CN109471217A - 一种易于极化的双孔光纤 - Google Patents

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魏聪
郭会勇
范典
陈昌嘉
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Abstract

本发明公开了一种易于极化的双孔光纤，包括高离子浓度纤芯和高纯石英玻璃包层；所述纤芯周围含有高浓度金属阳离子，且纤芯结构为椭圆形；所述包层材料为高纯石英玻璃材料，平均折射率小于纤芯平均折射率；所述包层设置两个空气孔，不对称分布在纤芯两边，距纤芯的距离分别为D1和D2，且D2>D1。本发明制造的光纤在纤芯四周含有较多的金属阳离子，拥有更低的离解能，在热极化过程中使得离子拥有相对较大的迁移率，容易在内部形成新的电荷分布和较强的内建电场。

Description

一种易于极化的双孔光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种易于极化的双孔光纤。
背景技术
在光通信领域中，石英玻璃光纤具有易于集成、结构简单、光学损耗低的特性，由其制造的有源光器件比传统的非线性光器件更能有效实现耦合，因此在光通信和光电子领域具有很好地应用前景。但是由于石英玻璃材料具有各向同性的性质，使得它在非线性光学应用领域具有局限性。但是通过极化技术对石英玻璃材料进行处理，能够使其产生较好的非线性和电光效应，在光电子器件的制造领域应用更加广泛。由于传统的光纤纤芯为高纯的二氧化硅，含有的金属阳离子浓度非常低，在极化过程中不易发生电子的偏移，同时圆形纤芯在内电场的形成过程中不如椭圆形纤芯接触面积大，不能更好的实现光纤的非线性化。因此制备一种在纤芯周围含有较高浓度阳离子并且为椭圆形的光纤对于优化光纤极化过程和节约成本具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种易于极化的双孔光纤及其制备方法。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种易于极化的双孔光纤，包括高离子浓度纤芯和高纯石英玻璃包层；
所述纤芯周围含有高浓度金属阳离子，且纤芯结构为椭圆形；
所述包层材料为高纯石英玻璃材料，平均折射率小于纤芯平均折射率；
所述包层设置两个空气孔，不对称分布在纤芯两边，距纤芯的距离分别为D1和D2，且D2>D1。
按上述方案，所述纤芯采用管内沉积法制备，基管采用含有高浓度金属阳离子的石英玻璃制成，使得纤芯周围含有高浓度的金属阳离子；所述金属阳离子包括Na+或K+。
按上述方案，所述纤芯与包层的平均折射率差控制在0.5％～0.6％。
按上述方案，椭圆形纤芯短轴的范围在5.8～6.2μm，长轴的范围在7.3～7.9μm，且纤芯长轴垂直于两个空气孔中心的连线。
按上述方案，空气孔直径根据极化电极直径确定，范围在50～80μm；空气孔距离纤芯距离D1范围为3.7～4.5μm，D2范围为13～15μm。
利用传统的光纤拉制方法，空气孔可能会受到工艺参数、送料速度、牵引速度和加热炉温度等外力原因塌陷，使得双孔光纤不能保持原有结构，而较低的温度又不能使石英棒充分熔融，影响光纤的成型质量，因此在整个工程中需要严格控制各个环节的温度。为了获得要求结构的双孔光纤，拉丝过程中需要对两空气孔加压，通过加压的气压实现，使得纤芯呈现要求的椭圆形。
本发明制得的双孔光纤在热极化过程中，纤芯周围Na+离子在空气孔中钨丝电极产生的强电场作用下，处于激发态并向阴极及光纤外表面移动，于是在阳极表面形成Na+离子耗尽层，同时阳极附近水蒸汽电离出H+离子，由于Na+离子的移动速率大于H+离子，阳极表面的耗尽层逐渐向外扩展，热极化完成后，在光纤纤芯中形成非线性层，对于提高光纤的非线性和光电效应具有很好的效果。
在极化过程中需要在两空气孔中插入电极加高电压极化纤芯，一般而言电压越高越好，也就是电场越强越好，所以两孔距离要控制不能太长，而纤芯击穿电压是有限制的，所以两孔距离又不能太短以防止击穿，同时空气孔的大小受极化电极金属丝决定，较大的空气孔能够容纳更长的用于极化的电极金属丝，使极化更方便，效率提高60％以上，因此以上所述空气孔间距和直径大小是专门设计所得。
