專利名稱：用來形成用于環(huán)境傳感器的空心開縫的pbg光纖的預成形件和方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及形成用于環(huán)境傳感器的光波導的方法，具體涉及用于環(huán)境傳感器 的空心開縫的光子帶隙(PBG)光纖的預成形件，還涉及使用所述預成形件形成所述光纖的 方法。發(fā)明
背景技術：
現(xiàn)有技術中已知具有空心的光纖形式的環(huán)境傳感器。用于所述傳感器的光纖的空 心通常通過包圍所述空心的光子帶隙(PBG)結構傳導光。該PBG結構產生了對應于通過所 述光纖傳輸的波長的"禁阻頻率范圍"，盡管對于特定波長范圍通過全內反射(TIR)傳導 光的空心光纖也是已知的。所述傳感器用來檢測“目標物質”的存在，所述目標物質是例如 環(huán)境中存在的特定氣體或液體。例如，所述目標物質可以是環(huán)境空氣中有可能指示火災或 者其它災害情況的二氧化碳的閾值量。在一種現(xiàn)有技術的設計中，使得光纖的一端或兩端都將該光纖的空心暴露于環(huán)境 大氣，使得環(huán)境大氣的氣體能夠連續(xù)地流入所述空心。在操作中，將具有會被特定待測氣體 組合物吸收的波長的激光連續(xù)地傳導通過所述光纖的空心。當所述氣體從環(huán)境大氣中引入 光纖的開放端的時候，氣體開始流過空心。由于所述氣體會吸收光，傳輸通過空心的激光的 波幅會降低。在前文所述的二氧化碳的情況，可以使用特定的閾值衰減產生信號，觸發(fā)火警 電路。所述環(huán)境傳感器可以用來檢測很多種目標物質，例如氣氛中的不同的氣體組成， 有機和無機的微?；蛘魵庖旱?，以及當所述光纖浸沒在液體的時候，甚至可以檢測不同的 液體組成。因此，所述傳感器用途廣，不僅可以作為燃燒產物或者污染物或者可能有毒物質 的檢測器，而且可以在需要對特定氣體或液體的組成進行控制的工業(yè)生產工藝中作為控制 或者監(jiān)控的傳感器。題為“光波導環(huán)境傳感器及其制造方法(Optical waveguideenvironmental sensor and method of manufacture) ”的美國專利第7，；343，074號揭示了一種光波導環(huán)境 傳感器，其包括細長的側面開口，將空心直接暴露于環(huán)境，該專利共同轉讓給本申請人，參 考結合于此。在現(xiàn)有技術中，將這種細長側面開口的形式稱作“光脊形波導”。光脊形波導 通常包括一種或多種材料的狹窄的脊，該脊位于第二種(或相同的)材料的厚板頂上。較 低折射率的第三種材料(通常是空氣)包圍著所述脊和厚板的頂面，從而提供折射引導機 構。所述厚板的厚度通常與脊相同，位于提供另外的垂直限制的較低折射率的基材上。由于光脊形波導易于制造，因此很有吸引力。該種材料結構以平面層的形式制造，然后通過在選定的區(qū)域除去材料層，留下初始結構的脊，從而限定出波導。大部分脊形波導 是平面型器件，用光刻法限定，然后使用半導體工業(yè)眾所周知的技術蝕刻而形成。但是，在 基于光纖的波導中形成這樣的結構要困難得多，特別是對于依靠細長的側面開口使得光纖 的空心暴露于環(huán)境的基于光纖的環(huán)境傳感器。例如，一種在光纖中形成細長的側面開口“或 狹縫”的方法是使用激光加工。不幸的是，當使用激光在光纖中切割狹縫的時候，會對光纖 的強度造成負面影響。另外，使用激光加工或機械加工形成長的狹縫是一項困難的任務。因此，人們需要一種能夠形成空心、開縫的PBG光纖的方法，該方法無需在拉制光 纖之后進行機械加工以形成狹縫。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一個方面涉及一種用來形成開縫的光子帶隙(PBG)光纖的預成形件。 所述預成形件包括圓筒形包層管，該包層管具有第一中心軸，前端，后端，限定開放的內部 的內表面，以及外表面。所述包層管具有形成于外表面內、直通內表面、并具有前端和后端 的第一縱向狹縫。