CN1984850B - 光纤及其预制件以及用于制造它们的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于制造光纤的方法包括下列步骤：将具有第一主轴线(x1)和外表面(111)的一次光纤预制件插入到具有第二主轴线(x2)和内表面(120)的薄壁外包管(12)中，以使所述外表面(111)和内表面(120)限定内部空间(15)；使得一次预制件(11)在外包管(12)内保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主轴线(x1、x2)基本上相互对准；将外包颗粒(13)供给到由壳体(125)限制在外包管(12)下端处的内部空间(15)内；利用连接件(3)在被限制在外包管(12)上端的内部空间(15)内产生负压的状态，所述连接件(3)用于使一次光纤预制件(11)和外包管(12)定位；以及在其下端对未经处理的二次预制件(1)(所述二次预制件包括一次预制件(111)、外包管(12)和外包颗粒(13))加热至软化状态，以便于同时或随后从中拉丝出光纤(5)。

Description

光纤及其预制件以及用于制造它们的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于制造诸如光子晶体光纤的光纤的方法和设备，还涉及用于制造光纤的预制件以及涉及根据所述方法制造的光纤。

背景技术

在文献[1]，Mool C.Gupta的Handbook of PHOTONICS，CRCPress，1997 Boca Raton的10.7章第445-449页中描述了光纤(诸如当前用在超高速数据通信网络中的纤维)的制造。光纤制造的主要程序步骤是：制造玻璃毛坯(下面称作预制件)、从预制件中拉丝出纤维以及在纤维上涂覆用于保护所述纤维免受触摸(handling)以及免受环境影响的材料。

根据文献[1]，基本上存在三种形成预制件的方法，即，改进的化学气相淀积(MCVD)、外气相沉积法(OVD)以及轴向气相沉积法(VAD)。

在拉丝过程中，从上方将预制件装入熔炉的拉丝部分中同时使用牵引器从底部将其拉出。之后将纤维缠绕在鼓上同时监控抗拉强度。拉丝期间的温度在2000℃的边界上。在从熔炉中排出之后，在缠绕在鼓上之前纤维被以可紫外光固化的涂层涂覆。

如文献[2]，美国6,519,974B1中所述的，MCVD法具有优于其他方法的一些优点。在MCVD法中，通过在大约1800℃的温度下混合氯化物蒸气和氧气将连续的SiO₂层和包括氧化锗、磷及氟的掺杂剂沉积在熔结石英管的内侧上。在层沉积程序中，首先铺设包覆层、之后沉积将构成芯的层。在层的沉积之后，在存在Cl₂和He的情况下加热内层石英管以构成致密石英杆。

如文献[2]中进一步描述的，单独使用MCVD法具有以下固有局限性，即，其不适合于制造直径大于25mm的预制件。为了克服该局限性，在实践中MCVD法通常与所谓的外包法结合使用，这可制造较大的预制件，因此提高了纤维制造工艺的生产率。通常来说，传统外包法包括：将杆形预制件放置在由适合的外包材料制成的管内部、将杆和管熔化在一起以形成二次预制件、以及从二次预制件中拉出包括被包裹在包覆层中的芯的光纤。实现MCVD法的高生产率需要三个基本步骤：通过内部沉积制备一次光纤预制件、对一次光纤预制件进行外包以获得二次光纤预制件、并最终从二次光纤预制件中拉出光纤。

在[2]中，发现分别执行这三个步骤需要以下几项：

a)需要大量时间，因此对生产率具有负作用；

b)包覆一次光纤预制件的步骤需要大量氧和氢；以及

c)如果一次光纤预制件较大的话，在外包步骤需要施较大量热量。

为了克服这些缺点，例如在文献[3]美国专利第2,980,957中提出了外包步骤和拉丝步骤的组合。文献[3]中公开的方法包括以下步骤：在拉丝阶段之前，在芯杆和与之同心布置的外包管之间形成高真空，并进一步形成受控低真空，以便于可控地抵消拉拔力并使得管状件逐渐缩入到(collapse into)芯杆与外包管之间的空间中。在组合外包步骤和拉丝步骤阶段的一个问题是必须高精度地控制真空的应用，从而使得所完成的光纤具有现代通信应用所需的充足的强度和光学性能。

文献[2]中提到的另一个方面是芯杆和外包管的同心性。在文献[4]美国专利第4,820,322中公开了一种方法，该方法：可用同心芯杆和包覆物制造强力纤维、使用真空促进外包管的缩入、以及可以独立制造阶段或以与纤维的拉丝相组合的连续程序的方式实践。如文献[2]中所述的，文献[4]中公开的方法在芯杆与外包管之间的间隙上具有限制；管内径不能超过杆直径到多过某一量。另外，该实施例组合缩入管和拉出纤维不使用确定方式(affirmative means)将杆置于管中心，而是依赖固有自定中心力达到同心性，人们认为当从杆-管预制件的尖端中拉出纤维时存在所述固有自定中心力。

为了改进上述技术，在[2]中已提出了一种方法，该方法允许在同时熔化杆和外包管时从杆-管预制件的尖端中拉出纤维。该管中杆方法使用可进行压力差的精细调节的低强度真空源。还可供芯杆与外包管的可控对齐以确保在所拉出的纤维中实现期望的包覆层圆周均匀性。通过将气体流引入到邻接件(adjoiner)而实现低强度真空，该邻接件将具有第一主轴线及外表面的一次光纤预制件和具有第二主轴线及限定了内部空间的内表面的外包管保持同轴地对齐，它们一起作为二次预制件组件。根据伯努利定理，流过邻接件中的槽的气体流产生减压的状态，因此部分地排空外包管与一次光纤预制件之间的空间。流过槽的流速将决定空间中气压减小到哪种程度。

根据文献[2]，与管中杆程序的实现相关的主要问题集中在对齐程序和施加精确控制的真空上。然而，除这些已知的主要问题以外，从杆-管预制件中生产高质量光纤所需的成本也一直是个问题。

