CN111977959B - 用气压控制气孔尺寸的v型高双折射微结构光纤及其制法 - Google Patents

用气压控制气孔尺寸的v型高双折射微结构光纤及其制法 Download PDF

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Abstract

一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤及其制法，属于特种光纤制备领域。采用阶梯型堆积捆绑法，将厚壁毛细管、薄壁毛细管和毛细棒，排布成六边形结构；纤芯选用毛细棒，将包层内的毛细管区域分为两个菱形区域和两个梯形区域，其中，两个梯形区域以纤芯中心镜像对称，菱形区域的毛细管为薄壁毛细管或厚壁毛细管，梯形区域的毛细管为厚壁毛细管或薄壁毛细管，菱形区域的毛细管和梯形区域的毛细管设置不同；将预制棒进行第一道拉制得到细预制棒，再进行第二道拉制，调控气压阈值，形成V型高双折射微结构光纤。该方法采用不同壁厚的毛细管排布预制棒，在气压作用下产生不同尺寸大小的气孔，使其呈现V型结构，从而具备高双折射特性。

Description

用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤及其制法
技术领域
本发明属于特种光纤制备领域，具体涉及一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤及其制法。
背景技术
微结构光纤又称为多孔光纤或光子晶体光纤，主要由纤芯和包层构成。典型微结构光纤的背景材料是石英玻璃，其包层由周期性排列的气孔组成。从导光机理上通常将微结构光纤分为折射率引导型和光子带隙型两种。折射率引导型依赖于全内反射效应进行导光，在包层中引入气孔，使包层折射率小于纤芯折射率。虽然折射率引导型光纤与传统光纤具有相同的导光机理，但由于其具有可灵活变换内部结构的特性，所以它具有传统光纤所不具备的许多优异特性，比如说色散补偿功能或保偏性能等。光子带隙型光纤依据于光子带隙效应进行导光，包层也是由贯穿整个光纤长度周期性排列的圆柱形气孔组成，但气孔需要精确的排布，使得频率处在带隙内的入射光被限制在纤芯内部进行传光。
近几十年来，微结构光纤无论在理论上还是在实际制备上都取得了突破性进展，而且光纤制备技术已经开始从少数发达国家逐步向全世界发展。我国虽然在这个新兴领域起步比较晚，但通过专家学者的努力，无论是在微结构光纤理论上还是在制备上都取得了许多骄人成绩。2007年周桂耀等人对微结构光纤不同位置空气孔在拉丝过程中的形变量进行了分析，认为在拉制光纤过程中预制棒并非等比例缩小，空气孔的形变量随温度升高而变化加大。2009年郭铁英等人分析了在拉制光子晶体光纤预制棒毛细管过程中拉制参数对毛细管的影响，并进行了实验验证。2016年汪莹莹等人报道了一种传输衰减约为100dB/km的高性能无节点空芯反谐振光纤，通过理论和实验研究了该光纤的弯曲损耗特性。
虽然国内在特种光纤研究领域有了很大进步，但与国外一些发达国家相比还是有一些差距，许多复杂光纤结构的制备还有一些困难，比如说为了得到具有高双折射的微结构光纤，往往只能通过改变包层气孔结构来得到，而且制备出来光纤的外径尺寸和纤芯尺寸都比较大，不能满足标准光纤的要求，而能够同时改变纤芯形状和包层气孔结构并符合要求尺寸的微结构光纤寥寥无几，本发明通过深入研究微结构光纤的制备技术，提升了光纤拉丝工艺技能，公开了一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤及其制法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有制备具有特殊气孔和特殊纤芯形状微结构光纤技术的不足，提出了一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤及其制法，该用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤是利用气压控制产生不同尺寸气孔形成的V型高双折射微结构光纤，该光纤的制备方法采用不同壁厚的毛细管排布预制棒，在气压作用下产生不同尺寸大小的气孔，使其呈现V型结构，从而具备高双折射特性。通过该方法制备出来的微结构光纤可应用于光通信和光传感等领域中。
本发明采用的技术方案为：
一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备预制棒