所述預成形件還包括中桿(cane)，所述中桿包括第二中心軸；PBG區(qū)域， 該PBG區(qū)域沿著所述第二中心軸設置并包括基本以所述第二中心軸為中心的空心；和實心 外部區(qū)域，該實心外部區(qū)域包圍所述PBG區(qū)域并具有外表面。所述中桿具有形成于實心區(qū) 域外表面內的第二縱向狹縫。在所述第一中心軸和第二中心軸基本對準，所述第一和第二 縱向狹縫基本對準的情況下將所述中桿設置在包層管內部。本發(fā)明的第二個方面涉及一種形成空心開縫的PBG光纖的方法。該方法包括提供 預成形件，所述預成形件包括包層，包層具有第一縱向狹縫并包圍中桿。所述中桿具有實心 外部區(qū)域，該外部區(qū)域包圍中心PBG區(qū)域，所述中心PBG區(qū)域具有中央的空心。所述中桿還 可以具有形成于所述外部區(qū)域內的第二縱向狹縫。所述第一和第二縱向狹縫基本對準。該 方法還包括對所述預成形件進行拉制，形成空心PBG光纖，所述光纖中形成有縱向的狹縫。本發(fā)明的第三個方面涉及一種形成用于空心開縫的PBG光纖的預成形件的方法。 所述方法包括提供圓筒形包層管，所述包層管具有第一中心軸，前端，后端，限定開放的內 部的內表面，以及外表面。所述方法還包括提供中桿(cane)，所述中桿包括第二中心軸； PBG區(qū)域，該PBG區(qū)域沿著所述第二中心軸設置并包括基本以所述第二中心軸為中心的空 心；實心外部區(qū)域，該實心外部區(qū)域具有外表面并包圍所述PBG區(qū)域。所述方法還包括在所 述包層管的外表面內形成第一縱向狹縫，該狹縫貫穿所述內表面；以及在中桿外表面內形 成第二縱向狹縫，該第二縱向狹縫延伸到實體外部區(qū)域中。該方法還包括在所述第一中心 軸和第二中心軸基本對準，所述第一和第二狹縫基本對準的情況下將所述中桿設置在包層 管內部。所述方法任選包括在將所述中桿置于包層管內之后，使用單一的形成狹縫的方法 形成第一和第二狹縫。所述狹縫還可以分別形成，然后將包層管和中桿組合，使得狹縫基本 對準。在以下的詳細描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu)點對 本領域的普通技術人員而言根據所作描述就容易理解，或者通過實施包括以下詳細描述、 權利要求書以及附圖在內的本文所述的本發(fā)明而被認識。應理解，前面的一般性描述和以 下的詳細描述都是本發(fā)明的示例性實施方式，用來提供理解要求保護的本發(fā)明的性質和特 性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發(fā)明的進一步的理解，并被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。附圖以圖示形式說明了本發(fā)明的各種實施方式，并與詳細說明 一起用來說明本發(fā)明的原理和操作。附圖簡要說明參照附圖，閱讀本發(fā)明的以下詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明的這些方面、特征 和優(yōu)點以及其他的方面、特征和優(yōu)點，附圖中

圖1是用來形成空心開縫的PBG光纖的示例性光子帶隙(PBG)預成形件的透視 圖；圖2是圖1的PBG預成形件的第一示例性截面圖，其中PBG中桿的狹縫未到達PBG 區(qū)域；圖3是圖1的PBG預成形件的第二示例性截面圖，其中PBG中桿的狹縫延伸到PBG 區(qū)域中；圖4是圖1的PBG預成形件的第三示例性截面圖，其中PBG中桿的狹縫延伸到空 心PBG區(qū)域中；圖5是包層管和PBG中桿在使用一種示例性的方法組合形成預成形件之前的透視 圖，其中狹縫是在將PBG中桿設置在包層管中之前形成的；圖6是圖1的PBG預成形件的第四示例性截面圖，其中PBG中桿的狹縫比包層管 的狹縫寬；圖7是圖1的PBG預成形件的第五示例性截面圖，其中對預成形件進行加工，消除 了包層管和PBG中桿之間的界面；圖8是適合由本發(fā)明的PBG預成形件形成空心開縫的PBG光纖的常規(guī)光纖拉制設 備的示意圖；圖9A是一種使用PBG預成形件形成的示例性的空心開縫的PBG光纖的截面照片， 其中兩個預成形件狹縫都是通過以下單一操作形成的切穿包層管，部分地切到PBG中桿 