CN101363940A - 具有环形波导层的毛细管光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种具有环形波导层的毛细管光纤及其制作方法。包括高纯石英基管，在高纯石英基管的至少一侧有光波导层，在高纯石英基管与光波导层之间有阻挡层，中间有中心空气孔，光波导层沉积在阻挡层的表面，其中阻挡层的折射率略小于高纯石英基管的折射率，波导层的折射率大于高纯石英基管折射率，阻挡层是由掺杂F和P离子的透明合成石英材料构成，波导层由掺杂Ge离子的透明合成石英材料构成。本发明拓宽了毛细管光纤的种类，特别对具有波导层结构的毛细管光纤制备方法而言，大大提高了光纤的制备效率。

Description

具有环形波导层的毛细管光纤及其制造方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种特种光纤，特别涉及一种具有环形波导层的毛细管光纤。本发明还涉及这种光纤的制造方法。

(二)背景技术

毛细管光纤是光纤光学的一个新兴的研究领域，与传统的光纤相比，无论在结构上还是在光传输机理上有很大不同，具有特殊的色散和非线性效应等特性，如自相位调制、无限波长单模传输、大模场面积单模传输、理想的色散可控、空芯导光、空芯传能和超低损耗、超长距离传输等。这些特性，除了应用于光通信领域外，通过向毛细管光纤中填充介质可以实现可变的光谱衰减器和高精度传感器，毛细管光纤中传输的光模式耦合入空气孔的强度与孔中的介质有关，预示着它可以应用于微量气体传感。因而应用领域广泛，发展前景广阔。有关涉及到本发明技术的文献和报道包括：[1]赵雷康，空芯光纤研究进展，国外建材科技，2003，24(3)：24；[2]韩建军，李永涛，刘晓霞，赵修建，传输紫外激光空芯光纤系统的研究，激光与红外，2006，36(9)：882；[3]R.Brunner，J.Doupovec，J.Zohora，and F.Kvasnik，Gas sensor based on capillary optical fibre，SPIE，3820：190；[4]P.Kiiveri，A.Hokkanen，R.，K.Keinanen，S.Tammela，New capillary opticalfiber structure for fluorescence sensors，SPIE，2695：169；[5]G.Y.Zhou，Z.Y.Hou，L.T.Hou，and J.G.Liu，Hollow-core tapered coupler for large inner diameterhollow-core optical fibers，Chin.Opt.Lett.2003，1(1)：15等。

目前，毛细管光纤一般的制备方法是以金属、塑料或玻璃管作为基材，然后将金属、电解质膜或多晶料等沉积在管内壁而形成，光波导以空芯中的空气为传输介质，例如文献：Yuichi Komachi，Katsuo Aizawa，Hollow optical fiber andmethod for manufacturing the same，U.S.Pat.No.6735369B2，中报道的技术方案。芯内壁材料分两种，折射率大于1为泄露型，折射率小于1为全反射型。这些方法最主要的不足之处在于：为了在管内壁沉积物质，选择的基管内径必须要大于一定尺寸，制备出的毛细管光纤芯径在几百微米甚至1mm的量级，而且制备毛细管光纤的长度受到工艺限制，不能制备较长的毛细管光纤；另一方面，在基管内壁沉积的一些介质，在一定光波长范围内具有较大的吸收，光损耗也较大，光纤末端的光输出功率受到了限制；此外，基管内壁沉积的某些介质，在高温、高潮湿、高辐射的特殊环境中，其性能也不稳定，这些都为光纤维护带来了困难。

P.Kiiveri，A.Hokkanen，R.

