玻璃墊層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及玻璃墊層，更具體地涉及具有玻璃墊層的光纖。因此，一些實(shí)施例包括具有纖芯、包層和玻璃墊層的光纖。在一些實(shí)施例中，玻璃墊層的折射率大于包層的折射率。
【專利說明】玻璃墊層
相關(guān)申請的交叉參考
[0001]本申請要求2013年3月15日提交的，題目為“Glass Buffers”，序列號為61/787，854的美國臨時(shí)專利申請的優(yōu)先權(quán)，在此通過引用將其整體并入，如同在此處明確規(guī)定的。
【背景技術(shù)】

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明大體上涉及光學(xué)器件，尤其涉及光纖。
相關(guān)技術(shù)描述
[0003]光纖激光器通常被用在高功率的光學(xué)應(yīng)用中。在這些應(yīng)用中采用的高功率級別可能會導(dǎo)致不同脆弱點(diǎn)的溫度升高。因此，還需要不斷地努力以減輕高功率光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)潛在的過熱。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明涉及具有玻璃墊層的光纖。因此，一些實(shí)施例包括一種具有芯、包層和玻璃墊層的光纖。一些實(shí)施例中，玻璃墊層的折射率比包層的折射率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]本公開的許多方面參照下面的附圖可以更好地理解。圖中的組件不一定按比例，重點(diǎn)在于清楚地說明本發(fā)明的原理。此外，在附圖中，在以下若干視圖中相同的標(biāo)記表示相應(yīng)的部分。
[0006]圖1表不一種具有玻璃墊層的光纖的實(shí)施例。
[0007]圖2示出另一種具有玻璃墊層的光纖的實(shí)施例。
[0008]圖3A和圖3B為顯示加熱區(qū)域的熱量圖。
[0009]圖4是表示具有玻璃墊層的光纖的制造方法的實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】的詳細(xì)描述
[0010]在采用光纖激光器的高功率應(yīng)用中，光纖通常被拼接在一起。拼接后，例如將錐體置入錐形光纖束(TFB)后，通常會在包層中發(fā)現(xiàn)光的傳播。不論光纖是單模光纖(SMF)或多模光纖(MMF)，最好能將光從包層中去除或剝離。目前，使用聚合物涂層從包層剝離不需要的光。使用聚合物涂層的一個(gè)缺點(diǎn)是，根據(jù)不同的材料，所述聚合物涂層具有的折射率允許光以一定的角度進(jìn)入該聚合物，從而導(dǎo)致過熱，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p壞和故障。
[0011]具體地講，聚合物涂層存在兩個(gè)脆弱區(qū)域。第一區(qū)域是錐體和輸出光纖之間拼接后的粘合點(diǎn)。如果拼接時(shí)纖芯和包層匹配不完美，那么纖芯的光可以被間接地注入到包層。間接注入的光將沿包層通過全內(nèi)反射(TIR)引導(dǎo)，直到達(dá)到具有與包層相匹配的折射率的材料。該折射率匹配的材料通常是聚合物涂層。
[0012]當(dāng)光入射到聚合物涂層時(shí)，聚合物涂層被加熱，通常會引起熱破壞和損壞。其中聚合物涂層加熱的速率通常是厚度的函數(shù)。因此，在一個(gè)邊緣被剝離的連接處，聚合物涂層可能更薄，導(dǎo)致在這些剝離邊緣的連接處產(chǎn)生的更高的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，約200至300毫瓦(mW)的包層光引導(dǎo)進(jìn)入聚合物涂層會導(dǎo)致溫度顯著增加。因此，可想而知，激光組合器應(yīng)用，這意味著運(yùn)用兩(2)千瓦(kW)的功率，會導(dǎo)致明顯過熱，特別是由于目前的規(guī)格要求組合器效率為95或更高，這轉(zhuǎn)化為潛在地被引導(dǎo)入包層區(qū)域內(nèi)的、范圍為100至200瓦(W)的光。
[0013]傳統(tǒng)上，通過使低折射率粘接材料流過剝離區(qū)以將光纖向鋁外殼散熱，來控制這種過度加熱。此外，熱復(fù)合物已被用于進(jìn)一步對光纖進(jìn)行散熱和分散聚合物涂層中的剩余光。不幸的是，這樣的低折射率粘接材料增加了系統(tǒng)的剛性，并且通常不能用于去除包層光。因此，大部分包層光傳播超過粘合點(diǎn)。