因此最好提供可从管中杆预制件中生产高质量光纤的改进方法和设备。

具体地，最好提供可在显著降低的成本下从管中杆预制件中制造高质量光纤的方法。

另外，最好提供允许减少对于杆-管预制件的杆和管的对齐精确度的要求以及减少对于用于控制用于顺序地或同时进行预制件熔化和纤维拉出所需的真空的精确度的要求的方法。

另外，最好制造可与本发明方法结合使用的杆-管预制件，以及从所述杆-管预制件中拉出高质量光纤。

另外，最好制造这样一种杆-管预制件，其允许以减少的劳动强度改变从所述杆-管预制件中拉出的光纤的特性。

然而除得自于“单杆和单管”预制件中的传统光纤外，近年来出现了所谓的光子晶体光纤(PCF)，所述光子晶体光纤依赖用于引导光线的新机构。

如文献[8]，美国专利6,845,204中所述的，传统波导通过物理效应(被称为全内反射)引导电磁场(光线或光子)而操作。通过使用该基本效应，减少了沿垂直于波导轴的方向上光能的传播(或损失)。为了在这些波导中获得全内反射，必须使用与周围覆层的折射系数相比较具有更高折射系数的芯，所述波导通常是由介电材料(光纤中)或半导体(集成光路中)制成的。

然而，在过去十年里，新材料领域中的研发通过施加所谓的光子带隙(PBG)效应揭露了空穴或波导中光线的局限性或电磁场的控制。通过提供空间周期点阵结构引起PBG效应，其中以这种方式选择点阵尺寸和所使用的材料，即，在一定频率间隔下并沿一定方向抑制电磁场在间隙中的传播。

通过局部破坏光子晶体的周期性，可形成其光学特性不同于周围主体光子晶体的空间区域。如果这样的疵点区域支持其频率落在周围全周期晶体的禁隙中的模式的话，这些模式将强烈地局限于疵点。这是引导纤维的PBG的操作赖以执行的原理(即，光子晶体覆层显示出的完全平面外的2D带隙，以及正确设计的疵点)，形成可对其实现非常强的横向限制的空间区域。为了使得该疵点区域显示出不同于周围周期性结构的光学特性(即，能够支持局部模式)，重要的是不存在下述要求：通常为光子晶体光纤的芯的疵点区域具有高于其周围部分的系数。因此，光子晶体光纤可包括中空芯或实心芯。

与传统纤维相比较，光子晶体光纤包括复杂的结构。光子晶体光纤通常具有沿纵向方向延伸的芯区域、沿纵向方向延伸的覆层区域，所述覆层区域包括至少基本为二维的周期性结构，该结构包括一次、细长元件，每个所述元件都具有沿波导的纵向方向延伸的中心轴。一次元件具有低于邻近于细长元件的任何材料折射系数的折射系数。

因此，覆层形成关于波导轴围绕芯的介电限制区域。基于带隙效应，限制区域在至少主频范围内沿波导轴引导电磁辐射。因此，不是通过全反射而是通过覆层显示出的带隙效应将光线俘获在芯中，所述覆层起到像光线的隔离装置那样的作用。

可以各种方式限定包含至少一种细长结构元件的周期性结构，以便获得一个期望带隙或具有期望尺寸的多个带隙。

一次、第二或进一步的细长元件的几何形状和尺寸以及折射系数通常彼此不同。

另外，根据文献[9]，美国专利6,625,364，已认识到设计具有较大芯半径(例如，大于所引导的辐射的波长的大约两倍)的光子晶体光纤会带来许多合意的特性。例如，光子晶体光纤中用于引导模式的芯外部的能量部分与芯半径的立方成反比。因此，通过增加芯半径可使得与介电限制层相关的辐射和发散损耗非常小。而且，由于限制机构不是基于全内反射(TIR)的，因此芯材料不局限于具有较高系数的材料。因此，可将芯材料选择得使得损失和非直线性最小化。例如，纤维可具有中空芯。此外，通过将用于芯外部的层(或区域)的材料选择得在折射系数上具有较大对比性而进一步改进了芯中的限制。因为较大的芯半径较少造成外部层(或区域)导致的发散损耗，所以所述对比性是可能存在的，因此可更多地基于提供期望的系数对比而不是基于吸收损耗来选择外部层(或区域)的构成材料。

因此，对于制造商来说，重要的是，可通过最小化劳动强度和成本提出并生产具有复杂结构的预制件；谨记未来可提出更优选结构或者甚至多芯结构。

另外，尤其是对于复杂结构来说，重要的是，为了避免带隙梯度，在精确地实现期望的细长空隙的同时避免了不合需要的空隙(见文献[10]，美国专利6,698,249)。

现今，通过用手将数以百计的毛细管和杆堆叠成具有适当孔图案的结构而制成了一些预制件。通过用具有较大直径的中空管取代一个或多个毛细管制成了中空芯。之后将该预制件引入到拉丝塔的熔炉中，在熔炉中该预制件被熔合并拉制成1-10mm的尺寸。之后在将其拉成为最终尺寸之前加上套管。通过由晶体光纤A/S实施的该方法，更大预制件的生产涉及更大的劳动强度。

由于通过覆层结构的周期性获得了PBG效应(其为低系数引导特性的基本要素)，因此为了限制电磁场只需要极有限数量的周期，并且根据文献[8]，可使用包含周期性的预制件的一部分的传统覆层。因此可应用已知的外包技术，例如所述的套管。

作为传统外包法的替换，在文献[8]中提出了另一种方法，其中围绕芯区域的纤维是通过根据周期性覆层区域的优选设计将毛细管集束成密集布置而构成的。在具有必须固定在位置中的毛细管的该周期性区域的外部，外纤维结构(对应于外覆层区域)可通过更细玻璃杆的组装构成，它们可机械地振动到适当位置中。当随后将预制件拉丝成纤维时，外部覆层结构熔化以形成(近)实心外部覆层。外部布置细玻璃杆的要求是，由于纤维周期性部分外部的不均匀分布而导致的表面张力不会造成周期性的明显变形。然而，考虑到机械振动的复杂结构，细毛细管涉及裂化管的危险，留下空隙开口或扰乱了周期性结构。