K.Keinanen，S.Tammela，New capillaryoptical fiber structure for fluorescence sensors，SPIE，2695：169的文献中报道了一种毛细管光纤的制造方法，即采用MCVD法，以石英玻璃管为衬底(光波导层：搜集与传输荧光)，先在其内壁沉积一层掺GeO₂的玻璃层(注光层：将泵浦光注入其中)，然后再在掺杂层内壁镀有一层荧光层(激发层：含有荧光物质)。该方法制作的毛细管光纤外径300-500μm，芯径为100-300μm，由于需要在毛细管内壁涂荧光粉，毛细管光纤内径不能太小，同时在制作较长光纤上很难实现，成本增高了就很难应用实际；此外，该种光纤的内壁荧光层在一些特殊环境中，性能也会受到影响。其波导层是衬底层，即石英玻璃基管。

David A.Krohn，Trevor Macdougall，Paul Sanders，Mokhtar S.Maklad，Lowloss infrared transmitting hollow core optical fiber method of manufacture，U.S.Pat.No.5221308和Mokhtar S.Maklad，Method ofmanufacture hollow core optical fibers，U.S.Pat.No.4764194的文献中报道了两种用于红外CO₂激光传输的毛细管光纤制造方法，光纤都是由三部分组成：石英基管，过渡层(降低基管与内包层之间的热膨胀不匹配)和内包层。内包层中掺杂有GeO₂或GeO₂+K₂O+ZnO，以将SiO₂体系的反常色散区域向CO₂激光波长方向移动，即使得内包层折射率小于1，从而实现了激光在中心空气孔中的全反射传输。其波导层是中心空气孔。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现同时传导光波信号、中心孔可以作为输运物质通道功能，可以与普通标准单模光纤进行连接，且能在一些特殊环境中使用的具有环形波导层的毛细管光纤。本发明的目的还在于提供一种过程简单，制得的毛细管光纤外径及芯径可控、质量均匀的具有环形波导层的毛细管光纤的制造方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明具有环形波导层的毛细管光纤的组成包括高纯石英基管，在高纯石英基管的至少一侧有光波导层，在高纯石英基管与光波导层之间有阻挡层，中间有中心空气孔，光波导层沉积在阻挡层的表面，其中阻挡层的折射率略小于高纯石英基管的折射率，波导层的折射率大于高纯石英基管折射率，阻挡层是由掺杂F和P离子的透明合成石英材料构成，波导层是由掺杂Ge离子的透明合成石英材料构成，由高纯石英基管和阻挡层组成的包层、光波导层及中心空气孔构成环形的波导结构，传导光在波导层中传播。

本发明的具有环形波导层的毛细管光纤还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的光波导层位于高纯石英基管的内侧。

2、所述的光波导层位于高纯石英基管的外侧。

3、所述的光波导层位于内外两高纯石英基管的外和内侧。

本发明具有环形波导层的毛细管光纤是采用这样的方法来制造的：

先设计两个阶梯型端帽，其中一个阶梯型端帽的阶梯环上开有一圈气孔，另一个阶梯型端帽的阶梯环上开有一圈气孔、中心也开有一圆孔；然后将两层套管结构的高纯石英基管架设于两个阶梯型端帽上，使两层石英管之间形成一个环型沉积腔；采用高温石墨炉或其它方式如氢氧焰、PCVD作为热源，以超纯氧气作为载体将液态SiCl₄原料和液态POCl₃、GeCl₄掺杂剂及气态SF₆掺杂剂送入以30rpm速度旋转并被加热的石英玻璃环形腔内(高于1700℃)，腔体内的原料和掺杂剂在高温下发生下述反应式所述的卤化物氧化反应，从而产生精细的soot状氧化物SiO₂等粒子。在热源的运动过程中，通过热迁移的方式，粒子朝着具有相对较低温度的环形腔体下游区移动，并在其内表面堆积形成阻挡的粒子层，接下来当热源的加热中心通过soot状氧化物层时就会将其烧结成透明的玻璃层，而没有反应的气体和没有沉积的soot以及反应产生的氯气等则从反应尾端排走。该步骤连续重复，从而在外石英管的内表面上和内石英管的外表面上形成多个沉积的阻挡层，随后在阻挡层上形成多个波导层。沉积完成后，选择取出相应的石英管，将保留的沉积有阻挡层及光波导层的石英管收缩到预定尺寸得到管式预制棒。

