玻璃墊層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及玻璃墊層，更具體地涉及具有玻璃墊層的光纖。因此，一些實施例包括具有纖芯、包層和玻璃墊層的光纖。在一些實施例中，玻璃墊層的折射率大于包層的折射率。
【專利說明】玻璃墊層
相關申請的交叉參考
[0001]本申請要求2013年3月15日提交的，題目為“Glass Buffers”，序列號為61/787，854的美國臨時專利申請的優(yōu)先權，在此通過引用將其整體并入，如同在此處明確規(guī)定的。
【背景技術】

【技術領域】
[0002]本發(fā)明大體上涉及光學器件，尤其涉及光纖。
相關技術描述
[0003]光纖激光器通常被用在高功率的光學應用中。在這些應用中采用的高功率級別可能會導致不同脆弱點的溫度升高。因此，還需要不斷地努力以減輕高功率光學系統(tǒng)內潛在的過熱。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明涉及具有玻璃墊層的光纖。因此，一些實施例包括一種具有芯、包層和玻璃墊層的光纖。一些實施例中，玻璃墊層的折射率比包層的折射率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]本公開的許多方面參照下面的附圖可以更好地理解。圖中的組件不一定按比例，重點在于清楚地說明本發(fā)明的原理。此外，在附圖中，在以下若干視圖中相同的標記表示相應的部分。
[0006]圖1表不一種具有玻璃墊層的光纖的實施例。
[0007]圖2示出另一種具有玻璃墊層的光纖的實施例。
[0008]圖3A和圖3B為顯示加熱區(qū)域的熱量圖。
[0009]圖4是表示具有玻璃墊層的光纖的制造方法的實施例的流程圖。
【具體實施方式】的詳細描述
[0010]在采用光纖激光器的高功率應用中，光纖通常被拼接在一起。拼接后，例如將錐體置入錐形光纖束(TFB)后，通常會在包層中發(fā)現(xiàn)光的傳播。不論光纖是單模光纖(SMF)或多模光纖(MMF)，最好能將光從包層中去除或剝離。目前，使用聚合物涂層從包層剝離不需要的光。使用聚合物涂層的一個缺點是，根據(jù)不同的材料，所述聚合物涂層具有的折射率允許光以一定的角度進入該聚合物，從而導致過熱，進而導致?lián)p壞和故障。
[0011]具體地講，聚合物涂層存在兩個脆弱區(qū)域。第一區(qū)域是錐體和輸出光纖之間拼接后的粘合點。如果拼接時纖芯和包層匹配不完美，那么纖芯的光可以被間接地注入到包層。間接注入的光將沿包層通過全內反射(TIR)引導，直到達到具有與包層相匹配的折射率的材料。該折射率匹配的材料通常是聚合物涂層。
[0012]當光入射到聚合物涂層時，聚合物涂層被加熱，通常會引起熱破壞和損壞。其中聚合物涂層加熱的速率通常是厚度的函數(shù)。因此，在一個邊緣被剝離的連接處，聚合物涂層可能更薄，導致在這些剝離邊緣的連接處產(chǎn)生的更高的溫度。實驗結果表明，約200至300毫瓦(mW)的包層光引導進入聚合物涂層會導致溫度顯著增加。因此，可想而知，激光組合器應用，這意味著運用兩(2)千瓦(kW)的功率，會導致明顯過熱，特別是由于目前的規(guī)格要求組合器效率為95或更高，這轉化為潛在地被引導入包層區(qū)域內的、范圍為100至200瓦(W)的光。
[0013]傳統(tǒng)上，通過使低折射率粘接材料流過剝離區(qū)以將光纖向鋁外殼散熱，來控制這種過度加熱。此外，熱復合物已被用于進一步對光纖進行散熱和分散聚合物涂層中的剩余光。不幸的是，這樣的低折射率粘接材料增加了系統(tǒng)的剛性，并且通常不能用于去除包層光。因此，大部分包層光傳播超過粘合點。
[0014]第二脆弱區(qū)域是光學纖維的模式剝離區(qū)域，其中涂層被剝離以使包層被暴露。暴露的包層允許光傳播穿過包層以逃逸。典型地，在該涂層被剝離后，露出的光纖被置于一個鋁制外殼中，并與低折射率粘接材料接合。然后將一種熱復合物放置在裸光纖的縱向，從而產(chǎn)生一個可散射光的邊界。散射光可以是全向的，因此，其可以在不同數(shù)值孔徑重新注入到光纖。在該模式剝離區(qū)中的包層和熱復合物之間的初始接觸出現(xiàn)加熱問題，可對光纖性能產(chǎn)生負面影響。
