專利名稱：雙折射微結(jié)構(gòu)光纖的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光纖領(lǐng)域，尤其涉及雙折射微結(jié)構(gòu)光纖的制備方法。在一些說明性的但非限制性的例子中，這種雙折射微結(jié)構(gòu)光纖可以用于傳感器的物理量(例如電流)的測(cè)定，也可用于光學(xué)領(lǐng)域信號(hào)處理的設(shè)備。
背景技術(shù)：
微結(jié)構(gòu)光纖的制備方法包括預(yù)制棒制備步驟和光纖抽拉步驟。預(yù)制棒的制備涉及公知的方法，包括鉆孔、磨削、拋光、蝕刻以及擴(kuò)大預(yù)制棒中的縱向通道，裝配與拉制由一系列各種橫截面形狀的管和棒制成的石英預(yù)制棒；通過鑄?；驔_模等方法(該方法適合于輕合金低熔點(diǎn)材料，例如高分子材料)形成預(yù)制棒結(jié)構(gòu)。 參考文獻(xiàn)[I]公開了一種用于制作具有減少短波包層損耗的內(nèi)部間隙包層(internal gap cladding)的光纖光柵技術(shù)。光纖的芯通過縱向的空氣通道層與反射包層分隔開?？諝馔ǖ赖倪B接處或框架(struts)的厚度小于透射光波長(zhǎng)，并且它們相對(duì)于纖芯中心呈圓周分布，與纖芯中心的距離為2至10倍的最大透射光波長(zhǎng)。纖芯在某種程度上懸浮在縱向通道的空氣或另外的氣體中。這樣的光纖可以被視為具有懸浮芯的微結(jié)構(gòu)光纖，以下簡(jiǎn)稱 “MOFSC (micro-structured optical fibers with a suspended core)，，。參考文獻(xiàn)[2]公開了另一公知的制備技術(shù)與光纖，被稱為PANDA。PANDA光纖中的線性雙折射以偏振模的拍長(zhǎng)與雙折射成反比并且與檢測(cè)波長(zhǎng)成正比為特點(diǎn)。當(dāng)PANDA光纖中光的波長(zhǎng)為1550nm，拍長(zhǎng)值達(dá)到大約2mm而在所述MOFSC結(jié)構(gòu)中拍長(zhǎng)值總計(jì)達(dá)100m。MOFSC結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在相對(duì)低的光損失下達(dá)到更高的線性雙折射值，例如，在電流傳感器中使用直徑小線圈數(shù)大的靈敏度高的外包線圈(sensitive outline coils),這會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的高靈敏度(這與被測(cè)電流成正比)。這尤其適用于光纖線性雙折射軸的螺旋形結(jié)構(gòu)，即這些軸沿光纖方向周期性地旋轉(zhuǎn)。參考文獻(xiàn)[3]公開了一種制造多孔光纖的加工工藝與設(shè)備。該工藝包括以下幾個(gè)階段制備具有對(duì)稱軸、包含纖芯以及兩條側(cè)槽的預(yù)成型體的階段，側(cè)槽的軸平行于預(yù)成型體的對(duì)稱軸；用附加支撐管對(duì)上述預(yù)成型體加上包殼；以及在能夠軟化預(yù)成型體的抽拉部分的溫度下進(jìn)行抽拉以獲得空心的光纖的抽拉階段。該工藝還包括，在制備預(yù)成型體的前述階段之后，將空心腔室緊密地附著在預(yù)制棒上端的階段，空心腔室的空腔與預(yù)成型體的凹槽(孔)聯(lián)系起來。該空腔還與氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置聯(lián)通。抽拉階段還包括在氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的幫助下對(duì)空腔以及凹槽(孔)中氣體的氣動(dòng)調(diào)節(jié)。借助于反射覆層中凹槽的形成，該加工工藝可以獲得孔助光纖。這種方法的缺點(diǎn)是由于纖芯不完全懸浮而不能獲得高的雙折射特性的光纖。另一缺點(diǎn)是該方法難以或根本不能適用于制造纖芯與覆層之間的折射率有顯著差異性的光纖。參考文獻(xiàn)[4]公開了一種制備微結(jié)構(gòu)光纖的加工工藝。該工藝中，制造了用于微結(jié)構(gòu)光纖的預(yù)成型體或部分預(yù)成型體。該預(yù)成型體或其部分具有縱向的長(zhǎng)度以及與之垂直的橫截面，還包括布置在預(yù)成型體或其部分中心的桿，以及與該桿同中心的一個(gè)或多個(gè)管。桿位于第一個(gè)同心管的內(nèi)部，并且桿和/或至少一個(gè)同心管在每一個(gè)桿或管中具有相同的凹槽和/或縫隙，凹槽或縫隙在縱向延伸，并且相對(duì)于該預(yù)成型體或其部分的中心具有偶數(shù)個(gè)最內(nèi)側(cè)的縱向延伸凹槽和/或縫隙。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]的方法可以制備一種微結(jié)構(gòu)光纖,該光纖纖芯通過一層或多層平行于光纖軸的對(duì)稱的空氣通道與反射覆層分離。該微結(jié)構(gòu)光纖的獲得取決于制作平行于預(yù)制棒和/或管中結(jié)構(gòu)軸的凹槽。隨后把預(yù)制棒與管軸向地和對(duì)稱地裝配起來，以獲得在層上有空氣通道的預(yù)制棒，層數(shù)取決于具有切割凹槽的管的數(shù)量。該工藝必然導(dǎo)致預(yù)制棒及所制成光纖的預(yù)制棒結(jié)構(gòu)呈軸對(duì)稱。因此根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]的該方法適用于制造具有圓形纖芯的M0FSC。缺點(diǎn)是這項(xiàng)技術(shù)尤其不能獲得多種幾何形狀的纖芯和覆層的光纖。因此，參考文獻(xiàn)[4]的技術(shù)不適用于雙折射光纖的制備