根据设置的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的结构，采用阶梯型堆积捆绑法，将厚壁毛细管、薄壁毛细管和毛细棒，排布成六边形结构；其中，纤芯选用毛细棒，将包层内的毛细管区域分为两个菱形区域和两个梯形区域，其中，两个梯形区域以纤芯中心镜像对称，菱形区域的毛细管为薄壁毛细管或厚壁毛细管，梯形区域的毛细管为厚壁毛细管或薄壁毛细管，其中，菱形区域的毛细管和梯形区域的毛细管设置不同；
在六边形结构外套设玻璃套管，在六边形结构和玻璃套管之间的空间填充实心细毛细棒，形成V型结构预制棒；
步骤2：拉制
将V型结构预制棒进行烘干，去除水蒸气，得到烘干后的V型结构预制棒；
将烘干后的V型结构预制棒进行第一道拉制，得到细预制棒；
将细预制棒套装在限位玻璃外套管内，向细预制棒内填充氩气，调控气压阈值进行第二道拉制，形成V型高双折射微结构光纤。
所述的步骤1中，厚壁毛细管、薄壁毛细管和毛细棒使用前均进行清洗、烘干。
所述的步骤1中，阶梯型堆积捆绑法为：设计第一层包层和中心纤芯长度相同，第二层包层比第一层包层短1-2cm，依次类推，直至整个纤芯和包层完成，形成阶梯排布的六边形结构。
所述的步骤1中，厚壁毛细管和薄壁毛细管的外径相同，内径相差的差值为0.2mm-1mm。毛细棒的直径和厚壁毛细管的外径相同。
所述的步骤2中，V型结构预制棒进行烘干的工艺步骤为：将V型结构预制棒尾端熔接一根玻璃管作为尾柄，然后置于100-200℃温控箱内，进行烘干。
所述的步骤2中，第一道拉制的目的是为了固化V型高双折射微结构光纤的V型微结构；其工艺参数为：高温炉的温度设置为1795-1950℃，送棒速度设置为2.5-5mm/min，牵引速度设置为0.5-3.5m/min。
所述的步骤2中，细预制棒的外径为3.05-3.15mm。
所述的步骤2中，限位玻璃外套管的内径为细预制棒的外径+(0.5-0.15)mm。
所述的步骤2中，第二道拉制的目的是为了降低V型高双折射微结构光纤的纤芯尺寸和外径尺寸，其工艺参数为：高温炉的温度设置为1745-1950℃，气压阈值设置为1-14.5kPa，送棒速度设置为0.9-5mm/min，牵引速度设置为0.5-7m/min。
所述的调控气压阈值，采用在氩气气管上设置的气压保压装置进行调控，氩气气管通过连接头和细预制棒连接，连接头优选为带有金属弹簧卡片的连接头，所述的气压保压装置包括通信控制模块、PLC控制器、压力控制器、电磁阀和气压阈值显示屏；
通信控制模块和光纤拉丝塔主控台电连接，通信控制模块的信号输出端和PLC控制器的信号接收端连接，PLC控制器上设置有气压阈值显示屏，PLC控制器的信号接收端还和压力控制器的信号输出端连接，PLC控制器还连接控制进出气开闭的电磁阀。
所述光纤拉丝塔主控台，用于对微结构光纤制备过程中的高温炉温度、送棒速度、牵引速度和气压阈值四种拉丝参数进行设置；
所述气压阈值被设定后，PCL控制器将该气压阈值通过气压阈值显示屏显示出来。
所述压力控制器，用于实时检测压力大小，并将检测的压力值传输至PLC控制器；
所述PLC控制器，根据接收的压力控制器检测的压力大小，去判断该压力值是否高于或低于气压阈值，从而传输信号控制电磁阀开闭。
气压阈值通过光学显微镜观测微结构光纤端面调整，目的是使得薄壁和厚壁毛细管出现大小不同的气孔以形成具有V型结构的微结构光纤。
所述的V型高双折射微结构光纤中，通过气压调控，使得出现的大小不同尺寸的气孔之间形成V型微结构。
一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤，采用上述方法制得。
所述的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤，其外径为120-130μm，其纤芯挤压成类似椭圆形状，椭圆的短轴长为2-4μm，长轴长为7-9μm，包层中大气孔直径为5-10μm，小气孔直径为3-5μm。
所述的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤，在通信波长1.55μm处，计算得出的双折射率可达5.35×10-3，其高双折射是将用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤端面进行端面提取，对提取后的光纤端面进行仿真计算，计算得到的双折射率可达5.35×10-3。
与现有的光纤制备技术相比，本发明公开的一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤及其制法，具有以下优势：
