CN1583617A - 一种制备光子晶体光纤的方法及该方法所使用的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备光子晶体光纤的方法及该方法所使用的装置，该方法在一个预先确定尺寸的玻璃套管内，将若干根细玻璃管根据一定的规则排列成特定的结构，形成光子晶体光纤预制棒，细玻璃管比玻璃套管和细玻璃棒或细玻璃丝长，在拉制时，光纤预制棒一端放入本发明的装置中，该装置对光纤预制棒进行压力控制，即对玻璃套管内抽真空，对细玻璃管通入10^－1毫巴(mbar)数量级气压的气体。

Description

一种制备光子晶体光纤的方法及该方法所使用的装置

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤的制备方法及该方法所使用的装置，特别涉及该光纤预制棒的制备方法和拉制控制装置。

背景技术

光子晶体光纤(photonic crystal fiber；PCF)是一个新兴的研究领域，光子晶体光纤又被称为多孔光纤(Holey Fiber)和微结构光纤(Micro-structured Fiber)。它由晶格常数为光波长量级的二维光子晶体构成的，即规则排列着空气孔的二氧化硅光纤阵列构成光纤的包层，光纤的核心是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔。这种结构沿光纤轴向保持不变。继1987年S.John和E.Yablonovitch教授创造性地提出了光子晶体的概念之后，P.Russell教授于1991年首次独到地提出了具有规则微结构的光子晶体光纤的概念。1996年，P.Russell教授实验室的J.C.Knight博士等人研制成功了世界上第一根光子晶体光纤；1998年，J.C.Knight等人又利用蜂窝形空气洞分布的结构制造出基于光子带隙限制效应导光的光子晶体光纤，即光子禁带光纤(PBG光纤)；1999年，R.F.Cregan博士等人又制造出了光在空气纤芯中单模传播的光子晶体光纤，这种光纤利用光子带隙限制效应把光限制在了低折射率的空气纤芯中。光子晶体光纤表现出许多奇异的特性，如无波长限制单模传输、大芯径单模传输、近乎理想的色散可控、丰富强烈的非线性效应及非线性可控、超强双折射效应、带隙限制空芯导光和超长距离传输等。这些奇异的特性，除了可以用于新一代光通信之外，还可以用于微操作光镊、飞秒激光的压缩与产生、高精度光学计量、光与物质相互作用特殊环境构建、各种气体性质研究、超小型X光分析仪等领域，发展前景异常广阔。

光子晶体光纤是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构，如果其中1个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内传播。目前，采用细玻璃管拉制(capillary drawing)方法，国外同行已经制造出损耗为0.58dB/km的全反射型光子晶体光纤和损耗为1.73dB/km的光子带隙限制型光子晶体光纤。

光子晶体光纤的设计自由度很大，如空气孔的孔径、形状和孔间距，缺陷区的形状和大小，缺陷区的填充材料选择，包层区材料选择等等。有了这些自由度，可以根据不同应用设计出具有不同模式特性、不同非线性、不同带隙、不同色散和不同双折射特性的光子晶体光纤。若保持包层结构，仅改变中心区缺陷的尺寸，便可精密调节中心缺陷处的模式频率。若仅仅改变空气孔的孔径与孔距的比率，使得孔的比率小于0.2，便能使光子晶体光纤具有永无休止的单模传输特性；再者，通过加大芯区直径，便可在保持单模传输的同时，提高传输能量。此外，通过在空气孔中填充气体或低折射率液体，便可得到可控的非线性效应。

有关光子晶体光纤制备的情况鲜有报道。光子晶体光纤的制备工艺一般也是先做预制棒，然后在高温下进行拉制。通常是将一定数量的毛细空心管按需要堆叠起来，装入一个较大的空芯管中，形成预制棒。光子晶体光纤的制作方法和普通光纤的主要差别在于预制玻璃棒的横截面结构。拉制普通光纤的预玻璃棒横截面结构与细丝光纤相同而拉制光子晶体光纤的预玻棒是一束紧密排列的石英细玻璃管。这种有小气孔的二维“晶体”在纤维中从头至尾延伸，多次复制这种石英细玻璃管的排列，便可拉制出符合要求的孔距的光子晶体光纤。堆积方式可以采用三角形，也可以是蜂窝形。光子晶体光纤的纤芯是通过先打孔再填充同种材料而形成。最后，采用传统的拉制方式拉制成光纤。这种方法的优点是可以方便地控制石英细玻璃管的大小和形状以及排列方式，制成不同的预制棒，进而拉制成不同结构和特性的光子晶体光纤。

