CN101825741B - 具有环形波导层的同轴双波导结构光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是具有环形波导层的同轴双波导结构光纤及其制备方法。用同轴阶梯端冒将高纯石英外套管与高纯石英内套管的两端固定，同轴阶梯端冒的与内外套管之间环形区域相对应的位置开有一系列小圆孔，同轴阶梯端冒与内套管中心区域相对应的位置开有大圆孔，然后内外套管连同两同轴阶梯端冒一起固定在气相沉积机上，采用MCVD制备工艺，通过气相沉积机工作同步控制在内高纯石英套管中心区域和内外高纯石英套管之间环形区域沉积阻挡层和纤芯层，当气相沉积完成后，去掉外套管单独对内高纯石英套管进行缩棒。本发明的光纤不仅具有通常的光纤芯而且在光纤的外表面具有环形波导层的同轴双波导微结构。该光纤可应用于新型光纤器件或用于光纤传感器。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光线，本发明也涉及一种光纤的制备方法。具体涉及一种不仅具有通常的光纤芯而且在光纤的外表面具有环形波导层的同轴双波导微结构光纤及其制备方法。
背景技术
光纤波导，其基本结构为芯层、包层和涂层的结构，且芯层折射率高于包层和涂层的折射率。这样便可以将光波束缚在光波长量级尺寸的芯层介质中传输光。光纤波导的传光模式可以分为三种，纤芯传光模式、包层传光模式和散射模式。近年来由于独特结构的微结构光纤的出现，使其具有一系列在普通光纤中难以实现的优良特性，包括在极宽谱带内支持单模传输、强烈的非线性效应、在可见光和近红外波段呈现反常色散、极强的双折射效应等，并且这些独特的光学性质日渐引起了人们的广泛关注。并将它应用在光纤传感，光纤光栅，光通信中的波长转换，色散补偿，激光器和放大器，以及PCF的超连续光谱等方面。
对于微结构光纤波导的制备，其基本制作过程大致分为类似的两个步骤：制作光纤预制棒和在光纤拉丝塔上将光纤预制棒拉出光纤。制备光纤预制棒的不同气体沉积工艺包括改进气相化学沉积工艺(MCVD)，轴向气相沉积(VAD)和外部气相沉积(OVD)等。烽火通信科技股份有限公司陈伟等人(微结构光纤的制造工艺研究，光通信研究，3，2005)采用堆积法制备微结构光纤预制棒。微结构光纤堆积制备方法是由单一介质(石英或者聚合物)和空气孔经过有序的周期性排列而成。其它形式的微结构光纤制备(燕山大学郭巍等人，微结构光纤的制备及其技术进展，光通信技术，1，2006)，如大模面积PCF，椭圆孔结构光纤等。但是与传统光纤制备技术相比，微结构光纤制备技术还不是很成熟，目前只有国外极少的几家公司能够生产少数几种规格的微结构光纤。尽管对于在一个预制棒上打上周期性排列的几十个到几百个孔来制备预制棒的方法理论上可行，但是实际上传统光纤预制棒的制备方法不能直接使用。其制造的难点也在于微结构光纤波导的结构缺陷等(包括光纤纤芯直径的变形、轴向的均匀性、芯包界面缺陷，以及波导结构中存在微晶和气泡，材料密度的起伏)。
对于环形实芯同轴波导层的光纤制备，例如美国专利(Optical Fiber，UnitedStates Patent，Patent Number6,917,742B2，2005)给出了一种具有光纤芯、包层同时还具有同轴波导层的微结构光纤。该光纤的同轴波导层具有不同的几何结构或为多个D型、或为多个特殊半圆形、或为多边形、或者为多个空芯区域等多种特殊几何结构，这些同轴波导层可以通过光纤预制芯棒的几何形状加工与化学气相沉积掺入各种不同的介质材料制成。注入该光纤的光通过纤芯与同轴波导层的相互作用实现光能的传输与光信号的增强。该光纤可以应用于光通信器件或者光能传递。
对于空芯环形同轴波导层的光纤制备，例如美国专利(Co-axial Hollow CoreWaveguide，United States Patent，Patent Number 5,815,627，1998)给出了一种具有环形波导层的光子晶体光纤的制备方法，所制备出的光纤为空芯多层结构，分别具有一层圆环形波导层和一层反射层，该反射层沉积为不同厚度的银、金、铝、锌、镍材料作为反射介质；或者是具有双芯结构的两个圆环形波导层，两层反射层等。根据光纤的构造该光纤可以作为传能光纤，适用于红外波段或者可见光的光能传输。类似的专利与文献还有很多，归纳其特点，此类光纤都属于光子晶体光纤，全部为空芯结构。
上述光子晶体光纤和微结构光纤分别为两类同轴波导型光纤，其共同的特点是都具有同轴波导层结构，这种同轴波导层通常是在具有一定几何结构的光纤预制棒上沉积各种不同厚度的银、金、铝、锌、镍介质，并经过光纤拉丝后得到所述光纤。同轴波导型的光子晶体光纤为空芯结构，其光纤芯部区域没有得到充分利用。同轴波导型微结构光纤由于要加工光纤预制棒几何结构并在各种形状的几何结构预制棒内沉积波导层，其工艺相当复杂。上述两类光纤主要应用于光纤传能或者光通信信号的传递，对于其纤芯与同轴波导之间光学传感性能未见详细描述。
发明内容