(1)采用阶梯型堆积捆绑法来排布光纤预制棒，使用不同壁厚的空心毛细管和实心毛细棒进行合理排布，制备出V型结构具有类似椭圆芯形状的微结构光纤。
(2)采用两道拉制工序，第一道拉制工序将粗预制棒拉制成细预制棒，使V型结构固定成型，第二道拉制工序将细预制棒装载进限位玻璃外套管中，通过拉制工艺参数的调节，结合气孔情况进行拉制。两道拉制工序更容易拉制出符合尺寸要求的稳定光纤结构。
(3)第二道拉制过程中，通过向细预制棒内部充入氩气，使不同壁厚的毛细管产生大小不同尺寸的气孔，大小气孔的交界处呈现V型结构。
(4)通过高温炉温度、气压阈值、送棒速度和牵引速度四种拉丝参数相互配合、协调控制，将V型结构光纤的纤芯挤压成类似椭圆形状，椭圆的短轴长为3μm，长轴长为8μm。
(5)V型结构光纤端面进行端面提取，对提取后的光纤端面进行仿真计算，计算得到的双折射可达5.35×10-3。
附图说明
图1为本发明中设计的V型结构光纤二维端面示意图。
图2为本发明中第一道拉制后V型结构光纤细预制棒的二维端面图。
图3为本发明中光纤拉丝塔二次拉丝时的示意图；
图中，1为氩气气管；2为气体保压调控装置；3为气体连接头；4为细预制棒；5为三角抓；6为限位玻璃外套管；7为高温炉；8为光学测径仪；9为牵引装置；10为压力涂覆装置；11为紫外固化装置；12为收丝装置。
图4为本发明中气体保压调控装置示意图。
图5为本发明中V型结构光纤的端面图，其中图5(a)为整体端面，图5(b)为局部放大后的端面。
图6为本发明中V型结构光纤的温度和气压参数拟合曲线。
图7为本发明中V型结构光纤的送棒速度与牵引速度参数拟合曲线。
图8为本发明中制备V型结构光纤的工艺流程。
图9为本发明中V型结构光纤的端面提取。
图10为本发明中V型结构光纤产生的双折射随波长变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
为了使上述方法和优点更加易懂，下面通过实施例详细描述本发明公开的一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤及其制法。发明人按照此种制作方法已经制备出具有V型结构的微结构光纤，本方法在形式和细节上可以有多种变形，因此本发明绝不仅限于以下所述的实施例。
实施例一：
一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤预制棒时采用不同壁厚的玻璃管进行堆积，具体为：先将外径20mm、内径为10mm的玻璃管拉制成外径为2mm、内径为1.0mm的空心毛细管，将外径为20mm、内径为12mm的玻璃管拉制成外径为2mm、内径为1.2mm的空心毛细管，将外径为20mm的玻璃棒拉制成外径为2mm的毛细棒。
采用阶梯型堆积捆绑法，以直径为2mm的毛细棒作为纤芯，然后根据图1所示，将包层区域区分为两个菱形区域和两个梯形区域，其中，两个梯形区域以纤芯中心镜像对称，将外径为2.0mm、内径为1.2mm的空心毛细管堆积在菱形区域，将外径为2.0mm、内径为1.0mm的空心毛细管堆积在梯形区域，形成六边形结构，之后将六边形结构装载进外径为20mm、内径为14mm玻璃套管内形成预制棒。
通过氢氧焰将一根长度为250mm、内径为14mm、外径为20mm的玻璃管熔接到预制棒的尾端作为尾柄。将温控箱温度设置为120℃，用温控箱去除接完尾柄后长预制棒内的水蒸气。
(2)采用两道工序进行拉制，第一道工序将该预制棒拉制成直径为3.1mm的细预制棒，其端面如图2所示。从图2可以看出，经过第一道拉制后的细预制棒端面结构清晰，大气孔和小气孔分界线明显，形成V型结构。
(3)第二道工序将第一道拉制后直径为3.1mm的细预制棒4装进外径为12mm、内径为3.2mm的限位玻璃外套管内进行再次拉制，将加限位玻璃外套管6后的预制棒加载到拉丝塔上，拉丝塔的结构示意图如图3所示，光纤拉丝塔包括连接氩气的氩气气管1、设置在氩气气管1上的气体保压调控装置2，设置在光纤拉丝塔上的固定装置5，本实施例为三角抓，还有依次设置在固定装置5下方的高温炉7、光学测径仪8、牵引装置9、压力涂覆装置10、紫外固化装置11和收丝装置12；并且固定装置5、高温炉7、光学测径仪8、牵引装置9、压力涂覆装置10、紫外固化装置11均设置有拉丝通孔，拉丝通孔位于同一垂直线上，连接氩气的氩气气管1输出端通过气体连接头3和细预制棒4连通。