[0014]第二脆弱區(qū)域是光學(xué)纖維的模式剝離區(qū)域，其中涂層被剝離以使包層被暴露。暴露的包層允許光傳播穿過包層以逃逸。典型地，在該涂層被剝離后，露出的光纖被置于一個(gè)鋁制外殼中，并與低折射率粘接材料接合。然后將一種熱復(fù)合物放置在裸光纖的縱向，從而產(chǎn)生一個(gè)可散射光的邊界。散射光可以是全向的，因此，其可以在不同數(shù)值孔徑重新注入到光纖。在該模式剝離區(qū)中的包層和熱復(fù)合物之間的初始接觸出現(xiàn)加熱問題，可對光纖性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0015]考慮到這些過熱問題，本發(fā)明教導(dǎo)了一種從包層去除光的玻璃墊層，從而改善一些過熱問題。使用具有比包層更高的折射率的玻璃墊層能夠去除過量的包層光。此外，由于它的熱特性，玻璃墊層具有比聚合物墊層更高的耐熱性，從而進(jìn)一步減輕任何過熱問題。
[0016]已經(jīng)提供了幾個(gè)實(shí)施方案的概述，現(xiàn)在參考如附圖中所示的實(shí)施例作出詳細(xì)描述。一些實(shí)施例的描述與這些附圖相關(guān)，但其目的不是將本申請限制為實(shí)施方式或這里所公開的實(shí)施例。相反，其目的是要覆蓋所有的替換，修改和等同物。
具有熱復(fù)合物層的玻璃墊層
[0017]圖1示出了具有被包層104包圍的二氧化硅纖芯102的光纖100的實(shí)施例。玻璃墊層106位于包層104的徑向外部，并且優(yōu)選與包層104直接接觸。在一些實(shí)施例中，玻璃墊層106的厚度大致為包層104厚度的兩倍。在其他實(shí)施例中，玻璃墊層106的厚度大于包層104厚度的兩倍。玻璃墊層106的折射率大于包層104的折射率。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，玻璃墊層106包括硼硅酸鹽，其具有介于約900攝氏度與約1000攝氏度之間的熔點(diǎn)溫度，以及約1.47的折射率。
[0018]由于玻璃的熱特性，玻璃墊層106與聚合物基墊層相比能夠承受更高的溫度。此外，由于包層104和玻璃墊層106之間折射率的差異，玻璃墊層106能夠剝離出包層的光。可以理解，玻璃墊層的長度與NA之差成比例(例如，NA差異越大長度越短，NA差異越小長度越長)。玻璃墊層106也優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，因?yàn)椴Ａ|層106具有比光纖的二氧化娃纖芯102和包層104低的熔點(diǎn)。這種差異提供改善的光纖性能，并在玻璃墊層106和包層104之間提供更有效的粘結(jié)。
[0019]繼續(xù)參考圖1的實(shí)施例，玻璃墊層106的徑向外部是熱復(fù)合物層108 (例如，可商購的低密度T644，由THERM-A-Form?制造)。加入該熱復(fù)合物層108進(jìn)一步改善了光纖100的熱特性。如圖1所示，鋁外殼110包圍熱復(fù)合物層108。
[0020]在操作中，高功率纖芯光101通過光纖的二氧化硅纖芯102傳播。如圖所示纖芯光101緊接在錐體或輸出光接頭112之后從左邊傳播到右邊。纖芯的信號光101可以通過全內(nèi)反射(TIR)在接頭112處被注入到包層104。包層光103被引導(dǎo)沿著包層104的長度向下，直到到達(dá)玻璃墊層106，并且由于玻璃墊層106的高折射率，包層光103被折射到玻璃墊層106，其中所述光向下游傳播，并最終從玻璃墊層106脫離進(jìn)入自由空間114。因此，玻璃墊層106起到準(zhǔn)波導(dǎo)的作用。
[0021]在采用聚合物墊層的常規(guī)系統(tǒng)中，光的折射將產(chǎn)生熱升高的區(qū)域，從而導(dǎo)致可能的過熱和隨后的故障。然而，不同于常規(guī)系統(tǒng)，玻璃墊層106的熱特性使其不易過熱。熱復(fù)合物層108具有較低的折射率。因此，很少(如果有的話)的光107從玻璃墊層106逃逸到熱復(fù)合物層108。根據(jù)光從玻璃墊層106逃逸的程度，逃逸的光產(chǎn)生了一個(gè)易受熱的區(qū)域120。然而，熱復(fù)合物層108還提供了一個(gè)散熱片用來降低存在于區(qū)域120的熱量。此散熱片結(jié)合透過玻璃墊層106的重定向，降低了由多余的包層光103導(dǎo)致光纖損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
玻璃墊層改進(jìn)的熱特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)i正
[0022]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證玻璃墊層的熱特性，其中第一 MMF(完全填充，0.16數(shù)值孔徑(NA)，105微米纖芯，125微米包層的多模光纖)被接合到第二 MMF (50微米纖芯，360微米包層)。以第一MMF的纖芯為中心，并與第二MMF的纖芯對齊形成直接拼接。施加到第二MMF的360微米包層的硼硅酸鹽墊層的長度為約5毫米(5_)，厚度為大約2.5毫米(mm)。
[0023]該纖芯尺寸被故意錯(cuò)配，以允許將第一 MMF纖芯的光注入到第二 MMF的包層。二十三(23)瓦(W)的功率被發(fā)射進(jìn)入第一 MMF。105微米與50微米的內(nèi)芯比率約為23%，由此導(dǎo)致在第一 MMF的105微米纖芯中傳播的光的約23%被傳播到第二 MMF的50微米纖芯，并且其余的光(約77% )被注入到第二 MMF的包層。隨后第二 MMF的包層光被剝離出玻璃墊層。在第二 MMF的模式剝離區(qū)域的長度端部進(jìn)行的測量表明，遺留在第二 MMF的纖芯的總功率約為23%。