[0015]考慮到這些過熱問題，本發(fā)明教導了一種從包層去除光的玻璃墊層，從而改善一些過熱問題。使用具有比包層更高的折射率的玻璃墊層能夠去除過量的包層光。此外，由于它的熱特性，玻璃墊層具有比聚合物墊層更高的耐熱性，從而進一步減輕任何過熱問題。
[0016]已經(jīng)提供了幾個實施方案的概述，現(xiàn)在參考如附圖中所示的實施例作出詳細描述。一些實施例的描述與這些附圖相關，但其目的不是將本申請限制為實施方式或這里所公開的實施例。相反，其目的是要覆蓋所有的替換，修改和等同物。
具有熱復合物層的玻璃墊層
[0017]圖1示出了具有被包層104包圍的二氧化硅纖芯102的光纖100的實施例。玻璃墊層106位于包層104的徑向外部，并且優(yōu)選與包層104直接接觸。在一些實施例中，玻璃墊層106的厚度大致為包層104厚度的兩倍。在其他實施例中，玻璃墊層106的厚度大于包層104厚度的兩倍。玻璃墊層106的折射率大于包層104的折射率。在一個優(yōu)選的實施例中，玻璃墊層106包括硼硅酸鹽，其具有介于約900攝氏度與約1000攝氏度之間的熔點溫度，以及約1.47的折射率。
[0018]由于玻璃的熱特性，玻璃墊層106與聚合物基墊層相比能夠承受更高的溫度。此外，由于包層104和玻璃墊層106之間折射率的差異，玻璃墊層106能夠剝離出包層的光?？梢岳斫猓Ａ|層的長度與NA之差成比例(例如，NA差異越大長度越短，NA差異越小長度越長)。玻璃墊層106也優(yōu)于現(xiàn)有技術，因為玻璃墊層106具有比光纖的二氧化娃纖芯102和包層104低的熔點。這種差異提供改善的光纖性能，并在玻璃墊層106和包層104之間提供更有效的粘結。
[0019]繼續(xù)參考圖1的實施例，玻璃墊層106的徑向外部是熱復合物層108 (例如，可商購的低密度T644，由THERM-A-Form?制造)。加入該熱復合物層108進一步改善了光纖100的熱特性。如圖1所示，鋁外殼110包圍熱復合物層108。
[0020]在操作中，高功率纖芯光101通過光纖的二氧化硅纖芯102傳播。如圖所示纖芯光101緊接在錐體或輸出光接頭112之后從左邊傳播到右邊。纖芯的信號光101可以通過全內反射(TIR)在接頭112處被注入到包層104。包層光103被引導沿著包層104的長度向下，直到到達玻璃墊層106，并且由于玻璃墊層106的高折射率，包層光103被折射到玻璃墊層106，其中所述光向下游傳播，并最終從玻璃墊層106脫離進入自由空間114。因此，玻璃墊層106起到準波導的作用。
[0021]在采用聚合物墊層的常規(guī)系統(tǒng)中，光的折射將產(chǎn)生熱升高的區(qū)域，從而導致可能的過熱和隨后的故障。然而，不同于常規(guī)系統(tǒng)，玻璃墊層106的熱特性使其不易過熱。熱復合物層108具有較低的折射率。因此，很少(如果有的話)的光107從玻璃墊層106逃逸到熱復合物層108。根據(jù)光從玻璃墊層106逃逸的程度，逃逸的光產(chǎn)生了一個易受熱的區(qū)域120。然而，熱復合物層108還提供了一個散熱片用來降低存在于區(qū)域120的熱量。此散熱片結合透過玻璃墊層106的重定向，降低了由多余的包層光103導致光纖損壞的風險。
玻璃墊層改進的熱特性的實驗驗i正
[0022]通過實驗驗證玻璃墊層的熱特性，其中第一 MMF(完全填充，0.16數(shù)值孔徑(NA)，105微米纖芯，125微米包層的多模光纖)被接合到第二 MMF (50微米纖芯，360微米包層)。以第一MMF的纖芯為中心，并與第二MMF的纖芯對齊形成直接拼接。施加到第二MMF的360微米包層的硼硅酸鹽墊層的長度為約5毫米(5_)，厚度為大約2.5毫米(mm)。
