CN113853360B - 用于制造空芯光纤的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造光纤的方法，其中，将预制件(1)插入到熔炉中；经由熔炉的出口拉伸预制件；并且所述被拉伸的预制件具有工作区(4)，该工作区包括由壁(7)构成的结构，气流(5、6)被施加到这些壁的两个相对面，该气流沿相反的方向沿着所述壁流动，以使壁承受在壁的两侧反向传播的气流的剪切力。本发明还涉及一种用于制造光纤的设备。

Description

用于制造空芯光纤的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于制造光纤的方法。其还涉及一种用于制造光纤的设备。

背景技术

现今，光纤传输性能的极限是由色散损耗决定的。

自近20年前问世以来，空芯光纤经历了惊人的增长。这一进步基于其制造技术和传输性能，以及其生产后出现的应用，涵盖多种多样的领域，例如电信、非线性光学、激光、微加工、冷原子物理学或高分辨率光谱学和传感器。

在该背景下，根据纤维类型和光谱范围，对于中空纤维，现有技术的传输损耗近似为2至10dB/km。

本发明的目的是提出一种用于制造空芯光纤的方法和设备，以相对于现有技术改进所述光纤的传输性能和/或降低损耗。

发明内容

这一目的是通过一种用于制造光纤的方法实现的，其中：

-将预制件插入到熔炉中，

-经由熔炉的出口拉伸预制件，并且

-如此拉伸的预制件包括工作区，该工作区包括由壁构成的结构，这些壁的两个相对面承受沿着这些壁但方向相反的气流，以使这些壁承受在这些壁的两侧反向传播的气流的剪切力。

壁优选具有小于10μm的厚度，优选小于3μm，优选小于10nm。

预制件优选通过熔炉的入口插入。沿着壁的气流优选通过以下方式产生：

-产生从熔炉的入口传播到出口的被称为出口气流的气流，以及

-产生从熔炉的出口传播到入口的被称为入口气流的气流。

出口气流和入口气流优选通过过压和欠压装置产生，以在入口侧的预制件中产生出口气流与入口气流之间的压差，优选为至少100Pa，优选为至少1kPa。

出口气流和/或入口气流优选在工作区的不同区域中产生。

气流优选通过位于预制件所插入的熔炉的入口侧的装置产生。

气流的气体优选包括空气和/或惰性气体。

工作区优选形成空芯光纤。

工作区优选形成微结构型的光纤。

预制件优选为玻璃预制件。

工作区优选位于熔炉的外部。

工作区的温度优选高于构成预制件的材料的软化或玻璃化转变温度，和/或其温度优选高于1000℃，优选高于1500℃。

根据本发明的又一方面，提出了一种用于制造光纤的设备，包括：

-熔炉

-被设置成用于将预制件插入到熔炉中的入口，

-用于经由熔炉的出口拉伸预制件的装置，以及

-被设置成用于使构成被拉伸的预制件的工作区的结构的壁的两个相对面承受沿着这些壁但方向相反的气流的装置，以使这些壁承受在这些壁的两侧反向传播的气流的剪切力。

被设置成用于使被拉伸的预制件承受相反方向气流的装置优选包括：

-用于产生从熔炉的入口传播到出口的被称为出口气流的气流的装置，以及

-用于产生从熔炉的出口传播到入口的被称为入口气流的气流的装置。

用于产生出口气流的装置和用于产生入口气流的装置优选包括过压和欠压装置，所述过压和欠压装置被设置成用于在入口侧的预制件中产生出口气流与入口气流之间的压差，优选为至少100Pa，优选为至少1kPa。

