CN113109899B - 一种光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光子晶体光纤及其制备方法，其解决了现有太赫兹波光子晶体光纤结构复杂、损耗高的技术问题，其包括纤芯层和包层，纤芯层设薄壁圆形内筒、十字格栅板，十字格栅板将薄壁圆形内筒平均分隔为四个芯层空气孔道；包层设薄壁圆形外筒、第二格栅板；薄壁圆形外筒内套设薄壁圆形内筒，且二者同心；第二格栅板一端与薄壁圆形内筒外壁相连接，其另一端与薄壁圆形外筒内壁相连接，格栅板将薄壁圆形内筒与薄壁圆形外筒之间平均分隔为四个包层空气孔道；第一格栅板与其相邻的第二格栅板之间最小夹角为10～45°；纤芯层的孔隙率为81～86％，包层的孔隙率为92～94％，其还公开了制备方法，可广泛应用于光子晶体光纤制备技术领域。

Description

一种光子晶体光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤制备技术领域，尤其涉及一种光子晶体光纤及其制备方法。
背景技术
太赫兹波具有红外和微波之间的巨大频率范围在电磁波谱中处于特殊的位置，被人们称为“生命光线”。太赫兹波在成像、医学、监测、通信等方面有着广阔的应用前景。微结构光纤在太赫兹波制导中具有广泛应用，它不仅用于光通信，而且在非侵入性医学成像、传感、安全、光谱学、口腔保健、癌细胞检测、生物技术、电信、军事、环境应用、太阳能电池板缺陷检测、介电材料、药物测试和天文学等许多重要领域有着广泛的应用。
THz波的引导介质传输损耗是限制其发展应用的关键因素。光子晶体光纤因其超低衰减性能、极小非线性、较低模式色散以及接近光速的传播速度等优点在太赫兹波传播过程中具有广泛应用前景。然而目前实际光子晶体光纤在太赫兹频率范围内的衰减性能是限制其广泛应用的关键难题。其中背底材料对光的吸收是导致光子晶体光纤损耗高主要因素，较低背底材料损耗是太赫兹波传输的基本要求。目前主要通过优化基底材料和芯层与包层结构可获得光子晶体光纤传输性能，如采用螺旋包层结构设计在1THz工作频率下可获得仅材料损耗就达到0.0167cm-1，或者采用由多个六边形气孔插入的复杂的戈薇结构包层和六边形芯结构，其在1.3太赫兹频率下的仅材料损耗就为0.029cm-1，上述复杂的结构使得其制备工艺相对圆形结构更加复杂。2017年Sen S.等人采用圆形芯包层PCF结构，在1THz工作频率下其材料损耗为0.04cm-1。非圆形纤芯结构(如方形、六角形、五边形、椭圆形、矩形、菱形等)很难保证在拉制过程中结构的稳定性，使得制造工艺异常复杂，很难保证制造的光子晶体光纤与设计要求一致，降低其可行性。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种结构简单、损耗低的光子晶体光纤及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光子晶体光纤，其包括纤芯层和包层，纤芯层内沿光纤长度方向设有薄壁圆形内筒、十字格栅板，十字格栅板连接设置在薄壁圆形内筒内，将薄壁圆形内筒平均分隔为四个芯层空气孔道，四个芯层空气孔道均与光纤轴线平行排列，十字格栅板由两个相互垂直连接的第一格栅板组成；包层内沿光纤长度方向设有薄壁圆形外筒、第二格栅板；薄壁圆形外筒的内部间隔套设有薄壁圆形内筒，且二者为同心结构；第二格栅板设置在薄壁圆形内筒与薄壁圆形外筒之间，第二格栅板的一端与薄壁圆形内筒的外壁相连接，第二格栅板的另一端与薄壁圆形外筒的内壁相连接，第二格栅板的数量为四个，且两两正对设置，将薄壁圆形内筒与薄壁圆形外筒之间平均分隔为四个包层空气孔道，四个包层空气孔道均与光纤轴线平行排列；第一格栅板和第二格栅板均为直板结构，且第一格栅板与其相邻最近的第二格栅板之间的夹角为10～45°；纤芯层的孔隙率为81～86％，包层的孔隙率为92～94％；纤芯层和包层的材料均为光学级TOPAS。
优选的，纤芯层的直径为250～450μm，第一格栅板的厚度为3.5～5μm，薄壁圆形内筒的筒壁厚度为10～15μm；包层的直径为2500～3000μm，第二格栅板的厚度为4～6μm，薄壁圆形外筒的筒壁厚度为40～50μm。
优选的，纤芯层和包层的材料均为光学级TOPAS 5013L-10。
一种光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出棒材；
