用于从3D打印预成型体和相关结构制造光纤装置的方法与流程

本发明涉及通信的领域，并且更具体地说，涉及光纤和相关方法。

背景技术：

光纤通信利用光纤来输送已被调制成光的各种波长的通信信号。这比常规电线电缆允许通过更长的距离且以更高的带宽进行传输，这是因为光纤比常规电缆具有更少的信号损耗。

仍然，光子光纤的制造通常比传统光纤要更困难。通常，10⁵到10⁶个毛细管和实心杆手动地装配到预成型件中。接经加热和将预成型件拉制或拉动成最终光纤。此过程通常是劳动强度大且价格昂贵的。此外，可能难以拉制此类预成型件而不引发缺陷，缺陷会使所得纤维脆弱且不适合在某些光波长下使用。

已尝试各种替代性方法来产生光纤。在cook等人的名为“从3d打印预成型件拉制的复杂空气结构化光纤(complexair-structuredopticalfiberdrawnfroma3d-printedpreform)”的论文(《光学快讯(opticsletters)》，第40卷，第17期，第3966到3969页(2015))中，论述了利用3d打印机来设计并打印接着被拉制成纤维的结构化预成型件的替代性结构化纤维制造方法。fdm打印方法用以使用随后被拉制成纤维的透明热固性聚合物来打印预成型件。预成型件纤维几何布置是由6个空气孔包围的实心芯。使用由含有苯乙烯-丁二烯共聚物和聚苯乙烯的聚苯乙烯混合物组成的市售的3d打印细丝。

虽然存在此类方法，但可能需要用于产生光纤的新技术来提供提高的稳固性、寿命以及不同光波长下的操作。

技术实现要素：

一种用于制造光纤装置的方法可包含使用三维(3d)打印机以产生包含光学材料的预成型体。所述预成型体可在其中具有限定3d晶格的3d空隙图案。所述方法可进一步包含拉制所述预成型体以形成所述光纤装置。

更具体地说，所述预成型体可包含多个绞线。作为实例，所述绞线可以是螺旋绞线。在一个实例实施例中，所述绞线可以是反向旋转螺旋绞线。根据另一实例，所述绞线可以是相交反向旋转螺旋绞线。

所述空隙中的至少一些可沿着所述预成型体的一侧朝外开放。此外，拉制可包含拉制所述预成型体同时在其中保持所述3d空隙图案。另外，所述方法还可包含在拉制之前以不同材料涂布所述预成型体的至少一部分。根据另一实例，所述方法可进一步包含在拉制之前电镀所述预成型体的至少一部分。作为实例，所述预成型体的至少一部分可涂布有金。

在一个实例实施方案中，所述预成型体可包含多个绞线，且所述多个绞线中的至少一个可包括金属。因而，所述方法可进一步包含在拉制期间使电流通过所述至少一个金属绞线。作为实例，所述金属可包括钨。

根据另一实例方面，拉制可包含在相对于所述光纤装置的光轴偏移的方向上拉制所述预成型体。在另一实例中，拉制可包含相对于所述光纤装置的光轴在轴向和径向方向上拉制所述预成型体。作为实例，所述预成型体可包含二氧化硅、碳化硅和氧化铝中的至少一种。

还提供了一种预成型体。所述预成型体可包含待被拉制到光纤装置中并包含光学材料的细长主体。此外，所述细长主体可在其中具有限定3d晶格的3d空隙图案。

附图说明

图1是根据实例实施例的用于形成光纤装置的3d打印预成型体的透视图。

图2是沿着线2-2截取的图1的预成型体的横截面图。

图3是根据实例实施例的并入有光纤装置的系统的示意性框图。

图4和5是说明根据实例实施例的用于制造光纤装置的方法的流程图。

图6是图2的预成型体的另一实施例的横截面图。

图7是根据实例实施例的用于形成光纤装置的另一3d打印预成型体的前视图。

图8是图3的光纤装置的横截面图。

具体实施方式

参考附图进行当前描述，在附图中展示示范性实施例。但是，可使用许多不同实施例，且因此描述不应被解释为限于在本文中阐述的特定实施例。实际上，提供这些实施例以使得本公开将是彻底且完整的。贯穿附图相同数字指相同元件，且在不同实施例中加撇标号用以指示类似元件。

首先参考图1到3，首先描述了用于形成光纤装置31的预成型体。作为背景，当前光纤能够相对良好地跨长距离输送可见光。但是，由于典型光纤中的上述缺陷，此类光纤在其携带例如紫外(ultraviolet，uv)波长等其它光波长方面能力有限。也就是说，虽然缺陷相对于可见光是相对良性的，但是缺陷与uv光子交互，作为实例，一直穿过纤维输送的uv光子的数目会由于缺陷而减小，并会致使此类纤维过早发生故障。

uv纤维具重要性的一个应用是量子计算。但是，就可扩展性来说，即，就以高保真度跨km当量输送光子来说，当前uv纤维技术是有问题的。此外，uv纤维的寿命不合期望地短，但它们仍是用于量子计算的重要使能器。

