CN101219855B - 具有改良的空气/玻璃界面结构的光纤预制件 - Google Patents

具有改良的空气/玻璃界面结构的光纤预制件 Download PDF

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Abstract

一种光纤预制件包括多个纵向空气孔，经受热处理(即，加热)，结合在加热的预制件的任一端施加压缩力以压缩整个预制件结构到预定的量。已经发现热压缩处理使任何粗糙的玻璃表面光滑，并修复在预制件制造过程期间可能已形成的微裂纹，将玻璃材料重新牢固地联结在一起，并形成比现有技术的微结构预制件质量提高的预制件。

Description

具有改良的空气/玻璃界面结构的光纤预制件
技术领域
本发明涉及质量提高的光纤预制件，特别涉及使用热压缩技术以提高微结构的配置中空气/玻璃界面的质量形成的微结构预制件。
背景技术
几种类型的光纤需要在最终拉制的光纤的预制件内形成纵向空气孔。例如，微结构光纤由包括纵向布置的空气孔的预制件形成。保偏光纤预制件(polarization-maintaining optical fiber preform)包括纵向孔，随后将纵向孔充满应力棒以控制拉制光纤中的传播偏振状态。这些纵向孔可以通过包括钻、刺、模制或挤压等多种传统技术在光纤预制件中形成，但不限于这些技术。
由于表面粗糙，因此包括纵向孔的光纤预制件内的空气/玻璃界面的质量经常出现问题，表面粗糙可能是多个不同来源的结果。例如，用于钻纵向孔的加工过程可能损害玻璃表面，在模制中使用的铸模和棒(mold and rod)可能损害新生的表面，或者来自与传统的溶胶-凝胶(Sol-gel)浇铸相关的脱模制(de-molding)操作的损害。
无论粗糙的来源如何，已经发现粗糙和相关的微裂纹引起拉制的光纤中增加的信号损耗。特别地，微结构光纤(或包括例如玻璃棒等纵向配置的部件的任何光纤)内的粗糙和微裂纹的存在导致拉制的光纤中与光信号分散有关的损耗和不一致的孔尺寸。此外，如果在氢氟酸(HF)溶液中蚀刻预制件(传统的处理步骤)，则蚀刻剂的存在将允许已经存在的微裂纹的蔓延。在拉制期间预制件的加压也将允许微裂纹蔓延。如果微裂纹存在的足够严重，则内部空气孔将连接，破坏光纤几何结构并限制用相对大的空气/填充比(air/fill fraction)配置(例如，＞50％)形成光纤的能力。
对于保偏光纤，已经发现表面粗糙引起汽泡的形成和应力棒的扭曲，该两者都降低偏振串扰(cross-talk)参数。在以钻的和抛光的孔进行拉伸预制件中，表面缺陷在长度上延伸，造成称为“光纤空气线”(fiber air line)缺陷，这降低了在拉制的光纤内进行熔接的能力。
根据以上全部内容，在该技术中仍然需要很好的适合于包括纵向空气孔的配置的光纤预制件，这种光纤预制件例如微结构光纤预制件或保偏光纤预制件。
发明内容
本发明解决了现有技术中遗留的需要，本发明涉及改进质量的光纤预制件，特别涉及在拉制光纤之前，使用热压缩处理以改进微结构的配置中空气/玻璃界面的质量形成的微结构预制件。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于消除微结构光纤预制件内的空气-玻璃界面缺陷的方法。所述方法包括以下步骤：将微结构光纤预制件的纵向范围的选择的部分加热到足以开始粘性流动的温度；及使用足够修复沿着所述微结构光纤预制件的空气-玻璃界面缺陷的力纵向压缩所述微结构光纤预制件的所加热的、选择的部分。
另外，该方法进一步包括以下步骤：将所压缩的、修复的预制件纵向拉伸到适合随后将微结构光纤预制件拉制成微结构光纤的直径。
另外，该方法开头包括以下步骤：在一对支撑把手之间放置微结构光纤预制件；和纵向压缩所述微结构光纤预制件的所加热的、选择的部分的步骤包括将压缩力施加于每一个支撑把手的步骤。
另外，该方法进一步包括以下步骤：在加热和压缩步骤期间，旋转该微结构光纤预制件。
另外，该方法进一步包括以下步骤：在加热和压缩步骤期间，沿着该微结构光纤预制件在纵向方向上来回移动热源。
另外，可以2厘米/分钟的速率来回移动所述热源。
另外，在加热步骤期间，使用等离子焰进行加热。
另外，在加热步骤期间，使用氢氧焰进行加热。
另外，在加热步骤期间，使用加热炉进行加热。
另外，所述足以开始粘性流动的温度是2000℃。