第二道拉制时，初始炉温设置为1950℃，料头掉下后，将炉温调整为1800℃。初始拉丝时，送棒速度设置为5mm/min，牵引速度设置为0.5m/min。逐步降低炉温至1775℃后，微结构光纤气孔基本都出现，但比较小，此时通过带金属弹簧卡片的连接头将氩气气管与细预制棒连接在一起，通过气体保压调控装置2调节气压大小。
采用的气体保压调控装置2的原理示意图见图4，该装置主要由通信控制模块、PLC控制器、压力控制器、电磁阀、气压阈值显示屏组成。
通信控制模块和光纤拉丝塔主控台电连接，通信控制模块的信号输出端和PLC控制器的信号接收端连接，PLC控制器上设置有气压阈值显示屏，PLC控制器的信号接收端还和压力控制器的信号输出端连接，PLC控制器还连接控制进出气开闭的电磁阀。
所述光纤拉丝塔主控台，用于对微结构光纤制备过程中的高温炉温度、送棒速度、牵引速度和气压阈值四种拉丝参数进行设置；
通信控制模块用于实现气体保压调控装置与光纤拉丝塔主控台之间的连接通信。
利用光纤拉丝塔主控台对气体保压调控装置进行气压阈值的设定，气压阈值被设定后，PCL控制器将该气压阈值通过气压阈值显示屏显示出来，压力控制器实时监测输出氩气气管内的气压大小，并将气压传输至PLC控制器中，PLC控制器将压力控制器检测的气压值与气压阈值进行比较。若该气压阈值比氩气出气管内的气压值大，则PLC控制器打开所述电磁阀并自动进行充气；若该气压阈值比氩气出气管内的气压值小，则PLC控制器打开所述电磁阀并自动进行抽气；若该气压阈值与氩气出气管内的气压值相等，则PLC控制器关闭电磁阀，不进行充气或抽气，以此来确保细预制棒内气压恒定在设定的气压阈值范围内。
(4)逐渐增大气压阈值，当气压阈值为12.5kPa、高温炉温度降至1750℃时，包层中的大小气孔集体变大，而且预制棒与套管之间的月牙型间隙被消除。为了减小光纤尺寸，继续调整拉丝参数。当送棒速度降低到0.95mm/min，牵引速度增加到6.5m/min时，纤芯被挤压成椭圆形，椭圆的短轴长为3μm，长轴长为8μm，而且V型结构保持完好，如图5所示，其中图5(a)为整体端面，图5(b)为局部放大后的端面。
将本实施例中，V型结构光纤拉制过程中炉温和气压阈值的参数拟合曲线如图6所示，光纤直径从1006μm减小到977μm过程中，一直在进行降低炉温操作，而且降温的幅度较大，从1800℃降低到1750℃，其拟合关系为：炉温＝0.97×光纤直径-2.4。光纤直径从977μm减小到692μm过程中，也是在进行降温操作，但降温幅度较小，从1750℃降低到1748℃，其拟合关系为：炉温＝1.4×光纤直径-706.2。拉制前期降温幅度较大，是因为起初光纤直径比较粗，柔韧性较好，为了尽快出现包层气孔结构，所以降温幅度较大。后来由于光纤丝径已经变细，包层气孔微结构逐渐出现，为了防止光纤变脆而逐渐进行降温。包层气孔全部出现后便加上气压，以防止气孔塌缩。纤丝变细后为了防止被拉断，便开始逐渐升高炉温，以增大光纤的柔韧性。气压增大到14.2kPa时，气孔被撑得有些变形，于是开始逐渐减小气压。图7为拉制V型结构光纤过程中送棒速度和牵引速度的拟合曲线。光纤直径从977μm减小到477μm过程中，送棒速度以一定的梯度从5mm/min逐渐减小到1mm/min，之后缓慢从1mm/min减小到0.95mm/min，后来缓慢减小是为了防止送棒速度下降过快纤丝被拉断。牵引速度正好相反，起初从0.5m/min缓慢增加到0.8m/min，后从0.8m/min逐渐增大到6.9m/min。牵引速度开始时增加的比较缓慢是为了使纤丝变粗，尽快出现光纤完整的气孔结构。
通过对图5(b)所示的V型结构光纤端面进行灰度处理、滤波处理、阈值化处理和边缘提取等操作后，得到如图9所示的V型结构光纤端面提取后的端面图。将提取后端面图导入仿真软件进行仿真处理后可计算出该V型结构光纤的双折射，双折射数据随波长变化的拟合后曲线如图10所示。从该图可以看出，在通信波长1.55μm处，该V型结构光纤的双折射可达5.35×10-3，明显高于普通保偏光纤所产生的双折射，这主要是因为制备V型结构光纤过程中，纤芯形状在气压的调控作用下变成了类似椭圆形，而且纤芯的上下左右包层气孔大小明显不同，使得该光纤结构出现了非对称性，产生了高双折射。
实施例二：
一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制法，其制备工艺流程如图8所示，具体步骤如下：
(1)仿真设计V型结构光纤预制棒，根据设计的要求尺寸拉制外径为2mm、内径分别为1.0mm和1.2mm毛细管以及直径为2mm的毛细棒，用游标卡尺对毛细管和毛细棒进行筛选，用酒精进行清洗并用热风机进行烘干。
