一种成形微结构光纤预制件的方法和装置的制作方法

文档序号:1987046
专利名称:一种成形微结构光纤预制件的方法和装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种微结构光纤制造用的一种工艺和一种装置。
光纤使用于传输光线由一个地方至另一个地方。通常,光纤是由一种以上材料制造的。第一种材料使用于形成光纤的一个中心光线载体部分,称为芯子,而第二种材料围绕第一种材料以及形成光纤的一部分,称为包层。光线能够被芯子/包层界面上的总内反射捕获在芯子内。
这些普通的光纤典型地使用已知的气相沉积技术制造,比如改进的化学气相沉积(MCVD),外部气相沉积(OVD)以及气相轴向沉积(VAD)。
更现代的光纤波导具有与普通的光纤显著不同的结构,这就是微结构光纤(也称为“光晶纤维”或“多孔纤维”)。一种微结构光纤是由一种相同的均质材料制造的纤维(典型地为二氧化硅),具有在内部的一种微结构(这就是在光波尺度内的一种结构),取决于沿着光纤纵向延伸的微结构元件,以及具有一个预定的分布。作为一种微结构元件,它有可能识别一个显微孔或与基体不同的材料一个细丝元件。
最普通类型的微结构光纤具有一个包层区,显示许多等间距的细孔围绕一个均质的和均匀的中心(芯子)区。这种类型的一条光纤例如参见下列的国际专利申请WO 99/00685。在一个不同的实施例中,光纤的中心区可以具有一个中心孔,例如参见下列的国际专利申请WO 00/60388。这两种类型的光纤按照不同的光学现象在芯子内传输光线。
在不存在中心孔的情况下,光线在包层区内的传播被禁止,这是因为相对于芯子区存在一个降低的平均反射指数。这样一种结构形成一个低损耗的全二氧化硅光学波导,它借助正确地选择它的特征参数值保持在二氧化硅的透射窗口内对于所有波长为单型。在此种情况下的波导机理很接近于在普通的光纤内的波导机理,以及是具有不同反射指数的两种材料(空气和二氧化硅)的总内反射的一种形式。
在存在中心孔的情况下,光线在包层区内的传播被禁止,这是由于存在一个“光子带间隙”。“光子带间隙”现象,它与固态物理中已知的“电子带间隙”类似,阻止某些频率的光线在被孔阵列占据的区域内的传播,这些光线因此限定在芯子区内。光纤内的光线传播显示一个光子带间隙,例如参见下列文献J.C.Knight,J.Broeng,T.A.Birks and P.St.J.Russell,“Phtonic Band Gap Guidance in OpticalFibres”,Science 282 1476(1998)。
以上所述的微结构光纤的光学特性取决于孔的数目,孔的直径,相邻孔之间的往复距离以及孔的几何花样。由于这些参数可以广泛地改变,可以设计各种不同特性的光纤。
微结构光纤典型地是借助所谓的“叠层和拉制”法制造,其中一系列的二氧化硅棒和/或管叠层为一个紧密包装排列以形成一个预制件,该预制件能够使用普通的塔架装置拉制成为一条光纤。
例如,在申请US 5,802,236A中提供一个芯子元件(例如一个二氧化硅棒)和许多毛细管(例如二氧化硅管),以及这些毛细管排列为一束,并且使芯子元件典型地处于束的中心。这个束借助一个或多个外包层管保持到一起,这些外包层管压隔在束上,从而保护此紧密包装排列。随后借助供给该预制件至一个普通的拉制炉的加热区由最终的预制件拉制光纤。
申请人注意到,叠层和拉制制造方法具有严重的缺点。
装配数百个非常薄管子的困难性,以及当叠层和拉制管子时可能存在的隙间凹陷可以显著地影响光纤的衰减,这是由于引入杂质,不希望的界面以及引起由于物质由管子转移至隙间孔而导致开始孔的再成形或变形。叠层和拉制方法的其它问题可以表现为管子材料的低纯度以及在生产要求尺寸的管子和获得要求花样孔方面的困难。并且,较低的生产率和高的费用使得此方法不能特别适合于工业生产。
一种不同的技术,它至少部分地克服上述问题,就是使用溶胶—凝胶工艺生产玻璃预制件。此技术例如可参见文献EP 117 233 9 A1,名称为Lucent Technologies Inc.涉及制造光纤的一种方法。此方法包括提供一个模具,该模具带有许多长条元件延伸进入模具以及保持在相对于模具的一个预定的空间排列,引入一种含二氧化硅的溶胶到模具内和引起或允许溶胶成为凝胶,在一个凝胶体形成之后,长条元件由凝胶体取出,以及凝胶体由模具取出。代替地,长条元件可以在凝胶体由模具分离之后再拔出。凝胶体随后干燥、烧结和净化,以及由烧结的凝胶体拉制微结构光纤。取出长条元件可以使用由模具拉出它们机械地进行,单根地拉出或分小组拉出。代替地,长条元件可以由一种聚合物组成,它能够借助化学或热作用去除,例如分别地借助暴露组件在一种适当的溶剂内或借助热解。
