CN110194587A - 一种光子晶体光纤、其预制棒、制备方法及应用 - Google Patents

一种光子晶体光纤、其预制棒、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤、其预制棒、制备方法及应用。所述预制棒包括用于形成纤芯的玻璃丝、用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝、内包层玻璃套管以及外包层玻璃套管；其中：所述用于形成纤芯的玻璃丝相对折射率差Δ1在0.08％～0.09％，直径在1～4mm；用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝，外径与所述用于形成纤芯的玻璃丝相同，包括包层、以及相对折射率差Δ2在‑0.14％～‑0.82％的芯层，所述包层材料与所述内包层套管材料相同；所述内包层玻璃套管，厚度在2mm至20mm之间，相对折射率差Δ3在0.08％～0.1％；所述外包层玻璃套管，厚度在30mm至90mm之间，等效折射率在1.22～1.25。本发明光纤对泵浦光具备较高的吸收并且转化为所需波段的信号光，同时获得极大的模场面积，并且具备优良的光束质量。

Description

一种光子晶体光纤、其预制棒、制备方法及应用
技术领域
本发明属于光学与激光光电子领域，更具体地，涉及一种光子晶体光纤、其预制棒及制备方法。
背景技术
随着近年来光纤激光器的迅猛发展，如何提高激光输出功率是研究的热点之一，非线性效应和热损伤是光功率进一步实现突破的瓶颈；解决这两个问题的关键途径之一就是增大光纤的纤芯直径，但是在不牺牲包层吸收系数和转换效率的同时，这往往会使得光束质量大幅度劣化，于是掺镱光子晶体光纤应运而生，传统意义上的光子晶体光纤包层多为周期性排布的空气孔组成。
然而这些周期性排布的空气孔，或导致两方面的问题：第一、包层折射率降低，存在纤芯和包层的折射率差过大的弊端；第二、形成空气孔的毛细管在拉丝时，容易塌陷，导致成品率第，且光束输出质量不良。同时空气的导热性能一般，在高功率的应用场景，热管理难度较大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光子晶体光纤、其预制棒、制备方法及应用，其目的在于通过固态的低折射率周期性单元代替空气孔，形成高质量、折射率差可调、高成品率的光子晶体光纤，其高功率、单腔低损耗、高光束质量能量传输，由此解决现有技术质量控制困难，纤芯和包层的折射率差过大、在高功率下热管理难度大的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光子晶体光纤预制棒，包括用于形成纤芯的玻璃丝、用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝、内包层玻璃套管以及外包层玻璃套管；其中：
所述用于形成纤芯的玻璃丝相对折射率差Δ1在0.08％～0.09％，直径在1～4mm；
用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝，外径与所述用于形成纤芯的玻璃丝相同，包括包层、以及相对折射率差Δ2在-0.14％～-0.82％的芯层，所述包层材料与所述内包层套管材料相同；所述掺氟单元的占空比f在0.085～0.09，所述掺氟单元的占空比按照如下方法计算：
其中，dF表示用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝的包层内径，d1表示用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝的外径；
所述内包层玻璃套管，厚度在2mm至20mm之间，相对折射率差Δ3在0.08％～0.1％，其内径与内包层掺氟单元玻璃丝的外径和层数有如下关系：
D内1＝2n1+d1 n1≥4且1mm≤d1≤4mm
