1.本披露内容涉及一种制造光纤预制件的方法以及一种组装比如光纤预制件等光学部件的方法。
背景技术：
：：2.传统的光纤是由实心玻璃预制件制造的，该实心玻璃预制件的掺杂区域和未掺杂区域形成光纤中的芯和包层区域。3.微结构光纤(mof)通常由预制件制造，该预制件由一种或多种材料构成的一束杆和毛细管制成，但是这些微结构光纤的物理布置方式使得最终纤维包括大量空气区域。这样的纤维的一个示例是中空芯光纤，其中，光被导引在纤维的没有玻璃的区域中。mof包括光子晶体纤维、中空芯纤维、负曲率和反谐振纤维，这些术语中的一些术语常常可互换使用。4.这样的纤维正在吸引各种应用的巨大关注，这些应用包括电信、先进制造所用的纤维激光器和高功率激光传送、高功率传输、非线性光子学和光谱学等。在一些情况下，mof相比于常规光纤可以表现出多个优点，包括较低的传播损耗、较高的损坏阈值和较宽的光谱带宽。5.目前，mof是使用劳动密集型“堆叠拉制”技术制造，在这些技术中，将玻璃毛细管或杆精确地并排堆叠以形成预制件，然后将预制件加热并拉制以形成纤维。图1中示出了堆叠式mof预制件100的示例，该预制件包括紧密但不均匀填充的玻璃杆102的六边形阵列。实际上，该预制件是从长约10cm、宽10mm到长达多米、宽达几十厘米(例如长约50cm、宽约10mm)的任何预制件。图2示出了用于将这种预制件100从相对较短且较宽的结构拉制成较长且较细的纤维202的设备200。预制件100在顶端处由夹头204固持，该预制件的下端定位在加热腔室或熔炉206内。随着预制件100的下端熔融，将细纤维202向下拉制并缠绕在线轴208上。[0006]“堆叠拉制”技术是非常耗时的、劳动密集型的、而且需要技术精湛的人员，使得这样的mof的制造成本昂贵，其中，高度可重复性具有挑战性。另外，纤维只能以有限数量的预制件图案进行生产，因此应用和行业所期望的许多mof芯设计无法制造出来。[0007]然而，目前对开发用于包括数据中心的低延迟纤维链路的应用的中空芯纯熔凝石英纤维和用于高峰值功率激光传送的电力输送纤维的兴趣非常之大。因此，期望降低成本，使得mof能够更容易地开发利用。[0008]已经使用3d打印技术进行了一些工作来制成用于光纤制造的玻璃预制件，比如以下文件中所描述的玻璃预制件：“silicaopticalfibredrawnfrom3dprintedpreforms[由3d打印的预制件拉制而成的石英光纤]”《opt.lett.[光学快报]》44,5358-5361(2019)；yushichu等人。这种制造工艺是基于对悬浮于树脂中的石英纳米颗粒的紫外线(uv)固化。然而，材料光洁度通常较差，因此芯特征尚不明确。因此，所得到的玻璃由于存在缺陷和杂质而质量低下。[0009]因此，本披露内容的目的是提供一种制造光纤预制件的方法来解决上述问题中的一个或多个问题或至少提供有用的替代方案。技术实现要素：[0010]一般而言，本披露内容提出通过使用减材技术(比如，激光辅助蚀刻)在高纯度熔凝石英基材中直接限定芯结构来制造光纤预制件以克服上述问题。因此，实现了高度自动化过程，从而促进了对芯结构的完全控制。[0011]根据本披露内容的一方面，提供了一种制造光纤预制件的方法，该方法包括：[0012]对光学整体料使用减材工艺，以在该光学整体料中限定该光纤预制件的至少横向区段；并且[0013]其中，该横向区段包括具有不同折射率的至少两个区域。[0014]因此，本披露内容的实施例提供了一种制造光纤预制件的方法，该方法使用减材工艺从光学整体料中限定光纤预制件的至少横向区段。因此，实现了可能更快的、更精确的且可重复的用于制造光纤预制件的过程，该光纤预制件然后可以使用传统技术进行拉制以实现低成本(可能地，中空芯)光纤。有利地，该方法可以允许从每个横向区段中去除任意形状的孔和区域，从而实现了使用先前技术无法实现的光纤制造。