CN106082634A - 一种硫系玻璃光纤的拉锥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的硫系玻璃光纤的拉锥方法，拉锥时通过辐射加热装置对金属平板上的加热区域进行辐射加热，使光纤受热软化，再以恒定拉力对母纤的前端进行匀速牵拉，最终拉制得到拉锥光纤；本发明拉锥方法操作简便、可控，所用器件结构简单，成本低，拉制得到的拉锥光纤由塑料软管进行可靠、有效的保护，方便后续应用操作；本发明方法使硫系玻璃光纤的拉锥过程变得简单有效，可精确拉制出不同锥度的光纤，且光纤的锥腰外径能够达到微纳尺度，获得的拉锥光纤品质高，不会产生弯曲、直度好，内部应力和结构缺陷少、结构均匀性高；本发明尤其适用于结构复杂的各类硫系微结构光纤或光子晶体光纤的拉锥细化，为光纤的拉锥提供了一种行之有效的新思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤的拉锥方法，具体是一种硫系玻璃光纤的拉锥方法。
背景技术
器件的微型化是科学研究和技术发展的重要趋势之一，是未来高速光通信系统和高速信息处理等应用的核心技术。作为微纳光子器件中最基本的光信息传输单元，微纳尺度的光波导结构（即微纳光纤）是当前光子学领域的研究热点之一。微纳光纤具有低器件-光纤耦合损耗、粗糙度极低的光滑外表、强光场约束力、可调大百分比的倏逝场、良好的柔韧性、极轻的质量和可控的零色散点，这些优势再结合硫系玻璃的超高线性及非线性折射率、良好的红外透过特性、良好的流变性等优点，硫系微纳光纤在光学传感、量子光学尤其是非线性光学领域具有巨大的应用潜力。
现有的微纳光纤的制备方法有直接火焰拉伸法、童利民等提出的蓝宝石光纤辅助的二步拉伸法及自调节拉制法（Tong L.M.，J.Y.Lou，Z.Z.Ye，et al.Self-modulatedtaper drawing of silica nanowires.Nanotechnology.2005，16（9）：1445～1448）、从块体或者粉末状玻璃中直接拉制微纳光纤（Tong L.，L.Hu，J.Zhang，et al.Photonicnanowires directly drawn from bulk glasses.Optics Express.2006，14（1）：82～87 ）的方法等。直接火焰拉伸法最开始是制作光纤锥和光纤耦合器的方法，火焰在光纤下面来回移动烘烤，光纤两端用夹具固定在可电动移动的夹具台上，计算机控制两个移动夹具台，加热区域拉伸，光纤外径减小，就得到所需微纳光纤，这种方法操作比较简单，但是存在拉锥区域温度控制不精确、锥区不均匀等显著缺陷，不适合拉制特定外径的微纳光纤。二步拉伸法包括两个步骤：第一，使用常规的直接火焰拉伸技术把光纤拉锥成几个微米状态；然后使光纤断裂成两个部分，将其中一部分的尾部缠绕到一个热蓝宝石棒的尖端，继续拉伸直至亚微米外径，这种方法能够拉制出外径更细的微纳光纤，但是无法拉制完整的微纳光纤，而且拉锥区域容易受到热空气及静电力的作用导致光纤弯曲变形。块体玻璃直接拉伸法是采用块体原料直接拉伸纳米线的方法，制备时，加热蓝宝石小棒，然后将蓝宝石小棒的尖端插入块体玻璃，被蓝宝石小棒接触处的玻璃就会变软；然后快速移开蓝宝石棒，就拉制出来一条纳米线，然而这种方法不适用于拉制特定结构的微纳光纤。此外，现有的微纳光纤的制备方法，在制备微纳光纤过程中，普遍存在实时监测及光纤的拉制过程监控困难的问题，并且光纤拉制过程中的拉力不恒定，容易导致锥区不均匀、整个拉锥区域弯曲度大等缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种简单有效的硫系玻璃光纤的拉锥方法，通过本发明方法可精确拉制出不同锥度的光纤，且光纤的锥腰外径能够达到微纳尺度，获得的拉锥光纤品质高，不会产生弯曲、直度好，内部应力和结构缺陷少、结构均匀性高。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，包括以下步骤：
1）准备一根硫系玻璃光纤母纤，一根塑料软管，一块金属平板，用蒸馏水将金属平板洗净并烘干；