用于产生出口气流的装置和用于产生入口气流的装置优选被设置成在工作区的不同区域中产生出口气流和/或入口气流。

被设置成用于使被拉伸的预制件承受方向相反的气流的装置优选位于熔炉的入口侧。

气流的气体优选包括空气和/或惰性气体。

工作区优选位于熔炉的外部。

熔炉优选被设置成使工作区的温度高于构成预制件的材料的软化或玻璃化转变温度，和/或温度高于1000℃，优选高于1500℃。

根据本发明的又一方面，提出了一种通过根据本发明的方法或者通过根据们发明的设备获得的(基于预制件的)光纤。

附图说明和具体实施方式

本发明的其他优点和特征将在阅读非限制性的实施方式和实施例的详细描述之后以及从以下附图中变得显而易见：

[图1]图1是根据本发明的设备101的第一实施例的示意性横截面剖面图，预制件1穿过该设备，

[图2]图2是预制件1的壁7的一部分的放大图，

[图3]图3是预制件1在工作区4的水平面处的示意性透视图，

[图4]图4是图3中的部分10的放大图，并且是预制件1的壁7在工作区4的水平面处的示意性横截面剖面图，其中使用(图4a)和不使用(图4b)根据本发明的方法的实施方式，

[图5]图5是预制件1在工作区4的水平面处的横截面俯视图，其中使用(图5b)和不使用(图5a)根据本发明的方法的另一变型的实施方式，以及

[图6]图6是在根据本发明的方法的另一变型中的预制件1在工作区4的水平面处的横截面俯视图。

由于这些实施例是非限制性的，因此本发明的变型尤其能够被认为仅包括对下文描述或图示的特征的选择，这些特征与所描述或图示的其它特征分离(即使该选择是在包括这些其他特征的短语中被分离的)，只要该特征的选择足以提供技术优点或将本发明与现有技术的现状区分开。该选择包括至少一个优选功能性特征，其不具有结构细节，和/或仅具有部分结构细节，只要该部分单独足以提供技术优点或者将本发明与现有技术的现状区分开。

首先，参考图1至图6，将描述根据本发明的用于制造光纤的设备101的第一实施例。

设备101包括熔炉2。熔炉2例如是Nextrom的纤维拉伸工业熔炉。

熔炉2包括入口21，其被设置为用于将预制件1(通常为玻璃棒)插入到熔炉2中。设备101还包括入口21一侧的保持装置(未示出)，该保持装置被设置为将预制件1的第一端保持在入口21的一侧。这些保持装置例如由放置在平移台上的卡盘组成。

设备101包括用于沿拉伸方向30经由熔炉的出口3拉伸预制件1的装置。这些装置(未示出)定位在熔炉2的出口3的一侧。这些装置通常包括两个彼此面对的带，其定位在熔炉2的出口3的一侧，其中被拉伸的光纤放置在两个带之间，以用于以可调节的速度进行拉伸。

入口21和出口3位于熔炉2沿方向30的两个相对端处。

设备101包括如下设置的装置，其被设置用于至少在熔炉2的出口3之后，使构成被拉伸的预制件1的工作区4的结构的壁7的两个相对面承受沿着这些壁7但方向相反的气流5、6，以便使这些壁7承受在这些壁7的两侧反向传播的气流的剪切力。

