CN1291934C - 光子晶体光纤预制棒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种光子晶体光纤预制棒的制备方法，其步骤如下：制备具有两端密封的毛细管、一端封口的外套玻璃管和成芯玻璃棒；将所述的成芯玻璃棒置入所述的外套玻璃管内，将所述的毛细管有序地排列在所述的外套玻璃管中，保证所述的成芯玻璃棒位于所述的外套玻璃管的几何中心位置；将填充后的外套玻璃管的开口朝上地悬置于光纤加热炉中；启动真空机组对外套玻璃管抽真空，启动加热炉加热，均达到设定值后，送料机构使外套玻璃管缓慢向下运动，均匀加热一定时间后，冷却后形成光子晶体光纤预制棒。本发明方法可以克服一般的采用堆叠法制预制棒带来的界面散射问题。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤，特别是一种光子晶体光纤预制棒的制备方法。
背景技术
光子晶体光纤是近年来光纤通信和光纤激光器领域的热点。光子晶体光纤是一种二维光子晶体，其通常的结构为光纤的横截面内空气孔在光波长尺度上周期性地分布于玻璃基质材料中。通过在周期性结构中引入线缺陷，比如改变孔径的大小或以玻璃代替空气孔，形成光子晶体光纤结构。缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期结构构成包层，光在缺陷内传播。根据导光机制的差异光子晶体光纤大致分为两种，即有效折射率型和带隙波导型。在有效折射率型光子晶体光纤中，纤芯为实芯，微小空气孔降低了包层的有效折射率，因而，光能够被全反射机制限制在折射率相对较高的纤芯中传播。这种光子晶体光纤具有传统光纤所不具有的许多性质，比如，无休止单模传输，大模面积，反常色散等。无休止单模传输和大模面积这些性质使得有源掺杂光子晶体光纤可以很方便地被应用到高功率单模光纤激光器和光纤放大器中去。带隙波导型光子晶体光纤要求微小空管呈特殊的有序周期性排列，以形成光子带隙，因此即使光纤中心为空心，由于光子局域效应，光也可以被捕获在中间传输，这样就不会对光产生吸收、散射及显著的非线性光学效应，这种光纤可以产生特异的光学功能。带隙波导型光子晶体光纤和传统光纤相比，光子晶体光纤表现出许多新颖而独特的性质，如无休止单模、零色散波长位置的可移动性、超扁平低色散、高功率传输、高非线性效应、高双折射等，这些特性对于弥补传统光纤的不足，促进光通信和光子学技术的发展和应用具有重要意义。因而光子晶体的制造技术的理论模拟迅速成为光子学领域的又一重要热点。光子晶体光纤的制备技术的核心在于预制棒的制作。
自从1996年世界上首次拉制出真正意义上的光子晶体光纤以来，光子晶体光纤的预制棒的制造技术和工艺就被视为该领域的核心技术，从近年来公开报导的文献和专利来看，光子晶体光纤预制棒的制备主要有两种，一种是堆叠法，就是将几何尺寸及物理化学性质相同的毛细管按照某种晶形结构排列在作为纤芯的细棒或毛细管的周围，然后用金属钽丝将这些毛细管捆成一束，在普通的光纤拉制塔上将其拉细，所得的细棒就是光子晶体光纤预制棒。普遍采用的是将石英毛细管按照紧密堆积的六角型排列堆积在石英玻璃棒的周围，该石英玻璃棒可以是稀土离子掺杂的，以满足光纤激光器或者光纤放大器的需要。也可以不用金属钽丝来束缚毛细管，将这些排好的毛细管置于内面形状与其匹配的玻璃管中，也可以构成光子晶体光纤的预制棒。在制备带隙波导光子晶体光纤的预制棒的时候，普遍采用的是将规则排列的石英毛细管束的中间的一根或者数根毛细管拿掉，形成较大的空气隙，以构成带隙波导光子晶体光纤的预制棒。另外一种预制棒制备方法是挤压法，将块状的玻璃置于挤压炉中加热，挤压炉垂直放置，炉口向上，挤压炉的炉口上方是液压挤压头，该液压挤压头与挤压炉炉口结合紧密，液压挤压头可以沿着挤压炉的内壁上下移动，挤压炉的下部放置不锈钢模具，该模具的形状做成与所想要的光子晶体的截面形状相似且互补的形状，比如在模具上具有一些与光子晶体光纤横截面类似的互补的孔眼结构。挤压炉的温度可以根据程序自动调节，在炉温略高于块状玻璃的软化点后，块状玻璃即开始软化，驱动液压挤压头，调节压力至合适水平，打开挤压炉下方的阀门，软化的玻璃即在液压挤压头的驱动下被挤出挤压炉，形成长条形预制棒，并且该预制棒的横截面具有与不锈钢模具孔眼结构相似且互补的孔眼结构。