与当前uv纤维相关联的缺点是有问题的另一应用是例如用于半导体装置制造的uv光刻。在此类应用中，光束稳定性对于到达依据摩尔定律继续减小装置大小所需的次微米级特征大小是重要的。但是，uv源会产生大量热。但是，由于uv源与光接收器之间的直接连接，用以耗散此热的相关联冷却机构还会不合期望地将限制分辨率的振动转移到波束成形光学件中。

常规uv纤维的缺点变得显而易见的又另一应用是纤维上功率(power-over-fiber)应用。由于不能耗散纤维内的热能，当前纤维设计是功率有限的。但是，就其大小、重量和功率(size，weightandpower，swap)以及其相对高的信号损耗，常规铜电缆是大体上不可接受的。

可有利地通过光学材料使用3d打印机来产生预成型体30，所述光学材料例如是碳化硅(以及硅化碳化硅)、硼硅酸盐玻璃、熔融硅石、掺杂玻璃、强化或钢化玻璃和/或氧化铝。在一些应用中，例如聚合物或陶瓷等其它材料还可以用作光学材料。

在所说明实例中，预成型体30在其中具有限定3d品格的3d空隙图案。更具体地说，所说明3d晶格和空隙32由从光学材料(或在一些实施例中由多种不同光学材料)形成的多个绞线33限定。在此实例中，空隙32中的一些沿着预成型体30的一侧朝外开放。此外，光学绞线33在本实施例中是相交且反向旋转的螺旋绞线，但是还可使用其它几何布置。此外，不必所有实施例中使用绞线以限定3d晶格结构。

在图3中展示了通信系统39，其中光纤装置31耦合于一个或多个光源36与一个或多个光接收器37之间。如上文所提到，光接收器37可与用于数字通信或纤维上功率应用的光刻装置、量子计算装置或光接收器相关联，例如如下文将进一步论述。

通过使用3d打印预成型体30，可有利地按通过当前技术(即，当前3d打印技术)成为可能的尺度制造期望预成型结构。这还允许使用圆柱形/螺旋预成型体30以及多个不同形状，包含正方形和星形(例如五角星或六角星)。另一实例几何布置是见于图7中的包含光学绞线133的球形预成型体130。此类几何布置可有利地在通信应用中提供优点，此係因为它们允许扭转的光对，这有利地增加光透射来允许跨更长距离进行传输。也就是说，使用扭转的光对会增大不彼此介接的轨道角动量状态。而且，通过改变绞线33或预成型体30的部分的厚度，这还可有利地扭转光，从而允许沿着相同纤维输送大量的扭转光束，如所属领域的技术人员将了解。

当前光纤通常是非周期性的。使用预成型体30，可产生周期性的或相同方向上具有单个间距的光纤31，从而使得能够产生扭转光。

除了实现扭转光束以外，光纤31还有利地允许和和差光束输出。相应光源36可在一些实施例中耦合到光纤31内的相应绞线33。在其它实施例中，光学绞线33中的一些可不具有耦合到其的光源36。也就是说，可沿着光学绞线33中的每一个或仅沿着光学绞线中的选择性光学绞线发送光。取决于所使用的配置，这可有利地用以调变光束的相位、振幅、偏光和/或光束之间的差异。此外，调整绞线33的厚度和其相应间距可有利地用以调整光纤装置31的模场以制作大型有效纤维，如所属领域的技术人员将了解。

另外参考图4和5的流程图60、60′，现描述用于从预成型体30制造光纤装置31的方法。在框61(或框61′)处开始，过程以在框61(或框61′)处使用3d打印机以产生在其中具有限定3d晶格的3d空隙图案的预成型体30开始，如上文所论述。所述方法进一步说明性地包含在框63(或框63′)处拉制预成型体以形成光纤装置31，如下文将进一步论述。

在图5中说明的实例实施例中，在框65′处，在拉制之前执行以与光学材料不同的材料涂布预成型体30的一个或多个部分的另一步骤。根据一个实例实施方案，所述方法可进一步包含在拉制之前以将在拉制期间随预成型体拉动的材料电镀预成型体30的至少一部分。作为实例，金(au)拉伸性良好并可因此在拉动之前作为“包覆”被施加(例如通过电镀)。此方法的一个优点是可在拉动过程期间通过金(或其它合适的金属)施加电场。此外，可选择性地涂布不同绞线以改变光纤31的偏光等等。举例来说，涂布每个其它光学绞线可提供振荡偏光。溅镀是涂布预成型体30的选择性区域的另一个方式，涂布将改变这些区域中的全内反射/强度。应注意，在一些实施例中，涂布或包覆可替代地(或另外)在光纤31被拉制之后应用于光纤31。图4和5的方法在框64、64′处说明性地终止。