在EP 1172339 A1内描述的长条元件的清除技术显示某些缺点。
本申请人确认,借助热作用去除是不实际的,因为长条元件燃烧产生的热能够引起凝胶体的开裂。
关于化学去除,EP 1172339 A1没有规定,何种棒材料和何种溶剂可以实际地使用于此目的。此评价的本申请人认为,这样一个工艺在任何情况下会影响凝胶体的完整性。
参考EP 1172339 A1描述的机械去除法,本申请人发现,这里再次存在凝胶预制件的开裂问题,特别是申请人经实验发现,在长条元件拔出时两个原因引起凝胶体开裂。
第一个原因是凝胶与元件表面的粘附,申请人观察到,这样的粘附可能由于由凝胶拔出长条元件之前施加至元件的一个轻度扭转而破坏。然而,元件的扭转引起在易碎的凝胶表面内的界面应力和显微裂纹。
第二个原因有关这样的事实,纵向元件的直径可能不是恒定的作为轴向位置的一个函数。这点尤其是对于小直径元件是真实的。比如,元件的直径小于2mm。因此,一个元件的一个纵向部分在沿着拔出方向的一个相邻的纵向位置可能具有一个直径稍大于凝胶孔。在拔出时,元件的此纵向部分被压紧进入与较小直径凝胶孔的表面接触,导致凝胶表面的应力和开裂。
申请人现在发现,在溶胶的凝胶化时施加一个运动至纵向元件,以上所述的凝胶表面的应力和开裂问题能够避免。此运动可以是纵向元件围绕它们的轴的转动和/或纵向元件沿着它们的轴的移动。
申请人观察到,在溶胶的凝胶化时施加这样一个运动至长条元件,凝胶粘附至转动元件可以避免。如果纵向元件调节进入转动,也会产生接近表面的液体的一个剪力运动,它导致在凝胶内产生一个孔,此孔的直径稍大于元件,从而减少拔出元件时凝胶表面开裂的可能性。然而,当纵向元件的数目高时,施加一个轴向(交替的)移动至纵向元件可以较容易实现。
本发明因此涉及在制造一条微结构光纤的一个工艺内一个中间预制件的一种成形方法,该方法包括下列步骤—提供一种溶胶,它含有一种玻璃预配料;—浇注溶胶在内部具有一组长条元件的一个容器内;—时效处理溶胶,以获得一个凝胶体,—由凝胶体取出至少一条长条元件,以便在凝胶体内产生一个相应的孔;以及—由容器取出凝胶体;其中本方法还包括在转变溶胶成为凝胶的步骤的至少一部分时施加一个运动至上述至少一个长条元件。
由凝胶体取出至少一条长条元件最好在由容器取出凝胶体之前进行,但是也可以在此步骤之后进行。
施加一个运动至至少一条长条元件可以包括施加一个转动至围绕其纵轴的至少一条长条元件。此转动最好以一个速率为约1至120rpm(转/min)施加。
代替地,施加一个运动至至少一条长条元件可以包括施加一个轴向运动至至少一条长条元件。轴向运动最好是一个交替运动,以及以一个速率最好为约1至20mm/min施加。
作为另一种代替,施加一个运动至至少一条长条元件可以包括施加一个转动围绕其纵轴和一个轴向运动至至少一条长条元件。
在本方法的一个可能的方案中,上述一组全部的长条元件由凝胶体取出。在此种情况下,本方法最好包括在转变溶胶成为凝胶的步骤的至少一部分时施加一个运动至全部的长条元件。
代替地,至少一个上述长条元件可以保留在凝胶体内。
形成一种溶胶的步骤最好包括混合至少一种玻璃预配料和水。
长条元件最好是棒形或管形元件。
本发明还涉及一种中间预制件,它是借助以上所述的方法获得的。
在另一方面,本发明涉及一种微结构光纤的一种制造工艺,该工艺包括—按照以上所述的方法成形一个中间预制件;—干燥中间预制件;—烧结干燥的中间预制件,以获得一个玻璃预制件;以及—结构上改变玻璃预制件,以获得微结构光纤。
按照以上所述方法成形的中间预制件具有至少一个纵向孔,以及该工艺可以还包括在中间预制件干燥之后以及干燥的中间预制件烧结之前,或在干燥的中间预制件烧结之后以及圆柱形玻璃预制件结构上改变之前,插入至少一条微结构产生元素至上述至少一个孔内。
结构上改变玻璃预制件的步骤可以包括拉制玻璃预制件以获得一个芯子棒。
结构上改变玻璃预制件的步骤可以还包括涂覆玻璃材料在芯子棒的外面以获得一个最终的预制件。
