CN101021591B - 一种侧漏型光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

侧漏型光子晶体光纤结构中存在自芯区向外延伸穿过包层区并与纤芯平行的、横截面高度位于传输光半波长和波长之间的一条或两条光波高等效折射率线状区域，该侧漏型光子晶体光纤的制备方法包括材料的选取加工、预制棒制作和上拉丝塔充气压拉丝三个步骤。该侧漏型光子晶体光纤导模的两个垂直偏振态的传输损耗具有明显差异，本身可作为单偏振光纤使用，由于有较强的转动敏感性，适合于微小转角度光纤传感，还可以用以进行高质量光纤耦合器的标准化、自动化生产。

Description

一种侧漏型光子晶体光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种侧漏型光子晶体光纤及其制备方法，尤其是光纤传感用特种光纤领域。

背景技术

光子晶体光纤自1996年诞生以来，已发展出大数值孔径、大模场面积、极小基模场面积和高双折射等等满足各种特殊需要的新结构。典型光子晶体光纤是石英光纤或聚合物光纤，包层中沿轴向周期性排列空气孔，光纤芯则是由一个破坏其折射率调制周期性的轴向线缺陷构成。空气孔的存在极大地扩展了芯区和包层区间的折射率差，为光纤的新型结构设计提供了更大的自由空间，为控制光的传输提供了新的可能。光子晶体光纤已成为光子晶体理论应用最成功的领域，各种具有特殊功能的新型结构光子晶体光纤是目前特种光纤技术的研究热点。

如同普通单模光纤一样，光子晶体光纤通常同时传输着同一模式的两个相互垂直的偏振分量，由于光子晶体约束能力强，两个偏振分量都被有效地约束在纤芯区传输。但是，对传输光约束能力强的优势有时也会成为某些光纤传感应用中的障碍，尤其是对转动的传感应用。

由于光纤传感、耦合器和偏振器件制作领域对转动灵敏检测的持续需求，人们对转动的光纤传感也投入了很大的热情去开发新的机制，其中不乏相对成功的事例。例如，2003年饶云江等人在物理学报杂志第6期第1432-1437页“高频C0₂激光脉冲写入的长周期光纤光栅传感器的特性研究”一文中公开报道了具有转动传感特性的长周期光纤光栅制作方法，但这是对光纤的再加工，而且对象是普通单模光纤，不是光子晶体光纤。就光子晶体光纤领域来说，2003年Kunimasa Saitoh等人在美国IEEE photonics technol.Lett(光子技术快报)第5期第1384-1386页“单偏振单模光子晶体光纤”一文中公开报道的单偏振光子晶体光纤，以及2005年娄淑琴等人中国物理快报在2005年第22卷第9期第2302页的“超宽带单偏振光子晶体光纤”一文中公开报道的单偏振区位置和宽度可调的单偏振光子晶体光纤，尽管设计的本意不是为转动传感服务，但单偏振单模光子晶体光纤中的传输模会因光纤的沿轴转动增加损耗，可以作为转动传感光子晶体光纤使用。只是由于光子晶体光纤对光波约束能力强，单偏振单模光子晶体光纤的扰模长度较长，转动检测灵敏度不高，而且单偏振单模光子晶体光纤对光纤微结构提出的工艺要求非常严苛，制作困难，成本高。

发明内容

为提升光子晶体光纤在偏振模的泄漏敏感特性，本发明提供一种侧漏型光子晶体光纤及其制备方法，利用光子晶体光纤结构设计的大自由度，自芯区穿过包层区引出与光纤轴平行的泄漏通道，增强光子晶体光纤中特定偏振模的泄漏损耗。这一新结构将扩展光子晶体光纤在光纤传感、耦合器和偏振器件制作领域的应用潜力。

本发明对增强光子晶体光纤偏振模的泄漏敏感问题所采用的技术方案如下：

一种侧漏型光子晶体光纤，包括传输光波的高折射率芯区和包围芯区并对传输光波起约束作用的包层区，包层区是由毛细孔按轴向平行方式排列形成的低等效折射率区域，存在与纤芯平行、自芯区向外延伸穿过包层区的高等效折射率线状区域；所述穿过包层区的高等效折射率线状区域的横截面高度的取值范围介于传输光半波长和波长之间。