其中，D内1代表所述内包层玻璃套管的内径，n1代表所述内包层掺氟单元玻璃丝的层数，d1表示用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝的外径；
所述外包层玻璃套管，厚度在30mm至90mm之间，等效折射率在1.22～1.25。
所述内包层玻璃套管、外包层玻璃套管同心嵌套，所述用于形成纤芯的玻璃丝处于内包层玻璃套管中心，所述用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝处于所述用于形成纤芯的玻璃丝与所述内包层套管之间。
优选地，所述光子晶体光纤预制棒，其所述内包层玻璃套管，内径在22～37.5mm，外径在45～50mm；优选地，所述外包层玻璃套管，内径在50～60mm，外径在80～150mm。
优选地，所述光子晶体光纤预制棒，其所述用于形成纤芯的玻璃丝与所述用于形成掺氟单元的玻璃丝数量之比在0.5～3:12之间，优选1:12、7:120、7:162、19:84、19:120、或19:162。
优选地，所述光子晶体光纤预制棒，其所述外包层玻璃套管内壁具有低折射率层，所述低折射率层为紧密排布的毛细玻璃管或低折射率玻璃材料层；所述毛细玻璃管内径在2～4um，外径在2.5～5mm，其两端封口；所述地折射率玻璃材料层，外径在80～150mm，折射率在1.22～1.25。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其包括以下步骤：
(1)使用模具将预定根数的用于形成掺氟单元的玻璃丝和用于形成纤芯的玻璃丝按正六边形堆积并困扎成玻璃丝束，使得所述用于形成纤芯的玻璃丝处于中心；
(2)将步骤(1)中获得的玻璃丝束与内套管、外套管同心嵌套。
优选地，所述用于形成纤芯的玻璃丝，按照如下方法制备：
在衬管内沉积掺稀土芯层，使得芯层相对折射率差△1在0.08％～0.1％之间，去除衬管并拉丝制得所述用于形成纤芯的玻璃丝；
所述用于形成掺氟单元的玻璃丝，按照如下方法制备：
在衬管内沉积内包层材料至预设厚度，然后沉积掺氟玻璃层，使得掺氟玻璃层相对折射率差△2在-0.14％～-0.82％，去除衬管并拉丝制得所述用于形成掺氟单元的玻璃丝；
优选地，所述光子晶体光纤预制棒的制备方法，其当所述外包层玻璃管套内壁具有紧密排布的毛细玻璃管时，所述毛细玻璃管按照如下方法制备：
将纯硅套管等比例拉成预设外径的毛细管，用火焰将所述毛细管两端封口；
当所述外包层玻璃管套内壁具有低折射率玻璃材料层时，所述外包层按照如下方法制备：
在衬管内沉积掺氟层，沉积完成后和纯硅套管进行融缩，即制得所述外套管。
按照本发明的另一个方面，提供了一种光子晶体光纤，包括纤芯、内包层和外包层；其中：
所述纤芯为相对折射率差Δ1在0.08％～0.1％，直径40～50um；
所述内包层直径在200～400um，包括背景材料和周期性排布在背景材料中的掺氟单元，所述背景材料为折射率Δ3在0.08％～0.1％，所述掺氟单元为相对折射率差Δ2在-0.14％～-0.82％的玻璃材料；
所述外包层等效折射率在1.22～1.25，直径在800um～1000um。
优选地，所述的光子晶体光纤，其所述掺氟单元，其分布在所述内包层靠近纤芯厚度在内包层厚度的1/5至1/2的区域内，其直径在1～1.4um，所述掺氟单元中心之间的距离在11.5～16um。
优选地，所述光子晶体光纤，其所述纤芯为镱、铝、磷共掺的二氧化硅；
优选地，所述外包层包括低折射率层，其折射率在1.22～1.25，直径在800～1000um，为周期性排布的空气孔或低折射率玻璃材料。
按照本发明的另一个方面，提供了所述光子晶体光纤的应用，其特征在于，作为增益介质。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明通过调节纤芯的折射率、内包层掺氟单元的折射率、掺氟单元的几何尺寸一斤空气包层的几何尺寸，可以使得光纤对泵浦光具备较高的吸收并且转化为所需波段的信号光，同时获得极大的模场面积，并且具备优良的光束质量。