上述沉积过程中，阻挡层的反应原料组成与浓度为：SiCl₄ 50SCCM，POCl₃50SCCM，SF₆ 5SC CM，O₂ 200SCCM；光波导层的反应原料组成与浓度为：SiCl₄ 50SCCM，GeCl₄ 50SCCM，O₂ 100SCCM。所有浓度均以氮气标定为基准。

反应式：

SiCl₄+O₂→SiO₂+2Cl₂

2POCl₃+O₂→P₂O₅+3Cl₂

GeCl₄+O₂→GeO₂+2Cl₂

2SF₆+3SiCl₄+2O₂→SiF₄+2SO₂+6Cl₂

SiF₄+3SiO₂→4SiO_1.5F

本发明的具有环形波导层的毛细管光纤的制造方法还可以包括：

1、所述的选择取出相应的石英管是取出内石英管，将保留的沉积有阻挡层及光波导层的外石英管收缩到预定尺寸得到内壁波导型管式预制棒。

2、所述的选择取出相应的包层是取出外石英管，将保留的沉积有阻挡层及光波导层的内石英管收缩到预定尺寸得到外壁波导型管式预制棒。

3、所述的选择取出相应的石英管是不取出任何石英管，收缩到预定尺寸得到壁中波导型管式预制棒。

4、所述的管式预制棒通过拉丝塔，并配合加压或抽气装置，拉制成具有中心孔的环形波导层毛细管光纤。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、采用双层套管式层间MCVD预制工艺，可以一次制备出内壁波导型和外壁波导型两种管式预制棒或壁中波导型管式预制棒，大大提高了波导层毛细管光纤的制备效率。

2、在预制棒制备过程中，采用高温石墨炉为加热元件，可以自由、方便的调整管式预制棒的尺寸大小及沉积层厚度，来满足所拉制光纤的参数需要，具有操作简单和重复性好的特点。

3、MCVD完成后，将内壁波导型和外壁波导型两种管式预制棒收缩成预定尺寸，采用套管法，通过拉丝塔，并配合加压、抽气装置可以直接拉制芯径可控的壁中环形波导型毛细管光纤。

上述光纤制造技术的发明，拓宽了毛细管光纤的种类，特别对具有波导层结构的毛细管光纤制备方法而言，大大提高了光纤的制备效率。

这三类具有环形波导层结构的毛细管光纤，其波导层不仅能传输光波信号，而且其中心孔可以同时作为输运各种物质的通道，因此可用于制作各种新型光纤器件和光纤传感器。

(四)附图说明

图1是内壁波导型毛细管光纤的横截面结构示意图；

图2是图1所示的的内壁波导型毛细管光纤的折射率示意图；

图3是外壁波导型毛细管光纤的横截面结构示意图；

图4是图3所示的的外壁波导型毛细管光纤的折射率示意图；

图5是壁中波导型毛细管光纤的横截面结构示意图；

图6是图5所示的的壁中波导型毛细管光纤的折射率示意图；

图7是阶梯型端帽I的结构示意图；

图8是图7的左视图；

图9是阶梯型端帽II的结构示意图；

图10是图9的左视图；

图11是本发明的MCVD法制备环形波导层毛细管光纤预制棒的工艺示意图；

图12是本发明的用于实现壁中波导型毛细管光纤拉制示意图；

图13是图12的局部放大图；

图14是图13中的充气嘴的结构示意图；

图15是图13中的抽气嘴的结构示意图；

图16是图13中的内阶梯型端帽的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-图6，本发明的具有环形波导层的毛细管光纤的组成包括高纯石英基管1，在高纯石英基管的至少一侧有光波导层3，在高纯石英基管与光波导层之间有阻挡层2，中间有中心空气孔4，光波导层沉积在阻挡层的表面，其中阻挡层的折射率略小于高纯石英基管的折射率，波导层的折射率大于高纯石英基管折射率，阻挡层是由掺杂有F和P离子的透明合成石英材料构成，波导层由掺杂有Ge离子的透明合成石英材料构成，由高纯石英基管和阻挡层组成的包层、光波导层及中心空气孔构成环形的波导结构，传导光在波导层中传播。这种具有环形波导层的毛细管光纤包括三种结构形式：第一种是如图1和2所示的光波导层位于高纯石英基管的内侧，构成的内壁波导型；第二种是如图3和4所示的光波导层位于高纯石英基管的外侧，构成的外壁波导型；第三种是如图5和6所示的光波导层位于内外两高纯石英基管的外和内侧，构成的壁中波导型。