气流5是沿着构成工作区4的结构的壁7的层流。

气流5是整个预制件1中的层流。

气流6是沿着构成工作区4的结构的壁7的层流。

气流6是整个预制件1中的层流。

对于每个壁7，在气流5或6分别在其中循环的壁7的每一侧，以下项之间的比率小于900：

-气流5或6分别在其中循环的预制件1的结构在熔炉的入口21处(沿垂直于气流5和6的横截面)的空气，与

-气流5或6分别在其中循环的预制件1的相同结构在工作区4中(即在熔炉2的出口3的一侧)(沿垂直于气流5和6的横截面)的空气。

换句话说，在具有圆形横截面的结构的特定情况下，对于每个壁7，在气流5或6分别在其中循环的壁7的每一侧，以下项之间的比率小于30：

-气流5或6分别在其中循环的预制件1的结构的在入口21处(沿垂直于气流5和6的横截面)的直径，以及

-气流5或6分别在其中循环的预制件1的该相同结构在工作区4中(沿垂直于气流5和6的横截面)的直径。

被设置成用于使被拉伸的预制件1承受方向相反的气流5、6的装置包括：

-装置81，其用于产生被称为出口气流5的气流，该气流从熔炉2的入口21传播到出口3，以及

-装置82，其用于产生被称为入口气流6的气流，该气流从熔炉2的出口3传播到入口21。

用于产生出口气流5的装置81和用于产生入口气流6的装置82包括过压和欠压装置8，以用于在入口21侧的预制件1中产生出口气流5和入口气流6之间的压差，优选为至少100Pa，优选至少1kPa，通常至少10kPa。

这些装置8通常包括具有至少两个腔的机械部件。每个腔通过管道以密封方式附接到压力调节器，该压力调节器又连接到进气口或真空泵。

用于产生出口气流5的装置81和用于产生入口气流6的装置82被设置成在工作区4的不同区域中产生出口气流5和/或入口气流6。

被设置成用于使被拉伸的预制件1承受方向相反的气流5、6的装置位于熔炉2的入口21的一侧。

气流5、6中的气体包括空气和/或至少一种惰性气体(来自氦、氖、氩、氪、氙和氡)和/或其混合物或通常由其组成。

设备101包括一个或更多个阻挡部9(其包括例如金属管，使其可以包围和/或引导气流5或6)：

-该阻挡部被设置成围绕熔炉2的入口21处的预制件1，并将装置8连接至入口21，并且被设置成限制装置8与入口21之间的预制件1的外圆周上的至少一部分气流5和/或6，和/或

-该阻挡部被设置成围绕熔炉2的出口处的预制件1，并至少从出口3延伸至包含区域4，并且被设置成限制从出口3到包含区域4的预制件1的外圆周上的至少一部分气流5和/或6。

工作区4位于熔炉2的外部。

工作区4位于熔炉2的出口3的一侧。

熔炉2包括：

-包围区域31，其中，预制件穿过该包围区域，以及

-热源32，其位于包围区域31中，并被设置成使包围区域31内部的温度升高。

工作区4位于在沿方向30测量的距热源32通常小于10cm的距离43处。

熔炉2被设置成使得工作区4的温度高于构成预制件1的材料的软化或玻璃化转变温度，优选高于1000℃，优选高于1500℃。

玻璃化转变温度例如：

-对于硫系GeSbTe为150℃，

-对于硫系AsGeSeTe为245℃，

-对于氟化物玻璃ZBLAN为235℃，

-对于二氧化碲为280℃，

-对于氟铝酸盐为400℃，

-对于熔融石英为1200℃。

现在将参考图1至图6描述由设备101实现的根据本发明的方法的第一实施例。

在用于制造光纤的方法的本实施例中：

-将预制件1插入到熔炉2中，

-经由熔炉2的出口3拉伸预制件1，并且

-如此拉伸的预制件1包括工作区4，该工作区4包括由壁7构成的结构，工作区4的这些壁7的两个相对面(在熔炉2的出口3之后)承受沿着这些壁7的气流(5、6)，这些气流5、6方向相反，以便使这些壁7承受在这些壁7的两侧反向传播的气流的剪切力。

预制件1是由玻璃制成、例如由二氧化硅制成的预制件。

预制件1具有中空管的形状，简单或优选具有内部结构。

工作区4形成空芯光纤。

被拉伸的预制件1的工作区4优选形成微结构型光纤，例如Kagome型光纤。

被拉伸的预制件1的工作区4仅包括壁7，其厚度小于10μm，优选小于3μm，优选小于300nm。

工作区4位于熔炉2的外部、出口3的一侧。

工作区4的温度高于构成预制件1的材料的软化或玻璃化转变温度，优选高于1000℃，优选高于1500℃。

当预制件1通过熔炉2的入口21插入时，沿着壁7的气流5、6通过以下方式产生：

-产生被称为出口气流5的气流，该气流从熔炉2的入口21传播到出口3，以及

-产生被称为入口气流6的气流，该气流从熔炉2的出口3传播到入口21。

气流5、6通过位于熔炉的入口21的一侧的装置8产生，预制件1通过该装置插入。

出口气流5和入口气流6由过压和欠压装置8产生，在入口21侧的预制件1中产生出口气流和入口气流之间的压差，优选为至少100Pa，优选至少1kPa，通常至少10kPa。