再者,结构上改变玻璃预制件的步骤可以包括拉制最终的预制件,以获得微结构光纤。
本发明还涉及一种微结构光纤,它们是按照以上所述的工艺获得的。
按照另一个方面,本发明涉及一种装置,用于在一种光纤的制造工艺内一种中间预制件的成形,该装置包括一个模具,适合于包容一种溶胶以便转变成为一种凝胶体;此模具包括一个圆筒形容器和一组平行的长条元件排列在容器内,以便在凝胶体内形成一组相应的孔,以及还包括一个机构,用于在转变溶胶成为凝胶时施加一个连续的运动至长条元件。
上述机构可以是一种适当类型的,以施加围绕相应的轴的一个转动至长条元件,例如,一种具有齿轮的机构。
代替地,上述机构可以是适当类型的,以施加一个移动,最好带有交替运动的沿着相应的轴至长条元件。例如,上述机构可以具有一个滑板,轴向结合至长条元件以及接合至一个垂直的导轨,以及一个器件,用于沿着此导轨移动滑板。在此种情况下,长条元件最好借助接合元件接合至滑板,该接合元件提供一个微不足道的限制至上述长条元件的转动。
作为另一种代替,上述机构可以是适当类型的,以施加沿着相应轴的移动(最好是交替的)以及围绕相应轴的转动至长条元件。
更详细的情况见以下说明,并参见附图,其中

图1示出一条微结构光纤;图2是一个组件的方框图,该组件使用于制造按照本发明的一条微结构光纤;图3示出按照本发明的一个模型装置;图4是图3的模塑装置的一个顶视图;图5示出本发明的模塑装置的一个代替的实施例;图6a和6b示出图5的模塑装置的细节图;图7a至7m示出按照本发明的一条微结构光纤的制造工艺的不同的步骤。
图1示出一条微结构光纤的横剖面,该光纤适合于传送远距离光学信号。光纤1具有一个中心轴2以及一组纵向孔3,这些孔平行于中心轴2,以及围绕轴2对称地排列。孔3阵列显示一个“缺陷”在它的中心区,因为一个孔沿着轴2失踪。如已知,存在这样一个“缺陷是必要的,以便具有光纤的希望的光导性能”。
各孔3最好具有相同的尺寸,但也可以具有不同的尺寸,例如,如专利US 5,802,236所述(其中在一个内冠部的孔具有尺寸大于较外的孔的尺寸)。
孔3可以含有空气或不同的气体,或者用一种液体或材料充填,这种材料与主玻璃体不同。如果孔3用一种不同的材料充填,此材料典型地具有与周围材料不同的反射指数。
在一个代替的实施例中(未示出),光纤可以具有一个中心孔与轴2共轴,它的尺寸大于孔3的尺寸。并且,此中心孔可以含有空气或不同的气体,或者用一种液体或不同的材料充填,这种材料与主玻璃体不同。
表征以上所述的微结构光纤的参数是孔3的直径、两个相邻孔3之间的间距(节距)Λ和光纤的外径D,如果有一个中心孔存在,这个直径是中心孔的。
光纤的性能在一个预定的光波长λ内取决于比率d/Λ和比率Λ/λ。典型地,d和Λ的数量在微米尺度内,以及D对于一条标准的光纤为125μm。比率d/Λ最好为0.1至0.5之间,以及比率Λ/λ最好为0.5至10之间,而比率d/D最好为0.004至0.08之间(一个典型值为1/125)。如果孔3的直径是节距Λ的一个足够小的函数,光纤以一个简单模式导光。
图2示出一个组件的方框图,该组件适合于制造以上所述类型的一条微结构光纤,以及在这里组件整体作为10。组件10包括一个模塑装置20,用于由一种溶胶生产一种凝胶芯子,一台炉子30,用于烧结干燥后的凝胶预制件,因此获得一个中间玻璃芯子预制件,一台拉制机构40,用于拉制中间玻璃芯子预制件成为一条芯子棒,一个外包层装置50,用于涂覆外包层至芯子棒,从而获得一个最终的预制件,以及一个拉制塔架60,用于由一个最终预制件拉制一条光纤。虚线指示组件10的不同部分的工作顺序。
参见图3和4,模塑装置20包括一个圆筒容器201,在其中溶胶将形成为凝胶芯子预制件和一组有间距的长条元件202(其中一些没有示出)纵向地跨过容器201,以及适合于在溶胶—凝胶转变工艺结束时由凝胶预制件机械地取出。
长条元件202可以是丝、棒或管子,以及这样排列,以限定凝胶芯子预制件的一个预定的内结构。预制件的此种内结构应相当于最终光纤的内微结构,以及长条元件202因此也称为“微结构产生元件”。