(2)将步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将步骤(1)中挤出的棒材挤压成符合结构要求的多孔光纤预制棒；
(3)将步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，通过热拉制将预制棒拉制成符合尺寸要求的光纤，得到光子晶体光纤。
优选的，上述一种光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出直径为20～35mm的棒材，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。
(2)将步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将步骤(1)中挤出的棒材挤压成直径为20～35mm符合结构要求的多孔光纤预制棒，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。
(3)将步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，拉制温度控制在130～140℃，预制棒送料速度控制在1～5mm/min，拉制速度控制在0.1～0.5m/min，通过热拉制将预制棒拉制成直径为2497～2998μm符合尺寸要求的光纤，最后经低温退火处理，得到光子晶体光纤。
优选的，步骤(1)TOPAS颗粒材料在放入螺旋挤出机前进行干燥处理，处理方法为：将TOPAS颗粒材料放入真空干燥箱内进行干燥处理，温度控制在50～75℃，时间控制在10～30分钟，真空度控制在1～5×10-2Pa，去除TOPAS颗粒材料中的水分，防止制备得到的光子晶体光纤内有气泡，影响产品质量。
优选的，步骤(3)低温退火处理方法为：退火温度控制在60～80℃，真空度为0.1～1Pa的真空气氛下进行低温退火5～10小时。以降低光纤中的残留水分，进一步减小光纤损耗，以消除拉制成形过程中因结构差异而引起的应力以及变形应力等问题。
优选的，步骤(2)分流挤压模具设有上下同轴相互配合的上模和下模，上模设有柱形模芯和四个分流桥，四个分流桥之间形成四个分流孔，模芯设置在分流孔的尾端且位于上模的出料面中心，分流孔以柱形模芯的轴线为中心围绕柱形模芯呈环形阵列分布；柱形模芯的出料面开设有芯层圆筒流道槽、十字格栅流道槽、第二格栅槽，芯层圆筒流道槽为筒状结构，芯层圆筒流道槽与柱形模芯同轴设置；十字格栅流道槽由两个相互垂直连通的第一格栅槽组成，第一格栅槽与芯层圆筒流道槽相连通，第一格栅槽将芯层圆筒流道槽以内的柱形模芯平均分割为四个第一模芯；第二格栅槽的一端与芯层圆筒流道槽相连通，第二格栅槽的另一端与柱形模芯的侧壁相连通，第二格栅槽的数量为四个，且两两相对设置，将芯层圆筒流道槽以外的柱形模芯平均分割为四个第二模芯；下模设有相连通的熔合室和出料孔，分流孔与熔合室相连通，第二格栅槽的另一端设置在熔合室内，且与熔合室相连通；柱形模芯向下穿过熔合室后插入出料孔内并未伸出；柱形模芯和出料孔同轴设置，且柱形模芯小于出料孔的孔径，插入出料孔的柱形模芯与出料孔之间形成包层圆筒流道；第一格栅槽与其相邻最近的第二格栅槽之间的夹角为10～45°。
优选的，熔合室俯视呈蝶形结构，蝶形的端部分别与四个分流孔上下配合设置。
优选的，分流孔为扇形结构，四个分流孔的扇形角端分别正对连通第二格栅槽的另一端。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供一种光子晶体光纤，其由同心圆形的纤芯层和包层结构构成，四个芯层空气孔道的几何形状保持一致，四个包层空气孔道的几何形状保持一致，纤芯层和包层均为对称结构，相对于非圆形结构纤芯在拉制过程中的变形问题，这种对称圆形结构在光纤拉制过程中易于保证其结构与拉制前一致，有助于实现光子晶体光纤易于制造、分散平坦、损耗低，解决了目前光子晶体结构复杂、制备困难、损耗高、色散不平坦等问题，制备方法简单，更易于实现批量化生产，解决了现有太赫兹波光子晶体光纤结构复杂、不易制造的技术问题。