该种侧漏型光子晶体光纤包括传输光波的高折射率芯区和包围芯区并对传输光波起约束作用的包层区，包层区是由毛细孔按轴向平行方式排列形成的低等效折射率区域，其结构特征是：存在与纤芯平行、自芯区向外延伸穿过包层区的高等效折射率线状区域，这一高等效折射率线状区域是一条，或者是在光纤芯两侧并以光纤芯为对称的两条，其横截面高度的取值范围介于传输光半波长和波长之间。高折射率材料或为纯石英，或为复合硅玻璃，或为全氟化聚乙烯乙烯醚，或为聚甲基丙烯酸甲脂，或为聚乙烯，或为聚丙烯，或为聚氯乙烯。

该种侧漏型光子晶体光纤的制备，选用或为纯石英，或为复合硅玻璃，或为全氟化聚乙烯乙烯醚，或为聚甲基丙烯酸甲脂，或为聚乙烯，或为聚丙烯，或为聚氯乙烯的高折射率材料毛细管和毛细柱，一种侧漏型光子晶体光纤制备方法，包括以下特征制备步骤：

步骤一：选取外半径相同的毛细管和毛细柱，截取相同长度，同时，截取一段与毛细管相同材料和相同长度的同心管粗管作为预制棒外套筒；

步骤二：将毛细柱和毛细管一端对齐，按轴向平行方式排列成束，中心毛细棒形成预制棒的芯区，毛细管围绕预制棒芯区排列，同时，每一围绕层中都相邻排列一些毛细柱，毛细管形成预制棒包层区，毛细柱形成或者是一条，或者是在光纤芯两侧并以光纤芯为对称的两条预制棒泄漏区，排列好的毛细柱和毛细管束装入预制棒外套筒，制成预制棒；

步骤三：预制棒顶端套上充压气管上拉丝塔拉丝，在拉丝的同时充压气管维持超过大气压500-1500帕的微小正气压，并对拉丝涂敷胶。

本发明的有益效果如下：

首先，沿芯区按轴向平行方式引入的高等效折射率线状区域使侧漏型光子晶体光纤中两个垂直偏振态的模式的传输损耗产生明显差异，沿轴微小的扭转都会产生偏振模泄漏损耗，使其具有较强的空间转动敏感性，适合于微小转角度传感。与饶云江等人在物理学报杂志2003年第6期第1432-1437页“高频CO₂激光脉冲写入的长周期光纤光栅传感器的特性研究”一文中公开报道的具有转动传感特性的长周期光纤光栅相比，检测转动更灵敏。侧漏型光子晶体光纤的转动传感特性来源于光纤本身的结构设计特性，不是对光纤的再加工，而且对象是光子晶体光纤，而不是普通单模光纤。

侧漏型光子晶体光纤本身即可作为单偏振模传输光纤使用，较之已经出现的单偏振单模光子晶体光纤，尽管传输损耗大一些，单偏振传输需要的扰模长度更短，传输的单偏振更纯净，一段光纤即可起偏/检偏振器作用。另外，侧漏型光子晶体光纤是在纤芯侧面引入高等效折射率线状区域，不像单偏振光纤那样对微结构的加工提出严苛的要求，适用于多数成熟光子晶体光纤结构的偏振敏感改造。

侧漏型光子晶体光纤，平行排列，可以用以进行高质量光纤耦合器的自动化生产。目前，光纤耦合器制作的第一步一般是对成型光纤进行侧磨或拉锥等方式再处理，提高导模泄漏率，然后将处理过的光纤区域相互接近，通过调整距离，以及接触区长度，来调整耦合率。由于工序多且不易实现自动化，光纤耦合器的制作目前多是手工作业，耗时，成本高，成品率低，产品性能不统一，不能形成批量生产。侧漏型光子晶体光纤具有统一的导模泄漏率，选取好光纤长度后只需微调光纤距离，即获得设计的耦合率，制作难度降低。由于无须经过光学冷加工或热拉锥加工，制作出的耦合器无应力存留、性能稳定。光子晶体光纤设计自由度大，管堆积制作方式为各种微结构的实现提供了宽阔的平台，可以灵活设计，结构参数对泄漏率的影响表征性强，容易控制。性能规格易统一，可摆脱手工操作，实现批量生产，大幅度降低光纤耦合器的制作成本。

