光學結構的制造方法

專利名稱：光學結構的制造方法
本申請要求1998年7月30日提交的美國臨時申請60/094,609的權益。
發明的背景本發明涉及一種光晶體的制造方法和含光晶體的無源元件。具體地說，所述方法包括一步或多步擠出步驟制得蜂窩狀或帶通道的擠出物，接著粘性燒結該擠出物。加熱所述經燒結帶通道的玻璃體并拉制成最終直徑。
光晶體是一種介電常數周期性變化的結構物。該周期性結構物可以是一維的、二維的或三維的。光晶體允許某些波長的光線透過而阻止透過其它波長的光線。因此認為光晶體具有容許透過的光波段和帶隙，所述帶隙限定了排除在該晶體之外的光波段。
目前，在通訊應用中感興趣的波長約為800-1800nm。特別感興趣的波段約為1300-1600nm。
波長在帶隙之內的光線不能透過光晶體。在帶隙之上或之下波段中的光線能透過光晶體。光晶體具有一系列帶隙，類似于布拉格散射方程的解。帶隙是由介電常數變化的圖樣和周期決定的。因此介電常數變化的周期性排列對某些波長的光線起布拉格散射體作用，類似于晶格中的原子對x-射線的布拉格散射作用。
在光晶體介電常數的周期性變化中引入缺陷可改變容許或不容許透過晶體的光的波長。不能透過光晶體卻可透過缺陷區的光線將被俘獲在缺陷區。因此，晶體中的點狀缺陷可作為局部“光空穴”。同樣，光晶體中的線狀缺陷可作為一個波長在帶隙的模(mode)的光波導，晶體晶格用于將導向的光線禁錮在晶體中的缺陷線上。在三維光晶體中的特殊線狀缺陷將起光波導通道的作用，專用于波長在帶隙的光線。光晶體的結構和作用的評述可參見Joannopoulos等在自然雜志(vol.386,March 13,1997,pp.143-149)的文章“光晶體對光線的一種新的轉折”。
第一級帶隙現象可在當介電常數的變化周期等于發生布拉格散射的光的波長數量級時觀察到。因此，對于感興趣的波長(即如上所述約在1300-1600nm的范圍內)，當介電常數的變化周期約為500nm時可觀察到第一級帶隙。但是，在介電周期約為0.1-5微米的晶體中會發生光晶體效應，具有這種特別高周期的二維或三維光晶體是難以制造的。
Tuchinskiy的美國專利5,774,779描述了一種多通道結構的制造方法。將多根棒捆扎在一起并通過擠出來減小直徑。可使用已經一次或多次擠出的棒來重復進行所述捆扎和擠出步驟。但是，未提到拉制步驟，因此用單位面積中通道數表示的通道密度未大得足以形成光晶體。
需要一種兩維或三維光晶體的制造方法，這種方法是可重復的、通用的并適用于現有的實驗室條件。
發明的概述本發明的主要目的是將擠出技術(包括粉末擠出技術)和玻璃拉制技術組合在一起來解決所有類型的光晶體的制造問題。術語“拉伸”是指一種將粘性的玻璃體沿預定線度拉伸的步驟。為了拉伸該粘性物體而不使之發生撕裂，可適當調節該粘性物體的粘度和施加在該粘性物體上的拉伸張力。可通過控制該粘性物體的溫度來控制該物體的粘度。
本發明的第一方面是一種具有帶隙的光晶體的制造方法。將至少包括一種玻璃粉末以及一種粘合劑的材料通過一個模頭擠出成具有相互隔開的第一表面和第二表面的擠出物，所述各個表面具有許多開口。在各個表面上的各個開口是沿兩個表面之間的線度延伸的通道的末端。