实践中，随着空气孔半径的增大，耗尽层在覆盖纤芯后形成的内部电场呈递增趋势。两空气孔距离不同，提高了光纤的双折射效应，达到10-3量级，同时方便控制极化后两个相互垂直的方向的群速度的差。
本发明相对于现有技术的有益效果如下：
本发明制造的光纤在纤芯四周含有较多的金属阳离子，拥有更低的离解能，在热极化过程中使得离子拥有相对较大的迁移率，容易在内部形成新的电荷分布和较强的内建电场。
附图说明
图1：本发明双孔光纤的横截面。
图2：本发明双孔光纤折射率的测试数据。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
将反应物由运载气体(O2、Ar)组成的氧化-惰性气体混合物一起通入反应管，沉积基管采用纯度为99.99％的石英玻璃材料，使其含有较高浓度的Na+。用氢氧焰灯对沉积基管进行加热，使反应物在加热区附近被氧化。通过滚动车床来使沉积基管均匀受热。令SiCl4和反应气体在1200℃的温度下发生反应并沉积在基管中，通过降温将其融合和玻璃化。
此阶段制得的纤芯层还是空心的，需要更高的温度使其熔融为实心，通过燃烧器逐渐产生更高的温度(1800℃-2000℃)，降低玻璃粘性时的表面张力，纤芯层在此温度下逐渐缩小至实心，最终制得在外表面含有较高Na+浓度的纤芯。
制作光纤预制棒时，还要完成部分包层的制造，只有这样才能保证光纤的质量和光学特性优良。因此包层的材料为高纯度的石英玻璃和少量掺杂氟或硼，使得包层折射率低于纤芯，保证光信号在光纤中拥有较好的传输特性。将上述纤芯和石英玻璃包层通过套管法组装，得到了预定要求的光纤预制棒。
利用传统打孔技术对得到的预制棒进行打孔操作，在高纯包层打两个不对称空气孔，令预制件的空气孔直径为15.7mm，同时为了方便极化过程中对不同电极的辨别，使得两个孔距离纤芯的距离分别为0.9mm和3.0mm。
光纤预制棒制作完成后，需要使用光纤拉丝塔将其拉制成光纤，通过高温炉加热，连续从预制棒的颈状区拉制出具有一定直径的光纤。由于重力和表面张力的作用，空气孔近芯表面对纤芯的压力较小，于是纤芯会有微小的形变，呈现椭圆形。在光纤拉伸过程中，当光纤的横纵比和雷诺数乘积εRe小到10-10数量级时，惯性力和重力经常被忽略，所以对空气孔的塌陷影响主要为表面张力的作用。本发明为了增大极化过程中纤芯和内建电场的接触面积，需要的椭圆形纤芯长轴垂直于空气孔连线，与一般实验得到的情况相反。所以我们需要通过控制反应炉的温度和拉丝速率，在空气孔中充入气体来提供压力，保持空气孔的比例不变，同时得到长轴垂直于空气孔中心连线的纤芯，制得一种易于极化的双孔光纤。
本发明所得双孔光纤横截面参见附图1所示，包括高离子浓度纤芯和高纯石英玻璃包层；纤芯周围含有高浓度金属阳离子，且纤芯结构为椭圆形；包层材料为高纯石英玻璃材料，平均折射率小于纤芯平均折射率；包层设置两个空气孔，不对称分布在纤芯两边，距纤芯的距离分别为D1和D2，且D2>D1。
对于制得的双孔光纤折射率的测试数据见附图2所示，中间凸出部分为纤芯的折射率，两边凹陷的部分为空气孔所致，外边凸起为高纯石英玻璃的折射率。
应理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种易于极化的双孔光纤，其特征在于包括高离子浓度纤芯和高纯石英玻璃包层；
所述纤芯周围含有高浓度金属阳离子，且纤芯结构为椭圆形；
所述包层材料为高纯石英玻璃材料，平均折射率小于纤芯平均折射率；
所述包层设置两个空气孔，不对称分布在纤芯两边，距纤芯的距离分别为D1和D2，且D2>D1。
2.如权利要求1所述易于极化的双孔光纤，其特征在于所述纤芯采用管内沉积法制备，基管采用含有高浓度金属阳离子的石英玻璃制成，使得纤芯周围含有高浓度的金属阳离子；所述金属阳离子包括Na+或K+。
3.如权利要求1所述易于极化的双孔光纤，其特征在于所述纤芯与包层的平均折射率差控制在0.5％～0.6％。
4.如权利要求1所述易于极化的双孔光纤，其特征在于椭圆形纤芯短轴的范围在5.8～6.2μm，长轴的范围在7.3～7.9μm，且纤芯长轴垂直于两个空气孔中心的连线。
5.如权利要求1所述易于极化的双孔光纤，其特征在于空气孔直径根据极化电极直径确定，范围在50～80μm；空气孔距离纤芯距离D1范围为3.7～4.5μm，D2范围为13～15μm。
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