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是改進(jìn)一個(gè)或多個(gè)上述問題。換言之，本發(fā)明的目的是改進(jìn)微結(jié)構(gòu)雙折射光纖的制備方法。本發(fā)明的目的通過附加的獨(dú)立權(quán)利要求所限定的方法來達(dá)到。從屬權(quán)利要求以及本發(fā)明的說明書和附圖提供了特殊實(shí)施方式，這些實(shí)施方式提供了附加的特征和/或解決了附加的問題。本發(fā)明的一方面是提供了光纖制備的方法。該方法包括以下加工步驟，對(duì)這些步驟加上編號(hào)以便于進(jìn)行討論a)在整根預(yù)制棒上制作兩對(duì)以上的縱向的凹槽，在預(yù)制棒的全部長(zhǎng)度內(nèi)該兩對(duì)以上的凹槽關(guān)于穿過預(yù)制棒的縱向旋轉(zhuǎn)軸的至少一個(gè)平面呈鏡像對(duì)稱，并且預(yù)制棒的每一對(duì)內(nèi)的凹槽的形狀與尺寸相似；b)把預(yù)制棒插入光學(xué)材料管中，該管內(nèi)表面直徑不小于預(yù)制棒的外直徑；c)將預(yù)制棒與管在非工作區(qū)內(nèi)熔合；d)將熔合的預(yù)制棒與管拉制成預(yù)成型體，該預(yù)成型體具有縱向通道，該縱向通道由鏡像對(duì)稱的凹槽與管的內(nèi)表面得到；e)將預(yù)成型體切割成至少一個(gè)預(yù)成型段，對(duì)至少一個(gè)預(yù)成型段完成以下步驟f)蝕刻預(yù)成型段的縱向通道以形成蝕刻后的通道；g)密封預(yù)成型段的兩端；h)將預(yù)成型段與攜帶管狀加工支架的毛細(xì)管裝配成組件；i)在與管狀加工支架相對(duì)的一側(cè)將預(yù)成型段與毛細(xì)管熔合；j)將預(yù)成型段與毛細(xì)管制成的組件抽拉成為光纖，以及k)在抽拉成的光纖表面涂上防護(hù)加固涂層。在步驟a)中該加工過程首先從在預(yù)制棒上制作兩對(duì)以上的縱向凹槽開始，預(yù)制棒呈典型的圓柱形并且由光學(xué)材料制成以適合光纖應(yīng)用。例如，預(yù)制棒可以由高純度的熔凝石英(二氧化硅)制成。該特征確保獲得盡可能不受雜質(zhì)污染的預(yù)制棒，如此預(yù)成型體與最終完成的光纖能夠具有理想的性能并且包含能確保理想折射指數(shù)的摻雜物。凹槽的布置構(gòu)成與現(xiàn)有技術(shù)的不同，其中MOFSC的通道圍繞光纖的縱向旋轉(zhuǎn)軸具有完整的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。例如，假設(shè)通道的數(shù)量為四個(gè)，現(xiàn)有技術(shù)講授了一種2 π/4(90° )旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有技術(shù)中微結(jié)構(gòu)光纖2 π/4 (90° )的旋轉(zhuǎn)使得通道的布置完全相同。這樣的微結(jié)構(gòu)不能夠支持雙折射光纖的制備。為此，縱向凹槽制作成全部關(guān)于穿過預(yù)制棒的縱向旋轉(zhuǎn)軸的至少一個(gè)平面呈鏡像對(duì)稱。每對(duì)內(nèi)的凹槽的形狀與尺寸相似。這意味著本發(fā)明加工的凹槽組關(guān)于穿過縱向旋轉(zhuǎn)軸的至少一個(gè)平面呈鏡像對(duì)稱，但凹槽組只具有η (180° )的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。鏡像對(duì)稱與缺乏旋轉(zhuǎn)對(duì)稱使得雙折射光學(xué)特性的光纖制備成為可能。例如凹槽可以由精密磨床切割。在隨后的制造步驟中應(yīng)適當(dāng)考慮變形應(yīng)變的影響。在凹槽切割后，預(yù)制棒進(jìn)行典型清潔，例如通過洗凈并干燥。清潔步驟確保預(yù)制棒免受會(huì)引起制得光纖中損失的雜質(zhì)的影響。下一加工步驟b)包括把預(yù)制棒插入例如石英等光學(xué)材料管中。該管內(nèi)表面直徑不小于預(yù)制棒的外直徑，因而預(yù)制棒可以插入管的最緊處。步驟c)包括將預(yù)制棒與管在非工作區(qū)內(nèi)熔合。在本申請(qǐng)中，非工作區(qū)是指之后會(huì)被丟棄的部分。