BRPI0720006B1

BRPI0720006B1 - Método para fabricação de uma pré-forma, método para fabricação de uma pré-forma secundária e método para fabricação de uma fibra ótica

Info

Publication number: BRPI0720006B1
Application number: BRPI0720006-4A
Authority: BR
Inventors: Frédéric Sandoz; Carlos Pedrido; Philippe Ribaux; Philippe Hamel; Peter Othenin; Philippe Vincent Roy; Mathieu Devautour
Original assignee: Silitec Fibers Sa
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2019-02-19
Also published as: CN101631751B; RU2460696C2; WO2008068331A1; US20100000260A1; EP1942083A1; CN101631751A; BRPI0720006A2; EP2091876A1; JP5574217B2; JP2010511588A; US8720230B2; AU2007330730A1; KR20090089359A; CA2672007C; RU2009125938A; CA2672007A1; EP2091876B1

Abstract

método para fabricação de uma pré-forma, método para fabricação de uma pré-forma secundária e método para fabricação de uma fibra ótica. a presente invenção refere-se a um método e um aparelho para fabricar uma pré-forma (1, 10, 100) que pode ser usada para estirar uma fibra ótica ativa (8). a presente invenção também refere-se a uma fibra ótica ativa (8) projetada para finalidades de amplificação ou atenuação, estirada da dita pré-forma (1, 10, 100) e a um amplificador ótico (600, 601) usando uma fibra ótica ativa de laser.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE UMA PRÉ-FORMA, MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE UMA PRÉ-FORMA SECUNDÁRIA E MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE UMA FIBRA ÓTICA.

[001] A presente invenção refere-se a um método para a fabricação de uma pré-forma primária, secundária ou de ordem superior que pode ser usada para estirar uma fibra ótica ativa que permite a amplificação ou a atenuação de um sinal ótico. A presente invenção também refere-se a uma pré-forma, uma fibra ótica ativa estirada da dita préforma e a um amplificador ótico usando a dita fibra ótica.

[002] A fabricação de fibras óticas, tal como as fibras atualmente usadas em redes de comunicação de dados de ultra alta velocidade, é descrita em [1], Mool C. Gupta, Handbook of PHOTONICS, CRC Press, 1997 Boca Raton, capítulo 10.7, páginas 445-449. Etapas do processo principal da fabricação de fibra ótica são fabricar uma préforma, estirar a fibra a partir da pré-forma e cobrir a fibra com um material que protege a fibra contra a manipulação e influências ambientais.

[003] No processo de estiramento, a pré-forma é alimentada proveniente de cima para a porção de estiramento de uma fornalha enquanto sendo estirada a partir do fundo usando tratores. A fibra é então enrolada em um tambor enquanto sendo monitorada com relação à resistência de tração. A temperatura durante o estiramento fica na faixa de 2000°C. Depois de sair da fornalha, a fibra é revestida com uma cobertura curável com UV antes do enrolamento no tambor.

[004] Além do que, de acordo com [1], páginas 449-450, um aspecto importante da pesquisa de fibra ótica é a dopagem de terras raras para amplificação e geração de raios laser. Abaixo, no lugar do termo terras raras, o acrônimo RE é usado.

[005] Em um amplificador ótico, uma fibra dopada com RE com

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2/36 comprimentos na ordem de metros e níveis de dopante na ordem de 2 ppm, é emendada em um acoplador de fibra ótica dependente do comprimento de onda. O acoplador permite que alguém pulse continuamente a fibra dopada com érbio com a luz emitida de um diodo de laser semicondutor de alta potência em 980 ou 1480 nm. Filtro e isoladores óticos são frequentemente incluídos para minimizar o ruído da emissão espontânea e as reflexões. A luz pulsada é usada para excitar do estado aterrado para um estado excitado. A luz do sinal que entra na fibra inicia a emissão estimulada e é coerentemente amplificada. Problemas técnicos, tais como a dependência de comprimento de onda do ganho, a saturação do ganho, dependência da polarização e emissão espontânea, entre outros, foram cuidadosamente estudados. A emissão espontânea ocorre quando íons no estado excitado relaxam espontaneamente para o estado aterrado contribuindo para o ruído, assim afetando a razão de sinal para ruído de um sistema de comunicação baseado em um amplificador. Um outro parâmetro importante do amplificador ótico é a concentração de íons de RE. Uma concentração ótima de íons de RE evita o agrupamento de íon que altera os estados excitados e resulta na elevação de um íon para um estado superior e a emissão para o terra dos íons vizinhos. Portanto, uma maior concentração de íons de RE não provê necessariamente maior ganho e reduzido sinal em relação ao ruído. Além do que, a localização dos íons de RE dentro do núcleo também é relevante.

[006] Se a intensidade da radiação de uma frequência f incidente em um material é I₀, então a intensidade I na profundidade x dentro do material é dada por I = I₀ e^-ax (ver [2], John Beynon, Introductory University Optics, Prentice Hall 1996, página 231). Essa fórmula é de interesse para considerações com relação aos procedimentos de pulsação. Processos de fabricação são, portanto, críticos em vista de obter fibras ativas de alto desempenho que podem ser aplicadas em siste

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3/36 mas de laser e/ou amplificadores óticos como mostrado em [1], página 450 ou [2], página 247.

[007] De acordo com [3], Michel J.F. Digonnet, Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers, 2^a edição, Marcel Dekker Inc. 2001, capítulo 1.4 métodos-padrão de fabricação de fibra de sílica dopada dividem-se em duas categorias básicas, ambas baseadas na reação dos haletos, tais como SiCl₄, GeCl₄, POCl₄, SiF₄ e BCl₄ para formar a mistura desejada de óxidos. Os processos de acordo com a categoria 1 reagem em uma chama de hidrogênio e coletam a fuligem resultante no mandril para sinterização subsequente para um vidro transparente. Os processos baseados nesse método são geralmente citados como depósito axial de vapor (VAD) e depósito de vapor externo (OVD). Os processos de acordo com a categoria 2 reagem os cloretos dentro de um tubo de substrato que se torna parte do revestimento, reação, depósito ou sinterização simultaneamente, já que um globo de fogo de maçarico de plasma ou cavidade de micro-ondas atravessa o tubo. Processos com base nesse método são citados como depósito de vapor químico modificado (MCVD), depósito de vapor químico de plasma (PCVD) e depósito de vapor químico de micro-ondas intrínseco (IMCVD).

[008] De acordo com [3], página 5, capítulo 1.4.2, métodos para soltar espécies de vapor de RE na zona de reação/deposição de um processo de pré-forma foram planejados para ambas as categorias de processo acima mencionadas. [3], página 6, figura 2 mostra processos MCVD, nos quais dopantes de RE são soltos em uma região de oxidação junto com outros dopantes de controle de índice. O reagente de RE de baixa pressão de vapor é acomodado colocando a fonte de vapor de RE perto da zona de reação e imediatamente diluindo-a com outros reagentes ou soltando os dopantes de RE junto com o material em um aerossol ou composto de pressão de vapor mais elevada na

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4/36 zona de reação.

[009] Processos adicionais para produzir fibras óticas convencionais e fibras de cristal fotônico são descritos em [4], WO 2005/102946 A1 e [5], WO2005/102947 A1, que não se referem à produção de préformas das quais fibras ativas de laser podem ser estiradas.

[0010] Um método para a produção de um pedaço de pré-forma para fibras óticas, que tem um núcleo e uma camisa externa de sílica fundida ou sílica fundida dopada é descrito em [6], GB 2176472. O método revelado em [6] incorpora as etapas de inserir pelo menos um elemento de material poroso ou solto em um tubo de sílica fundido. Portanto, esse método exige a produção de elementos de material poroso ou solto, por exemplo, de acordo com o princípio OVD, como mencionado acima e descrito em [6].

[0011] De acordo com [7], US 5.572.618, maior cuidado é tomado para minimizar as perdas de luz nas fibras devido à absorção e dispersão ao longo do comprimento do filamento, de modo que a luz aplicada em uma extremidade do material filamentar ótico é eficientemente transmitida para a extremidade oposta do material. Por essa razão, guias de onda óticos de baixa atenuação são geralmente formados de fibras dopadas com elementos de terras raras. Existem muitas situações, entretanto, nas quais é necessário utilizar dispositivos atenuadores óticos para reduzir a quantidade de força presente no sinal ótico. Para essa finalidade em [7], um dispositivo de atenuação ótico passivo é descrito, que compreende um guia de onda ótico adaptado para receber a radiação ótica e absorver, ao longo do seu comprimento, pelo menos 0,2 dB/m da radiação ótica. A seção do guia de onda pode ser acoplada em uma fibra ótica de pequena perda de modo a receber um sinal ótico a ser atenuado dela. Pelo menos uma região do guia de onda é dopada com um metal de transição para realizar uma absorção pré-selecionada por comprimento unitário, de modo que um grau con

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5/36 trolado de atenuação pode ser obtido. Em uma fibra de sílica fundida, a região de absorção é dopada com íons de um metal selecionado da classe consistindo em Fe, Ni, Co, Cr, Cu, Mn, Ti e V, em uma concentração eficaz para prover um grau predeterminado de absorção pelo menos em um dado comprimento de onda. Sinais de comprimentos de onda menores poderiam ser atenuados, por exemplo, em uma camada de anel.

