的方法，其特征在于，所述外包顆粒(13)可為純的或摻雜的合成硅石粉末，其是根據(jù)所制造的纖維(5)的期望特性選擇的。
7.根據(jù)權利要求1至6中任意一項所述的方法，其特征在于，所述爐(23)中的溫度選擇在2100℃至2350℃的范圍內。
8.根據(jù)權利要求1至7中任意一項所述的方法，其特征在于，所述一次預制件(11)或所述細長結構元件(11、11′；1201、1202......120n)被插入到至少基體(200)上的開口(201′、202′)中，所述開口(201′、202′)被設計得用于精確地將所述一次預制件(11)或所述細長結構元件(11、11′；1201、1202......120n)保持在預定位置中，其對應于圓形同心或二維周期結構。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述基體(200)形成為盤狀的，最好借助于內凸緣(125)將其保持在外包管(12)的中和/或所述基體(200)包括用于顆粒(13)傳輸?shù)拈_口和/或所述基體(200)是由與顆粒(13)相對應的材料制成的。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其特征在于，第一基體(200)設在一次光纖預制件(11)或所述細長結構元件(11、11′；1201、1202......120n)的上端處而第二基體(200)設在其下端處。
11.根據(jù)權利要求1至10中任意一項所述的方法，其特征在于，顆粒(13)在適合的頻率范圍內振動以便獲得更高的材料密度。
12.根據(jù)權利要求1至11中任意一項所述的方法，其特征在于，在顆粒已熔化之后移走至少一個結構元件(1205)以形成細長氣孔(11′)，或者，為了防止管狀結構元件(11、11′；1201、1202......120n)的皺縮，在加熱處理之前將可移除桿(1205)插入到管狀結構元件(11、11′；1201、1202......120n)中并在加熱處理之后或階段期間移除所述桿(1205)；所述可移除桿(1205)由諸如石墨的材料構成，其具有大于玻璃的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。
13.根據(jù)權利要求1至12中任意一項所述的方法，其特征在于，為了防止管狀結構元件(11、11′；1201、1202......120n)的皺縮，在熔化顆粒(13)的處理期間傳輸冷卻劑通過管狀結構元件(11、11′；1201、1202......120n)和/或在熔化顆粒(13)的處理期間將管狀結構元件(11、11′；1201、1202......120n)的內部暴露于壓力下。
14.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的方法制出的預制件(1)，包括已在至少一個處理階段應用并由已熔化的顆粒(13)構成的外包材料。
15.根據(jù)權利要求14的預制件(1)，包括一次光纖預制件(11)或細長結構元件(11、11′；1201、1202......120n)，其由外包材料(130)包圍，外包材料(130)由熔融或未熔融顆粒(13)構成。
16.根據(jù)權利要求14或15所述的預制件(1)，其特征在于，至少外包管(12)的上端由鄰接件(3)保持和密封，鄰接件(3)包括可連接于真空泵或連接于供氣源(22)的抽真空溝道(33)和/或所述鄰接件(3)包括設計得用于將外包顆粒(13)插入到內部空間(15)中的至少一個溝道(38)。
17.根據(jù)權利要求14、15或16所述的預制件(1)，其特征在于，所述一次光纖預制件(11)或細長結構元件(11、11′；1201、1202......120n)由基體(200)保持，所述基體(200)是由與顆粒(13)相對應的材料制成的。
18.根據(jù)權利要求1至13中任意一項所限定的方法制成或從權利要求14至17中任意一項所限定的二次預制件中拉絲出的光纖(5)。
19.用于通過權利要求1至13中任意一項所限定的方法制造預制件(1)和/或光纖(5)的設備。
全文摘要
用于制造光纖的方法包括下列步驟將具有第一主軸線(x1)和外表面(111)的一次光纖預制件插入到具有第二主軸線(x2)和內表面(120)的薄壁外包管(12)中，以使所述外表面(111)和內表面(120)限定內部空間(15)；使得一次預制件(11)在外包管(12)內保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主軸線(x1、x2)基本上相互對準；將外包顆粒(13)供給到由殼體(125)限制在外包管(12)下端處的內部空間(15)內；利用連接件(3)在被限制在外包管(12)上端的內部空間(15)內產生負壓的狀態(tài)，所述連接件(3)用于使一次光纖預制件(11)和外包管(12)定位；以及在其下端對未經處理的二次預制件(1)(所述二次預制件包括一次預制件(111)、外包管(12)和外包顆粒(13))加熱至軟化狀態(tài)，以便于同時或隨后從中拉絲出光纖(5)。
文檔編號C03B37/027GK1984850SQ200580021367
公開日2007年6月20日 申請日期2005年2月22日 優(yōu)先權日2004年4月27日
發(fā)明者C·帕德里多 申請人:達特懷勒光纖光學股份有限公司