CN113891864B - 制造空芯光纤和空芯光纤预制件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制造反谐振空芯光纤的方法，反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件。本公开的方法包括以下步骤：提供包层管，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内表面和外表面限定的包层管壁沿所述包层管纵轴线延伸；提供若干个管状反谐振元件预制棒；将所述反谐振元件预制棒布置在所述包层管壁的所述内表面的规定位置处，以形成具有空芯区域和内包层区域的初级预制件；将所述初级预制件拉伸成所述空芯光纤或将所述初级预制件再加工成次级预制件。为了基于此以足够稳定和可重复的方式实现反谐振元件的高精度和精确定位，本发明提出，所述提供和/或布置所述反谐振元件预制棒和/或所述执行热成型过程包括使用包含SiO2非晶颗粒的密封或结合材料进行固定处理和/或密封处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造反谐振空芯光纤的方法，所述反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件，所述方法包括以下步骤：
(a)提供若干个反谐振元件预制棒，
(b)将所述反谐振元件预制棒布置在所述包层管壁的所述内表面的规定位置处，以形成具有空芯区域和包层区域的所述空芯光纤的初级预制件，以及
(c)将所述初级预制件拉伸成所述空芯光纤或将所述初级预制件再加工成次级预制件，由所述次级预制件拉制成所述空芯光纤，其中所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸，
(ii)塌缩，
(iii)塌缩和同时拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料，
(v)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(vi)塌缩附加包层材料和同时拉伸。
此外，本发明还涉及一种制造反谐振空芯光纤预制件或制造半成品的方法，由所述半成品通过拉伸获得所述反谐振空芯光纤，所述反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的内包层区域，所述内包层区域包括多个反谐振元件，所述方法包括以下步骤：
(a)提供包层管，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内表面和外表面限定的包层管壁沿所述包层管纵轴线延伸，
(b)提供若干个反谐振元件预制棒，以及
(c)将所述反谐振元件预制棒布置在所述包层管壁的所述内表面的各自一个规定位置处，以形成具有空芯区域和包层区域的所述空芯光纤的初级预制件，
(d)可选地，将所述初级预制件再加工成所述空芯光纤的次级预制件，其中所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸，
(ii)塌缩，
(iii)塌缩和同时拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料，
(v)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(vi)塌缩附加包层材料和同时拉伸。
由固体材料制成的常规单模光纤具有由玻璃制成的纤芯区域，纤芯区域被由较低折射率玻璃制成的包层区域包围。其中光传导基于纤芯和包层区域之间的全反射。然而，与高能辐射相比，导入光与固体材料的相互作用与数据传输延迟的增加和相对较低的损伤阈值有关。
“空芯光纤”避免或减少了这些缺点，其中纤芯包括填充有气体或液体的空腔。光与玻璃的相互作用在空芯光纤中比在实芯光纤中小。纤芯的折射率小于包层的折射率，因此光无法通过全反射传导，通常会从纤芯逃逸到包层中。根据光传导的物理机制，空芯光纤分为“光子带隙光纤”和“反谐振反射光纤”。
在“光子带隙光纤”中，空芯区域被包层包围，包层中周期性地布置着小的中空通道。包层的中空通道的周期性结构引起基于半导体技术称为“光子带隙”的效应，根据该效应，散射在包层结构处的特定波长范围的光由于中心空腔中的布拉格反射而相长干涉，且不能在包层中横向传播。在称为“反谐振空芯光纤”(“antiresonant hollow-corefibers”；ARHCF)的空芯光纤的实施方式中，空芯区域被内包层区域包围，其中布置着所谓的“反谐振的元件”(或“反谐振元件”；简称：“ARE”)。围绕空芯均匀分布的反谐振元件壁可当作在反谐振中运作的法布里-珀罗谐振腔，该谐振腔反射入射光并将其引导通过纤芯。