容器201最好包括一个圆筒侧壁203,该容器201具有一个中心轴204和一个第一盖子205和一个第二盖子206—分别为上盖子和下盖子—它们与侧壁203的边缘配合。容器201的直径的选择是根据容易操作和处理的实际考虑。适当的接合器件(未示出),比如连杆和帽套,螺帽或凸缘连接可以使用于固定盖子205和206至壁203。密封元件可以插入在侧壁203和盖子205,206之间,以避免流体由容器201内部流动至外部,或由外部流动至容器201内部。
代替下盖子206可以设置一个底壁与侧壁制成整体,从而形成一个单件的杯形容器。
侧壁203可以是一个管形元件,由玻璃、塑料或金属制造。盖子205,206可以是盘形元件,由聚四氟乙烯制造。上盖205最好具有一组通孔205a,排列如同微结构产生元件202。类似地,下盖子206也可以具有一组凹陷206a,与孔205a同样地排列。盖子205,206这样定位,使孔205a与凹陷206a对准。可以设置器件,用于方便地允许此种对准,这些器件类似于基准标记,或借助销钉接合。最好,上盖子205较厚,从而对微结构产生元件202提供一个引导功能。如果沿着光纤的中心轴204形成一个中心孔,微结构产生元件202组将引入一个中心的微结构产生元件,以及盖子205,206也将分别地设置一个相应的孔和一个相应的接合凹陷。
当模塑装置20装配时,微结构产生元件202前进通过一端上的一组孔25a和另一端上的接合凹陷26a。微结构产生元件202最好具有尺寸和刚度,以允许容易操作和容易装配模塑装置,以及它们可以是相同的圆筒元件或不同尺寸的和不同材料的元件。
微结构产生元件202的材料最好是这样的,它能够避免在溶胶聚合工艺中腐蚀以及避免拔出操作中的损坏。元件202最好由金属、塑料、橡胶或玻璃制造。元件202也可以由聚四氟乙烯制造或涂覆聚四氟乙烯,它能减少凝胶的粘附。其它可使用的材料是带涂层金属,最好是带一种陶瓷涂层和硅烷化玻璃,它们可以改进元件表面的平滑性。在孔具有较大横截面的情况下(数mm或更大),元件202最好由一种弹性体材料制造,比如橡胶,它们能够借助施加一个机械载荷在室温下拉出。在此种情况下,由于在拉制应力下,橡胶管或棒的直径减小,其程度与材料的泊松比(Poisson ratio)有关,内表面损坏的危险受到限制。
元件202组内的一个或多个元件可以设计为保留埋置在预制件内,从而变成预制件的一个结构元件,以及随后是光纤的一个微结构元件。这些元件的功能能够是光学的或力学的。例如,模塑装置20可以包括一个中心的微结构产生元件,设计为保留埋置在凝胶结构内,从而形成它的一个中心的结构元件。设计为保留埋置在预制件内的这些元件是由预定的材料制造的,它不同于预制件的基体材料,以及它适合于在光纤的制造工艺结束时拔出,最终的预制件拉制成为一条光纤,例如,中心的微结构产生元件202可以是一个玻璃棒,含有锗。
微结构产生元件202的排列和尺寸应这样选择,以获得在制造的光纤内孔的一个预定的空间分布和尺寸。尤其是,元件202的尺寸和它们的往复距离之间的比率应相当于最终的光纤内的孔5的直径d(更通常是在包层区内的微结构元件的)和这些孔的周期Λ之间预定的比率d/Λ。不同的是,元件202的直径和容器21的内径之间的比率不需要相当于孔的直径d和最终的光纤的外径D之间的比率d/D,以及能够按照容易操作和处理的需要选择。特殊地,孔的过小的尺寸和间距使得模塑装置的装配非常困难,而太大的容器直径使预制件的后处理复杂化以及容易引起碎片。
如图3内所示,模塑装置20可以包括一个转动机构210,适合于施加一个转动至围绕相应轴的微结构产生元件202。机构210最好包括一组齿轮211,每个齿轮刚性地接合至一个相应的微结构产生元件202。齿轮211最好具有相同的尺寸,从而使一个相同的转动速率能够施加至不同的微结构产生元件202。
此组齿轮211最好分为一个第一组齿轮211a和一个第二组齿轮211b,由于障碍的原因定位在不同的高度上。这种排列例如能够借助提供不同长度的微结构产生元件202获得。在图3的特定的实施例中,第一组齿轮211a与外面一组微结构产生元件202联系(图3内为12个),而第二组齿轮211b与内部一组微结构产生元件202联系(图3内为6个)。
每个微结构产生元件202携带两个叠置的齿轮211’,211”,分别地属于第一组齿轮211a和第二组齿轮211b,以及连接至适合于施加转动的一个电动机213。
传动齿轮211’和211”分别地与第一组齿轮211a和第二组齿轮211b的其它的齿轮啮合为链传送装置。