用于制造所述晶體的合適的玻璃粉末包括PyrexTM和基本純二氧化硅粉末。隨后加熱該擠出物至第一溫度以除去粘合劑，再加熱至更高的第二溫度以粘性地燒結玻璃粉末顆粒，形成燒結的擠出的玻璃體。進一步加熱該燒結的玻璃體并沿兩個表面之間的線度拉制之，以降低沿兩個表面之間延伸的通道的直徑。將拉制成的玻璃體稱為玻璃棒或玻璃光纖，它具有沿該光纖或棒的長軸延伸的許多通道。拉制溫度通常高于燒結溫度，盡管對于某些組成的玻璃和拉制張力該拉制溫度可低于燒結溫度。
如果擠出后擠出物太大不能與拉制爐適配，則可使用任選的一系列加工步驟。即可使用下列步驟減小擠出物的橫截面積(與擠出物兩個表面之間的線度垂直的截面)并由此減小許多通道的尺寸。
-在所述通道內填充柔韌的物料；-沿通道的方向使所述擠出物穿過一個或一系列縮減模頭；和-除去所述柔韌物料。
所述柔韌物料(如60/068230號臨時申請所述它可以是微晶蠟)用于在所述擠出物穿過一個或一系列縮減模頭時保持所述通道。縮減模頭可以是漏斗形的，其進口的大小與擠出物的橫截面尺寸相當，出口與進口相比其尺寸下降到2倍或更大。在縮減步驟后，除去所述柔韌物料。
為了使帶通道的玻璃光纖起光晶體的作用，通道開口陣列周期性地排列在玻璃光纖的表面上。對于目前通訊中特別感興趣的波長，拉制的最終玻璃光纖或玻璃棒陣列的周期約為0.4-5微米。本文公開并描述的新方法能制得周期小于40微米，較好小于5微米，更好小于1微米的陣列。
同時，通道的介電常數與構成通道壁的材料的介電常數必須約相差到3倍以形成適用的帶隙。例如，可在通道中充入空氣或抽空以使介電常數具有所需的相差倍數。或者，通道中可主要填入與玻璃體相比具有合適介電常數的各種固體或流體。
光晶體所需的尺寸取決于其用途。重要的是被入射在晶體上的光束(該光束將透過晶體或晶體中的缺陷傳播)照射的晶體面積。光束的面積可例如用該光束的波模場直徑(mode field diameter)來表征。對于目前在光通訊中最感興趣的波長(即約1300-1600nm)，預計波模場直徑可小于約10微米。因此在側面照射晶體的情況下沿周期性結構的長度測得的光晶體的合理長度為3-12微米。
與光晶體周期性結構的長度方向垂直的平面面積可選為約100平方微米至約1.25平方毫米。使用本文所述的捆扎技術可得到更大的截面積。但是，捆扎不能很好地在形成捆扎物的元件(如玻璃棒)中形成均勻的周期。在玻璃棒相互間能形成一定的取向并且在加熱和拉制過程中能保持該取向的情況下，在捆扎元件中保持共同的周期性更為可行。例如，正方形、矩形或正六邊形玻璃棒可排列成在拉制過程中將保持不變的緊密捆扎物或其它預定的圖案。
與傳播的光波長相比這種面積的選擇性較大并為用于耦合器和分光器的光導路徑形式的線狀缺陷提供條件。但是，應理解在計算光晶體或具有缺陷的光晶體中的帶隙時采用晶體結構的范圍基本是無限的這一基本假定。什么物料能構成具有有效的“無限”尺寸的晶體是必須用實驗回答的問題。
在實踐中，通過適用的技術從拉制玻璃體上切片僅可限定使用已公開的和本文描述的方法制得的光晶體的長度的下限。與光學回路所需的長度相比潛在的長度上限非常大。可合理地預期本方法產生的光纖晶體的長度在數十厘米或更大的數量級。
欲擠出的玻璃材料的粒徑較好小于約5微米。該粒徑使擠出物具有良好的粘性，同時使擠出的通道壁厚不小于10倍的粒徑(直接從顆粒擠出和從任選的減小顆粒擠出的實際上限)。但是當尺寸減少大部分發生在粘性燒結步驟后的情況下可使用較大的粒徑，因為在燒結過程中顆粒失去個性。