这种光纤技术保证了低光衰减、极宽的透射光谱范围(也在紫外或红外波长范围内)和数据传输的低延迟。
空芯光纤的潜在应用领域是数据传输、高性能光束引导，例如用于材料加工、模态滤波、非线性光学，特别是用于从紫外到红外波长范围的超连续谱生产。
背景技术
反谐振空芯光纤的一个缺点是高阶模式不一定会被抑制，因此它们在长距离传输中通常不是纯单模，并且输出光束的质量会变差。
Francesco Poletti的论文“Nested antiresonant nodeless hollow corefiber[嵌套反谐振无节点式空芯光纤]”；Optics Express,Vol.22,No.20(2014)[光学快报，第22卷，第20期(2014年)]；DOI:10.1364/OE 22.023807，提出了一种光纤设计，其中反谐振元件不是设计为简单的单一结构元件，而是由几个相互嵌套的(英语：nested)结构元件组成。这种嵌套反谐振元件如此构造而成，使高阶纤芯模与包层模相位匹配，且高阶纤芯模而非纤芯基模被抑制。这样始终保证纤芯基模的传输，并且空芯光纤可在有限的波长范围内被有效地制成单模。
有效的模式抑制取决于传输光的中心波长和光纤设计的结构参数，如空芯半径和反谐振元件中嵌套环结构的直径差异。
EP 3 136 143A1公开了一种反谐振空芯光纤(该文中称为“无带隙的空芯光纤”)，其中纤芯除了基模之外还可以传导其他模式。为此，它被具有“非谐振元件”的内包层包围，这些“非谐振元件”使反谐振模式与更高模式的相位匹配。空芯光纤是使用所谓的“堆叠-拉丝技术”制造的，其中将起始元件布置成一个轴向平行的整体且固定至预制件，然后拉伸预制件。在此，使用具有六边形内截面的包层管，且将六个所谓的“ARE预制件”(反谐振元件预制件)固定在该包层管的内边缘中。分两步将该预制件拉制成空芯光纤。
WO 2018/169487A1公开了一种制造反谐振空芯光纤预制件的方法，其中第一包层区域包括多个棒，第二包层区域包括多个被包层管包围的管。通过“堆叠-拉丝”技术将棒、管和包层管结合到一起形成预制件。在拉伸预制件之前，通过涂抹密封剂密封预制件的端部。例如，将UV粘合剂用作密封剂。
技术问题
反谐振空芯光纤，特别是那些具有嵌套结构元件的光纤，具有复杂的内部几何形状，这使得精确且可重复地生产它们变得困难。尤其困难的是，为了保持谐振或反谐振条件，甚至不能容忍传导光的工作波长在数量级上的微小范围偏差。与目标几何形状的偏差可能是由光纤预制件的配置造成的，也可能是由于在光纤拉制过程中出现不想要的，超出比例的变形。
在已知的“堆叠-拉丝”技术中，许多元件必须位置精确地接合在一起。例如，为了制造上述论文公开的“NANF”设计的空芯光纤，必须将六个反谐振元件预制棒装接到包层管的内表面处，这些反谐振元件预制棒各自由反谐振元件外管(简称：ARE外管)和单面焊接在ARE外管的内包络面处的反谐振元件内管(简称：ARE内管)组成。
为了实现低衰减值和宽的透射光谱范围，除了反谐振元件壁厚均匀外，包层管内反谐振元件的方位角位置也很重要。使用“堆叠-拉丝”技术无法轻易实现这一点。本发明的目的是提供一种低成本制造反谐振空芯光纤的方法，该方法避免了传统制造方法的局限性。
特别地，本发明的目的是提供一种制造反谐振空芯光纤和反谐振空芯光纤预制件的方法，使用该方法能够以足够稳定和可重复的方式可重复地实现结构元件的高精度和反谐振元件在光纤中的精确定位。
此外，传统的“堆叠-拉丝”技术的缺点，即不能轻易实现所需的结构精度，特别是反谐振元件的均匀壁厚和预定方位角位置的精确定位，应尽可能避免。
发明内容
关于制造反谐振空芯光纤的方法，该问题通过本发明所述的上述类别的方法来解决：所述提供和/或布置所述反谐振元件预制棒和/或根据方法步骤(d)所述的执行过程包括使用包含SiO2非晶颗粒的密封或结合材料进行固定处理和/或密封处理。
制造反谐振空芯光纤的起点是预制件，在此也称为“初级预制件”。预制件包括包层管，在包层管中或包层管处包含用于在空芯光纤中形成反谐振的元件(在此简称为“反谐振元件”)的前驱体或预制棒。可将初级预制件拉伸成空芯光纤；然而，通常对初级预制件进行再加工，以由此制成在此称为“次级预制件”的预制件。如有必要，通过拉伸次级预制件制成空芯光纤。可替代性地，利用一个包覆圆柱体或几个包覆圆柱体包围初级预制件或次级预制件以形成部件的同轴整体，并且将该同轴整体直接拉伸成空芯光纤。通用术语“预制件”在此理解为表示最终由此拉制成空芯光纤的部件或该部件的同轴整体。
