一种制备光子晶体光纤的方法及该方法所使用的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种制备光子晶体光纤的方法及该方法所使用的装置，该方法在一个预先确定尺寸的玻璃套管内，将若干根细玻璃管根据一定的规则排列成特定的结构，形成光子晶体光纤预制棒，细玻璃管比玻璃套管和细玻璃棒或细玻璃丝长，在拉制时，光纤预制棒一端放入本发明专利技术的装置中，该装置对光纤预制棒进行压力控制，即对玻璃套管内抽真空，对细玻璃管通入１０↑［－１］毫巴（ｍｂａｒ）数量级气压的气体。

Method for preparing photon crystal optical fiber and device used by the method

The device of the invention relates to a preparation method of photonic crystal fiber and the method used by this method in a predetermined size within the glass casing, a plurality of thin glass tubes are arranged in a specific structure according to certain rules, the formation of photonic crystal fiber preform, thin glass tube than the glass casing and fine a glass rod or thin glass filament, in drawing device, optical fiber preform into the end of the invention, the device to control the pressure of the optical fiber preform, the glass casing of the vacuum, the thin glass tube into the 10 arrow \- 1 mbar (mbar) gas pressure magnitude.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光子晶体光纤的制备方法及该方法所使用的装置，特别涉及该光纤预制棒的制备方法和拉制控制装置。
技术介绍
光子晶体光纤(photonic crystal fiber；PCF)是一个新兴的研究领域，光子晶体光纤又被称为多孔光纤(Holey Fiber)和微结构光纤(Micro-structured Fiber)。它由晶格常数为光波长量级的二维光子晶体构成的，即规则排列着空气孔的二氧化硅光纤阵列构成光纤的包层，光纤的核心是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔。这种结构沿光纤轴向保持不变。继1987年S.John和E.Yablonovitch教授创造性地提出了光子晶体的概念之后，P.Russell教授于1991年首次独到地提出了具有规则微结构的光子晶体光纤的概念。1996年，P.Russell教授实验室的J.C.Knight博士等人研制成功了世界上第一根光子晶体光纤；1998年，J.C.Knight等人又利用蜂窝形空气洞分布的结构制造出基于光子带隙限制效应导光的光子晶体光纤，即光子禁带光纤(PBG光纤)；1999年，R.F.Cregan博士等人又制造出了光在空气纤芯中单模传播的光子晶体光纤，这种光纤利用光子带隙限制效应把光限制在了低折射率的空气纤芯中。光子晶体光纤表现出许多奇异的特性，如无波长限制单模传输、大芯径单模传输、近乎理想的色散可控、丰富强烈的非线性效应及非线性可控、超强双折射效应、带隙限制空芯导光和超长距离传输等。这些奇异的特性，除了可以用于新一代光通信之外，还可以用于微操作光镊、飞秒激光的压缩与产生、高精度光学计量、光与物质相互作用特殊环境构建、各种气体性质研究、超小型X光分析仪等领域，发展前景异常广阔。光子晶体光纤是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构，如果其中1个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内传播。目前，采用细玻璃管拉制(capillary drawing)方法，国外同行已经制造出损耗为0.58dB/km的全反射型光子晶体光纤和损耗为1.73dB/km的光子带隙限制型光子晶体光纤。光子晶体光纤的设计自由度很大，如空气孔的孔径、形状和孔间距，缺陷区的形状和大小，缺陷区的填充材料选择，包层区材料选择等等。有了这些自由度，可以根据不同应用设计出具有不同模式特性、不同非线性、不同带隙、不同色散和不同双折射特性的光子晶体光纤。若保持包层结构，仅改变中心区缺陷的尺寸，便可精密调节中心缺陷处的模式频率。若仅仅改变空气孔的孔径与孔距的比率，使得孔的比率小于0.2，便能使光子晶体光纤具有永无休止的单模传输特性；再者，通过加大芯区直径，便可在保持单模传输的同时，提高传输能量。此外，通过在空气孔中填充气体或低折射率液体，便可得到可控的非线性效应。有关光子晶体光纤制备的情况鲜有报道。光子晶体光纤的制备工艺一般也是先做预制棒，然后在高温下进行拉制。通常是将一定数量的毛细空心管按需要堆叠起来，装入一个较大的空芯管中，形成预制棒。光子晶体光纤的制作方法和普通光纤的主要差别在于预制玻璃棒的横截面结构。拉制普通光纤的预玻璃棒横截面结构与细丝光纤相同而拉制光子晶体光纤的预玻棒是一束紧密排列的石英细玻璃管。这种有小气孔的二维“晶体”在纤维中从头至尾延伸，多次复制这种石英细玻璃管的排列，便可拉制出符合要求的孔距的光子晶体光纤。堆积方式可以采用三角形，也可以是蜂窝形。光子晶体光纤的纤芯是通过先打孔再填充同种材料而形成。最后，采用传统的拉制方式拉制成光纤。这种方法的优点是可以方便地控制石英细玻璃管的大小和形状以及排列方式，制成不同的预制棒，进而拉制成不同结构和特性的光子晶体光纤。英国Bath大学研制的全内反射光子晶体光纤的制作过程分为三步。