CN1564034A - 一种双折射微结构光纤及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双折射微结构光纤及其制造方法，该双折射微结构光纤包括：以纤芯区为中心的内部区域、沿着光纤轴向掩埋着有微孔阵列并包围内部区域的包层区域、涂层区域，通过改变微孔的形状结构、尺寸大小、数量与其排列形状，从而在光纤中两相互垂直方向上形成较大的有效折射率差，制造出具有优良性能的双折射微结构光纤，该双折射微结构光纤制造方法包括：制造出纯或掺杂的石英微棒和具有一定壁厚的纯石英微孔管，将石英微棒和石英微孔管加工成特定形状，将石英微棒和石英微孔管组合成预定的阵列，将排布好阵列形状的石英微棒和石英微孔管组合在石英套管中组装成集束，拉丝形成光纤。
Description
技术领域
本发明涉及微结构光纤及其制造方法，特别涉及具有双折射性能的微结构光纤及其制造方法。
背景技术
微结构光纤(MOF)是指在光纤的包层和(或)纤芯中分布着一定直径和一定数量微孔的光纤，该微孔平行于光纤中心轴线并贯穿整根光纤。当规则微孔在光纤横截面上的排布具有二维周期性结构，并且在第三维方向(光纤的轴向)基本保持不变，光纤横截面折射率呈现出二维周期性结构，具有这种特性的新颖结构光纤也称为光子晶体光纤(Photonic CrystalFiber)。
光子晶体光纤按照光在光纤中的传播原理，可以分为全内反射(TIR)型和光子带隙(PBG)型两种。全内反射型光子晶体光纤与传统光纤不同的是沿着光纤轴向的透明石英包层中掩埋着阵列微孔，纤芯仍为透明的石英材料组成。光子带隙，是指电磁波的某些频带或者波长，这些频带或者波长的电磁波，不允许在光子晶体中至少在两个方向的传输。也可以说，这些不允许在光子晶体中传输的电磁波的频带或者波长，就是光子带隙。光子带隙(禁止传输的频带或者波长)的具体数值，遵从光在晶体材料中的布拉格反射定律，是由光子晶体的特定结构参数所确定的。但是，并非所有的光子晶体中都有光子带隙效应，只有特殊设计的光子晶体中才具有光子带隙效应。光子带隙型光子晶体光纤并不需要纤芯折射率较包层折射率高的条件，但是对周期性微结构的精度要求非常严格。周期性排列材料的折射率变化周期是光波长的数量级，周期性排列的介质中存在介质缺陷，由于受到PBG的影响，对某一波段的波长产生带隙影响，因此该波段的光波不能够在周期性排列的介质中传播，而被限制在缺陷中传播。周期性包层的中心出现纤芯，纤芯形成了缺陷，从而光被限制在纤芯中传播。纤芯可以是真空，也可以是折射率比包层折射率低的其它填充材料(包括气体、液体、固体)组成。
通过将微玻璃棒和微玻璃管堆积成预先设定的阵列图案，将其集合固定在一起，然后经过适当的拉丝工艺拉丝成预定直径的光纤即可以制作光子晶体光纤。
因为光子晶体光纤是由多根微小单元组成，所以其设计和制造就具有较高的灵活性和自由度。在光子晶体光纤设计和制造过程中，可以通过在纤芯中引入多芯，或引入非圆对称的纤芯从而产生几何形状双折射；通过在包层中引入不同形状的结构单元，或者非圆形对称的结构单元，从而产生形状双折射；也可以通过在包层中掺杂从而产生应力双折射；也可以在芯区附近掺入极性材料，如向列型液晶材料，并对光纤施加横向电场以增强双折射。总之，采用光子晶体光纤的微结构组装与制造新技术和新工艺可以制造出新型的偏振保持光纤。
发明内容