在根据本发明的方法中用于密封或固定的密封或结合材料包含SiO2非晶颗粒，这些颗粒例如在分散液中被吸收。将这些材料施加在要结合或密封的表面之间，使用时通常是液态或糊状的。低温干燥时，部分或全部除去分散液并且固话材料。所述密封或结合材料，特别是干燥后得到的，固化的含SiO2的密封或结合材料满足固定和密封要求。干燥所需的温度低于300℃，这有助于保持预制件的尺寸精度并避免热损伤。加热到800℃左右的更高温度，例如在拉伸预制件以形成空芯光纤时，会导致密封或结合材料的进一步热固化，这也适用于形成不透明或透明玻璃。这通过烧结或玻璃化来发生，其中与玻璃化成完全透明玻璃相比，烧结成不透明玻璃需要相对较低的温度和/或较短的加热时间。因而，可通过加热使所述密封或结合材料完全固化并在热成型过程中通过加热使其玻璃化。其中，所述密封或结合材料表现得像石英玻璃一样；它变得粘稠且具有可塑性。
因而，可通过加热来压缩所述密封或结合材料并在根据方法步骤(d)执行过程时优选地通过加热使其玻璃化。
在拉伸过程中，所述密封或结合材料不会分解，并且释放的杂质很少。因而，它的特征在于拉伸过程中的热稳定性和纯度，并且它避免了变形，这些变形会由于由不含SiO2颗粒的材料制成的密封或结合材料之间的不同热膨胀系数而发生。
在理想情况下，含SiO2的密封或结合材料的热膨胀系数对应于要结合和/或要密封的表面的热膨胀系数。通过添加一种或几种掺杂物，可更改和调整热膨胀系数。考虑将例如Al2O3、TiO2、Y2O3、AlN、Si3N4、ZrO2、BN、HfO2或Yb2O3作为掺杂物。
利用本发明，可精确且可重复地制造反谐振空芯光纤及其预制件。
在一个优选的方法中，使用所述密封或结合材料将所述反谐振元件预制棒固定在所述包层管的所述内表面处。
在一个或几个位置处逐点地进行所述固定，或者所述固定在反谐振元件预制棒的较大长度或整个长度上延伸。
所述反谐振元件预制棒通常实施成圆柱形并且具有两个相对而置的端部区域，其中优选仅在所述端部区域中的一个端部区域处或仅在所述两个端部区域处使用所述密封或结合材料进行所述固定。
这样就减少了密封或结合材料对光传导的影响，并且通过在事后去除覆盖有密封或结合材料的预制件体积区域或者不将这些体积区域用于拉动空芯光纤来阻止这种影响。
例如在包层管的内表面上将密封或结合材料点状或条状地施加在反谐振元件预制棒的规定位置处，并且将反谐振元件预制棒压在上面并因此至少暂时地固定。施加面优选尽可能小，以将对光传导的影响降至最低。优选地，施加面如此小，使得其在从预制棒中轴线到反谐振元件预制棒上的投影中不可见，即被反谐振元件预制棒完全遮住。
然而，还有一个方法也是行之有效的，其中提供具有圆形内截面的包层管，其中在所述包层管壁的所述内表面处制成纵向结构，优选纵向凹槽，所述纵向凹槽具有凹口，所述反谐振元件预制棒被固定在所述凹口处或凹口中。
其中，将所述密封或结合材料装入所述纵向结构的所述凹口中，从而使得所述反谐振元件预制棒在根据方法步骤(c)布置在相应的规定位置处时接触到所述密封或结合材料。
其中，反谐振元件预制棒可同时触碰到凹口的纵向边缘。在这种情况下，凹口不仅用于容纳密封或结合材料，而且还使得反谐振元件预制棒更容易在包层管的内表面处占据预定的，限定的位置，由此用作反谐振元件预制棒的定位辅助。
通过机械切削加工预先使包层管结构化改善预制棒的定位精度。因此，在所述包层管内表面处优选地通过钻削、锯切、铣削、切削或磨削制成所述纵向结构。
与其他已知的使用热和压力的成型技术相比，这些加工技术提供了更精确和更精细的结构，并且它们避免了诸如喷嘴、压制机或熔化成型器之类的成型工具对表面的污染。
在一个有利的方法中，所述将所述反谐振元件预制棒布置在所述包层管内表面处包括借助要引入所述包层管内孔中的定位模板进行固定，所述定位模板具有几个径向向外指向的保持元件用于将所述反谐振元件预制棒定位在所述规定位置处。
保持元件的设计上预定的星形布置使得反谐振元件预制棒更容易在相应的规定位置处精确定位并借助密封或结合材料固定。其中，优选仅在所述包层管正面区域，优选在两个所述包层管正面区域插入所述定位模板。
在一个优选的方法中，其中所述反谐振元件预制棒由几个相互嵌套的结构元件组成，使用所述密封或结合材料使所述嵌套的结构元件彼此固定。