可使用擠出模頭，在擠出步驟中它可在細長擠出物中引入局部的或線狀缺陷。因此在擠出步驟中可形成空腔諧振器、一個波導或許多波導。當然在擠出步驟中必須保持擠出物的完整性。因此在完全穿越光晶體表面的空穴型缺陷的情況下，在整個拉制步驟中必須保留最外層環形層(即包層)。在拉制步驟后，可使用已知的機械或化學方法除去用于保持擠出物完整性的層。如果該層對信號光是透明的，則在拉制后可保留該層。
或者，可在拉制壁結構除去部分前使用機械或化學方法在擠出物中形成局部的或線狀的缺陷。或者，可通過插入或回填通道來產生缺陷。當使用縮減模頭擠出時，則可在該步驟前或者該步驟后插入通道。
特別適用的光晶體部件是具有兩條相交波導路徑的晶體部件。選擇晶體周期使光線沿線狀缺陷傳播，即使晶體中的波導位于帶隙。因此，即使兩條波導路徑垂直相交，傳播的光線也能沿直角拐彎，而基本無損耗。可能發生的損耗僅是由于通過光輸入端的反向散射造成的。此處還應注意所述光線沿曲線傳播而基本無損耗包含一個默認的假定晶體是無限大的。
本方法還適合于制造具有特殊預定的通道圖樣的光波導光纖，所述圖樣沿波導的長軸延伸并在波導的兩端終止。當然也可使用其它通道圖樣。例如，通道可以沿長軸斷續地、無規地分布而非周期性地分布，或者只在幾段波導長度內延伸。同時發現具有周期性或無規圖案并且與長軸相交的通道可形成特殊的適用于光波導通訊系統的傳播性能。形成與長軸相交的通道的方法包括穿刺步驟，它可在拉制過程中或者拉制步驟后實施。
一種值得研究的示范性構造是其中的波導光纖的纖芯部分是實心玻璃的構造。波導的纖芯部分被帶通道的結構所圍繞并與之接觸，這種帶通道的結構實際上構成波導的包層。發現這種結構構成在異常寬波長范圍內傳播單模的波導光纖。例如，可參見Birks等的“無窮長的單模光晶體光纖”，Opt.Lett.22(13),961,(1977)。預計當改變通道數量、改變周期性，或者采用多于一種通道大小時，可改變這種波導的性能。在后一種情況下，可使用兩種或多種通道尺寸，各種尺寸與選用的周期性圖樣相適配。制造模頭用于擠出糊漿或塑性材料是成熟的技術。線狀缺陷、空穴缺陷或者具有不同尺寸和周期組合的多孔包層所需的模頭是已知的。因此在本文中不對模頭作進一步討論。
對于與這種多通道尺寸光晶體結構有關的帶隙的描述可參見例如Anderson等“較大的兩維光子帶隙”，Phys，Rev.Letters,V.77,No.14,p.2949-2952，1996年9月30日。在該參考文獻中，描述了具有帶隙并且不同尺寸的通道種類為2種的結構的例子。
本方法另一種潛在適用的例子是一種光波導光纖，它包括一中央通道和圍繞該通道的較小尺寸通道的周期性陣列。理論上這種構造存在帶隙，但是未經實驗驗證。如上所述，使用模頭技術用于制造這種擠出物，隨后縮減尺寸、粘性燒結并拉制成波導光纖。
本發明的第二方面是使用這種方法制造上面第一方面所述的許多玻璃棒或玻璃管。在將玻璃棒加熱并拉制成較小直徑的棒或光纖步驟之前，可將兩根或多根棒捆扎在一起并作為一個單元進行拉制。可用一步拉制該單元，或者重復拉制和再捆扎步驟直至達到所需的尺寸。形成的細長物可以是一種“多晶”物，即一束具有相同周期但不同方向的光晶體，從而在一種光晶體至下一種光晶體能保持周期性；或者一束具有多于一個周期的光晶體，即多于一組通帶和帶隙。
如上所述，根據捆扎方法和被捆扎玻璃棒的形狀，該捆扎方法可制得多晶體形式或含有一束光晶體的光晶體。
本發明另一方面是使用本文公開的和描述的方法制得的光晶體。