本发明的目的是提供具有双折射性能的微结构光纤和加工制造双折射光纤的方法。该光纤的包层沿着光纤纤芯的轴向掩埋着微孔阵列，通过调整光纤包层中微孔的直径(d)，微孔之间的间距(Λ)，以及微孔的比例(d/Λ)，光纤包层的有效折射率(neff)发生相应的改变。如果光纤的两个相互垂直的方向上(X轴与Y轴)的微孔在形状、直径大小、或数量等方面产生差异，那么光纤在X和Y轴方向的有效折射率就会不相同，形成较高的折射率对比，从而产生较高的形状双折射，光在该种光纤中传输时就会保持其原有的偏振状态沿着光纤向前传播。由于在制造过程中已经将形状差异导致的巨大的折射率差对比固定在微结构光纤中，因此这种形状双折射微结构光纤对应用环境下的外界温度的依赖性特别小，具有优良的温度偏振稳定性。传统的熊猫型和蝶结型保偏光纤属于应力型双折射光纤，在周围环境温度变化时应力施加单元产生的应力也发生变化，从而影响光纤保偏性能的温度稳定性。而光子晶体保偏光纤属于形状双折射，是由在纤芯附近的两个垂直方向上石英(SiO2)玻璃和空气的占空比的不同，造成两个垂直偏振态有不同折射率和传播常数，这种双折射的优点是对温度变化不敏感。
如果在组合微小单元的同时，将具有热膨胀系数不同的掺杂材料(或某些极性材料)制成的微玻璃棒安置在光纤的特定位置，就会产生一定的应力双折射，从而增强微结构光纤的双折射性能。
本发明提供的第一种双折射微结构光纤，其光纤截面的结构分布如下：
内部区域，其中包含石英纤芯区；
内包层区域，由石英材料形成，位于内部区域外围，其中包括近似圆形的内层微孔，内层微孔围绕内部区域呈现类似8字形分布或类似H字形分布，以产生形状双折射；
外包层区域，由石英材料形成，位于内包层区域外围，其中包括近似圆形的外层微孔；内层微孔直径大于或等于外层微孔直径的70％；
涂层区域，由有机聚合物组成，环绕在外包层区域外围。
本发明提供的第二种双折射微结构光纤，其光纤截面的结构分布如下：
内部区域，其中包含石英纤芯区；
包层区域，由石英材料形成，位于内部区域外围，其中包括近似椭圆形的微孔，椭圆形长轴沿水平方向排列和短轴沿垂直方向排列，以产生形状双折射；
涂层区域，由有机聚合物组成，环绕在外包层区域外围。
此第二种光纤的包层区域内，近似椭圆形微孔分布在内部区域与涂层区域之间的全部包层区域内，椭圆微孔的短轴长度小于或等于长轴长度的60％。
此第二种光纤的包层区域内，近似椭圆形微孔分布在内部区域与涂层区域之间的包层区域内并排列成为矩形阵列，该矩形阵列沿椭圆形长轴方向的长度大于沿椭圆形短轴方向的长度，微孔沿着矩形水平方向的数量或密度高于垂直方向，以增强形状双折射。
本发明提供的第三种双折射微结构光纤，其光纤截面的结构分布如下：
内部区域，其中包含石英纤芯区；
包层区域，由石英材料形成，位于内部区域外围，其中包括近似圆形的微孔，近似圆形微孔分布在内部区域与涂层区域之间的包层区域内并排列成为矩形阵列，该矩形阵列的沿水平方向的长度大于沿垂直方向的长度，微孔沿着矩形水平方向的数量或密度高于垂直方向，以产生形状双折射；
涂层区域，由有机聚合物组成，环绕在外包层区域外围。
本发明的上述三种光纤的内部区域中，形成石英纤芯区的石英材料内可以掺杂锗或稀土元素。
本发明的上述三种光纤的内部区域中，石英纤芯区上、下两侧可以具有应力区，该应力区内的石英材料中掺杂有与石英材料热膨胀系数不同的材料，以产生应力双折射；应力区所掺杂的材料为三氧化二硼或其它与石英材料热膨胀系数不同的材料。
本发明的上述三种微结构光纤至多具有二重旋转对称轴。
本发明提供一种双折射微结构光纤制造方法，该方法步骤：
将纯的或掺杂的石英预制棒拉制成石英微棒；
将纯的或掺杂的石英预制棒加工成具有圆形或椭圆形内孔的孔管，然后拉制成石英微孔管，所形成的石英微孔管也具有类似圆形或类似椭圆形的内孔；