中，但是未切到PBG區(qū)域中；圖9B是說明最終的空心開縫PBG光纖的示例性實施方式的截面示意圖，其中狹縫 與空心相連；圖10是使用PBG預成形件形成的示例性的空心開縫的PBG光纖的截面照片， 其中開縫的包層管被薄的未開縫的包層管包圍，從而在拉制的光纖中形成被覆蓋的狹縫 (301)；圖11是用來形成圖10的開縫的PBG光纖的預成形件的截面圖；圖12是示例性的PBG預成形件的截面照片，其中在進行單獨的研磨操作以形成各 自的預成形件狹縫之前，將預成形件加工形成整體結構；以及圖13是光波導環(huán)境傳感器的示例性實施方式的示意圖，該傳感器使用本發(fā)明的 空心開縫的PBG光纖。發(fā)明詳述下面將介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，這些實施方式的例子在附圖中示出。只要 可能，在所有附圖中使用相同的編號和標記來表示相同或類似的部分。在以下的描述中， “上”、“下”、“前”、“后”、“頂”、“底”、“垂直”、“水平”等之類的術語是相對的術語，用于描述， 并沒有限制的含義。
本發(fā)明涉及一種用來形成空心光子帶隙(PBG)光纖的預成形件和方法，所述光纖 具有沿著該光纖縱向延伸的細長的開口或“狹縫”。所述開縫的PBG光纖使用開縫的預成形 件形成，當將所述預成形件拉制成開縫的PBG光纖的時候，該縫得以保持。由此無需在形成 光纖之后再形成狹縫。一旦形成了預成形件，就使用一些用來形成光子帶隙光纖的常規(guī)技術中的任意 一種技術形成空心開縫的PBG光纖。以下共同擁有的參考文獻涉及形成光子帶隙光纖， 并適合用于本發(fā)明，參考結合于此美國專利第6，243, 522號，美國專利第6，847，771號， 美國專利第6，444，133號，美國專利第6，788，862號，美國專利第6，917，741號，美國專 利申請公開第2004/0258381號，美國專利申請公開第2004/0228592號，美國專利申請公 開第2007/(^66738號，PCT專利申請公開第WO 01/37008號，以及美國專利申請系列號第 10/171，335 號。一旦形成之后，所述空心開縫的PBG光纖就可以用來形成下文所述的光波導環(huán)境 傳感器。光子帶隙預成形件圖1是根據本發(fā)明的示例性預成形件10的透視示意圖。圖2至圖4是所述示例性 的預成形件沿著直線C-C獲得的第一、第二和第三示例性截面圖。預成形件10包括圓筒形 包層管20，該包層具有中心軸22、限定內部25的內表面對，外表面沈，前端30和后端32。 包層管20由通常構成光纖包層的材料，例如石英構成。包層管20包括狹縫40，其形成于外表面沈內，并貫穿內表面24。在一個示例性 的實施方式中，狹縫40是沿徑向取向的。在另一個實施方式中(未顯示)，狹縫40可以不 是沿徑向取向的(即成切線方向取向)。狹縫40優(yōu)選平行于中心軸22沿著包層管20縱向 延伸，具有前端42和后端44，寬度W1和長度Lp狹縫40可以延伸至最高達包層管20長度 的100%，例如約為包層管20長度的20-50%。在示例性的實施方式中，狹縫40的寬度W1 約為0. 06-0. 2英寸，在一個具體的示例性實施方式中，寬度W1約為0. 07英寸。并且在示例 性的實施方式中，狹縫40的長度L1約為4-8英寸，在具體的示例性實施方式中，長度L1約 為4英寸。在示例性的實施方式中，狹縫前端42與管的前端30相隔距離Dp在示例性的 實施方式中，距離D1約為1-2英寸，在具體的示例性實施方式中，距離D1約為1.5英寸。預成形件10還包括位于包層管內部25之內的中桿60。圖5是包層管20和中桿 60在組合形成預成形件10之前的透視圖。中桿60包括中心軸62，外表面66，前端68和 后端70。中桿60還包括包圍以中心軸62為中心的PBG區(qū)域76的實心外部區(qū)域72(例如 石英)，因此在下文中稱作“PBG中桿”60。PBG區(qū)域76包括晶格型微結構，其包括基本沿著 中桿的中心軸62設置的空心80。PBG區(qū)域76構造成產生“帶隙”或“禁阻區(qū)”，用來在空心 80內限定至少一種光學形式。