[0015]减材工艺可以包括激光辅助蚀刻(lae)，这种激光辅助蚀刻可以包括在光学整体料中激光写出结构并且对该结构进行化学蚀刻以获得横向区段。换句话说，可以使用可以穿透材料几毫米的短(例如，皮秒、飞秒或纳秒)激光脉冲以三维方式对光学整体料进行刻写，然后通过选择性化学蚀刻去除刻下(即，激光写出)的材料。结果是成形光学材料的板坯形成预制件的横向区段或切片。这种基于激光的制造(有时被称为激光打印或激光刻写)可以由超快脉冲激光器来进行。有利地，在一些实施例中，可以在1天或多天内制造出200mm长的预制件，而使用传统技术需要几周。因此，本发明的实施例可以转化这样的微结构光纤的商业潜力和应用。[0016]横向区段可以由垂直于横向区段的平面定向的激光束来限定。在一些实施例中，横向区段可以由平行于横向区段的平面定向的激光束来限定。[0017]光学整体料(即，基材、晶片或坯件)可以包括任何适合的材料，光纤由该材料产生。特别地，光学整体料可以包括高质量(超纯)熔凝石英玻璃以用于制造质量上乘的光纤。[0018]横向区段可以包括结构化芯和/或中空芯。[0019]该方法可以包括：[0020]使用减材工艺限定光纤预制件的至少两个横向区段；以及[0021]将至少两个横向区段堆叠以形成堆叠式光纤预制件。[0022]尽管可以使用本发明的实施例整体地形成预制件，但可以通过制造多个分立的横向区段(即，板坯)、然后将它们端部对端部地堆叠以形成光纤预制件来获得更高的精确度。[0023]可能会认为，使用所提出的技术制造的预制件由于构造出预制件的激光写出的板坯的分立属性而将受到影响。然而，情况并非如此，因为后续的光纤拉制过程涉及将预制件加热至》1500摄氏度，在此期间，横向区段之间的边界区域完全熔融并且由于表面张力而消失。[0024]该方法可以进一步包括将至少两个横向区段联接以形成堆叠式光纤预制件。[0025]该联接可以决定至少两个横向区段的被动对准。这有利于确保在需要最小的(或不需要)手动输入或技能的情况下实现穿过预制件的期望纵向光路。[0026]该联接可以是使用限定在至少两个横向区段中的至少一个横向区段中的至少一个互连特征实现的。[0027]至少一个横向区段中的至少一个互连特征可以被配置用于直接或间接联接至另一个横向区段。[0028]至少一个互连特征可以被配置用于使用以下项中的一项或多项进行联接：销、榫钉、球形件、燕尾形接合部、螺纹部分、环、插塞承窝布置、自定心定位件。[0029]该方法可以进一步包括将堆叠式光纤预制件中的至少两个横向区段键合。[0030]该键合可以包括以下项中的一项或多项：催化键合；超快激光键合；光学接触键合；或激光焊接(例如，co2激光焊接)。[0031]通常，特定预制件的每个横向区段将会是相同的。然而，也可以使用相同的过程制成预制件，该预制件的图案沿预制件长度变化，从而产生芯结构沿纤维长度变化的纤维。[0032]相应地，光纤预制件可以被制造成具有纵向变化的芯结构。[0033]光纤预制件可以是由具有不同芯结构的两个或更多个横向区段形成的。[0034]根据本披露内容的第二方面，提供了一种根据第一方面制造的光纤预制件的横向区段。[0035]根据本披露内容的第三方面，提供了一种根据第一方面制造的光纤预制件。[0036]根据本披露内容的第四方面，提供了一种由第三方面的光纤预制件制造的光纤。[0037]由根据本发明的第一方面制造的预制件制造而成的光纤可以具有多种应用，这些应用包括高速低延迟数据通信、激光制造、传感、高级电信、光谱学、生物医学光子学和高功率激光传送等。[0038]根据本披露内容的第五方面，提供了一种组装光学部件的方法，该方法包括：[0039]使用减材工艺限定第一光学部件中的第一互连特征或限定与该第一光学部件一起使用的第一互连特征；[0040]使用减材工艺限定第二光学部件中的第二互连特征或限定与该第二光学部件一起使用的第二互连特征；以及[0041]使用第一互连特征和第二互连特征将第一部件和第二部件联接在一起，使得该联接决定第一部件和第二部件的被动对准。