本發明再一方面是一種光晶體的制造方法，它將兩種或多種具有不同介電常數的玻璃粉末與一種或多種合適的粘合劑相混合，共擠出成細長的擠出物，該擠出物中具有一種玻璃/粘合劑型細絲，該細絲的周期性排列由擠出物的一端延伸至另一端，而被構成另一玻璃/粘合劑型細絲的壁相互隔開。在本領域中有時將由玻璃/粘合劑構成的壁稱為基質玻璃。另一種至少含兩種類型玻璃的晶體制造方法包括回填或填充由初始擠出形成的通道。在初始擠出步驟后，本發明在這一方面基本使用在本發明第一方面所述的步驟。
附圖簡述

圖1是經粘性燒結的擠出結構的示意圖；圖2a是說明經粘性燒結的擠出物在拉制爐中的示意圖；圖2b是擠出物或拉制物的橫截面；圖2c是拉制前一束擠出物的示意圖；圖3是光晶體的通帶和帶隙圖；圖4是擠出或拉制的光晶體過長軸的橫截面，其中顯示出周期性特征；圖5是一種帶有光波導路徑的2-D光晶體；圖6是具有實心玻璃纖芯和光晶體包層的光波導光纖；圖7是一種波導光纖，它帶有大的中央通道和圍繞該通道由小的開口或細絲組成的光晶體；圖8是將不同尺寸的通道疊合在一起，形成具有第一通道大小的第一周期性結構嵌入具有第二通道大小的第二周期性結構的實施例；圖9是縮減模頭的示意圖。
發明的詳細描述光晶體技術是仍在快速發展的技術，其中正在試驗兩維或三維晶體的基本形狀、性能和用途。
擠出方法特別適用于制造各種光晶體，因為擠出技術-是成熟的，能擠出各種材料和形狀；-能制得周期性的結構，這種結構具有很小的壁厚，高的正面開口面積，以及高的用單位橫截面積的通道(開口)數表示的通道(開口)密度；-可例如使用涂覆的模頭和混合機來保持不受污染，從而使擠出結構的純度僅受進料純度的影響；-與玻璃進料(如與粘合劑相混合的無定形二氧化硅粉末)相容；以及-通過縮減擠出，簡單地改變初始和縮減擠出步驟制得的擠出物的橫截面積，能形成各種通道密度。
擠出方法可從文獻中查到，因此本文不作詳細描述。本發明使用的擠出方法和設備可例如參見Bagley的美國專利3,790,654和Cunningham等的美國專利4,902,216。這些專利的說明書在此引為參考。這種技術能同時擠出幾萬個通道。
在一個用模頭對材料(如二氧化硅粉末或PyrexTM粉末)進行初始擠出的示范性例子中，得到的通道密度約為每平方厘米62個通道。隨后使初始擠出的擠出物通過一個縮減模頭(可以是一個漏斗)可使通道密度約為每平方厘米6200個通道。接著對粘性燒結的擠出基材進行熱拉制，達到更高的通道密度。
參見圖9，縮減模頭本體78具有用于加入擠出物72的輸入漏斗74。一種向擠出物施加向前推力(圖中未表示)的方式使得該擠出物穿過縮減區域76并輸出成縮減的擠出物80。
經縮減擠出后，通道中心的最小間距(假定壁厚均勻)為30微米的數量級，該值的極限設定是根據要求最小壁板厚度約為10倍粒徑。當然在擠出后加熱并拉制也可獲得該壁厚度。也就是說，縮減步驟是非必要的，并且通常在拉制爐的大小有限的情況下使用。
為了獲得特定的間距使光晶體適合某些用途，在光譜的近紅外部分，要求間距約為λ/3或0.5微米。但是，特定的間距可大于亞微米的水平，如數微米數量級，仍能制得適用的光晶體結構。在這兩種情況下都可使用擠出方法制造光晶體結構。在擠出結構物并隨后任選地使該擠出物通過縮減模頭后，加熱形成的擠出物以除去粘合劑，隨后粘性燒結之，加熱并拉制得到的燒結物以進一步降低燒結物的厚度尺寸達到所需的數十微米數量級(光學活性結構的特征數量級)的間距。
擠出技術和拉制技術的組合提供了一種獨特的和多用的光晶體制造方法。擠出方法能提供各種橫截面形狀同時保持該形狀的尺寸精確度。精確度達到或超過擠出方法精確度的拉制方法的尺寸精確度使這兩種方法的組合成為制造光晶體的有力工具。