在这里，也在一个或几个位置处点状地进行各个嵌套结构元件的所述固定，或者所述固定在结构元件的更大长度或整个长度上延伸，例如在圆柱形结构元件的圆柱体包络面处的纵向条上延伸。优选仅在所述结构元件的一个正面端部处或仅在两个正面端部处使用所述密封或结合材料进行圆柱形结构元件的所述固定。
在另一个优选的方法中，为根据方法步骤(d)执行过程，使所述预制件与支架结合，其中借助所述密封或结合材料制成预制件与支架之间的结合。
所述支架用于将预制件纵轴水平或垂直取向的预制件保持在用于执行热成型过程的装置中，例如在拉伸或光纤拉制装置的进料装置处。所述支架可抓在预制件的一个正面或两个正面处，并且优选由玻璃制成。通过借助密封和结合材料在预制件与支架之间建立结合，避免这些部件像通常那样采用熔合连接，并且由此也避免因熔合连接而带来的热变形。
在另一个优选的方法中，为根据方法步骤(d)执行过程，使所述预制件与气体接口结合，其中借助所述密封或结合材料制成预制件与气体接口之间的结合。
所述气体接口优选由玻璃制成并且用于引入压缩气体或抽真空。在这种情况下，现有技术提出的方法是通过塑料材料密封的结合。这种结合虽然非常灵活，但是不具有热稳定性。高温时的泄漏可能会造成温度波动，特别是在光纤拉制过程中。通过借助密封或结合材料在预制件与气体接口之间建立结合，产生热稳定且同时气密的结合。
气体接口可整体抵接在预制件处，其中与圆柱体包络面或与最外侧管或最外侧材料层的正面进行结合，和/或可与预制件的各个部件或组成部分进行气体连接，例如与反谐振元件预制棒的嵌套结构元件。特别是在与薄的，丝状的部件连接时，例如上述结构元件，如果使用陶瓷粘合剂会导致应力，这种应力会损坏部件。在避免这种应力方面，有利的是，对含SiO2的密封或结合材料进行掺杂，使其热膨胀系数适应要结合的部件或预制件组成部分的热膨胀系数。考虑将例如Al2O3、TiO2、Y2O3、AlN、Si3N4、ZrO2、BN、HfO2或Yb2O3作为掺杂物。
在另一个优选的方法中，为根据方法步骤(d)执行过程，借助所述密封或结合材料封闭所述反谐振元件预制棒的开放端部和/或所述反谐振元件预制棒的各个嵌套结构元件和/或管件之间的任何环形间隙。
反谐振元件预制棒由各个非嵌套的结构元件(例如玻璃管)或几个相互嵌套的较小的结构元件组成，其中玻璃管包围着至少一个管状或平面部件(嵌套元件，英文：nestedelement)。密封或结合材料在这里用于预制件的各个或所有结构元件的流体密封。这种密封通过用密封或结合材料封闭相应结构元件的正面开口来实现。对于两侧均开放的结构元件，可有利的是，利用密封或结合材料封闭正面开口中的一个正面开口。通过封闭结构元件，这些结构元件就不会受到加压或抽真空的影响，这种影响否则就会作用于预制件或未封闭的结构元件。例如，通过这种方式，对于相互嵌套的结构元件，可防止几个较小的结构元件中的一个较小的结构元件受到加压或抽真空。该处理使得位置精确的限定的压力控制成为可能，特别是在光纤拉制过程中。
特别地，在空芯光纤的低光衰减和高的光传输带宽方面被证明特别有利的是，所述反谐振元件以奇对称性围绕空芯布置。
在一个优选的方法中，由此进一步改善预制棒在包层管中的定位精度，即提供管状结构元件，其中至少一部分管状结构元件具有在0.2mm和2mm的范围内的壁厚，优选地，具有在0.25mm和1mm的范围内的壁厚，且其中提供具有在90mm和250mm的范围内的外径的包层管，优选地，具有在120mm到200mm的范围内外径的包层管。其中，这些部件各自具有至少1m的长度。在这种情况下，这涉及相对大体积的用于形成反谐振元件的结构元件。这使操作得以简化。此外，当包层管和结构元件垂直布置时，如果结构元件各自以其上方的正面端部定位并固定在规定位置处；例如并且优选地使用以上详述的密封或结合材料并且补充性地或可替代性地为此借助以上详述的定位模板，重力就会支持结构元件纵轴线的平行度和垂直定向。
关于制造空芯光纤预制件的方法，上述技术任务根据本发明所述的上述类别的方法来实现：所述提供和/或布置所述反谐振元件预制件和/或根据方法步骤(d)所述的执行过程包括使用包含SiO2非晶颗粒的密封或结合材料进行固定处理和/或密封处理。
预制件是制造反谐振空芯光纤的起点。通过拉伸初级预制件，直接拉制成反谐振空芯光纤，或先通过再加工初级预制件制成另一种半成品，在此也称为“次级预制件”，然后由此拉制成反谐振空芯光纤。
在任何情况下，预制件的制造都包括反谐振元件预制棒与包层管的嵌套和结合。在制造预制件时，所述提供和/或布置所述反谐振元件预制件包括使用包含SiO2非晶颗粒的并且在加热时优选形成玻璃的密封或结合材料进行固定处理。预制件的制造方案已在上文结合空芯光纤的制造进行了说明，这些说明均包含于本发明。