2）将金属平板水平固定在一台架上，使金属平板的两端悬空；确定母纤上的待拉锥区域，将塑料软管套在母纤上，并将塑料软管移至待拉锥区域的后侧；然后将母纤沿金属平板的轴线水平放置，使母纤贴靠在金属平板上，确定待拉锥区域置放处的金属平板为加热区域，并使母纤的前端自金属平板的前端伸出，再用胶带将金属平板的尾端与位于金属平板尾端的母纤固定在一起；
3）在金属平板的下方放置一辐射加热装置，使辐射加热装置位于加热区域的正下方，然后启动辐射加热装置，对加热区域进行辐射加热，在待拉锥区域的光纤受热软化的同时，以恒定拉力对母纤的前端进行匀速牵拉，当观察到待拉锥区域的光纤的锥腰外径达到要求时，停止拉伸，同时迅速关闭并移开辐射加热装置，即在待拉锥区域拉制得到锥区；
4）将塑料软管移至锥区，使塑料软管套在锥区上，对锥区进行保护，然后用UV胶将塑料软管的两端固定好，最后从金属平板上取下整根光纤，位于塑料软管内的光纤即为拉锥光纤。
本发明硫系玻璃光纤的拉锥方法，将母纤的待拉锥区域置于金属平板上，拉锥时通过辐射加热装置对金属平板上的加热区域进行辐射加热，使位于加热区域内的光纤受热软化，再以恒定拉力对母纤的前端进行匀速牵拉，最终拉制得到拉锥光纤。本发明利用金属平板的良导热性取代传统拉锥方法中的空气导热，在拉锥时光纤与金属平板接触，可有效阻隔热空气波动对拉锥区域的影响；通过辐射加热装置加热金属平板上的加热区域，对于硫系玻璃光纤拉锥时温度的可控性好，并可及时动态调整金属平板上的加热位置来控制母纤的加热区域，安全可靠，通过该辐射加热装置可使待拉锥区域的光纤迅速软化，并使软化后的光纤迅速固化，从而可精确拉制出不同锥度的光纤，且光纤的锥腰外径能够达到微纳尺度；拉锥过程中，以恒定拉力对母纤的前端进行匀速牵拉，恒定拉力的引入使得传统非恒力拉锥方法中拉锥过程不均匀、整个拉锥区域弯曲度大的缺陷得到有效解决，拉制得到的拉锥光纤不会产生弯曲、直度好，内部应力和结构缺陷少、结构均匀性高，并且塑料软管对得到的拉锥光纤具有较好的保护效果。
作为优选，步骤2）中，使母纤固定在金属平板上后，将母纤的两端分别连接到光纤测试仪器上，以动态监控母纤的拉锥过程，并对拉锥过程中的光纤进行实时的光纤性能测试。
作为优选，所述的光纤测试仪器为FIBER-FTIR光纤-傅里叶变换红外光谱仪、飞秒激光器、近红外相机或OPA光纤参量放大器。除了上述测试仪器外，也可以在母纤的两端连接其他光纤测试仪器。
作为优选，所述的金属平板上连接有贴片热电偶，所述的贴片热电偶连接设置在所述的加热区域，步骤3）中，当贴片热电偶检测到加热区域的温度达到光纤软化温度T时，即可以恒定拉力对母纤的前端进行匀速牵拉，温度T满足：Tg<T<Tx，其中Tx为硫系玻璃的析晶温度，Tg为硫系玻璃的转变温度。
作为优选，所述的金属平板的前方固定有一定滑轮，拉锥前，在母纤的前端连接固定一棉线，同时使棉线的前端经所述的定滑轮与一配重砝码连接，待拉锥区域的光纤受热软化后，该配重砝码在重力作用下自然下落的同时即对母纤的前端施以恒定拉力。
作为优选，所述的辐射加热装置为辐射加热管、辐射加热板或辐射加热炉。
作为优选，所述的金属平板为钢板、黄金板或铂金板。也可以选择其他导热性能较好的金属板，以实现加热区域内的光纤的迅速软化和固化，从而更好地对光纤的锥度和锥腰外径进行控制。
作为优选，所述的金属平板上设置有刻度线，方便拉锥过程中读取锥区长度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的硫系玻璃光纤的拉锥方法，其拉锥过程操作简便、可控，所用器件结构简单，成本低，拉制得到的拉锥光纤由塑料软管进行可靠、有效的保护，方便拉锥光纤的后续应用操作。本发明拉锥方法使硫系玻璃光纤的拉锥过程变得简单有效，通过本发明拉锥方法可对拉锥区域长度、温度进行有效控制，并阻隔拉锥时热空气波动对拉锥区域的影响，并且恒定拉力的引入使得传统非恒力拉锥方法中拉锥过程不均匀、整个拉锥区域弯曲度大的缺陷得到有效解决；通过本发明方法可精确拉制出不同锥度的光纤，且拉制得到的拉锥光纤的锥腰外径能够达到微纳尺度，品质高，不会产生弯曲、直度好，内部应力和结构缺陷少、结构均匀性高，并且塑料软管对得到的拉锥光纤具有较好的保护效果。本发明尤其适用于结构复杂的各类硫系微结构光纤或光子晶体光纤的拉锥细化，为光纤的拉锥提供了一种行之有效的新思路。