目前，用堆叠法来制备预制棒的技术在拉制石英玻璃光子晶体光纤中得到了广泛的应用，并且日趋成熟。堆叠法制备预制棒技术几乎可以应用于任何软化点温度的玻璃材料或者聚合物材料，并且截面形状可以控制的十分精确，唯一的缺点是拉制的光纤纤芯与包层之间的界面损耗不容易消除。用挤压法来制备预制棒的技术主要是用于拉制低软化点玻璃或者聚合物的光子晶体光纤中，比如硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃等。挤压法的优点在于所制备的预制棒经拉丝后得到的光纤不存在纤芯与周围材料之间的界面损耗。挤压法得出的预制棒的截面形状由于模具与玻璃材料之间的作用变得不规则，并且孔眼的数量不能过多，此外挤压法制作的预制棒不能方便的在局部区域掺杂入稀土离子，因此挤压法制作光纤预制棒的技术受到较大的限制。
发明内容
本发明的目的是要解决堆叠法制作光子晶体光纤时带来的界面损耗问题，提供一种光子晶体光纤预制棒的制备方法，本发明不同于以往的任何制作光子晶体光纤预制棒的技术。
本发明的技术解决方案如下：
一种光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
①用玻璃基质成分相同的玻璃分别制备具有两端密封的毛细管、一端封口的外套玻璃管和成芯玻璃棒；
②将所述的成芯玻璃棒置入所述的外套玻璃管内，将所述的毛细管有序地排列在所述的外套玻璃管中，保证所述的成芯玻璃棒位于所述的外套玻璃管的几何中心位置并与所述的外套玻璃管的中轴线平行；
③将填充好毛细管和成芯玻璃棒的外套玻璃管的开口朝上地悬置于光纤加热炉中，将外套玻璃管的开口端与真空机组的真空管道密封连接，调节好固定外套玻璃管的送料机构；
④根据玻璃料的软化点设定加热炉的加热温度＝玻璃料的软化点温度+50℃～200℃；
⑤启动真空机组对外套玻璃管抽真空，启动加热炉加热，当温度达到设定值时，送料机构使外套玻璃管缓慢向下运动，均匀加热一定时间后，冷却后形成光子晶体光纤预制棒。
所述的毛细管中的气压≥1大气压。
所述的毛细管横截面的内部和外部形状为具有对称中心的规则的几何形状。
所述的毛细管的外部形状为圆形，或正多边形。
排列在成芯玻璃棒外围的毛细管分为几个区域，各区域内的毛细管的内部形状不相同。
所述的成芯玻璃棒的外部形状为具有对称中心的规则的几何形状。
所述的成芯玻璃棒可由数根相同的玻璃棒构成。
所述的成芯玻璃棒掺有稀土离子。所述的稀土离子为镱离子、铒离子、钕离子或铥离子，或多种离子共掺。
所述的外套玻璃管的内部截面形状为圆形、正六边形、正方形、长方形、等边三角形或锐角为60°的菱形。
所述的毛细管与毛细管之间，或毛细管与成芯玻璃棒之间，或构成成芯玻璃棒的玻璃棒之间填充有实心细玻璃棒。
所述的基质玻璃为石英玻璃、硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃。
所述的加热炉为温度场均匀的管式炉或拉丝塔加热炉。
当所述的基质玻璃为硅酸盐玻璃时，在拉丝塔加热炉中的加热温度为1780℃～1930℃，加热时间大于110分钟。
当所述的所述的基质玻璃为硅酸盐玻璃时，在拉丝塔加热炉中的加热温度为600℃～850℃，加热时间110分钟。
当所述的基质玻璃为磷酸盐玻璃时，在拉丝塔加热炉中的加热温度为550℃～650℃，加热时间85～100分钟。
所述的成芯玻璃棒为两端封口的成芯玻璃管。
本发明的有益效果在于：提供了一种制作光子晶体光纤预制棒的方法，该方法可以克服一般的采用堆叠法制预制棒带来的界面散射问题。
附图说明
图1为本发明制作光子晶体光纤预制棒的流程图。
图2为本发明第一实施例中外套玻璃管、毛细管和成芯玻璃棒排布的示意图。
图3为本发明第二实施例中外套玻璃管、毛细管和成芯玻璃棒排布的示意图。
图4为本发明第三实施例中外套玻璃管、毛细管和成芯玻璃棒排布的示意图。
图5为本发明第四实施例中外套玻璃管、毛细管和成芯玻璃棒排布的示意图。
图6为本发明第五实施例中外套玻璃管、毛细管和成芯玻璃棒排布的示意图。
图7为本发明第六实施例中外套玻璃管、不同区域的毛细管和成芯玻璃棒排布的示意图。
