專利名稱：聚合物光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用聚合物光纖形式的光波導(dǎo)。
雖然聚合物光纖有上述這些潛在優(yōu)點(diǎn)，但還不能在有效的商業(yè)水準(zhǔn)上生產(chǎn)。這主要是由于需要大的橫向光強(qiáng)度截面(光斑尺寸)和由現(xiàn)有制造技術(shù)所施加的隨之而發(fā)生的限制。為了能使較簡單的耦合和連結(jié)成可能，特別是在聚合物光纖預(yù)期應(yīng)用中的范圍，大光斑尺寸光纖是需要的。
帶有常規(guī)階越折射率的聚合物光纖可用大光斑尺寸拉制，這使光纖安裝成本低廉。不過，這種光纖有非常大的模間色散。
單模聚合物光纖難以制造，總之，非常小的模尺寸總是限制光纖的應(yīng)用。
用于制造漸變折射率聚合物光纖的技術(shù)非常復(fù)雜，在商業(yè)水準(zhǔn)上制造這類光纖的固有成本過于昂貴。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用現(xiàn)有制造技術(shù)幾乎不能制造有前途的大光斑尺寸，單模聚合物光纖。
限光元件在纖芯區(qū)域縱向延伸并且分布在纖芯區(qū)域的周圍，且大多數(shù)限光元件的折射率小于組成纖芯包層區(qū)域的聚合物材料的折射率。
本發(fā)明還提供用于制造上述光波導(dǎo)的預(yù)制棒，該預(yù)制棒有(a)至少一部分由聚合物材料組成的至少一個縱向延伸的光波導(dǎo)纖芯區(qū)域，(b)由聚合物材料組成的縱向延伸纖芯包層區(qū)域，和(c)位于纖芯包層區(qū)域中的多個元件，它們在纖芯區(qū)域的縱向方向延伸并分布在纖芯區(qū)域的周圍，且至少多數(shù)的限光元件的折射率小于組成纖芯包層區(qū)域的聚合物材料的折射率。本發(fā)明的較佳特征纖芯包層區(qū)域較佳是由與組成纖芯區(qū)域(至少部分)相同的聚合物材料組成且在本文的下文中描述本發(fā)明。不過，須理解，當(dāng)制造工序允許時，纖芯和纖芯包層區(qū)域可以由有相同或不同折射率的不同聚合物材料或由不同摻雜的聚合物材料組成。
相對于前面建議的方法，通過采用相同的聚合物材料形成纖芯和纖芯包層區(qū)域，使光纖的形成(或是從預(yù)制棒拉制，或是擠出)簡化了，而具有所需光學(xué)性質(zhì)的光纖可以方便地拉制或擠出。作為制造常規(guī)的纖芯-包層結(jié)構(gòu)或漸變結(jié)構(gòu)的替換方案，通過將限光元件設(shè)置在纖芯包層區(qū)域中，可減少上面提到的制造聚合物光纖的限制。
通過在纖芯包層區(qū)域中使用較低折射率的限光元件，那個區(qū)域?qū)⒃谡麄€體積中展現(xiàn)小于纖芯區(qū)域折射率的平均折射率，這樣把光主要限制到纖芯區(qū)域中。
光波導(dǎo)較佳是可取單個縱向延伸導(dǎo)光纖芯區(qū)域，這將在下面描述。不過，須理解，可以形成帶有共有共同纖芯包層區(qū)域的多于一個纖芯的多纖芯結(jié)構(gòu)。
限光元件較佳是可包括縱向延伸的光通道型開孔，這些開孔根據(jù)特別需要可以抽空(evacuated)，可以充滿空氣或用其它流體(液體或氣體)填充。不過，一些或所有這些限光元件可以包括玻璃或聚合物材料的固體材料細(xì)絲(filament)，其折射率小于纖芯和纖芯包層區(qū)域的折射率。
用通道狀開孔形式的限光元件可有任意的截面形狀。可以是圓形截面，盡管一些或所有這些開孔可能是橢圓形截面或拱形截面。此外，一些或所有這些開孔可以是多邊形截面。
限光元件可以準(zhǔn)隨機(jī)分布，但首選用空間均勻或?qū)ΨQ的形式分布在纖芯的周圍。例如，它們可以分布在與纖芯區(qū)域的軸同心的一個共同圓的周圍，或是分布在都與纖芯區(qū)域的軸同心的多個圓的周圍。另外，從截面中看，限光元件可以用幾何學(xué)分布在有規(guī)則的排列上，例如是多邊形類蜂窩型排列。
限光元件可以是圓形同心排列或多邊形同心排列分布在纖芯區(qū)域的周圍，由各個元件界定的截面面積設(shè)置為隨著纖芯區(qū)域的軸徑向距離的增加而增加。
此外，限光元件可以是周期的晶格狀結(jié)構(gòu)分布在纖芯區(qū)域的周圍。限光元件可以較佳地設(shè)置為占有至少30％的纖芯包層區(qū)域，最佳為30到80％。假如這樣，在使用時在纖芯包層區(qū)域中形成的光子帶隙將把光限制到纖芯區(qū)域中。