(2)本发明提供一种光子晶体光纤，其纤芯层通过两个相互垂直连接的第一格栅板分别分成四个尺寸结构均匀的芯层空气孔道，其包层通过两两正对设置的四个第二格栅板分成四个尺寸结构均匀的包层空气孔道。通过调整第一格栅板和第二格栅板厚度、纤芯层和包层的直径，可以调整纤芯层孔隙率和包层孔隙率的大小，当纤芯层孔隙率为81～86％，包层孔隙率为92～94％时，较高的纤芯层孔隙率提高了光的吸收率，提高了光纤的效率，降低了传输损耗，同时数量较少的空气孔道有效降低了基底材料面积，也相应减小了基底材料对光传输的损耗。纤芯层和包层中较高的空气含量有助于将有效材料损耗和波导色散波动降至最低。减少材料损耗，同时保证结构稳定性，在1.0THz工作频率下，材料损耗仅为0.0168～0.0185cm-1，优于现有技术水平。解决了现有太赫兹波光子晶体光纤损耗高的技术问题。
(3)本发明的纤芯层和包层结构，优化了纤芯和包层折射率，结合空气孔道被用于纤芯和包层，有助于平坦色散，同时选择具有非常低的材料吸收损耗和在很宽的频率范围内具有恒定的折射率的TOPAS作背底材料，波导色散在较大的THz范围(0.6～1.6)THz范围内非常平坦，色散为0.049±0.01～0.055±0.01ps/THz/cm，优于现有技术水平，表明该光纤在较宽THz范围内误码率小，对于长途THz通信非常重要。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明制备的光子晶体光纤的结构示意图；
图2为图1所示的纤芯层的结构示意图；
图3为分流挤压模具中的上模的俯视图的结构示意图；
图4为图3所示的仰视图的结构示意图；
图5为分流挤压模具的俯视图的结构示意图；
图6为图5所示的仰视图的结构示意图；
图7为图6所示的A-A剖视图的结构示意图；
图8为分流挤压模具中的下模的俯视图的结构示意图。
图中标记：1.纤芯层；2.包层；3.薄壁圆形内筒；4.十字格栅板；5.芯层空气孔道；6.薄壁圆形外筒；7.第二格栅板；8.包层空气孔道；9.上模；10.下模；11.柱形模芯；12.分流桥；13.分流孔；14.芯层圆筒流道槽；15.十字格栅流道槽；16.第二格栅槽；17.第一格栅槽；18.第一模芯；19.第二模芯；20.熔合室；21.出料孔；22.包层圆筒流道；23.蝶形结构的端部；41.第一格栅板；α.第一格栅板41与其相邻的第二格栅板7之间的最小夹角；D.纤芯层1的直径；tcore.第一格栅板41的厚度；ti.薄壁圆形内筒3的筒壁厚度；d.包层2的直径；tclad.第二格栅板7的厚度；ts.薄壁圆形外筒6的筒壁厚度。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。
实施例1：
本发明提供一种光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS 5013L-10颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出直径为20mm的棒材，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。TOPAS5013L-10颗粒材料在放入螺旋挤出机前进行干燥处理，处理方法为：将TOPAS5013L-10颗粒材料放入真空干燥箱内进行干燥处理，温度控制在50～75℃，时间控制在10～30分钟，真空度控制在1～5×10-2Pa。
(2)将步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将步骤(1)中挤出的棒材挤压成直径为20mm符合结构要求的多孔光纤预制棒，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。
(3)将步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，拉制温度控制在130～140℃，预制棒送料速度控制在1～5mm/min，拉制速度控制在0.1～0.5m/min，通过热拉制将预制棒拉制成直径为2497μm符合尺寸要求的光纤，最后经低温退火处理，其退火温度控制在60～80℃，真空度为0.1～1Pa的真空气氛下进行低温退火5～10小时，得到光子晶体光纤。
实施例2：
本发明提供一种光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS 5013L-10颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出直径为25mm的棒材，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。TOPAS5013L-10颗粒材料在放入螺旋挤出机前进行干燥处理，处理方法与实施例1相同，不再累述。