附图说明
图1为实施例1和实施例2中拉锥状态示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：以Ge30As10Se30Te30硫系玻璃悬吊芯光纤作为拉锥母纤，制作成锥区长度为2 cm左右、锥腰外径为1000 nm左右的拉锥光纤，该Ge30As10Se30Te30硫系玻璃光纤的拉锥方法，包括以下步骤：
1）准备一根长15 m、外径500 um的带有有机涂覆层的Ge30As10Se30Te30硫系玻璃三孔悬吊芯光纤作为母纤1，一根长约4 cm塑料软管2，一块长0.5 m、宽0.02 m、厚0.001 m的设置有刻度线的钢制金属平板3，用蒸馏水将金属平板3洗净并烘干；
2）如图1所示，将金属平板3水平固定在一台架4上，使金属平板3的两端悬空，且前端露出10 cm的悬空区域，并在金属平板3的前方固定一定滑轮6；确定母纤1上的待拉锥区域11，将塑料软管2套在母纤1上，并将塑料软管2移至待拉锥区域11的后侧；然后将母纤1沿金属平板3的轴线水平放置，使母纤1贴靠在金属平板3上，确定待拉锥区域11置放处的金属平板3为加热区域，在金属平板3上连接安装贴片热电偶（图中未示出），贴片热电偶连接设置在加热区域，并使母纤1的前端自金属平板3的前端伸出1 cm，再在母纤1的前端连接固定一棉线8，同时使棉线8的前端经定滑轮6与一重5 g的配重砝码7连接，再用胶带将金属平板3的尾端与位于金属平板3尾端的母纤1固定在一起；
3）在金属平板3的下方放置一酒精灯5，使酒精灯5位于加热区域的正下方，然后点燃酒精灯5，对加热区域进行辐射加热，加热约5 s后，位于加热区域的光纤开设变细拉伸，当贴片热电偶检测到加热区域的温度达到光纤软化温度T时，该配重砝码7在重力作用下自然下落的同时即对母纤1的前端施以恒定拉力，以恒定拉力对母纤1的前端进行匀速牵拉，温度T满足：Tg<T<Tx，其中Tx为Ge30As10Se30Te30硫系玻璃的析晶温度，Tx =485 ℃，Tg为Ge30As10Se30Te30硫系玻璃的转变温度，Tg =265 ℃；当观察到待拉锥区域11的光纤的锥区长度达到2 cm时，锥腰外径达到要求，停止拉伸，同时迅速熄灭并移开酒精灯5，即在待拉锥区域11拉制得到锥区，且在配重砝码7的重力的作用下，拉锥光纤始终处于绷直状态；
4）将塑料软管2移至锥区，使塑料软管2套在锥区上，对锥区进行保护，然后用UV胶将塑料软管2的两端固定好，最后从金属平板3上取下整根光纤，位于塑料软管2内的光纤即为Ge30As10Se30Te30硫系玻璃拉锥光纤，其锥区长度为2 cm左右、锥腰外径为1000 nm左右。
实施例2：以无有机涂覆层的As2S3硫系玻璃裸纤作为拉锥母纤，制作成锥区长度为5 cm左右、锥腰外径为1500 nm左右的拉锥光纤，该As2S3硫系玻璃光纤的拉锥方法，包括以下步骤：
1）准备一根长20 m、外径800 um的带有有机涂覆层的As2S3硫系玻璃三孔悬吊芯光纤作为母纤1，一根长约7 cm塑料软管2，一块长0.5 m、宽0.02 m、厚0.001 m的设置有刻度线的钢制金属平板3，用蒸馏水将金属平板3洗净并烘干；
2）如图1所示，将金属平板3水平固定在一台架4上，使金属平板3的两端悬空，且前端露出10 cm的悬空区域，并在金属平板3的前方固定一定滑轮6；确定母纤1上的待拉锥区域11，将塑料软管2套在母纤1上，并将塑料软管2移至待拉锥区域11的后侧；然后将母纤1沿金属平板3的轴线水平放置，使母纤1贴靠在金属平板3上，确定待拉锥区域11置放处的金属平板3为加热区域，在金属平板3上连接安装贴片热电偶（图中未示出），贴片热电偶连接设置在加热区域，并使母纤1的前端自金属平板3的前端伸出1 cm，再在母纤1的前端连接固定一棉线8，同时使棉线8的前端经定滑轮6与一重5 g的配重砝码7连接，再用胶带将金属平板3的尾端与位于金属平板3尾端的母纤1固定在一起；