(2)采用阶梯型堆积法排布V型结构光纤预制棒，预制棒的包层为三层，整体形状呈六边形结构，实心的毛细棒作为纤芯，预制棒的包层区域分为两个菱形区域和两个梯形区域，其中，两个梯形区域以纤芯中心镜像对称，其中，梯形区域采用9根内径为1.2mm、外径为2mm的薄壁毛细管进行排布，菱形区域采用9根内径为1.0mm、外径为2mm的厚壁毛细管进行排布，并且排布在第一包层的空心毛细管其长度和纤芯长度相同，排布在第二层的空心毛细管比第一层包层中空心毛细管短1cm，第三层的空心毛细管壁第二层的空心毛细管短1cm，最终形成阶梯排布的六边形结构。
(3)将堆积捆绑阶梯排布的六边形结构装入内径为14mm、外径为20mm的玻璃套管内，用200-500μm的细实心毛细棒将六边形结构与玻璃外套管之间的缝隙塞满。
(4)通过氢氧焰将制备的预制棒尾端熔接一根长度为240-300mm、内径为14mm、外径为20mm的玻璃管作为尾柄。将温控箱温度设置为120℃，用温控箱去除接完尾柄后长预制棒内的水蒸气。
(5)采用两道工序进行拉制，第一道工序进行拉制时通过调整高温炉温度、送棒速度和牵引速度三种拉丝参数将外径20mm的V型结构预制棒拉制成外径3.1mm的细预制棒。
第二道工序是将细预制棒装载进外径为12mm、内径为3.2mm的限位玻璃外套管后再次进行拉制。
(6)第二道工序进行再次拉制过程中用带金属弹簧卡片的连接头将氩气气管与第一道拉制后的细预制棒连接在一起，通过气压挤压玻璃毛细管，消除细预制棒与玻璃外套管之间的缝隙。
(7)通过气压作用使内径为1.2mm、外径为2mm的薄壁毛细管和内径为1.0mm、外径为2mm的厚壁毛细管产生大小不同的气孔，大气孔和小气孔之间形成V型字符。
(8)在第二道拉制V型结构过程中，通过调整气压阈值使薄壁毛细管产生的大气孔直径为5-10μm，厚壁毛细管产生的小气孔直径为3-5μm。在纤芯附近气孔的作用下，将纤芯挤压成类似椭圆形状，椭圆的短轴长为3μm，长轴长为8μm。
(9)通过调整高温炉温度、气压阈值、送棒速度和牵引速度将V型高双折射微结构光纤的外径尺寸降到125μm。将达到要求尺寸的V型高双折射微结构光纤进行涂覆并收丝。
实施例三：
一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制法，包括以下步骤：
(1)将清洁烘干的玻璃棒和玻璃管拉制成毛细棒和毛细管，并且采用不同内径的玻璃管，得到不同内径的空心毛细管，分别为薄壁毛细管和厚壁毛细管，对拉制的毛细管和毛细棒进行检测，选取符合尺寸要求毛细管和毛细棒，备用；
采用阶梯型堆积捆绑法排布V型结构预制棒时，包层为四层，将包层内的毛细管区域分为两个菱形区域和两个梯形区域，其中，两个梯形区域以纤芯中心镜像对称，菱形区域的毛细管为薄壁毛细管，梯形区域的毛细管为厚壁毛细管，中心为实心的毛细棒。在排布时，排布在第一包层的空心毛细管其长度和纤芯长度相同，排布在第二层的空心毛细管比第一层包层中空心毛细管短1cm，第三层的空心毛细管壁第二层的空心毛细管短1cm，第四层的空心毛细管壁第三层的空心毛细管短1cm，最终形成阶梯排布的六边形结构。
排布好的预制棒整体呈现六边形结构，六边形结构外边加上玻璃套管，六边形结构和玻璃套管之间的缝隙用实心的细毛细棒塞紧，形成预制棒。
(2)采用两道拉制工序制备V型高双折射微结构光纤，第一道工序是将粗预制棒拉制成3.05mm的细预制棒，其目的是为了固化光纤的V型微结构。第二道工序是将细预制棒装载进外径为12mm内径为3.1mm的限位玻璃外套管内后进行第二道拉制，第二道拉制的目的是为了降低V型结构光纤的纤芯尺寸和外径尺寸。第一道工序是通过高温炉温度范围1795-1950℃、送棒速度的调节范围为2.5-5mm/min和牵引速度调节范围为0.5-3.5m/min，采用三种拉丝参数相互配合进行制备，第二道拉制工序进行再次拉制过程中用带金属弹簧卡片的连接头将氩气气管与第一道拉制后的细预制棒连接在一起，通过气压挤压玻璃毛细管，消除细预制棒与玻璃外套管之间的缝隙。另外，通过气压作用使内径为1.2mm、外径为2.0mm的薄壁毛细管和内径为1.0mm、外径为2.0mm的厚壁毛细管产生大小不同的气孔，纤芯挤压成类似椭圆形状，椭圆的短轴长为3μm，长轴长为8μm，包层中大气孔直径为5-10μm，小气孔直径为3-5μm，大气孔和小气孔之间形成V型字符。在调控气孔大小过程中，是通过高温炉温度1745-1950℃、气压阈值1-14.5kPa、送棒速度0.9-5mm/min和牵引速度0.5-7m/min四种拉丝参数相互配合进行制备。
并且，第二道拉制过程中向细预制棒内充入氩气，通过气压调控作用，使不同壁厚的玻璃管变形程度不同，出现大小不同的气孔，形成V型高双折射微结构光纤。