[0012] Esses métodos comuns não podem ser facilmente manuseados e exigem esforços consideráveis. Como descrito acima, os dopantes, materiais de RE ou metais, tal como metais transitórios, devem ser levados para uma zona que é adequada para executar as reações requeridas.

[0013] Para os ditos dopantes, o termo dopantes de A/A, significando dopantes de amplificação/atenuação, é usado abaixo. O termo fibra ativa é usado abaixo para qualquer fibra que é dopada com dopantes de A/A para finalidades de amplificação ou atenuação. Se, no contexto, é de relevância que a fibra seja usada para finalidades de amplificação, o termo fibra ativa de laser é usado no seu significado mais amplo.

[0014] Portanto, além dos grandes esforços para executar os processos descritos, restrições significativas resultam em vista da colocação dos dopantes de A/A. Embora a geometria das fibras possa ser projetada como requerido, restrições severas resultam para a localização dos dopantes de RE. Essas restrições são especialmente desvantajosas em vista das considerações relacionadas com obter ganho máximo e ruído mínimo com fibras óticas ativas de laser. Idealmente, a concentração de dopantes de RE deve ser tão alta que um número máximo de emissões estimuladas e um mínimo de emissões espontâneas é atingido.

[0015] Além do que, com os processos de deposição de vapor

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6/36 acima descritos, é difícil obter pré-formas maiores que sejam adequadamente dopadas com materiais de A/A. É particularmente difícil obter fibras óticas com múltiplos núcleos que sejam adequadamente dopadas com materiais de A/A.

[0016] Um método para produzir fibras ativas é revelado em [8], WO 98/58884. De acordo com esse método, cacos de vidro dopados com RE tendo um diâmetro de partícula entre aproximadamente 100 mm - 5.000 mm são providos dentro de uma estrutura de revestimento. Como declarado em [8], o ganho provido por um meio hospedeiro dopado com terras raras pode ser aumentado aumentando a concentração do dopante adequado de terras raras. Entretanto, acima de uma concentração modesta, o agrupamento do íon de terras raras e a extinção tornam-se um problema.

[0017] Foi descoberto que com métodos conhecidos, concentrações desejáveis de dopantes de terras raras, isto é, ganhos desejáveis em meios óticos podem ainda não ser alcançados devido ao problema de agrupamento descrito. Portanto, a concentração de dopantes de RE e consequentemente o ganho do meio hospedeiro dopado com terras raras permanece restrito.

[0018] Além do que, foi verificado que problemas de agrupamento também ocorrem quando dopando um meio hospedeiro com dopantes de atenuação.

[0019] Ainda adicionalmente, um problema que até agora não atraiu a atenção apropriada refere-se à carência de homogeneidade dos índices refrativos de núcleo e material de revestimento. As não homogeneidades dos índices providos nos materiais, que praticamente não podem ser evitados nos processos de depósito, podem causar qualidade de feixe insuficiente, particularmente deficiências de propagação do feixe.

[0020] Portanto, seria desejável proporcionar um método aperfei

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7/36 çoado para fabricar meios hospedeiros óticos dopados de A/A com grandes volumes, tal como pré-formas primárias, secundárias ou de ordem superior e fibras óticas ativas derivadas delas.

[0021] Seria desejável, em particular, proporcionar um método aperfeiçoado para fabricar meios hospedeiros óticos dopados de A/A que permite atingir alta concentração e alta homogeneidade de dopantes de A/A implantados nos meios hospedeiros derivados, dessa maneira produzindo um alto ganho enquanto evitando os problemas de agrupamento.

[0022] Também seria desejável proporcionar um método para fabricar meios hospedeiros óticos dopados de A/A com homogeneidade aperfeiçoada dos índices refrativos e, dessa maneira, qualidade aperfeiçoada de feixe nas fibras óticas ativas produzidas.

[0023] Também seria desejável proporcionar um método que permita fabricar fibras óticas ativas de alto desempenho com múltiplos núcleos, bem como fibras de cristal fotônico (PCF) ativo de alto desempenho com esforço reduzido.

[0024] Também seria desejável proporcionar um método que permite a fabricação de pré-formas das quais fibras óticas ativas podem ser estiradas que permitem a indução da atividade do laser em uma maneira simples e com alta eficiência.

[0025] Também seria desejável proporcionar um amplificador ótico que opera com as fibras óticas ativas inventivas, particularmente fibras de PCF, para proporcionar um ganho desejado com um fator mais alto ou menor do que 1 (amplificação ou atenuação). Seria desejável, em particular, proporcionar um amplificador ótico que permita a pulsação da fibra ótica ativa, inventiva, convencional ou de PCF, sem a exigência de alterar a trajetória do sinal ou tocar mecanicamente o núcleo da fibra ótica ativa, que está guiando o sinal.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

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8/36 [0026] Em uma primeira modalidade da invenção, uma primeira pré-forma é fabricada com um método que compreende as etapas de:

- proporcionar, em um estágio de processo inicial, um tubo de sílica e uma mistura de SiO₂-A/A compreendendo partículas de SiO2 e partículas de A/A (amplificação/atenuação),

- segurar o tubo de sílica, que compreende um espaço interior que é limitado na extremidade inferior do tubo de sílica por um fechamento,

- derramar a mistura de SiO2-A/A no espaço interior do tubo de sílica,

- preferivelmente prender um instrumento de união na extremidade superior do tubo de sílica e gerar uma pressão reduzida dentro do espaço interior e

- aquecer pelo menos a porção inferior da pré-forma nãoprocessada, a fim de fundir o tubo de sílica e a mistura de SiO2-A/A. [0027] Os índices refrativos do material do tubo de sílica e das partículas de SiO₂ são selecionados dependendo do tipo de pré-forma planejado. Na eventualidade que uma pré-forma primária deva ser produzida, os índices refrativos dos materiais são idênticos e correspondem com o núcleo de uma fibra ótica. Na eventualidade que uma pré-forma primária deva ser produzida, os índices refrativos diferem e correspondem com o núcleo e o revestimento. A fim de obter um índice refrativo desejado, dopantes, tais como GeO₂, P₂O₅, Al₂O₃ e/ou B2O3 são adicionados no grão de sílica.

[0028] A fim de aumentar a solubilidade das partículas de A/A, um auxiliar de solubilidade, tais como óxido de alumínio Al_xO_x, cloreto de alumínio Al_xCl_x, germânio Ge ou fósforo P são adicionados no líquido. [0029] Uma homogeneidade melhorada do índice refrativo dentro de regiões de uma pré-forma ou fibra originando da dita mistura pode ser obtida se partículas de SiO₂, partículas de A/A e preferivelmente

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9/36 partículas de auxiliar de solubilidade são selecionadas que têm pelo menos aproximadamente o mesmo tamanho, por exemplo, na faixa de 5-10 mm. Até o momento, tamanhos de partícula diferentes foram oferecidos pelos fornecedores dos vários materiais e processados pelos produtores dos meios óticos. Portanto, para o método inventivo, os materiais comprados não devem somente química e fisicamente, mas também geometricamente, ser adaptados uns aos outros.

[0030] Em uma modalidade preferida, no estágio do processo inicial, a mistura de SiO₂-A/A é produzida com um método que compreende as etapas de:

a) prover partículas de SiO₂ na forma de uma fuligem, de preferência com um diâmetro de grão na faixa entre 10 nm e 1 mm,

b) prover partículas de A/A, de preferência com um diâmetro de partícula na faixa entre 10 nm e 1 mm, tal como compostos de cloreto (RE-Cl₃),

c) de preferência prover partículas de auxiliar de solubilidade (56), tal como compostos de cloreto (Al-Cl3),

d) prover um líquido, tais como água, metanol, etanol ou álcool,

e) misturar a fuligem de SiO₂, as partículas de A/A, de preferência, as partículas do auxiliar de solubilidade (56) e o líquido de forma a obter uma pasta fluida,

f) secar a pasta fluida, por exemplo, em uma fornalha ou forno, de preferência, em uma temperatura na faixa de 80°C - 120°C e

g) aplicar um impacto mecânico na pasta fluida seca, a fim de obter uma mistura de SiO₂-A/A pulverizada, que é a seguir derramada no espaço interior do tubo de sílica.

[0031] A fuligem de SiO2 pode ser adicionada no líquido, seguida pelas partículas de A/A. Alternativamente e preferido, as partículas de A/A são adicionadas ao líquido primeiro, que é então misturado com a

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10/36 fuligem de SiO₂, a fim de obter a pasta fluida.