附图说明

图1为本发明第1实施例的一条高等效折射率线状区域侧漏型三角格子石英光子晶体光纤横截面结构示意图。

图2为本发明第1实施例的一条高等效折射率线状区域侧漏型三角格子石英光子晶体光纤制备方法中预制棒横截面结构示意图。

图3为本发明第2实施例的对称高等效折射率线状区域侧漏型四方格子聚合物光子晶体光纤横截面结构示意图。

图4为本发明第2实施例的对称高等效折射率线状区域侧漏型四方格子聚合物光子晶体光纤制备方法中预制棒横截面结构示意图。

图中：毛细柱1，细柱管2，预制棒外套筒3，预制棒芯区4，预制棒包层区5，预制棒泄漏区6，光纤芯区7，光纤包层区8，高等效折射率线状区域9，光波高等效折射率线状区域9横截面高度H。

具体实施方式

实施例1：一条高等效折射率线状区域侧漏型三角格子石英光子晶体光纤，横截面结构如图1所示，它包括传输光波的纯石英高折射率芯区7和包围芯区7并对传输光波起约束作用的包层区8，包层区8是由毛细孔按轴向平行、三角格子方式排列形成的低等效折射率区域，本发明的结构特征是：存在一条与光纤芯区7平行、自芯区7向外延伸穿过包层区8的纯石英高等效折射率线状区域9，纯石英高等效折射率线状区域9横截面高度H大小为传输光的半波长值。

一条高等效折射率线状区域侧漏型三角格子石英光子晶体光纤按照以下步骤进行制作：

步骤一：选取外半径相同的纯石英毛细管2和纯石英毛细柱1，截取相同长度600毫米，同时，截取600毫米纯石英同心管粗管作为预制棒外套筒3；

步骤二：将七根纯石英毛细柱1一端的端面对齐，按轴向平行、三角格子排列方式成束，形成预制棒芯区4，预制棒芯区4的横截面结构如图2所示；同时，按轴向平行方式，一端的端面对齐，将纯石英毛细管2围绕预制棒芯区4以三角格子方式排列，同时，预制棒芯区4的每一圈纯石英毛细管2围绕层中都加杂排列一根纯石英毛细柱1，各纯石英毛细管2围绕层中的纯石英毛细柱1相邻排列；排列好的纯石英毛细柱1和纯石英毛细管2束装入预制棒外套筒3，制成预制棒；这些相邻排列的纯石英毛细柱1形成预制棒泄漏区6，纯石英毛细管2排列区域形成预制棒包层区5；预制棒横截面结构如图2所示；

步骤三：预制棒顶端套上充压气管上拉丝塔拉丝，在拉丝的同时充压气管维持正气压500帕，并对拉丝涂敷胶；制成侧漏型光子晶体光纤的横截面结构如图1所示。

实施例2：对称高等效折射率线状区域侧漏型四方格子聚合物光子晶体光纤，横截面结构如图3所示，它包括传输光波的全氟化聚乙烯乙烯醚高折射率芯区7和包围芯区7并对传输光波起约束作用的包层区8，包层区8是由毛细孔按轴向平行、四方格子方式排列形成的低等效折射率区域，本发明的结构特征是：存在两条与光纤芯区7平行、自芯区7向外延伸穿过包层区8的全氟化聚乙烯乙烯醚高等效折射率线状区域9，全氟化聚乙烯乙烯醚高等效折射率线状区域9横截面高度H大小为传输光波长值的0.8或1倍，两条全氟化聚乙烯乙烯醚高等效折射率线状区域9位于光纤纤芯7两侧，且以光纤纤芯7为对称轴，横截面结构如图3所示。