所述V型微结构是指在气压作用下，光纤V结构中出现大小不同尺寸的气孔，大小气孔之间形成V型字符，故称V型微结构。
所述高双折射是指将该V型结构光纤端面进行端面提取，对提取后的光纤端面进行仿真计算，计算得到的双折射可达5.35×10-3。
实施例四
一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制法，包括以下几个重要步骤：
(1)仿真设计V型结构光纤预制棒，根据设计的要求尺寸拉制外径为2.0mm、内径分别为1.0mm和1.2mm毛细管以及直径为2.0mm的毛细棒，用游标卡尺对毛细管和毛细棒进行筛选，用酒精进行清洗并用热风机进行烘干。
(2)采用阶梯型堆积法排布V型结构光纤预制棒，预制棒的包层为三层，整体形状呈六边形结构，实心的毛细棒作为纤芯，将包层内的毛细管区域分为两个菱形区域和两个梯形区域，其中，两个梯形区域以纤芯中心镜像对称，菱形区域的毛细管为18根内径为1.2mm、外径为2.0mm的薄壁毛细管，每个菱形区域为9根，梯形区域的毛细管为18根内径为1.0mm、外径为2.0mm的厚壁毛细管，每个梯形区域为9根；在排布时，排布在第一包层的空心毛细管其长度和纤芯长度相同，排布在第二层的空心毛细管比第一层包层中空心毛细管短2cm，第三层的空心毛细管壁第二层的空心毛细管短2cm，最终形成阶梯排布的六边形结构。
(3)将堆积捆绑排布成六边形结构装入内径为14mm、外径为20mm的玻璃套管内，用200-500μm的细实心毛细棒将六边形结构与玻璃外套管之间的缝隙塞满。
(4)通过氢氧焰将制备的预制棒尾端熔接一根长度为240-300mm、内径为14mm、外径为20mm的玻璃管作为尾柄。将温控箱温度设置为120℃，用温控箱去除接完尾柄后长预制棒内的水蒸气。
(5)采用两道工序进行拉制，第一道工序进行拉制时通过调整高温炉温度、送棒速度和牵引速度三种拉丝参数将外径20mm的V型结构预制棒拉制成外径3.15mm的细预制棒。第二道工序是将细预制棒装载进外径为12mm、内径为3.2mm的玻璃外套管后再次进行拉制。
(6)第二道工序进行再次拉制过程中用带金属弹簧卡片的连接头将氩气气管与第一道拉制后的细预制棒连接在一起，通过气压挤压玻璃毛细管，消除细预制棒与玻璃外套管之间的缝隙。
(7)通过气压作用使内径为1.2mm、外径为2mm的薄壁毛细管和内径为1.0mm、外径为2mm的厚壁毛细管产生大小不同的气孔，大气孔和小气孔之间形成V型字符。
(8)在第二道拉制V型结构过程中，通过调整气压阈值使薄壁毛细管产生的大气孔直径为5-10μm，厚壁毛细管产生的小气孔直径为3-5μm。在纤芯附近气孔的作用下，将纤芯挤压成类似椭圆形状，椭圆的短轴长为3μm，长轴长为8μm。通过调整高温炉温度、气压阈值、送棒速度和牵引速度将V型高双折射微结构光纤的外径尺寸降低到125μm。
所述V型高双折射微结构光纤端面提取是指在对光学显微镜拍摄的光纤端面进行灰度处理、滤波处理、阈值化处理和边缘提取等操作后得到的光纤端面。提取后的端面可导入到仿真软件中进行仿真计算。

Claims (8)

1.一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备预制棒
根据设置的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的结构，采用阶梯型堆积捆绑法，将厚壁毛细管、薄壁毛细管和毛细棒，排布成六边形结构；其中，纤芯选用毛细棒，将包层内的毛细管区域分为两个菱形区域和两个梯形区域，其中，两个梯形区域以纤芯中心镜像对称，菱形区域的毛细管为薄壁毛细管或厚壁毛细管，梯形区域的毛细管为厚壁毛细管或薄壁毛细管，其中，菱形区域的毛细管和梯形区域的毛细管设置不同；
在六边形结构外套设玻璃套管，在六边形结构和玻璃套管之间的空间填充实心细毛细棒，形成V型结构预制棒；
步骤2：拉制
将V型结构预制棒进行烘干，去除水蒸气，得到烘干后的V型结构预制棒；
将烘干后的V型结构预制棒进行第一道拉制，得到细预制棒；第一道拉制的工艺参数为：高温炉的温度设置为1795-1950℃，送棒速度设置为2.5-5mm/min，牵引速度设置为0.5-3.5m/min；
将细预制棒套装在限位玻璃外套管内，向细预制棒内填充氩气，调控气压阈值进行第二道拉制，形成V型高双折射微结构光纤；第二道拉制的工艺参数为：高温炉的温度设置为1745-1950℃，气压阈值设置为1-14.5KPa，送棒速度设置为0.9-5mm/min，牵引速度设置为0.5-7m/min。