第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构首先选用直径为30mm的石英棒为原材料，然后沿石英棒轴线方向钻一个直径为16mm的孔。接着将石英棒磨成一个正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝塔上拉制成直径为0.8mm的六角形细棒，拉丝温度在2000℃左右。第二步是形成光子晶体结构将六角形细棒按三角形或蜂窝形堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝塔上拉制成空气孔孔距为50μm的细丝。接着再把这些细丝切断并再次堆积成三角形或蜂窝形结构，其中心用一根直径完全相同的实芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。第三步是复制堆积拉丝过程，最终拉制成2μm空气孔孔距的光纤。在上面的三次拉丝过程中细棒堆熔合在一起，同时棒间距不断缩减，缩减因子超过104。Ranka J.K在Optics and Photonics News，2000，11中介绍了线性光子晶体光纤的制作情况，他们是在包层中规则排列着细小空气孔(晶格常数为μm数量级)的具有二维周期结构的细长的硅光纤，核心处引入一个多余的空气孔(孔的直径为1-7个周期长度)，或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替。从而在二维光子晶体中引入了一个“缺陷”作为核心。制作这种光纤是用几百根硅棒或硅管排列成阵列，然后从中心抽去7根，留下7个原胞尺寸的孔，或者在中心应该使用硅管的地方用硅棒代替，在约2000℃的温度下拉制成直径为40μm的光纤，其中包层中空气孔的直径为亚微米，间隔为几个微米，最初制作的光纤只是由硅管简单排列成六角阵列的空气孔，但是这种光纤几乎很难观测到导向光，后来改为蜂窝状结构，在大中心孔中观察到导向光，棒(管)与棒(管)之间的附加小孔对带隙波长有小的影响。在专利文献方面，现在所公开专利技术的仅仅涉及光子晶体光纤结构和应用方面，而很少见到光子晶体光纤制造方法方面的
技术实现思路
。其中，申请号03108233.5的中国专利提及的微结构制造方法包括将预定数量由石英玻璃制成的具有预先确定内径和外径的细玻璃管，和一或多个由石英玻璃制成的直径不同于的细玻璃管直径的棒集成束。目前，世界上制备光子晶体光纤的工艺主要如前述有两大类一是石英棒沿轴线方向钻孔，并将石英棒磨成一个正六棱柱，反复拉制成六角形细棒，将六角形细棒按一定形状堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝塔上拉制，附图1给出了玻璃棒钻孔制备法示意图；其二是采用细玻璃管按一定形状堆积起来形成所要求的晶体结构，中间缝隙也可以用细丝填充，套管后在光纤拉丝塔上拉制，附图2为细玻璃管堆积制备法示意图。以上两种制备光子晶体光纤工艺方法存在明显的缺陷，主要是整个制备过程都不控制压力，完全靠控制拉丝温度来调节光子晶体光纤空气孔的收缩率，因此拉丝温度的影响因子太大，拉丝温度过高则会导致光纤空气孔的收缩率很难控制，容易导致光纤空气孔部分或全部都闭合，由于在堆积光子晶体结构时，人为因素引起的光子晶体堆积的结构与设计情况有偏差，以上因素都可能会在光纤内引入不必要的缺陷，导致光纤的损耗大幅度增大，甚至会出现由于工艺原因使得设计出的光子晶体结构无法实现，或者最终拉制的不是光子晶体光纤。即使在制备光子晶体光纤时没有发生上述情况，也会存在制备过程复杂的问题，特别对于光子禁带光纤而言。众所周知，光子禁带光纤在芯层周围规则地分布许多小孔，为了保证光子禁带现象出现，最终拉制的光纤不仅需要较大的占空比d/Λ(至少大于15％，一般要求大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备光子晶体光纤的装置，其结构包括：　　　　加压罩，为一端开放另一端封闭的筒型，开放端周边设置有法兰盘，用于与插盘、真空罩固定在一起，从开放端容纳细玻璃管，封闭端上设置了连通气压控制装置的通气孔，当光纤预制棒被拉丝时，细玻璃管的不封闭端插入加压罩内，通过对加压罩内施加一定的气压，保证在光纤预制棒拉丝过程中细玻璃管内保持１０↑［－１］毫巴（ｍｂａｒ）数量级的气压；　　　　真空罩，为一端开放的筒型，在筒型另一端具有端面，该端面周边设置了法兰盘，用于与插盘、加压罩固定在一起，端面上设置插孔，用于插入细玻璃管，光纤预制棒的玻璃套管不封闭的一端插入真空罩筒型结构内并与筒型结构密封在一起，使玻璃套管和真空罩共同形成气密的封闭空间，当光纤预制棒被拉丝时，对该气密的封闭空间抽真空，以保证拉丝时光纤预制棒的玻璃套管内和细玻璃管之间缝隙保持真空状态；　　　　插盘，为具有一定厚度的盘型，盘面上设置有插孔，用于插入直径１至１０毫米的细玻璃管形成细玻璃管集束，插孔直径和排列方式依据所需要的光纤中光子晶体排列方式和气孔直径而选择，真空罩和插盘上的插孔直径、位置和数目均相同，插盘面周边设置有法兰盘，用于将插盘与加压罩、真空罩固定在一起，在插盘与加压罩之间形成气密的空间，该气密空间与细玻璃管内连通；　　　　压力控制装置，通过加压罩上的通气孔与加压罩连通，用于控制加压罩内的气体压力；　　　　真空泵导管，为玻璃材料的细管，一端通过一通孔与光纤预制棒玻璃套管内孔连通，另一端连通真空泵；　　　　真空泵，用于对光纤预制棒的玻璃套管和真空罩共同形成的气密空间抽真空；　　　　密封圈，用于细玻璃管穿过插盘盘面上插孔与真空罩端面上插孔时密闭细玻璃管与插孔之间的缝隙，保证光纤预制棒玻璃套管和真空罩共同形成的气密空间与加压罩和插盘共同形成的气密空间之间相互气密隔离；　　　　固定后，各个部件的连接顺序为加压罩下为插盘、插盘下为真空罩、真空罩下为玻璃套管，细玻璃管穿过真空罩、插盘上的插孔伸入到加压罩内。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋作文，李进延，李诗愈，李海清，陈伟，刘学军，刘革胜，
申请(专利权)人：烽火通信科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]