[0042]本发明的此方面的实施例是有利的，因为两个光学部件的被动对准可以通过提供刻写在这些部件中的每个部件中的互连特征或与这些部件中的每个部件一起使用的互连特征而得到保证。[0043]第一互连特征和第二互连特征可以被配置用于直接联接或间接联接。[0044]第一互连特征和/或第二互连特征可以被配置用于使用以下项中的一项或多项进行联接：销、榫钉、球形件、(滑动)燕尾形接合部、螺纹部分、环、插塞承窝布置、自定心(例如，圆锥形)定位件。[0045]第五方面的方法可以进一步包括一旦第一光学部件和第二光学部件被联接，就将第一光学部件和第二光学部件键合在一起。[0046]该键合可以包括以下项中的一项或多项：催化键合；超快激光键合；光学接触键合；或激光焊接(例如，co2激光焊接)。[0047]该方法可以进一步包括使用减材工艺制造第一光学部件和第二光学部件中的至少一个光学部件。[0048]第一光学部件和第二光学部件中的至少一个光学部件可以包括：光学基材；像切分器(例如，鲍恩像切分器)；或光纤预制件的至少横向区段。[0049]根据本披露内容的第六方面，提供了一种光学设备，该光学设备包括根据第五方面组装的光学部件。附图说明[0050]现在将参考附图且仅通过举例来描述本披露内容的一些实施例，在附图中：[0051]图1示出了根据现有技术的光纤预制件；[0052]图2示出了根据现有技术的用于由光纤预制件拉制光纤的设备；[0053]图3示出了根据本披露内容的用于制造光纤预制件的设备；[0054]图4a、图4b和图4c示出了使用图3的设备制造的光学部件的示例；[0055]图5a示出了根据本披露内容的光纤预制件的横向区段；[0056]图5b示出了在本披露内容的实施例中使用的对准环；[0057]图5c示出了根据本披露内容的实施例的堆叠式光学预制件，该堆叠式光学预制件具有承窝以用于接纳另外的横向区段；[0058]图5d示出了与图5c的堆叠式光学预制件类似的堆叠式光学预制件，但有另外的横向区段螺纹联接至承窝中；[0059]图5e示出了图5d中的另外的横向区段和最上部对准环的横向截面视图；[0060]图6a示出了根据实施例的光纤预制件的包括对准孔的横向区段；[0061]图6b示出了图6a的横向区段，其中，对准榫钉插入对准孔中；[0062]图7示出了根据本披露内容的实施例的横向区段之间的可能的化学键合；[0063]图8示出了根据本披露内容的实施例的使用自定心圆锥形销实现被动对准的两个横向区段；以及[0064]图9a和图9b示出了根据本披露内容的实施例的使用滑动式燕尾形接合部实现被动对准的两个横向区段。具体实施方式[0065]一般而言，本披露内容提供了一种制造光纤预制件的方法以及一种组装光学部件(比如但不限于，所述光纤预制件)的方法。本披露内容还提供了小尺度玻璃预制件的制造，这些小尺度玻璃预制件然后可以在纤维拉锥机(fibretaperingrig)上被拉锥。[0066]特别地，图3示出了用于根据所提出的方法制造光纤预制件302的设备300。因此，该设备包括超快脉冲激光器302，该超快脉冲激光器被配置用于在对光学整体料304(其呈立方形的熔凝石英板坯的形式)进行的减材激光辅助蚀刻工艺中使用。激光器302被配置成通过在光学整体料304中激光写出预定三维图案来限定光纤预制件的至少横向区段306。如所示出的，激光器302被定向成在与横向区段306的平面平行的方向a上引导激光束。在其他实施例中，激光器302可以被定向成在与横向区段306的平面垂直的方向b上引导激光束。在光学整体料304中激光刻写出期望的图案之后，使用湿法化学蚀刻工艺选择性地去除刻下的材料、然后将横向区段306从光学整体料304取出。这种技术被称为超快激光辅助蚀刻(ulae)并且使得能够以微米级精确度以三维方式从基材去除石英或其他材料。