将石英微棒和石英微孔管截面外轮廓加工成圆形或椭圆形或四边形或六边形等外形结构；
将石英微棒和石英微孔管排布组合成矩形或六边形多边形等形状的阵列；
将排布成阵列的石英微棒和石英微孔管束缚在石英套管中以形成集束，或者采用粘合剂或夹具夹持石英微棒和石英微孔管的组合以形成集束；
将石英微棒与石英微孔管组成的集束拉丝以生产纤芯外包层内具有微孔的微结构光纤，在拉丝工艺过程中控制石墨炉体温度，既要求所述石英微棒与石英微孔管组合成的集束被熔融并具有粘度以便所述集束能够变形并被拉制成微结构光纤，又要求熔融后所述集束材料的粘度足够大，以免石英微孔管内部的微孔崩塌闭合，为此控制石墨炉体的温度为2150℃左右并使所述集束的粘度保持在106泊。
本发明方法制造出的双折射微结构光纤具有极高的双折射性能，常规保偏光纤双折射度的典型值为4×10-4，而本发明的双折射微结构光纤的模双折射度可以达到10-2数量级；本发明的双折射微结构光纤主要利用了形状双折射，因此具有良好的偏振温度稳定性；另外，由于微结构光纤具有特殊的包层结构，使包层的有效折射率呈现出波长依赖性，使得本发明的光纤可以在较大范围内实现基模工作；本发明的双折射微结构光纤，通过适当增大包层内微孔直径，可使零色散点向短波方向移动，改变包层内微孔填充比和位置，可以设计和控制保偏光纤色散特性；由于利用石英微棒和石英微孔管灵活排列组合成各种形状、结构的集束再拉制光纤，本发明的微结构光纤设计自由度高，制造工艺简单灵活；本发明的微结构光纤制造方法具有投资少、见效快、成本低、产品性能优良的特点。
附图说明
图1表示本发明具有类似8字型的双折射微结构光纤横截面示意图；
图2表示本发明具有类似H字型的双折射微结构光纤横截面示意图；
图3表示本发明的包层中具有椭圆微孔的双折射微结构光纤横截面示意图；
图4表示本发明的包层中椭圆微孔排列成矩形阵列的双折射微结构光纤横截面示意图；
图5表示本发明的包层中圆形微孔排列成矩形阵列的双折射微结构光纤横截面示意图；
图6表示图1至5中本发明双折射微结构光纤中包含有纤芯的内部区域横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细解释本发明的双折射微结构光纤结构和加工制造方法。
图1为具有“类8字型”双折射微结构光纤横截面示意图，该光纤由围绕着纤芯的内部区域1，直径较小的微孔组成“类8字型”结构的包层区域2，圆形微孔排列成六边形阵列结构的包层区域3，以及有机聚合物组成的光纤涂层区域4组成，包层中的微孔8近似为圆形。包层区域2中的微孔直径比包层区域3中的微孔直径小，而且沿着光纤相互垂直的轴向上分布呈现“类8字型”分布，因此在光纤相互垂直的方向上有效折射率产生较大的差异，从而形成形状双折射。
图2为具有“类H字型”的微结构光纤横截面示意图，该光纤由围绕着纤芯的内部区域1，直径较小的微孔组成“类H字型”结构的包层区域2，圆形微孔排列成六边形阵列结构的包层区域3，以及有机聚合物组成的光纤涂层区域4组成，包层中的微孔8近似为圆形。包层区域2中的微孔直径比包层区域3中的微孔直径小，而且沿着光纤相互垂直的轴向上分布呈现“类H字型”分布，因此在光纤相互垂直的方向上有效折射率产生较大的差异，从而形成形状双折射。
图1和图2中的包层区域2为内包层区域，而图中的包层区域3为外包层区域。内包层区域的微孔称为内层微孔，外包层区域的微孔称为外层微孔，内层微孔直径小于或等于外层微孔直径的70％。
图3为包层中具有椭圆微孔的微结构光纤横截面示意图，该光纤由围绕着纤芯的内部区域1，椭圆微孔阵列组成的包层区域3，以及由有机聚合物组成的光纤涂层区域4组成，包层中的微孔8近似为椭圆形，椭圆的短轴平行于纤芯5中心与微棒6中心的连线方向(称之为Y轴)，椭圆的长轴沿着X轴方向(垂直于Y轴)，椭圆微孔阵列布满整个包层。
