CN101236272B - 纯石英芯包层模谐振特种光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纯石英芯包层模谐振特种光纤及其制备方法。本光纤包括纯石英的纤芯和纯石英的外包层，有一谐振内包层夹于在纤芯和外包层之间，谐振内包层具有比纤芯和外包层低的折射率，并能保证部分光能在谐振内包层内传输的谐振内包层厚度。本发明提供了采用气相沉积法在改进的化学气相沉积(MCVD)制棒机上直接制成具有外包层沉积、谐振内包层沉积和纤芯沉积的光纤预制棒，然后进行拉制光纤。同时，也适用于管外气相沉积法(OVD)、等离子气相沉积法(PCVD)、轴相气相沉积法(VAD)等制棒技术制备本发明专利的光纤预制棒。本发明的包层模谐振特种光纤具有制备简单、性能稳定、使用灵活、便于批量生产等特点，可应用于制作光纤光谱滤波器、色散补偿器、光纤传感器等。

Description

纯石英芯包层模谐振特种光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纯石英芯包层模谐振特种光纤，属光纤技术领域。本发明的包层模谐振特种光纤具有制备简单、性能稳定、使用灵活、便于批量生产等特点，可应用于制作光纤光谱滤波器、色散补偿器、光纤传感器等。
背景技术
包层模谐振是利用某些特殊的光波导结构将在光纤纤芯中传输的光能量耦合到光纤包层波导中传输，耦合结构参数决定不同阶纤芯模式和包层模式的相位匹配条件，从而实现包层模谐振[B.J.Eggleton，P.S.Westbrook，et al.Journal of Lightwave Technology，2000，18(8)：1084-1100]。包层模谐振特性可以解决许多光纤通信和光纤传感领域中的关键技术问题：其一，色散管理作用——利用包层模谐振特性可以实现光能量在纤芯模和包层模间交换，这将改变整个光纤波导的模式色散特性，能够获得色散补偿、色散平坦等特种光纤；其二，光谱滤波作用——基于包层模谐振特性，能够获得性能优良的光纤光谱滤波器，在光纤通信系统中的许多技术环节得到应用，如在EDFA系统中，利用长周期光纤光栅的包层模谐振滤波特性实现增益平坦化；其三，光纤传感作用——光纤的包层相对于纤芯对于外界物理量的变化(如折射率、吸收)更加敏感，因此通过监测光纤包层模传输特性的变化，能够更加易于获得具有高灵敏度的光纤传感器，而包层模谐振特性在这里既可以起到将光能量由纤芯模转移到包层模的作用，又可以起到监控包层模特性变化的作用，即实现对被传感量高灵敏度的检测。综上所述，包层模谐振已经成为光纤通信、传感等相关领域研究中一个重要的技术环节，由此可以演化出许多独特的、具有原创新性的光纤应用系统和器件，因此制备包层模谐振特种光纤是很有必要的。
实现光纤包层模谐振的技术主要包括光纤光栅[Na Chen，Binfeng Yun，and Yiping Cui.Applied Physics Letters，2006，88：133902 1-3]、光子晶体光纤等。光纤光栅技术是利用在光纤中写入光栅结构，通过光栅辅助以获得纤芯模和包层模的相位匹配，从而实现包层模谐振，它是目前研究最为广泛和系统的包层模谐振技术，尤其是长周期光纤光栅；基于光子晶体光纤的包层模谐振技术是近年来随着光子晶体光纤理论和制备工艺日渐成熟而出现的，它通常是在均匀周期性分布的多孔包层结构中设计某种折射率结构缺陷，控制包层模和纤芯模的色散特性以满足相位匹配条件，从而实现包层模谐振[Kunimasa Saitoh，Nikolaos John Florous，et al.Optics Express，2006，14(16)：7342-7352]，这种包层模谐振技术对于根据特殊的应用情况，优化光子晶体光纤的性能十分有用，因此也是光子晶体光纤特性的一个重要研究方向。
但是，基于光纤光栅结构实现的包层模谐振需要光纤的二次加工，其可靠性和一致性等方面均会存在问题，特别是在高温和长时间使用时会出现性能退化的问题，这一深层次的科学问题将有待解决；基于光子晶体光纤实现的包层模谐振，因其制备工艺十分复杂，目前我国还没有商业化的生产厂家，主要需进口，特别是模式分布以及与常规单模光纤的耦合问题也是有待解决的科学难题。同时，以上两种实现形式，在包层模谐振器件的滤波宽度、滤波稳定性、模式噪声等方面还存在有待进一步解决的难题，这就需要研究基于新原理的光纤波导及其器件。
发明内容
本发明的目的在于根据包层模谐振理论，提供一种新型的纯石英芯包层模谐振特种光纤。该光纤具有制备简单、性能稳定、使用灵活、便于批量生产等特点，可应用于制作光纤光谱滤波器、色散补偿器、光纤传感器等。
为了达到上述目的，本发明的构思在于：
提出了一种新的纯石英芯包层模谐振特种光纤，该光纤基于双包层光纤结构，其基本结构如图1所示，纤芯和外包层之间由一低折射率内包层相隔，纤芯模和包层模通过渐逝波相互作用，在纤芯模和包层模满足相位匹配的情况下，在纤芯中传输的光能量转移到外包层中传输，实现包层模谐振。由于模式色散特性的相位匹配条件同波长有关系，即谐振波长，在此波长处纤芯模传输光谱表现为阻带滤波特性。通过纤芯和包层结构的优化设计，可以实现性能优良的光纤滤波、色散补偿、传感等器件。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
一种纯石英芯包层模谐振特种光纤，包括纯石英的纤芯(1)和纯石英的外包层(3)，其特征在于有一谐振内包层(2)夹在纤芯(1)和外包层(3)之间，该谐振内包层(2)具有比纤芯(1)和外包层(3)低的折射率、并能保证部分光能在谐振内包层(2)内传输谐振内包层厚度。
上述的纯石英芯包层模谐振特种光纤，其特征在于谐振内包层(2)是以纯石英为基质掺杂410～600ppm的B2O3或氟F，对单模光纤而言，其包层厚度在11～25μm。
一种上述的纯石英芯包层模谐振特种光纤的制备方法，其特征在于对于研制和小批量生产高性能纯石英芯包层模谐振特种光纤，采用气相沉积法MCVD在气相沉积法MCVD制棒机上依次直接以气相沉积方式制成纯石英外包层(3)、谐振内包层(2)和纯石英纤芯(1)，最后缩棒形成光纤预制棒，然后再进行拉丝制成光纤。
一种上述的纯石英芯包层模谐振特种光纤的制备方法，其特征在于对于大小批量生产高性能纯石英芯包层模谐振特种光纤，采用管外气相沉积法OVD在管外气相沉积法OVD制棒机上依次直接以气相沉积方式制成纯石英纤芯(1)、谐振内包层(2)和纯石英外包层(3)，最后形成光纤预制棒，然后再进行拉丝制成光纤。
与光纤光栅和光子晶体光纤实现的包层模谐振相比，本发明具有其独特的优点：(1)由于包层模谐振特种光纤同普通单模光纤相比只是增加了内包层结构，其具有制备工艺成熟、简单，同传统MCVD制备普通单模光纤的技术相兼容等优点；(2)由于利用MCVD、OVD、PCVD、VAD制棒和拉丝设备可以成批量的制备包层模谐振特种光纤，因此，同光子晶体光纤相比，其具有生产效率高、成本低廉等优点，而无需光纤的二次加工，性能的一致性好；(3)包层模谐振特种光纤是利用特殊的光纤波导结构实现包层模谐振，因此，同紫外光写入光纤光栅器件相比，不存在高温或长期使用性能退化的问题；(4)包层模谐振特种光纤同光子晶体光纤相比具有更为简单的折射率分布，因此通过结构参数的优化设计，可以更为方便地实现同普通单模光纤的高效耦合，即直接用熔接技术同普通单模光纤进行耦合；(5)这种包层模谐振特种光纤使用起来十分灵活，同时可以通过控制其接入长度来调节其传输特性，另外还可以接入多段这种特种光纤，优化滤波特性，如应用于EDFA的色散补偿或抑制光纤激光器中的ASE噪声等，可以实现特殊的功能，如准分布式光纤传感网络等。
附图说明
图1为本发明纯石英芯包层模谐振特种光纤结构示意图。
图2为图1所示光纤的折射率分布图。
图中：1—纤芯、2—谐振内包层、3—外包层；nco-纤芯折射率、ncl1—谐振内包层折射率、ncl2—外包层折射率、n-纵坐标折射率、r-横坐标光纤半径。
具体实施方式
现结合附图和实施例将本发明进一步叙述于后。
实施例一：参见图1，本发明的一种纯石英芯包层模谐振特种光纤，由三部分组成：纤芯1、谐振内包层2和外包层3。纤芯1的材料为纯石英材料，谐振内包层2的材料是由纯石英掺杂低折射率的添加物氟F组成，外包层3的材料是纯石英。谐振内包层2夹置于纤芯1和外包层3之间。
上述的纯石英芯包层模谐振特种光纤，纤芯(1)是高纯度的石英材料、谐振内包层(2)是以纯石英为基质掺杂450ppm氟，对125μm的单模光纤，其包层厚度在15μm。
上述的纯石英芯包层模谐振特种光纤的制备方法，是采用气相沉积法MCVD在气相沉积法MCVD制棒机上依次直接以气相沉积方式制成纯石英外包层(3)、谐振内包层(2)和纯石英纤芯(1)，最后缩棒形成光纤预制棒，然后再进行拉丝制成纯石英芯包层模谐振特种光纤，其纤芯直径8μm、光纤直径125μm。
上述光纤的折谢率分布示于图2。