3）在金属平板3的下方放置一酒精灯5，使酒精灯5位于加热区域的正下方，然后点燃酒精灯5，对加热区域进行辐射加热，加热约5 s后，位于加热区域的光纤开设变细拉伸，当贴片热电偶检测到加热区域的温度达到光纤软化温度T时，该配重砝码7在重力作用下自然下落的同时即对母纤1的前端施以恒定拉力，以恒定拉力对母纤1的前端进行匀速牵拉，温度T满足：Tg<T，其中Tg为As2S3硫系玻璃的转变温度，Tg =187 ℃，As2S3硫系玻璃没有析晶温度；当观察到待拉锥区域11的光纤的锥区长度达到2 cm时，锥腰外径达到要求，停止拉伸，同时迅速熄灭并移开酒精灯5，即在待拉锥区域11拉制得到锥区，且在配重砝码7的重力的作用下，拉锥光纤始终处于绷直状态；
4）将塑料软管2移至锥区，使塑料软管2套在锥区上，对锥区进行保护，然后用UV胶将塑料软管2的两端固定好，最后从金属平板3上取下整根光纤，位于塑料软管2内的光纤即为As2S3硫系玻璃拉锥光纤，其锥区长度为5 cm左右、锥腰外径为1500 nm左右。
实施例3：以As2S3硫系玻璃标准光纤作为拉锥母纤，制作成锥区长度为1 cm左右、锥腰外径为800 nm左右的拉锥光纤，该As2S3硫系玻璃光纤的拉锥方法，包括以下步骤：
1）准备一根长20 m、外径200 um的带有有机涂覆层的As2S3硫系玻璃光纤作为母纤1，一根长约3 cm的塑料软管2，一块长0.5 m、宽0.02 m、厚0.001 m的设置有刻度线的钢制金属平板3，用蒸馏水将金属平板3洗净并烘干；
2）参见图1，将金属平板3水平固定在一台架4上，使金属平板3的两端悬空，且前端露出10 cm的悬空区域；确定母纤1上的待拉锥区域11，将塑料软管2套在母纤1上，并将塑料软管2移至待拉锥区域11的后侧；然后将母纤1沿金属平板3的轴线水平放置，使母纤1贴靠在金属平板3上，确定待拉锥区域11置放处的金属平板3为加热区域，并使母纤1的前端自金属平板3的前端伸出1 cm，再用胶带将金属平板3的尾端与位于金属平板3尾端的母纤1固定在一起；
3）在金属平板3的下方放置一辐射加热管5，使辐射加热管5位于加热区域的正下方，然后点燃辐射加热管5，对加热区域进行辐射加热，加热约5 s后，在待拉锥区域11的光纤受热软化，同时以恒定拉力对母纤1的前端进行匀速牵拉，当观察到待拉锥区域11的光纤的锥区长度达到1 cm时，锥腰外径达到要求，停止拉伸，同时迅速熄灭并移开辐射加热管5，即在待拉锥区域11拉制得到锥区；
4）将塑料软管2移至锥区，使塑料软管2套在锥区上，对锥区进行保护，然后用UV胶将塑料软管2的两端固定好，最后从金属平板3上取下整根光纤，位于塑料软管2内的光纤即为As2S3硫系玻璃拉锥光纤，其锥区长度为1 cm左右、锥腰外径为800 nm左右。
实施例4：以As40S30Se30硫系玻璃标准光纤作为拉锥母纤，制作成锥区长度为1.2cm左右、锥腰外径为1200 nm左右的拉锥光纤，该As40S30Se30硫系玻璃光纤的拉锥方法，包括以下步骤：
1）准备一根长20 m、外径400 um的带有有机涂覆层的As40S30Se30硫系玻璃光纤作为母纤1，一根长约3 cm的塑料软管2，一块长0.5 m、宽0.02 m、厚0.001 m的设置有刻度线的钢制金属平板3，用蒸馏水将金属平板3洗净并烘干；
2）参见图1，将金属平板3水平固定在一台架4上，使金属平板3的两端悬空，且前端露出10 cm的悬空区域；确定母纤1上的待拉锥区域11，将塑料软管2套在母纤1上，并将塑料软管2移至待拉锥区域11的后侧；然后将母纤1沿金属平板3的轴线水平放置，使母纤1贴靠在金属平板3上，确定待拉锥区域11置放处的金属平板3为加热区域，并使母纤1的前端自金属平板3的前端伸出1 cm，再用胶带将金属平板3的尾端与位于金属平板3尾端的母纤1固定在一起；
3）在金属平板3的下方放置一辐射加热板5，使辐射加热板5位于加热区域的正下方，然后点燃辐射加热板5，对加热区域进行辐射加热，加热约5 s后，在待拉锥区域11的光纤受热软化，同时以恒定拉力对母纤1的前端进行匀速牵拉，当观察到待拉锥区域11的光纤的锥区长度达到1.2 cm时，锥腰外径达到要求，停止拉伸，同时迅速熄灭并移开辐射加热板5，即在待拉锥区域11拉制得到锥区；