附图说明
图1是本发明实施例1的双包层掺镱光子晶体光纤预制棒示意图；
图2是本发明实施例1的双包层掺镱光子晶体光纤的截面示意图；
图3是本发明实施例1的掺镱双包层光子晶体光纤的单模工作范围曲线图；
图4是本发明实施例2的双包层掺镱光子晶体光纤预制棒示意图；
图5是本发明实施例2的双包层掺镱光子晶体光纤的截面示意图；
图6是本发明实施例2的掺镱双包层光子晶体光纤的单模工作范围曲线图；
图7是用于本发明实施例1和实施例2的全固态双包层掺镱光子晶体光纤的测试平台示意图；
图8是本发明实施例1和实施例2的双包层掺镱光子晶体光纤的输出光斑图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为光子晶体光纤预制棒用于形成纤芯的玻璃丝，2为用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝，3为内包层玻璃套管，4为毛细玻璃管，5为外包层玻璃套管；21为光纤纤芯，22为掺氟单元，23为背景材料，24为外包层空气孔，25为外包层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种光子晶体光纤预制棒，包括用于形成纤芯的玻璃丝、用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝、内包层玻璃套管以及外包层玻璃套管；其中：
所述用于形成纤芯的玻璃丝相对折射率差Δ1在0.08％～0.1％，直径在1～4mm，优选2～2.5mm；其形成的纤芯，直径在3～6.5mm。
用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝，外径与所述用于形成纤芯的玻璃丝相同，包括包层、以及相对折射率差Δ2在-0.14％～-0.82％的芯层，所述包层材料与所述内包层套管材料相同，为背景材料，包层外径1～4mm；优选地，所述掺氟单元的占空比f在0.085～0.09，所述掺氟单元的占空比按照如下方法计算：
其中，dF表示用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝的包层内径，d1表示用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝的外径。其形成的内包层部分直径在45～50mm之间。
所述内包层玻璃套管，厚度在2mm至20mm之间，其内径与内包层掺氟单元玻璃丝的外径和层数有如下关系：
D内1＝2n1+d1 n1≥4,1mm≤d1≤4mm
其中，D内1代表所述内包层玻璃套管的内径，n1代表所述内包层掺氟单元玻璃丝的层数，d1代表所述内包层掺氟单元玻璃丝的外径；
所述内包层玻璃套管，其外径与光纤内包层直径、光纤的纤芯直径、用于形成纤芯的掺镱玻璃丝层数、用于形成内包层低折射率掺氟单元的外径有如下关系：
其中，D外1代表所述内包层玻璃套管的外径，D6代表所述光纤内包层直径，D4代表所述光纤的纤芯直径，n2代表用于形成纤芯的掺镱玻璃丝层数；
用于形成所述内包层的背景材料的相对折射率差Δ3在0.08％～0.1％，优选为掺Ge二氧化硅；
所述外包层玻璃套管，厚度在30mm至90mm之间；其外径与光纤外径、光纤的纤芯直径、用于形成纤芯的掺镱玻璃丝层数、用于形成内包层低折射率掺氟单元的外径有如下关系：
其中，D5代表所述光纤的外径；
所述外包层玻璃套管内壁具有低折射率层，所述低折射率层为紧密排布的毛细玻璃管或低折射率玻璃材料层。其内径与形成所述内包层的玻璃套管的外径有如下关系：
D内2＝D外1+2d2
其中，d2代表用于形成外包层低折射率的厚度。
当所述低折射率层为紧密排布的毛细玻璃管时，所述外包层玻璃套管内径50～60mm，外径为80～150mm；所述毛细管的外径为2.5mm～5mm，内径为2mm～4mm，其两端封口。