英国Bath大学研制的全内反射光子晶体光纤的制作过程分为三步。第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构：首先选用直径为30mm的石英棒为原材料，然后沿石英棒轴线方向钻一个直径为16mm的孔。接着将石英棒磨成一个正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝塔上拉制成直径为0.8mm的六角形细棒，拉丝温度在2000℃左右。第二步是形成光子晶体结构：将六角形细棒按三角形或蜂窝形堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝塔上拉制成空气孔孔距为50μm的细丝。接着再把这些细丝切断并再次堆积成三角形或蜂窝形结构，其中心用一根直径完全相同的实芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。第三步是复制堆积拉丝过程，最终拉制成2μm空气孔孔距的光纤。在上面的三次拉丝过程中细棒堆熔合在一起，同时棒间距不断缩减，缩减因子超过104。

Ranka J.K在Optics and Photonics News，2000，11中介绍了线性光子晶体光纤的制作情况，他们是在包层中规则排列着细小空气孔(晶格常数为μm数量级)的具有二维周期结构的细长的硅光纤，核心处引入一个多余的空气孔(孔的直径为1-7个周期长度)，或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替。从而在二维光子晶体中引入了一个“缺陷”作为核心。制作这种光纤是用几百根硅棒或硅管排列成阵列，然后从中心抽去7根，留下7个原胞尺寸的孔，或者在中心应该使用硅管的地方用硅棒代替，在约2000℃的温度下拉制成直径为40μm的光纤，其中包层中空气孔的直径为亚微米，间隔为几个微米，最初制作的光纤只是由硅管简单排列成六角阵列的空气孔，但是这种光纤几乎很难观测到导向光，后来改为蜂窝状结构，在大中心孔中观察到导向光，棒(管)与棒(管)之间的附加小孔对带隙波长有小的影响。

在专利文献方面，现在所公开专利技术的仅仅涉及光子晶体光纤结构和应用方面，而很少见到光子晶体光纤制造方法方面的技术内容。其中，申请号03108233.5的中国专利提及的微结构制造方法包括将预定数量由石英玻璃制成的具有预先确定内径和外径的细玻璃管，和一或多个由石英玻璃制成的直径不同于的细玻璃管直径的棒集成束。

目前，世界上制备光子晶体光纤的工艺主要如前述有两大类：一是石英棒沿轴线方向钻孔，并将石英棒磨成一个正六棱柱，反复拉制成六角形细棒，将六角形细棒按一定形状堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝塔上拉制，附图1给出了玻璃棒钻孔制备法示意图；其二是采用细玻璃管按一定形状堆积起来形成所要求的晶体结构，中间缝隙也可以用细丝填充，套管后在光纤拉丝塔上拉制，附图2为细玻璃管堆积制备法示意图。以上两种制备光子晶体光纤工艺方法存在明显的缺陷，主要是整个制备过程都不控制压力，完全靠控制拉丝温度来调节光子晶体光纤空气孔的收缩率，因此拉丝温度的影响因子太大，拉丝温度过高则会导致光纤空气孔的收缩率很难控制，容易导致光纤空气孔部分或全部都闭合，由于在堆积光子晶体结构时，人为因素引起的光子晶体堆积的结构与设计情况有偏差，以上因素都可能会在光纤内引入不必要的缺陷，导致光纤的损耗大幅度增大，甚至会出现由于工艺原因使得设计出的光子晶体结构无法实现，或者最终拉制的不是光子晶体光纤。

即使在制备光子晶体光纤时没有发生上述情况，也会存在制备过程复杂的问题，特别对于光子禁带光纤而言。众所周知，光子禁带光纤在芯层周围规则地分布许多小孔，为了保证光子禁带现象出现，最终拉制的光纤不仅需要较大的占空比d/Λ(至少大于15％，一般要求大于40％)，而且小孔的直径要求相当小，尺寸精度对光子禁带光纤尤为重要。光纤的表面张力与光纤空气小孔的大小密切相关，随光纤空气小孔在拉制时变小，其表面张力显著增大，要保持占空比d/Λ在较大的水平和合适的光纤空气小孔尺寸，难度相当大。

有时在制备光子晶体光纤预制棒的时候，细玻璃管之间空隙需要用细玻璃丝或细玻璃棒填充，拉制时只通过控制拉丝温度来控制光纤形状和尺寸，这时就需要拉丝温度不能太高，保持光纤黏度足够大，光纤的断面形状与预制棒的断面形状一致。拉丝温度低可能会导致下列情况发生：细玻璃管之间空隙不闭合、空气小孔形状变形，拉丝张力太大而导致的拉丝速度太慢等等。