如图5内所示,模塑装置可以是一个较复杂的装置,在此处它的图号为20’,该装置除转动机构210外,一个移动机构220适合于对微结构产生元件202提供一个轴向(即纵向)运动,最好是交替的运动。轴向运动施加至微结构产生元件202,以避免在溶胶凝胶化时凝胶粘附至微结构产生元件202。
模塑装置20’还包括一个支承结构219,该支承结构219具有一个水平底座221,用于容器201,以及一个垂直壁222,由水平底座221延伸,以支承移动机构220。垂直壁222具有一个高度大于容器201的高度的两倍。
移动机构220具有一个水平平面223,滑动地接合至垂直壁222,以及一个带电动机的机构226,以施加一个移动运动至水平平台223。
水平平台223具有一组孔,这些孔被微结构产生元件202穿过。如图6a和6b所示,每个微结构产生元件202可以借助定位在水平平台223的相对侧面的两个台座224接合至水平平台223,从而在移动运动时与水平平台223成为整体。有利的是,台座224提供一个微不足道的限制至微结构产生元件202的转动,换句话说,微结构产生元件202基本上是自由转动的。
台座224可以限定为例如“Seeger”环形,使用在相应的环座225上(其中仅示出一个),该环形座225设置在每个微结构产生元件202上。
一个不同的解决方案用于提供微结构产生元件202的一个轴向限制和一个转动自由,这就是使用两个滚珠轴承第五齿轮(未示出)至在水平平台223的相对侧面上的微结构产生元件202。此两个滚珠轴承第五齿轮可以借助Seeger环轴向地固定至微结构产生元件202。
带电动机机构226适合于在一个第一位置和一个第二位置之间垂直地移动平台223,第一位置(下位置)接近容器221的顶部,在其中微结构产生元件202沿着容器221延伸向下至下盖子206,第二位置(上位置)接近垂直壁222的顶部,在其中微结构产生元件202由容器221拔出。
带电动机机构226包括一个长条螺杆227,在垂直壁222的一个凹陷228内垂直地延伸,以及一个电动机229,定位在垂直壁222的顶部,以施加一个转动运动至螺杆227。螺杆227与设置在平台223上的一个螺帽230接合,尤其是在平台223的一个延伸部223a上,它配合进入凹陷228,从而使螺杆227的转动产生平台223的一个垂直运动。
可以理解,转动机构210和移动机构220可以彼此独立地工作,或者组合地工作,从而使微结构产生元件202能够没有移动地转动,或者同时移动和转动。
使用模塑装置20生产一个凝胶预制件的工艺以及随后的转变凝胶预制件直至获得最终光纤的步骤如以下所述,并参见图7a至7m。
此工艺由准备一个液体预配料开始(图7a),尤其是一种原材料,它含有无机的溶胶,图号为80,溶胶80可以借助混合一种玻璃预配料和水,尤其是溶胶80可以借助在一种醇溶剂内加入烃氧基金属和水的化学反应获得。第一种反应典型的是水解,它包括借助硅烷醇Si-OH组代替与硅接合的OR组,这些化学形式可以一起反应以形成Si-O-Si(硅氧烷)键,它导致二氧化硅网络的形成。该相建立一个3D网络,它侵入容器的整个体积。在此两种合成的不同的化学反应中作为溶剂使用的液体保留在固体网络的松孔内。
在一个第二步骤内(图7b),在模塑装置20的装配之后,将无机溶胶80浇注入容器201。溶胶80可以在插入微结构产生元件202之前通过孔25a浇注,或通过设置在上盖子205上一个适当的入口浇注(未示出)。在第一种情况下,微结构产生元件202是在浇注溶胶之后,但在其凝胶化之前插入的。
适当的温度和压力条件,最好是正常环境温度和压力,随后施加经要求的时间,使溶胶硬化和完全转变成为一个凝胶体(图7c)在此处凝胶体的图号为81。
在溶胶转变为凝胶时,一个运动,最好是连续的运动施加至微结构产生元件202。本申请人实际发现,在溶胶的凝胶化时微结构产生元件202的运动可以避免凝胶粘附至元件表面。
在本发明的工艺的一个可能实现方案中,转动机构210起动以施加一个缓慢的转动至微结构产生元件202,特别是,运动是由电动机213传送至齿轮211’,211”,随后至其它的齿轮和与其联系的微结构产生元件202。
申请人观察到,接近转动的元件表面的液体的剪切运动导致在凝胶内的一个孔,它相对于元件的直径具有稍大的直径,从而减少了在元件拔出时凝胶表面开裂的可能性。