當(dāng)限光元件是周期的晶格狀分布時，纖芯區(qū)域可以采用中空纖芯或者相反用比包層聚合物材料折射率低的材料制成。不過，纖芯區(qū)域優(yōu)先完成用聚合物材料構(gòu)成。
如上所述的用光纖形式的光波導(dǎo)可帶有聚合物材料制成的外部保護(hù)套管或護(hù)套。該材料可以和纖芯和纖芯包層區(qū)域材料不同。
本發(fā)明可通過下面體現(xiàn)本發(fā)明的光纖替換形式的詳細(xì)描述和形成光纖的較佳方法而被完整理解。通過引用附圖提供這樣的描述。
本發(fā)明的詳細(xì)描述如

圖1所示，光纖10包括縱向延伸導(dǎo)光纖芯區(qū)域11，縱向延伸纖芯包層區(qū)域12和外部保護(hù)套管或護(hù)套13。為便于表示，纖芯區(qū)域11由虛線圓點(diǎn)14指示，但須理解事實(shí)上纖芯區(qū)域11沒有明確限定的外部邊界。
雖不明顯限定，纖芯區(qū)域11或，或許更精確地說，導(dǎo)向光的光斑尺寸的直徑范圍在1μm到500μm之內(nèi)(更典型為10μm到200μm)，而纖芯包層區(qū)域12的直徑范圍在10μm到5000μm之內(nèi)(更典型為100μm到2000μm)。護(hù)套13的厚度通常為10到1000μm數(shù)量級。
在本發(fā)明的較佳形式中，纖芯區(qū)域11和纖芯包層區(qū)域12兩者都采用相同聚合物材料制成且在兩個區(qū)域間沒有分界面，從這個意義上說它們是均質(zhì)的。可以使用任意光學(xué)透明聚合物材料形成纖芯和纖芯包層區(qū)域，例如，包括聚甲基丙烯酸甲酯或含氟聚合物。
用縱向延伸通道狀開孔形式的多個限光元件15處于纖芯包層區(qū)域12中，而各個限光元件15在光纖的整個長度延伸。如圖所示，限光元件分布在纖芯區(qū)域11的周圍(即，環(huán)繞)，均勻地位于兩個與纖芯區(qū)域軸同心的共同圓形的整整一圈。不過，須理解，根據(jù)光纖需要和導(dǎo)向光所需的光斑形狀，限光元件15不必設(shè)置為圓形對稱或其它對稱方式。將會理解，限光元件共同把光限制到纖芯區(qū)域中。
所制成的限光元件15通常由空氣填充，不過也可根據(jù)光纖所需光學(xué)特性而把它抽空或由另一種流體填充，或用石英、摻雜石英或聚合物材料的固體材料細(xì)絲制成。
無論它們是何種形式，大多數(shù)導(dǎo)光元件15的折射率必需低于形成纖芯和纖芯包層區(qū)域11和12的材料折射率，這樣從整體來看，纖芯包層區(qū)域在整個體積中的平均折射率小于纖芯區(qū)域11的折射率。
當(dāng)用通道狀開孔形式的各個導(dǎo)光元件15通常的直徑范圍在0.1μm到10μm之內(nèi)，而根據(jù)各個開孔的尺寸，相鄰的元件15通常的中心距離為2μm到20μm數(shù)量級。
圖2和3示出了類似于圖1示出的光纖截面的示意圖，且對相同的部件使用相同的參考數(shù)字。不過，在圖2的光纖中，用通道狀開孔形式的導(dǎo)光元件15均勻分布于遍及整個纖芯包層區(qū)域11并以同心圓形排列來配置。類似地，在圖3示出的光纖中，導(dǎo)光元件15均勻分布于遍及整個纖芯包層區(qū)域11，但以同心六邊形排列來配置。
圖4示出聚合物光纖的另一個替換方案；其中限光元件15，16，17和18以圓形同心排列分布在纖芯區(qū)域的周圍，且在各自的排列中的元件截面面積隨著與纖芯區(qū)域11同心軸的徑向距離的增加而增加。在下面解釋這樣排列的理由。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大模式區(qū)域的單模光纖比常規(guī)單模光纖對彎曲損耗更敏感，并且預(yù)測至少對聚合物光纖施加的某個效應(yīng)正如石英光纖的情形。彎曲損耗來自于幾何布置和由機(jī)械彎曲帶來的應(yīng)力。光纖的機(jī)械彎曲有效地改變了光纖折射率。這樣，無論光纖是由什么組成的，機(jī)械彎曲在光纖材料上施加應(yīng)力，使在中間軸內(nèi)的材料被壓縮，在中間軸外的材料被荷載著拉伸。于是通過彈性光效應(yīng)在折射率分布上誘導(dǎo)一個變化。在某一曲率半徑，應(yīng)力誘導(dǎo)的折射率變化將達(dá)到在筆直狀光纖的纖芯和纖芯包層區(qū)域間的折射率差的相同數(shù)量級。這是意味著最小允許的彎曲半徑的臨界彎曲半徑，在其下光將不再真正地被限定在光纖纖芯區(qū)域內(nèi)而會產(chǎn)生大損耗。
