CN109912193A - 光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光子晶体光纤及其制备方法,包括光纤本体，所述光纤本体的中心处设有纤芯，所述光纤本体内设有多个连续旋转的空气孔，所述空气孔呈螺旋状且多个空气孔的旋向相同，所述光纤本体沿径向的任意一个横截面上，所述多个空气孔的排布为围绕所述纤芯的六边形对称阵列排布。本发明具有更好的圆双折射效应，具备更好的温度抗干扰能力，能够提供更好的传感效果。
Description
技术领域
本发明涉及传感光纤的技术领域，尤其是指一种应用于全光纤电流传感器的旋转光子晶体光纤及其制备方法。
背景技术
光子晶体光纤（photonic crystal fiber , 简称PCF) 又称为微结构光纤或多孔光纤，在横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级并且贯穿器件的整个长度，光子晶体光纤的功能也与这些气孔的尺寸与排列方式相关。所述光子晶体光纤包层中空气孔的特殊排列结构使其与传统光纤相比，呈现出许多奇异的特性，如无截止的单模传输、高双折射、高非线性、色散可调节及大模面积等独特性质，成为当前研究的一个热点，并被广泛应用于光传感、光通信及非线性光学等领域。
在现有的电流传感中，使用到的传感光纤大多为旋转双折射光纤，通过旋转来减小光纤中的线性双折射，增大内应力和圆双折射。如中国发明专利（CN105541105A）公开了一种高双折射旋转光纤的制备方法和设备，光纤制备方法采用旋转和收丝一体化综合控制，预制棒由送棒装置送至拉丝炉中加热至熔融状态，光纤的牵引由飞叉和收丝鼓的转速差形成，并且飞叉的旋转会造成光纤的扭转，扭转可由下至上传递到熔融区域，进而在光纤内部形成旋转以达到生产旋转光纤的目的。上述适用于高双折射旋转光纤等要求单一方向旋转且对旋转速度要求较高的光纤，但是在实际应用过程中发现，采用上述光纤中残留的线性双折射以及这种结构的不稳定性会对电流测量的结果造成较大的影响。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中传感效果差，且气孔易坍塌和变形的问题，从而提供一种具有较高的圆双折射，并且传感效果好，能避免气孔坍塌和变形的高保圆旋转光子晶体光纤及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种光子晶体光纤，包括光纤本体，所述光纤本体的中心处设有纤芯，所述光纤本体内设有多个连续旋转的空气孔，所述空气孔呈螺旋状且多个空气孔的旋向相同，所述光纤本体沿径向的任意一个横截面上，所述多个空气孔的排布为围绕所述纤芯的六边形对称阵列排布。
在本发明的一个实施例中，所述空气孔的大小相等。
在本发明的一个实施例中，所述光纤本体根据预设重量百分率掺杂一种或多种化学材料组成，且所述化学材料包括二氧化硅和铽。
本发明还提供了一种光子晶体光纤的制备方法，用于制作上述任意一项所述的光子晶体光纤，包括光纤预制棒的制作步骤和光纤预制棒的拉丝步骤，所述光纤预制棒的拉丝步骤包括加热步骤以及旋转拉丝步骤，且在旋转拉丝时，向光纤本体中的空气孔注入惰性气体，通过调整所述惰性气体的压强以及拉制的速度来保持所述空气孔的大小比例。
在本发明的一个实施例中，所述加热步骤为：对所述光纤预制棒的一端进行加热，使其融化。
在本发明的一个实施例中，所述旋转拉丝步骤为：对加热后的光纤预制棒进行拉丝，同时沿光纤本体轴向匀速旋转所述光纤预制棒的棒体。
在本发明的一个实施例中，所述光纤预制棒的制作步骤为：制备毛细管；将所述毛细管堆叠呈为设计尺寸的形状；使用PCVD工艺制作包层。
在本发明的一个实施例中，所述空气孔的直径与所述空气孔间距的比值为0.25-0.9。
在本发明的一个实施例中，所述空气孔的孔间距与工作波长的比值为1.1-2。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的光子晶体光纤及其制备方法，包括光纤本体，所述光纤本体的中心处设有纤芯，所述光纤本体内设有多个连续旋转的空气孔，所述空气孔呈螺旋状且多个空气孔的旋向相同，利用所述空气孔的旋转空间结构为左旋偏振光和右旋偏振光产生不同的传输条件，从而具有更好的圆双折射效应，能够提供更好的传感效果，且所述多个空气孔的排布为围绕所述纤芯的六边形对称阵列排布，有利于避免线性双折射。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明光子晶体光纤的示意图；