定义
上述说明的各个方法步骤和术语如下补充定义。这些定义是本发明说明书的一部分。如果以下任一定义与说明书的其它部分之间存在实质性矛盾，则说明书中的内容具有权威性。
反谐振元件
反谐振元件可以是空芯光纤的简单或嵌套的结构元件。这些反谐振元件至少具有两个壁，当从空芯的方向看时，这两个壁具有负曲率(凸)或无曲率(平、直)。通常地，它们由对工作光来说透明的材料组成，例如玻璃，特别是掺杂或无掺杂的SiO2，合成材料，特别是聚合物，复合材料或结晶材料。
反谐振元件预制棒/反谐振元件前驱体
预制件的部件或组成部分被称为反谐振元件预制棒，它们在光纤拉制过程中实质上通过简单地拉长成为空芯光纤中的反谐振元件。预制件的部件或组成部分被称为反谐振元件前驱体，它们先通过变形成为反谐振元件预制棒或直接成为反谐振元件。反谐振元件预制棒可以是简单或嵌套的部件，附加的定位辅助也可固定在此处。这些反谐振元件预制棒最初以初级预制件的形式存在。嵌套反谐振元件预制棒在空芯光纤中形成嵌套反谐振元件。它们由外管和至少一个别的结构元件组成，该结构元件布置在外管的内孔中。该别的结构元件可以是一个别的管，该别的管抵接于外管的内包络面处。外管称为“反谐振元件外管”或简称为“ARE外管”，该别的管称为“反谐振元件内管”或简称为“ARE内管”或“嵌套ARE内管”。
在多重嵌套反谐振元件预制棒的情况下，至少一个别的结构元件可布置在嵌套ARE内管的内孔中，例如抵接于嵌套ARE内管的内包络面的第三管。为了在多重嵌套反谐振元件预制棒的情况下区分布置在ARE外管内的几个管，必要时区分为“外嵌套ARE内管”和“内嵌套ARE内管”。
与圆柱形反谐振元件预制棒及其圆柱形结构元件相关的术语“截面”始终是指垂直于相应的圆柱形纵轴线的横截面，即除非另有说明，在管状部件的情况下指外轮廓的横截面(而非内轮廓的横截面)。
通过再加工初级预制件，特别是通过热成型步骤，可产生中间产品，其中最初的反谐振元件预制棒以相比最初形状发生了改变的形状存在。改变的形状在此同样称为反谐振元件预制棒或反谐振元件前驱体。
预制件/初级预制件/次级预制件/纤芯预制件(Cane)
预制件是由此拉制成反谐振空芯光纤的部件。它是初级预制件或通过再加工初级预制件而制成的次级预制件。初级预制件可作为整体存在，该整体由至少一个包层管和松散容纳其中或牢固固定其中的反谐振元件预制棒或前驱体构成。将所述初级预制件再加工成次级预制件，由所述次级预制件拉制成所述空芯光纤，所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸，
(ii)塌缩，
(iii)塌缩和同时拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料，
(v)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(vi)塌缩附加包层材料和同时拉伸。
在文献中，纤芯预制件(英语：Cane)是通过塌缩和/或拉伸初级预制件获得的预制件。通常地，在拉制空芯光纤之前或之时用附加的包层材料将其包覆。
拉伸/塌缩
在拉伸时，将初级预制件拉长。可在不塌缩的情况下同时进行拉长。拉伸可按比例进行，从而使例如初级预制件的部件或组成部分的形状和布置反映在拉伸的最终产品中。然而，在拉伸时，也可不按比例拉制初级预制件，并可改变其几何形状。
在塌缩时，内孔变窄或管状部件之间的环形间隙闭合或变窄。通常地，塌缩伴随着拉伸发生。
纤芯/内包层区域/外包层区域由至少一个包层管和松散容纳其中或牢固固定其中的反谐振元件预制棒或前驱体构成的整体在这里也称为“初级预制件”。初级预制件包括纤芯和包层区域。当同时存在例如通过塌缩在整体上制成的“外包层区域”，且应区分这些包层区域时，该包层区域也称为“内包层区域”。名称“内包层区域”和“外包层区域”也用于空芯光纤或通过再加工初级预制件获得的中间产品中的对应的区域。
术语“管内表面”也用作“管内包络面”的同义词，而术语“管外表面”也用作“管外包络面”的同义词。与管相关的术语“内孔”并不意味着内孔是通过钻孔工序产生的。
切削加工
切削加工被理解为用于分离加工工件的分离机械制造方法，特别是车削、切削、钻削、锯切、铣削和磨削。通过这些加工创造在包层管纵轴线方向上延伸的纵向结构，该纵向结构用作反谐振元件预制棒的定位辅助。可从包层管内表面进入纵向结构；纵向结构也可通过整个包层管壁延伸到外表面。
粒度和粒度分布