所提出的技术的进一步的细节可以在c.a.ross、d.g.maclachlan、d.choudhury和r.r.thomson，“optimisationofultrafastlaserassistedetchinginfusedsilica[熔凝石英中的超快激光辅助蚀刻优化]”，《opt.express[光学快讯]》，26(19),24343(2018)中找到，该文件通过援引并入本文。[0067]横向区段306包括具有不同折射率的至少两个区域。特别地，如所示出的横向区段306具有中空芯308和六个中空段310，这六个中空段与中空芯308径向间隔开并且环绕该中空芯。[0068]尽管横向区段306在图3中示出为较长形的，但在一些实施例中，将制造出短得多的横向区段，随后将这些短得多的横向区段堆叠、对准并键合，以形成具有高精确度的光纤预制件。[0069]图4a、图4b和图4c示出了使用图3的设备和上文所描述的方法制造的光学部件的示例。特别地，图4a示出了具有中空圆柱形芯的星形横向区段400；图4b示出了具有与四个菱形切口402的横向区段；以及图4c示出了包括不同长度的圆柱形部分的预制件。值得注意地，这些光学部件中的每个光学部件的尺度适合于本发明的实施例。[0070]图5a至图5e展示了组装与上文所描述的光学部件类似的光学部件以形成光学预制件的方法。[0071]特别地，图5a示出了根据本披露内容的光纤预制件的横向区段500。横向区段500呈盘状件的形式，该盘状件具有预制件图案502、具有从该盘状件的中心蚀刻出的中空芯504、以及通过对该盘状件的外圆周进行激光辅助蚀刻而形成的上部和下部外螺纹506。图5b示出了对准环510，该对准环由与横向区段500相同的材料激光蚀刻而成，并且两个横向区段500可以部分地螺纹联接至该对准环中。对准环510包括用于接纳横向区段500的上部外螺纹506的上部内通道512以及用于接纳横向区段500的下部外螺纹506的下部内通道514。[0072]图5c示出了根据本披露内容的实施例的堆叠式光学预制件520，该堆叠式光学预制件具有承窝以接纳另外的横向区段500。堆叠式光学预制件520包括多个横向区段500，该多个横向区段以堆叠式构型螺纹联接至多个对准环510中，以形成没有空气间隙的实心预制件。图5d示出了与图5c的堆叠式光学预制件类似的堆叠式光学预制件520，但有另外的横向区段500螺纹联接至顶部对准环512的承窝中，使得另外的横向区段500的上部外螺纹506突出在该对准环512之上，以螺纹联接至又一对准环512中，以此类推。图5e示出了螺纹联接至对准环510的上部内通道512中的横向区段500的横向截面视图，其中，对准环510的下部内通道514等待另外的横向区段500插入。[0073]值得注意地，每个横向区段500具有两个单独的360度螺纹506，从而允许横向区段500使用互补的对准环510无限堆叠并且联接或锁定在一起。螺纹506的螺距使得单独的横向区段500在完整旋转360度后在对准环510内彼此接触，并且螺纹端接器(未示出)防止过度张紧，这确保了精确的侧向对准、纵向对准和旋转对准。螺纹506还提供了横向区段500之间的压缩压力，这将预制件520固持在一起，准备进行拉制。[0074]横向区段500的暴露的上部和下部平整表面是经光学抛光的，而且与由原始石英构成的原始光学整体料没有实质性改变，激光写入该原始光学整体料以形成单独的横向区段500。因此，这些表面之间的光学接触意味着不需要另外的键合。在拉制期间，横向区段500之间(或横向区段500与对准环510之间)的界面处的结构的任何不连续会被退火并拉出一大段距离，使得单独的横向区段500(和对准环510)在最终纤维中不再区别得开。[0075]图6a示出了根据实施例的另一个横向区段600，该另一个横向区段呈盘状件的形式，该盘状件具有预制件图案602和从该盘状件的中心蚀刻出的中空芯604。