[0024]此外，為了確認(rèn)該玻璃墊層剝?nèi)ゼs77%的包層光，第二 MMF被解理，并在解理點(diǎn)進(jìn)行了基準(zhǔn)測量。基準(zhǔn)測量采取纖芯和包層匹配拼接第二 MMF與具有高折射率涂層的第三MMF (50微米纖芯，360微米的包層)。在第二 MMF的解理端部取得的基準(zhǔn)測量結(jié)果等價(jià)于在第三MMF端部測得的功率。換句話說，第二 MMF的解理端和所述第三MMF的端部之間不存在差異，從而證明所有剩余的包層光通過玻璃墊層從包層剝離。
不具有熱復(fù)合物層的玻璃墊層
[0025]圖2示出光纖200的另一個(gè)實(shí)施例，其具有由包層204包圍的二氧化硅纖芯。玻璃墊層206位于包層204的徑向外部，而且，最好是與包層204直接接觸。玻璃墊層206的折射率大于包層204的折射率，并且，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，玻璃墊層206包括硼硅酸鹽。玻璃墊層206的徑向外部是包圍玻璃墊層206的鋁外殼210。
[0026]在操作中，纖芯光201傳播穿過光纖的二氧化硅纖芯202，并且同時(shí)，在接頭212之后進(jìn)入包層204。包層的光203被引導(dǎo)沿包層204的長度向下，直到其到達(dá)玻璃墊層206，并且由于玻璃墊層206的高折射率，包層的光203被折射到玻璃墊層206，所述光在此處向下游傳播，并最終從玻璃墊層206逃逸到自由空間214。
[0027] 類似于圖1的實(shí)施例，很少(如果有的話)的光207從玻璃墊層206逃逸。根據(jù)光從玻璃墊層206逃逸的程度，逃逸的光在鋁制外殼210產(chǎn)生了一個(gè)易受熱區(qū)域220。然而，穿過玻璃墊層206的重定向大大減少了鋁外殼210的加熱。不同于圖1的實(shí)施例，圖2的實(shí)施例不包括熱復(fù)合物層(圖1中的108)。因此，與具有熱復(fù)合物層將發(fā)生的情況相比，更多的光和熱被吸收到鋁制外殼。但是，與聚合物涂層相比，玻璃墊層206仍然顯著減少了光以及產(chǎn)生的熱量。
熱暈圖
[0028]圖3A和圖3B是熱量圖，顯示了玻璃墊層106如何減少熱量積聚。具體而言，圖3A是表示圖1的光纖如何運(yùn)作的熱量圖。與此相反，圖3B是表示一個(gè)具有聚合物墊層的傳統(tǒng)光纖的加熱區(qū)的熱量圖。
[0029]為了產(chǎn)生圖3A的熱量圖，兩個(gè)纖芯不匹配的纖維彼此接合，并且將光(從左至右傳播)注入到光纖中。約23瓦特(W)的多模光被注入光纖，而且，由于纖芯的故意錯(cuò)配，多模光傳播到包層。玻璃墊層的性質(zhì)允許玻璃墊層用作波導(dǎo)，從而使光逸出。由于玻璃的熔點(diǎn)高于1000°C，因此不需要散熱片。此配置導(dǎo)致77%的光被剝離出，裝置被加熱到約63°C，換算成導(dǎo)熱系數(shù)約3.550C /W
[0030]圖3B為使用不匹配纖芯的光纖產(chǎn)生的熱量圖，該光纖具有傳統(tǒng)的聚合物墊層和充當(dāng)散熱片的金屬外殼。再次，纖芯的不匹配導(dǎo)致光被傳播到包層中。對于圖3B而言，大約22W的多模光被注入光纖，使約65%的光被剝離出來。這種配置導(dǎo)致裝置被加熱至約94°C，其換算成導(dǎo)熱系數(shù)為約6.570C /ff(為玻璃墊層的近兩倍)。換句話說，由于聚合物墊層的熱特性，從光纖剝離出來的光沒有傳播，而是被轉(zhuǎn)換成熱能。而由于金屬外殼充當(dāng)散熱片，圖3B的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更多的熱量，并最終由于過熱而陰燃。
[0031]因此，我們從圖3A和圖3B的例子中可以看出，玻璃墊層(圖3A)的性能優(yōu)于聚合物墊層(圖3B)的性能。
制造工藝
[0032]已經(jīng)描述了具有玻璃墊層106、206的光纖100、200，以及它們各自的性能特征(圖3A和圖3B)，現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向圖4，它顯示了制造具有玻璃墊層106、206的光纖100、200的過程的一個(gè)實(shí)施例。如圖4的實(shí)施例所示，光纖被插入401到具有開放端的玻璃管，其具有比包層高的折射率，比包層或纖芯低的熔點(diǎn)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，該玻璃管由硼硅酸鹽制成。然后玻璃管與光纖被加熱402到玻璃管的熔點(diǎn)。所施加的熱量使玻璃管在光纖周圍塌縮403以形成玻璃墊層。因?yàn)椴ＡЧ芫哂斜裙饫w的纖芯或包層更低的熔點(diǎn)，玻璃管在光纖周圍的塌縮403產(chǎn)生了對二氧化硅纖芯或包層無干擾的玻璃墊層。一旦形成，由于玻璃墊層的高折射率和優(yōu)異的粘合質(zhì)量，與傳統(tǒng)的聚合物墊層相比，玻璃墊層能為光纖提供更好的界面。