(2)将步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将步骤(1)中挤出的棒材挤压成直径为25mm符合结构要求的多孔光纤预制棒，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。
(3)将步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，拉制温度控制在130～140℃，预制棒送料速度控制在1～5mm/min，拉制速度控制在0.1～0.5m/min，通过热拉制将预制棒拉制成直径为2748μm符合尺寸要求的光纤，最后经低温退火处理，低温退火处理方法与实施例1相同，不再累述，得到光子晶体光纤。
实施例3：
本发明提供一种光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS 5013L-10颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出直径为25mm的棒材，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。TOPAS5013L-10颗粒材料在放入螺旋挤出机前进行干燥处理，处理方法与实施例1相同，不再累述。
(2)将步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将步骤(1)中挤出的棒材挤压成直径为25mm符合结构要求的多孔光纤预制棒，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。
(3)将步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，拉制温度控制在130～140℃，预制棒送料速度控制在1～5mm/min，拉制速度控制在0.1～0.5m/min，通过热拉制将预制棒拉制成直径为2998μm符合尺寸要求的光纤，最后经低温退火处理，低温退火处理方法与实施例1相同，不再累述，得到光子晶体光纤。
实施例4：
本发明提供一种光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS 5013L-10颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出直径为30mm的棒材，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。TOPAS5013L-10颗粒材料在放入螺旋挤出机前进行干燥处理，处理方法与实施例1相同，不再累述。
(2)将步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将步骤(1)中挤出的棒材挤压成直径为30mm符合结构要求的多孔光纤预制棒，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。
(3)将步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，拉制温度控制在130～140℃，预制棒送料速度控制在1～5mm/min，拉制速度控制在0.1～0.5m/min，通过热拉制将预制棒拉制成直径为2997μm符合尺寸要求的光纤，最后经低温退火处理，低温退火处理方法与实施例1相同，不再累述，得到光子晶体光纤。
实施例5：
本发明提供一种光子晶体光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS 5013L-10颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出直径为35mm的棒材，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。TOPAS5013L-10颗粒材料在放入螺旋挤出机前进行干燥处理，处理方法与实施例1相同，不再累述。