2.根据权利要求1所述的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，阶梯型堆积捆绑法为：设计第一层包层和中心纤芯长度相同，第二层包层比第一层包层短1-2cm，依次类推，直至整个纤芯和包层完成，形成阶梯排布的六边形结构。
3.根据权利要求1所述的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，厚壁毛细管和薄壁毛细管的外径相同，内径相差的差值为0.2mm-1mm；毛细棒的直径和厚壁毛细管的外径相同。
4.根据权利要求1所述的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，V型结构预制棒进行烘干的工艺步骤为：将V型结构预制棒尾端熔接一根玻璃管作为尾柄，然后置于100-200℃温控箱内，进行烘干。
5.根据权利要求1所述的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，细预制棒的外径为3.05-3.15mm。
6.根据权利要求1所述的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，限位玻璃外套管的内径为细预制棒的外径+(0.5-0.15)mm。
7.根据权利要求1所述的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述的调控气压阈值，采用在氩气气管上设置的气压保压装置进行调控，氩气气管通过连接头和细预制棒连接；
所述的气压保压装置包括通信控制模块、PLC控制器、压力控制器、电磁阀和气压阈值显示屏；
通信控制模块和光纤拉丝塔主控台电连接，通信控制模块的信号输出端和PLC控制器的信号接收端连接，PLC控制器上设置有气压阈值显示屏，PLC控制器的信号接收端还和压力控制器的信号输出端连接，PLC控制器还连接控制氩气气管进出气开闭的电磁阀；
所述光纤拉丝塔主控台，用于对微结构光纤制备过程中的高温炉温度、送棒速度、牵引速度和气压阈值四种拉丝参数进行设置；
所述气压阈值被设定后，PCL控制器将该气压阈值通过气压阈值显示屏显示出来；
所述压力控制器，用于实时检测压力大小，并将检测的压力值传输至PLC控制器；
所述PLC控制器，根据接收的压力控制器检测的压力大小，去判断该压力值是否高于或低于气压阈值，从而传输信号控制电磁阀开闭。
8.一种用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的制备方法制得；
制得的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤，其外径为120-130μm，其纤芯挤压成类似椭圆形状，椭圆的短轴长为2-4μm，长轴长为7-9μm，包层中大气孔直径为5-10μm，小气孔直径为3-5μm；
制得的用气压控制气孔尺寸的V型高双折射微结构光纤，在通信波长1.55μm处，其双折射率可达5.35×10-3。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113149422A (zh) * 2021-01-14 2021-07-23 艾菲博(宁波)光电科技有限责任公司 一种高占空比多芯微结构通信光纤的制备方法及装置
CN113067572B (zh) * 2021-03-19 2024-04-16 东北大学 一种温控开关效应的联结型液芯反谐振光纤及其应用
GB2620620A (en) * 2022-07-14 2024-01-17 Univ Southampton Hollow core optical fibre drawing method with modified preform

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001042829A2 (en) * 1999-12-10 2001-06-14 Blazephotonics Limited Photonic crystal fibre guiding a first mode and a pump beam
CN1564034A (zh) * 2004-04-02 2005-01-12 烽火通信科技股份有限公司 一种双折射微结构光纤及其制造方法
CN101201432A (zh) * 2007-12-03 2008-06-18 西北工业大学 一种类熊猫型高双折射光子晶体光纤
