[发明专利]采用多孔玻璃沉积形成微结构的光纤预制体

说明书

技术领域

本发明涉及微结构的光纤预制体的形成，更具体地，涉及通过在防止沉积在光纤衬底的外表面上的粉末层完全硬化的确定条件下将等离子熔合应用于该沉积层，由此在所述的层内形成气泡以产生微结构排列，从而形成微结构纤维预制体。

背景技术

微结构的光纤(也被称为“多孔光纤”)有许多潜在的应用。在固体玻璃中引入充满空气(更普遍的是充满气体)的孔降低了玻璃的有效折射率和/或产生了影响光传播的能带隙(band gap)。因此，这些“多孔”玻璃材料可以用作光纤的包层。已知有多种制备这样的光纤的方法。大多数依赖于将堆叠的棒和管进行系统的组装和拉丝，或者具有所希望的几何形状的孔的溶胶-凝胶体。这些方法是非常有成效的，如果孔的精确定向是重要的(例如在光子晶体光纤的情况中)尤其有用。

但是，某些应用不需要空气/气体孔定向的这种精确性，而可能受益于在光纤(特别是在所述光纤的包层区域)中引入这样的结构后折射率的改变。因而，需要一种在这些光纤中引入微结构的灵活的、低成本的方法。

在光纤中产生孔的随机阵列的一种通用方法包括在光纤拉制过程中将气体注入流体中。所述的气体形成气泡，其随后被拉制成为长的微孔。所述的气体通常由气化的氮化物或碳化物产生。另外一种通用方法包括通过如下方式产生微结构的光纤，即通过沉积玻璃灰(glass soot)，然后在有效捕获玻璃中的部分气体的条件下使所述灰固化，由此产生非周期性排列的孔，所述孔随后形成拉制后的光纤的微结构包层区域。但另一种通用方法记载了将含无定形氧化硅微粒的“产生气泡的”浆料倾倒入在外包层与同心芯棒之间的环形间隙中，使所述的浆料形成凝胶以制备可通过随后的热处理的方式形成气泡的材料。

与这些方法相关的缺点包括在包层内部的孔的位置和尺寸如此不可控，以致所述包层的有效折射率作为预制体或光纤位置的函数太容易变化。

发明内容

本发明满足了以上和其他方法中仍存在的需求，其涉及微结构的光纤预制体的形成，更具体地，涉及将等离子熔合应用于沉积到光纤衬底(例如饵棒(bait rod)、预制体芯棒和管等)的外表面上的氧化硅粉末层。所述粉末层在防止沉积层完全硬化的条件下沉积，从而在沉积层内产生气泡的形成。本文所使用的术语“气泡”被定义为被包裹在周围玻璃内部以形成部分致密层的空气或气体。通过恰当选择所述粉末的粒度分布和加工条件，所述的气泡在所述层内的尺寸和位置基本是均一的。

根据本发明，等离子熔合加工的温度保持低于与沉积的粉末完全硬化相关的温度，这使得熔融粉末颗粒一起融合在所述外部衬底表面上以产生具有窄的直径范围的气泡。事实上，控制等离子熔合加工温度允许制造如下气泡，该气泡在光纤的拉制加工过程中发展成为优选尺寸的气体线(gas line)，其中如在下文中使用的术语“气体线”表示在光纤的拉制加工期间拉长的气泡。取决于加工的参数，所述线可以包括空气线或气体线，但为方便起见，称为“气体线”。进一步地，所述气泡的尺寸可以通过参数的组合进行控制，这些参数包括(但不限于)粉末组成、粉末内的粒径、等离子体条件、预制体衬底尺寸、等离子气体组成和等离子体在衬底上的横动速度。而且，根据本发明，可以通过气泡的性质和在光纤拉制过程中应用于预制体的条件(后者包括例如拉制温度、拉制速度以及沿预制体和拉制的光纤的温度分布)来控制气体线的尺寸和形状。

本发明的方法的一个优点是，所述的气泡可以在常规的光纤拉制温度范围内的等离子熔合加工温度下形成。通过将等离子熔合加工温度保持在该范围内，同时控制其它参数(例如粉末组成、粒度等)，防止了光纤拉制加工期间之后气泡的破碎、膨胀或者与其它气泡结合。但是，为了防止光纤拉制加工过程中产生过多的气泡，所得到的光纤不应在高于基本上超过等离子熔合加工温度的温度下拉制。