在本发明的制造过程中用到了两个阶梯型端帽。结合图7和8，阶梯型端帽I的阶梯环上开有一圈气孔5；结合图9和10，阶梯型端帽II的阶梯环上开有一圈气孔5，中心也开有一圆孔6。保证了沉积气体进入MCVD沉积区间及未反应气体和未玻璃化粉体排出套管外。端帽材料可用聚四氟乙烯，其优点是聚四氟乙烯有优异的耐高温性(260℃)，不易受热变形，同时对腐蚀介质有高度稳定性。故在MCVD过程中，聚四氟乙烯不会被各种反应气体和反应物腐蚀而污染预制棒，同时由其构成的两阶梯型端帽也可保证两层石英套管的同轴性。

在本发明的制造过程中用到了充气嘴、抽气嘴和内阶梯型端帽。结合图14充气嘴III上带有锥度的卡槽环15，中间开有通孔16，充气嘴尾端为有一定锥度的圆台17；结合图15，抽气嘴IV上也带有锥度的卡槽环15，中间开有通孔16，抽气嘴管尾端表面具有外螺纹18；结合图16，内阶梯型端帽V中间开有阶梯通孔20，外表面开有一个与中间孔垂直的内螺纹孔19。材料可选用聚四氟乙烯，三个零件的连接如图13所示，抽气嘴的外螺纹与端帽的内螺纹连接，与橡皮管连接的抽气嘴与充气嘴端表面有卡槽，保证了气密性，充气嘴圆台一端插入需要充气的石英管预制棒中，由于充气嘴圆台具有一定锥度保证了与玻璃管的紧密连接。

图11是本发明的MCVD法制备预制棒的工艺示意图，图中有：床头、卡盘7，石英外套管8，双层石英管架设装置右端帽II，中心气孔6，石英内套管9，环型沉积腔10，双层石英管架设装置左端帽I，原料进气端11，玻璃机床床身12，高温石墨炉13，是废气排出端14。

结合图12，用于实现壁中波导型毛细管光纤拉制的装置的组成包括：微增压机构21、真空机构22、真空度设定装置23、微压力设定装置24、橡皮连接管25、夹棒机构26、预制棒27、高温石墨炉28、测径仪29、涂覆杯30、固化炉31、等径控制系统32、牵引轮33、导向轮34和收绕轮35。

实施本发明可采用以下工艺进行：

实施例一：

以下描述的是基于壁中波导型两种毛细管光纤的实施方案：

1、选取两根高纯且物理性能指标相同的石英管，外管φ20×1.5mm，长度1400mm；内管φ8×2mm，长度600mm。先用四氯化碳溶液清洁除去有机物，然后浸入浓度10％的氢氟酸中清洗约10分钟，多次在去离子水中清洗，并迅速用高纯氮气进行冲刷使其干燥不产生水迹，待用。

2、在内石英管两端安装好左右端帽，插入外石英管中并调整到合适位置，两管组合形成了一个环形沉积腔，然后装入玻璃机床上，如图11所示。

3、按预先设计好的光纤参数在沉积控制柜中的液晶面板上设置好高温抛光层、2次阻挡层、2次芯层及收棒层的工艺参数表。

4、开启MCVD设备，将5SCCM SF₆、100SCCM O₂相混合的混合气体引入以30rpm速度旋转的管中，利用石墨炉为热源来加热管，使得管中温度达到1900℃，由于氟离子对玻璃的腐蚀作用，热源以30mm/min的速度沿石英管纵向移动往返一次，完成了对石英管内表面的高温抛光。