這樣的熔合可以通過使用例如煤氣噴燈等局部加熱裝置來完成。該特征確·保了管可以固定在預(yù)制棒上，并且得到在一端密封的不可拆卸的連接處。步驟d)包括將熔合的預(yù)制棒與管拉制成預(yù)成型體。該加工步驟確保進(jìn)行成功拉制并且通過管的重疊進(jìn)行同時(shí)的外層覆蓋，由此可獲得理想直徑的預(yù)成型體。該預(yù)成型體展示了通過縱向通道形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該縱向通道由鏡像對(duì)稱的凹槽與管的內(nèi)表面得到。與拉制前的預(yù)制棒和管的直徑相比，預(yù)成型體的橫截面直徑大大減小，并且例如尖角等銳利的輪廓也顯著圓滑。步驟e)包括將預(yù)成型體切割成一個(gè)或多個(gè)段，以下稱為預(yù)成型段。為了清楚，以下說明書只寫單個(gè)預(yù)成型段，但所有的預(yù)成型段均可以進(jìn)行相同加工。該切割步驟使得預(yù)成型段的長(zhǎng)度相當(dāng)于預(yù)成型體工作區(qū)的長(zhǎng)度。步驟f)包括蝕刻預(yù)成型段的縱向通道，如此在預(yù)成型段內(nèi)形成蝕刻后的通道。蝕刻加工可以通過例如通道高壓泵送氫氟酸完成。預(yù)制棒的微結(jié)構(gòu)尺寸以及最終制得光纖的尺寸均受到凹槽初始尺寸和形狀、管的內(nèi)徑、拉制過程減少的尺寸以及蝕刻過程的影響。產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)尺寸，材料與摻雜物的光學(xué)特性決定最終光纖的雙折射特性及一些其他特性，例如稀土(rear earth)摻雜物的激光特性。蝕刻加工減少了連接架的厚度至制得光纖中的透射光的波長(zhǎng)以下。因此，蝕刻后連接架太薄而不從制得光纖的纖芯漏光。在蝕刻加工后，預(yù)成型段的內(nèi)表面和外表面可以通過清洗與干燥來清潔，以除去可能會(huì)導(dǎo)致制得光纖損失的雜質(zhì)。步驟g)包括在預(yù)成型段至少一端密封，較優(yōu)選地在兩端密封。與步驟c)相似，密封可以通過例如煤氣噴燈等局部加熱裝置完成。密封步驟使預(yù)成型段附著在包圍著的管上并且阻止雜質(zhì)、外來煙霧和廢氣進(jìn)入內(nèi)部通道。步驟h)包括將預(yù)成型段與攜帶管狀加工支架的毛細(xì)管制成組件。步驟i)在管狀加工支架的相對(duì)側(cè)將預(yù)成型段與毛細(xì)管連接起來。在預(yù)成型段和毛細(xì)管之間的不可拆卸連接可以通過例如熔融得到。在毛細(xì)石英管內(nèi)表面和預(yù)成型段之間的另一端可能留有縫隙。該加工步驟的一個(gè)好處是在接下來的光纖抽拉步驟中預(yù)成型體能夠便于被保護(hù)。此外，預(yù)成型體的尺寸和質(zhì)量增加了，這也是該步驟能夠制備任何理想直徑的光纖的原因。步驟j)包括將預(yù)成型段拉絲成光纖，而步驟k)包括在該抽拉后的光纖上使用防護(hù)加固外套。這些步驟與現(xiàn)有技術(shù)中所知的相應(yīng)步驟相似。與現(xiàn)有技術(shù)不同的是纖芯的微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)由凹槽的布置、形狀和尺寸，管的內(nèi)徑以及蝕刻加工決定的。因此，制成的光纖具有理想的雙折射特性。所得纖芯的雙折射計(jì)算公式如下 此處K為比例系數(shù)，a和b為內(nèi)切于凹槽的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸，(a_b)/(a+b)的比率為內(nèi)切于凹槽的橢圓的橢圓率，Λη為纖芯與覆層之間的折射指數(shù)的差。為了實(shí)現(xiàn)雙折 射，內(nèi)切于凹槽的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸必須長(zhǎng)短不一。在實(shí)際應(yīng)用中，橢圓率應(yīng)為O. 05或更聞。本發(fā)明的制備過程適用于多種不同幾何體的光纖纖芯。該加工工藝能夠制備1*10-2或更高的線性雙折射的光纖。試驗(yàn)表明，該加工工藝制備的光纖在1550nm的波長(zhǎng)下保留約2db/km的光學(xué)損失。這些損失主要取決于石英的品質(zhì)以及橫向微小裂紋的數(shù)量和尺寸。在這點(diǎn)上值得一提的是，現(xiàn)有技術(shù)中使用的通道鉆孔方法可能導(dǎo)致通道內(nèi)過量的微小裂紋和污染物。此外，與本發(fā)明的加工工藝相比，現(xiàn)有技術(shù)中使用的鉆孔方法需要更多昂貴的高精度的鉆孔設(shè)備，而本發(fā)明的加工中通道通過切割(例如磨削)開口式凹槽形成，該開口式凹槽隨后通過把預(yù)成型體插入光學(xué)管中而閉合。如本文介紹部分所述，PANDA光纖中波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，拍長(zhǎng)值能達(dá)到約2mm。