图4为包层中的椭圆微孔排列成矩形阵列的微结构光纤横截面示意图，该光纤由围绕着纤芯的内部区域1，椭圆微孔阵列组成的包层区域3，纯石英玻璃包层区域9，以及有机聚合物组成的光纤涂层区域4组成，包层中的微孔8近似为椭圆形，椭圆的短轴平行于纤芯5中心与微棒6中心的连线方向(称之为Y轴)，椭圆的长轴沿着X轴方向(垂直于Y轴)，椭圆微孔分布为以纤芯为对称中心的矩形阵列。
图5为包层中的圆形微孔排列成矩形阵列的微结构光纤横截面示意图，该光纤由透明的石英玻璃材料组成的纤芯5，圆形微孔阵列组成的包层区域3，纯石英玻璃包层区域9，以及有机聚合物组成的光纤涂层区域4组成，微孔8近似为圆形，圆形微孔在包层区域3中的分布为以纤芯为对称中心的矩形阵列。
图6表示围绕纤芯的内部区域1的横截面放大示意图，其中5为纤芯区，由透明的石英玻璃材料组成，纤芯区材料可以是纯石英玻璃，也可以是掺杂的石英材料，例如掺锗或稀土元素；6为掺杂有与石英玻璃热膨胀系数不同的例如三氧化二硼材料应力区，两个应力区分别位于纤芯区两侧，以产生附加的应力双折射；在不需要产生附加应力双折射情况下，区域6也可以为纯石英玻璃材料制造；7为纯石英玻璃材料。
为制造具有如图1所示截面结构的本发明双折射微结构光纤，采用高纯石英玻璃管在拉丝塔上拉制成不同规格的圆形石英微孔管和石英微棒。将直径为2.00mm的1根实心石英芯棒或掺杂锗或稀土元素的实心石英芯棒、2根直径为1.75mm的掺杂B2O3玻璃棒、4根直径为1.75mm的实心纯石英玻璃棒按照图6的方式组合成图1微结构光纤横截面示意图中的区域1。将壁厚为0.50mm和外径为5.50mm的圆形石英微孔管，和壁厚规格为1.50mm外径为5.50mm的圆形石英微孔管，聚束成图1所示的阵列结构，即包层微孔形成六边形阵列，包层区域2与纤芯区域1形成“类8字型”结构，阵列层数为11层，底层为6根微孔管，中间层为10根微孔管与区域1组成，然后将其安置并固定在规格为外径为68.00mm壁厚为3.00mm的纯石英管中。在拉丝设备上进行拉丝，调整石墨炉体的温度于2150℃左右，石英微棒和石英微孔管集束熔融玻璃体的粘度在106泊范围内，既保证玻璃软化提供一定的粘度以便预制棒能够变形并拉成纤维；又要求熔融玻璃的粘度不能过低，以免光纤预制棒内部的微孔在表面张力作用下崩塌变形乃至闭合，经过合适的拉丝工艺拉制成预定外径的微结构光纤。该结构光纤制造过程中，采用外径相同、壁厚不同的石英管，以便在阵列排列时方便操作，同时实现包层区域中的不同直径的微孔组合，形成相互垂直方向上的有效折射率的差异，从而得到较高的形状双折射。区域1组合后的直径略小于或等于包层微孔管的外直径，以便易于排布微孔管阵列。
为制造具有如图2所示截面结构的本发明双折射微结构光纤，采用高纯石英玻璃管在拉丝塔上拉制成不同规格的圆形石英微孔管和石英微棒。将直径为1.30mm的1根实心石英芯棒或掺杂锗或稀土元素的实心石英芯棒、2根直径为1.10mm的掺B2O3玻璃棒、4根直径为1.1mm实心纯石英玻璃棒按照图6的方式组合成图2微结构光纤横截面示意图中的区域1。将壁厚为0.50mm和外径为3.50mm的圆形石英微孔管，和外径为3.50mm壁厚为1.10mm的圆形石英微孔管，聚束成图2所示的阵列结构，即包层微孔形成六边形阵列，包层区域2与纤芯区域1形成“类H字型”结构，阵列层数为19层，底层为10根微孔管，中间层为18根微孔管与区域1组成，将其安置并固定在外径为73.00mm壁厚为3.00mm的纯石英管中。在拉丝设备上进行拉丝，调整石墨炉体的温度于2150℃左右，拉丝成预定外径的双折射微结构光纤。