由于可通过将特定掺杂材料或者与纤维基材(例如玻璃或者聚合物)大不相同的材料引到纤维内的区域来制造具有新功能的光子晶体光纤；因此制造工艺可包括在界限明确的位置处将薄的掺杂(或者不同)材料的杆引到紧密装填的周期基材结构中。或者，可利用掺杂材料制造一些毛细管，或者预制件(或者其部分)甚至可被放置在可扩散或者粘合基材杆或者管的材料溶液中。由于在进一步的堆叠或者备选的处理继续进行之前预制件的特定部分可被单独处理，因此该手段允许很高程度的灵活性。

因此，人们还希望提供一种能够利用相应的预制件制造高质量光子晶体光纤的改进方法和设备。

另外，人们还希望提供一种有助于光子晶体光纤的预制件的生产和能够生产较大的预制件的方法。

人们特别希望提供一种这样的方法：能够利用选择用于所生产的光子晶体光纤的最佳性能的管和杆精确地实现复杂结构，同时忽略对于已知的用于获得所需周期结构的方法来说重要的几何尺寸。

人们还希望提供一种允许结构元素独立选择和布置的方法。

人们还希望形成可与本发明方法结合使用的预制件以拉丝出高质量光子晶体光纤。

发明内容

本发明的上述和其他目的由根据本发明以下实施方案的方法、预制件、光纤以及设备来实现。

根据本发明的用于制造光纤的方法包括下列步骤：

将具有主轴线和外表面的一次光纤预制件插入到具有第二主轴线和内表面的外包管中，以使所述外表面和内表面限定内部空间；

使得一次预制件在外包管内保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主轴线基本上相互对准；

将外包颗粒供给到由壳体限制在外包管下端处的内部空间内；

利用邻接件在被限制在外包管上端的内部空间内产生负压的状态，所述邻接件用于使一次光纤预制件和外包管定位；以及

利用温度范围最好在2100℃至2250℃的范围内的炉在其下端对未经处理的二次预制件(所述二次预制件包括一次预制件、外包管和外包颗粒)加热至软化状态，同时从中拉丝出光纤，或者

利用炉对未经处理的二次预制件(所述二次预制件包括一次预制件、外包管和外包颗粒)在其基本整个长度上加热以获得处理后的二次预制件，在随后的阶段中从中拉丝出光纤。

根据本发明的用于制造光子晶体光纤的方法包括以下步骤：

将具有第一主轴线和外表面并布置在至少基本为二维的周期结构中的细长结构元件插入到具有第二主轴线和内表面的外包管中，所述外表面和内表面限定内部空间；

将结构元件保持得使得第一主轴线与外包管的第二主轴线平行；

将外包颗粒供给到由壳体限制在外包管下端处的内部空间内；

利用邻接件在被限制在外包管上端的内部空间内产生负压的状态；以及

利用炉在其下端对制出的具有细长结构元件、外包管和外包颗粒的预制件加热至软化状态，同时从中拉丝出光纤，或者

利用炉对制出的具有细长结构元件、外包管和外包颗粒的预制件在其基本整个长度上加热以获得处理后的预制件，在随后的阶段中从中拉丝出光纤。

由于炉所提供的热能以及由于在预制件中和预制件外部存在的已形成的压力差，将导致外包管皱缩并将熔融外包颗粒压制在一次预制件或结构元件上。由于一次预制件也是结构元件，因此在权利要求1和2的方法之间基本上没有差别。

外包管和外包颗粒的外包材料将形成实际上的均质层，如[2]中所述的，在传统杆和管应用中，当其皱缩时，该均质层以与粗外包管相同的方式连接一次预制件。

如[2]中所述的，可同时执行二次预制件的熔化和纤维拉丝。然而，为了在当前或另一个处理位置获得处理后的二次预制件(在随后的处理阶段中可从中拉丝出光纤)，也可在预备处理阶段中处理所述未经处理的二次预制件。

然而本发明产生了优越于上述现有技术的若干优点：

摒弃通过在一次预制件上套上具有厚壁的外包管制造二次预制件的已知方法。取而代之，使用具有薄壁的外包管并且在一次预制件与外包管的内部空间之间填充硅石颗粒。因此避免了用厚壁制造外包预制件的劳动强度和成本。取代具有厚壁的昂贵的硅石管，可使用硅石颗粒。

由于外包颗粒的活动性，一次预制件的外表面与外包管的内表面之间的内部空间或间隙均匀地填充有硅石颗粒。因此导致一次预制件与外包管之间的未对齐。除消除对齐问题以外，由于外包管未受控制地未皱缩到自由间隙中而是稳定地压在支撑颗粒上，因此降压的控制是非关键性的。

优选地，最好将薄壁外包管的内径选择为比一次预制件的外径大至少1.5倍并比外包管的壁直径大10倍以上。然而，实际上可实现由相关元件的机械强度支持的任何尺寸。

另外，优选地，所述外包管在其下端装有成圆锥形形成的壳体，以使得外包管和一次预制件的壁在其下端相遇并且硅石颗粒可填充到内部空间中。由于优选实施例中的一次预制件在其下端也包括圆锥形形状，因此显著地促进对准程序。

在安装连接件之前或安装连接件之后，通过设在其中的通道将由具有小直径的颗粒(例如，粉末)构成的外包颗粒插入到内部空间中。

外包颗粒可为纯的或掺杂的合成硅石粉末，可根据所制造的纤维的期望特性选择所述合成硅石粉末。在[6]美国专利6,047,568中描述了使用溶胶凝胶技术制造硅石粉末的方法，此外，在[7]美国专利6,334,338中描述了其他的溶胶凝胶技术，用于在拉丝处理期间实现更高的拉丝力和减小断裂危险。因此本发明还提供了高灵活性以满足客户需求。