图2是本发明光子晶体光纤的截面图；
图3是本发明的不同参数对光纤圆双折射的影响示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1和图2所示，本实施例提供一种光子晶体光纤，包括光纤本体10，所述光纤本体10的中心处设有纤芯11，所述光纤本体10内设有多个连续旋转的空气孔12，所述空气孔12呈螺旋状且多个空气孔12的旋向相同，所述光纤本体10沿径向的任意一个横截面上，所述多个空气孔12的排布为围绕所述纤芯11的六边形对称阵列排布。
本实施例所述用于光子晶体光纤，包括光纤本体10，所述光纤本体10的中心处设有纤芯11，所述光纤本体10内设有多个连续旋转的空气孔12，所述空气孔12呈螺旋状且多个空气孔12的旋向相同，利用所述空气孔12的旋转空间结构为左旋偏振光和右旋偏振光产生不同的传输条件，从而具有更好的圆双折射效应，能够提供更好的传感效果，具体地，圆双折射产生的本质是因为在所述纤芯11中传输的模式有一部分扩散到所述空气孔12之间，这些辐射状的模式在旋转光纤中被旋转，为左旋和右旋圆偏振模式创造了不同的传输条件，从而产生了圆双折射效应，且所述光纤本体10沿径向的任意一个横截面上，所述多个空气孔12的排布为围绕所述纤芯11的六边形对称阵列排布，有利于避免线性双折射。
为了提高全光纤电流传感器系统的温度稳定性，所述光纤本体10根据预设重量百分率掺杂一种或多种化学材料组成，且所述化学材料包括二氧化硅和铽，从而有利于避免不同材料的温度特性不同带来的影响。具体地，所述化学材料还可包括二氧化锗、三价铝离子以及三价铽离子，且所述二氧化硅的重量百分率在90%以上，相对于现有的传感光纤具有更好的温度特性，有利于推动全光纤电流传感器的广泛应用。本实施例中，所述纤芯11不设所述空气孔12。所述纤芯11中传输的模式有一部分扩散到所述空气孔12之间的二氧化硅结构中，这些辐射状的模式在旋转光纤中被旋转，为左旋和右旋圆偏振模式创造了不同的传输条件，从而产生了圆双折射。
所述多个空气孔12的大小相等，且所述多个空气孔12的排布为围绕所述纤芯11的六边形对称阵列排布，所述光纤本体10沿径向的任意一个横截面上的六边形可以为多层，即包括多个中心相同边长不同嵌套在一起的六边形，通过所述六边形对称排布，再通过计算后获得的旋转率对具有该截面的光纤预制棒进行旋转拉制，就可以使获得的光子晶体光纤可最大程度上的保证光纤内呈现圆双折射。
实施例二
本实施例提供一种光子晶体光纤的制备方法，用于制作实施例一所述的光子晶体光纤，包括光纤预制棒的制作步骤和光纤预制棒的拉丝步骤，其中所述光纤预制棒的拉丝步骤包括加热步骤以及旋转拉丝步骤，且在旋转拉丝时，向所述光纤本体10中的空气孔12注入惰性气体，通过调整所述惰性气体的压强以及拉制的速度来保持所述空气孔12的大小比例。
本实施例提供一种光子晶体光纤的制备方法，用于制作实施例一所述的光子晶体光纤，包括光纤预制棒的制作步骤和光纤预制棒的拉丝步骤，从而保证光纤的顺利制作，其中所述光纤预制棒的拉丝步骤包括加热步骤以及旋转拉丝步骤，且在旋转拉丝时，向所述光纤本体10中的空气孔12注入惰性气体，通过调整所述惰性气体的压强以及拉制的速度来保持所述空气孔12的大小比例，从而可以避免所述空气孔12的塌缩和变形，使形成的光纤不易发生形变，具有很高的圆双折射，并且有利于避免线性双折射。
所述加热步骤为：对所述光纤预制棒的一端进行加热，使其融化。具体地，采用电加热的方式对所述光纤预制棒的头部进行加热，且加热至熔融状态形成光纤，从而有利于实现拉丝。
所述旋转拉丝步骤为：对加热后的光纤预制棒进行拉丝，同时沿光纤本体轴向匀速旋转所述光纤预制棒的棒体，从而有利于很好的实现拉丝。所述光纤预制棒的制作步骤为：制备毛细管；将所述毛细管堆叠呈为设计尺寸的形状；使用PCVD工艺制作包层。其中所述制作包层是指采用PCVD的一种沉积方法制造所述光纤预制棒。