对称高等效折射率线状区域侧漏型四方格子聚合物光子晶体光纤按照以下步骤进行制作：

步骤一：选取外半径相同的全氟化聚乙烯乙烯醚毛细管2和全氟化聚乙烯乙烯醚毛细柱1，截取相同长度450毫米，同时，截取450毫米全氟化聚乙烯乙烯醚同心管粗管作为预制棒外套筒3；

步骤二：将九根全氟化聚乙烯乙烯醚毛细柱1一端的端面对齐，按轴向平行、四方格子排列方式成束，形成预制棒芯区4，横截面结构如图4所示；同时，按轴向平行方式一端的端面对齐，将全氟化聚乙烯乙烯醚毛细管2围绕预制棒芯区4同样以四方格子方式排列，同时，预制棒芯区4的每一圈全氟化聚乙烯乙烯醚毛细管2围绕层中都以预制棒芯区4为对称加杂排列两根全氟化聚乙烯乙烯醚毛细柱1，各全氟化聚乙烯乙烯醚毛细管2围绕层中的纯石英毛细柱1相邻排列；排列好的全氟化聚乙烯乙烯醚毛细柱1和全氟化聚乙烯乙烯醚毛细管2束装入预制棒外套筒3，制成预制棒；这些相邻排列的全氟化聚乙烯乙烯醚毛细柱1形成预制棒泄漏区6，全氟化聚乙烯乙烯醚毛细管2排列区域形成预制棒包层区5；预制棒横截面结构如图4所示；

步骤三：预制棒顶端套上充压气管上拉丝塔拉丝，在拉丝的同时充压气管维持正气压1500帕，并对拉丝涂敷胶；制成侧漏型光子晶体光纤的横截面结构如图3所示。

Claims (6)

1.一种侧漏型光子晶体光纤，包括传输光波的高折射率芯区和包围芯区并对传输光波起约束作用的包层区，包层区是由毛细孔按轴向平行方式排列形成的低等效折射率区域，其特征是：存在与纤芯平行、自芯区向外延伸穿过包层区的高等效折射率线状区域；所述穿过包层区的高等效折射率线状区域的横截面高度的取值范围介于传输光半波长和波长之间。

2.根据权利要求1所述的侧漏型光子晶体光纤，其特征是：所述穿过包层区的高等效折射率线状区域是一条，或者是在光纤芯两侧并以光纤芯为对称的两条。

3.一种侧漏型光子晶体光纤制备方法，其特征是包括以下制备步骤：

步骤一：选取外半径相同的毛细管和毛细柱，截取相同长度，同时，截取一段与毛细管相同材料和相同长度的同心管作为预制棒外套筒；

步骤二：将毛细柱一端的端面对齐，按轴向平行方式排列成束，形成预制棒芯区；同时，按轴向平行方式一端的端面对齐，将毛细管围绕预制棒芯区排列，同时，每一围绕层中都相邻排列一些毛细柱，毛细管形成预制棒包层区，毛细柱形成预制棒泄漏区，排列好的毛细柱和毛细管束装入预制棒外套筒，制成预制棒；

步骤三：预制棒顶端套上充压气管上拉丝塔拉丝，在拉丝的同时充压气管维持微小正气压，并对拉丝涂敷胶。

4.根据权利要求3所述的侧漏型光子晶体光纤制备方法，其特征是：所述毛细管的材料为纯石英，所述毛细柱的材料或为纯石英，或为复合硅玻璃。

5.根据权利要求3所述的侧漏型光子晶体光纤制备方法，其特征是：所述毛细管和毛细柱的材料为全氟化聚乙烯乙烯醚，或为聚甲基丙烯酸甲脂，或为聚乙烯，或为聚丙烯，或为聚氯乙烯。

6.根据权利要求3所述的侧漏型光子晶体光纤制备方法，其特征是：所述充压气管维持的正气压取值范围为超过大气压500-1500帕。

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