[0023]該纖芯尺寸被故意錯配，以允許將第一 MMF纖芯的光注入到第二 MMF的包層。二十三(23)瓦(W)的功率被發(fā)射進入第一 MMF。105微米與50微米的內芯比率約為23%，由此導致在第一 MMF的105微米纖芯中傳播的光的約23%被傳播到第二 MMF的50微米纖芯，并且其余的光(約77% )被注入到第二 MMF的包層。隨后第二 MMF的包層光被剝離出玻璃墊層。在第二 MMF的模式剝離區(qū)域的長度端部進行的測量表明，遺留在第二 MMF的纖芯的總功率約為23%。
[0024]此外，為了確認該玻璃墊層剝去約77%的包層光，第二 MMF被解理，并在解理點進行了基準測量。基準測量采取纖芯和包層匹配拼接第二 MMF與具有高折射率涂層的第三MMF (50微米纖芯，360微米的包層)。在第二 MMF的解理端部取得的基準測量結果等價于在第三MMF端部測得的功率。換句話說，第二 MMF的解理端和所述第三MMF的端部之間不存在差異，從而證明所有剩余的包層光通過玻璃墊層從包層剝離。
不具有熱復合物層的玻璃墊層
[0025]圖2示出光纖200的另一個實施例，其具有由包層204包圍的二氧化硅纖芯。玻璃墊層206位于包層204的徑向外部，而且，最好是與包層204直接接觸。玻璃墊層206的折射率大于包層204的折射率，并且，在優(yōu)選的實施方案中，玻璃墊層206包括硼硅酸鹽。玻璃墊層206的徑向外部是包圍玻璃墊層206的鋁外殼210。
[0026]在操作中，纖芯光201傳播穿過光纖的二氧化硅纖芯202，并且同時，在接頭212之后進入包層204。包層的光203被引導沿包層204的長度向下，直到其到達玻璃墊層206，并且由于玻璃墊層206的高折射率，包層的光203被折射到玻璃墊層206，所述光在此處向下游傳播，并最終從玻璃墊層206逃逸到自由空間214。
[0027] 類似于圖1的實施例，很少(如果有的話)的光207從玻璃墊層206逃逸。根據(jù)光從玻璃墊層206逃逸的程度，逃逸的光在鋁制外殼210產(chǎn)生了一個易受熱區(qū)域220。然而，穿過玻璃墊層206的重定向大大減少了鋁外殼210的加熱。不同于圖1的實施例，圖2的實施例不包括熱復合物層(圖1中的108)。因此，與具有熱復合物層將發(fā)生的情況相比，更多的光和熱被吸收到鋁制外殼。但是，與聚合物涂層相比，玻璃墊層206仍然顯著減少了光以及產(chǎn)生的熱量。
熱暈圖
[0028]圖3A和圖3B是熱量圖，顯示了玻璃墊層106如何減少熱量積聚。具體而言，圖3A是表示圖1的光纖如何運作的熱量圖。與此相反，圖3B是表示一個具有聚合物墊層的傳統(tǒng)光纖的加熱區(qū)的熱量圖。
[0029]為了產(chǎn)生圖3A的熱量圖，兩個纖芯不匹配的纖維彼此接合，并且將光(從左至右傳播)注入到光纖中。約23瓦特(W)的多模光被注入光纖，而且，由于纖芯的故意錯配，多模光傳播到包層。玻璃墊層的性質允許玻璃墊層用作波導，從而使光逸出。由于玻璃的熔點高于1000°C，因此不需要散熱片。此配置導致77%的光被剝離出，裝置被加熱到約63°C，換算成導熱系數(shù)約3.550C /W
[0030]圖3B為使用不匹配纖芯的光纖產(chǎn)生的熱量圖，該光纖具有傳統(tǒng)的聚合物墊層和充當散熱片的金屬外殼。再次，纖芯的不匹配導致光被傳播到包層中。對于圖3B而言，大約22W的多模光被注入光纖，使約65%的光被剝離出來。這種配置導致裝置被加熱至約94°C，其換算成導熱系數(shù)為約6.570C /ff(為玻璃墊層的近兩倍)。換句話說，由于聚合物墊層的熱特性，從光纖剝離出來的光沒有傳播，而是被轉換成熱能。而由于金屬外殼充當散熱片，圖3B的結構產(chǎn)生更多的熱量，并最終由于過熱而陰燃。
[0031]因此，我們從圖3A和圖3B的例子中可以看出，玻璃墊層(圖3A)的性能優(yōu)于聚合物墊層(圖3B)的性能。
制造工藝