與此相比，本發(fā)明的制備工藝能夠制得拍長(zhǎng)約為100 μ m的MOFSC結(jié)構(gòu)，這有20倍的提高。在以下具體實(shí)施例的描述中，“第一實(shí)施例”至“第三實(shí)施例”涉及纖芯的多種幾何體形狀和/或制備技術(shù)?！翱蛇x特征”涉及提供額外有益效果和/或解決遺留問題的特征，并且這些可選特征可以相互間和/或與任何所列實(shí)施例結(jié)合。根據(jù)一個(gè)可選特征，預(yù)成型段可以在將預(yù)成型段抽拉成光纖的步驟中旋轉(zhuǎn)，以獲得螺旋軸結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)為橢圓偏振模沿光纖傳播提供可能，這在例如電流檢測(cè)的應(yīng)用中是極其有用的。根據(jù)另一可選特征，預(yù)成型體可以在兩端密封，可以選擇在密封前充入壓縮氣體。該技術(shù)保護(hù)了纖芯免受過度壓縮和破碎的影響，減少微觀裂紋，并因此有助于改進(jìn)制成光纖的微結(jié)構(gòu)。


本發(fā)明的方法通過以下詳細(xì)描述的具體非限制性實(shí)施例將更容易理解，作為參考的附圖中相同的附圖標(biāo)記或數(shù)字表示同樣的成分。圖I示出了包含兩對(duì)凹槽的一實(shí)施例的核心預(yù)制棒凹槽的一種示例性布置和形狀；圖2描繪了具有石英管的預(yù)制棒的橫截面組成；圖3示出了石英管與預(yù)制棒熔融的圖；圖4示出了把預(yù)制棒和石英管拉制成預(yù)成型體的圖；圖5示出了預(yù)成型體中蝕刻形成凹槽的圖；圖6示出了密封預(yù)成型體端口的圖7示出了預(yù)成型體和毛細(xì)管熔融的圖；圖8示出了 MOFSC的橫截面；圖9描繪了本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的制備過程，特別是在纖芯預(yù)制棒上切割成凹槽的布置、形狀以及尺寸；圖10示出了第二實(shí)施例所得到的六槽MOFSC纖芯的橫截面的顯微照片；圖11示出了第二實(shí)施例的六槽MOFSC的橫截面的顯微照片；以及圖12-16B描繪了本發(fā)明的第三實(shí)施例的制備過程。
具體實(shí)施例方式第一實(shí)施例 圖I至圖8中的附圖數(shù)字標(biāo)號(hào)指定如下1-預(yù)制棒，2-第一對(duì)凹槽I - I，3-第二對(duì)凹槽II - II，4-玻璃(石英)管，5-預(yù)成型體，6-熔融點(diǎn)，7-抽拉的預(yù)成型體，8-初始通道輪廓，9-蝕刻后通道輪廓，10-通道連接架，11-預(yù)成型體核心地區(qū)，12-預(yù)成型體的密封端，13-毛細(xì)管，14-管狀支架，15-預(yù)成型段7與毛細(xì)管13的熔融點(diǎn)，16-間隙，17-防護(hù)加固涂層，18-M0FSC核心區(qū)域，19-光纖加工矩陣區(qū)域。圖I至圖8中的字母標(biāo)記指定如下A-預(yù)制棒橫截面上的橢圓形的長(zhǎng)軸，B-預(yù)制棒的橫截面上橢圓形的短軸，d-預(yù)制棒直徑，D-石英管的內(nèi)徑，DH-石英管4的外徑，Dp-拉制的預(yù)成型體的直徑，Dk-石英毛細(xì)管的外徑，dk-石英毛細(xì)管的內(nèi)徑，L-預(yù)成型體段的長(zhǎng)度，S-未蝕刻通道連接架厚度，S-蝕刻后通道連接架厚度，GB-煤氣噴燈。參考圖1，本發(fā)明方法的一種示例性實(shí)施例可以如下實(shí)施。該方法首先制作圓柱形的直徑為d的初始預(yù)制棒I。其次，最大程度地清除初始預(yù)制棒I雜質(zhì)。如有必要可以添加摻雜物，以取得理想的性能，例如作為目標(biāo)的折射指數(shù)因子。在一些應(yīng)用中，初始預(yù)制棒I可以由純石英制成。在其他的應(yīng)用中，石英中可以摻雜其他物質(zhì)以在這些應(yīng)用中達(dá)到理想的性能。例如，石英中可以摻雜稀土元素以獲得激光屬性?；蛘撸⒖梢該诫s不同的摻雜物以增加它的折射率的感光靈敏度(記錄寫入布拉格光柵)。在預(yù)制棒的外表面通過機(jī)械加工制成縱向的凹槽，例如縱向磨削，或者通過化學(xué)加工，激光切割或此類制造工藝的組合。這使得凹槽的制作可以避免勞動(dòng)密集和精密加工，例如對(duì)預(yù)制棒中通道的縱向鉆孔以及使通道表面無任何會(huì)增加波導(dǎo)損耗的橫向的微裂紋。為了獲得橫截面中具有近乎橢圓形的懸吊核心的M0FSC，在圖8中示出了這樣一個(gè)例子，偶數(shù)量的凹槽加工成對(duì)，由此兩對(duì)或更多對(duì)的凹槽加工成相對(duì)于至少一個(gè)穿過初始預(yù)制棒I縱向旋轉(zhuǎn)軸的平面成鏡像對(duì)稱。圖I中示出的實(shí)施例中，參考標(biāo)號(hào)2和3分別表示第一對(duì)凹槽I - I和第二對(duì)凹槽II - II。每一對(duì)凹槽2，3的凹槽形狀和尺寸是一樣的，或者考慮到制造公差也應(yīng)當(dāng)盡可能地接近一致。