当所述低折射率层为低折射率玻璃材料层时，所述外包层玻璃套管内径50～60mm，外径80～150mm，低折射率玻璃材料层，外径在60～100mm，等效折射率在1.22～1.25。
所述内包层玻璃套管、外包层玻璃套管同心嵌套，所述用于形成纤芯的玻璃丝处于内包层玻璃套管中心，所述用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝处于所述用于形成纤芯的玻璃丝与所述内包层套管之间。所述用于形成纤芯的玻璃丝与所述用于形成掺氟单元的玻璃丝数量之比在0.5～3:12之间，优选1:12、7:120、7:162、19:84、19:120、或19:162。
本发明提供的光子晶体预制棒，通过拉丝工艺即可制得本发明提供的光子晶体光纤。
本发明提供的光子晶体光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用模具将预定根数的用于形成掺氟单元的玻璃丝和用于形成纤芯的玻璃丝按正六边形堆积并困扎成玻璃丝束，使得所述用于形成纤芯的玻璃丝处于中心；
所述用于形成纤芯的玻璃丝，按照如下方法制备：
在衬管内沉积掺稀土芯层，使得芯层相对折射率差△1在0.08％～0.1％之间，去除衬管并拉丝制得所述用于形成纤芯的玻璃丝；优选采用MCVD的CDS(稀土螯合物气相沉积方法)工艺在纯硅衬管内沉积掺镱纤芯沉积。
所述用于形成掺氟单元的玻璃丝，按照如下方法制备：
在衬管内沉积内包层材料至预设厚度，优选内包层材料为掺锗玻璃，然后沉积掺氟玻璃层，使得掺氟玻璃层相对折射率差△2在-0.14％～-0.82％，去除衬管并拉丝制得所述用于形成掺氟单元的玻璃丝；优选采用PCVD工艺在纯硅衬管内沉积掺锗内包层材料和掺氟玻璃层。
(2)将步骤(1)中获得的玻璃丝束与内套管、外套管同心嵌套。
当所述外包层玻璃管套内壁具有紧密排布的毛细玻璃管时，所述毛细玻璃管按照如下方法制备：
将纯硅套管等比例拉成预设外径的毛细管，用火焰将所述毛细管两端封口；
当所述外包层玻璃管套内壁具有低折射率玻璃材料层时，所述外套管按照如下方法制备：
在衬管内沉积掺氟层，沉积完成后和纯硅套管进行融缩，即制得所述外套管。
本发明提供的光子晶体光纤，包括纤芯、内包层和外包层；其中：
所述纤芯为相对折射率差Δ1在0.08％～0.1％，直径40um～50um；优选所述纤芯为镱、铝、和/或磷掺杂的二氧化硅。
所述纤芯为相对折射率差Δ1按照如下方法计算：
其中ncore为纤芯折射率，nSi为纯硅折射率。
所述内包层直径在200um～400um，包括背景材料和周期性排布在背景材料中的掺氟单元，在所述内包层靠近纤芯厚度在内包层厚度的1/5至1/2的区域内分布有掺氟单元，所述背景材料为折射率差Δ3在0.08％～0.1％，所述掺氟单元为相对折射率差Δ2在-0.14％～-0.82％的玻璃材料。
所述掺氟单元相对折射率差Δ2按照如下方法计算：
其中，nF为掺氟单元的折射率，nSi为纯硅折射率。
所述背景材料折射率差Δ3按照如下方法计算：
其中nGe为背景材料折射率，nSi为纯硅折射率。
所述掺氟单元，分布在所述内包层80um～115um区域内，直径在1.2um～1.5um，数量在7至19之间，所述掺氟单元中心之间的距离在12～18um。
所述外包层等效折射率在1.22～1.25，直径在800um～1000um。所述外包层包括低折射率层，折射率在1.22～1.25，直径在800～1000um，为周期性排布的空气孔或低折射率玻璃材料。
其纤芯直径为40～50um，外径为800um～1mm。
本发明提供的光子晶体光纤，其纤芯超大的模场面积可以使得光纤可以承受高功率激光，其包层波导结构可以使得光纤在大模场面积前提下支持单模传输，光束质量高。其超大的内包层数值孔径可以使得光纤吸收更高功率的泵浦光，因而适用于高功率光纤激光领域。本发明提供的光子晶体光纤，其内包层的周期性单元为全固态，相对于现有的空气孔技术，光纤成品率高，降低生产成本。总体而言，本发明提供的光子晶体光纤适合高功率、单腔低损耗、高光束质量能量传输，适合作为增益介质。
以下为实施例：