申请人确认,微结构产生元件202的转动速率的一个普通的范围为了达到上述优点应在约1至120rpm之间。
在本发明的工艺的一个第二可能的实现方案内,移动机构220这样起动,以施加一个交替的轴向运动至微结构产生元件202,其速率最好在1至20mm/min之间。运动的方向以一个频率反转,此频率最好在0至100反转/min之间。
在本发明的一个第三可能的实现方案中,两个转动机构210和移动机构220起动,以同时施加一个转动和一个轴向交替的移动至微结构产生元件202。转动速率最好在约1至120rpm之间,以及移动速率最好在1至20mm/min之间。轴向移动以一个频率反转,此频率最好在0至100反转/min之间。
当一个凝胶体已形成,微结构产生元件202借助升起平台223至它的上部位置而由容器21取出。上述凝胶体的内部结构因此限定。
在本发明的另一种可能的实现方案中,微结构产生元件202的一个分组可以保留埋置在凝胶体内,从而形成光纤的微结构部分。当微结构产生元件202拔出时,一个基本上相同尺寸和几何形状的孔产生在凝胶体内。在溶胶的凝胶化时移动微结构产生元件202的上述技术保证在元件拔出时没有任何裂纹以及孔的均匀性。这个最后步骤的结果是凝胶芯子预制件82具有一个预定的内部结构。
凝胶预制件82随后由容器201拔出(图7e)。特殊地,盖子205和206由侧壁23分离,以及凝胶预制件由侧壁23拔出。
凝胶芯子预制件82随后借助由凝胶材料的松孔排除溶剂而转变为一种气凝胶芯子预制件83(图7f),这些溶剂可能引起开裂。凝胶转变为气凝胶的此工艺可能包括时效、溶剂交换和超临界干燥。最好,凝胶首先经受溶剂交换,以及随后借助热处理在对于溶剂的超临界条件下进行干燥。转变一种凝胶成为一种气凝胶的工艺例如描述于专利US 5,207,814。
气凝胶芯子预制件83可以随后在烧结炉30内烧结,从而获得一个中间的玻璃芯子预制件84(图7g),该玻璃芯子预制件84具有在孔直径和预制件外直径之间相同的比率。烧结炉30可以是技术中任何已知的炉子,适合于烧结凝胶预制件成为玻璃预制件,尤其是任何的炉子,适合于在氦和/或氧气的一种气氛内产生一个随时间改变的温度,其范围至少可升至1300℃。烧结最好包括一个热处理,用于在存在适当的气体,比如氧、氯和氦的条件下密实气凝胶,以便清除有机残留物和水份。热处理最好在一个变化的温度下进行,从而进行气凝胶内的有机残留物的氧化,脱水以清除水份以及最终致密气凝胶。如果需要,一个或多个其他结构元件可以在此步骤内插入先前在中间芯子预制件内形成的孔内,例如,具有一个不同反射指数的玻璃芯子棒85(图7h)。这样的元件可以作为元件由工艺的开始成形时保留在体内,变成预制件的结构元件,以及随后变成光纤的微结构元件。这些元件的功能可以是光学的或力学的。在前一种情况下,元件插入是为了改变最终光纤的光学传播性能,以及它可以具有相对于基体一个较高或较低的反射指数。一个或多个元件也可以插入通过应力引起光学作用而改变光学性能。插入其它结构元件的步骤也可以代替地在预制件的烧结步骤之前进行。
最终的预制件84可以用一个已知类型的拉制机构40拉制,以获得一个芯子棒51(图7i)。如图所示,拉制机构40典型地具有一个普通的拉制炉子41和一个拖拉机构42以便由玻璃预制件84拉制芯子棒51。
一个外包层可以随后借助已知的“棒在管内技术”(“road in tube”technique)(图71)或气相沉积工艺(比如已知的OVD工艺)。
按照“棒在管内”技术使用一种已知类型的棒在管内组件50以便在芯子棒51上涂覆一个预制的由玻璃制造的管体52,以及压陷管体52在芯子棒51上,在本步骤的结束时,一个结构的预制件已获得。此拉制和外包层步骤可以要求获得带有一个预定的d/D比率的一种结构的最终的玻璃预制件。事实上,由于在模塑装置20内容器201和微结构产生元件202的尺寸选择是根据容易操作和处理的实际考虑,在芯子预制件内的比率d/D可以比在微结构光纤内需要的大。然而,尺寸比率d/Λ仍保持。因此,拉制方便于孔直径的进一步减小。
总工艺的最后的步骤(图7m)是使用一种已知类型的一个拉制塔架60拉制这样获得的结构的最终的预制件61,以获得微结构的光纤62,此光纤62缠绕在一个卷轴63上。
作为一种可能的代替方案,拉制可以直接地在中间的玻璃芯子预制件84上进行(烧结气凝胶芯子预制件83获得的),或在芯子棒51上进行。