[0032]已經(jīng)描述了具有玻璃墊層106、206的光纖100、200，以及它們各自的性能特征(圖3A和圖3B)，現(xiàn)在將注意力轉向圖4，它顯示了制造具有玻璃墊層106、206的光纖100、200的過程的一個實施例。如圖4的實施例所示，光纖被插入401到具有開放端的玻璃管，其具有比包層高的折射率，比包層或纖芯低的熔點。在一個優(yōu)選的實施方案中，該玻璃管由硼硅酸鹽制成。然后玻璃管與光纖被加熱402到玻璃管的熔點。所施加的熱量使玻璃管在光纖周圍塌縮403以形成玻璃墊層。因為玻璃管具有比光纖的纖芯或包層更低的熔點，玻璃管在光纖周圍的塌縮403產(chǎn)生了對二氧化硅纖芯或包層無干擾的玻璃墊層。一旦形成，由于玻璃墊層的高折射率和優(yōu)異的粘合質量，與傳統(tǒng)的聚合物墊層相比，玻璃墊層能為光纖提供更好的界面。
[0033] 盡管已經(jīng)示出和描述了示意性實施例，本領域的普通技術人員應當清楚可以對所描述的內容做出許多改變、修改或變更。例如，在一個優(yōu)選實施例中具體描述了硼娃酸鹽，但應明白，對本領域的普通技術人員來說具有所需的較低熔點和較高折射率的其它材料也可用于形成墊層。此外，雖然一個實施例中例舉了 T644(來自THERM-A-Form?),但本領域技術人員應當理解具有類似特性的不同熱復合物也可以用在替代實施例中。因此，所有這樣的變化、修改和變更應視為在本發(fā)明的范圍之內。
【權利要求】
1.一種處理，包括: 將光纖插入到玻璃管中，該光纖包括二氧化硅纖芯，該光纖還包括包層，該包層具有第一折射率，該包層具有第一熔點，玻璃管具有第二熔點，第二熔點比第一熔點低，玻璃管具有第二折射率，第二折射率比第一折射率高； 加熱玻璃管到一溫度，該溫度介于第二熔點與第一熔點之間；并且 塌縮玻璃管以形成玻璃墊層，玻璃墊層的厚度等于或大于包層的厚度。
2.根據(jù)權利要求1所述的處理，其中玻璃墊層的厚度為包層厚度的至少兩倍。
3.一種裝置，包括: 光纖，包括: 二氧化硅纖芯；以及 位于二氧化硅纖芯的徑向外部的包層，該包層具有第一折射率，該包層還具有第一熔點；以及 位于包層的徑向外部的玻璃墊層，該玻璃墊層與包層接觸，玻璃墊層具有第二熔點，第二熔點比第一熔點低，玻璃墊層具有第二折射率，第二折射率比第一折射率高。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，還包括位于所述墊層的徑向外部的熱復合物。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，還包括位于熱復合物的徑向外部的金屬外殼。
6.根據(jù)權利要求3所述的裝置，玻璃墊層包括硼硅酸鹽玻璃。
7.根據(jù)權利要求3所述的裝置，第二熔點在約900攝氏度和約1000攝氏度之間。
8.根據(jù)權利要求3所述的裝置，第二折射率為約1.47。
9.一種裝置，包括: 光纖，其包括纖芯和包層，該包層具有第一折射率；以及 位于包層徑向外部的玻璃墊層，該玻璃墊層具有第二折射率，第二折射率比第一折射率高。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，玻璃墊層與包層接觸。
11.根據(jù)權利要求9所述的裝置，包層具有第一厚度，玻璃墊層具有第二厚度，第一厚度小于第二厚度。
12.根據(jù)權利要求9所述的裝置，包層具有第一熔點，玻璃墊層具有第二熔點，第二熔點小于第一熔點。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，第二熔點在約900攝氏度和約1000攝氏度之間。
14.根據(jù)權利要求9所述的裝置，玻璃墊層包括硼硅酸鹽玻璃。
15.根據(jù)權利要求9所述的裝置，第二折射率為約1.47。
16.根據(jù)權利要求9所述的裝置，還包括位于玻璃墊層徑向外部的金屬外殼。
17.根據(jù)權利要求16所述的裝置，金屬外殼包括鋁。
18.根據(jù)權利要求16所述的裝置,光纖包括位于玻璃墊層與金屬殼體之間的熱復合物。
19.如權利要求18所述的裝置，熱復合物包括T644。
【文檔編號】C03B37/012GK104045231SQ201410172721
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2013年3月15日
【發(fā)明者】W·R·霍蘭德, S·蘇利萬 申請人:Ofs菲特爾有限責任公司