具体实施方式
为了更加清楚的说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明制作光子晶体光纤预制棒的流程图。左边部分为成芯玻璃棒1及毛细管2填入外套玻璃管3中的示意图，成芯玻璃棒1及毛细管2均沿着竖直向下的箭头指示方向填入外套玻璃管3。右边部分为装填好毛细管2及成芯玻璃棒1的外套玻璃管3置于加热炉4中加热的过程，在此过程中，外套玻璃管3开口端与抽真空的设备5相连，以保持外套玻璃管3管内的低气压。在维持加热炉的温度高于玻璃料的软化点温度50℃～200℃之间约120分钟，外套玻璃管3收缩并与管内的毛细管2紧紧粘接在一起，同时，外套玻璃管3变长。
图2为本发明第一实施例中外套玻璃管中毛细管的排布。其中外套玻璃管3采用高纯石英玻璃，其内面正六边形边长为11.3mm，外面圆的直径为25.7mm。外套玻璃管3中排布的毛细管2采用与外套玻璃管相同的玻璃，其外径为2mm，内径为1mm，毛细管2均两端封口，毛细管2成六角型最紧密排布，位于毛细管2排布中央的是成芯玻璃棒1，采用镱离子掺杂的掺铝石英玻璃，其中镱离子的掺杂浓度为6000ppm，该成芯玻璃棒1为六角梅花瓣结构，其沿着对称轴方向的最大尺寸为6mm。成芯玻璃棒1与毛细管2之间接触均匀。本发明还可以根据实际需要在成芯玻璃棒1中掺入其他的稀土离子，比如钕离子，铒离子，铥离子等。以上排列需放在温度为1780℃的温度场均匀的普通管式炉中加热110分钟。
图3为本发明第二实施例中外套玻璃管中毛细管的排布。外套玻璃管3内径为30.3mm，外径为34mm，外套玻璃管中的两端密封的毛细管2的内径为1.5mm，外径为2mm，采用六角形最紧密排列。位于毛细管2排列最中央的是一根内径为5.5mm，外径为6mm的两端密封成芯玻璃管6，该成芯玻璃管6与周围毛细管2之间的间隙用直径为0.5mm的实心玻璃棒7填充。毛细管2与外套玻璃管3之间的间隙用直径分别为1.8mm，2.2mm，2.5mm的实心玻璃棒8填充。外套玻璃管3，毛细管2，成芯玻璃管6，以及实心玻璃棒8均为相同的石英玻璃材料。该排布经抽真空加热后所得到的预制棒中，成芯玻璃管6会与其周围的玻璃棒8，毛细管2完全融接在一起，经拉丝后，成芯玻璃管在光纤中形成大的空气隙，构成带隙波导型光子晶体光纤。以上排列需放在温度为1850℃的光纤拉丝机加热炉中加热120分钟。
图4为本发明第三实施例中外套玻璃管中毛细管的排布。外套玻璃管3为正方形玻璃管，其内部正方形的边长为21mm，外部正方形的边长为26mm。两端密封的毛细管2的内径为1mm，外径为2mm，毛细管2成正方形排列。毛细管2排列的中央是四根直径为2mm的玻璃棒，这四根玻璃棒成正方形排列，构成成芯玻璃棒1。玻璃棒与玻璃棒之间，玻璃棒与毛细管之间，以及毛细管与毛细管之间用直径为0.81的细玻璃棒9填充。该排列采用的材料均为石英玻璃料。其中成芯玻璃棒1为镱离子掺杂的石英玻璃棒，掺杂浓度为8000ppm，同时该棒中还掺有铝离子。本发明还可以在玻璃棒1中掺入其他稀土离子。以上排列需放在温度为1930℃的温度场均匀的普通管式炉中加热120分钟。
图5为本发明第四实施例中外套玻璃管中毛细管的排布。外套玻璃管3为正三角形硅酸盐玻璃管，其内部三角形的边长为22mm，外部三角形的边长为25.5mm。两端密封的毛细管2外部形状为正六角形，其边长为1mm，内部形状为圆形，其直径为1mm，采用硅酸盐玻璃管。毛细管2成正六角型最紧密排列，位于毛细管排列中央的是由三根正六角型玻璃棒构成的成芯玻璃棒1，这些玻璃棒为掺有1.8％(wt)钕离子的硅酸盐玻璃棒，正六角形的边长为1mm。以上排列需放在温度为750℃的光纤拉丝机加热炉中加热120分钟。
图6为本发明第五实施例中外套玻璃管中毛细管的排布。外套玻璃管3为锐角为60度角的等边菱形，其内部菱形的边长为18.2mm，外部菱形的边长为20.2mm。两端密封的毛细管2的内部形状为正三角形，其边长为1mm，外部形状为正六角型，其边长为1.0mm，毛细管2成正六角形最紧密排列，位于毛细管2排列中央的是由四根正六角形玻璃棒组成的成芯玻璃棒1，正六角形边长为1mm。该实施例中所用玻璃材料均为磷酸盐玻璃。以上排列需放在温度为600℃的光纤拉丝机加热炉中加热90分钟。