4）将塑料软管2移至锥区，使塑料软管2套在锥区上，对锥区进行保护，然后用UV胶将塑料软管2的两端固定好，最后从金属平板3上取下整根光纤，位于塑料软管2内的光纤即为As40S30Se30硫系玻璃拉锥光纤，其锥区长度为1.2 cm左右、锥腰外径为1200 nm左右。
对于以上具体实施例1～4，步骤2）中，使母纤1固定在金属平板3上后，可将母纤1的两端分别连接到光纤测试仪器上，以动态监控母纤1的拉锥过程，并对拉锥过程中的光纤进行实时的光纤性能测试。光纤测试仪器具体可以选用FIBER-FTIR光纤-傅里叶变换红外光谱仪、飞秒激光器、近红外相机或OPA光纤参量放大器。
对于以上具体实施例1～4，金属平板除钢板外，也可以选用黄金板、铂金板等其他导热性能较好的金属板，以实现加热区域内的光纤的迅速软化和固化。
Claims (8)
1.一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，其特征在于包括以下步骤：
1）准备一根硫系玻璃光纤母纤，一根塑料软管，一块金属平板，用蒸馏水将金属平板洗净并烘干；
2）将金属平板水平固定在一台架上，使金属平板的两端悬空；确定母纤上的待拉锥区域，将塑料软管套在母纤上，并将塑料软管移至待拉锥区域的后侧；然后将母纤沿金属平板的轴线水平放置，使母纤贴靠在金属平板上，确定待拉锥区域置放处的金属平板为加热区域，并使母纤的前端自金属平板的前端伸出，再用胶带将金属平板的尾端与位于金属平板尾端的母纤固定在一起；
3）在金属平板的下方放置一辐射加热装置，使辐射加热装置位于加热区域的正下方，然后启动辐射加热装置，对加热区域进行辐射加热，在待拉锥区域的光纤受热软化的同时，以恒定拉力对母纤的前端进行匀速牵拉，当观察到待拉锥区域的光纤的锥腰外径达到要求时，停止拉伸，同时迅速关闭并移开辐射加热装置，即在待拉锥区域拉制得到锥区；
4）将塑料软管移至锥区，使塑料软管套在锥区上，对锥区进行保护，然后用UV胶将塑料软管的两端固定好，最后从金属平板上取下整根光纤，位于塑料软管内的光纤即为拉锥光纤。
2.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，其特征在于步骤2）中，使母纤固定在金属平板上后，将母纤的两端分别连接到光纤测试仪器上，以动态监控母纤的拉锥过程，并对拉锥过程中的光纤进行实时的光纤性能测试。
3.根据权利要求2所述的一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，其特征在于所述的光纤测试仪器为FIBER-FTIR光纤-傅里叶变换红外光谱仪、飞秒激光器、近红外相机或OPA光纤参量放大器。
4.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，其特征在于所述的金属平板上连接有贴片热电偶，所述的贴片热电偶连接设置在所述的加热区域，步骤3）中，当贴片热电偶检测到加热区域的温度达到光纤软化温度T时，即可以恒定拉力对母纤的前端进行匀速牵拉，温度T满足：Tg<T<Tx，其中Tx为硫系玻璃的析晶温度，Tg为硫系玻璃的转变温度。
5.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，其特征在于所述的金属平板的前方固定有一定滑轮，拉锥前，在母纤的前端连接固定一棉线，同时使棉线的前端经所述的定滑轮与一配重砝码连接，待拉锥区域的光纤受热软化后，该配重砝码在重力作用下自然下落的同时即对母纤的前端施以恒定拉力。
6.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，其特征在于所述的辐射加热装置为辐射加热管、辐射加热板或辐射加热炉。
7.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，其特征在于所述的金属平板为钢板、黄金板或铂金板。
8.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃光纤的拉锥方法，其特征在于所述的金属平板上设置有刻度线。
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