[0032] Com esse método, o agrupamento das partículas de A/A pode ser evitado, mesmo se provido em concentrações comparativamente altas. As partículas de A/A são homogeneamente distribuídas dentro da mistura de SiO₂-A/A e posteriormente em um meio hospedeiro dopado de A/A, isto é, no núcleo e/ou partes de revestimento da pré-forma ou fibra. Portanto, meios hospedeiros dopados de A/A com ganho significativamente mais alto ou atenuação podem ser fabricados. Enquanto provendo excelentes resultados, o novo método pode ser executado com pouco esforço. Ao mesmo tempo, o índice refrativo é também homogeneamente distribuído através do material processado.

[0033] Fibras derivadas de meios óticos inventivos compreendem, portanto, propriedades significativamente melhoradas, particularmente em vista do ganho e qualidade do feixe dos sinais aplicados.

[0034] Além do que, é possível aplicar tipos diferentes de partículas de A/A em altas concentrações e obter várias propriedades desejadas, por exemplo, amplificação de sinal seletivo e/ou atenuação em faixas diferentes do espectro do comprimento de onda.

[0035] A mistura de SiO₂-A/A preferivelmente contém [0036] 90% -98% peso atômico, de preferência 84%, de partículas de SiO2, [0037] 0,1% - 10% peso atômico, de preferência 2%, de partículas de A/A e [0038] 0,7% - 70% peso atômico, de partículas de alumínio.

[0039] A mistura de SiO₂-A/A preferivelmente contém até sete vezes mais partículas de alumínio do que partículas de A/A.

[0040] O líquido preferivelmente contém por litro [0041] 50 -150 gramas, preferivelmente 100 gramas de fuligem de

SiO2,

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11/36 [0042] 0,025 - 0,1, preferivelmente 0,05 mols de cloreto de A/A e [0043] 0,075 - 0,5, preferivelmente 0,2 mols de cloreto de Al.

[0044] É importante observar que a mistura de SiO₂-A/A inventiva pode ser usada para qualquer parte de quaisquer meios óticos, tal como pré-formas primárias e de ordem superior, incluindo tubos providos para a fabricação de pré-formas e fibras óticas derivadas deles. Portanto, qualquer parte de uma pré-forma ou fibra pode ser fabricada, a partir da dita mistura de SiO₂-A/A. Na eventualidade que o material seja desejado com uma ótima homogeneidade do índice refrativo, mas sem atividade de laser, então as partículas de A/As são simplesmente reduzidas ou omitidas na fórmula acima.

[0045] Em uma modalidade preferida, a mistura de SiO₂-A/A é pós-processada com as etapas de:

g) aplicar, na extremidade inferior do tubo de sílica, um fechamento que consiste em material poroso tal como vidro poroso,

h) derramar a mistura de SiO₂-A/A preparada no espaço interior do tubo de sílica,

i) introduzir um fluxo de gás, tais como oxigênio O₂, hélio He, cloreto Cl2 ou flúor F através do primeiro fechamento e através da mistura de SiO₂-A/A contida no tubo de sílica e aquecer o tubo de sílica, a fim de purificar e calcinar a mistura de SiO₂-A/A com uma temperatura abaixo do nível de vitrificação (de preferência, aproximadamente 1200°C) e

j) aquecer com uma temperatura acima do nível de vitrificação (de preferência 2100°C) pelo menos a porção inferior da pré-forma não-processada, a fim de fundir o tubo de sílica e a mistura de SiO₂A/A.

[0046] O tubo de sílica e a mistura de SiO₂-A/A podem ser aquecidos completamente sobre todo o comprimento, a fim de obter a préforma processada. Alternativamente, os elementos derretidos podem

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12/36 ser simultaneamente transformados enquanto aquecendo uma porção limitada, por exemplo, pelo estiramento de uma fibra ou estiramento de pelo menos uma pré-forma alongada. Portanto, do tubo de sílica e da mistura de SiO₂-A/A, somente uma ou uma pluralidade de pré-formas pode ser obtida.

[0047] Em uma etapa do processo subsequente, uma ou mais das pré-formas fabricadas podem ser integradas em uma pré-forma secundária, da qual, devido às partículas de A/A providas no tubo de sílica e/ou a mistura de SiO₂-A/A das pré-formas fabricadas, uma fibra ótica ativa pode ser estirada.

[0048] Em uma modalidade preferida, para a produção de fibras óticas ativas de laser que podem ser pulsadas com uma alta eficiência, furos longitudinais são providos na pré-forma. Os ditos furos são preferivelmente produzidos inserindo hastes removíveis, tal como hastes retangulares ou cilíndricas, no tubo de sílica antes que o grão de SiO2 seja inserido.

[0049] Em uma modalidade, pelo menos um furo longitudinal com um plano preferivelmente liso é provido na região de revestimento da pré-forma com o plano orientado para a região de núcleo da pré-forma. Portanto, sinais de pulso que alcançam o dito plano são refletidos para a região de núcleo da fibra ótica. Além do que, o material periférico que circunda o plano pode ser facilmente removido deixando um perfil aproximadamente em formato de D.

[0050] Alternativamente, uma eficiência até mesmo mais alta da pulsação do laser pode ser atingida se a pré-forma é provida com numerosos furos providos na região de revestimento da pré-forma. De preferência, pelo menos 3, de preferência 5 furos são providos que

a) são aleatoriamente distribuídos de preferência na zona periférica da região de revestimento da pré-forma,

b) compreendem um diâmetro de furo de preferivelmente

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1/10 do diâmetro da pré-forma e

c) são separados pelo menos por um diâmetro de furo.

[0051] Além do que, um tubo de sílica pode ser vantajosamente usado que foi dopado com material de A/A, que será igualmente distribuído na região periférica da pré-forma, proporcionando vantagens significativas. O tubo de sílica primário ou um tubo de sílica secundário, como mencionado abaixo, pode ser facilmente produzido com uma dopagem desejável de partículas de A/A que são igualmente distribuídas dentro do material de tubo. Por exemplo, o material de A/A na forma de pó seco pode ser misturado com a sílica que está em um estado derretido. Mais preferivelmente, uma mistura de SiO₂-A/A pode ser preparada como descrito acima. Desde que o material de RE é igualmente distribuído na região periférica do núcleo da fibra ótica ativa do laser, que foi estirada de uma tal pré-forma, isso pode ser alcançado a partir do revestimento com sinais de pulso aplicados com alta intensidade. Portanto, as fibras óticas ativas de laser inventivas permitem a introdução de sinais de pulso através do núcleo ou através do revestimento. A introdução de sinais de pulso através do revestimento, por exemplo, através de tubos auxiliares vizinhos, por exemplo, fibras de múltiplos modos, ou luvas de transferência como descrito abaixo, produz a vantagem que o núcleo permanece intocado; o corte do núcleo e a emenda não são requeridos.

[0052] Opcionalmente, um processo de esmerilhação da superfície da pré-forma fabricada pode ser executado, a fim de pelo menos parcialmente remover o material do tubo de sílica, dessa maneira deixando uma pré-forma primária ou um pedaço de pré-forma que consiste na mistura de SiO2-A/A derretida que foi dopada com material de A/A.

[0053] Em uma modalidade adicional, um tubo de sílica dopado de A/A é cheio firmemente igualando com um pedaço de vidro sólido ou uma pré-forma inventiva ao invés da mistura de SiO2-A/A. Essa com

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14/36 binação do tubo de luva de sílica primário dopado de A/A e o pedaço de sílica sólida inserido ou a pré-forma inventiva resulta em uma préforma primária não-processada. O resultado, em vista das propriedades físicas e das vantagens relacionadas, é comparável com o da primeira modalidade. Os dopantes de A/A do tubo de sílica novamente serão distribuídos igualmente na zona periférica do núcleo da fibra resultante. A atenuação, por exemplo, pode ser executada em comprimentos de onda diferentes.

[0054] Uma modalidade adicional da invenção, na qual os princípios inventivos da primeira e da segunda modalidade são aplicados, refere-se à fabricação de uma pré-forma para fibras de cristal fotônico ativas, particularmente fibras óticas ativas de laser. Nessa terceira modalidade, um tubo de sílica dopado de A/A, de preferência produzido com a mistura de SiO₂-A/A inventiva, é aplicado na pré-forma em uma posição, que se refere à região de núcleo da fibra de cristal fotônico ativa. Desde que fibras de cristal fotônico usam núcleos ocos, o tubo de sílica dopado de A/A de preferência com parede fina não é cheio com um pedaço de sílica ou grão de sílica, mas de preferência com uma haste removível. Portanto, o sinal ótico fica confinado dentro do núcleo oco por meio do efeito de lacuna de banda fotônico e amplificado quando encontrando a superfície do tubo de sílica dopado de A/A.

[0055] Em todas as três modalidades, a atividade do laser ou a atenuação de uma fibra estirada da pré-forma é vantajosamente realizada. Na primeira e na segunda modalidades, o material de A/A pode ficar confinado na porção central do núcleo, onde as intensidades do sinal de pulso, se não aplicado através do revestimento, e do sinal do usuário são geralmente mais altos. Nesse caso, o grão de sílica primário é dopado com material de A/A, por exemplo, com érbio, em uma concentração típica de 50 ppm ou acima. Entretanto, se o sinal de pul

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15/36 so é introduzido através do revestimento, então o tubo de sílica primário, que se refere à região periférica do núcleo, é dopado com material de A/A preferivelmente até o limite do agrupamento.

