專利名稱：制作有孔的光纖預制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作過去生產(chǎn)有空氣孔的有孔光纖的預制品的方法。
背景技術(shù)：
通常，“有孔的光纖”涉及光子晶體光纖，這是用于光通信的一種光纖類型。不像使用包括玻璃和加鍺或磷的玻璃的纖芯的單模光纖，如在圖1中所示的有孔的光纖由有單固相的實質(zhì)上透明的材料如熔融石英1構(gòu)成。此外，在石英玻璃平行于光纖軸縱向方向形成多個空氣孔2。
在規(guī)則的排列時利用空氣層和石英玻璃層之間的介電常數(shù)，有孔的光纖形成光子能帶隙。相似于半導體中的電子能帶隙，此光子能帶隙能對預先確定的波長或光波行進方向形成光子止帶。即，只有滿足光子能帶隙條件的光通過能帶隙穿過。換言之，在有孔的光纖中行進的光依賴于光子能帶隙效應(yīng)和有效的折射率效應(yīng)(涉及T.A.Birks等，ElectronicLetters，Vol.31(22)P.1941，Oct.1995的論文，和J.C.Knight等，OFC，Vol.4P.114(Feb.1999)的論文)。
有孔的光纖有重要的技術(shù)特性。例如，有孔的光纖能提供寬波長范圍上的單模特性，并且因為它有大的模域，能傳輸高的光功率。此外，有孔的光纖在1.55μm的遠程通信波長中表現(xiàn)高的相位色散。而且，能使用有孔的光纖提高/降低非線性并調(diào)整偏振。因為已報道有孔的光纖(光子晶體光纖)的這些各種功能特性，在不久的將來，在各種光通信和光學工業(yè)領(lǐng)域利用有孔的光纖是有望的。
常規(guī)的，為了制作有孔的光纖，首先由堆疊和集束毛細玻璃管和玻璃棒成為要求的形狀制作光纖預制品，然后拉光纖預制品制作光纖。
然而，根據(jù)常規(guī)有孔的光纖制作方法，由工人手工的實現(xiàn)裝配過程，所以為了去除由裝配過程產(chǎn)生的任何污染物，必須重復的執(zhí)行清潔處理或清洗處理。也因為毛細玻璃管和玻璃棒互相堆疊和集束，形成六邊形圖案的空氣孔的排列。同樣地，當從光纖預制品拉光纖時，由于光纖預制品的外管狀部分和內(nèi)管狀部分之間的導熱性的差異，光纖預制品的外管狀部分比光纖預制品的內(nèi)管狀部分融化得快，所以外空氣孔可能明顯的小于內(nèi)空氣孔的大小，或外空氣孔可能阻塞。而且有相對大的尺寸的內(nèi)空氣孔可能形變?yōu)闄E圓形。由于當從光纖預制品拉光纖時出現(xiàn)空氣孔的形變，在大量生產(chǎn)時連續(xù)的制作有孔的光纖是困難的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供制作生產(chǎn)能防止光纖污染的有孔光纖的預制品，并且使得空氣孔容易的簡單排列的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供制作有孔光纖的預制品方法，能解決在當前技術(shù)中從光纖的預制品拉光纖時出現(xiàn)的有孔光纖的形變和收縮引起的問題。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供制作有孔光纖的預制品方法，方法包括步驟a)準備有多個插針的管狀模子，用于形成排列為預先確定的圖案的多個空氣孔；b)將包括單體和二聚物的二氧化硅漿體注入到管狀模子中，并且二氧化硅漿體形成為凝膠體；c)從插針和管狀模子中去模凝膠體；d)干燥和燒結(jié)形成有空氣孔的凝膠體。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，由調(diào)整插針的大小和排列及空氣孔之間的距離，從光纖的預制品制作的有孔的光纖的光傳輸特性是可調(diào)整的。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，步驟b)包括子步驟將單體和二聚物混入去離子水制作預混合料的溶液；將霧狀二氧化硅和色散劑加入到預混合料的溶液形成溶膠；去除包含在溶膠中的泡沫老化溶膠；將溶膠注入到模子中并加入聚合引發(fā)劑和催化劑到溶膠中，因此，轉(zhuǎn)換溶膠為凝膠體，為了增強凝膠體的強度而老化凝膠體。


從下面結(jié)合附圖的詳細的描述中，本發(fā)明上面的特征和優(yōu)點將更清晰。
圖1顯示生產(chǎn)常規(guī)的有孔光纖的預制品的結(jié)構(gòu)的透視圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實例制作有孔光纖的過程的方框圖；圖3說明用于本發(fā)明的模子的結(jié)構(gòu)；圖4說明根據(jù)本發(fā)明的另一個實例制作生產(chǎn)有孔光纖的過程。
具體實施例方式
下文中，參考附圖描述本發(fā)明的實例。為了清楚和簡單，相同的參考數(shù)字用于指定相同的或相似的元件，因為已知功能和合并的結(jié)構(gòu)的詳細描述使得本發(fā)明的主題不清晰，這里省略其詳細描述。
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實例制作生產(chǎn)有孔光纖的操作步驟的方框圖。如圖2所示，制作光纖預制品的方法包括預混合料溶液的制作步驟100，色散步驟200，老化步驟300，成型步驟400，凝膠老化步驟500，去模步驟600，凝膠體干燥步驟700，熱處理步驟800和燒結(jié)步驟900。
