[发明专利]用来形成用于环境传感器的空心开缝的PBG光纤的预成形件和方法

说明书

发明背景

相关申请的交叉参考

本申请要求2008年6月26日提交的美国非临时专利申请第12/146928号的优先权和权益，该申请的内容为本文的依据并且其全文参考结合于此。

技术领域

本发明一般涉及形成用于环境传感器的光波导的方法，具体涉及用于环境传感器的空心开缝的光子带隙(PBG)光纤的预成形件，还涉及使用所述预成形件形成所述光纤的方法。

发明背景技术

现有技术中已知具有空心的光纤形式的环境传感器。用于所述传感器的光纤的空心通常通过包围所述空心的光子带隙(PBG)结构传导光。该PBG结构产生了对应于通过所述光纤传输的波长的″禁阻频率范围″，尽管对于特定波长范围通过全内反射(TIR)传导光的空心光纤也是已知的。所述传感器用来检测“目标物质”的存在，所述目标物质是例如环境中存在的特定气体或液体。例如，所述目标物质可以是环境空气中有可能指示火灾或者其它灾害情况的二氧化碳的阈值量。

在一种现有技术的设计中，使得光纤的一端或两端都将该光纤的空心暴露于环境大气，使得环境大气的气体能够连续地流入所述空心。在操作中，将具有会被特定待测气体组合物吸收的波长的激光连续地传导通过所述光纤的空心。当所述气体从环境大气中引入光纤的开放端的时候，气体开始流过空心。由于所述气体会吸收光，传输通过空心的激光的波幅会降低。在前文所述的二氧化碳的情况，可以使用特定的阈值衰减产生信号，触发火警电路。

所述环境传感器可以用来检测很多种目标物质，例如气氛中的不同的气体组成，有机和无机的微粒或蒸气液滴，以及当所述光纤浸没在液体的时候，甚至可以检测不同的液体组成。因此，所述传感器用途广，不仅可以作为燃烧产物或者污染物或者可能有毒物质的检测器，而且可以在需要对特定气体或液体的组成进行控制的工业生产工艺中作为控制或者监控的传感器。

题为“光波导环境传感器及其制造方法(Optical waveguideenvironmental sensor and method of manufacture)”的美国专利第7,343,074号揭示了一种光波导环境传感器，其包括细长的侧面开口，将空心直接暴露于环境，该专利共同转让给本申请人，参考结合于此。在现有技术中，将这种细长侧面开口的形式称作“光脊形波导”。光脊形波导通常包括一种或多种材料的狭窄的脊，该脊位于第二种(或相同的)材料的厚板顶上。较低折射率的第三种材料(通常是空气)包围着所述脊和厚板的顶面，从而提供折射引导机构。所述厚板的厚度通常与脊相同，位于提供另外的垂直限制的较低折射率的基材上。

由于光脊形波导易于制造，因此很有吸引力。该种材料结构以平面层的形式制造，然后通过在选定的区域除去材料层，留下初始结构的脊，从而限定出波导。大部分脊形波导是平面型器件，用光刻法限定，然后使用半导体工业众所周知的技术蚀刻而形成。但是，在基于光纤的波导中形成这样的结构要困难得多，特别是对于依靠细长的侧面开口使得光纤的空心暴露于环境的基于光纤的环境传感器。例如，一种在光纤中形成细长的侧面开口“或狭缝”的方法是使用激光加工。不幸的是，当使用激光在光纤中切割狭缝的时候，会对光纤的强度造成负面影响。另外，使用激光加工或机械加工形成长的狭缝是一项困难的任务。

因此，人们需要一种能够形成空心、开缝的PBG光纤的方法，该方法无需在拉制光纤之后进行机械加工以形成狭缝。

发明内容

本发明的第一个方面涉及一种用来形成开缝的光子带隙(PBG)光纤的预成形件。所述预成形件包括圆筒形包层管，该包层管具有第一中心轴，前端，后端，限定开放的内部的内表面，以及外表面。所述包层管具有形成于外表面内、直通内表面、并具有前端和后端的第一纵向狭缝。所述预成形件还包括中杆(cane)，所述中杆包括：第二中心轴；PBG区域，该PBG区域沿着所述第二中心轴设置并包括基本以所述第二中心轴为中心的空心；和实心外部区域，该实心外部区域包围所述PBG区域并具有外表面。所述中杆具有形成于实心区域外表面内的第二纵向狭缝。在所述第一中心轴和第二中心轴基本对准，所述第一和第二纵向狭缝基本对准的情况下将所述中杆设置在包层管内部。