为制造具有如图3所示截面结构的本发明双折射微结构光纤，将直径为2.10mm的1根实心石英芯棒或掺杂锗或稀土元素的实心石英芯棒、2根直径为1.90mm的掺B2O3玻璃棒、4根直径为1.90mm实心纯石英玻璃棒按照图6的方式组合成图3微结构光纤横截面示意图中的区域1。将外径为6.00mm的圆形石英微孔管，其内孔为椭圆形，椭圆孔的长轴为4mm，椭圆孔的短轴为2.5mm，聚束成图3所示的阵列结构，即椭圆的短轴平行于纤芯5中心与微棒6中心的连线方向，称之为Y轴，椭圆的长轴沿着垂直于Y轴的X轴方向，椭圆微孔的分布为以纤芯为对称中心的近似六边形阵列，阵列层数为11层，底层为6根微孔管，中间层为10根微孔管与内部区域1组成，将其安置并固定在外径为73.00mm壁厚为3.00mm的纯石英管中。在拉丝设备上进行拉丝，调整石墨炉体的温度于2150℃左右，拉丝成预定外径的微结构光纤。
为制造具有如图4所示截面结构的本发明双折射微结构光纤，将直径为2.10mm的1根实心石英芯棒或掺杂锗或稀土元素的实心石英芯棒、2根直径为1.90mm的掺B2O3玻璃棒、4根直径为1.90mm实心纯石英玻璃棒按照图6的方式组合成图4微结构光纤横截面示意图中的区域1。将外径为6.00mm的圆形石英微孔管，其内孔为椭圆形，椭圆孔的长轴为4mm，椭圆孔的短轴为2.5mm，聚束成图4所示的阵列结构，即椭圆的短轴平行于纤芯5中心与微棒6中心的连线方向，称之为Y轴，椭圆的长轴沿着垂直于Y轴的X轴方向，椭圆微孔的分布为以纤芯为对称中心的矩形阵列，阵列层数为7层，中间层为8根微孔管与内部区域1组成，其余6层均为9根微孔管，将其安置并固定在外径为73.00mm壁厚为3.00mm的纯石英管中，矩形阵列与石英管之间适当填充实心石英微棒以形成纯石英包层9。在拉丝设备上进行拉丝，调整石墨炉体的温度于2150℃左右，拉丝成预定外径的微结构光纤。
为制造具有如图5所示截面结构的本发明双折射微结构光纤，将直径为2.10mm的1根实心石英芯棒或掺杂锗或稀土元素的实心石英芯棒、2根直径为1.90mm的掺B2O3玻璃棒、4根直径为1.90mm实心纯石英玻璃棒按照图6的方式组合成图5微结构光纤横截面示意图中的区域1。将外径为6.00mm的圆形石英微孔管，其内孔为圆形，圆孔直径为3mm，聚束成图5所示的矩形阵列结构，圆形微孔的分布为以纤芯为对称中心的矩形阵列，阵列层数为7层，中间层为8根微孔管与内部区域1组成，其余6层均为9根微孔管，将其安置并固定在外径为73.00mm壁厚为3.00mm的纯石英管中，矩形阵列与石英管之间适当填充实心石英微棒以形成纯石英包层9。在拉丝设备上进行拉丝，调整石墨炉体的温度于2150℃左右，拉丝成预定外径的微结构光纤。图5中没有如同图1至4那样详细绘制内部区域1的具有结构，而实际上图5所示实施例的内部区域1具有与图6所示相同的具体结构。
为了方便将石英微棒与石英微孔管按照需要的阵列形状进行排列，上述石英微棒与石英微孔管截面的外轮廓除了圆形之外，还可以加工成为椭圆形、矩形、四边形、六边形及其它多边形等形状。
上述附图仅仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。
Claims (10)
1.一种双折射微结构光纤，其光纤截面的结构分布如下：
内部区域，其中包含石英纤芯区；