5、高温抛光结束后，将用于形成阻挡层的诸如50SCCM SiCl₄，50SCCM POCl₃，5SCCM SF₆的反应气体和200SCCM O₂相混合的混合气体引入石英管中，管中温度调整到高于1700℃。由于环形腔体中的热量使得引入的反应气体发生高温氧化，从而制备出soot状氧化物SiO₂等粒子，通过热迁移的方式，粒子朝着具有相对较低温度的环形腔体下游区移动，并在其内表面堆积形成阻挡的粒子层，当热源的加热中心以30mm/min的速度通过soot状氧化物层时就会将其烧结成透明的玻璃层。上述的粒子堆积和烧结过程形成了单个阻挡层，2次重复上面步骤得到了所需的阻挡层。

6、阻挡层沉积结束后，将用于形成光波导层的诸如50SCCM SiCl₄，50SCCMGeCl₄的反应气体和100SCCM O₂相混合的混合气体引入石英管中，管中温度调整到高于1820℃，石英管的旋转速度为20rpm，热源的移动速度为20mm/min。波导层与阻挡层的的沉积过程及原理相同，2次重复就可以得到沉积于阻挡层外表面上的波导层。

7、沉积步骤完成后，拆分出两管，对外管采用正常的熔缩工艺收缩到预定尺寸；对内管由于长度较短，先采用氢氧焰在该管一端熔接上500mm长的同等尺寸的玻璃管，然后再进行正常的熔缩工艺收缩到比外管内径稍小的尺寸；最后将内管套入外管中，且内管一端露出外管端约100mm左右。

8、组合的石英管置于光纤拉丝塔的夹棒机构中，内、外石英管端表面缠绕聚四氟乙烯带，将充气、抽气连接件的内阶梯型帽套入两根石英管中，抽气嘴外螺纹端与内阶梯型帽内螺纹连接，另一端与真空机构的橡皮管连接，充气嘴圆台端插入内石英玻璃管中，另一端与微增压机构的橡皮管连接，如图12所示。

9、高温石墨炉加热到玻璃软化点以上，设定好真空度设定装置和微压力设定装置，用手匀速牵引出光纤，经测径仪、涂覆杯，在经固化炉、牵引轮系统，观察光纤外径使其达到确定值(<250μm)，该值从测径仪系统可以看出，如果不合适，可以调节送棒和牵引速度。将毛细管端面用光纤切割刀切断并用用酒精和乙醚的混合液清洁处理后，在显微镜下观察内外预制棒管壁的熔接界面完整性、光纤中心孔圆度等，如果不合适，可以调节抽气和充气设定装置。满足要求的光纤经过导向轮、收绕轮收绕即为具有中心孔的壁中环形波导型毛细管光纤产品。

在拉制该毛细管的过程中，内、外石英管间气体经过真空度设定装置被真空机构抽出，保证了内外预制棒管壁的完全熔接。同时从内石英管尾部送入高纯氮气，氮气从气瓶出来，经过微压力设定装置、管道进入内石英管中，在管内各个方向的气体作用力相同，从而使得管子的壁厚均匀一致，中心孔较圆，保证了毛细管的质量。

实施例二：

以下描述的是基于内壁波导型和外壁波导型两种毛细管光纤的实施方案：

1、先采用与壁中波导型光纤预制棒相同工艺制备阻挡层和波导层，然后拆分出两管，采用正常的熔缩工艺收缩到预定尺寸，得到内壁波导型和外壁波导型管式预制棒；

2、管式预制棒置于光纤拉丝塔的夹棒机构中，石英管尾端表面缠绕聚四氟乙烯带，将充气嘴圆台端插入石英玻璃管中，另一端与微增压机构的橡皮管连接。

3、高温石墨炉加热到石英软化点，设定好真空度设定装置和微压力设定装置，用手匀速牵引出光纤，经测径仪、涂覆杯，在经固化炉、牵引轮系统，观察光纤外径使其达到确定值(<250μm)，该值从测径仪系统可以看出，如果不合适，可以调节送棒和牵引速度。将毛细管端面用光纤切割刀切断并用酒精和乙醚的混合液清洁处理后，在显微镜下观察其内径、壁厚、光纤中心孔圆度等几何参数，如果不合适，可以调节充气设定装置。满足要求的光纤经过导向轮、收绕轮收绕即为具有中心孔的外壁或内壁环形波导型毛细管光纤产品。