Claims (3)

1.一种纯石英芯包层模谐振特种光纤，包括纯石英的纤芯(1)和纯石英的外包层(3)，其特征在于纤芯有一谐振内包层(2)夹在纤芯(1)和外包层(3)之间，所述的谐振内包层(2)具有比纤芯(1)和外包层(3)低的折射率、并能保证部分光能在谐振内包层(2)内传输的谐振内包层厚度；所述的谐振内包层(2)的材料是以纯石英为基质掺杂410～600ppm的B2O3或氟F；对单模光纤而言，谐振内包层厚度为11～25μm。
2.一种根据权利要求1所述的纯石英芯包层模谐振特种光纤的制备方法，其特征在于对于研制和小批量生产高性能纯石英芯包层模谐振特种光纤，采用气相沉积法MCVD在气相沉积法MCVD制棒机上依次直接以气相沉积方式制成纯石英外包层(3)、谐振内包层(2)和纯石英纤芯(1)，最后缩棒形成光纤预制棒，然后再进行拉丝制成光纤。
3.一种根据权利要求1所述的纯石英芯包层模谐振特种光纤的制备方法，其特征在于对于大小批量生产高性能纯石英芯包层模谐振特种光纤，采用管外气相沉积法OVD在管外气相沉积法OVD制棒机上依次直接以气相沉积方式制成纯石英纤芯(1)、谐振内包层(2)和纯石英外包层(3)，最后形成光纤预制棒，然后再进行拉丝制成光纤。
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