所述周期性的陣列無需包括任何類型的通道，因為擠出方法(如回填或共擠出方法)能利用一種或多種原料并將一種原料的周期性陣列嵌入其它基質中。也就是說，光晶體是一種實心的玻璃體，實心材料的介電常數呈周期性變化。
圖1所示的粘性燒結的或擠出的擠出物是正方形通道的周期性陣列。擠出物是由二氧化硅粉末在粘合劑中的擠出物制成的。加熱該擠出物以除去粘合劑。隨后提高擠出物的溫度以進行粘性燒結。該陣列的規律性是值得注意的。根據光晶體選定的最終構造，擠出和拉制玻璃體的通道8或壁(網壁)6可作為晶體的周期性特征。
拉制方法的示意圖如圖2a所示。擠出的、如有必要縮減的和粘性燒結的玻璃體10懸掛在拉制爐12中。圖中未顯示懸掛裝置(包括將玻璃體送入拉制爐中的裝置)，但是它們是本領域眾所周知的。線圈14代表拉制爐12的加熱元件。加熱區靠近拉制爐一端的位置使得爐溫分布適于用夾具裝置18由燒結玻璃體10拉制連續和均勻的玻璃棒或玻璃光纖16。另一些夾具裝置是已知的，包括與拉制的玻璃棒或玻璃光纖16一起平移的夾具裝置。如果未燒結的玻璃體的抗拉強度足以承受拉伸張力的話，則可在拉制過程中粘性燒結擠出和縮減的玻璃體10。如上所述，當擠出物或擠出并燒結的玻璃體具有足夠小的直徑時，則可不實施縮減步驟，在擠出步驟后立即進行拉制。可擠出一種預制件，其直徑比所需幾何圖形大不超過5cm，相信這種尺寸能適合大多數拉制爐。
在本發明的另一個實例中，分兩步進行拉制步驟。先將粘性燒結的玻璃體拉制成玻璃棒或光纖，隨后對其進行包層并拉制成光纖，包層的直徑通常為數百微米數量級，光晶體纖芯的直徑通常為數十微米數量級。這種方法適合于制備具有很高通道密度的結構物。
圖2b所示的橫截面代表帶通道的擠出玻璃體、帶通道的擠出并縮減的玻璃體或者擠出、縮減并拉制的玻璃體。所示的通道為周期性陣列22，其形成于玻璃體20中。
當然可形成圖2b的結構使得周期性陣列22是玻璃細絲末端的陣列，其中玻璃陣列22的介電常數與玻璃基質20的介電常數不同。因此在描述具有通道的玻璃體時，申請人同時描述一種含有第一和第二玻璃的玻璃體，其中一種玻璃鑲嵌在另一種玻璃中形成介電常數差異的周期性陣列。
本發明的一個重要的特征是在隨后加工步驟(該步驟減小擠出形狀的橫截面尺寸大小)中基本保持該擠出形狀的能力。
如圖2c的表面28所示，為制得具有預定周期和大表面積的光晶體，可例如使用套管24作為拉制輔件，將許多擠出的或擠出并縮減的帶通道玻璃體(圖2c中的26)捆扎在一起，作為一個單元進行拉制。或者，如圖2c所示將具有不同周期的帶通道玻璃體捆扎在一起，并作為一個單元進行拉制，從而制得一組具有不同帶通和帶隙波長的光晶體。如此拉制的單元具有數個交替的周期并具有不同的晶體結構或者由光軸不一致的晶體組成。某些帶通道的玻璃體故意制成具有無規的周期。該領域所需的數據與本文所公開和描述的方法組合的通用性很適配。
圖3顯示通帶和帶隙波長范圍的相對大小。以相對值為單位的光頻率作為y軸，以相對值為單位的光波矢量為x軸。第一、第二、第三帶隙30、32和34分別在虛線所示的頻率范圍內。透過的或傳播的頻率帶高于或低于各個帶隙。
使用本文所述方法制得的光晶體的一個實例如圖4所示，擠出步驟和隨后對擠出物的燒結和拉制制成的細長玻璃棒或光纖40具有在玻璃基質36中延伸的通道38的周期性陣列。