[0033] 盡管已經(jīng)示出和描述了示意性實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚可以對所描述的內(nèi)容做出許多改變、修改或變更。例如，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中具體描述了硼娃酸鹽，但應(yīng)明白，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說具有所需的較低熔點(diǎn)和較高折射率的其它材料也可用于形成墊層。此外，雖然一個(gè)實(shí)施例中例舉了 T644(來自THERM-A-Form?),但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解具有類似特性的不同熱復(fù)合物也可以用在替代實(shí)施例中。因此，所有這樣的變化、修改和變更應(yīng)視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種處理，包括: 將光纖插入到玻璃管中，該光纖包括二氧化硅纖芯，該光纖還包括包層，該包層具有第一折射率，該包層具有第一熔點(diǎn)，玻璃管具有第二熔點(diǎn)，第二熔點(diǎn)比第一熔點(diǎn)低，玻璃管具有第二折射率，第二折射率比第一折射率高； 加熱玻璃管到一溫度，該溫度介于第二熔點(diǎn)與第一熔點(diǎn)之間；并且 塌縮玻璃管以形成玻璃墊層，玻璃墊層的厚度等于或大于包層的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理，其中玻璃墊層的厚度為包層厚度的至少兩倍。
3.一種裝置，包括: 光纖，包括: 二氧化硅纖芯；以及 位于二氧化硅纖芯的徑向外部的包層，該包層具有第一折射率，該包層還具有第一熔點(diǎn)；以及 位于包層的徑向外部的玻璃墊層，該玻璃墊層與包層接觸，玻璃墊層具有第二熔點(diǎn)，第二熔點(diǎn)比第一熔點(diǎn)低，玻璃墊層具有第二折射率，第二折射率比第一折射率高。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，還包括位于所述墊層的徑向外部的熱復(fù)合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，還包括位于熱復(fù)合物的徑向外部的金屬外殼。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，玻璃墊層包括硼硅酸鹽玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，第二熔點(diǎn)在約900攝氏度和約1000攝氏度之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，第二折射率為約1.47。
9.一種裝置，包括: 光纖，其包括纖芯和包層，該包層具有第一折射率；以及 位于包層徑向外部的玻璃墊層，該玻璃墊層具有第二折射率，第二折射率比第一折射率高。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，玻璃墊層與包層接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，包層具有第一厚度，玻璃墊層具有第二厚度，第一厚度小于第二厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，包層具有第一熔點(diǎn)，玻璃墊層具有第二熔點(diǎn)，第二熔點(diǎn)小于第一熔點(diǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，第二熔點(diǎn)在約900攝氏度和約1000攝氏度之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，玻璃墊層包括硼硅酸鹽玻璃。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，第二折射率為約1.47。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，還包括位于玻璃墊層徑向外部的金屬外殼。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，金屬外殼包括鋁。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置,光纖包括位于玻璃墊層與金屬殼體之間的熱復(fù)合物。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，熱復(fù)合物包括T644。
【文檔編號】C03B37/012GK104045231SQ201410172721
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】W·R·霍蘭德, S·蘇利萬 申請人:Ofs菲特爾有限責(zé)任公司