(2)将步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将步骤(1)中挤出的棒材挤压成直径为35mm符合结构要求的多孔光纤预制棒，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃。
(3)将步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，拉制温度控制在130～140℃，预制棒送料速度控制在1～5mm/min，拉制速度控制在0.1～0.5m/min，通过热拉制将预制棒拉制成直径为2998μm符合尺寸要求的光纤，最后经低温退火处理，低温退火处理方法与实施例1相同，不再累述，得到光子晶体光纤。
由图1、图2所示，本发明上述实施例1～实施例5制备得到一种光子晶体光纤的产品结构，其结构简单，便于制造，包括纤芯层1和包层2，纤芯层1和包层2的材料均为光学级TOPAS，此次具体采用TOPAS 5013L-10，产自德国TOPAS，折射率为1.533，透射率为91.0％，在23℃饱和状态下吸水率为0.01％；TOPAS 5013L-10被用作背景材料，具有非常低的材料吸收损耗，在很宽的频率范围内具有恒定的折射率，对太赫兹波吸收损耗较低。纤芯层1内沿光纤长度方向设有薄壁圆形内筒3、十字格栅板4，十字格栅板4连接设置在薄壁圆形内筒3内，将薄壁圆形内筒3平均分隔为四个芯层空气孔道5，四个芯层空气孔道5均与光纤轴线平行排列，十字格栅板4由两个相互垂直连接的第一格栅板41组成；包层2内沿光纤长度方向设有薄壁圆形外筒6、第二格栅板7；薄壁圆形外筒6的内部间隔套设有薄壁圆形内筒3，且二者为同心结构；第二格栅板7设置在薄壁圆形内筒3与薄壁圆形外筒6之间，第二格栅板7的一端与薄壁圆形内筒3的外壁相连接，第二格栅板7的另一端与薄壁圆形外筒6的内壁相连接，第二格栅板7的数量为四个，且两两正对设置，将薄壁圆形内筒3与薄壁圆形外筒6之间平均分隔为四个包层空气孔道8，四个包层空气孔道8均与光纤轴线平行排列；第一格栅板41和第二格栅板7均为直板结构，且第一格栅板41与其相邻最近的第二格栅板7之间的夹角α为45°，对称性好，便于制造。通常夹角α为10～45°，使第一格栅板41与其相邻最近的第二格栅板7错开，避免光从第一格栅板41直接进入其相邻最近的第二格栅板7造成损失。
由图3-图8所示，本发明上述实施例1～实施例5中步骤(2)所述的分流挤压模具的结构为：步骤(2)分流挤压模具设有上下同轴相互配合的上模9和下模10，上模9设有柱形模芯11和四个分流桥12，四个分流桥12之间形成四个分流孔13，分流桥12对分流孔13起到支撑作用，分流孔13具有将棒材分流，对于平衡坯料流速、获得较小挤压力、促进坯料的流动与熔合起到作用。模芯设置在分流孔13的尾端且位于上模9的出料面中心，分流孔13以柱形模芯11的轴线为中心围绕柱形模芯11呈环形阵列分布；柱形模芯11的出料面开设有芯层圆筒流道槽14、十字格栅流道槽15、第二格栅槽16，芯层圆筒流道槽14为筒状结构，芯层圆筒流道槽14与柱形模芯11同轴设置；十字格栅流道槽15由两个相互垂直连通的第一格栅槽17组成，第一格栅槽17与芯层圆筒流道槽14相连通，第一格栅槽17将芯层圆筒流道槽14以内的柱形模芯11平均分割为四个第一模芯18；第二格栅槽16的一端与芯层圆筒流道槽14相连通，第二格栅槽16的另一端与柱形模芯11的侧壁相连通，第二格栅槽16的数量为四个，且两两相对设置，将芯层圆筒流道槽14以外的柱形模芯11平均分割为四个第二模芯19；下模10设有相连通的熔合室20和出料孔21。分流孔13与熔合室20相连通，第二格栅槽16的另一端设置在熔合室20内，且与熔合室20相连通，熔合室20作用是重新溶合先前被分割的棒材坯料，作更加符合料型的流量分配；柱形模芯11向下穿过熔合室20后插入出料孔21内并未伸出；柱形模芯11和出料孔21同轴设置，且柱形模芯11小于出料孔21的孔径，插入出料孔21的柱形模芯11与出料孔21之间形成包层圆筒流道22；第一格栅槽17与其相邻最近的第二格栅槽16之间的夹角为10～45°。在挤压力的作用下，熔融的TOPAS 5013L-10分别通过四个分流孔13流入熔合室20内，在熔合室20强大压力作用下，再分别流入第二格栅槽16、包层圆筒流道22。通过第二格栅槽16先后推进流入芯层圆筒流道槽14、十字格栅流道槽15并充满，分别形成相连接的第二格栅板7、薄壁圆形内筒3、十字格栅板4，由于第一模芯18、第二模芯19的阻隔，分别形成芯层空气孔道5、包层空气孔道8；同时，在熔融的TOPAS 5013L-10在包层圆筒流道22推进过程中，形成薄壁圆形外筒6，并与第二格栅板7熔合在一起。最终从出料孔21挤压成型，制备得到多孔光纤预制棒。