在示例性的實施方式中，PBG區(qū)域76包括一個或多個“平的 側面” 77，例如圖2的示例性截面圖所示的六邊形側面。在示例性的實施方式中，PBG區(qū)域76包括具有不同折射率的不同光傳導材料的圖 案，例如氣孔84的圖案。或者，PBG區(qū)域76可以由兩種不同的實心光傳導材料(例如兩種 不同的玻璃，或者玻璃與塑料)的交替圖案形成。PBG區(qū)域76可以由這些材料的交替層形 成，只要這兩種材料的折射率之差能夠有效地形成上述“禁阻區(qū)”即可。PBG中桿60包括狹縫100，該狹縫形成于外表面66中，延伸到中桿外部區(qū)域72中。在示例性的實施方式中，狹縫100是沿徑向取向的。在另一個實施方式中(未顯示)， 狹縫100可以不是沿徑向取向的(即成切線方向取向)。狹縫100優(yōu)選沿著中桿60縱向延 伸，具有在中桿前端68的開放的前端102，后端104和底部110。狹縫100具有寬度W2和 長度L2。在另一個實施方式中(圖中未顯示)，狹縫前端102可以與中桿前端68隔開一定 的距離，該距離可以等于、大于或小于距離Dp狹縫100可以延伸至最高達中桿60長度的 100%，例如約為中桿60長度的20-50%。在示例性的實施方式中，狹縫100的寬度W2約為 0. 06-0. 2英寸，在具體的示例性實施方式中，寬度W2約為0. 07英寸。在各個示例性實施方 式中，W1 < W2, W1 > W2 以及 W2 彡 W1,并且，在示例性的實施方式中，狹縫100的長度L2約為4-8英寸，在具體的示例性 實施方式中，長度L2約為5. 5英寸。在示例性的實施方式，狹縫底部110在中桿外部區(qū)域 72之內，與PBG區(qū)域76相距D2，如圖2所示，而在另一個示例性的實施方式中，狹縫底部位 于PBG區(qū)域之內，如圖3所示。圖4是圖1的PBG預成形件10的第三個示例性截面圖，其 中PBG中桿狹縫100延伸到空心80中，在此情況下，所述狹縫沒有底部110。在各個示例性實施方式中，L1 < L2, L1 > L2以及L1 = L20圖6是圖1的PBG預成形件10的第四個示例性截面圖，圖中顯示了示例性的實施 方式，其中包層管的狹縫40比中桿的狹縫100窄(例如W1 = 0. 065英寸而W2 = 0. 088英 寸)。所述較窄的外部狹縫40能夠在拉制過程中減少熱量滲透，還能夠減少狹縫變形以及 光纖結構變形。如圖1-4和圖6所示，通過將PBG中桿60設置在包層管20內部25，使得中心軸 22和62基本對準而形成預成形件10。同樣，包層管狹縫40基本上與下方的中桿狹縫100 對準。在示例性的實施方式中，包層管狹縫40和中桿狹縫100通過例如獨立的機械加工工 藝分別形成，然后將PBG中桿60設置在包層管20的內部25，使得狹縫基本對準。在另一 個示例性的實施方式中，PBG中桿60設置在包層管20的內部25，然后通過切穿包層管并切 到PBG中桿中而形成狹縫40和100。在示例性的實施方式中，使用機械加工(例如使用窄 的(例如3毫米)的金剛石粘合的砂輪)形成狹縫40和/或100。除了研磨以外，還可以 使用其它的機械加工方法，例如蝕刻，銑削，激光，燒蝕和/或浸出形成狹縫40和/或100。并且在圖7所示的示例性實施方式中，對PBG預成形件10進行加工(例如熱處 理)以形成整體結構，消除包層管20和PBG中桿之間的界面。在所示的示例性實施方式中， 該方法包括拉制(或“預拉制”)PBG預成形件10。在圖7的實施方式中，包層管20與PBG 中桿外部區(qū)域72熔合，形成實心包層區(qū)域73。可以將實心包層區(qū)域73看作“預熔合”的區(qū) 域，因為如下文所述，在拉制光纖202的時候，包層管20和PBG中桿外部區(qū)域72會熔合形 成整體的外包層373。同樣，在所述預拉制過程中，包層管狹縫40和PBG中桿狹縫100熔合 (或“預熔合”)，在包層區(qū)域73形成單獨的狹縫101 (其任選延伸到PBG區(qū)域76中)。用來形成開縫的PBG光纖的拉制設備圖8是適合用來由上文所述的PBG預成形件10形成空心開縫的PBG光纖202 (下 文稱作“光纖202”)的常規(guī)光纖拉制設備300的示意圖。然后如下文所述使用光纖202形 成光波導環(huán)境傳感器。設備200包括進料機構210，其可操作地接合PBG預成形件10，該預成形件10具有 如上文所述的前端30和后端32。設備200包括爐230，該爐具有排出端232和接受端234，