实施例1
一种光子晶体光纤预制棒，如图1所示，包括用于形成纤芯的玻璃丝1，内包层掺氟玻璃丝2，内套管3，外包层毛细管4，外套管5；其中纤芯由7根掺镱玻璃丝按正六边形堆积而成，其相对折射率差Δ1＝0.085％，外径为2mm；内包层由84根掺氟玻璃丝按正六边形堆积4层构成，掺氟玻璃丝的掺氟区域的相对折射率差Δ2为-0.55％，掺氟玻璃丝的背景材料为掺锗的二氧化硅，其相对折射率差Δ3为0.08％，外径为2mm，掺氟的纤芯区域占空比f为0.0875；内套管为掺锗的二氧化硅，其相对折射率Δ4＝Δ3＝0.08％，内径为22mm,外径为45mm；外包层的毛细管为未掺杂的二氧化硅玻璃，内径为4mm，外径为5mm，将30根所述的毛细管环绕内套管紧密排列，已构成空气包层；外套管为未掺杂的二氧化硅玻璃，内径为55mm，外径为100mm。
所述光纤预制棒按照如下方法制备：
①制备掺氟玻璃丝：利用PCVD工艺在纯硅衬管内沉积掺锗包层和掺氟纤芯，沉积完成后，将实心玻璃棒的外层纯硅完全腐蚀，之后将玻璃棒拉制成特定尺寸的玻璃丝；其中，掺锗包层的Ge掺杂摩尔浓度为0.8％～1％，掺氟纤芯的F掺杂摩尔浓度为0.4％～2.5
②制备掺镱玻璃丝：利用基于MCVD的CDS(稀土螯合物气相沉积方法)工艺在纯硅衬管内沉积掺镱纤芯，沉积完成后，通过打磨及腐蚀工艺将实心棒的外层纯硅完全去除；其中，掺镱纤芯的Yb掺杂摩尔浓度为0.15％～0.2％
③制备内套管：利用PCVD工艺在纯硅衬管内沉积一定厚度的掺锗包层，沉积完成后通过打磨及腐蚀工艺将套管的外层纯硅完全去除，将所述套管的一头拉锥；
④制备毛细管：将纯硅套管等比例拉制成一定外径的毛细管，用火焰将毛细管的两头封口；
⑤制备外套管：准备一根纯硅套管，其中一头拉锥，清洗干燥；
⑤组装预制棒：将91根所述掺氟玻璃丝清洗干燥之后在六边形套筒模具中按正六边形堆积，堆积完成后将中心的7根掺氟玻璃丝替换成所述的掺镱玻璃丝，然后用镍丝和石棉布将所述的玻璃丝束捆扎，固定之后将六边形套筒模具移除，将所述玻璃丝束放入所述的内套管中，然后将所述的内套管放入所述的外套管中，所述内套管与外套管的间隙填满所述的毛细管
将图1所示的预制棒放入拉丝炉中拉制成外径为800um的全固态光子晶体光纤。
制得的镱光子晶体光纤，截面如图2所示，包括纤芯21，内包层掺氟单元22和掺锗背景材料23，外包层空气孔24和二氧化硅材料25；其中纤芯直径为50um，内包层直径为360um，外包层直径为800um，纤芯NA为0.06，包层掺氟区域直径为1.4um，相邻两个掺氟单元的中心间距为16um，空气孔的径向宽度为10um，相邻两个空气孔之间的壁厚为0.5um，空气包层的NA为0.85，光纤在1064nm处的模场直径为61um，单模工作范围大于820um，如图3所示。
用中心波长为915nm的半导体激光器作为泵浦源，将本发明提供的全固态掺镱光子晶体光纤作为增益介质，搭建测试平台，如图7所示，测得信号光转换效率为73％，光纤在915nm处的包层吸收系数为3.2dB/m。
用1064nm的单模激光器作为信号光源，测试本发明提供的全固态双包层掺镱光子晶体光纤的光束质量，得到其光束质量因子M2因子为1.1，输出光斑和测试M2拟合双曲线如图5所示。
实施例2
一种光子晶体光纤预制棒，如图1所示，包括纤芯1，内包层掺氟玻璃丝2，内套管3，外包层毛细管4，外套管5；其中纤芯由7根掺镱玻璃丝按正六边形堆积而成，其相对折射率差Δ1＝0.085％，外径为2mm；内包层由84根掺氟玻璃丝按正六边形堆积4层构成，掺氟玻璃丝的掺氟区域的相对折射率差Δ2为-0.55％，掺氟玻璃丝的背景材料为掺锗的二氧化硅，其相对折射率差Δ3为0.08％，外径为2mm，掺氟的纤芯区域占空比f为0.0875；内套管为掺锗的二氧化硅，其相对折射率Δ4＝Δ3＝0.08％，内径为22mm,外径为45mm；外包层背景材料为低折射率的玻璃，其内径为45mm，其外径为100mm。
所述光纤预制棒按照如下方法制备：