对于技术熟练人员可以理解,在不脱离本发明的范围和精神的条件下,可对以上所述的本发明的实施例做出各种改进和变动。特别是,以上所述工艺的某些步骤可以省略或以不同的顺序进行。
例如,在烧结步骤的结束时获得的玻璃芯子预制件可以直接地拉制,从而省略拉制和棒在管内装配的步骤。代替地,玻璃芯子预制件可以直接地经受棒在管内工艺,而不进行先前的拉制。
以下的实例涉及按照本发明的工艺不同的气凝胶预制件的生产。
实例1一条微结构光纤按以下方法制造首先,50g四乙基原硅酸盐(TEOS)在室温下与150ml 0.01N的盐酸溶液搅拌30min。胶体溶液的pH使用氨溶液升高至4.0,以获得一种适当的溶胶用于后续的凝胶化步骤。
溶胶浇注入容器201内,容器201内已经装配三个微结构产生元件202,元件202排列为一个三角形。容器201是用聚四氟乙烯材料制造。微结构产生元件202是用不锈钢棒制造,直径为3mm和长度为250mm。
浇注溶胶之后,容器关闭以及微结构产生元件202调节进入速率80rpm的转动。
溶胶的凝胶化经许多小时后产生。在约68h之后一个小量收缩可观察到,微结构产生元件202的转动停止以及微结构产生元件202借助由容器201拉出而拔出。
凝胶随后首先在水中,然后在丙酮中浸透,丙酮是随后的干燥步骤中使用的液体。干燥是将凝胶放置在一个体积为5l的热压罐内在超临界条件下进行,热压罐随后用氮增压至50Bar。加热随后以速率为100℃/h开始。压力增加至65Bar以及随后借助一个通气活门作用保持恒定,直至温度达到290℃。在此点活门开启以及压力以速率为7.5Bar/h减小。热压罐随后冷却至室温。获得的试样是一个结构的气凝胶预制件,没有缺陷或裂纹。
获得的结构的气凝胶预制件在空气中逐渐地加热至280℃,加热速率为5℃/min;由280至400℃的加热速率为1℃/min;由400至1250℃的加热速率为2℃/min。此温度随后保持经6h以及最后降低至25℃。结构玻璃预制件具有一个尺寸为相对于开始的结构气凝胶预制件的约50%。
实例2在一个不同的实验中,100g四乙基原硅酸盐(TEOS)在室温下与300ml 0.01N盐酸溶液搅拌30min。澄清的溶液随后使用旋转气化器浓缩直至消除140ml乙醇/水份。随后58g已发烟二氧化硅添加至澄清溶液。合成的混合物强烈搅拌,直至均匀以及随后在1500rpm离心处理10min。胶体溶液的pH使用氨溶液增加至3.9,以获得一种适当的溶胶用于后续的凝胶化步骤。
溶胶随后浇注入容器201内,容器201是由聚四氟乙烯材料制造。微结构产生元件202是不锈钢棒,其直径为3mm和长度为250mm;两个元件之间的间距为7.5mm(d/Λ=0.4)。微结构产生元件202的花样为图1内的六边形。
浇注溶胶之后,容器201封闭,以及微结构产生元件202调节进入速率100rpm的转动。
溶胶的凝胶化经若干小时后产生。在15-20h之后,一个小量的收缩可观察到,以及微结构产生元件202借助由容器201拉出而手工地拔出。
凝胶随后在丙酮内和之后在乙酸乙酯内浸透,乙酸乙酯是随后的干燥步骤中使用的液体。干燥是将凝胶放置在一个体积为5l的热压罐内,在超临界条件下进行,热压罐随后用氮增压至50Bar。加热随后以速率100℃/h开始。压力增加至60Bar,以及随后借助一个通气活门作用保持恒定,直于温度达到290℃。在此点活门开启以及压力以速率7.5Bar/h减小。热压罐随后冷却至室温。获得的试样是一个气凝胶预制件,没有缺陷或裂纹。
结构气凝胶预制件在氦和氧流中逐渐地加热至500℃,加热速率为1℃/min;由500至900℃在氦、氧和氯流中,加热速率为1℃/min;由900至1200℃在氦、氧和氯流中,加热速率为0.8℃/min;由1200至1350℃在氦流中,加热速率为0.8℃/min。此温度保持经6h以及最后降低至25℃。随后获得一个微结构玻璃预制件,为没有氢氧组(小于1ppm),相对于开始的结构气凝胶预制件尺寸减小约50%。
权利要求
1.一种微结构光纤制造工艺中中间预制件的一种成形方法,该方法包括下列步骤—形成一种溶胶,它含有一种玻璃预配料;—浇注溶胶在内部具有一组长条元件的一个容器内;—时效处理溶胶,以获得一个凝胶体;—由凝胶体取出至少一条长条元件,以便在凝胶体内产生一个相应的孔,以及—由容器取出凝胶体;其中,本方法还包括在转变溶胶成为凝胶的步骤的至少一部分时,施加一个运动至上述至少一个长条元件。