8當所述進料機構激活的時候，所述接受端234配置成接受預成形件前端30。在爐230的下 游是測量單元240 (例如激光測微計)。將壓輪270配置在測量單元240的下游，配置成在 拉制光纖的時候在光纖202中產生張力。壓輪270也配置成將光纖202送到卷線軸觀0。 設備200還包括控制器四0，該控制器290與進料機構210，爐230，測量單元M0，壓輪270 和卷線軸280可操作連接。在操作中，將PBG預成形件10置于設備200中，這樣進料機構210接合預成形件 后端32。為了對來自控制器四0的控制信號作出響應，進料機構210將預成形件的前 端30引入爐230的接受端234中?？刂破?90通過爐控制信號來控制爐230的拉制 溫度。爐230用來使得前端30軟化，然后將新形成的光纖202以特定的速度從爐的排出端 232拉出。然后新拉制的光纖202繞著壓輪270轉動，卷繞儲存在卷線軸280上。示例性的預成形件和開縫的PBG光纖圖9A是使用上述PBG預成形件10形成的示例性光纖202的截面照片，其中PBG 預成形件的狹縫40和100是在單個操作中形成的，在此操作中，切穿包層管20，并部分地 切到PBG中桿60中，但是未切到PBG區(qū)域76中。該過程使用3毫米寬的金剛石粘合的砂 輪研磨出長度L1約為4英寸的狹縫40，該狹縫40與包層管前端30的距離D1約為1英寸。 也在PBG中桿60中研磨出狹縫100，該狹縫是從中桿前端70到長度L2,其長度也約為4英 寸，到達一定的深度，使得狹縫底部110位于PBG區(qū)域76的一個平側面77之上大約0. 062 英寸的距離A之處(例如見圖2)。制得的光纖202具有外包層區(qū)域373，該外包層區(qū)域373包圍具有空心380的PBG 區(qū)域376。外包層區(qū)域373對應于預成形件10的熔合的包層管20和中桿外部區(qū)域72 (或 者對應于“預熔合”的包層區(qū)域73)。預成形件狹縫40和100也熔合形成延伸到PBG區(qū)域 376中的單獨的細長的側面開口或狹縫301。在示例性的實施方式中，PBG區(qū)域76包括氣 孔84，PBG區(qū)域376包括相應的氣孔384。圖9B是顯示最終的光纖202的示例性實施方式 的截面示意圖，其中狹縫301與空心380相連。本發(fā)明涉及使用一步法或兩步法形成光纖202。在一步法中，在拉制過程中形成 狹縫301，這樣狹縫301與空心380相連。由此形成了火焰拋光的狹縫，同時未產生機械加 工產生的碎屑。在兩步法中，最初狹縫301在光纖拉制過程中沒有到達空心380，用第二過 程(例如機械加工過程，例如研磨或激光加工)使狹縫與空心相連(例如使得狹縫延伸至 空心)。盡管所述第二過程會產生機械碎屑，但是碎屑的量要比從包層管外表面沈開始機 械加工狹縫301產生的碎屑的量少。圖9A的光纖202的狹縫301形成“十九孔”缺陷，也就是說，PBG區(qū)域376失去十九 個孔。然后如虛線303所示，使得圖8中的狹縫301延伸(例如通過精密機械加工或激光 加工)與空心380相連。在示例性的實施方式中，激光法包括使用脈沖飛秒激光燒蝕狹縫 301和空心380之間的材料。在示例性的實施方式中，要除去的材料厚度約為20-35 μ m。要 除去的材料包括一部分的PBG區(qū)域376，可能還包括一部分外包層區(qū)域373，取決于狹縫301 的深度。在示例性實施方式中，在真空作用的輔助下將光纖202保持在V型凹槽定位器內， 使該定位器內的光纖(原文無)以控制燒蝕速率的方式移動通過飛秒脈沖激光束。在此處注意到，先形成狹縫301，然后使得狹縫延伸到達空心380的結果是光纖 202的強度約為通過形成直接穿過外包層區(qū)域373的狹縫制得的開縫光纖的強度的兩倍或更多(即前者具有更高的拉伸強度)。當通過拉制預成形件10形成狹縫301的時候發(fā)生光 纖結構的軟熔，可用來減少缺陷的形成，所述缺陷會降低光纖的強度。