然而，在此情况下，代替外螺纹，三个对准孔606(等距间隔开地)激光蚀刻至横向区段600的边沿中并且从横向区段600的上部平整表面延伸至下部平整表面。如图6b所示，由与横向区段600相同的材料蚀刻而成的对准榫钉610(例如，销)半插入对准孔606中的每个对准孔中，使得突出半部用于定位和对准放置在顶部上的另外的横向区段600，以此类推。在一些实施例中，对准榫钉610可以比横向区段600的厚度长，使得单个对准榫钉可以延伸穿过多个横向区段600中的多个对准孔606，以便进行组装。[0076]尽管对准孔606被示出为完全延伸穿过每个横向区段600，但在一些实施例中，可以设置盲对准孔，以将对准榫钉610定位在每个横向区段600内的中间部位。[0077]然而，在此情况下，需要在每个横向区段600的上表面和下表面这两者中蚀刻单独的对准孔。[0078]对准孔606和对准榫钉610用于将横向区段600侧向地和旋转地对准。此方法的优点在于，不需要制造复杂的螺丝或对准环，因此减少了制造时间。然而，对准榫钉610必须用手或通过机器放置在对准孔606中，这增加了组装所用时间，因此可能另外需要将表面键合在一起。[0079]由石英构成的横向区段可以使用不依赖会在拉制之后作为杂质留在纤维中的任何外源物质(比如胶)的若干种“直接键合”技术中的任何技术键合在一起。在此，直接键合意指硅酸盐成分发生化学融合的任何技术，但是也扩展到光学接触，在光学接触中，两个极其平整表面纯粹由分子间作用力固持在一起。尽管光学接触可能不会立即产生永久性键合，但在熔炉中拉制预制件的过程会使得界面混合，界面混合会产生永久性的不可区分的键合。在光学接触期间，可以将少量异丙醇或类似物滴到零件之一的表面上，以允许在蒸发使得这些零件无法移动之前有一定的对准时间。[0080]在光学接触不充分的情况下，可以使用化学激活的直接键合。在石英的情况下，可以采用氢氧化物催化键合，比如以下文件中详细描述的氢氧化物催化键合：e.j.elliffe、j.bogenstahl、a.deshpande、j.hough、c.killow、s.reid、d.robertson、s.rowan、h.ward和g.cagnoli，“hydroxide-catalysisbondingforstableopticalsystemsforspace[太空所用稳定光学系统的氢氧化物催化键合]”，在《classicalandquantumgravity[经典引力和量子引力]》，(2005)，22(10)；以及anna-mariaa.vanveggel和christianjkillow，“hydroxidecatalysisbondingforastronomicalinstruments[天文仪器的氢氧化物催化键合]”，《adv.opt.techn.[先进光学技术]》，2014，3(3)：293-307。这些文件描述了通过产生优先附接至配对物表面的氢氧化物分子的悬空硅键来化学激活一个表面的过程。该过程如下工作：将比如氢氧化钾等碱性溶液放置在一个表面上，然后将另一个表面放置成与之接触。oh-离子蚀刻石英表面，从而释放出硅酸盐离子。所释放的离子降低溶液等位置术语是参考概念性图示(比如，附图中所示的那些概念性图示)给出的。这些术语是为了便于参考而使用的，但是并不旨在是限制性的。因此，这些术语应当被理解为是指物体在如附图中所示的朝向上。[0089]尽管已经在如上文所阐述的优选实施例的方面对本披露内容进行了描述，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。本领域技术人员将能够根据本披露内容进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中披露或展示的每个特征无论是单独还是以与本文所披露或展示的任何其他特征的任何适当组合都可以纳入任何实施例中。当前第1页12当前第1页12