預混合料溶液制作步驟100涉及在蒸餾水中溶解單體，如丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺或1-乙烯基-2-吡咯烷酮，和二聚物，如N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，制作預混合料溶液。
如果組合的混合，色散步驟200涉及在步驟100制作的預混合料溶液中注入霧狀二氧化硅201和色散劑202實現(xiàn)混合/色散。霧狀二氧化硅201(例如，從DEGUSSA可得到的氧相二氧化硅-OX500)的混合比例約40到60重量百分比。色散劑202包括四甲基銨氫氧化物(下文中，簡稱為TMAH)，通常調(diào)整混合物的酸度(pH)范圍為11到13使得容易的色散二氧化硅。
老化步驟300涉及使用真空泵去除殘存在色散的溶膠中的空氣，并由老化色散的溶膠一個預先確定的時間段(一般，小于15小時)穩(wěn)定二氧化硅顆粒。
在成型步驟400中，通過老化步驟300已經(jīng)獲得的溶膠注入到有預先確定的形狀的模子中(例如，圖3所示的模子30)，在模子的溶膠中加入聚合引發(fā)劑和催化劑401，因此通過聚合處理溶膠轉(zhuǎn)換為凝膠體。
圖3是說明用于本發(fā)明的模子30的結(jié)構(gòu)的視圖。模子30包括管狀容器31，多個形成空氣孔的插針32，確定空氣孔的排列的上下插針固定部件33和34，固定螺栓35固定上插針固定部件33到容器31，底帽36和漿體注入部分37。形成空氣孔的插針32用金屬材料做成，如SUS-棒，棒包括一般的鍍鉻鋼，和表面鍍聚四氟乙烯的棒。
參考圖2，為了聚合單體和加入到預混合料溶液的二聚物，在成型步驟400中加入聚合引發(fā)劑和催化劑401。聚合引發(fā)劑包括過硫酸銨水溶液，催化劑401包括N，N，N’，N’-四甲基乙二胺(下文中，簡稱為TEMED)。
凝膠老化步驟500涉及老化通過成型步驟400穿過的凝膠體，在常溫下改善凝膠體的強度。
在去模步驟600中，已通過凝膠老化步驟500穿過的濕凝膠體從模子30中去模。即，形成空氣孔的插針32通過模子30的最上部分或最下部分中去除，那么濕凝膠體從模子30中去模。
干燥步驟700，涉及使用恒定溫度和濕度的設(shè)備在溫度約20到50℃和RH 70到95％的條件下干燥從模子30去模的濕凝膠體一周形成干凝膠體。
在熱處理步驟800中，干凝膠體在溫度約300到700℃的范圍中熱處理，因此完全去除剩余在凝膠體中的濕氣和有機物質(zhì)。然后，在溫度約300到1200℃的范圍中再執(zhí)行熱處理，同時施加氯氣，因此去除剩余在凝膠體中的OH羥基。
在燒結(jié)步驟900中，由在溫度約1100到1600℃的范圍中實現(xiàn)熱處理，同時形成真空氛圍或施加氯氣，制作有高純度的其中不含泡沫的二氧化硅玻璃有孔光纖的預制品。
下文中解釋本發(fā)明的一個生產(chǎn)預制品的實例。
首先，準備有內(nèi)徑124mm和長度1000mm的SUS管，和形成有直徑4mm的空氣孔的SUS-插針。排列空氣孔和支持插針的固定部件由丙烯，乙醛縮二乙醇，或聚四氟乙烯材料做成?？諝饪子?68根插針排成7列。在安裝前用酒精清洗準備的模子部件。
包括2.825克去離子水，108克1-乙烯基-2-吡咯烷酮，和12克N，N’-甲基乙二胺的預混合料溶液與包含TMAH重量百分比25的溶液375cc混合，并在其中加入從DEGUSSA可得到的3000克氧相二氧化硅-OX50。那么，混合物在高性能的混合器中分散，因此形成漿體。
漿體注入到準備的模子中，使得形成凝膠體。凝膠體在1小時中固化，固化的凝膠體經(jīng)5小時老化處理。在實現(xiàn)老化處理后，中央棒通過模子的底部去除，凝膠體從SUS管退出。那么，凝膠體在溫度約30℃和濕度約70％的恒溫恒濕設(shè)備中經(jīng)7天干燥處理。
在實現(xiàn)干燥處理后，為了去除剩余在凝膠體中的濕氣和有機物質(zhì)，溫度升到550℃執(zhí)行熱處理。從凝膠體中去除剩余濕氣和有機物質(zhì)的處理在此連續(xù)執(zhí)行。為了玻璃化，溫度由100℃/小時提升到1000℃，溫度維持5小時。此時，由調(diào)整氯氣去除剩余OH羥基。那么，在He氣體中執(zhí)行燒結(jié)處理，同時溫度由100℃/小時提升到1500℃，因此制作高純度二氧化硅玻璃預制品。
玻璃預制品直徑80mm和長度60mm，各空氣孔直徑2.5mm和鄰近空氣孔之間的距離約4.1mm。在作為選擇的實例中，在溫度1500℃和真空度1托的真空環(huán)境中實現(xiàn)燒結(jié)處理。其它處理條件與上面描述的相同，因此為了避免冗余這里省略相同特征的討論。
注意到延伸通過實例1和實例2制作的有孔光纖預制品，使得獲得有如圖4所示的小直徑的光纖預制品41。那么，堆疊預制品41a到41f并互相捆扎，使得形成光纖預制品束，光纖預制品束插入大的玻璃管42，因此光纖預制品束捆扎成大的玻璃管42，因此形成有不同結(jié)構(gòu)的另一光纖預制品。