另外，考虑到光子晶体光纤的制造，本发明在现有技术上产生了显著改进。

由于其端部形成二维周期结构的细长结构元件的轴线可远隔，因此大空间间隙可以节约成本的方式填充以颗粒，从而避免厚壁管状结构元件。

另外，对于涉及期望带隙的所有二维周期结构来说，可使用相同的结构元件。

通过使用具有与二维周期结构相对应的开口的基体可容易地实现细长结构元件或一次预制件的对齐和保持。例如细长结构元件或一次预制件被插入到在两端固定细长结构元件或一次预制件的两个基体中。因此，完整的结构可容易地组装并插入到外包管中。

优选地，每个基体都形成为盘状的，并可借助于内凸缘将其保持在外包管的限定位置中。

此外，优选地，每个基体都包括用于颗粒传输的开口。

优选地，基体是由与颗粒相对应的材料制成的，以使得其与外包材料熔化在一起。

为了封闭间隙和孔并获得更高的材料密度，可施加振动，优选地，可施加高频振动。

结构元件可为管和杆或管-杆组合。如果气孔形成得与管的内部空间相对应的话可使用管。为了在纤维中形成相应的实线，可使用具有选定折射率的实心管。然而，在加热处理阶段期间或在其后或者完全在颗粒熔化之后，为了形成细长气孔也可移除杆，所述细长气孔也是预制件和纤维中的一种结构元件。使用可移除的杆，防止结构元件在加热处理期间皱缩。

为了防止皱缩，在熔化颗粒的处理期间也可通过结构元件传输冷却剂。通过在熔化颗粒的处理期间将管状结构元件的内部暴露于压力下也可实现防止皱缩。

具体而言，本发明采用的技术方案包括：

一种用于制造光纤的方法，包括下列步骤：

将具有第一主轴线和外表面的一次预制件插入到具有第二主轴线和内表面的薄壁外包管中，所述外表面和内表面限定内部空间，并且外包管包括以圆锥形形成的壳体；

使得一次预制件在外包管内保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主轴线基本上相互对准；

将外包颗粒供给到由壳体限制在外包管下端处的内部空间内；

利用邻接件在被限制在外包管上端的内部空间内产生负压的状态，所述邻接件用于使一次预制件和外包管定位；以及

利用炉对未经处理的二次预制件在其下端加热至软化状态，同时从中拉丝出光纤，所述二次预制件包括一次预制件、外包管和外包颗粒，或者

利用炉对未经处理的二次预制件在其基本整个长度上加热以获得处理后的二次预制件，在随后的处理阶段中从中拉丝出光纤，所述二次预制件包括一次预制件、外包管和外包颗粒。

优选地，制出的二次预制件用作所述一次预制件，以便加上外包层。

优选地，所述外包管的内径比所述一次预制件的外径大至少1.5倍并比所述外包管的壁厚大10倍以上。

优选地，在安装邻接件之前或安装邻接件之后，通过设在所述邻接件中的通道将由具有小直径的颗粒构成的外包颗粒插入。

优选地，所述外包颗粒为纯的或掺杂的合成硅石粉末，其是根据所制造的纤维的期望特性选择的。

优选地，所述炉中的温度选择在2100℃至2350℃的范围内。

优选地，所述一次预制件被插入到至少一个基体的开口中，所述开口被设计用于精确地将所述一次预制件保持在预定位置中，其对应于圆形同心。

优选地，所述基体形成为盘状，和/或所述基体包括用于外包颗粒传输的开口，和/或所述基体是由制成外包颗粒的材料制成的。

优选地，借助于内凸缘将所述基体保持在外包管中。

优选地，第一个基体设在一次预制件的上端处而第二个基体设在其下端处。

优选地，外包颗粒在适合的频率范围内振动以便获得更高的材料密度。

一种用于制造光子晶体光纤的方法，包括以下步骤：

将具有第一主轴线和外表面并布置在至少基本为二维的周期结构中的细长结构元件插入到具有第二主轴线和内表面的外包管中，所述外表面和内表面限定了内部空间，并且细长结构元件被插入到至少一个基体上的开口中，所述开口被设计用于精确地将细长结构元件保持在预定位置中，其对应于二维的周期结构；将细长结构元件保持使得第一主轴线与外包管的第二主轴线平行；

将外包颗粒供给到由壳体限制在外包管下端处的内部空间内；

利用邻接件在被限制在外包管上端的内部空间内产生负压的状态；以及

利用炉对具有细长结构元件、外包管和外包颗粒的制出的预制件在其下端加热至软化状态，同时从中拉丝出光纤，或者

利用炉对具有细长结构元件、外包管和外包颗粒的制出的预制件在其基本整个长度上加热以获得处理后的预制件，在随后的处理阶段中从中拉丝出光纤。

优选地，所述细长结构元件是杆和/或管。

优选地，制出的预制件用作根据上述用于制造光纤的方法中的一次预制件，以便加上外包层。

优选地，所述外包管包括以圆锥形形成的壳体，和/或在安装邻接件之前或安装邻接件之后，通过设在所述邻接件中的通道将由具有小直径的颗粒构成的外包颗粒插入。

优选地，所述外包颗粒为纯的或掺杂的合成硅石粉末，其是根据所制造的纤维的期望特性选择的。

优选地，所述炉中的温度选择在2100℃至2350℃的范围内。

优选地，所述基体形成为盘状，和/或所述基体包括用于外包颗粒传输的开口，和/或所述基体是由制成外包颗粒的材料制成的。

优选地，借助于内凸缘将所述基体保持在外包管中。

优选地，第一个基体设在所述细长结构元件的上端处而第二个基体设在其下端处。

优选地，外包颗粒在适合的频率范围内振动以便获得更高的材料密度。

优选地，在外包颗粒已熔化之后移走至少一个细长结构元件以形成中空的芯，或者，为了防止管状细长结构元件的皱缩，在加热处理之前将可移除杆插入到管状细长结构元件中并在加热处理之后或阶段期间移除所述可移除杆；所述可移除杆由具有大于玻璃的热膨胀系数的材料构成。