图7为本发明第六实施例中外套玻璃管中毛细管和玻璃棒的排布。外套玻璃管为3为内外均为正六边形的玻璃管，外部边长为17mm，内部边长为15.5mm。两端密封的毛细管2内外形状均为圆形，分布在四个区域，分别是毛细管10、毛细管11、毛细管12、和毛细管13，外径都为2mm，内径分别为1.8mm、1.5mm、1.5mm、0.5mm。位于毛细管排列中央的是由六根圆柱形玻璃棒构成的成芯玻璃棒1，玻璃棒的直径为2mm。这些毛细管和外套玻璃管均为石英玻璃，成芯玻璃棒采用的材料是镱离子掺杂石英玻璃，其中镱离子的掺杂浓度为6000ppm。该排列在温度为1850℃的光纤拉丝机加热炉中加热120分钟。该预制棒经拉丝后得到的光子晶体光纤可作为在660nm到1550nm波长内产生单模激光的工作介质，同时，该光纤具有在1064nm处的保偏性能。
Claims (10)
1、一种光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
①用玻璃基质成分相同的玻璃分别制备具有两端密封的毛细管(2)、一端封口的外套玻璃管(3)和成芯玻璃棒(1)；
②将所述的成芯玻璃棒(1)置入所述的外套玻璃管(3)，将所述的毛细管(2)有序地排列在所述的外套玻璃管(3)中，保证所述的成芯玻璃棒(1)位于所述的外套玻璃管(3)的几何中心位置并与所述的外套玻璃管(3)的中轴线平行；
③将填充好毛细管(2)和成芯玻璃棒(1)的外套玻璃管(3)的开口朝上地悬置于加热炉(4)中，将外套玻璃管(3)的开口端与真空机组的真空管道密封连接，调节好固定外套玻璃管(3)的送料机构；
④根据玻璃料的软化点设定加热炉(4)的加热温度＝软化点温度+50℃～200℃；
⑤启动真空机组对外套玻璃管(3)抽真空，启动加热炉(4)加热，当温度达到设定值时，送料机构使外套玻璃管(3)缓慢向下运动，均匀加热，冷却后形成光子晶体光纤预制棒。
2、根据权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的毛细管(2)中的气压≥1大气压。
3、根据权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的毛细管(2)横截面的内部和外部形状为具有对称中心的规则的几何形状。
4、根据权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于排列在成芯玻璃棒外围的毛细管分为几个区域，各区域内的毛细管的内部形状不相同。
5、根据权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的成芯玻璃棒(1)的外部形状为具有对称中心的规则的几何形状。
6、根据权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的成芯玻璃棒(1)掺有稀土离子。
7、根据权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的外套玻璃管(3)的内部截面形状为圆形、正六边形、正方形、长方形、等边三角形或锐角为60°的菱形。
8、根据权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的毛细管(2)与毛细管(2)之间，或毛细管(2)与成芯玻璃棒(1)之间，或构成成芯玻璃棒(1)的玻璃棒之间填充有实心细玻璃棒。
9、根据权利要求1所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的基质玻璃为硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃。
10、根据权利要求1至9任一项所述的光子晶体光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的成芯玻璃棒(1)为两端封口的成芯玻璃管(6)。
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