一般来说，预成型体30的拉制方式是在最终光纤装置中保持其中的3d空隙图案。也就是说，虽然预成型体30的横截面尺寸将在其被向下拉制成薄得多的光纤装置31时改变，但是可保留晶格和空隙32的大体形状或几何形状，虽然它是极其细长的。在图8中展示光纤装置31的横截面图。应注意，在其它实施例中，可使用不相似于最终拉制的结构的预成型件。举例来说，可使用类似于金属网(exmet)过程的过程，其中最终拉制纤维不相似于预成型件。

在一些实施例中，可沿着预成型体30的光轴34(图1)拉制预成型体30。但是，使用3d打印预成型体30的一个特定优点是：相比于通过常规纤维预成型件成为可能的情况，这允许不同类型的拉动或拉制。也就是说，在一些实施例中，可在相对于预成型体30或光纤31的光轴34偏移的方向上拉制预成型体30。在另一实例中，可相对于光轴34在轴向和径向方向两者上拉制预成型体30。作为实例，预成型体30可具有长度介于约1到2英尺的范围内的大小和介于1到2英寸的范围内的外径，但在不同实施例中可使用其它尺寸。在一些实施例中，可将此预成型体30拉制成长度是千米或更大的光纤31。

另外参考图6，在预成型体30′的另一实例实施方案中，并入导电(例如金属)绞线35′连同光学绞线33′。也就是说，3d打印机打印一个或多个金属绞线35′连同光学绞线33′。在所说明实例中，存在沿预成型体30′的中间(即，沿着光轴)延行的单个金属绞线35′，但是金属绞线的位置可在不同实施例中不同。金属绞线35′还可与光学绞线33′呈相同形状(例如螺旋)。此外，在一些实施例中，绞线不必用于形成预成型体30′。也就是说，所述绞线可以是具有延伸穿过其的金属迹线的实心或半实心主体，比如通孔。可用于绞线35′的一种实例材料是钨，但在不同实施例中可使用其它合适的导电材料。

在预成型体30′中包含一个或多个导电绞线35′提供某些优点。一个优点是这允许在光纤装置31′中视需要产生会影响可见光子的电场。另一个优点是：除了从外面加热以外(或替代从外面加热)，导电绞线35′还可有利地用以在拉制过程(框63′)期间从内部加热预成型体30′。也就是说，典型的光纤预成型件仅从外面得到加热并被拉制成最终纤维形状。但是，具有导电绞线35′(或布置于预成型体内的其它导电材料)的预成型体30′有利地允许拉制期间的更均一或均匀加热，且此均一热梯度可有利地引起拉制过程期间的缺陷的显著减少。

应注意，预成型体30′的横截面在其被拉制时改变。因此，在并入有在拉制过程期间向其施加电流的一个或多个导电绞线33′的那些实施例中，所施加电流可相应地按比例缩放以考虑导电绞线的增大的电阻并避免过多热量。

因为根据本公开制造的光纤33可具有更少缺陷并能够跨更长距离且以更长的使用寿命输送uv光，所以这可有利地允许光学(uv)源36在例如光刻等应用中更远离接收器37而定位。因此，光接收器37将有利地更少地经受与相源36关联的热和振动，如上文所论述。

对于uv纤维，通常需要限制uv光与玻璃之间的交互的量，这是因为uv光会随时间推移分解此类材料。因而，在一些实施例中，中空芯光学绞线33可用以提供更少表面区域来让uv光与光学材料交互。

应注意，虽然以上实例论述将光纤31用于uv应用，但是根据本文中所描述的技术产生的光纤可有利地用于不同光波长和光谱，包含例如可见光、毫米波、x射线和thz波长。因此，光纤装置31可有利地用以以相对低成本的方式以完全可定制的传播特性跨数千波长输送光子。

上述方法有利地利用增材制造的实现提供增强的性能和稳固性的光纤装置的新用途和应用的能力。举例来说，这允许制造出比目前无法通过常规方法获得具有显著更长的寿命的uv纤维。更具体地说，在当前光纤是不合适的应用中，3d打印复杂结构可有利地实现光子导引/与更广输出范围光子光束属性的交互。此外，此方法还使得能够制造先前不可能/未探索的2d和3d几何布置。

如上文所提到，本文中所描述的方法允许从经历零到多个后处理步骤的一种或多种材料来3d打印复杂结构，以产生使得宽带(uv到微波)光子能够彼此交互和/或跨数千波长引导远程位置的装置。此外，以增材方式制造玻璃预成型件而非从实心或中空毛细管手动装配有利地使得能够在复杂结构内部使用多种不同材料。

在受益于在前述描述和相关联图式中呈现的教示的情况下，所属领域的技术人员将想到许多修改和其它实施例。因此，应理解，本公开不应限于所公开的具体实施例，且修改和实施例旨在包含于所附权利要求书的范围内。