CN101464541A (zh) * 2009-01-14 2009-06-24 天津大学 基于高折射率固体芯光子晶体光纤的光纤分束器
CN106495464A (zh) * 2016-10-27 2017-03-15 北京航空航天大学 一种用于光子带隙光纤拉制的气压控制方法及装置
CN106597601A (zh) * 2015-10-20 2017-04-26 武汉长盈通光电技术有限公司 一种微结构低双折射光纤及其制作方法
CN109298481A (zh) * 2018-10-09 2019-02-01 东北大学 自发产生spr效应的金属银填充光子晶体光纤及其制法
CN109696723A (zh) * 2019-02-22 2019-04-30 烽火通信科技股份有限公司 一种双折射光子晶体光纤及其制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1340725B1 (en) * 1999-02-19 2006-01-25 Crystal Fibre A/S Method of producing a photonic crystal fibre
JP2009015294A (ja) * 2007-06-05 2009-01-22 Furukawa Electric Co Ltd:The ホーリーファイバおよびホーリーファイバの製造方法
RU2437129C1 (ru) * 2010-03-24 2011-12-20 Закрытое акционерное общество "Профотек" Способ изготовления двулучепреломляющего микроструктурного оптического волокна
CN103936276B (zh) * 2014-03-31 2016-06-29 陈抗抗 一种微结构光纤的制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001042829A2 (en) * 1999-12-10 2001-06-14 Blazephotonics Limited Photonic crystal fibre guiding a first mode and a pump beam
CN1564034A (zh) * 2004-04-02 2005-01-12 烽火通信科技股份有限公司 一种双折射微结构光纤及其制造方法
CN101201432A (zh) * 2007-12-03 2008-06-18 西北工业大学 一种类熊猫型高双折射光子晶体光纤
CN101464541A (zh) * 2009-01-14 2009-06-24 天津大学 基于高折射率固体芯光子晶体光纤的光纤分束器
CN106597601A (zh) * 2015-10-20 2017-04-26 武汉长盈通光电技术有限公司 一种微结构低双折射光纤及其制作方法
CN106495464A (zh) * 2016-10-27 2017-03-15 北京航空航天大学 一种用于光子带隙光纤拉制的气压控制方法及装置
CN109298481A (zh) * 2018-10-09 2019-02-01 东北大学 自发产生spr效应的金属银填充光子晶体光纤及其制法
CN109696723A (zh) * 2019-02-22 2019-04-30 烽火通信科技股份有限公司 一种双折射光子晶体光纤及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"光子晶体光纤拉制参数对包层气孔结构的影响";郭铁英等;《光电子•激光》;20070815;第18卷(第8期);第945页摘要、第947页"惰性气体施压工艺" *
High-sensitivity SPR Temperature Sensor Based on Hollow-core Fiber;Xue Zhou等;《Transactions on Instrumentation and Measurement》;20200524;第1-6页 *
Hollow-core photonic bandgap fibers: technology;Francesco Poletti等;《Nanophotonics》;20131029;第2卷(第5-6期);第315-340页 *

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