[0056] A introdução de sinais de pulso no revestimento pode ser feita depois da remoção da cobertura, por exemplo, por meio de uma luva oticamente condutora, ou por meio de fibras de pulso que são providas dentro do revestimento. A transferência dos sinais de pulso do revestimento para o núcleo é executada com perdas mínimas, se o material do núcleo e revestimento compreendem o mesmo índice refrativo. Portanto, o sinal de pulso não é refletido na região do núcleo e pode alcançar com intensidade relativamente alta o núcleo, particularmente a zona periférica. A fim de confinar o sinal do usuário, a despeito dos índices refrativos idênticos ou similares do material do núcleo e material do revestimento, dentro do núcleo, o revestimento é provido com elementos estruturais que são cheios com ar. Esses elementos estruturais são projetados em uma tal maneira que, em média, um índice refrativo para o revestimento é menor do que o índice refrativo do núcleo. Portanto, essa modalidade adicional da fibra ótica ativa e da pré-forma da qual ela está originando-se é ideal para a pulsação através do revestimento. Os ditos elementos estruturais podem ser obtidos, por exemplo, provendo tubos de sílica auxiliares na pré-forma secundária que são cheios com ar ou um gás adequadamente selecionado.

[0057] A fim de obter atividade de laser nas fibras de cristal fotônico inventivas, a estrutura, por exemplo, a periodicidade, por exemplo, de uma estrutura alveolar, poderia tanto localmente quanto sobre toda a fibra e consequentemente sobre toda a pré-forma, ser perturbada com a consequência que o sinal entra nas zonas periféricas da região do núcleo que consistem em material originando do tubo de sílica dopado de A/A.

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16/36 [0058] A estruturação otimizada e a dopagem otimizada das fibras e das pré-formas correspondentes podem ser executadas mais vantajosamente com as etapas de processo explicadas abaixo que são baseadas na idéia usando grão de sílica ou para fabricação de préformas secundárias ou de ordem superior.

[0059] A pré-forma primária da primeira modalidade, a pré-forma não-processada da segunda modalidade e o tubo de sílica dopado de A/A da terceira modalidade, que têm uma superfície externa, são inseridos em um tubo de sílica secundário tendo uma superfície interna.

[0060] Se requerido,

a) para o ajuste do índice refrativo do revestimento, como descrito acima,

b) para prover fibras para finalidades de pulsação, como descrito acima,

c) para atingir o efeito de lacuna de banda fotônico,

d) para realizar múltiplas fibras de núcleo, [0061] elementos estruturais adicionais, tais como tubos de sílica auxiliares, hastes auxiliares removíveis, pedaços de sílica ou préformas primárias processadas que também têm superfícies externas.

[0062] As superfícies externas do elemento inserido e a superfície interna do tubo de sílica secundário definem um segundo espaço interior limitado em uma primeira extremidade do tubo de sílica secundário por um segundo fechamento.

[0063] Em uma etapa de processo adicional, os elementos inseridos são mantidos em uma relação coaxial substancialmente de maneira longitudinal com o tubo de sílica secundário. A seguir, o grão de sílica secundário é inserido no segundo espaço interior.

[0064] Depois disso, o segundo espaço interior é limitado na segunda extremidade superior do tubo de sílica secundário por um segundo instrumento de união e a seguir uma pressão reduzida é gerada

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17/36 dentro do segundo espaço interior e do tubo de sílica secundário, o grão de sílica secundário e os elementos estruturais inseridos são aquecidos completamente sobre todo o comprimento ou parcialmente enquanto simultaneamente estirando uma fibra ótica.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0065] Alguns dos objetivos e vantagens da presente invenção foram apresentados, outros aparecerão quando a descrição seguinte for considerada junto com os desenhos acompanhantes nos quais:

[0066] figura 1 mostra um tubo de sílica (SiO₂) primário de parede fina 11 com um eixo geométrico x, um espaço interior 12 e um fechamento 13 na sua extremidade inferior, [0067] figura 2mostra o tubo de sílica primário 11, 11d da figura 1 com um instrumento de união 3 no seu lado superior, através do qual o grão de sílica primário 51 ou uma mistura de SiO₂-A/A 58 é cheia no espaço interior 12, a fim de criar uma pré-forma primária nãoprocessada 1, [0068] figura 3mostra o processo de aquecimento, derretimento e fusão do grão de sílica primário 51 ou mistura de SiO₂-A/A 58 e o tubo de sílica primário 11, 11d, a fim de obter uma pré-forma primária processada 1, [0069] figuras 4a-4f mostram o tratamento da pré-forma de sílica primária processada com calor 1 da figura 3, durante o qual uma camada periférica é removida, que consiste em material originando do tubo de sílica primário 11, [0070] figuras 5a-5c mostram a montagem de uma pré-forma secundária 10 com um tubo de sílica (SiO₂) secundário de parede fina 111 que recebe, coaxialmente alinhado, a pré-forma primária dopada de A/A 1, 1' da figura 4 e o grão de sílica secundário 510 ou uma mistura de SiO2-A/A 58, [0071] figura 6mostra a extremidade superior da pré-forma secun

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18/36 dária 10 da figura 5, que também compreende um tubo de luva dopado de A/A de parede fina 11d, por exemplo, um tubo de sílica primário como mostrado na figura 1, que está firmemente envolvendo o pedaço de sílica 15, [0072] figura 7mostra a extremidade superior da pré-forma secundária 100 que compreende cinco pré-formas primárias ou secundárias 1, 10, como mostrado na figura 4 ou figura 6, e tubos auxiliares 11x contidos em um tubo de sílica secundário 111, [0073] figura 8mostra uma pré-forma secundária 100' planejada para produzir fibras de cristal fotônico, com um tubo de sílica dopado de A/A 11d, tubos auxiliares 11x e hastes auxiliares 101 dispostas em uma estrutura periódica bidimensional, [0074] figura 9 mostra um aparelho 2 usado para estirar uma fibra ótica 8 da pré-forma secundária 10, 10' da figura 5 ou figura 6, [0075] figura 10 mostra o aparelho 2 da figura 9 usado para estirar uma fibra ótica da pré-forma secundária 100, 100' da figura 7 ou figura 8, [0076] figura 11 mostra um amplificador ótico 600 com uma vista seccional de uma fibra ótica ativa inventiva 8 que compreende múltiplos núcleos 811, 812, ... e fibras auxiliares 811x, [0077] figura 12 mostra um amplificador ótico 600 com uma vista seccional de uma fibra de cristal fotônico inventiva 8', [0078] figura 13 mostra um amplificador ótico que usa uns poucos enrolamentos de uma fibra ótica ativa inventiva 8, [0079] figuras 14, 14a mostram um amplificador ótico 600 que aplica sinais de pulso através do revestimento de uma fibra ótica ativa inventiva 8, [0080] figuras 15a-15g mostram o método inventivo para a fabricação de pré-formas e fibras na modalidade mais vantajosa e [0081] figuras 16a-16c mostram fibras 8, que são providas com

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19/36 elementos estruturais ocos ou maciços 822, 822' que permitem a pulsação do laser através do revestimento com alta eficiência e [0082] figuras 17a-17e mostram a montagem das pré-formas projetadas para produzir fibras óticas de acordo com as figuras 16a-16c. DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS [0083] A figura 1 mostra um tubo de sílica (SiO2) primário 11 tendo um eixo geométrico longitudinal x, um diâmetro externo d1, um diâmetro de parede d10, um espaço interior 12 e um fechamento 13 na sua extremidade inferior, que é feito de preferência como uma peça junto com o tubo de sílica primário 11. Opcionalmente, como mostrado na figura 2, por exemplo, cortes ampliados B e C, o tubo de sílica primário 11 pode conter, cercado nas suas paredes, material de A/A 52 de um ou numerosos tipos, para finalidades que são descritas abaixo.

[0084] A figura 2 mostra o tubo de sílica 11, 11d da figura 1 com um instrumento de união 3 no seu lado superior compreendendo um primeiro canal 31, através do qual o grão de sílica primário 51 ou uma mistura de SiO2-A/A 58, que será descrita abaixo com referência à figura 15, é cheio no espaço interior 12 do tubo de sílica 11. A figura 2 também mostra opções diferentes A, B e C de uso de um tubo de sílica 11d e grão de sílica primário 51 que são diferentemente dopados com material de A/A 52, dessa maneira resultando em localizações diferentes de materiais de A/A 52 selecionáveis diferentes dentro da pré-forma primária processada 1 e consequentemente no núcleo da fibra ótica estirada dela.

[0085] O material de A/A pode ser material de RE, tais como neodímio, európio, disprósio, hólmio, érbio, túlio ou itérbio, ou metal, tais como Fe, Ni, Co, Cr, Cu, Mn, Ti e V. Para os dopantes aplicados de acordo com a presente invenção, um único tipo de material, para fibras ativas de laser tipicamente érbio, pode ser selecionado. Entretanto, dependendo dos comprimentos de onda dos sinais guiados, também

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20/36 dois ou mais tipos de material de A/A podem ser aplicados.