凹槽對(duì)的數(shù)量，它們的尺寸(深度，寬度，橫截面形狀)與布置取決于所需的MOFSC結(jié)構(gòu)，而適當(dāng)考慮到后續(xù)制備步驟中應(yīng)力變形的影響。圖I所示的實(shí)施例具有四個(gè)凹槽，它們可以安排成正交。將具有加工后的凹槽2和3的預(yù)制棒I清潔并干燥以除去雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能導(dǎo)致最終光纖的損失。圖2描繪了制造預(yù)成型體中通道的過程。如圖2所示，具有經(jīng)加工的凹槽2和3的預(yù)制棒I與光學(xué)性能和機(jī)械性能相似或近似于預(yù)制棒I的管4裝配起來。例如，該管4可以是玻璃、石英或者相似的材料。石英管4的內(nèi)直徑D與預(yù)制棒I的外直徑d相匹配或者稍大于d，由此預(yù)制棒I可以插入管4中。圖3描繪了預(yù)制棒I與玻璃或石英管4的熔融。通過使用點(diǎn)狀煤氣噴燈(pointgas burner) GB使預(yù)制棒I與石英管4在非工作區(qū)6熔合以形成固定連接,這將便于進(jìn)一步的工作。上述過程使連同內(nèi)部通道的預(yù)制棒I的直徑d增加以達(dá)到尺寸DH，該尺寸適合于后續(xù)的拉制。由此形成的裝配組件并以參考標(biāo)號(hào)5表示。圖4描繪了預(yù)制棒I與石英管4拉制成預(yù)成型體的加工步驟，用參考標(biāo)號(hào)7表示。在這個(gè)步驟中拉制應(yīng)遵循幾何相似性的原則，即中心部分的形狀應(yīng)保持不變。結(jié)果是拉制的預(yù)成型體7具有所需的直徑Dp。接下來，將該預(yù)成型體7切割成長(zhǎng)度為L(zhǎng)的片段，L與隨后用于光纖抽絲的預(yù)成型體的工作部分的長(zhǎng)度一致。片段的長(zhǎng)度L取決于所使用設(shè)備的能力。圖5示出了預(yù)成型體7的橫截面視圖，其中點(diǎn)劃線表示由凹槽2，3與管4的內(nèi)壁所形成的通道的初始形狀。如圖5所示，通道8的形狀在圖4討論的拉制過程中被收攏。
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圖5進(jìn)一步描繪了核心預(yù)成型體中通道8被例如氫氟酸蝕刻處理的加工步驟。蝕刻處理會(huì)導(dǎo)致通道的尺寸增加至參考標(biāo)號(hào)9所示的形狀。同時(shí)，連接架10的厚度會(huì)由S降低至S。核心預(yù)成型體的外表面和內(nèi)表面清潔并干燥。例如干燥的氬氣等惰性氣體氣流可以用于去除氫氟酸以及任何污染物。圖6描繪了將預(yù)成型段7兩端密封的加工步驟。參考標(biāo)號(hào)12表示密封點(diǎn)。然后，如圖7所示，預(yù)成型體7與毛細(xì)管13裝配起來。因此，預(yù)成型體的材料體積增加。輔助的管狀加工支架14與毛細(xì)管13密封以更便于保護(hù)拉制步驟中的預(yù)成型體。通過將預(yù)成型段7與毛細(xì)石英管在與管狀加工支架14相反一側(cè)的點(diǎn)15處熔融獲得預(yù)成型體。在靠近加工支架15的末端16，預(yù)成型段7與毛細(xì)石英管13的內(nèi)表面之間留下間隙16。密封步驟具有使氣體充入內(nèi)部以保護(hù)纖芯免受壓縮影響的效果。下一步，如圖8所示，將預(yù)成型體抽拉成具有纖芯區(qū)18與MOFSC加工矩陣區(qū)19的光纖。將防護(hù)加固涂層17應(yīng)用于該光纖。加工矩陣區(qū)19被用于增加MOFSC的機(jī)械強(qiáng)度并簡(jiǎn)化其處理。將具有多個(gè)末端密封的預(yù)成型段7的預(yù)成型體抽拉使凹槽一致地?cái)U(kuò)大以及間隔墻(連接架)一致地變薄。由此可獲得具有高雙折射與低衰減的特性的M0FSC。在如圖8所示的橫截面中，纖芯具有規(guī)則的星形結(jié)構(gòu)，其尺寸由內(nèi)接橢圓決定，并且橫梁(the beams)是通道之間的連接架。連接架的厚度大約為IOOnm或更小。在本發(fā)明方法的一個(gè)變型中，將預(yù)成型體抽拉成光纖的加工步驟包括涂覆防護(hù)加固外套并且使光纖預(yù)成型體同時(shí)旋轉(zhuǎn)。在抽拉過程中光纖預(yù)成型體的同時(shí)旋轉(zhuǎn)帶來的效果是MOFSC具有雙折射軸的螺旋結(jié)構(gòu)。如此具有良好螺旋結(jié)構(gòu)的雙折射軸可以用于物理量的傳感器，例如電流傳感器或磁場(chǎng)傳感器。為了清楚起見，實(shí)際中的尺寸在上述本發(fā)明的工作原理的描述中已被省略。以下具體實(shí)施例的描述提供了示例性的尺寸，這應(yīng)被解釋為尺寸上的指導(dǎo)而不是本發(fā)明的絕對(duì)限制。第二實(shí)施例圖9描繪了具有高線性雙折射(例如約1*10-2)的MOFSC的制備方法的一個(gè)實(shí)施例。制成直徑d=19mm以及長(zhǎng)度L=150_200mm的初始圓柱形預(yù)制棒I。三對(duì)凹槽2A，2B和3加工成相對(duì)于穿過預(yù)成型體的徑向旋轉(zhuǎn)軸的平面鏡像對(duì)稱,5mm深,半徑為2mm的半圓形凹槽3沿著一根軸位于頂部，而兩對(duì)不規(guī)則的四邊形凹槽2A，2B的內(nèi)部基礎(chǔ)(接近中心)的長(zhǎng)度為3. 5mm,以及外部“基礎(chǔ)”是圓的一部分，長(zhǎng)度為8. 75mm，并且沿著另外的軸呈大約6. 5mm的深度。在本實(shí)施例中，不規(guī)則的凹槽形狀將確保芯部有9mmx6mm的預(yù)設(shè)計(jì)尺寸以及確保所有連接架10有相同的厚度(例如2_)。通過例如在帶有縱向圓盤移動(dòng)(相對(duì)于預(yù)制棒)的輪廓表面磨削機(jī)(profile surface grinder)上的磨削來制作預(yù)制棒I上的凹槽2A,2B和3，該磨削機(jī)裝配有裝置以確保安全以及預(yù)制棒I的周期性旋轉(zhuǎn)。將帶有加工后的凹槽的預(yù)制棒I清潔并干燥。與第一實(shí)施例(圖3-4)相同地，所得到的棒結(jié)構(gòu)插入內(nèi)徑D=20_與外徑DH=25mm的石英管4中，在非工作區(qū)(圖3中的點(diǎn)6)熔合并且拉制出直徑Dp=L Imm的預(yù)成型體結(jié)構(gòu)7。拉制在拉絲塔中用高溫的電熱爐完成，拉出的預(yù)成型體結(jié)構(gòu)的直徑被嚴(yán)格控制。預(yù)成型體7切割成長(zhǎng)度與預(yù)成型體的工作區(qū)一致的為150-200mm的片段。預(yù)成型體結(jié)構(gòu)7內(nèi)部蝕刻(比較圖5)以達(dá)到芯部相關(guān)尺寸的目標(biāo)尺寸Α=400μπι，Β=270μπι，以及連接架的最小尺寸為寬度在10-40 μ m范圍內(nèi)。核心預(yù)制棒的外部與內(nèi)部表面在干燥的氬氣氣流中清潔并干燥以除去酸和任何污染物。輔助管狀支架14與毛細(xì)管13密封(比較圖7)。直徑Dp=L Imm的所得結(jié)構(gòu)7從兩端均密封，并且插入帶有支架14的毛細(xì)管13中，達(dá)到Dk=14. 5mm以及內(nèi)徑至少與dk=l. Ilmm相等的預(yù)設(shè)計(jì)比率。在支架的另一端的毛細(xì)石英 管的內(nèi)表面與預(yù)成型段之間留下最小O. Olmm的間隙16。由此獲得的結(jié)構(gòu)被抽拉成預(yù)先設(shè)計(jì)比率為纖維直徑80 μ m,芯部尺寸約為2. 5 μ mxl. 6 μ m,并且連接架寬度約為IOOnm的光纖。在拉絲塔抽拉成光纖，同時(shí)涂覆防護(hù)加固涂層17，該涂層可以用例如丙烯酸等涂料。通過使用儀器系統(tǒng)，抽拉成的光纖的直徑能夠保持例如約Iym的高精度。例如，該儀器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖直徑的精確測(cè)量并且向控制系統(tǒng)發(fā)出可以控制光纖拉絲過程的反饋信號(hào)。參考文獻(xiàn)[5]描述了用第二實(shí)施例的方法制備的MOFSC光纖，但是并沒有公開實(shí)際的制備方法。MOFSC光纖具有1*10-2的雙折射值，該值由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)。圖10示出了芯部的顯微照片以證實(shí)具有6個(gè)通道的MOFSC可以通過在此描述的方法制成。圖11示出了通過本發(fā)明的方法制成的具有6個(gè)通道的MOFSC橫截面的顯微照片。圖10與11中所示的尺寸都是通過電子顯微鏡顯示的實(shí)際測(cè)量值，這些測(cè)量值不構(gòu)成嚴(yán)格意義的限制。本發(fā)明兩個(gè)重要的有益效果通過圖10與11的顯微照片可以很明顯地看到。首先，產(chǎn)生的MOFSC的芯部明顯具有不同的長(zhǎng)軸和短軸尺寸。該特征能帶來所需的預(yù)想的雙折射特性。其次，用于支撐芯部的連接架10的厚度明顯低于光的波長(zhǎng)，這意味著該連接架不會(huì)使光從纖芯泄漏至它的包覆層。第三實(shí)施例第三實(shí)施例涉及制備具有適度橢圓率的纖芯與四槽涂層結(jié)構(gòu)的雙折射微結(jié)構(gòu)光纖的方法。該方法適合于制備纖芯的短軸約為長(zhǎng)軸80%的雙折射微結(jié)構(gòu)光纖。盡管這些實(shí)施例之間的纖芯形狀不同，但第三實(shí)施例的制備步驟大體上與第一實(shí)施例的制備步驟相同。首先，如圖12所示，帶有凹槽的預(yù)制棒I通過磨削與拋光制成。預(yù)制棒的核心部分的相關(guān)尺寸決定所制得光纖的橢圓率。在本實(shí)施例中，使用了下述尺寸d=20mm, A=12. 8mm, B=IO. 8mm, S=3. 6mm。接著,預(yù)制棒清潔并干燥。然后如圖13所示,預(yù)制棒插入到恰當(dāng)尺寸的直徑DH=25mm的石英管4中，并在一端熔合。在插入石英管4以及熔融之后，預(yù)制棒I在拉絲塔中進(jìn)行抽拉，由預(yù)制棒轉(zhuǎn)變成橫截面的外尺寸與預(yù)制棒的尺寸相比大大減少的預(yù)成型體7。圖14示出了由拉絲塔獲得的預(yù)成型體的橫截面視圖。在本實(shí)施例中，尺寸如下Dp=l. 40mm, A’=0. 72mm, B’=0. 61mm, R’=0.56mm, s=0. 2mm。內(nèi)部的通道8用氫氟酸蝕刻。將蝕刻后的通道9清潔并干燥。圖15示出了經(jīng)過蝕刻處理的纖芯的橫截面視圖。在本實(shí)施例中，用Λ R=O. 08mm的蝕刻處理開出了通道，蝕刻后，連接架寬度為s’=0. 04mm。最后，如圖16A中所示，預(yù)成型體插入附加的厚壁管19-21中，并且這樣的組件抽拉成最終的光纖。在本實(shí)施例中，厚壁管包括加工矩陣區(qū)域19，包圍在外的柔性層20，依次包圍在柔性層外的堅(jiān)硬層21。與圖8中所示的兩層涂層相比，圖16A中所示的三層涂層能夠提高光纖特性，例如在較寬的溫度范圍內(nèi)具有低衰減。圖16B示出了光纖的中心部分的放大視圖(與圖16A相比為2:1的相對(duì)放大率)。 第三實(shí)施例的具體加工過程可以類似于第一實(shí)施例來實(shí)施。比如，將預(yù)成型體切割成段，每一段都在兩端密封。在拉絲步驟過程中制作防護(hù)涂層，用于電流傳感器的傳感光纖的組成包括預(yù)成型體與管，在拉絲步驟過程中可以旋轉(zhuǎn)以獲得螺旋軸結(jié)構(gòu)，等等。盡管第一實(shí)施例描述了一個(gè)較簡(jiǎn)單的涂層設(shè)置，而第三實(shí)施例則描述了較復(fù)雜的涂層，但是顯然涂層設(shè)置與纖芯制備方法無關(guān)。第三實(shí)施例的制備工藝的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是使凹槽切割加工所需的設(shè)備變得更簡(jiǎn)單。這是因?yàn)轭A(yù)制棒中切割的所有凹槽只具有平面(平坦)的壁，而第一實(shí)施例中為弧形壁。盡管所需設(shè)備變得簡(jiǎn)單，但第三實(shí)施例的加工過程提供了一種改變預(yù)制棒橢圓率的簡(jiǎn)單方法。本發(fā)明中，“橢圓率(ellipticity)”指的是在凹槽切割后預(yù)制棒圍成的橢圓形長(zhǎng)軸與短軸的比率。預(yù)制棒的橢圓率影響所制得光纖核心的橢圓率以及其光學(xué)特性，最顯著的是雙折射特性。如前所述，各種實(shí)施例的制備步驟大體上相似，這些實(shí)施例之間的差異主要存在于預(yù)成型體以及最終制成的光纖的中央核心部分。有兩個(gè)主要的因素影響這些差異。首先預(yù)成型體-石英管組件兩端密封導(dǎo)致內(nèi)部通道中的壓力增加，這又轉(zhuǎn)而導(dǎo)致預(yù)成型體的橫截面中通道面積的比例較大。其次，在拉絲步驟的過程中產(chǎn)生的表面張力使得橫截面形狀變平滑。也就是說，增加的表面張力使尖角變圓滑。上述這三個(gè)具體實(shí)施例的共同特點(diǎn)是預(yù)制棒上凹槽切割的布置整體上相對(duì)于兩軸(在圖1、5、8 (第一實(shí)施例)、圖9 (第二實(shí)施例)以及圖12-16 (第三實(shí)施例中表現(xiàn)為垂直和水平軸)的鏡像對(duì)稱。但凹槽的整體布置相對(duì)于預(yù)制棒的縱軸僅呈η (180° )的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。存在鏡像對(duì)稱以及沒有2 π/n旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(n為凹槽的數(shù)量，例如四凹槽呈90°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱)確保了光纖所需的雙折射特性，這由合適布置和尺寸的凹槽實(shí)現(xiàn)。此處一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是凹槽的整體布置、尺寸與形狀決定所制得纖芯的橢圓率，并因此影響其雙折射特性，通過將通道(由凹槽得到)之間的連接架蝕刻至低于透射光波長(zhǎng)的厚度而減少甚至消除了光從纖芯的泄漏。上述介紹的具體實(shí)施例與光學(xué)特性重在說明而不是限制。很明顯對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，隨著科技進(jìn)步本發(fā)明可以在不背離所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍的各種形式下實(shí)施。參考文件I.美國(guó)專利 6415079，2002. “Optical Fiber Gratings Having Internal GapCladding for Reduced Short Wavelength Cladding Mode Loss (具有用于減少的短波長(zhǎng)包層模式損耗的內(nèi)部間隙包層的光纖光柵)”2. “PM1550G-80· 1550 μ m Polarization Maintaining Gyroscope & SensorFiber (1550 μ m偏振維持陀螺儀&傳感光纖)” [Electronic recourse (電子追索)].