例如，在溫度約2000℃延伸通過實例1和實例2制作的光纖預制品，因此光纖預制品的直徑(80mm)能降低到10mm。直徑10mm的圓柱形光纖預制品堆疊為六邊形的圖案，堆疊的圓柱形光纖預制品插入到內(nèi)徑22mm和外徑40mm的玻璃管中。堆疊的圓柱形光纖預制品結(jié)合為玻璃管。
如上面描述的，根據(jù)本發(fā)明，使用包括單體和二聚物的二氧化硅漿體制作有孔光纖的預制品，使得容易調(diào)整空氣孔的大小和排列，因此獲得各種有孔光纖的預制品。此外，在制作過程中能不污染大的光纖預制品而制作大的光纖預制品。
參考本發(fā)明一定的優(yōu)選實例顯示和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解不偏離所附權(quán)利要求規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍，可作形式和細節(jié)的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種制作用于生產(chǎn)有孔光纖的預制品的方法，包括步驟a)準備有多個插針的管狀模子，用于形成多個排列為預先確定的圖案的空氣孔；b)將包括單體和二聚物的二氧化硅漿體注入到管狀模子形成為凝膠體；c)從插針和管狀模子中去模凝膠體；d)干燥和燒結(jié)形成空氣孔的凝膠體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括步驟選擇性的改變多個插針的大小和排列和多個空氣孔之間的距離，用于調(diào)整有孔光纖的光學傳輸特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，形成空氣孔的插針排列為光子晶格圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，形成空氣孔的插針不規(guī)則地排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟b)包括子步驟i)將單體和二聚物混入去離子水中制作預混合料的溶液；ii)將霧狀二氧化硅和色散劑加入到光纖的預混合料溶液形成溶膠；iii)去除包含在溶膠中的泡沫老化溶膠；iv)溶膠注入到模子中并加入聚合引發(fā)劑和催化劑到溶膠中，因此轉(zhuǎn)換溶膠為凝膠體；v)為了增強凝膠體的強度老化凝膠體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟d)包括子步驟i)干燥從模子去模的凝膠體，因此形成干的凝膠體；ii)為了去除包含在干的凝膠體中的濕氣和雜質(zhì)，熱處理干的凝膠體；iii)燒結(jié)干的凝膠體因此玻璃化干的凝膠體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于燒結(jié)步驟iii)在真空環(huán)境中執(zhí)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于單體包括從丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和1-乙烯基-2-吡咯烷酮組成的組合中選擇一個。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于二聚物包括N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于霧狀二氧化硅的混合比例約40到60重量百分比。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于色散劑調(diào)整混合物的酸度(pH)在11到13范圍中。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于聚合引發(fā)劑包括過硫酸銨水溶液。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于催化劑包括N，N，N’，N’-四甲基乙二胺。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于熱處理步驟在原地執(zhí)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括拉長生產(chǎn)有孔光纖的預制品的步驟。
16.一種由拉長權(quán)利要求1所述步驟制造的預制品的生產(chǎn)有孔光纖。
全文摘要
公開了一種制作用于生產(chǎn)其中有空氣孔的有孔光纖預制品的方法。方法包括步驟準備有多個插針的管狀模子，插針形成多個排列為預先確定的圖案的空氣孔，注入包括單體和二聚物的二氧化硅漿體到管狀模子，并且二氧化硅漿體形成為凝膠體，從插針和管狀模子中去模凝膠體，干燥和燒結(jié)形成的有空氣孔的凝膠體?？諝饪椎拇笮『团帕惺侨菀渍{(diào)整的，因此在制作過程中獲得無污染預制品的大的光纖預制品。
文檔編號C03B37/012GK1654993SQ20041007703
公開日2005年8月17日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月11日
發(fā)明者吳廷賢, 白永珉, 金鎮(zhèn)漢 申請人:三星電子株式會社