[0086] O corte ampliado A mostra o tubo de sílica 11 livre de dopantes de A/A. Ao invés disso, vários tipos de dopantes de A/A 52 estão contidos no grão de sílica primário 51. Na metade superior do corte A, diferentes partículas de uma mistura de materiais de A/A são misturadas com as partículas do grão de sílica. Como mostrado na metade inferior do corte A, os materiais de A/A ficam preferivelmente confinados dentro do grão de sílica. Isso pode ser realizado adicionando o material de A/A na sílica (SiO₂) que está em um estado derretido, que então é agitada até que o material de A/A esteja igualmente distribuído dentro da mistura de SiO₂-A/A processada. O grão derivado do líquido dopado então contém e mantém uma distribuição uniforme do material de A/A.

[0087] Entretanto, mais preferivelmente o processo de preparação da mistura de SiO₂-A/A é executado de acordo com as etapas seguintes:

a) provendo partículas de SiO₂ 51 na forma de uma fuligem, de preferência com um diâmetro de grão na faixa entre 10 nm e 1 pm,

b) provendo partículas de A/A 52, de preferência com um diâmetro de partícula na faixa entre 10 nm e 1 pm, tal como compostos de cloreto (RE-CL₃),

c) provendo um líquido 55, tais como água, metanol, etanol ou álcool,

d) misturando a fuligem de SiO₂ 51, as partículas de A/A 52 e o líquido 55, a fim de obter uma pasta fluida.

[0088] Para esse procedimento preferido, é importante que um líquido 55 seja usado, que pode ser misturado com a fuligem de SiO₂51 e as partículas de A/A 52 em maneiras diferentes. A fuligem de SiO2 51 pode ser adicionada no líquido 55 ou vice-versa. A seguir, as partículas de A/A 52, de preferência cloreto de RE RE-Cl₃, são adicio

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21/36 nadas, a fim de obter a pasta fluida. Alternativamente e preferido, as partículas de A/A 52 e preferivelmente partículas de auxiliar de solubilidade 56, tal como compostos de Al_xCl_x, são adicionadas no líquido 55, que então é derramado em um recipiente A, que contém a fuligem de SiO₂ 51, como ilustrado na figura 15a.

[0089] A fim de obter uma distribuição uniforme do líquido 55, a pasta fluida resultante 58 é preferivelmente agitada, como ilustrado na figura 15b.

[0090] A seguir, a pasta fluida 58 é seca, de preferência em um forno sob uma temperatura na faixa de 100°C, como i lustrado na figura 15c.

[0091] Como mostrado na figura 15d, a pasta fluida seca 58₂ é então pulverizada sob o impacto da energia mecânica, a fim de obter um pó ou fuligem 58₃, no qual as partículas de A/A 52 são homogeneamente distribuídas.

[0092] Na etapa de processo adicional mostrada na figura 15e, a mistura pulverizada de SiO2-A/A 583 é então derramada no espaço interior 12 de um tubo de sílica 11, que foi provido com um fechamento permeável ao gás 13 na sua extremidade inferior. O fechamento permeável 13 preferivelmente consiste em vidro poroso, que permite a transferência de um gás, mas mantém a mistura de SiO2-A/A introduzida no lugar.

[0093] Na próxima etapa do processo ilustrada na figura 15f, um fluxo de gás, tal como oxigênio O2, hélio He ou flúor F, é introduzido através do fechamento permeável ao gás 13 e através da mistura de SiO2-A/A 58 contida no tubo de sílica 11, que é aquecido com uma temperatura abaixo do nível de vitrificação, por exemplo, em 1200°C. Com essa etapa do processo, a mistura de SiO2-A/A 58 é purificada e calcinada. Compostos orgânicos, particularmente cloretos dissolvidos que se originam de compostos de RE-Cl3 são removidos com o fluxo

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22/36 de gás que deixa o tubo de sílica 11 na sua extremidade superior. [0094] No estágio de processo final ilustrado na figura 15g ou alternativamente na figura 15h, pelo menos a porção inferior da préforma não-processada resultante 1 é aquecida em uma fornalha 23 em uma temperatura acima do nível de vitrificação, de preferência ao redor de 2100°C, a fim de fundir o tubo de sílica 11 e a mistura de SiO2A/A 58. Na figura 15g, a pré-forma não-processada 1 é aquecida sobre todo o seu comprimento, a fim de obter uma pré-forma processada que pode ser usada em um outro tempo e lugar, por exemplo, para produzir uma pré-forma mais complexa como descrito abaixo. Na figura 15h, a pré-forma não-processada 1 é aquecida parcialmente na sua extremidade inferior da qual uma fibra ótica 8 é simultaneamente estirada.

[0095] A mistura de SiO2-A/A inventivamente produzida pode ser usada vantajosamente em todas as opções em todas as aplicações descritas acima ou a seguir.

[0096] Um corte ampliado B da figura 2 mostra que ambos, o tubo de sílica primário 11d e o grão de sílica primário 51, são dopados com materiais de A/A 521, 522 diferentes. O corte ampliado C da figura 2 mostra que somente o tubo de sílica primário 11d é dopado com os materiais de A/A 521, 522 diferentes.

[0097] O diâmetro d10 da parede circular do tubo de sílica primário 11, 11d (de parede fina) é, por exemplo, dez vezes menor do que o seu diâmetro externo d1. Entretanto, a razão dos ditos diâmetros d1/d10 pode ser até 50 e mais alta. Portanto, o volume do espaço interior 12 é relativamente grande, isto é, várias vezes maior do que o volume de uma pré-forma convencional.

[0098] Depois que o tubo de sílica primário 11, 11d foi cheio completamente, o canal de inserção 31 do instrumento de união 3 é fechado por uma tampa de vedação 39. A seguir, uma bomba de vácuo 22,

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23/36 que é conectada no canal de evacuação 32 provido no instrumento de união 3, remove o ar do espaço interior do tubo de sílica primário 11, 11d, a fim de evitar inclusões de ar na pré-forma processada 1.

[0099] A figura 3 mostra o processo de aquecimento, derretimento e fusão do grão de sílica primário 51; 51, 52 e o tubo de sílica primário 11, 11d, a fim de obter uma pré-forma primária processada 1. A préforma primária parcialmente processada 1 é verticalmente alinhada e montada em um dispositivo de sujeição 21 que permite o movimento vertical controlado e, de preferência, a rotação da pré-forma primária 1 ao longo e ao redor do seu eixo geométrico x. De preferência, o dispositivo de sujeição 21 é projetado para aplicar uma vibração sobre a pré-forma primária 1 a fim de condensar o grão de sílica primário 51 provido no espaço interior 12 do tubo de sílica primário 11, 11d.

[00100] A figura 3 também mostra um abastecimento de calor ou fornalha 23, que permite o aquecimento da pré-forma primária 1, por exemplo, para temperaturas na faixa de 2100°C a 235 0°C. Devido à energia térmica provida pela fornalha 23 e devido à diferença estabelecida de pressões que estão presentes em e fora da pré-forma 1, o tubo de sílica primário 11, 11d e o grão de sílica primário 51, 52 derreterão e fundirão juntos. Depois da conclusão do processo de aquecimento, a sílica primária 11, 11d e o grão de sílica primário 51, 52 formarão um corpo de sílica praticamente homogêneo que, entretanto, compreende zonas diferentes individualmente dopadas com material (ou materiais) de A/A.

[00101] Ao invés de aquecer o tubo de sílica primário 11, 11d e o grão de sílica primário 51, 52 completamente sobre todo o comprimento, os elementos derretidos podem ser simultaneamente transformados enquanto aquecendo uma porção limitada, por exemplo, pelo estiramento de uma fibra ou estiramento de pelo menos uma pré-forma primária alongada 1. Portanto, do tubo de sílica primário 11, 11d e do

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24/36 grão de sílica primário 51, 52, somente uma ou uma pluralidade de pré-formas 1 pode ser obtida que são adequadas para as exigências específicas. Por exemplo, um elemento estirado do tubo de sílica primário 11, 11d e do grão de sílica primário 51, 52 poderia ser usado como uma fibra ou uma cavidade de fibra em um sistema de laser ou como uma pré-forma primária 1 que é introduzida em uma pré-forma secundária não-processada como descrito abaixo.

[00102] As figuras 4a-4f mostram o tratamento da pré-forma primária processada com calor 1 da figura 3, durante o qual uma camada periférica é removida, que consiste em material derivado do tubo de sílica primário 11. As figuras 4a e 4b mostram a pré-forma primária processada 1 da figura 3 depois do processo de aquecimento terminado. As figuras 4c e 4d mostram a pré-forma primária processada 1 durante o processo de esmerilhação, de preferência, executado por uma ferramenta de esmerilhar automatizada. As figuras 4c e 4d mostram a pré-forma primária processada 1 depois da conclusão do processo de esmerilhação, que é recomendado para ser executado na eventualidade que o material do tubo de sílica primário 11 não contribua favoravelmente para as propriedades da pré-forma primária 1 ou das fibras óticas derivadas dele.

[00103] As figuras 5a e 5b mostram a montagem de uma pré-forma secundária 10 com um tubo de sílica (SiO2) secundário de parede fina 111 que recebe, coaxialmente alinhado, a pré-forma primária dopada de A/A 1, 1' da figura 4 (ver figura 5a) e o grão de sílica secundário 510 (ver figura 5b).

[00104] A figura 5c mostra a montagem de uma pré-forma secundária 10' com um tubo de sílica (SiO₂) secundário de parede fina 111 que recebe, coaxialmente alinhado, um pedaço de sílica não dopado 15 e grão de sílica secundário 510.

[00105] Os cortes ampliados D1, D1, D2, D2' e E, E1, E1', E2, E2'

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25/36 mostram que o tubo de sílica secundário 111 e/ou o grão de sílica secundário 510 podem ser dopados com material (ou materiais) de A/A, como já descrito para o tubo de sílica primário 11, 11' e o grão primário 51, a fim de obter as propriedades desejadas da pré-forma secundária 10, 10'.

[00106] A figura 6 mostra a extremidade superior da pré-forma secundária 10 da figura 5c, que adicionalmente compreende um tubo de luva dopado de A/A de parede fina 11d, por exemplo, um tubo de sílica primário como mostrado na figura 1, que está firmemente envolvendo o pedaço de sílica 15. Essa modalidade da invenção permite trazer o material dopado de A/A contido no tubo de luva 11d para a zona periférica do pedaço de sílica 15. De preferência, o pedaço de sílica 15 e o tubo de luva 11d compreendem o mesmo índice refrativo, de modo que um núcleo de sílica homogêneo pode ser produzido que, entretanto, compreende zonas que são diferentemente dopadas com materiais de A/A 52. Ainda adicionalmente, é possível usar o mesmo índice refrativo para o pedaço de sílica 15, o tubo de luva secundário 11d e o grão de sílica secundário 510. Nessa eventualidade, o índice refrativo do revestimento, que primariamente consiste no grão de sílica secundário derretido 510, pode ser ajustado introduzindo lacunas de ar longitudinais. Como esquematicamente mostrado na figura 6, tubos auxiliares 11x poderiam ser providos entre o pedaço de sílica 15 e a parede do tubo de sílica secundário 111 em tal tamanho e número que, em média, um índice refrativo desejado resulta do ar ou gás contido nos tubos auxiliares 11x e no grão de sílica secundário derretido 510. Portanto, em uma fibra ótica 8 estirada dessa pré-forma secundária 10 (ver figura 10), o sinal ótico percorrerá não somente no centro do núcleo, mas também no material das regiões periféricas do núcleo que são derivados do tubo de luva de sílica dopado de A/A. Desde que nenhuma etapa de índice ocorre ao longo do raio do secundário, a luz

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26/36 pode passar com perdas reduzidas a partir da superfície do revestimento ou de uma fibra dentro do revestimento para o centro do núcleo. Entretanto, a luz pode alcançar mais facilmente a zona periférica do núcleo.

[00107] A figura 6 também mostra um segundo instrumento de união 30 para a pré-forma secundária 10, que compreende um canal 310 que recebe o pedaço de sílica 15 (ou uma pré-forma primária 1, 1'). O grão de sílica secundário 510 pode ser introduzido, por exemplo, através do canal de evacuação 329, que, depois que o enchimento do grão de sílica secundário 510 foi completado, é conectado através de um encaixe 221 e um tubo 220 na bomba de vácuo 22. A fim de fechar completamente a pré-forma secundária não-processada 10, uma tampa de vedação 390 é montada no topo do instrumento de união 30.

[00108] A figura 7 mostra a extremidade superior da pré-forma secundária 100 que compreende um tubo de sílica secundário mais largo 111, no qual cinco pré-formas primárias 1, como mostrado na figura 4, ou cinco pré-formas secundárias 10, como mostrado na figura 6, tubos auxiliares 11x e hastes de sílica auxiliares 15 (ou pedaços de sílica) estão contidos. Além disso, o grão de sílica secundário 510 é inserido no tubo de sílica secundário 111. Novamente, o grão de sílica secundário 510 e o tubo de sílica secundário 111 podem ser dopados com material de A/A como requerido. A partir dessa pré-forma secundária 100, depois que ela foi também processada, uma fibra ótica pode ser estirada que compreende múltiplos núcleos ativos. Elementos da fibra estirada, que se referem aos tubos auxiliares 11x ou às hastes auxiliares 15, podem ser usados para injetar a guiar os sinais de pulso como detalhado abaixo.

[00109] A figura 8 mostra a extremidade superior da pré-forma secundária 100' que compreende um tubo de sílica secundário mais largo 111, no qual um tubo de sílica dopado de A/A 11d, tubos auxiliares

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11x e hastes auxiliares removíveis 101 são dispostos em uma estrutura periódica bidimensional. A partir dessa pré-forma secundária 100', depois que ela também foi processada, uma fibra de cristal fotônico (PCF) pode ser estirada. A estrutura periódica bidimensional é selecionada para aplicar o efeito da lacuna de banda fotônico (PBG) na fibra de cristal fotônico estirada da pré-forma secundária processada 10. [00110] As hastes auxiliares removíveis 101 servem como suportes de espaço dentro do grão 510 ou dentro de um tubo auxiliar 11x ou dentro do tubo de sílica dopado de A/A 11d. Como uma consequência, se as hastes auxiliares removíveis 101 são aplicadas, tubos de sílica de parede relativamente fina, de preferência de um tamanho padrão, podem ser selecionados, que não deformarão ou fecharão durante o processo de aquecimento. As hastes removíveis 101, que são removidas depois da conclusão do processo de aquecimento, mantêm o interior dos tubos de sílica 11x, 11d na forma correta. Além do que, uma haste removível 101 pode ser usada sem um tubo auxiliar 11x para manter um espaço alongado livre dentro do grão de sílica. Depois que a pré-forma 100' foi processada, a haste removível 1205 é removida. Hastes auxiliares 101 podem ser facilmente removidas da sílica vitrificada, se um material, tal como grafite, com um coeficiente de expansão térmica, é usado, que é maior do que o coeficiente de expansão térmica do vidro. Durante o processo de resfriamento, uma tal haste 101 retrairá ou encolherá mais forte do que o vidro, de modo que nenhuma adesão permanecerá no vidro. Portanto, com hastes removíveis, pré-formas com estruturas complexas compreendendo numerosos elementos vazios alongados podem ser facilmente criadas.

[00111] A figura 9 mostra um aparelho 2 usado para estirar uma fibra ótica inventiva 8 da pré-forma secundária 10, 10' da figura 5. Depois que a pré-forma secundária 10, 10' é aquecida para o seu ponto de fusão e uma fibra 8 tiver sido puxada, uma área angular chamada

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28/36 pescoço inferior é formada. Uma única fibra ótica 8 surge da pré-forma secundária 10, 10' em um estado semiderretido e passa através de um monitor de diâmetro 24. A fibra ótica 8 continua a ser puxada para baixo e passa através de um aplicador de cobertura 25 que aplica uma cobertura para proteger a fibra ótica 8. A fibra ótica 8 também passa através de outras unidades 26, 27 que curam a cobertura ótica e monitoram o diâmetro geral depois que a cobertura foi aplicada. A fibra ótica 8 então encontra um aparelho de rotação 28 que pode compreender um rolete que concede uma rotação na fibra ótica 8. A fibra ótica 8 então eventualmente encontra uma série de roletes (não mostrados) puxando a fibra ótica 8 antes que ela então seja enrolada ao redor de um tambor ou carretel 29. A pré-forma secundária 10, 10' é montada em um dispositivo de sujeição 21, que permite o movimento vertical controlado ao longo e preferivelmente a rotação ao redor do seu eixo geométrico. Além do mais, o dispositivo de sujeição 21 pode ser projetado para aplicar uma vibração sobre a pré-forma secundária, a fim de condensar o grão de sílica secundário 510.

[00112] A figura 10 mostra o aparelho 2 usado para estirar uma fibra ótica inventiva 8, tal como uma fibra de cristal fotônico, da préforma secundária 100, 100' da figura 7 ou figura 8.

[00113] Como descrito em [2], página 246, um sinal ótico que é guiado na fibra ótica deve ser regenerado depois de certas distâncias. Uma repetidora é colocada a alguma distância ao longo de um cabo para impedir a ocorrência da atenuação do sinal substancial. Um regenerador pode também ser usado para reconstituir a forma de um sinal digital e, dessa maneira, impedir que o ruído do sinal seja amplificado também. Com uma fonte de laser semicondutor de aproximadamente 1 mW de potência, a distância máxima antes da regeneração é necessária entre 100 e 200 km. O cabo de fibra ótico transatlântico, por exemplo, que foi colocado nos anos 70 tem repetidoras a cada 70

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29/36 km.

[00114] Além disso, de acordo com [2], o princípio geral da amplificação ótica conta com a emissão estimulada, como no laser. Uma inversão de população deve ser estabelecida, em primeiro lugar, entre dois estados e a emissão estimulada eleva o número de fótons em fase. A tecnologia do amplificador com fibra começou em 1964 quando neodímio foi sugerido como um elemento adequado para dopar uma fibra. Um avanço principal foi feito na metade dos anos 80 quando o érbio foi descoberto para produzir um ganho ótico de uns poucos milhares em um comprimento de onda de 1,5 mm; ele integra bem com uma fonte de luz de InGaAsP. Fibras dopadas com prasiodímio estão atualmente sendo investigadas, desde que elas operam ao redor de 1,3 mm, o outro comprimento de onda usado em sistemas de comunicação.

[00115] [3], página 247, figura 9.20 mostra o layout básico de um amplificador ótico com a fibra dopada com érbio emendada na fibra de transmissão. A luz da fonte de laser é combinada com o sinal através do acoplador seletivo de comprimento de onda. A luz do laser pulsa opcionalmente os átomos de érbio para os estados excitados e o sinal induz a emissão estimulada no comprimento de onda do sinal. Isoladores óticos (coberturas contra reflexão) impedem reflexões indesejadas e o filtro bloqueia a luz do laser.

[00116] A figura 11 mostra um amplificador ótico simplificado 600 e uma vista seccional de uma fibra ótica ativa inventiva 8 que compreende múltiplos núcleos 811, 812,... e fibras auxiliares 811x que se originam, por exemplo, de hastes ou pedaços de sílica que foram providos na pré-forma secundária 10, 10'. A figura 11 mostra uma unidade de fonte 62 que provê sinais de pulso em vários comprimentos de onda 110, ..., 160. Esses sinais de pulso 110, ..., 160são injetados em fibras de pulso de múltiplos modos 811x e percorrem então através do

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30/36 revestimento para os núcleos 81₁, 81₂, onde os íons de RE são retirados. Portanto, os sinais 11, ..., 17 que estão percorrendo nos núcleos da fibra ótica 8 causarão emissões estimuladas e, assim, são amplificados.

[00117] A figura 12 mostra um amplificador ótico 600 e uma vista seccional de uma fibra de cristal fotônico inventiva 8'. Novamente, sinais de pulso 110, ..., 160 são providos para fibras de pulso de múltiplos modos 811x providas no revestimento. A partir das fibras de pulso, os sinais de pulso alcançam a zona periférica da região do núcleo 81RE que se refere ao tubo de vidro de sílica dopado com RE 11d. Se a estrutura periódica é ligeiramente perturbada, então o sinal do usuário guiado, pelo menos o campo evanescente entrará nessa zona periférica dopada e causará emissões estimuladas e uma amplificação do sinal do usuário.

[00118] Como mostrado nas figuras 11 e 12, uma vantagem principal da presente invenção é que a estrutura das pré-formas e, dessa maneira, a estrutura das fibras óticas ativas pode ser livremente selecionada. Portanto, fibras de pulso grandes podem ser facilmente incorporadas que podem ser identificadas e abertas com a finalidade de sinais de pulso de injeção sem interromper o núcleo que guia o sinal do usuário. Alternativamente, é até mesmo possível injetar luz sem usar fibras de pulso. Para essa finalidade, a fibra ótica ativa 8 é inserida em uma luva 85, que recebe e transfere os sinais de pulso (ver figura 14a). Como mencionado acima, os sinais de pulso são transferidos com perdas mínimas se os materiais usados para os elementos diferentes compreendem um índice refrativo idêntico e o índice refrativo do revestimento é elevado por meio de inclusões de ar ou gás.

[00119] A figura 13 mostra a forma conhecida do amplificador ótico [3] que usa uns poucos enrolamentos de uma fibra ótica ativa inventiva 8 que é emendada (ver posições de emenda 65) em uma linha de

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31/36 transmissão ótica 81. Um sinal fraco é enviado de uma extremidade de entrada de uma linha de transmissão ótica 81 através de um isolador ótico 64 e um filtro de laser 66 para a fibra ótica ativa inventiva 8. O filtro de laser 66 bloqueia os sinais de pulso que são gerados por uma fonte de laser 62 e que são injetados na fibra ótica ativa inventiva 8 através de um elemento de acoplamento 63. Portanto, o sinal do usuário fraco fica amplificado na fibra ótica ativa inventiva 8 e é enviado para a extremidade de saída da linha de transmissão ótica 81. Na figura 13, é mostrado que não somente um único sinal, mas também uma pluralidade de sinais guiados em múltiplos núcleos poderia ser amplificada.

[00120] A figura 14 mostra dois amplificadores óticos 601 que regeneram um sinal ótico que é guiado em uma fibra ótica inventiva, sem perturbar a trajetória do sinal por meio da emenda. A figura 14 mostra a primeira opção de uso de uma fibra de pulso 811x que foi cortada para abrir para injetar um sinal de pulso.

[00121] A figura 14a mostra uma segunda opção na qual um tubo de luva 85 está recebendo a fibra ótica 8 da qual a cobertura foi removida. Sinais de pulso são então injetados através do tubo de luva 85 na fibra ótica 8 para estimular os íons de RE.

[00122] As figuras 16a-16c simbolicamente mostram fibras óticas ativas 8, que são providas com elemento estrutural menos oco 822 ou com um elemento estrutural maciço 822' na região de revestimento 82, cujo elemento estrutural 822, 822' é projetado para suportar a transferência dos sinais de pulso com alta eficiência através do revestimento 82 para o núcleo 81 da fibra ótica 8. Uma disposição que permite a transferência dos sinais de pulso através do revestimento 82 para o núcleo 81 de uma fibra ótica 8 é ilustrada na figura 14.

[00123] O elemento estrutural 822, 822' consiste em um furo ou material maciço que preferivelmente difere do material de revestimento

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32/36 restante em vista do índice refrativo e/ou um dopante de RE implantado.

[00124] As figuras 16a e 16b intimamente referem-se uma à outra. Cada uma das fibras óticas 8 compreende um núcleo 81 e um revestimento 82 provido com um plano liso.

[00125] No revestimento 82 da fibra ótica 8 mostrada na figura 16a, um segmento completo foi removido, por exemplo, recortado com um laser deixando o plano liso 821 exposto.

[00126] A fibra ótica 8 mostrada na figura 16b foi provida com um elemento estrutural oco ou maciço 822, 822' compreendendo um perfil retangular. O lado do elemento estrutural 822, 822' que está virado para o núcleo 81 da fibra 8 corresponde funcionalmente com o plano liso 821 da fibra ótica 8 mostrada na figura 16a. Entretanto, prover um elemento estrutural oco ou maciço 822, 822' no revestimento 82 é mais fácil do que aplicar uma ferramenta de laser, a fim de recortar uma fração desejada da fibra 8. Além do que, a remoção completa da região periférica opondo-se ao dito plano pode ser realizada com esforço reduzido, se um elemento estrutural oco correspondente 822 já foi provido. Desde que somente pequenos cortes seriam necessários além de inserir o elemento estrutural oco 822, o risco de danificar o núcleo 81 da fibra ótica 8 poderia ser mais facilmente evitado.

[00127] A fibra ótica 8 mostrada na figura 16c é provida com cinco elementos estruturais ocos ou maciços 822, 822'

a) que são aleatoriamente distribuídos na zona periférica da região de revestimento 82 e

b) que compreendem um diâmetro de aproximadamente 1/10 do diâmetro da fibra ótica 8.

[00128] Os resultados atingidos com cinco elementos estruturais 822, 822' com as dimensões descritas são muito bons. Entretanto, a transferência dos sinais de pulso através do revestimento 82 para o

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33/36 núcleo já pode ser aperfeiçoada significativamente com um único elemento estrutural oco ou maciço 822, 822' que é preferivelmente colocado perto do núcleo 81 da fibra ótica 8 e provido com um diâmetro mais largo, por exemplo, na faixa de 1/10-2/10 do diâmetro da fibra 8. Em geral, com um número menor, os elementos estruturais 822, 822' são colocados mais perto do núcleo 81 e providos com um diâmetro maior.

[00129] Quando presentes em um número mais elevado, os elementos estruturais 822, 822' devem ser aleatoriamente distribuídos e providos com um diâmetro mais próximo de 1/10 do diâmetro da fibra

8.

[00130] Para a produção das fibras óticas 8 mostradas nas figuras 16a-16c, pré-formas 10 são providas que podem ser vantajosamente produzidas como ilustrado nas figuras 17a-17e. As pré-formas são providas com elementos estruturais correspondentes ocos ou maciços 122, 122' de acordo com os métodos descritos abaixo.