目前光子晶体光纤还有一个无法克服的问题是光纤的损耗较大，原因为在光纤制造工艺中引入的不必要缺陷和制造过程中引入的外界污染。这些原因影响了光子晶体光纤的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备光子晶体光纤的方法及该方法所使用的装置，以克服现有技术的缺陷，使得制备过程更容易控制。

首先解释本发明的技术原理。在常规光纤预制棒拉丝过程中，光纤预制棒加热熔融后部分可以称为熔体，按二维轴向对称几何形状处理。光纤预制棒拉丝过程同时涉及到熔体流动和传热。流动通常取决于玻璃熔体的牛顿行为，即可假设流动速度与所受应力严格成正比。玻璃散热较慢，它控制着整个流程，玻璃的初始黏度应足够高以阻止在重力作用下的过度流动，但又不能太高以致在玻璃熔体冷却时需要很大的施加力才能成形。在成形期间，随着玻璃熔体的快速冷却，熔体温度和黏度的急剧变化及复杂的几何尺寸使得拉丝的物理过程分析复杂。

利用动力学原理简单分析拉丝过程，在认为玻璃熔体满足牛顿学和不可压缩的条件下，其动力方程如下所示：

·u=0

$\mathrm{\ρ}(\frac{\∂u}{\∂t}+u\·\▿u)=-\▿\mathrm{\ρ}+\▿\·\left[\mathrm{\μ}(\▿u+{\▿u}^T)\right],----\left(1\right)$

式(1)中ρ和μ分别为熔体的密度和黏度。由于重力对细丝的作用非常小，在式(1)忽略了重力的影响。玻璃的黏度公式如下所示：

$\mathrm{\μ}\left(T\right)={10}^7\exp \left[32(\frac{T_{\mathrm{melt}}}{T}-1)\right]----\left(2\right)$

式(2)中T_melt为玻璃的熔点。由式(2)可见玻璃的黏度与温度直接相关。由于拉丝过程不用模子同时又对尺寸要求非常精确，则必须严格控制玻璃的黏度和其它主要参数。

在光子晶体光纤预制棒拉丝过程中式(1)和式(2)同样适用，具体操作时还要考虑中间每个细玻璃管在收缩时内表面的表面张力与补偿气体的压力之间的平衡问题。

熔化的玻璃属于理想的牛顿型液体，若拉制在相当高的黏度和压力下进行，会缩小表面张力的影响，能拉制出许多形状并能保持截面，但尖角稍许变钝。对光子晶体光纤，保持其截面不变形非常重要。根据式(2)可知，黏度高则拉制的温度需要降低，这样使得工艺过程难以控制，如拉制的温度降低会导致光纤张力增加，高速拉丝将受到限制。

因此，对光子晶体光纤拉丝过程来说，通过控制压力是不错的途径。光子晶体光纤拉丝过程中表面张力因素的影响非常大，玻璃体由于表面张力引起的压力差或过剩压力ΔP表达式如下：

ΔP＝σ(1/a+1/b)           (3)

式(3)中σ为表面张力或界面张力，a和b分别为弯曲表面的主半径。当μ较大或半径小时，玻璃体达到平衡形状取决于剪切速率。由式(3)可知，在细玻璃管的内外直径都很大时，

ΔP很小，在内外直径都很小时，ΔP将变得很大。

具体分析光子晶体光纤预制棒中的每一个细玻璃管，在拉制过程中，细玻璃管的收缩速度为：

da/dt＝a²ΔP/4wμ            (4)

式(4)中a为细玻璃管外径，w为管壁厚，ΔP为表面张力引起的压力差。结合式(3)和式(4)，在细玻璃管内外直径缩小时，ΔP增大，管的收缩速度随之增大，此时非常容易导致细玻璃管闭合。为了使细玻璃管直径较小时降低管的收缩速度，人为施加一个反向附加压力，使得压力差减小，将式(4)变为：

da/dt＝a²(ΔP-ΔPa)/4wμ           (5)

式(5)中ΔPa为反向附加压力。

对细玻璃管之间的可能缝隙来说，其尺寸较小，人为施加一个正向附加压力，将使得压力差增大，式(5)变为：

da/dt＝a²(ΔP+ΔPa)/4wμ            (6)

从而在拉制过程中缝隙收缩速度加快，缝隙完全闭合。

本发明的一种制备光子晶体光纤的装置，其结构包括：

加压罩，为一端开放另一端封闭的筒型，开放端周边设置有法兰盘，用于与插盘、真空罩固定在一起，从开放端容纳细玻璃管，封闭端上设置了连通气压控制装置的通气孔，当光纤预制棒被拉丝时，细玻璃管的不封闭端插入加压罩内，通过对加压罩内施加一定的气压，保证在光纤预制棒拉丝过程中细玻璃管内保持10^-1毫巴(mbar)数量级的气压；