本实施例中，将所述光纤预制棒在预设的拉力及温度条件下，根据旋转率进行拉制，就可以获得对应所需的工作波长的光子晶体光纤。由于不同参数对光纤圆双折射的影响不同，因此需要找到合适的参数，以获得最优的圆双折射。具体地，若所述空气孔12直径为d、孔间距为∧、工作波长为λ以及旋转率为α。为了使所述光子晶体光纤得到更好的圆双折射，需要对d/∧和∧/λ两个参数进行优化。其中，所述空气孔12的直径与所述空气孔12间距的比值为0.25-0.9时，可以得到较好的圆双折射。若圆双折射的参数为BC，当d/∧=0.37，∧/λ=1.5时，BC/α可以取到最大值。而当所述空气孔12的直径与所述空气孔12间距的比值为0.6时，旋转光子晶体光纤在宽波长范围内提供相对恒定的BC/α值，圆双折射最好。在这种条件下，所述空气孔12的孔间距与工作波长的比值为1.1-2时，都有相对恒定的BC/α值，此时根据波长选取合适的结构就能获得性能较好但较低的圆双折射。当所述空气孔12的孔间距与工作波长的比值为1.5时，圆双折射最好。
如图3所示，以所述空气孔间距∧与工作波长λ的比值为横坐标、以圆双折射参数BC与旋转率α的比值为纵坐标，展示多条拟合曲线，所述多条拟合曲线的每一条对应一个空气孔直径d与空气孔间距∧的比值。若选择所述多条拟合曲线中平均斜率最小的曲线，获得该曲线对应的空气孔直径d与空气孔间距∧的比值，而根据该曲线趋于平稳段对应的拟合函数就获得各个参数。其中选择多条拟合曲线中平均斜率最小的曲线，其目的是选择一条最平稳的曲线，该曲线具有较长的平稳段，所述平稳段至随着横坐标变化纵坐标几乎是不变的一端曲线区间。具体地，对d/∧=0.6的这条曲线，其在横坐标∧/λ是1.3-1.8间具有较长的平稳段，该区间下BC/α的值几乎不变；所述旋转光子晶体光纤在宽波长范围内均可获得相对恒定的BC/α；通过光纤材料的属性以及预期的圆双折射参数，获得旋转率α；通过d/∧=0.6以及∧/λ获得光纤截面参数，其中所述光纤截面参数包括光纤截面上空气孔的直径以及空气孔间距；旋转所述多条拟合曲线中平均斜率最小的曲线进行参数确认可获得适用较宽波长范围的光纤参数，对应的光纤不仅适合前述固定工作波长，还适合在其前后一点范围内工作波长。相较于上述曲线的选择，为了获得更好的圆双折射参数，若选择所述多条拟合曲线中峰值最大的曲线，就可以获得该曲线对应的空气孔直径d与空气孔间距∧的比值，而根据该曲线最大峰值点，就获得所述截面参数以及旋转率。具体地，对d/∧=0.37这条曲线，其具有最高的峰值，取该峰值对应的点获得BC/α的值以及∧/λ的值，根据已知的工作波长λ值，进而获得各个参数。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种光子晶体光纤，包括光纤本体，所述光纤本体的中心处设有纤芯，其特征在于：所述光纤本体内设有多个连续旋转的空气孔，所述空气孔呈螺旋状且多个空气孔的旋向相同，所述光纤本体沿径向的任意一个横截面上，所述多个空气孔的排布为围绕所述纤芯的六边形对称阵列排布。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于：所述空气孔的大小相等。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤本体根据预设重量百分率掺杂一种或多种化学材料组成，且所述化学材料包括二氧化硅和铽。
4.一种光子晶体光纤的制备方法，用于制作权利要求1-3中任意一项所述的光子晶体光纤，包括光纤预制棒的制作步骤和光纤预制棒的拉丝步骤，其特征在于：所述光纤预制棒的拉丝步骤包括加热步骤以及旋转拉丝步骤，且在旋转拉丝时，向光纤本体中的空气孔注入惰性气体，通过调整所述惰性气体的压强以及拉制的速度来保持所述空气孔的大小比例。
5.根据权利要求4所述的光子晶体光纤的制备方法，其特征在于：所述加热步骤为：对所述光纤预制棒的一端进行加热，使其融化。
6.根据权利要求4所述的光子晶体光纤的制备方法，其特征在于：所述旋转拉丝步骤为：对加热后的光纤预制棒进行拉丝，同时沿光纤本体轴向匀速旋转所述光纤预制棒的棒体。
7.根据权利要求4所述的光子晶体光纤的制备方法，其特征在于：所述光纤预制棒的制作步骤为：制备毛细管；将所述毛细管堆叠呈为设计尺寸的形状；使用PCVD工艺制作包层。
8.根据权利要求4所述的光子晶体光纤的制备方法，其特征在于：所述空气孔的直径与所述空气孔间距的比值为0.25-0.9。
9.根据权利要求4所述的光子晶体光纤的制备方法，其特征在于：所述空气孔的孔间距与工作波长的比值为1.1-2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190621 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |