TW201400906A - 光纖及複合無機套管組件與方法 - Google Patents

Abstract

茲揭示一種具有套管之預端接光纖組件，該套管具有相對之正面及背面及穿過該套管縱向界定之至少一個光纖孔，該光纖組件包括安置於至少一個光纖孔內之玻璃光纖，其中該光纖在該孔內至少1 mm深之位置處熔接至套管。亦揭示一種熔接方法。套管14理想地由無機複合材料組成，該複合物包含在徑向向內方向上自至少75體積%之第一無機材料到至少75體積%之第二無機材料的材料梯度，其中第一無機材料具有至少1 MPa‧m1/2之斷裂韌性，且第二無機材料具有不超過1000℃、理想地不超過900℃之軟化點。

Description

光纖及複合無機套管組件與方法 【相關申請案】

本申請案根據專利法主張2013年3月7日申請之美國申請案第13/788,861號及2012年6月15日申請之美國申請案第61/660,235號之優先權利，本申請案依賴於該等申請案之內容且該等申請案之內容全文以引用之方式併入本文中。

本揭示案係關於光纖及套管組件以及用於將光纖及套管組裝在一起之方法，且本揭示案特定而言係關於光纖及複合無機套管組件以及用於將光纖與複合無機套管組裝在一起之方法。

光纖及套管組件通常係藉由以各種方法中之任一方法將玻璃纖維固定於陶瓷套管內而形成，但最常見之方法係藉由使用環氧基黏著劑。套管之陶瓷構成具有優良尺寸穩定性及大體上略微可定製之CTE的相對韌性的材料。雖然使用環氧樹脂大體而言係低廉的方法，但存在顯著缺點，包括：難以達成黏著劑接合之可重複品質；通常要求對環氧樹脂進 行仔細檢查、冷藏、精確混合、除氣及仔細分配。混合後之有限適用期及應用後之不理想的長固化時間為環氧樹脂之額外缺點。

根據一個態樣，本揭示案提供具有套管14之預端接光纖組件，該套管14具有相對之正面及背面及穿過該套管14縱向界定之至少一個光纖孔。玻璃光纖安置於至少一個光纖孔內，且該光纖在該孔內至少1mm深之位置處熔接至套管。套管14理想地由無機複合材料組成，該複合物包含在徑向向內方向上自至少75體積%之第一無機材料到至少75體積%之第二無機材料的材料梯度，其中第一無機材料具有至少1MPa‧m^½之斷裂韌性，且第二無機材料具有不超過1000℃、理想地不超過900℃之軟化點。

根據另一態樣，本揭示案亦提供一種製造光纖連接器組件之方法，該方法包含以下步驟：提供光纖；提供套管，該套管具有相對之正面及背面及穿過該套管縱向界定之至少一個光纖孔；將光纖定位於至少一個光纖孔內；及藉由用雷射能輻照光纖及套管而在至少一個光纖孔內至少1mm深之位置處將光纖熔接至套管。提供套管之步驟理想地包含以下步驟：提供由無機複合材料組成之套管，該複合物包含在徑向向內方向上自至少75體積%之第一無機材料到至少75體積%之第二無機材料的材料梯度，其中第一無機材料具有至少1MPa‧m^½之斷裂韌性，且第二無機材料具有不超過1000℃之軟化點。

在以下文本中參照圖式描述本揭示案之方法及裝置之變體，即刻在下文簡要描述該等圖式。

10‧‧‧光纖組件

12‧‧‧繪圖

14‧‧‧套管

18‧‧‧正面

22‧‧‧背面

26‧‧‧光纖孔

30‧‧‧玻璃光纖

34‧‧‧跡線

38‧‧‧跡線

42‧‧‧區域

46‧‧‧區域

50‧‧‧區域

A‧‧‧箭頭

B‧‧‧射束

d‧‧‧距離

L‧‧‧位置

R‧‧‧方向

T‧‧‧方向

當結合以下圖式閱讀時，可最佳理解本揭示案之特定實施例之以下詳細描述，其中相同結構用相同元件符號指示，且在該等圖式中：第1圖為根據本揭示案之實施例之光纖及複合無機套管組件之截面圖；第2圖為可用於本揭示案之裝置之實施例中的梯度剖面之實施例的圖表；第3圖為根據本揭示案之光纖及複合無機套管組件之實施例的截面圖，該光纖及該複合無機套管組件經歷根據本揭示案之方法或製程實施例之雷射處理；第4圖及第5圖為根據本揭示案之光纖及複合無機套管組件之實施例的剖面示意圖，該光纖及該複合無機套管組件經歷根據本揭示案之另一方法或製程實施例之雷射處理；以及第6圖為根據本揭示案之光纖及複合無機套管組件之實施例之截面，其中套管具有多個孔。

根據本揭示案之一個態樣且尤其參照第1圖之截面圖，預端接光纖組件10包含套管14，該套管14具有相對之正面18及背面22及穿過該套管14縱向界定之至少一個光纖孔26。玻璃光纖30安置於套管14之至少一個光纖孔26內。 光纖30在至少一個光纖孔26內至少1mm深之位置L處熔接(例如，融合/熔融在一起；混合以形成單一實體)至套管14，或換言之，在與套管14之正面18相距距離d之位置L處熔接至套管14，其中d為至少1mm(例如，至少2mm、至少5mm)。套管14由無機複合材料組成，該複合物包含在徑向向內方向上自至少75體積%之第一無機材料到至少75體積%之第二無機材料的材料梯度，第一無機材料具有至少1MPa‧m^½、理想地至少1.5MPa‧m^½之斷裂韌性，第二無機材料具有不超過1000℃、理想地不超過900℃之軟化點。

根據本揭示案之實施例之一個變體，光纖30沿至少一個光纖孔26之至少10%的長度熔接至套管14而不僅在位置L處熔接。根據進一步變體，光纖30沿至少一個光纖孔26之至少25%、理想地50%的長度熔接至套管14。或者，光纖30可沿至少一個光纖孔26之整個長度熔接至套管14。

第2圖圖示可用於本揭示案之方法及裝置之材料梯度之實施例之繪圖12。縱軸表示複合套管之各別相位或材料組分之體積百分比，其中跡線34表示第一無機材料之百分比且跡線38表示第二無機材料之百分比。橫軸表示沿著套管14之半徑自在半徑0處之套管之中心至全半徑r之距離。在第2圖所表示之實施例中，存在對應於繪圖12之區域42的套管14之區域，在該區域中，套管之材料為100%之第一無機材料，且存在對應於繪圖12之區域46之套管14的區域及包含套管之材料梯度並對應於繪圖12之區域50之套管的區域，在該等區域中，第一材料與第二材料兩者之各別百分比自該 等材料在區域42中之各別值平穩地過渡至該等材料在區域46中之各別值。套管之材料梯度理想地包含套管之區域，該區域沿套管之至少1/10、更理想地至少1/3的半徑長度延伸及甚至更理想地沿著至少1/2的半徑長度延伸，如繪圖12之區域50所表示，該區域沿半徑r之約1/2或1/2以上的長度延伸，或換言之，沿著橫軸之1/2或1/2以上的長度延伸。自第一無機材料至第二無機材料之逐漸過渡遍佈相對大的體積傳播可在組件10之操作溫度範圍內於第一材料與第二材料之間產生的任何應力，即否則將集中於一界面(諸如兩層之間的界面)處而不是傳播穿過對應於套管14之至少1/10及理想地更高的半徑長度的區域的應力。在其他所考慮之實施例中，具有不同比率之第一材料與第二材料的層可提供自套管之外部至孔的階梯式過渡，諸如藉由針對朝向孔之每一連續層增加第二材料之百分比及相對應地減少第一材料之百分比，其中最外層具有根據對應於套管之外側的以上百分比之比率，且最內層具有根據對應於套管之中心的以上百分比的比率，且其中存在至少三個離散層(諸如至少五個離散層)，以使得在光纖熔接於套管中時，鄰接層之間的過渡處的CTE變化程度不會產生足夠大以使套管破裂或分層之應力。

如第2圖中所示，套管14之無機複合物可包含自100體積%之第一無機材料至100體積%之第二無機材料延伸的材料梯度(對應於區域50)，但其他變體係可能的。根據另一實施例，複合材料可包含自至少75體積%之第一無機材料到至少90體積%之第二無機材料、或自至少90體積%之第 一無機材料到至少75體積%之第二無機材料的材料梯度，從而允許套管14之最內部區域及最外部區域由複合材料形成。

理想地，第一無機材料包含經選擇以達成至少1MPa‧m^½、理想地至少1.5MPa‧m^½之陶瓷或甚至由該陶瓷構成。類似地，第二無機材料理想地包含經選擇以具有不超過1000℃、理想地不超過900℃之軟化點的玻璃或玻璃材料或甚至由該玻璃材料構成。根據一個替代性實施例，第一無機材料包含氧化鋯。根據進一步替代性實施例，第一無機材料包含氧化鋁。根據另一替代性實施例，第二無機材料包含氧化矽。

根據本揭示案之另一態樣且尤其參照第3圖之剖面示意圖，提供一種製造光纖連接器組件10之方法。該方法包括以下步驟：提供光纖30；提供套管14，該套管14具有相對之正面18及背面22及穿過該套管14縱向界定之至少一個光纖孔26。該方法進一步包含以下步驟：將光纖30定位於至少一個光纖孔26內；及在至少一個光纖孔26內至少1mm深之位置L處將光纖30熔接至套管14，或換言之，在與套管14之正面18相距距離d之位置L處將光纖30熔接至套管14，其中d為至少1mm。

藉由用雷射能輻照光纖及套管來執行熔接，該雷射能理想地行進穿過套管14之至少一部分且可在各種方向中之任一方向上接近套管14，該等方向諸如第3圖中所示之箭頭A所指示之方向，如圖所示包括幾乎平行於光纖30之方向、垂直於光纖之方向、除垂直之外之方向。如圖所示，套管14 及光纖30亦可在方向R上旋轉且在方向T上平移，以便不僅在單個位置L處將光纖30熔接至套管14，諸如沿著至少一個光纖孔26之至少10%的長度或沿著至少25%的長度。理想地，光纖30可甚至沿著至少一個光纖孔26之50%或甚至沿著孔26之整個長度熔接至套管14。可藉由相對於光纖30及套管14移動一或多個雷射束代替相對於一或多個雷射束移動光纖30及套管14來執行在R方向上之旋轉與在T方向上之平移中之任一者或兩者。

根據套管材料特性，具有自約300nm至11000nm之波長之雷射可用於視相對位置、焦點、射束密度、功率等將光纖接合至套管。套管將具有內徑標稱地類似於光纖30外徑之孔26。根據此方法之一個態樣，可使用熔融氧化矽套管或其他非複合無機套管而非複合套管，且可以介於光纖軸線之0度與90度之間的角度將雷射引導於套管14之端面18處。在熔接期間，光纖30可延伸超過套管端面或可與端面齊平。

根據本發明性及創新性技術之方法之又另一替代性態樣，第4圖及第5圖之橫截面表示該等方法之一個實施例，用於將套管14與光纖30熔接在一起之雷射束可表現為用短焦距透鏡聚焦之射束B之形式，以具有極端收斂角，如第4圖及第5圖中所見，其中表示了射束B之最外層射線。射束B主要在套管14內透射，但射束B在套管14之中心處顯示足夠的強度或能量密度以將光纖30接合至套管。使用相對軸向旋轉R及平移T兩者，雷射束B可執行對孔26之快速螺旋 掃描，從而將接合光纖30與套管14之間的整個界面。此實施例可最佳地用於套管(諸如，熔融氧化矽、硼矽酸鹽及玻璃陶瓷)，而使用端面接近輻射之製程或方法將對具有材料梯度及氧化矽中心之複合套管最起作用。

根據本發明性及創新性技術之方法之又另一態樣，可使用具有多個孔26之套管14，諸如第6圖之橫截面中所示之套管14。根據另一態樣及如上文所述，製程或方法可利用非複合或非材料梯度類型套管，如第6圖中所表示，在第6圖中套管14之橫截面之示意性表示沒有陰影梯度，從而在沒有材料梯度之情況下表示套管材料，諸如熔融氧化矽。

根據本發明性及創新性技術之方法之又另一態樣，可在光纖套管接合步驟之前且尤其是在該步驟期間控制光纖30在光纖孔26內之相對位置。可以兩種方式使用雷射以操縱光纖在套管光纖孔內之位置。作為一個替代方案，雷射可用以快速加熱及冷卻光纖或套管以導致表面及密度失真。此失真可用於在與光纖或套管生長相反之方向上偏置光纖芯。或者或另外，差動接合及偏置於孔26之一個側上之過多熱/材料流可用於在較佳方向上驅動光纖芯，從而使得具有在接合步驟期間主動定位光纖之製程能力。

對於最堅固之最終組件10，提供套管14之方法步驟理想地包含以下步驟：提供由無機複合材料組成之套管14，該複合物包含在徑向向內方向上自至少75體積%、理想地高達100體積%之第一無機材料到至少75體積%、理想地高達100體積%之第二無機材料的材料梯度。第一無機材料具 有至少1MPa‧m^½、理想地至少1.5MPa‧m^½之斷裂韌性，且第二無機材料具有不超過1000℃、理想地不超過900℃之軟化點。

相對於環氧基光纖套管附接製程，此雷射焊接製程降低成本、循環時間及製造複雜度並在可靠性測試中提高產品效能。沒有環氧樹脂，則不存在耗材。循環時間顯著小於1分鐘，且該方法允許一次處理一部分(不需要分批製程)。不需要用以管理及分配黏結劑之開銷、沒有適用期限制且沒有儲放時限限制。亦不存在對施加於套管端面處之力的黏彈性回應。

應注意，當如同「理想地」、「較佳地」、「常見地」及「通常地」之術語在本文中使用時，該等術語不用於限制所主張發明性及創新性技術之範疇或暗示某些特徵對所主張發明性及創新性技術之結構或功能係關鍵的、基本的或甚至係重要的。相反，該等術語僅意欲識別本揭示案之實施例之特定態樣或強調替代性特徵或額外特徵，該等替代性特徵或額外特徵可能用於或可能不用於本揭示案之特定實施例中。

已詳細描述本揭示案之標的且參照本揭示案之特定實施例，將顯而易見的是，在不背離所附申請專利範圍中所界定之本發明性及創新性技術之範疇的情況下，修改及變更係可能的。更具體地，儘管本揭示案之一些態樣在本文中識別為較佳的或尤其有利的，但本揭示案考慮為不必受限於該等態樣。

應注意，以下請求項中之一或多個請求項使用術語「其中」作為過渡片語。為了界定本發明性及創新性技術之目的，應注意，在申請專利範圍中引入此術語作為開放式過渡片語，該開放式過渡片語用於引入結構之一系列特性之複述，且該開放式過渡片語應以與更常使用之開放式前置術語「包含」相同之方式解釋。

10‧‧‧光纖組件

14‧‧‧套管

30‧‧‧玻璃光纖

B‧‧‧射束

R‧‧‧方向

T‧‧‧方向

Claims (10)

1. 一種光纖組件，該光纖組件包含：一套管，該套管具有相對之正面及背面及穿過該套管縱向界定之至少一個光纖孔；其中該套管由一無機複合材料組成，該複合物包含在徑向向內方向上自至少75體積%之一第一無機材料到至少75體積%之第二無機材料的一材料梯度，其中該第一無機材料包含一陶瓷，且其中該第二無機材料包含氧化矽。
2. 如請求項1所述之組件，其中該第一無機材料具有至少1MPa‧m^½之一斷裂韌性，且該第二無機材料具有不超過1000℃之一軟化點。
3. 如請求項1或請求項2所述之組件，其中該陶瓷包含氧化鋁及氧化鋯中之至少一者，且其中該氧化矽包含熔融氧化矽。
4. 如請求項1或請求項2所述之組件，其中該套管之該材料梯度包含該套管的一區域，該區域沿該套管之至少1/10的半徑長度延伸。
5. 如請求項1或請求項2所述之組件，其中該材料梯度在 該區域中係連續的。
6. 如請求項1或請求項2所述之組件，該組件進一步包含一光纖，該光纖在該孔內熔接至該套管之內部，其中該光纖在該至少一個光纖孔內至少1mm深之一位置處熔接至該套管。
7. 如請求項6所述之組件，其中該光纖沿該至少一個光纖孔之至少25%的長度熔接至該套管。
8. 一種製造一光纖連接器組件之方法，該方法包含以下步驟：提供一光纖；提供一套管，該套管具有相對之正面及背面及穿過該套管縱向界定之至少一個光纖孔，其中該套管由一無機複合材料組成；將該光纖定位於該至少一個光纖孔內；藉由用雷射能輻照該光纖及套管而在該至少一個光纖孔內之一位置處將該光纖熔接至該套管，其中該熔接步驟包含以下步驟：引導一雷射束穿過該套管之該無機複合材料。
9. 如請求項8所述之方法，其中該熔接步驟包含以下步驟： 藉由用雷射能輻照該光纖及套管而在該至少一個光纖孔內至少1mm深之一位置處將該光纖熔接至該套管。
10. 如請求項8或請求項9所述之方法，其中該無機複合材料包含內襯該至少一個光纖孔之氧化矽，且其中該熔接步驟進一步包含以下步驟：加熱及至少部分地熔融該氧化矽以將該光纖熔接至該套管。