為實(shí)現(xiàn)單模傳輸(特別在大模式區(qū)域中)，在纖芯區(qū)域和纖芯包層區(qū)域中的有效折射率差需要非常小。這使得光纖易受彎曲損耗。
本發(fā)明在其最佳形式中，為保持單模傳輸，可選擇使用大模式區(qū)域，而使光纖不易受彎曲損耗。
這樣，如圖4所示，限光元件15的第一個環(huán)由直徑非常小的成通道形狀的開孔構(gòu)成，并且在連續(xù)擴(kuò)大的通道狀開孔的(同心)環(huán)16，17和18中，開孔尺寸增加。這提供了在光纖纖芯區(qū)域11中引導(dǎo)的所需弱折射率差，保證單模傳輸。而當(dāng)光纖彎曲時，外部較大的開孔環(huán)(提供較大折射率差)防止泄漏。這樣，這可看作漸變折射率單模光纖的空氣-聚合物微結(jié)構(gòu)的型式。
除了使用圖4示出的設(shè)置以減小彎曲損耗，可以采用構(gòu)成限光元件的通道狀空氣開孔的形狀和尺寸來降低機(jī)械應(yīng)力，同時制作光纖材料中的漸變折射率。通道狀開孔通常由彈性遠(yuǎn)大于緊密包圍開孔材料的介質(zhì)(例如真空，空氣或其它氣體)填充。因此，開孔的變形可降低彎曲光纖產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，這減小了光纖材料中的應(yīng)力誘導(dǎo)的折射率變化和彎曲損耗。
在圖5和6中示出的光纖截面示出了相對圖4截面的變化，并提供能滿足不同需要有特性的光纖。在圖5示出的光纖方案中，最內(nèi)層環(huán)為圓形截面的通道型開孔15，但是由橢圓型通道狀開孔的同心環(huán)19，20和21所包圍。不過，該結(jié)構(gòu)還是展現(xiàn)了圓形對稱。
與圖5示出的設(shè)置形成對比，圖6示出了關(guān)于X-X和Y-Y對稱的不同對稱結(jié)構(gòu)。在這類情況中，纖芯區(qū)域11由限光元件15和16兩個同心環(huán)包圍，而外部環(huán)16由一不完整的通道狀開孔17部分包圍。于是在纖芯包層區(qū)域12中，除了兩個橢圓開孔20的措施外，還設(shè)置了兩個拱型通道狀開孔22。
圖7示出體現(xiàn)本發(fā)明特征結(jié)構(gòu)的另一個光纖10，且所示設(shè)計表面上類似于圖4所示。不過，在圖7所示的光纖類型中，有兩個由纖芯包層區(qū)域12包圍的纖芯區(qū)域11A和11B。各個纖芯區(qū)域11A和11B也由導(dǎo)光區(qū)域15和16的內(nèi)部環(huán)包圍，其后的用類通道形式的開孔17和18的導(dǎo)光元件位于共同的纖芯包層區(qū)域12中，且由纖芯區(qū)域11A和11B所共有。
可用各種不同的方法制作在各個附圖中描述并示出的各種光纖。例如，它們可從由一種聚合物材料制作的在材料中去纖芯開孔的預(yù)制棒拉制。此外，從作為擠壓工藝的一部分，光纖可從設(shè)置來影響所需開孔的形成的擠出染料(extrusiondye)中拉制。
只要不背離由附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍，就可以對光纖的各種形式進(jìn)行其它變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種光纖形式的光波導(dǎo)，其特征在于，有至少部分由聚合物材料構(gòu)成的至少一個縱向延伸的導(dǎo)光纖芯區(qū)域，由聚合物材料構(gòu)成的縱向延伸纖芯包層區(qū)域，和多個位于纖芯包層區(qū)域中的限光元件，該限光元件分布在纖芯的周圍并在纖芯的縱向方向延伸，并且至少大部分限光元件的折射率小于構(gòu)成纖芯包層區(qū)域的聚合物材料的折射率。
2.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其特征在于，構(gòu)成纖芯包層區(qū)域的聚合物材料與至少部分構(gòu)成纖芯區(qū)域的聚合物材料相同。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光波導(dǎo)，其特征在于，限光元件包括縱向延伸通道狀開孔。
4.如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)，其特征在于，至少一些限光元件有圓形截面。
5.如權(quán)利要求3或4所述的光波導(dǎo)，其特征在于，至少一些開孔有橢圓形截面。
6.如權(quán)利要求3到5中任一項(xiàng)所述的光波導(dǎo)，其特征在于，至少一些開孔有拱形截面。