在拉制该毛细管的过程中，从管式预制棒尾部送入高纯氮气，氮气从气瓶出来，经过微压力设定装置、管道流入管内，在管内各个方向的气体作用力相同，从而使得管子的壁厚均匀一致，中心孔较圆，保证了毛细管的质量。

Claims (9)

1.一种具有环形波导层的毛细管光纤，包括高纯石英基管，其特征是：在高纯石英基管的至少一侧有光波导层，在高纯石英基管与光波导层之间有阻挡层，中间有中心空气孔，光波导层沉积在阻挡层的表面，其中阻挡层的折射率略小于高纯石英基管的折射率，波导层的折射率大于高纯石英基管折射率，阻挡层是由掺杂F和P离子的透明合成石英材料构成，波导层由掺杂Ge离子的透明合成石英材料构成，由高纯石英基管和阻挡层组成的包层、光波导层及中心空气孔构成环形的波导结构，传导光在波导层中传播。

2.根据权利要求1所述的具有环形波导层的毛细管光纤，其特征是：所述的光波导层位于高纯石英基管的内侧。

3.根据权利要求1所述的具有环形波导层的毛细管光纤，其特征是：所述的光波导层位于高纯石英基管的外侧。

4.根据权利要求1所述的具有环形波导层的毛细管光纤，其特征是：所述的光波导层位于内外两高纯石英基管的外和内侧。

5.一种权利要求1所述的具有环形波导层的毛细管光纤的制造方法，其特征是：先设计两个阶梯型端帽，其中一个阶梯型端帽的阶梯环上开有一圈气孔，另一个阶梯型端帽的阶梯环上开有一圈气孔、中心也开有一圆孔；然后将两层套管结构的高纯石英基管架设于两个阶梯型端帽上，使内外两层石英管之间形成一个环型沉积腔；采用高温石墨炉、氢氧焰或PCVD作为热源，以纯氧气作为载体将液态SiCl₄原料和液态POCl₃、GeCl₄掺杂剂及气态SF₆掺杂剂送入旋转并被加热的石英玻璃环形腔内，腔体内的原料和掺杂剂在高温下发生反应，产生精细的soot状氧化物SiO₂，在热源的运动过程中，通过热迁移的方式，粒子朝着具有相对较低温度的环形腔体下游区移动，并在其内表面堆积形成阻挡的粒子层，接下来当热源的加热中心通过soot状氧化物层时将其烧结成透明的玻璃层，该步骤连续重复，至在外石英管的内表面上和内石英管的外表面上形成多个沉积的阻挡层，随后在阻挡层上形成多个波导层，沉积完成后，选择取出相应的石英管，将保留的沉积有阻挡层及光波导层的石英管收缩到预定尺寸得到管式预制棒。

6.根据权利要求5所述的具有环形波导层的毛细管光纤的制造方法，其特征是：所述的选择取出相应的石英管是取出内石英管，将保留的沉积有阻挡层及光波导层的外石英管收缩到预定尺寸得到内壁波导型管式预制棒。

7.根据权利要求5所述的具有环形波导层的毛细管光纤的制造方法，其特征是：所述的选择取出相应的石英管是取出外石英管，将保留的沉积有阻挡层及光波导层的内石英管收缩到预定尺寸得到外壁波导型管式预制棒。

8.根据权利要求5所述的具有环形波导层的毛细管光纤的制造方法，其特征是：所述的选择取出相应的石英管是不取出任何石英管，收缩到预定尺寸得到壁中波导型管式预制棒。

9.根据权利要求5-8任何一项所述的具有环形波导层的毛细管光纤的制造方法，其特征是：所述的管式预制棒通过拉丝塔，并配合加压或抽气装置，拉制成具有中心孔的环形波导层毛细管光纤。

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