使用本文公開的方法制得的光晶體的另一個實例示于圖5。圖中通道的周期性圖案改成包括兩條線狀缺陷44和46相交的圖樣。選擇線狀缺陷的寬度使線狀的交叉缺陷作為波長在晶體帶隙中的光線的波導路徑。光晶體導光甚至在急轉彎附近也不產生過量損耗。箭頭48和50表示光線的傳輸方向。波導路徑是在第一擠出步驟中在晶體中形成的，并在加熱和拉制步驟中保持在該晶體中。注意本實例中光傳播方向與光晶體的中心線不成零夾角，從而光線從光晶體棒或光線的側面進入并輸出。
帶有光晶體包層的波導如圖6所示。實心玻璃纖芯56被光晶體52所包圍。圓54代表構成介電常數周期性排列的材料或通道的位置。發現這種可容易地用本文所述的新方法制得的波導結構提供異常寬的波長范圍，在該波長范圍內波導傳播單模光(參見上述參考文獻)。
一種大家會感興趣的波導結構示于圖7。在這種結構中，纖芯區58是在光晶體基質玻璃62中的空心圓柱體。如前面那樣圓60代表嵌入玻璃62中介電常數的周期性陣列。圓60代表沿該波導長度延伸的各通道或玻璃細絲。
作為所述新方法通用性的一個例子，圖8表示兩組周期性特征66和64嵌入基質玻璃70中。圓和點分別代表一組周期性陣列。可選擇該特征的大小和周期以形成特別的帶隙。同樣擠出技術很適合制造這種疊合的或交織的結構。
盡管上面公開并描述了本發明的各種實例，但是本發明僅由所附權利要求所限定。
權利要求
1．一種傳播預定的光帶并具有帶隙的光晶體的制造方法，它包括下列步驟a)將至少包括一種玻璃粉末以及一種粘合劑的材料通過一個模頭擠出成具有相互隔開的第一表面和第二表面的擠出物，各個表面具有一面積，其中許多通道由第一表面延伸至第二表面，并在各個表面上形成開口，各個通道通過介于其間的具有一橫截面的壁相互隔開，壁的橫截面用于將各表面上的開口的陣列相互隔開；b)加熱該擠出物以除去粘合劑并粘性燒結玻璃粉末，形成玻璃體；c)由該玻璃體拉制玻璃光纖或玻璃棒。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于擠出步驟a)制得通道在擠出物中的周期性陣列和在各表面中的通道開口。
3．如權利要求2所述的方法，其特征在于開口排列的周期為0.4-5.0微米。
4．如權利要求3所述的方法，它還包括將通道抽空或向玻璃光纖或玻璃棒中的通道填充流體的步驟，其中抽空的通道具有第一介電常數，填充通道的流體具有第二介電常數，壁具有第三介電常數，使得沿第一和第二表面以及與玻璃光纖或玻璃棒相交并位于第一表面和第二表面之間的玻璃光纖或玻璃棒的任何表面具有介電常數的周期性變化。
5．如權利要求4所述的方法，其特征在于粘性燒結的玻璃粉末的介電常數比抽空或填充流體的通道的介電常數至少大到3倍。
6．如權利要求1所述的方法，在拉制步驟c)之前它還包括加熱玻璃體以降低其粘度的步驟。
7．如權利要求1所述的方法，在步驟c)后它還包括下列步驟用形成玻璃的材料包裹所述玻璃棒或玻璃光纖；將該材料粘性燒結成包層的玻璃棒或玻璃光纖；和通過拉制減少包層的玻璃棒或光纖的直徑。
8．如權利要求1所述的方法，在步驟a)之后它還包括下列步驟-在所述通道內填充柔韌的物料；-沿與第一表面和第二表面之間的軸平行的方向使所述擠出物至少穿過一個縮減模頭，以減少第一表面和第二表面以及在這兩個表面之間的擠出物橫截面的面積；和-從所述通道中除去所述柔韌物料。
9．如權利要求8所述的方法，其特征在于所述柔軟物料包括柔軟的微晶蠟。
10．如權利要求1所述的方法，其特征在于在步驟c)以后兩末端表面的面積約為100平方微米至1.25平方毫米。