在入口21侧的预制件1中，气流5的压力通常等于大气压力加上5至10kPa，气流6的压力通常等于大气压力减掉5至10kPa。

对于不同于简单管而是具有不同的内部结构的预制件1，允许制造微结构光纤，出口气流5和/或入口气流6在工作区4的不同区域中产生。

根据所讨论的变型，被拉伸的预制件1的工作区4可以例如包括：

-参考图3，壁7形成如下结构：

o空芯，气流6或5分别在其中循环

o围绕空芯的中空圆柱或管，气流5或6分别在每个中空圆柱或管中循环

o围绕空芯和圆柱或管的壁，气流6或5分别在壁的外圆周上循环

-参考图5，壁7形成蜂窝结构，包括蜂窝(例如六角形的)，气流5或6分别在每个蜂窝中循环，并且中空或空间分隔这些蜂窝，气流6或5分别在每个中空或空间中循环(如相对于图5a的图5b中的阴影所示)。

-参考图6，壁7(预制件1的左壁、右壁、前壁、后壁)以简单的中空管或圆柱的形式合并，气流6或5分别在其内部循环，并且气流5或6分别在其外部循环。

本发明使得可以降低插入在方向相反的两个剪切应力之间的表面的表面粗糙度的振幅。

本发明使得对于空芯微结构光纤而言，可以限制由于光纤拉伸期间的流体力学现象而产生的表面粗糙度，该表面粗糙度会导致光色散损耗，从而限制光纤的传输性能。

在光纤的制造过程中，将预制件1插入到熔炉2中并加热至一定温度，使得玻璃经历相变并变得粘弹性。然后将这种“液体”玻璃拉伸成光纤。在这个液体相过程中，玻璃是质量或密度波动的场所，这可以被表示为声子波的随机组合。在拉伸过程中，玻璃经历第二次相变，从液体相转变为固体相，并且上述波动被“冻结”。在中空纤维(空芯引导光纤)的情况下，冻结的波动由表面波(被称为毛细波)导致，并采用图4b所示的表面粗糙度的形式，没有实施根据本发明的方法，即没有气流5、6。因此，这种粗糙度会导致光色散，其振幅与玻璃轮廓的芯中的光的覆盖率以及表面粗糙度的振幅成正比。现今，这种分散性是中空纤维的现有技术的极限。

另一方面，在实施了根据本发明的方法之后，如图4a所示，通过反向传播的剪切应力控制毛细波，降低了表面粗糙度。

研究表明，对于Kagome型或管式通过抑制耦合引导的中空纤维，如果表面粗糙度显著降低，则从可见光到紫外线的光谱范围内的损耗能够低至10^-2至10^-3dB/km。