具體來說，會形成平 滑的凹槽表面，減少點缺陷，從而有助于形成強度更大的光纖202。圖10是使用與上文所述的預成形件10類似的PBG預成形件形成的示例性光纖 202的截面照片，但是其中開縫的包層管20被薄的未開縫的包層管21包圍，如圖11所示的 預成形件。在此情況下，在制得的光纖202中形成的狹縫301被玻璃薄層321覆蓋，由此形 成“覆蓋的狹縫”或“通道”。這樣的覆蓋的狹縫301可以用于得益于捕集待測目標物質的 傳感器用途。在示例性的實施方式中，在拉制過程中使得覆蓋的狹縫301與壓力和/或真空系 統(tǒng)相連，以控制狹縫的尺寸、玻璃層321的薄度，以及通過對狹縫施加足夠的壓力，使得光 纖在薄壁區(qū)域鼓脹，從而形成標記，指示狹縫位于光纖202中的位置。在另一個示例性的實施方式中，在玻璃薄層321中制造一個或多個孔323，狹縫 301延伸(通孔303)直到空心380，使得目標物質(如下文討論)可以進入覆蓋的狹縫301。圖12是一個示例性的PBG預成形件10的截面照片，其中對預成形件進行加工(例 如拉制或“預拉制”)，使得包層管20和PBG中桿60熔合成整體結構，然后進行單一的機械 加工(例如研磨)操作，以形成作為單一狹縫101的狹縫40和100。制得的狹縫101的標 稱寬度W1為0. 065英寸，盡管由于機械加工操作的特征，其底部110處具有斜度。還需要 注意在此實施方式中，狹縫101的底部110位于PBG區(qū)域76之內，如上述的圖3所示。還 注意到在由預成形件拉制光纖202之前通過對預成形件10進行拉制，消除了包層管20和 PBG中桿76之間的界面，如上文關于圖7所述。較窄的狹縫100能夠通過減少拉制過程中到達PBG區(qū)域的熱量，來減少拉制過程 中PBG區(qū)域76的變形。此種形成狹縫的方法可以無需將包層狹縫40和中桿狹縫100對準， 基本上消除了當包層管20和PBG中桿60之間存在界面的時候發(fā)生的狹縫變形。使用開縫的PBG預成形件10形成光纖202的優(yōu)點在于，制得的光纖的強度很可能 大于在拉制過程之后進行狹縫機械加工的PBG光纖的強度。這是因為在拉制過程中對狹縫 301進行“火焰拋光”，而對光纖進行的后拉制機械加工過程往往會破壞形成微結構的晶格， 留下粗糙的狹縫。另外，即使需要機械加工方法將狹縫301與空心380相連，狹縫的外部邊 緣也仍然保持平滑。環(huán)境傳感器如上所述，光纖202適合用作傳感器，因為狹縫301允許來自周圍環(huán)境的目標物質 (氣體，液體，微粒等)與在空心380內傳播的至少一種芯形式相互作用。在示例性的實施 方式中，空心380和狹縫301形成了脊形波導，其中一部分傳導的光在狹縫內傳播，另一部 分在空心內傳播，從而使光與狹縫內以及空心內的目標物質相互作用(進行到使目標物質 進入空心內的程度)。狹縫301縮短了周圍環(huán)境氣氛中的目標物質與光纖202引導的光相 互作用所需的時間，從而縮短了對環(huán)境進行檢測所需的響應時間。圖13是光波導環(huán)境傳感器400的示例性實施方式的示意圖，該傳感器使用本發(fā)明 的光纖202。傳感器400包括具有前端203和后端204的光纖202的部分。傳感器400還 包括光源410，該光源410能夠發(fā)射光412，并在光纖202的前端203處與空心380光耦合。 光源410可以包括例如準單色激光源，多重激光源(同向傳播或反向傳播)，寬帶光源(例如鎢鹵素燈，輝光棒，光譜燈，等等)，發(fā)光二極管，或者能夠用于檢測用途的任意其它的光 源。傳感器400還包括光傳感器420，其在光纖202的后端204與空心380光耦合，還 與控制器/數字處理器430相連。光傳感器420可以是例如光檢測器，例如光電晶體管。在傳感器400操作時，至少部分的光纖202 (優(yōu)選整個光纖)置于包括至少一種目 標物質450的環(huán)境444中?？刂破?數字處理器430為光源410提供控制信號SC，使得光 源發(fā)光412。發(fā)射的光412傳入空心380，沿著空心380以及狹縫301傳播。