11．如權利要求1所述的方法，其特征在于玻璃粉末的平均粒徑約為5微米，粒徑較好約為1微米。
12．如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟a)包括使所述材料擠出通過一個模頭，在通道的周期性陣列中至少形成一個線狀缺陷。
13．如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟a)包括使所述材料擠出通過一個模頭，在通道的周期性陣列中至少形成一個空穴缺陷。
14．如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟a)包括使所述材料擠出通過一個模頭，提供由第一表面的中央區沿擠出物本體延伸至第二表面相應區域的許多無開口的材料。
15．如權利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟a)包括使所述材料擠出通過一個模頭，形成一條由第一表面的中央區沿擠出物本體延伸至第二表面中央區的通道，該通道的橫截面大于圍繞該中央通道的通道的橫截面，該較大通道由相互之間的壁與圍繞的通道相隔開。
17．如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟a)包括使材料擠出通過一個模頭，形成許多橫截面積為N種尺寸中的一種尺寸的通道，其中N為整數，從而所述許多通道構成N組通道，各組中通道的橫截面具有相同的尺寸，并且該N組通道中的每一組以N種周期性陣列中的一種的方式周期性地排列在各個末端表面上。
18．如權利要求17所述的方法，其中N為2并且兩組周期性陣列中每一組的周期是不同的。
19．一種傳播預定的光帶并具有帶隙的光晶體的制造方法，它包括下列步驟a)將至少包括一種玻璃粉末以及一種粘合劑的材料通過一個模頭擠出成在相互隔開的第一表面和第二表面之間具有一根軸的擠出物，各個表面具有一面積，其中許多通道由第一表面延伸至第二表面，并在各個表面上形成開口，各個通道通過介于其間的具有一橫截面的壁相互隔開，壁的橫截面用于將各表面上的開口的陣列相互隔開；b)加熱該擠出物以除去粘合劑并粘性燒結玻璃粉末，形成玻璃體；c)由該玻璃體拉制玻璃光纖或玻璃棒；d)重復步驟a)至步驟c)，以形成許多玻璃光纖或玻璃棒；e)通過沿玻璃光纖軸或玻璃棒軸并排對齊，用將至少兩種玻璃光纖或玻璃棒固定的方法將該至少兩種玻璃光纖或玻璃棒捆扎在一起；f)由捆扎的玻璃光纖或玻璃棒拉制玻璃光纖或玻璃棒。
20．如權利要求19所述的方法，其特征在于擠出步驟a)制得通道在擠出物中的周期性陣列和在各表面中的通道開口。
21．如權利要求20所述的方法，其特征在于開口排列的周期為0.4-5.0微米。
22．如權利要求21所述的方法，它還包括通道抽空或向玻璃光纖或玻璃棒中的通道填充流體的步驟，其中抽空的通道具有第一介電常數，填充通道的流體具有第二介電常數，壁具有第三介電常數，使得沿第一和第二表面以及與玻璃光纖或玻璃棒相交并位于第一表面和第二表面之間的玻璃光纖或玻璃棒的任何表面具有介電常數的周期性變化。
23．如權利要求22所述的方法，其特征在于粘性燒結的玻璃粉末的介電常數比抽空或填充流體的通道的介電常數至少大到3倍。
24．如權利要求19所述的方法，在拉制步驟c)之前它還包括加熱玻璃體以降低其粘度的步驟。