SiO2颗粒的粒度和粒度分布借助D50值表征。这些值取自粒度分布曲线，这些曲线显示与粒径相关的SiO2颗粒的累积体积。粒度分布通常借助相应的D10、D50和D90值表征。其中，D10值表示未到达10％的SiO2颗粒累积体积的粒径，对应地，D50值和D90值表示未到达50％和90％的SiO2颗粒累积体积的粒径。粒度分布根据ISO 13320通过散射光和激光衍射光谱法确定。
实施例
下面借助实施例和附图更详细地解释本发明。
具体而言，在示意图和横截面的俯视图中：
图1显示初级预制件的第一实施方式，所述初级预制件具有定位在其中的并且使用含SiO2的密封或结合材料固定的反谐振元件预制棒，用于制造空芯光纤的预制件，
图2显示初级预制件的第二实施方式，所述初级预制件具有定位在其中的并且使用含SiO2的密封或结合材料固定的反谐振元件预制棒，用于制造空芯光纤的预制件，
图3显示反谐振元件预制棒的放大图，所述反谐振元件预制棒由几个嵌套的结构元件组成，这些结构元件使用含SiO2的密封或结合材料相互结合，
图4显示初级预制件，所述初级预制件具有定位并且固定在其中的反谐振元件预制棒，
其中一部分使用含有SiO2的密封或结合材料来封闭，
图5显示初级预制件，所述初级预制件具有定位并且固定在其中的反谐振元件预制棒，
这些反谐振元件预制棒使用含有SiO2的密封或结合材料来封闭，以及
图6显示初级预制件，所述初级预制件具有使用含有SiO2的密封或结合材料来封闭的空芯和围绕所述空芯定位和固定的开放的反谐振元件预制棒。
在根据本发明的制造空芯光纤或制造空芯光纤预制件的方法中，为固定预制件的部件或为密封预制件中的空通道，使用基于SiO2的密封或结合材料。这种材料的制造例如在DE 10 2004 054392A1中进行了描述。SiO2非晶颗粒通过将高纯度石英玻璃湿法研磨成颗粒来获得。制成含SiO2非晶颗粒的水性基础浆料，其粒度分布的特征在于约5μm的D50值和约23μm的D90值。将别的平均晶粒径约为5μm的SiO2非晶颗粒混入基础浆料中。用作结合材料的浆料具有约90％的固体含量，至少99.9％(重量百分数)由SiO2组成。为调整热膨胀系数，可存在少量掺杂物。
将浆料材料施加在要结合的一个或两个接触面上。还可行的是，在事先彼此固定的接触面之间形成有浆料材料。然后通过干燥和加热固化所述浆料材料。用于形成浆料的非晶SiO2颗粒由合成制造的SiO2组成，或者它们是在纯化的天然原材料的基础上制造的。
图1示意性地显示初级预制件1，具有带有壁2a的包层管2，在所述壁的内表面处在之前限定的方位角位置处以均匀的间距固定有反谐振元件预制棒4；在本实施例中为六个预制棒4。
包层管2由石英玻璃组成并且具有500mm的长度、30mm的外径和24mm的内径。反谐振元件预制棒4作为由ARE外管4a和ARE内管4b构成的相互嵌套的结构元件(4a；4b)的整体存在。ARE外管4a具有7.4mm的外径并且ARE内管4b具有3.0mm的外径。两个结构元件(4a；4b)的壁厚是一样的并且为0.35mm。ARE外管4a和ARE内管4b的长度对应于包层管长度1。
借助基于SiO2的结合材料5将反谐振元件预制棒4固定在包层管2的壁内表面处。
将结合材料5条状地施加在包层管壁内表面上，并且利用定位模板将反谐振元件预制棒4放置在所述结合材料上，所述定位模板具有设计上预定的星形布置的用于各个反谐振元件预制棒4的保持元件。
通过这种方式，在包层管2与反谐振元件预制棒4之间创造精确且可重复的结合。在低于300℃的低温下固化结合材料5就足以固定了，从而避免周围区域的大幅升温以及由此而来的反谐振元件预制棒4的变形。
在图2中显示的实施方式中，在包层管2的壁2a的内表面处事先各自通过铣削在反谐振元件预制棒4的规定位置处制成纵向凹槽3。纵向凹槽3以六重对称的方式围绕包层管2的内圆周均匀分布。在两个正面端部的区域，将结合材料5装入纵向凹槽3中并且将谐振元件预制棒4如此压在此处，使其与纵向凹槽3的纵向边缘有两条轴平行的接触线。由此确保反谐振元件预制棒4的精确定向。
为了实现反谐振元件预制棒4与纵向凹槽3的纵向边缘之间的固定，需要较小的间距(几微米)或者但是需要接触。因此，在粘接过程中优选借助上述定位模板将反谐振元件预制棒4压向纵向凹槽3。
图3示意性地显示以由ARE外管4a和ARE内管4b构成的相互嵌套的结构元件(4a；4b)的整体的形式的反谐振元件预制棒4的实施方式。两个结构元件(4a；4b)借助基于SiO2的结合材料5彼此结合。