作为优选的实施例，熔合室20俯视呈蝶形结构，蝶形结构的端部23分别与四个分流孔13上下配合设置，避免形成变形死区，有助于熔融的TOPAS5013L-10分别通过四个分流孔13更加均匀的流入熔合室20内。
作为优选的实施例，分流孔13为扇形结构，四个分流孔13的扇形角端分别正对连通第二格栅槽16的另一端，使熔合室20内熔融的TOPAS 5013L-10更加顺利的流入第二格栅槽16内。
需要说明的是，可根据所制备的产品尺寸，选择更换不同尺寸的芯层圆筒流道槽14、十字格栅流道槽15、第二格栅槽16等规格的分流挤压模具。
分别对本发明上述实施例1～实施例5最终制备的光子晶体光纤进行如下测试：
(1)测量纤芯层1的直径，第一格栅板41的厚度，薄壁圆形内筒3的筒壁厚度；包层2的直径，第二格栅板7的厚度，薄壁圆形外筒6的筒壁厚度。
(2)用插入损耗法测量制备光纤的损耗。
(3)通过全光纤马赫曾德干涉仪色散测量系统测得其波导色散。
将本发明以上测试数据分别与作为对比例的两种现有技术太赫兹波光子晶体光纤进行比对，其中对比例1为采用Topas材料制备的39个正六边形空气孔的产品结构，对比例2为采用Zeonex材料制备的由九个椭圆形气孔组成的产品结构，见如下表1：
表1本发明与现有技术的材料损耗EML、色散对比
Figure BDA0003000814780000101
Figure BDA0003000814780000111
由表1可知，本发明实施例1～实施例5纤芯层1的直径D为250～450μm，第一格栅板41的厚度tcore为3.5～5μm，薄壁圆形内筒3的筒壁厚度ti为10～15μm，纤芯层1的孔隙率为81～86％；包层2的直径d为2400～5000μm，第二格栅板7的厚度tclad为4～6μm，薄壁圆形外筒6的筒壁厚度ts为40～50μm，包层2的孔隙率为92～94％。本发明材料损耗EML为0.0168～0.0185cm-1@1.0THz，远低于对比例1、对比例2。本发明实施例1～实施例5色散为0.045～0.055ps/THz/cm@1.0THz，波导色散在较大的THz范围(0.6～1.6)THz范围内非常平坦，色散为0.049±0.01～0.055±0.01ps/THz/cm，优于现有技术水平，表明该光纤在较宽THz范围内误码率小，对于长途THz通信非常重要。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光子晶体光纤，其包括纤芯层和包层，其特征在于，所述纤芯层内沿光纤长度方向设有薄壁圆形内筒、十字格栅板，所述十字格栅板连接设置在所述薄壁圆形内筒内，将所述薄壁圆形内筒平均分隔为四个芯层空气孔道，四个所述芯层空气孔道均与光纤轴线平行排列，所述十字格栅板由两个相互垂直连接的第一格栅板组成；所述包层内沿所述光纤长度方向设有薄壁圆形外筒、第二格栅板；所述薄壁圆形外筒的内部间隔套设有所述薄壁圆形内筒，且二者为同心结构；所述第二格栅板设置在所述薄壁圆形内筒与所述薄壁圆形外筒之间，所述第二格栅板的一端与所述薄壁圆形内筒的外壁相连接，所述第二格栅板的另一端与所述薄壁圆形外筒的内壁相连接，所述第二格栅板的数量为四个，且两两正对设置，将所述薄壁圆形内筒与所述薄壁圆形外筒之间平均分隔为四个包层空气孔道，四个所述包层空气孔道均与所述光纤轴线平行排列；所述第一格栅板和所述第二格栅板均为直板结构，且所述第一格栅板与其相邻最近的所述第二格栅板之间的夹角为10～45°；所述纤芯层的孔隙率为81～86％，所述包层的孔隙率为92～94％；所述纤芯层和所述包层的材料均为光学级TOPAS。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于，所述纤芯层的直径为250～450μm，所述第一格栅板的厚度为3.5～5μm，所述薄壁圆形内筒的筒壁厚度为10～15μm；所述包层的直径为2500～3000μm，所述第二格栅板的厚度为4～6μm，所述薄壁圆形外筒的筒壁厚度为40～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于，所述纤芯层和所述包层的材料均为光学级TOPAS 5013L-10。