同時，使環(huán)境 目標物質450流入狹縫301中，如箭頭460所示。對光412(例如激光)的頻率進行選擇， 使其被目標物質450影響(例如被目標物質450散射或者吸收)，因此其波幅與狹縫301中 沒有目標物質的情況相比是減小的。例如，如果傳感器400用作火災檢測器的話，則可以對 受到目標物質450影響的光412的頻率進行選擇，使其會被二氧化碳或者選定的預示火災 類型的副產物吸收。因為目標物質450會影響在狹縫301和空心380中傳播的至少一部分光412，光纖 出口端234處光的波幅與狹縫中沒有目標物質的情況相比會減小。光傳感器420在后端234接收從光纖202射出的光412，產生電信號SS，該電信號 代表檢測到的光的量?？刂破?數字處理器430會接收電信號SS，連續(xù)監(jiān)控該電信號的幅 值。對控制器/數字處理器430編程，使得當由于狹縫301和空心380中存在特定量的目 標物質450，電信號SS的幅值低至選定的閾值的時候，控制器/數字處理器(或另一個電 路，圖中未顯示)會觸發(fā)報警器。因為狹縫301提供幾乎能直接利用目標物質的入口，因此傳感器400的響應時間 也幾乎是立即響應。另外，因為與由空心380和狹縫301形成的脊形光波導相關的損失較 低，光纖202部分的長度可以約等于或大于10米。這導致了具有高靈敏度的傳感器400，使 其能夠對特定區(qū)域存在的環(huán)境目標物質廣泛地取樣，減少了假正值的機會，從而提高了傳 感器的總體可靠性。對本領域的技術人員而言顯而易見的是，可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情 況下對本發(fā)明進行各種修改和變動。因此，本發(fā)明意圖是本發(fā)明覆蓋本發(fā)明的修改和變動， 只要這些修改和變動在所附權利要求書和其等同項的范圍之內即可。
權利要求
1.一種用來形成開縫的光子帶隙(PBG)光纖的預成形件，該預成形件包括圓筒形包層管，該包層管具有第一中心軸，前端，后端，限定開放的內部的內表面，以及 外表面，所述包層管具有形成于所述外表面內、直到所述內表面、并具有前端和后端的第一 縱向狹縫；中桿，該中桿包括第二中心軸；PBG區(qū)域，該PBG區(qū)域沿著所述第二中心軸設置并包 括基本以所述第二中心軸為中心的空心；以及實心外部區(qū)域，所述實心外部區(qū)域包圍所述 PBG區(qū)域并具有外表面；所述中桿具有形成于所述實心區(qū)域外表面內的第二縱向狹縫；其中，在第一中心軸和第二中心軸基本對準，所述第一和第二縱向狹縫基本對準的情 況下將所述中桿設置在包層管內部。
2.如權利要求1所述的預成形件，其特征在于，所述第二縱向狹縫延伸至所述中桿的 前端。
3.如權利要求1所述的預成形件，其特征在于，所述第一縱向狹縫未延伸至所述包層 管的前端。
4.如權利要求1所述的預成形件，其特征在于，所述第一縱向狹縫的寬度為W1,第二狹 縫的寬度為W2，其中W2 SW1。
5.如權利要求1所述的預成形件，其特征在于，所述第二縱向狹縫延伸到所述PBG區(qū)域中。
6.如權利要求1所述的預成形件，其特征在于，所述第二縱向狹縫延伸到所述空心中。
7.如權利要求1所述的預成形件，其特征在于，所述預成形件還包括包圍所述開縫的 包層管的薄的未開縫的包層管。
8.一種用來形成空心開縫的光子帶隙(PBG)光纖的方法，該方法包括提供預成形件，該預成形件包括包層管和中桿，所述包層管具有第一縱向狹縫并且包 圍中桿，所述中桿具有實心的外部區(qū)域，該實心的外部區(qū)域包圍中心PBG區(qū)域，所述中心 PBG區(qū)域具有中央空心，所述中桿具有形成于所述外部區(qū)域內的第二縱向狹縫，其中，所述 第一和第二縱向狹縫基本對準；以及對所述預成形件進行拉制，形成所述空心PBG光纖，所述光纖中形成有縱向狹縫。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該方法還包括對所述預成形件進行加工，以 消除PBG中桿和包層管之間形成的界面。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述包層管限定了開放的內部，所述提供 預成形件的步驟包括在所述包層管中形成第一縱向狹縫；在所述PBG中桿中形成第二縱向狹縫；以及將所述PBG中桿設置到所述包層管的開放內部中，使得所述第一和第二縱向狹縫基本 對準。