然后将初级预制件1(即由包层管2和插入其中的结构元件(4a；4b)构成的整体)进一步加工成用于空芯光纤的较大的次级预制件。为此，利用石英玻璃制成的包覆圆柱体包覆所述初级预制件，并且将由初级预制件和包覆圆柱体构成的同轴整体同时拉伸成次级预制件。在这种沿预制件纵轴的垂直取向进行的塌缩和拉伸过程中，初级预制件和包覆圆柱体的上端与由石英玻璃制成的支架结合，其中借助所描述的结合材料制成预制件与支架之间的结合。
在塌缩和拉伸过程之后获得的次级预制件在英文专业文献中也称为“Cane”。将所述次级预制件拉制成空芯光纤。针对该目的，还将所述预制件额外地与由石英玻璃制成的气体接口结合，其中同样借助结合材料制成预制件与气体接口之间的结合。为了在其中避免对精细结构元件，例如ARE内管4b加压，事先借助基于SiO2的密封和结合材料5将其开放端部封闭，如图4中示意性地显示的那样。其中密封和结合材料5可识别为灰色阴影区域。密封和结合材料5封闭ARE内管4b的一小段内孔，优选地封闭在执行热成型过程时在预制件纵轴垂直取向时对应于上端的那一端，就足够了。
图5显示预制件1的一个实施方式，其中反谐振元件预制棒4的两个结构元件(4a；4b)由密封和结合材料封闭。
还可行的是，在结构元件(4a和/或4b)中引入压力传送管并且然后用含SiO2的密封材料将剩余的开口密封，从而不会有压力向上逸出。
图6显示一个实施方式，其中反谐振元件预制棒4的两个结构元件(4a；4b)为开放式，但是包层管内孔的剩余横截面由密封和结合材料5封闭。
Claims (18)
1.一种制造反谐振空芯光纤的方法，所述反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件，所述方法包括以下步骤：
(a)提供包层管(2)，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内表面和外表面限定的包层管壁沿所述包层管纵轴线延伸，
(b)提供若干个反谐振元件预制棒(4)，
(c)将所述反谐振元件预制棒(4)布置在所述包层管壁的所述内表面的规定位置处，
以形成具有空芯区域和包层区域的所述空芯光纤的初级预制件(1)，以及
(d)将所述初级预制件(1)拉伸成所述空芯光纤、或将所述初级预制件(1)再加工成次级预制件并由所述次级预制件拉制成所述空芯光纤，其中所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸，
(ii)塌缩，
(iii)塌缩和同时拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料，
(v)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(vi)塌缩附加包层材料和同时拉伸，
其特征在于，方法步骤(b)提供所述反谐振元件预制棒(4)、方法步骤(c)布置所述反谐振元件预制棒(4)和/或方法步骤(d)再加工所述初级预制件(1)包括：使用包含SiO2非晶颗粒的密封或结合材料(5)进行固定处理和/或密封处理，其中所述反谐振元件预制棒(4)由几个相互嵌套的结构元件(4a；4b)组成并且使用所述密封或结合材料(5)使所述结构元件(4a；4b)彼此固定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述密封或结合材料将所述反谐振元件预制棒(4)固定在所述包层管(2)的所述内表面处。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反谐振元件预制棒(4)实施成圆柱形并且具有两个相对而置的端部区域，并且仅在所述端部区域中的一个端部区域处或仅在所述两个端部区域处使用所述密封或结合材料(5)进行固定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供具有圆形内截面的包层管(2)，并且在所述包层管壁的所述内表面处制成纵向结构，所述纵向结构具有凹口，所述反谐振元件预制棒(4)被固定在所述凹口处或凹口中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述纵向结构为纵向凹槽。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述密封或结合材料(5)装入所述纵向结构的所述凹口中，并且所述反谐振元件预制棒(4)在根据方法步骤(c)布置在所述规定位置处时接触到所述密封或结合材料(5)。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述包层管内表面处通过钻削、锯切、铣削、切削或磨削制成所述纵向结构。