2.按照权利要求1的方法,其特征在于,所述施加一个运动至上述至少一条长条元件,包括施加一个转动至围绕其纵轴的上述至少一条长条元件。
3.按照权利要求1的方法,其特征在于,上述转动以一个速率为约1至120rpm施加。
4.按照权利要求1的方法,其特征在于,所述施加一个运动至上述至少一条长条元件,包括施加一个轴向运动至上述至少一条长条元件。
5.按照权利要求4的方法,其特征在于,此轴向运动是一个交替的运动。
6.按照权利要求4的方法,其特征在于,所述轴向运动是以一个速率为约1至20mm/min施加。
7.按照权利要求1的方法,其特征在于,上述一组长条元件的全部长条元件由凝胶体取出。
8.按照权利要求1的方法,其特征在于,在转变溶胶成为凝胶的步骤的至少一部分时,施加一个运动至上述一组长条元件的全部长条元件。
9.按照权利要求1的方法,其特征在于,至少一个上述长条元件保留在凝胶体内。
10.按照权利要求1的方法,其特征在于,形成一种溶胶包括混合至少一种玻璃预配料和水。
11.按照权利要求1的方法,其特征在于,长条元件是棒形或管形元件。
12.按照权利要求1至9任何一项的方法获得的一个中间预制件。
13.一种微结构光纤的制造工艺,包括—按照权利要求1至9任何一项的方法形成一个中间预制件;—干燥中间预制件;—烧结干燥的中间预制件,以获得一个玻璃预制件;以及—结构上改变玻璃预制件,以获得微结构光纤。
12.按照权利要求11的工艺,其特征在于,中间预制件具有至少一个纵向孔,以及其中该工艺还包括在中间预制件干燥之后以及干燥的中间预制件烧结之前,或在中间预制件烧结之后以及圆柱形玻璃预制件结构上改变之前,插入至少一个微结构产生元件至上述至少一个孔内。
13.按照权利要求11的工艺,其特征在于,结构上改变玻璃预制件包括拉制玻璃预制件,以获得一个芯子棒。
14.按照权利要求11的工艺,其特征在于,结构上改变玻璃预制件包括涂覆一种玻璃材料至芯子棒的外部,以获得一个最终的预制件。
15.按照权利要求14的工艺,其特征在于,结构上改变玻璃预制件包括拉制最终的预制件,以获得微结构光纤。
16.借助权利要求10至15任何一项的工艺获得的一条微结构光纤。
17.一种微结构光纤制造工艺中中间预制件成形用的一种装置,该装置包括一个模具,适合于包容一种溶胶,以转变成为一种凝胶体,此模具包括一个圆筒容器,以及一组平行的长条元件排列在容器内,以便在凝胶体内形成一组相应的孔;其特征在于,所述模具包括一个机构,用于在转变溶胶成为凝胶时施加一个连续的运动至长条元件。
18.按照权利要求17的装置,其特征在于,上述机构适合于施加围绕相应的轴的一个转动至长条元件。
19.按照权利要求18的装置,其特征在于,上述机构具有多个齿轮。
20.按照权利要求19的装置,其特征在于,上述机构适合于沿着相应的轴施加一个交替的移动至长条元件。
21.按照权利要求20的装置,其特征在于,上述机构具有一个滑板,轴向地结合至长条元件以及接合至一个垂直的导轨,以及一个器件,用于沿着此导轨移动滑板。
22.按照权利要求21的装置,其特征在于,所述长条元件借助接合元件接合至滑板,该接合元件提供一个微不足道的限制至上述长条元件的转动。
全文摘要
一种微结构光纤的制造工艺中中间预制件的一种成形方法,该方法包括形成一种溶胶,它含有一种玻璃预配料,浇注此溶胶在内部具有一组长条元件(202)的一个模具(20)内;时效处理溶胶,以获得一个凝胶体;由凝胶体取出该组长条元件,以便在凝胶体内产生相应的一组孔;以及由模具取出凝胶体;其中此方法还包括在溶胶时效处理时施加一个运动至此组长条元件,以避免凝胶粘附至长条元件,此运动最好是围绕相应轴的一个转动,或者是沿着相应轴的交替的移动。执行此方法的一种装置也在权利要求内。
文档编号C03B37/016GK1771206SQ03826561
公开日2006年5月10日 申请日期2003年5月30日 优先权日2003年5月30日
发明者S·索利纳斯, F·韦罗内利 申请人:皮雷利&C.有限公司
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