①制备掺氟玻璃丝：利用PCVD工艺在纯硅衬管内沉积掺锗包层和掺氟纤芯，沉积完成后，将实心玻璃棒的外层纯硅完全腐蚀，之后将玻璃棒拉制成特定尺寸的玻璃丝；其中，掺锗包层的Ge掺杂摩尔浓度为0.8％～1％，掺氟纤芯的F掺杂摩尔浓度为0.4％～2.5％。
②制备掺镱玻璃丝：利用基于MCVD的CDS(稀土螯合物气相沉积方法)工艺在纯硅衬管内沉积掺镱纤芯，沉积完成后，通过打磨及腐蚀工艺将实心棒的外层纯硅完全去除；其中，掺镱纤芯的Yb掺杂摩尔浓度为0.15％～0.2％。
③制备内套管：利用PCVD工艺在纯硅衬管内沉积一定厚度的掺锗包层，沉积完成后通过打磨及腐蚀工艺将套管的外层纯硅完全去除，将所述套管的一头拉锥；
④制备外套管：准备一根纯硅套管，利用PCVD工艺在纯硅衬管内沉积一定厚度的低折射率层，沉积完成后通过打磨及腐蚀工艺将套管的外层纯硅完全去除并进行火抛光，将所述套管的一头拉锥；
⑤组装预制棒：将169根所述掺氟玻璃丝清洗干燥之后在六边形套筒模具中按正六边形堆积，堆积完成后将中心的7根掺氟玻璃丝替换成所述的掺镱玻璃丝，然后用镍丝和石棉布将所述的玻璃丝束捆扎，固定之后将六边形套筒模具移除，将所述玻璃丝束放入所述的内套管中，然后将所述的内套管放入所述的外套管中。
将图1所示的预制棒放入拉丝炉中拉制成外径为1000um的全固态光子晶体光纤。
制得的掺镱光子晶体光纤，截面如图4所示，包括纤芯21，内包层掺氟单元22和掺锗背景材料23，外包层空气孔24和背景二氧化硅材料25；其中纤芯直径为60um，内包层直径为450um，外包层直径为1000um，纤芯NA为0.06，包层掺氟区域直径为1.75um，相邻两个掺氟单元的中心间距为20um，外包层的NA为0.23，光纤在1064nm处的模场直径为54um，单模工作范围大于1050um，如图5所示。
用中心波长为915nm的半导体激光器作为泵浦源，将本发明提供的全固态掺镱光子晶体光纤作为增益介质，搭建测试平台，如图7所示，测得信号光转换效率为73％，光纤在915nm处的包层吸收系数为3dB/m。
用1064nm的单模激光器作为信号光源，测试本发明提供的全固态双包层掺镱光子晶体光纤的光束质量，得到其光束质量因子M2因子为1.2，输出光斑和测试M2拟合双曲线如图8所示。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光子晶体光纤预制棒，其特征在于，包括用于形成纤芯的玻璃丝、用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝、内包层玻璃套管以及外包层玻璃套管；其中：
所述用于形成纤芯的玻璃丝相对折射率差Δ1在0.08％～0.09％，直径在1～4mm；
用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝，外径与所述用于形成纤芯的玻璃丝相同，包括包层、以及相对折射率差Δ2在-0.14％～-0.82％的芯层，所述包层材料与所述内包层套管材料相同；所述掺氟单元的占空比f在0.085～0.09，所述掺氟单元的占空比按照如下方法计算：
其中，dF表示用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝的包层内径，d1表示用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝的外径；
所述内包层玻璃套管，厚度在2mm至20mm之间，相对折射率差Δ3在0.08％～0.1％，其内径与内包层掺氟单元玻璃丝的外径和层数有如下关系：
D内1＝2n1+d1n1≥4且1mm≤d1≤4mm
其中，D内1代表所述内包层玻璃套管的内径，n1代表所述内包层掺氟单元玻璃丝的层数，d1表示用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝的外径；
所述外包层玻璃套管，厚度在30mm至90mm之间，等效折射率在1.22～1.25；