另外，该方法进一步包括以下步骤：正向压力气体流动通过纵向空气孔以增大纵向空气孔的直径。
另外，该方法进一步包括以下步骤：反向压力气体流动通过纵向空气孔以减小纵向空气孔的直径。
根据本发明的另一方面，还提供了一种使用如上所述的方法形成的光纤预制件。
另外，所述预制件包括微结构光纤预制件。
另外，所述预制件呈现出大于75％的空气/填充比。
另外，所述预制件包括保偏光纤预制件。
另外，所述预制件进一步包括通过多个纵向空气孔中的选择的空气孔延伸的多个玻璃棒。
根据本发明，光纤预制件包括经受热处理(即，加热)的多个纵向空气孔，并在加热预制件的任一末端施加压缩力以预定的量压缩整个预制件结构。压缩之后，可以拉伸预制件，然后最终拉制成光纤。已经发现热压缩处理使任何粗糙的玻璃表面平滑，并修复在预制件制造过程期间可能已形成的微裂纹，基本上将玻璃材料“结合”(knitting)在一起，并形成比现有技术微结构预制件质量改进的预制件。
在本发明的一个实施例中，在热处理期间通过纵向空气孔可以施加(吹)正向或反向的空气压力，以增大或减小沿着预制件的纵向范围延伸的空气孔的直径。
在下面论述的过程中并参考附图，本发明的其它的和进一步的实施例及特点将变得清楚了。
附图说明
现在参考附图，
图1和图2分别是包括多个纵向空气孔的示例性光纤预制件的等角视图和剖视顶视图，该多个纵向空气孔在预制件制造期间可能经过粗糙表面并且形成微裂纹；
图3包括常规的现有技术微结构的光学预制件的侧视图，图3(a)说明在进行预制件拉伸操作之前的预制件，图3(b)说明在该预制件拉伸操作之后的预制件；
图4-6说明用于热处理预制件以减小粗糙表面和微裂纹的本发明示例性处理；
图7包括微结构光学预制件的侧视图，图7(a)说明在本发明的热处理之前的预制件，而图7(b)说明在本发明的热处理之后的预制件；
图8说明经历氢氟酸中的蚀刻的微结构预制件的比较，图8(a)说明常规的、现有技术的预制件，而图8(b)说明根据本发明形成的预制件；
图9说明根据本发明形成的、具有相对大的空气/填充比的微结构的预制件的横断面图像；
图10是作为预制件的直径的函数的孔尺寸的图表，说明作为预制件的直径的函数的孔尺寸的变化。
具体实施方式
图1以等角视图说明典型的微结构的现有技术光纤预制件10。图2示出预制件10的剖视顶视图。微结构的预制件10包括内部区域12和外部区域14。内部区域12由适合的光纤材料(例如，硅石)形成，并包括多个纵向空气孔18。图1的特别布置还包括空芯区域20。对于利用光学预制件10制作保偏光纤的实施例，内部区域12可以进一步包括在所选择的空气孔18内设置的多个玻璃棒22，用于向该设置提供纵向机械强度。利用外部区域14作为套子以支持内部区域12的结构。以下论述的其它内容将简单地将该预制件称为“微结构预制件”。应当懂得，这个术语同样应用于保偏光纤预制件，形成的保偏光纤预制件也包括在处理期间中的纵向空气孔，并因此造成同样的表面粗糙问题。
如上面所提到的，存在多种技术(本领域中公知的)以在预制件10内形成多个纵向空气孔18。这些技术包括钻、蚀刻、铸模和模制形状(casting forms)的使用等，但不限于此。由于表面粗糙，因此包括纵向孔的光纤预制件内的大量空气/玻璃界面的质量经常出现问题，表面粗糙可能是几个不同来源的结果。许多的这些微结构光学预制件还包括微裂纹，由于在光纤拉制过程开始预制件被拉伸，已知这些微裂纹沿着特定的空气/玻璃界面蔓延。图3包括常规的现有技术的微结构光学预制件的照片(侧视图)，其中图3(a)说明拉伸之前的预制件。在该视图中明显看到许多微裂纹(在图中以“M”表示)。图3(b)说明在常规的拉伸操作之后的相同的光学预制件，在图3(b)的视图中这些微裂纹被显示的更大并更明显。
此外，如果在HF溶液中蚀刻预制件(如上面提到的、常规的处理步骤)，则蚀刻剂的存在将促进微裂纹沿着特定空气/玻璃界面进一步蔓延和/或扩大。在拉制期间预制件的加压(另一个普通的制作环境)也将允许微裂纹蔓延/扩大。如果微裂纹存在的足够严重，则内部空气孔将连接，破坏光纤几何结构并限制以相对大的空气/填充比配置(例如，＞50％)形成光纤的能力。虽然下面的论述将强调消除微裂纹的本发明的热处理过程的能力，但是将会明白，在最普通的应用中，通常利用本发明的方法减少/消除在空气/玻璃界面的表面粗糙，即，“修复”与纵向空气孔的形成相关的全部的各种表面缺陷。