内包层区域，由石英材料形成，位于内部区域外围，其中包括近似圆形的内层微孔，内层微孔围绕内部区域呈现类似8字形分布或类似H字形分布，以产生形状双折射；
外包层区域，由石英材料形成，位于内包层区域外围，其中包括近似圆形的外层微孔；
内层微孔直径小于或等于外层微孔直径的70％；
涂层区域，由有机聚合物组成，环绕在外包层区域外围。
2.一种双折射微结构光纤，其光纤截面的结构分布如下：
内部区域，其中包含石英纤芯区；
包层区域，由石英材料形成，位于内部区域外围，其中包括近似椭圆形的微孔，椭圆形长轴沿水平方向排列和短轴沿垂直方向排列，以产生形状双折射；
涂层区域，由有机聚合物组成，环绕在外包层区域外围。
3.根据权利要求2的双折射微结构光纤，其特征在于包层区域内，近似椭圆形微孔分布在内部区域与涂层区域之间的全部包层区域内，椭圆微孔的短轴长度小于或等于长轴长度的60％。
4.根据权利要求2的双折射微结构光纤，其特征在于包层区域内，近似椭圆形微孔分布在内部区域与涂层区域之间的包层区域内并排列成为矩形阵列，该矩形阵列沿椭圆形长轴方向的长度大于沿椭圆形短轴方向的长度，微孔沿着矩形水平方向的数量或密度高于垂直方向，以增强形状双折射。
5.一种双折射微结构光纤，其光纤截面的结构分布如下：
内部区域，其中包含石英纤芯区；
包层区域，由石英材料形成，位于内部区域外围，其中包括近似圆形的微孔，近似圆形微孔分布在内部区域与涂层区域之间的包层区域内并排列成为矩形阵列，该矩形阵列的沿水平方向的长度大于沿垂直方向的长度，微孔沿着矩形水平方向的数量或密度高于垂直方向，以产生形状双折射；
涂层区域，由有机聚合物组成，环绕在外包层区域外围。
6.根据权利要求1、2、5之一的双折射微结构光纤，其特征在于该所述光纤的内部区域中，形成石英纤芯区的石英材料内可掺杂锗或稀土元素。
7、根据权利要求1、2、5之一的双折射微结构光纤，其特征在于该所述光纤至多具有二重旋转对称轴。
8.根据权利要求1、2、5之一的双折射微结构光纤，其特征在于该所述光纤的内部区域中，石英纤芯区上、下两侧具有应力区，该应力区内的石英材料中掺杂有与石英材料热膨胀系数不同的材料，如三氧化二硼，以产生应力双折射。；
9.一种双折射微结构光纤制造方法，该方法步骤：
将纯的或掺杂的石英预制棒拉制成石英微棒；
将纯的或掺杂的石英预制棒加工成具有圆形或椭圆形内孔的孔管，然后拉制成石英微孔管，所形成的石英微孔管也具有类似圆形或类似椭圆形的内孔；
将石英微棒和石英微孔管截面外轮廓加工成圆形或椭圆形或四边形或六边形的外形结构；
将石英微棒和石英微孔管排布组合成矩形或六边形形状的阵列；
将排布成阵列的石英微棒和石英微孔管束缚在石英套管中以形成集束，或者采用粘合剂或夹具夹持石英微棒和石英微孔管的组合以形成集束；
将石英微棒与石英微孔管组成的集束拉丝以生产纤芯外包层内具有微孔的微结构光纤，在拉丝工艺过程中控制石墨炉体温度，既要求所述石英微棒与石英微孔管组合成的集束被熔融并具有粘度以便所述集束能够变形并被拉制成微结构光纤，又要求熔融后所述集束材料的粘度足够大，以免石英微孔管内部的微孔崩塌闭合，为此控制石墨炉体的温度为2150℃左右并使所述集束的粘度保持在106泊。
10.根据权利要求9的制造方法，其特征在于形成纤芯区的石英预制棒中掺杂锗或稀土元素，形成应力区的石英预制棒中掺杂三氧化二硼(B2O3)，然后被拉制成为石英微棒，组合形成石英微棒与石英微孔管集束时，形成纤芯区的一根锗或稀土元素掺杂石英微棒两侧各排列一根形成应力区的掺杂三氧化二硼(B2O3)的石英微棒。。
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