11.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述包層管限定了開放的內部，所述提供 預成形件的步驟包括將未開縫的PBG中桿設置到未開縫的包層管內部中；以及在單個狹縫形成操作中形成所述第一和第二縱向狹縫。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述狹縫形成操作包括機械加工貫穿所述包層管，并且加工到所述PBG中桿的實心外部區(qū)域中。
13.如權利要求8所述的方法，還包括用薄的未開縫的包層管包圍所述包層管，因此拉制的光纖包括覆蓋其中形成的狹縫的薄覆蓋物。
14.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述縱向狹縫與所述空心相連。
15.如權利要求8所述的方法，其特征在于，在拉制的時候，所述縱向狹縫未與空心相 連，該方法還包括將縱向狹縫與所述空心相連。
16.一種檢測環(huán)境中的至少一種目標物質的方法，該方法包括進行權利要求8所述的方法，形成一段長度的空心開縫的光子帶隙(PBG)光纖； 使得所述至少一種目標物質至少部分地充入所述狹縫；在所述長度上，使得光傳輸通過所述空心以及通過所述至少部分充入的狹縫；以及 檢測在所述至少部分充入的狹縫內受到目標物質影響的光的量。
17.一種用來形成用于形成空心開縫的光子帶隙(PBG)光纖的預成形件的方法，該方 法包括提供圓筒形包層管，所述包層管具有第一中心軸，前端，后端，限定開放的內部的內表 面，以及外表面；提供中桿，所述中桿包括第二中心軸；PBG區(qū)域，該PBG區(qū)域沿著所述第二中心軸設置 并包括基本以所述第二中心軸為中心的空心；實心外部區(qū)域，該實心外部區(qū)域具有外表面 并包圍所述PBG區(qū)域；在所述包層管的外表面內形成第一縱向狹縫，該狹縫貫穿所述內表面； 在所述中桿的外表面內形成第二縱向狹縫，該第二縱向狹縫延伸到所述實心外部區(qū)域 中；以及在所述第一中心軸和第二中心軸基本對準，所述第一和第二狹縫基本對準的情況下將 所述中桿設置在包層管內部。
18.如權利要求17所述的方法，所述方法還包括首先將所述中桿設置在所述包層管 內，然后形成所述第一和第二縱向狹縫。
19.如權利要求16所述的方法，所述方法還包括對所述預成形件進行拉制，形成空心 開縫的PBG光纖。
20.如權利要求16所述的方法，還包括對所述預成形件進行拉制，形成空心開縫的PBG光纖，該光纖具有未延伸到空心的縱 向狹縫；使得所述縱向狹縫延伸到達空心。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種用來形成用于環(huán)境傳感器的空心開縫光子帶隙(PBG)光纖的預成形件，以及使用所述預成形件形成這種光纖的方法。所述預成形件包括包圍開縫的空心PBG中桿的開縫的包層管。所述包層管和PBG中桿中的狹縫沿縱向形成，基本上互相對準。在拉制預成形件的時候，所述狹縫熔合，在制得的空心PBG光纖中形成細長的側面開口或狹縫。在一種情況下，所述狹縫在拉制的時候到達所述空心，在另一種情況下，采用第二步驟，使得狹縫延伸至與空心相連。所述光纖用來形成環(huán)境傳感器，用來檢測環(huán)境中是否存在目標物質。所述光纖的PBG區(qū)域中形成的狹縫形成了脊形波導，其中一部分的不然會以受限制方式被限制在空心的光在狹縫中傳播。所述目標物質影響光纖內傳播的光，由此便于檢測目標物質。
文檔編號G02B6/02GK102066996SQ200980124957
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權日2008年6月26日
發(fā)明者B·J·胡佛, J·E·姆卡蒂, J·P·卡伯里, K·W·科齊三世, L·C·達比奇二世, M·T·加拉赫 申請人:康寧股份有限公司