所述内包层玻璃套管、外包层玻璃套管同心嵌套，所述用于形成纤芯的玻璃丝处于内包层玻璃套管中心，所述用于形成内包层掺氟单元的玻璃丝处于所述用于形成纤芯的玻璃丝与所述内包层套管之间。
2.如权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒，其特征在于，所述内包层玻璃套管，内径在22～37.5mm，外径在45～50mm；优选地，所述外包层玻璃套管，内径在50～60mm，外径在80～150mm。
3.如权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒，其特征在于，所述用于形成纤芯的玻璃丝与所述用于形成掺氟单元的玻璃丝数量之比在0.5～3:12之间，优选1:12、7:120、7:162、19:84、19:120、或19:162。
4.如权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒，其特征在于，所述外包层玻璃套管内壁具有低折射率层，所述低折射率层为紧密排布的毛细玻璃管或低折射率玻璃材料层；所述毛细玻璃管内径在2～4um，外径在2.5～5mm，其两端封口；所述地折射率玻璃材料层，外径在80～150mm，折射率在1.22～1.25。
5.如权利要求1至4任意一项所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用模具将预定根数的用于形成掺氟单元的玻璃丝和用于形成纤芯的玻璃丝按正六边形堆积并困扎成玻璃丝束，使得所述用于形成纤芯的玻璃丝处于中心；
(2)将步骤(1)中获得的玻璃丝束与内套管、外套管同心嵌套。
优选地，所述用于形成纤芯的玻璃丝，按照如下方法制备：
在衬管内沉积掺稀土芯层，使得芯层相对折射率差△1在0.08％～0.1％之间，去除衬管并拉丝制得所述用于形成纤芯的玻璃丝；
所述用于形成掺氟单元的玻璃丝，按照如下方法制备：
在衬管内沉积内包层材料至预设厚度，然后沉积掺氟玻璃层，使得掺氟玻璃层相对折射率差△2在-0.14％～-0.82％，去除衬管并拉丝制得所述用于形成掺氟单元的玻璃丝。
6.如权利要求5所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于，当所述外包层玻璃管套内壁具有紧密排布的毛细玻璃管时，所述毛细玻璃管按照如下方法制备：
将纯硅套管等比例拉成预设外径的毛细管，用火焰将所述毛细管两端封口；
当所述外包层玻璃管套内壁具有低折射率玻璃材料层时，所述外包层按照如下方法制备：
在衬管内沉积掺氟层，沉积完成后和纯硅套管进行融缩，即制得所述外套管。
7.一种光子晶体光纤，其特征在于，包括纤芯、内包层和外包层；其中：
所述纤芯为相对折射率差Δ1在0.08％～0.1％，直径40～50um；
所述内包层直径在200～400um，包括背景材料和周期性排布在背景材料中的掺氟单元，所述背景材料为折射率Δ3在0.08％～0.1％，所述掺氟单元为相对折射率差Δ2在-0.14％～-0.82％的玻璃材料；
所述外包层等效折射率在1.22～1.25，直径在800um～1000um。
8.如权利要求7所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述掺氟单元，其分布在所述内包层靠近纤芯厚度在内包层厚度的1/5至1/2的区域内，其直径在1～1.4um，所述掺氟单元中心之间的距离在11.5～16um。
9.如权利要求7所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述纤芯为镱、铝、磷共掺的二氧化硅；
优选地，所述外包层包括低折射率层，其折射率在1.22～1.25，直径在800～1000um，为周期性排布的空气孔或低折射率玻璃材料。
10.一种如权利要求7至9任意一项的光子晶体光纤的应用，其特征在于，作为增益介质。
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