优选地，所述可移除杆由石墨构成。

优选地，所述可移除杆由具有大于玻璃的热膨胀系数的材料构成。

优选地，为了防止管状细长结构元件的皱缩，在熔化外包颗粒的处理期间传输冷却剂通过管状细长结构元件和/或在熔化外包颗粒的处理期间将管状细长结构元件的内部暴露于压力下。

根据上述用于制造光纤的方法制出的二次预制件，包括已在至少一个处理阶段应用并由已熔化的外包颗粒构成的外包材料。

优选地，所述二次预制件包括一次预制件，其由外包材料包围，外包材料由熔融或未熔融的外包颗粒构成。

优选地，至少外包管的上端由邻接件保持和密封，邻接件包括可连接于真空泵或连接于供气源的抽真空通道，和/或所述邻接件包括被设计用于将外包颗粒插入到内部空间中的至少一个通道。

优选地，所述一次预制件由基体保持，所述基体是由制成外包颗粒的材料制成的。

根据上述用于制造光纤的方法制出的预制件，包括已在至少一个处理阶段应用并由已熔化的外包颗粒构成的外包材料。

优选地，所述预制件包括细长结构元件，其由外包材料包围，外包材料由熔融或未熔融的外包颗粒构成。

优选地，至少外包管的上端由邻接件保持和密封，邻接件包括可连接于真空泵或连接于供气源的抽真空通道，和/或所述邻接件包括被设计用于将外包颗粒插入到内部空间中的至少一个通道。

优选地，细长结构元件由基体保持，所述基体是由制成外包颗粒的材料制成的。

根据上述用于制造光纤的方法或用于制造光纤的方法中任意一项方法制成的、或者从以上相应技术方案中所限定的二次预制件中或预制件中拉丝出的光纤。

一种用于通过上述任意一项用于制造光纤的方法制造二次预制件和/或光纤的设备。

一种用于通过上述任意一项用于制造光子晶体光纤的方法制造预制件和/或光纤的设备。

附图说明

已描述了本发明的一些目的和优点，结合附图阅读以下描述可明白其他的目的和优点，其中：

图1示出了具有第一主轴线x1的一次预制件11；

图2示出了根据本发明方法的具有第一主轴线x2的薄壁硅石管用作外包管12，在其下端具有圆锥形壳体125；

图3示出了保持在外包管12中的中央插入位置中的一次预制件11，其中所述第一和第二主轴线x1、x2基本上彼此对准；

图4示出了具有一次预制件11和具有内部空间15的图3的外包管12的未经处理的二次预制件1，所述内部空间15是由一次预制件11的外表面111和外包管12的内表面限定的，填充有外包颗粒13；

图5示出了图4的二次预制件1，其中连接件3部分地插入于外包管12中，将一次预制件11保持在集中位置中并在其上侧封闭并密封内部空间15；

图6示出了二次预制件1，具有连接件3，其允许通过通道38插入外包颗粒13；

图7详细地示出了图5的二次预制件1的上端；

图8示出了用于图4二次预制件1的连接件3；

图9示出了图6连接件3的截面图，其中提供了用于外包颗粒13的插入的通道38；

图10示出了用于从图5的二次预制件1中拉出光纤的设备；

图11示出了管状和实心细长结构元件1201、1201′，布置在填充有外包颗粒13的外包管12的二维周期结构中，以便于形成设计得用于拉丝出光子晶体光纤的预制件1a；

图12示出了插入到进一步的外包管12′中的图11的热处理后的预制件1a，所述外包管12′中填充有外包颗粒13以形成更大的预制件1a；

图13从顶部示出了图13的布置；

图14示出了设计得用于将结构元件1201、1201′接收和保持在二维周期结构中的玻璃基体200；

图15示出了热处理之前的预制件1a的截面图，其具有两个插入的基体200，所述基体用于将管状和实心细长结构元件1201、1201′和布置在二维周期结构中的中心可移动杆1205保持在外包管12中；

图16示出了热处理和移除可移动杆1205之后图15的预制件1a，所述可移动杆1205占据预制件的核心；以及

图17示出了用于从图16的预制件1a中拉出光子晶体光纤的设备；

具体实施方式

图1示出了具有第一主轴线x1、外径d1和外表面111的一次预制件11。这样一个预制件的制造已经如上所述。

图2示出了薄壁硅石管，具有第一主轴线x2、内径d2、厚度d20和内表面120。下端包括圆锥形壳体125的薄壁硅石管根据本发明方法被用作外包管12。这种硅石管可从多个制造商获得。

图3示出了在外包管12内被固定在中心插入位置的一次预制件11，其中所述第一和第二主轴线x1、x2基本上相互对准。

外包管12的圆形壁的厚度d20例如比其内径d2小10倍。但是，所述直径d2/d20的比值可高达50或者更大。外包管12的内径d2与一次预制件11从外径d1的比值d2/d1例如在1.5至5或者更大的范围内。

因此，由一次预制件11的外表面111和外包管12的内表面120限定的内部空间15的体积较大，即，比一次预制件11的体积大几倍。

图4示出了具有图3的一次预制件11和外包管12的未经处理的二次预制件1，内部空间15充填有外包颗粒13，根据在拉丝过程中的所需性能或者考虑到其以后的性能选择的纯的或者掺杂合成硅石颗粒或者粉末。

图1a、2a、3a和4a示出了沿着图1至4中的线s的一次预制件11、外包管12和外包颗粒13的横截面。

图5示出了图4的二次预制件1，具有插入在外包管12中的邻接件3，邻接件3将一次预制件11固定在中心位置并且在上侧封闭和密封内部空间1。在本发明的该实施例中，在安装邻接件3之前外包颗粒13已经被插入到内部空间15中。

图6示出了对准的并且被邻接件3覆盖的一次预制件11和外包管12，邻接件3包括通道38，外包颗粒13可通过通道38被插入。

具有第一主轴线x3的图5和图6中所示的邻接件3还包括抽真空通道32、33，利用真空泵22可通过抽真空通道32、33对充填有外包颗粒13的二次预制件1抽真空。

图5和图6还示出了供热源或者炉23，供热源或者炉23可使得二次预制件1的下端被加热到例如在2100℃至2350℃的范围内的温度。由于由炉23提供的热能和存在于二次预制件内外的所建立的压力差，外包管12将崩溃并且将熔融的外包颗粒13压在一次预制件11上。这样，外包管12的外包材料和外包颗粒13将形成连接一次预制件的基本均匀的层。

图5a和6a示意性地示出了熔化后的二次预制件1的横截面。

二次预制件1的熔融和纤维拉丝可同时进行。但是也可在纤维被拉丝之前完全处理二次预制件1。

图6详细地示出了图5的二次预制件1的上端的截面图。被插入到外包管12中的邻接件3包括两个周向圆形沟槽，所述两个周向圆形沟槽具有密封元件，例如O形圈，以紧密地邻接和密封外包管12的内表面120使得被邻接件3限制的内部空间15、一次预制件11的外表面111和外包管12的内表面120以及下端的其壳体125可被抽真空。可通过设置在邻接件3中的抽真空通道32和33以及通过将邻接件3与真空泵22相连的管220进行抽真空。在抽真空后可利用关闭的阀221使得管220与邻接件3相连。相反，为了产生负压条件，气体可被供给到邻接件3中的相应通道中，如[2]中所述。

图7至图9中所示的邻接件3还包括；与第一主轴线x3同轴对准的圆柱形开口31和与第一主轴线x3同轴对准的两个圆柱形部分35，圆柱形开口31具有等于一次预制件11的外径d1的直径d3，圆柱形部分35具有等于外包管12的内径d2的直径d4。因此，邻接件3可被插入到外包管12中以使圆柱形部分35连接外包管12的内表面120，并且一次预制件11插入到圆柱形开口31中从而形成封闭的或者被密封盖39封闭的端部36。

为了使得连接件与外包管12的内表面120密封，提供两个邻接所述圆柱形部分35的沟槽，密封元件91插入到所述沟槽中。

图8示出了用于图4的二次预制件1的邻接件3，图9示出了图7的邻接件的截面图，通道38是为外包颗粒13的插入而提供的。在图9中，还示出了相对于邻接件3的主轴线x3同心布置的第一抽真空通道32，其直径d5远大于连接的圆柱形开口31的直径d3。

图10示出了用于从图5的二次预制件1拉出光纤5的设备。在二次预制件1被加热到其熔点并且光纤5已经被拉出后，形成被称为颈缩的角度区域。一个光纤5以半熔融状态从预制件出现并且通过直径监测仪24。光纤5继续被向下拉并且通过涂层涂布装置25，涂层涂布装置25涂布涂层以保护光纤5。光纤5还通过其他单元26、27以使得光学涂层固化并且监测在涂布涂层后的总的直径。接着，光纤5遭遇旋转设备28，旋转设备28可包括为光纤提供旋转的辊。接着，光纤25最后遭遇一系列辊(未示出)以在光纤被卷绕在鼓或者卷轴29上之前拉光纤。二次预制件1被安装在固定装置21中，固定装置21能够沿着其轴线x123可控地垂直移动并且最好围绕该轴线转动。另外，固定装置21可被设计成在二次预制件上施加振动以使得被提供到内部空间15中的外包颗粒13凝结。

图11示出了以二维周期结构的形式布置在充填有外包颗粒13的外包管12内的管状和实心细长结构元件1201、1201’以产生为拉出光子晶体光纤而设计的预制件1a。选择二维周期结构以在从预制件1a拉出的光子晶体光纤上施加光子带隙(PBG)效应。二维周期结构的定义不是本申请的主体。描述这些结构的申请如上所述。但是，对于本发明，具有所有类型的结构的预制件可容易且低成本地实现，这是由于在细长结构元件1201、1201’之间的内部空间以及外包管12充填由挠性介质，即颗粒13。

因此，最好具有标准尺寸的薄壁管被选择作为细长结构元件1201，其在加热过程中不变形或者崩溃。但是，如图11中所示，在加热后被去除的可去除的杆1205’可被使用以使得管状细长结构元件1201的内部保持适合的形状。另外，在没有管状细长结构元件的情况下也可使用可去除的杆1205以保持细长的空间或者空隙，即无外包材料130。在预制件1a被处理后，可去除的杆1205被去除。在图11中，去除的杆1205用作光将被引导到其中的空的或者充填气体的芯的空间保持装置。

用于图11的预制件1a中的二维周期结构包括6个外包单元，每一个外包单元包括6个外部和一个中心细长结构元件1201、1201。外部元件1201是管状的以形成空隙，而中心元件1201’为实心的或者实体圆柱，其材料的折射率不同于外包材料的折射率。

图12示出了被插入到充填有外包颗粒13的另一种外包管12’中的图11的热处理预制件1a以产生较大的预制件1a。对于该方法，不仅一次PCF预制件而且二次和三次预制件等可被容易地生产。这是由于二维周期结构无需分别在预制件或者光子晶体光纤的整个横截面上延伸而导致的。预制件1a表示一次预制件并且如上所述的方式被处理(见图1-4)。

图13从顶部示出了具有实心的和外部熔融管状元件1201、1201’的图13的布置。在芯部区域中的可去除的杆1205和在管状元件1201中的可去除的杆1205’已经被去除，留下中空的芯和细长侧空隙。由于可利用任何二维周期结构实施本发明，因此作为一个示例，附加的第二结构元件1202可被加入到预制件1a。

图14示出了被设计为用于接收和固定采用二维周期结构的结构元件1201、1201’、1202、1205、1205’的玻璃基体200。采用盘或者片形状的玻璃基体200包括开口201、202，结构元件1201、1201’可通过开口201、202插入。该设有其他的开口203以使得颗粒13通过。对于这些基体200，可容易地组装预制件。如果基体200包括外包材料130，那么基体200将在加热过程中以与颗粒13相同的方式转变为外包层的一部分。

但是可利用很小的努力来完成基体200的生产。

图15示出了具有两个插入的基体200的预制件1a，所述两个插入的基体200可在热处理前将采用二维周期结构形式的管状实心细长结构元件1201、1201’和中心可去除的杆1205固定在外包管12内。

图16示出了在热处理和占据预制件1a的中空的芯11a’的可去除的杆1205被去除后的图15的预制件1a。代替中空的芯11a’，实心结构元件1201’可被提供以代表实心的芯11a。通过比较，最好充填有可去除的杆1205’、中心实心结构元件1201’或者中心可去除的杆1205的管状结构元件1201用作图1中所示的一次预制件11的代替物。

图17示出了利用图16的预制件1a拉出光子晶体光纤5的设备。

上述内容仅是为了说明本发明的原理的应用。本领域技术人员可在不脱离本发明的保护范围的基础上采用其他布置。一次预制件11和外包管12或者细长结构元件1201、1201’、1202、1205、1205’的尺寸以及外包颗粒或者粉末13的量以及所用材料的折射率和掺杂剂可在宽的范围内选择。充填的或者空的芯11a、11a’的直径通常是保留的结构元件1201、1201’、1202的直径的倍数。可选择具有适合的热膨胀的可去除的杆1205、1205’以当预制件冷却时使得它们可被容易地去除。可去除的杆1205、1205’例如可包括石墨。因此，如果使用热膨胀系数大于玻璃的热膨胀系数的材料，那么从玻璃化硅石中去除杆可容易实现。在冷却过程中，例如石墨杆将以比玻璃更强烈的方式收缩从而不保持与玻璃粘附的状态。因此，利用可去除的杆可容易地产生具有包括大量细长空隙元件的复杂结构的预制件。

重要的是，注意所有的结构元件的形状尺寸不限于上述示例，也可扩展到本领域披露的所有形状。另外，如图11中所示，结构元件1210可被例如在外包颗粒13已经被加入后熔融的盖覆盖或者被玻璃层密封。材料根据制造参数和被制造的光纤所需的性能来选择。可以各种方式设计连接件3的通道和开口31、32、33、38和密封装置34、39、91。在外包管12的下端处的壳体125可具有完全不同于圆锥状的形状。但是，壳体125和一次预制件的下端最好匹配以有助于对准。可以已知的方法施加和优化拉出光纤的条件(例如见[5]，EP 1 384 700A1)，以使优选操作参数，诸如炉温和拉丝速度可被找出。因此，这样的操作参数没有受到上述值限制。

参考文献：

[1]Mool C，光子学手册，CRC Press，1997Baca，Raton，第10.7章，第445-449页。

[2]美国，6,519,974B1

[3]美国专利，第2,980,957

[4]美国专利第4,820,322

[5]EP 1 384 700A1

[6]美国专利6,047,568

[7]美国专利6,334,338

[8]美国专利6,845,204

[9]美国专利6,625,364

Claims (34)

1.用于制造光纤的方法，包括下列步骤：

将具有第一主轴线(x1)和外表面(111)的一次预制件(11)插入到具有第二主轴线(x2)和内表面(120)的薄壁外包管(12)中，所述外表面(111)和内表面(120)限定内部空间(15)，并且外包管(12)包括以圆锥形形成的壳体(125)；

使得一次预制件(11)在外包管(12)内保持在中心插入位置，并且所述第一和第二主轴线(x1、x2)基本上相互对准；

将外包颗粒(13)供给到由壳体(125)限制在外包管(12)下端处的内部空间(15)内；

利用邻接件(3)在被限制在外包管(12)上端的内部空间(15)内产生负压的状态，所述邻接件(3)用于使一次预制件(11)和外包管(12)定位；以及

利用炉(23)对未经处理的二次预制件(1)在其下端加热至软化状态，同时从中拉丝出光纤(5)，所述二次预制件包括一次预制件(11)、外包管(12)和外包颗粒(13)，或者

利用炉(23)对未经处理的二次预制件(1)在其基本整个长度上加热以获得处理后的二次预制件(1)，在随后的处理阶段中从中拉丝出光纤(5)，所述二次预制件包括一次预制件(11)、外包管(12)和外包颗粒(13)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制出的二次预制件(1)用作所述一次预制件(11)，以便加上外包层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外包管(12)的内径(d2)比一次预制件(11)的外径(d1)大至少1.5倍并比所述外包管(12)的壁厚(d20)大10倍以上。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，在安装邻接件(3)之前或安装邻接件(3)之后，通过设在所述邻接件(3)中的通道(38)将由具有小直径的颗粒构成的外包颗粒(13)插入。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述外包颗粒(13)为纯的或掺杂的合成硅石粉末，其是根据所制造的纤维(5)的期望特性选择的。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述炉(23)中的温度选择在2100℃至2350℃的范围内。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述一次预制件(11)被插入到至少一个基体(200)的开口(201、202)中，所述开口(201、202)被设计用于精确地将所述一次预制件(11)保持在预定位置中，其对应于圆形同心。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基体(200)形成为盘状，和/或所述基体(200)包括用于外包颗粒(13)传输的开口(203)，和/或所述基体(200)是由制成外包颗粒(13)的材料制成的。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，借助于内凸缘将所述基体(200)保持在外包管(12)中。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第一个基体(200)设在一次预制件(11)的上端处而第二个基体(200)设在其下端处。

11.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，外包颗粒(13)在适合的频率范围内振动以便获得更高的材料密度。

12.用于制造光子晶体光纤的方法，包括以下步骤：

将具有第一主轴线(x1，x20)和外表面(111′)并布置在至少基本为二维的周期结构中的细长结构元件(1201、1202......120n)插入到具有第二主轴线(x2)和内表面(120)的外包管(12)中，所述外表面(111′)和内表面(120)限定了内部空间(15)，并且细长结构元件(1201、1202......120n)被插入到至少一个基体(200)上的开口(201、202)中，所述开口(201、202)被设计用于精确地将细长结构元件(1201、1202......120n)保持在预定位置中，其对应于二维的周期结构；将细长结构元件(1201、1202......120n)保持使得第一主轴线(x1，x20)与外包管(12)的第二主轴线(x2)平行；

将外包颗粒(13)供给到由壳体(125)限制在外包管(12)下端处的内部空间(15)内；

利用邻接件(3)在被限制在外包管(12)上端的内部空间(15)内产生负压的状态；以及

利用炉(23)对具有细长结构元件(1201、1202......120n)、外包管(12)和外包颗粒(13)的制出的预制件(1a)在其下端加热至软化状态，同时从中拉丝出光纤(5)，或者

利用炉(23)对具有细长结构元件(1201、1202......120n)、外包管(12)和外包颗粒(13)的制出的预制件(1a)在其基本整个长度上加热以获得处理后的预制件(1a)，在随后的处理阶段中从中拉丝出光纤(5)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述细长结构元件(1201、1202......120n)是杆和/或管。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，制出的预制件(1a)用作根据权利要求1方法的一次预制件，以便加上外包层。

15.根据权利要求12至14中任意一项所述的方法，其特征在于，所述外包管(12)包括以圆锥形形成的壳体(125)，和/或在安装邻接件(3)之前或安装邻接件(3)之后，通过设在所述邻接件(3)中的通道(38)将由具有小直径的颗粒构成的外包颗粒(13)插入。

16.根据权利要求12至14中任意一项所述的方法，其特征在于，所述外包颗粒(13)为纯的或掺杂的合成硅石粉末，其是根据所制造的纤维(5)的期望特性选择的。

17.根据权利要求12至14中任意一项所述的方法，其特征在于，所述炉(23)中的温度选择在2100℃至2350℃的范围内。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述基体(200)形成为盘状，和/或所述基体(200)包括用于外包颗粒(13)传输的开口(203)，和/或所述基体(200)是由制成外包颗粒(13)的材料制成的。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，借助于内凸缘将所述基体(200)保持在外包管(12)中。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，第一个基体(200)设在所述细长结构元件(1201、1202......120n)的上端处而第二个基体(200)设在其下端处。

21.根据权利要求12至14中任意一项所述的方法，其特征在于，外包颗粒(13)在适合的频率范围内振动以便获得更高的材料密度。

22.根据权利要求12至14中任意一项所述的方法，其特征在于，在外包颗粒(13)已熔化之后移走至少一个细长结构元件以形成中空的芯(11a′)，或者，为了防止管状细长结构元件(1201、1202......120n)的皱缩，在加热处理之前将可移除杆(1205)插入到管状细长结构元件(1201、1202......120n)中并在加热处理之后或阶段期间移除所述可移除杆(1205)；所述可移除杆(1205)由具有大于玻璃的热膨胀系数的材料构成。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述可移除杆(1205)由石墨构成。

24.根据权利要求12至14中任意一项所述的方法，所述可移除杆(1205)由具有大于玻璃的热膨胀系数的材料构成。

25.根据权利要求12至14中任意一项所述的方法，其特征在于，为了防止管状细长结构元件(1201、1202......120n)的皱缩，在熔化外包颗粒(13)的处理期间传输冷却剂通过管状细长结构元件(1201、1202......120n)和/或在熔化外包颗粒(13)的处理期间将管状细长结构元件(1201、1202......120n)的内部暴露于压力下。

26.根据权利要求1所述的方法制出的二次预制件(1)，包括已在至少一个处理阶段应用并由已熔化的外包颗粒(13)构成的外包材料。

27.根据权利要求26所述的二次预制件(1)，包括一次预制件(11)，其由外包材料(130)包围，外包材料(130)由熔融或未熔融的外包颗粒(13)构成。

28.根据权利要求26或27所述的二次预制件(1)，其特征在于，至少外包管(12)的上端由邻接件(3)保持和密封，邻接件(3)包括可连接于真空泵或连接于供气源(22)的抽真空通道(33)，和/或所述邻接件(3)包括被设计用于将外包颗粒(13)插入到内部空间(15)中的至少一个通道(38)。

29.根据权利要求26或27所述的二次预制件(1)，其特征在于，所述一次预制件(11)由基体(200)保持，所述基体(200)是由制成外包颗粒(13)的材料制成的。

30.根据权利要求2所述的方法制出的预制件(1a)，包括已在至少一个处理阶段应用并由已熔化的外包颗粒(13)构成的外包材料。

31.根据权利要求30所述的预制件(1a)，包括细长结构元件(1201、1202......120n)，其由外包材料(130)包围，外包材料(130)由熔融或未熔融的外包颗粒(13)构成。

32.根据权利要求30或31所述的预制件(1a)，其特征在于，至少外包管(12)的上端由邻接件(3)保持和密封，邻接件(3)包括可连接于真空泵或连接于供气源(22)的抽真空通道(33)，和/或所述邻接件(3)包括被设计用于将外包颗粒(13)插入到内部空间(15)中的至少一个通道(38)。

33.根据权利要求30或31所述的预制件(1a)，其特征在于，细长结构元件(1201、1202......120n)由基体(200)保持，所述基体(200)是由制成外包颗粒(13)的材料制成的。

34.根据权利要求1至25中任意一项所限定的方法制成的、或者从权利要求26至29中任意一项所限定的二次预制件中或从权利要求30至33中任意一项所限定的预制件中拉丝出的光纤(5)。

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