本发明的目的在于提供一种外表面具有环形波导层的同轴双波导微结构的具有环形波导层的同轴双波导结构光纤。本发明的目的还在于提供一种基于改进气相化学沉积工艺(MCVD)方法的具有环形波导层的同轴双波导结构光纤的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的具有环形波导层的同轴双波导结构光纤由光纤芯、包层和外表面环形波导层组成，光纤芯与外表面环形波导轴对称构成同轴双波导微结构光纤。
本发明的具有环形波导层的同轴双波导结构光纤是采用这样的方法制备的：用同轴阶梯端冒将高纯石英外套管与高纯石英内套管的两端固定，同轴阶梯端冒的与内外高纯石英套管之间环形区域相对应的位置开有一系列小圆孔，同轴阶梯端冒与内高纯石英套管中心区域相对应的位置开有大圆孔，然后内外高纯石英套管连同两同轴阶梯端冒一起固定在气相沉积机上，采用MCVD制备工艺，通过气相沉积机工作同步控制在内高纯石英套管中心区域和内外高纯石英套管之间环形区域沉积阻挡层和纤芯层，当气相沉积完成后，去掉外高纯石英套管单独对内高纯石英套管进行缩棒。
本发明提出了一种基于改进气相化学沉积工艺(MCVD)方法制备一种不仅具有通常的光纤芯而且外表面具有环形波导层的同轴双波导微结构光纤。本发明的光纤可应用于光纤传感技术之中。
本发明的技术特点主要体现在：
1.采用了内外径尺寸不同的两根高纯石英玻璃基管(即内套管和外套管)，内套管置于外套管制中，用于构造光纤预制棒。内套管和外套管的尺寸可以根据所需光纤灵活选择，以制备不同芯包比参数的光纤。
2.采用改进气相化学沉积工艺(MCVD)方法，对内套管芯与内套管外表面同时进行化学气相沉积，以实现内套管的内壁与外壁沉积相同的阻挡层与芯层。可以根据需要灵活的选择沉积介质成份与阻挡层与芯层的厚度。
3.在同一条件下单独对内套管收棒制成光纤预制棒，并对光纤预制棒拉丝拉出所述光纤。可以保证光纤预制棒制备过程的工艺稳定性。
4.制成了以光纤芯为轴的外表面具有环形波导层的同轴微结构光纤。光纤芯与环形波导层的光学性能是相同的。
5这种双波导层微结构光纤在使用时要先经过光纤拉锥，将同轴光纤芯与环形波导层耦合在一起后使用。光学信号经过耦合区后，可均匀的分配在纤芯与同轴环形波导层中。
与现有技术相比本发明具有非常显著的有益效果：
(1)在光纤预制棒的制备过程中，对内套管的内壁和外壁所采用的化学气相沉积工艺相同(MCVD法)，所采用的收棒工艺相同，所采用的预制棒拉丝工艺相同，便于制成光学性能完全一致的同轴环形波导层双波导结构微结构光纤。该工艺方法简便可靠，容易实现，经济性好。
(2)这种双波导层微结构光纤经光纤拉锥后，将光纤芯与环形波导层耦合在一起，入射光通过光纤芯注入，经过耦合区域后可均匀的分配在纤芯与包层波导之中。当用于光纤传感技术之中时，可以方便的构造出光纤干涉仪的测量臂和传感臂。
附图说明
图1是外表面具有环形波导层的同轴双波导微结构光纤图。
图2是双层套管式气相沉积(MCVD)预制棒制备固定装置示意图。
图3是图2的左视图。
图4是经光纤拉锥后的制成的用于光纤传感的同轴双波导微结构光纤示意图。
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2和图3，光纤预制棒的制备。在同轴阶梯端冒装置1上将高纯石英外套管2与高纯石英内套管3两端固定，在内外套管之间环形区域开有一系列小圆孔4，在内套管中心区域开有大圆孔5。双层高纯石英套管两端除圆孔外均处于密封状态。然后将双层高纯套管连同两端冒一起固定在气相沉积机上(采用MCVD制备工艺)。通过气相沉积机工作同步控制内套管中心区域和内外套管之间环形区域沉积的阻挡层和芯层。当气相沉积完成后，去掉外套管单独对内套管缩棒，完成同轴光纤芯和外表面具有环形波导层的双波导结构单模光纤预制棒的制备。
结合图1，采用本发明的方法制备的具有环形波导层的同轴双波导结构光纤的组成包括同轴环形波导层11、光纤芯12和包层13
结合图4，本发明的具有环形波导层的同轴双波导结构光纤在光纤拉丝塔上拉出具有通常的光纤芯而且在光纤的外表面具有环形波导层的同轴双波导微结构光纤。这种双波导层微结构光纤经光纤拉锥后，将光纤芯与环形波导层拉在一起形成耦合区域21。使用该光纤时将光源发出的光注入光纤端的纤芯内，入射光经过耦合区域21后，可以均匀的分配在光纤芯与同轴环形波导层中，在出射端形成高斯光场与贝塞尔光场。当所述光纤用于光纤传感时，光纤芯与同轴环形波导层可以构成干涉仪的测量臂与传感臂，在光纤出射端光场产生干涉后构成光纤传感干涉仪。
Claims (1)
1.一种具有环形波导层的同轴双波导结构光纤的制备方法，其特征是：用同轴阶梯端冒将高纯石英外套管与高纯石英内套管的两端固定，同轴阶梯端冒的与内外高纯石英套管之间环形区域相对应的位置开有一系列小圆孔，同轴阶梯端冒与内高纯石英套管中心区域相对应的位置开有大圆孔，然后内外高纯石英套管连同两同轴阶梯端冒一起固定在气相沉积机上，采用MCVD制备工艺，通过气相沉积机工作同步控制在内高纯石英套管中心区域和内外高纯石英套管之间环形区域沉积阻挡层和纤芯层，当气相沉积完成后，去掉外高纯石英套管单独对内高纯石英套管进行缩棒。
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