25．如權利要求19所述的方法，在步驟c)后它還包括下列步驟用形成玻璃的材料包覆所述玻璃棒或玻璃光纖；將該材料粘性燒結成包層的玻璃棒或玻璃光纖；和通過拉制減少包層的玻璃棒或光纖的直徑。
26．如權利要求19所述的方法，在步驟a)之后它還包括下列步驟-在所述通道內填充柔韌的物料；-沿與第一表面和第二表面之間的軸平行的方向使所述擠出物至少穿過一個縮減模頭，以減少第一表面和第二表面以及在這兩個表面之間的擠出物橫截面的面積；和-從所述許多通道中除去所述柔韌物料。
27．如權利要求26所述的方法，其特征在于所述柔韌物料包括柔軟的微晶蠟。
28．一種用權利要求1所述方法制得的具有帶隙的光晶體。
29．一種無源光學元件，它包括用權利要求12所述方法制得的具有帶隙并在周期性陣列中至少具有一條線狀缺陷的光晶體。
30．一種無源光學元件，它包括用權利要求13所述方法制得的具有帶隙并在周期性陣列中至少具有一條空腔缺陷的光晶體。
31．一種用權利要求14所述方法制得的光波導纖維。
32．一種用權利要求15所述方法制得的光波導纖維。
33．一種傳播預定的光帶并具有帶隙的光晶體的制造方法，它包括下列步驟a)將包括第一玻璃粉末和粘合劑以及第二玻璃粉末和粘合劑的材料通過一個模頭擠出成具有相互隔開的第一表面和第二表面的擠出物，各個表面具有一面積，其中許多含有第一玻璃粉末和粘合劑的連續細絲由第一表面延伸至第二表面，含有第二玻璃粉末和粘合劑的壁將所述細絲相互隔開，各表面上包括所述含有第一粉末和粘合劑的細絲的末端，這些末端被它們之間的含有第二玻璃粉末和粘合劑的壁橫截面所相互隔開；b)加熱該擠出物以除去粘合劑并粘性燒結第一玻璃粉末和第二玻璃粉末，形成玻璃體；c)由該玻璃體拉制玻璃光纖或玻璃棒。
34．如權利要求33所述的方法，其特征在于擠出步驟a)制得細絲在擠出物中的周期性陣列和在各表面中的細絲末端。
35．如權利要求34所述的方法，其特征在于細絲排列的周期為0.4-5.0微米。
36．如權利要求35所述的方法，其中細絲和細絲頂端具有第一介電常數，壁和壁頂端具有第二介電常數，使得沿第一和第二表面以及與玻璃光纖或玻璃棒相交并位于第一表面和第二表面之間的玻璃光纖或玻璃棒的任何表面具有介電常數的周期性變化。
37．如權利要求36所述的方法，其特征在于粘性燒結的第一玻璃粉末的介電常數比粘性燒結的第二玻璃粉末的介電常數至少大到3倍。
38．如權利要求1所述的方法，在拉制步驟c)之前它還包括加熱玻璃體以降低其粘度的步驟。
39．如權利要求1所述的方法，在步驟c)后它還包括下列步驟用形成玻璃的材料包覆所述玻璃棒或玻璃光纖；將該材料粘性燒結成包層的玻璃棒或玻璃光纖；和通過拉制減少包層的玻璃棒或光纖的直徑。
40．如權利要求33所述的方法，其特征在于第一和第二玻璃粉末的平均粒徑約為5微米，較好約為1微米。
41．如權利要求33所述的方法，在步驟a)之后它還包括下列步驟至少通過一個縮減模頭沿與第一表面和第二表面之間的軸平行的方向擠出該擠出物，以減小第一表面和第二表面的面積以及在該兩個表面之間擠出物的任何截面的面積。
全文摘要
一種各向異性光學性能的玻璃物的制造方法。用拉制器(18)將具有一些縱向通道的預制棒(10)拉細,制得玻璃棒或玻璃光纖(16)。
文檔編號C03B37/028GK1311763SQ99809135
公開日2001年9月5日 申請日期1999年7月16日 優先權日1998年7月30日
發明者N·F·博雷利, J·F·小懷特, R·R·武詩麗卡 申請人:康寧股份有限公司