[00131] Com um método, os elementos estruturais maciços 122' são introduzidos no segundo tubo de sílica 111 antes do grão de sílica 510 ou uma mistura de SiO₂-A/A 58 ser derramada dentro do tubo de sílica 111. O elemento estrutural maciço 122' consiste em sílica pura ou sílica que foi dopada para atingir a atividade do laser e/ou um índice refrativo desejado. Subsequentemente, o tubo de sílica 111, o grão de sílica 510 ou a mistura de SiO2-A/A 58 e o elemento estrutural maciço 122' são fundidos em uma fornalha 23, como descrito acima.

[00132] Alternativamente, pelo menos uma haste removível 101, de preferência consistindo em carbono, é introduzida no segundo tubo de sílica 111 antes do grão de sílica 510 ou uma mistura de SiO2-A/A 58 ser derramada no tubo de sílica 111. Depois que a pré-forma foi processada na fornalha 23, a haste 101 é removida deixando um elemento estrutural oco 122.

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34/36 [00133] A figura 17a mostra a montagem de uma pré-forma 10 projetada para produzir fibras óticas 8 de acordo com as figuras 16a e 16b. Um elemento estrutural maciço 122' com dimensões desejadas, particularmente um plano orientado para a região do núcleo, é inserido junto com uma primeira pré-forma 1, 1' em um tubo de sílica secundário 111, que é então cheio com grão de sílica ou com ou sem partículas de A/A. Depois que a pré-forma foi processada em uma fornalha 23, o elemento estrutural maciço 122' permanece fundido dentro da pré-forma processada 10. Na eventualidade que um elemento estrutural oco fosse desejado, uma haste removível seria aplicada como descrito abaixo.

[00134] A figura 17b mostra a montagem de uma pré-forma 10 projetada para produzir fibras óticas 8 de acordo com a figura 16c que são providas com elementos estruturais ocos 822. Nesse exemplo, cinco hastes removíveis 101 são inseridas juntas com uma primeira préforma 1, 1' em um tubo de sílica secundário 111 antes do grão 510 ou da mistura 58 ser inserida. Depois que a pré-forma 10 foi processada em uma fornalha 23, as hastes 101 são removidas, como ilustrado na figura 17c, deixando o núcleo maciço 1, 1' e cinco elementos estruturais ocos 122 na pré-forma processada 10.

[00135] A figura 17d mostra a montagem de uma pré-forma 10 projetada para produzir uma fibra ótica 8 de acordo com a figura 16c que é, entretanto, provida com um elemento estrutural maciço 822' somente. Nesse exemplo, somente um elemento estrutural maciço 122' é inserido junto com uma primeira pré-forma 1, 1' em um tubo de sílica secundário 111 antes do grão 510 ou da mistura 58 ser inserida. Depois que a pré-forma 10 foi processada em uma fornalha 23, o elemento estrutural maciço 122' permanece fundido dentro da pré-forma processada 10, como ilustrado na figura 17e.

[00136] As pré-formas descritas acima podem ser individualmente

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35/36 projetadas, combinadas ou intercaladas como requerido pelo requerente. Pré-formas primárias inventivas podem ser inseridas ou integradas em uma pré-forma secundária. Pré-formas secundárias podem ser integradas em uma pré-forma de ordem superior, isto é, uma préforma ternária que compreende pelo menos uma pré-forma secundária. As pré-formas primárias ou secundárias contidas em uma préforma ternária podem ser dedicadas, como um exemplo, a aplicações diferentes, tal como a transferência de sinais do usuário em regiões de comprimentos de onda diferentes ou a transferência de sinais de pulso. As pré-formas de ordem inferior, por exemplo, primárias ou secundárias, podem ser inseridas na pré-forma de ordem superior, por exemplo, ternária, antes ou depois do processamento, isto é, o desempenho do processo de aquecimento. A estrutura completa de uma pré-forma de ordem superior, por exemplo, ternária, compreendendo numerosos tubos de sílica dopados ou não-dopados primários, secundários ou de ordem superior, entretanto, pode também ser estabelecida em uma etapa. Em uma etapa adicional, os tubos de sílica podem ser individualmente cheios com grãos ou misturas adequadamente dopados, de modo a obter índices refrativos desejados ou atividades de laser em zonas selecionadas da pré-forma de ordem superior. LISTAGEM DE REFERÊNCIA [1] Mool C. Gupta, Handbook of PHOTONICS, CRC Press, 1997 Boca Raton, capítulo 10.7, páginas 445-449 [2] John Beynon, Introductory University Optics, Prentice Hall 1996 [3] Michel J.F. Digonnet, Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers, 2^a Edição, Marcel Dekker Inc. 2001 [4] WO 2005/102946 A1 [5] WO 2005/102947 A1 [6] GB 2176472

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36/36 [7] US 5.572.618 [8] WO 98/58884

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para fabricação de uma pré-forma (1) que pode ser usada para produzir uma fibra ótica ativa (8) que compreende pelo menos um núcleo correspondendo à dita pré-forma (1), caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de, proporcionar, em um estágio de processo inicial, um tubo de sílica (11) e uma mistura (58) compreendendo partículas de SiO₂(51) e partículas dopantes (52), segurar o tubo de sílica (11), que compreende um espaço interior (12) que é limitado na extremidade inferior do tubo de sílica (11) por um fechamento (13), que consiste de material poroso tal como vidro poroso, derramar a mistura (58) no espaço interior (12) do tubo de sílica (11), introduzir um fluxo de gás como oxigênio O2, hélio He, cloro Cl2 ou flúor F através do primeiro fechamento (13) e através da mistura (58) contida no tubo de sílica (11) e aquecer o tubo de sílica (11) de modo a purificar e calcinar a mistura (58) com uma temperatura abaixo do nível de vitrificação;

preferivelmente prender um instrumento de união (3) na extremidade superior do tubo de sílica primário (11) e gerar uma pressão reduzida dentro do espaço interior (12); e aquecer pelo menos a porção inferior da pré-forma nãoprocessada (1), a fim de fundir o tubo de sílica (11) e a mistura (58).
2. Método para fabricação de uma pré-forma, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas no estágio do processo inicial de misturar partículas de SiO2 (51), partículas de metais RE ou metais, e preferivelmente partículas de um auxiliar de solubilidade (56), tal como óxido de alumínio Al_xO_x, cloreto de alumínio Al_xCl, germânio Ge ou fósforo P.

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2/3
3. Método para fabricação de uma pré-forma (1), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de selecionar partículas de SiO₂ (51) e partículas de dopantes (52) e, de preferência, partículas do auxiliar de solubilidade (56) que têm pelo menos aproximadamente o mesmo tamanho.
4. Método para fabricação de uma pré-forma (1), de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de aplicar partículas de dopantes (52), que compreendem

a) pelo menos uma das partículas de RE seguintes selecionadas do grupo de neodímio, európio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio, óxidos de RE (RE-O₃) ou cloretos de RE RE-Cl₃, a fim de obter atividade de laser em uma ou mais regiões do comprimento de onda ou

b) pelo menos um dos seguintes metais, Fe, Ni, Co, Cr, Cu, Mn, Ti e V, a fim de obter uma atenuação desejada.
5. Método para fabricação de uma pré-forma (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de proporcionar uma mistura (58) contendo aproximadamente,

80 - 98% peso atômico, de preferência 84%, de partículas de SiO2 (51),

0,5 - 2,5% peso atômico, de preferência 2%, de partículas de dopantes (52) e

1,5 - 7,5% peso atômico, de partículas de auxiliar de solubilidade, de preferência até sete vezes mais partículas de auxiliar de solubilidade do que as partículas de dopantes (52).
6. Método para fabricação de uma pré-forma secundária (10), compreendendo as etapas de, fabricar pelo menos uma pré-forma (1, 1) de acordo com o

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3/3 método de fabricação de pré-forma (1), como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende;

inserir a pelo menos uma primeira pré-forma (1, 1') tendo uma superfície externa em um tubo de sílica secundário (111) tendo uma superfície interna, em que que a superfície externa e a superfície interna definem um segundo espaço interior (112) limitado na extremidade inferior do tubo de sílica secundário (111) por um segundo fechamento (113);

segurar a primeira pré-forma (1, 1') em uma relação coaxial de maneira substancialmente longitudinal com o tubo de sílica secundário (111);

derramar grão de sílica secundário (510), de preferência compreendendo dopantes tais como GeO₂, P₂O₅, Al₂O₃, B₂O₃ selecionados, a fim de obter um índice refrativo desejado no segundo espaço interior (112);

limitar o segundo espaço interior (112) na extremidade superior do tubo de sílica secundário (111) com um instrumento de união (30) da pré-forma secundária;

gerar uma pressão reduzida dentro do segundo espaço interior (112); e aquecer com uma temperatura acima do nível de vitrificação pelo menos a porção inferior da pré-forma secundária nãoprocessada (10).
7. Método para fabricação de uma fibra ótica, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de, fabricar uma pré-forma secundária (10) de acordo com o método para fabricar uma pré-forma secundária (10), como definido na reivindicação 6, fundindo o tubo de sílica (11) e as partículas de SiO₂(51) apenas parcialmente, enquanto simultaneamente uma fibra ótica é puxada da pré-forma.