因此，本发明解决了空芯光纤的基本问题。

在特定示例中：

-预制件由空芯二氧化硅制成，其具有Kagome型的微结构包覆层，并且入口21处的外径为40mm，

-熔炉2的包围区域被加热至1900℃，

-工作区4的温度近似为300℃至1000℃，

-以15m/min的速度从出口3的一侧拉伸预制件1，

-气流5为氩气气流，并且在入口21侧的预制件1中的压力比大气压力高30kPa，

-出口气流6在入口21侧的预制件1中的压力比大气压力低6kPa。

所获得的光纤在600-800nm处具有近似1-2dB/km的极好的传输损耗。

本发明使得可以获得比现有技术中的损耗更低的中空纤维，其将在诸如以下行业中实现日益广泛的应用：

1.激光微加工：根据本发明获得的光纤允许高通量激光束的灵活和安全的路由。

2.激光脉冲压缩：根据本发明获得的光纤使得可以通过对光纤长度的简单优化和对待引入到光纤芯中的气体进行选择来压缩激光脉冲。

3.手术：根据本发明获得的光纤允许用于内窥镜或Lasik型手术的激光束的灵活和安全的路由。

4.细胞治疗：根据本发明获得的光纤允许用于靶向破坏癌细胞的超短激光束的灵活和安全路由，而不沉积热量。

5.气体激光器：根据本发明获得的光纤，其芯填充有活性气体，允许将其用作激光熔覆介质。

6.频率标准：根据本发明获得的光纤，其芯填充有气体(例如乙炔、Rb或Cs蒸气)，允许将其用作频率标准。

7.太赫兹成像：根据本发明获得的太赫兹波导允许太赫兹辐射以及用于成像的太赫兹辐射收集的灵活和安全的路由。

8.用于太赫兹和微波的波导：根据本发明获得的波导允许具有低传输损耗的单模太赫兹和/或微波波导。

9.数据中心的低延迟电信。

当然，本发明不限于已描述的示例，在不超出本发明的范围的情况下，可以对这些示例进行多种修改。

当然，本发明的各种特征、形式、变型和实施例能够以各种组合组合在一起，只要它们不是不相容或相互排斥的。特别地，上述所有变型和实施例能够组合在一起。

Claims (20)

1.一种用于制造光纤的方法，其中：

-将预制件(1)插入到熔炉(2)中，

-经由所述熔炉的出口(3)拉伸所述预制件，并且

-如此拉伸的预制件包括工作区(4)，所述工作区包括由壁(7)构成的结构，这些壁的两个相对面承受沿着这些壁但方向相反的气流(5、6)，以使这些壁承受在这些壁的两侧反向传播的气流的剪切力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述壁(7)具有小于10μm的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预制件(1)通过所述熔炉(2)的入口(21)插入，沿着所述壁(7)的气流(5、6)通过以下方式产生：

-产生被称为出口气流(5)的气流，所述出口气流从所述熔炉(2)的入口(21)传播到出口(3)，以及

-产生被称为入口气流(6)的气流，所述入口气流从所述熔炉(2)的出口(3)传播到入口(21)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述出口气流和所述入口气流通过过压和欠压装置(8)产生，以在所述入口(21)侧的预制件(1)中产生所述出口气流与所述入口气流之间的压差。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述出口气流和/或所述入口气流在所述工作区的不同区域中产生。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述气流通过位于所述预制件所插入的所述熔炉的入口(21)侧的装置产生。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述气流的气体包括空气和/或惰性气体。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述工作区形成空芯光纤。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述工作区形成微结构型的光纤。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预制件为玻璃预制件。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述工作区位于所述熔炉的外部。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述工作区的温度高于构成所述预制件的材料的软化或玻璃化转变温度。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述壁(7)具有小于3μm的厚度。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述壁(7)具有小于300nm的厚度。

15.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述压差为至少100Pa。

16.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述压差为至少1kPa。

17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述工作区的温度高于1000℃。

18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述工作区的温度高于1500℃。

19.一种用于制造光纤的设备，包括：

-熔炉(2)，

-被设置用于将预制件(1)插入到所述熔炉(2)中的入口(21)，

-用于经由所述熔炉的出口(3)拉伸所述预制件的装置，以及

-被设置用于使构成被拉伸的预制件(1)的工作区(4)的结构的壁(7)的两个相对面承受沿着这些壁但方向相反的气流(5、6)的装置，以使这些壁承受在这些壁的两侧反向传播的气流的剪切力。

20.一种基于预制件(1)的光纤，所述光纤通过根据权利要求1至18中任一项所述的方法获得，或通过根据权利要求19所述的设备获得。