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述反谐振元件预制棒(4)布置在所述包层管内表面处包括借助要引入所述包层管内孔中的定位模板进行固定，所述定位模板具有多个径向向外指向的保持元件用于将所述反谐振元件预制棒定位在所述规定位置处。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，仅在两个包层管正面区域插入所述定位模板。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仅在所述结构元件(4a；4b)的一个正面端部处或仅在两个正面端部处使用所述密封或结合材料(5)进行圆柱形结构元件(4a；4b)的固定。
11.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其特征在于，在根据方法步骤(d)执行过程时，使所述初级预制件(1)与支架结合，并且借助所述密封或结合材料(5)制成初级预制件(1)与支架之间的结合。
12.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其特征在于，在根据方法步骤(d)执行过程时，使所述初级预制件(1)与气体接口结合，并且借助所述密封或结合材料(5)制成初级预制件(1)与气体接口之间的结合。
13.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其特征在于，在根据方法步骤(d)执行过程时，借助所述密封或结合材料(5)封闭所述反谐振元件预制棒(4)的开放端部和/或所述反谐振元件预制棒(4)的各个结构元件(4a；4b)和/或管件之间的任何环形间隙。
14.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其特征在于，在根据方法步骤(d)执行过程时通过加热来压缩所述密封或结合材料(5)。
15.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其特征在于，在根据方法步骤(d)执行过程时通过加热来使所述密封或结合材料(5)玻璃化。
16.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其特征在于，所述反谐振元件预制棒(4)以奇对称性围绕所述空芯布置。
17.一种制造反谐振空芯光纤预制件的方法，所述反谐振空芯光纤具有沿光纤纵轴线延伸的空芯和包围所述空芯的包层区域，所述包层区域包括几个反谐振元件，所述方法包括以下步骤：
(a)提供包层管(2)，所述包层管具有包层管内孔和包层管纵轴线，由内表面和外表面限定的包层管壁沿所述包层管纵轴线延伸，
(b)提供若干个反谐振元件预制棒(4)，以及
(c)将所述反谐振元件预制棒(4)布置在所述包层管壁的所述内表面的各自一个规定位置处，以形成具有空芯区域和包层区域的所述空芯光纤的初级预制件(1)，其特征在于，方法步骤(b)提供所述反谐振元件预制棒(4)和/或方法步骤(c)布置所述反谐振元件预制棒(4)包括：使用包含SiO2非晶颗粒的密封或结合材料(5)进行固定处理和/或密封处理，其中所述反谐振元件预制棒(4)由几个相互嵌套的结构元件(4a；
4b)组成并且使用所述密封或结合材料(5)使所述结构元件(4a；4b)彼此固定。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
(d)将所述初级预制件(1)再加工成所述空芯光纤的次级预制件，其中所述再加工包括一次或重复执行以下热成型过程的一项或几项：
(i)拉伸，
(ii)塌缩，
(iii)塌缩和同时拉伸，
(iv)塌缩附加包层材料，
(v)塌缩附加包层材料和随后拉伸，
(vi)塌缩附加包层材料和同时拉伸，
其特征在于，方法步骤(b)提供所述反谐振元件预制棒(4)、方法步骤(c)布置所述反谐振元件预制棒(4)和/或方法步骤(d)再加工所述初级预制件(1)包括：使用包含SiO2非晶颗粒的密封或结合材料(5)进行固定处理和/或密封处理，其中所述反谐振元件预制棒(4)由几个相互嵌套的结构元件(4a；4b)组成并且使用所述密封或结合材料(5)使所述结构元件(4a；4b)彼此固定。
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