來自網(wǎng)站Nufen Access mode(訪問模式):http://www. nufern. com/fiber—detail. php/44free3.美國(guó)專利 5 167 684，1992. “Process and Device Producing a HollowOptical Fiber (制作空心光纖的方法與設(shè)備)”4.美國(guó)專利 7 155 097, 2006. “Fabrication of Microstructured Fibers (微結(jié)構(gòu)光纖的制造)，， Yu. 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權(quán)利要求
1.光纖的制備方法，所述方法包括 在整根預(yù)制棒(I)上制作兩對(duì)以上的縱向凹槽(2，3)，其中所述兩對(duì)以上的凹槽(2，3)關(guān)于穿過所述預(yù)制棒(I)的縱向旋轉(zhuǎn)軸的至少一個(gè)平面呈鏡像對(duì)稱，并且每對(duì)所述凹槽(2,3)內(nèi)的所述凹槽形狀與尺寸相似； 把所述預(yù)制棒(I)插入光學(xué)材料制成的管(4)中，所述管(4)內(nèi)表面直徑不小于所述預(yù)制棒(I)的外直徑； 在非工作區(qū)(6)將所述預(yù)制棒(I)與所述管(4)熔合； 將所述熔合的預(yù)制棒(I)與所述管(4)拉制成預(yù)成型體(5)，所述預(yù)成型體(5)具有縱向通道(8)，所述縱向通道(8)由所述鏡像對(duì)稱的凹槽(2，3)與所述管(4)的內(nèi)表面得到；將所述預(yù)成型體(5)切割成至少一個(gè)預(yù)成型段，對(duì)至少一個(gè)預(yù)成型段完成以下步驟蝕刻所述預(yù)成型段的所述縱向通道(8)以形成蝕刻后通道(9)； 密封所述預(yù)成型段的兩端(12)； 將所述預(yù)成型段與攜帶管狀加工支架(14)的毛細(xì)管(13)組裝成組件； 在與所述管狀加工支架(14)相對(duì)的一側(cè)(15)連接所述預(yù)成型段與所述毛細(xì)管(13); 將所述預(yù)成型段與所述毛細(xì)管制成的所述組件抽拉成光纖，以及 在所述抽拉成的光纖表面涂上防護(hù)加固涂層(17)， 由此制成具有雙折射特性的所述光纖，所述雙折射特性受所述鏡像對(duì)稱的凹槽與所述蝕刻步驟的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括，在所述將預(yù)成型段抽拉成光纖的步驟中旋轉(zhuǎn)所述預(yù)成型段。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，還包括，密封所述預(yù)成型段的兩端(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括，在密封前向所述預(yù)成型體充入壓縮氣體。
5.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在所述蝕刻步驟使用氫氟酸。
6.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括，清洗并干燥所述預(yù)成型段的內(nèi)表面與外表面。
7.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述凹槽的對(duì)數(shù)至少為兩對(duì)。
8.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述凹槽的對(duì)數(shù)至少為三對(duì)。
9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述凹槽雕刻成橢圓，所述橢圓的橢圓率至少為0. 05。
全文摘要
制備光纖的方法，包括在插入光學(xué)材料管(4)中的預(yù)制棒(1)上切割鏡像對(duì)稱的凹槽(2,3)；將所述預(yù)制棒與所述管在非工作區(qū)熔合；將所述熔合的預(yù)制棒與管拉制成具有由凹槽(2,3)與管(4)限定的縱向通道的預(yù)成型體；將所述預(yù)成型體(5)切割成段；蝕刻縱向通道；密封預(yù)成型段端部；用毛細(xì)管和管狀加工支架裝配預(yù)成型段；在與管狀加工支架相對(duì)的一側(cè)連接所述預(yù)成型段與毛細(xì)管；抽拉所述預(yù)成型段制成光纖，并且在制成的光纖上應(yīng)用防護(hù)加固涂層。由此，制成具有雙折射特性的光纖，該雙折射特性受鏡像對(duì)稱凹槽的尺寸與蝕刻步驟的影響。
文檔編號(hào)C03B37/027GK102781859SQ201180011232
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
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