图4-6说明根据本发明的已经确定的热处理步骤的示例性设置，以根本上消除表面粗糙和微裂纹的方式处理微结构的光纤预制件内的空气/玻璃界面，从而提高最终从微结构预制件拉制的光纤的质量。特别地，如下面具体的讨论的，已经找到新颖的控制压缩处理以“修复”由预制件制作过程造成的损害。
参考图4，本发明的热处理从将一对玻璃把手30，32连接到诸如上面说明的预制件10的微结构光纤预制件的相对端开始。一旦已经连接把手30和32，就将该装置安装在处理期间能支撑该装置的车床(未示出)或相似的装置中。使用等离子焰(plasma torch)34将预制件10加热到在应力下玻璃材料将流动的温度。例如，2000℃左右的温度是适合此目的的。应当懂得，在实施本发明的方法中可以使用诸如氢氧焰或加热炉的各种其它的常规热源。
当温度达到期望的玻璃流动温度时，如图5所示，正对着把手30和32施加压缩力FC。最好地完成压缩，同时还旋转车床内的预制件10并随着旋转的预制件来回移动等离子焰34。来回移动速度可以是例如大约2厘米/分钟。随同横向的加热，同时把手30和32移动更靠近，直到获得希望的压缩量，其中可以使用预制件的直径作为充分压缩的测量。参考图4和5，以直径di说明图4中预制件10的“初始”直径的预制件10的直径的增加量(例如，35mm)，以直径dc作为图5中的预制件10的“压缩的”直径(例如，42mm)。已经发现在这个初始的加热步骤期间执行压缩将使任何的内部微裂纹联结在一起，并通过粘性流动修复表面粗糙(即，沿着纵向孔的空气/玻璃界面)。
压缩之后，可以在将预制件10拉制成光纤之前拉伸预制件10(如在常规的预制件制造那样)，使用由箭头Fs说明的“拉伸力”在图6中说明该步骤。而且在拉伸期间，旋转预制件10并使用例如等离子焰34的横向移动来加热预制件10。ds表示的拉伸直径也可以是用来确定该过程完成的时间的预定值(例如，25mm的拉伸直径ds)。可以在单次中或以多次执行拉伸。在一个例子中，对于拉伸操作，可以利用监视预制件的当前直径的反馈信号控制等离子焰34的速度。
如上面提到的，在本发明的热处理过程期间修改纵向空气孔的直径是可能的。特别地，在压缩步骤或拉伸步骤(或两者)期间，气体可以通过空气孔流动。正向的压力流动将增加空气孔的直径，而反向的压力流动将减小纵向空气孔的直径。
图7包括说明与本发明的热压缩处理相关的预制件质量改进的实际照片。图7(a)是在热处理之前示例性微结构预制件的照片(侧视图)。较暗的区域与纵向空气孔对应，而较亮的区域是预制件的硅石材料。与图3的说明相似，在图7(a)的照片中明显看到各种“微裂纹”。如图7(b)的照片所示，在本发明的热压缩/拉伸处理之后，已经有效地消除了这些微裂纹。
用于增加空气孔直径的一个现有技术是在例如氢氟酸等的酸性溶液中蚀刻预制件。然而，已经发现HF蚀刻操作增加预制件内已经存在的微裂纹的严重性。图8(a)说明已经经历HF蚀刻处理的示例性现有技术的微结构预制件。该现有技术预制件的HF蚀刻显示出可以归因于沿着初始预制件的微裂纹优先蚀刻的多个大的缺陷。相反，如由图8(b)的照片所明显显示的，在HF蚀刻之前本发明的热处理过程的使用将减少/消除微裂纹并得到改进质量的预制件。
如上面提到的以及从图7(b)和图8(b)的图示看到的，本发明的热处理产生沿着微结构预制件内的每一个空气/玻璃界面的实质上一致的表面抛光。结果，如图9所示的，可以制造具有相对高的空气/填充比的微结构预制件。例如，图9(a)包括具有70％的空气/填充比的微结构的预制件的横断面图像。图9(b)的图像与85％的空气/填充比相关，图9(c)的图像与99％的空气/填充比相关。如果不可能，没有本发明的热压缩处理，制造这样大的空气/填充比是困难的。每一个图像都表示整个横断面上的孔尺寸是统一的，表明热处理没有改变或扭曲孔的布局。
使用热压缩处理所关心的一个问题是等离子焰的高温可能引起一些孔毁坏或扭曲。图10包括与预制件有关的图表，首先将该预制件从35mm的直径压缩到42mm的直径，然后再拉伸到15mm。空气孔尺寸作为预制件直径的函数进行测量。空气孔尺寸表示与预制件直径始终如一地线性相关，表示在本发明的热处理过程期间，不存在微结构的预制件内相对孔尺寸的重大改变。
将会明白，存在各种修改，可以对本发明的热处理过程进行修改，包括在压缩期间获得的直径、压缩和拉伸的作用力、空气-填充比等，但不限于此。当然，本发明的精神和范围仅由所附的权利要求书限定。

Claims (17)

1.一种用于消除微结构光纤预制件内的空气-玻璃界面缺陷的方法，所述方法包括以下步骤：
将微结构光纤预制件的纵向范围的选择的部分加热到足以开始粘性流动的温度；及
使用足够修复沿着所述微结构光纤预制件的空气-玻璃界面缺陷的力纵向压缩所述微结构光纤预制件的所加热的、选择的部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括以下步骤：
将所压缩的、修复的预制件纵向拉伸到适合随后将微结构光纤预制件拉制成微结构光纤的直径。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该方法开头包括以下步骤：
在一对支撑把手之间放置微结构光纤预制件；和纵向压缩所述微结构光纤预制件的所加热的、选择的部分的步骤包括将压缩力施加于每一个支撑把手的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括以下步骤：
在加热和压缩步骤期间，旋转该微结构光纤预制件。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括以下步骤：
在加热和压缩步骤期间，沿着该微结构光纤预制件在纵向方向上来回移动热源。
6.根据权利要求5所述的方法，其中以2厘米/分钟的速率来回移动所述热源。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在加热步骤期间，使用等离子焰进行加热。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在加热步骤期间，使用氢氧焰进行加热。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在加热步骤期间，使用加热炉进行加热。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述足以开始粘性流动的温度是2000℃。
11.根据权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括以下步骤：
正向压力气体流动通过纵向空气孔以增大纵向空气孔的直径。
12.根据权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括以下步骤：
反向压力气体流动通过纵向空气孔以减小纵向空气孔的直径。
13.一种使用权利要求1的方法形成的光纤预制件。
14.根据权利要求13所述的光纤预制件，其中所述预制件包括微结构光纤预制件。
15.根据权利要求14所述的光纤预制件，其中所述预制件呈现出大于75％的空气/填充比。
16.根据权利要求13所述的光纤预制件，其中所述预制件包括保偏光纤预制件。
17.根据权利要求16所述的光纤预制件，其中所述预制件进一步包括通过多个纵向空气孔中的选择的空气孔延伸的多个玻璃棒。
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