7.如權(quán)利要求3到6中任一項(xiàng)所述的光波導(dǎo)，其特征在于，至少一些開孔有多邊形截面。
8.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光波導(dǎo)，其特征在于，限光元件以對稱方式分布在纖芯區(qū)域的周圍。
9.如權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)，其特征在于，限光元件圍繞與以纖芯區(qū)域的軸同心的共同圓分布。
10.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光波導(dǎo)，其特征在于，限光元件以同心圓排列分布在纖芯區(qū)域的周圍，而各個元件限定的截面面積隨纖芯區(qū)域的軸距離的增加而增加。
11.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光波導(dǎo)，其特征在于，限光元件以同心多邊形排列分布在纖芯區(qū)域的周圍，而各個元件限定的截面面積隨纖芯區(qū)域的軸距離的增加而增加。
12.如權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的光波導(dǎo)，其特征在于，限光元件以周期性的晶格狀結(jié)構(gòu)分布在纖芯區(qū)域周圍。
13.如權(quán)利要求12所述的光波導(dǎo)，其特征在于，限光元件占有纖芯包層區(qū)域的至少30％體積。
14.如權(quán)利要求12所述的光波導(dǎo)，其特征在于，限光元件占有纖芯包層區(qū)域的30到80％體積。
15.如權(quán)利要求12到14中任一項(xiàng)所述的光波導(dǎo)，其特征在于，周期性的晶格狀結(jié)構(gòu)以能夠在纖芯包層區(qū)域中形成光子帶隙的方式構(gòu)建。
16.如權(quán)利要求15所述的光波導(dǎo)，其特征在于，纖芯區(qū)域以折射率小于纖芯包層聚合物材料折射率的材料所形成。
17.如權(quán)利要求16所述的光波導(dǎo)，其特征在于，纖芯區(qū)域包括中空纖芯。
18.如權(quán)利要求16所述的光波導(dǎo)，其特征在于，纖芯區(qū)域整個由聚合物材料構(gòu)成。
19.如權(quán)利要求16所述的光波導(dǎo)，其特征在于，聚合物材料與構(gòu)成纖芯包層區(qū)域的材料相同。
20.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光波導(dǎo)，其特征在于，波導(dǎo)帶有外部保護(hù)套管或護(hù)套。
21.如權(quán)利要求20所述的光波導(dǎo)，其特征在于，外部保護(hù)套管或護(hù)套由與構(gòu)成纖芯包層區(qū)域的材料不同的材料構(gòu)成。
22.一種用于制作光波導(dǎo)的預(yù)制棒，其特征在于，該預(yù)制棒有至少部分由聚合物材料構(gòu)成的至少一個縱向延伸的纖芯區(qū)域，由聚合物材料構(gòu)成的縱向延伸纖芯包層區(qū)域，和多個位于纖芯包層區(qū)域中的元件，所述元件在纖芯區(qū)域的長度方向延伸并分布在纖芯的周圍，并且大部分限光元件的折射率小于構(gòu)成纖芯包層區(qū)域的聚合物折射率。
23.基本上如本文參照附圖所述的光波導(dǎo)。
24.一種預(yù)制棒，用于制作如權(quán)利要求1到20中任一項(xiàng)所述的光波導(dǎo)。
全文摘要
用光纖形式的光波導(dǎo)(10)，有至少部分由聚合物材料構(gòu)成的至少一種縱向延伸的導(dǎo)光纖芯區(qū)域(11)，由聚合物材料構(gòu)成的縱向延伸纖芯包層區(qū)域(12)，和位于纖芯包層區(qū)域中的諸如通道狀開孔的多個限光元件(15)，該限光元件在纖芯區(qū)域的縱向方向延伸并分布在纖芯區(qū)域的周圍，以及至少大多數(shù)的限光元件具有的折射率小于構(gòu)成纖芯包層區(qū)域的聚合物材料折射率。還揭示了用于制作該光波導(dǎo)的預(yù)制棒。
文檔編號G02B6/032GK1449504SQ01814594
公開日2003年10月15日 申請日期2001年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月25日
發(fā)明者S·弗萊明, I·巴瑟特, M·希斯, M·樊艾克倫伯格 申請人:悉尼大學(xué)