4.一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出棒材；
(2)将所述步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将所述步骤(1)中挤出的所述棒材挤压成符合结构要求的多孔光纤预制棒；
(3)将所述步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，通过热拉制将预制棒拉制成符合尺寸要求的光纤，得到所述光子晶体光纤；
所述步骤(2)分流挤压模具设有上下同轴相互配合的上模和下模，所述上模设有柱形模芯和四个分流桥，四个所述分流桥之间形成四个分流孔，所述模芯设置在所述分流孔的尾端且位于上模的出料面中心，所述分流孔以所述柱形模芯的轴线为中心围绕所述柱形模芯呈环形阵列分布；所述柱形模芯的出料面开设有芯层圆筒流道槽、十字格栅流道槽、第二格栅槽，所述芯层圆筒流道槽为筒状结构，所述芯层圆筒流道槽与所述柱形模芯同轴设置；所述十字格栅流道槽由两个相互垂直连通的第一格栅槽组成，所述第一格栅槽与所述芯层圆筒流道槽相连通，所述第一格栅槽将所述芯层圆筒流道槽以内的所述柱形模芯平均分割为四个第一模芯；所述第二格栅槽的一端与所述芯层圆筒流道槽相连通，所述第二格栅槽的另一端与所述柱形模芯的侧壁相连通，所述第二格栅槽的数量为四个，且两两相对设置，将所述芯层圆筒流道槽以外的所述柱形模芯平均分割为四个第二模芯；所述下模设有相连通的熔合室和出料孔，所述分流孔与所述熔合室相连通，所述第二格栅槽的另一端设置在所述熔合室内，且与所述熔合室相连通；所述柱形模芯向下穿过所述熔合室后插入所述出料孔内并未伸出；所述柱形模芯和所述出料孔同轴设置，且所述柱形模芯小于所述出料孔的孔径，插入所述出料孔的所述柱形模芯与所述出料孔之间形成包层圆筒流道；所述第一格栅槽与其相邻最近的所述第二格栅槽之间的夹角为10～45°。
5.根据权利要求4所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)将TOPAS颗粒材料放入螺旋挤出机中，挤出直径为20～35mm的棒材，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃；
(2)将所述步骤(1)挤出的棒材放入塑料挤出机中，通过分流挤压模具将所述步骤(1)中挤出的所述棒材挤压成直径为20～35mm符合结构要求的多孔光纤预制棒，挤出速度控制在1～5m/min，挤压温度控制在140～160℃；
(3)将所述步骤(2)获得的多孔光纤预制棒放入光纤拉制塔中，拉制温度控制在130～140℃，预制棒送料速度控制在1～5mm/min，拉制速度控制在0.1～0.5m/min，通过热拉制将预制棒拉制成直径为2497～2998μm符合尺寸要求的光纤，最后经低温退火处理，得到所述光子晶体光纤。
6.根据权利要求4或5所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)TOPAS颗粒材料在放入螺旋挤出机前进行干燥处理，处理方法为：将TOPAS颗粒材料放入真空干燥箱内进行干燥处理，温度控制在50～75℃，时间控制在10～30分钟，真空度控制在1～5×10-2Pa。
7.根据权利要求4或5所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)低温退火处理方法为：退火温度控制在60～80℃，真空度为0.1～1Pa的真空气氛下进行低温退火5～10小时。
8.根据权利要求4所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述熔合室俯视呈蝶形结构，所述蝶形结构的端部分别与四个所述分流孔上下配合设置。
9.根据权利要求4所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述分流孔为扇形结构，四个所述分流孔的扇形角端分别正对连通所述第二格栅槽的另一端。
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