真空罩，为一端开放的筒型，在筒型另一端具有端面，该端面周边设置了法兰盘，用于与插盘、加压罩固定在一起，端面上设置插孔，用于插入细玻璃管，光纤预制棒的玻璃套管不封闭的一端插入真空罩筒型结构内并与筒型结构密封在一起，使玻璃套管和真空罩共同形成气密的封闭空间，当光纤预制棒被拉丝时，对该气密的封闭空间抽真空，以保证拉丝时光纤预制棒的玻璃套管内和细玻璃管之间缝隙保持真空状态；

插盘，为具有一定厚度的盘型，盘面上设置有插孔，用于插入直径1至10毫米的细玻璃管形成细玻璃管集束，插孔直径和排列方式依据所需要的光纤中光子晶体排列方式和气孔直径而选择，真空罩和插盘上的插孔直径、位置和数目均相同，插盘面周边设置有法兰盘，用于将插盘与加压罩、真空罩固定在一起，在插盘与加压罩之间形成气密的空间，该气密空间与细玻璃管内连通；

压力控制装置，通过加压罩上的通气孔与加压罩连通，用于控制加压罩内的气体压力；

真空泵导管，为玻璃材料的细管，一端通过一通孔与光纤预制棒玻璃套管内孔连通，另一端连通真空泵；

真空泵，用于对光纤预制棒的玻璃套管和真空罩共同形成的气密空间抽真空；

密封圈，用于细玻璃管穿过插盘盘面上插孔与真空罩端面上插孔时密闭细玻璃管与插孔之间的缝隙，保证光纤预制棒玻璃套管和真空罩共同形成的气密空间与加压罩和插盘共同形成的气密空间之间相互气密隔离；

固定后，各个部件的连接顺序为加压罩下为插盘、插盘下为真空罩、真空罩下为玻璃套管，细玻璃管穿过真空罩、插盘上的插孔伸入到加压罩内。

本发明的上述制备光子晶体光纤的装置，其特征在于：在真空罩与光纤预制棒玻璃套管之间设置有一个或多个密封垫圈，在真空罩与插盘之间设置有密封垫圈，在加压罩与插盘之间设置有密封垫圈，加压罩、插盘和真空罩的法兰盘上都设置有螺栓孔，上述三部件以螺栓方式固定安装在一起，使加压罩和插盘共同形成与细玻璃管内部连通的施加一定气体压力的气密空间，使真空罩和玻璃套管共同形成被抽真空的气密空间。

本发明的上述制备光子晶体光纤的装置，其特征在于：在光纤预制棒玻璃套管内的细玻璃管之间和细玻璃管与玻璃套管之间填充细玻璃棒或细玻璃丝，细玻璃棒或细玻璃丝与真空罩端面间的距离大于真空泵导管与玻璃套管之间通孔到真空罩端面的距离。

本发明的上述制备光子晶体光纤的装置，其特征在于：加压罩、插盘和真空罩使用聚四氟乙烯或陶瓷或具有防腐蚀性能的的金属制造或其它防腐蚀和耐热的合适材质制造。

本发明的上述制备光子晶体光纤的装置，其特征在于：所述压力控制装置包括气体输送管道、质量流量计、压力控制器和气体泄放管道。

本发明的一种制备光子晶体光纤的方法，该方法包括下列步骤：

将外径1至10毫米的细玻璃管按照所需要的光子晶体形状排列成点阵并插入插盘中，形成细玻璃管集束；

将排列成点阵的细玻璃管集束放置在玻璃套管内，玻璃套管的长度被选择小于细玻璃管的长度；

将加压罩与插盘密封接合，使细玻璃管的一端进入加压罩内；

将加压罩与压力控制装置连通；

将真空罩与玻璃套管密封接合，使真空罩与玻璃套管形成气密空间；

利用密封圈使细玻璃管与插盘上插孔、真空罩插孔之间密封隔离，使加压罩与真空罩之间相互气密隔离；

将真空泵导管通过玻璃套管侧壁的孔与玻璃套管连通；

将真空泵导管与真空泵连通；

密封玻璃套管与细玻璃管集束形成的光纤预制棒未放置入真空罩中的自由端，使得该端的玻璃套管和细玻璃管内孔闭合；

利用压力控制装置向加压罩内输入气体，使细玻璃管内保持10^-1毫巴(mbar)数量级的气压；

利用真空泵对玻璃套管内抽真空，使玻璃套管内保持真空状态；

将玻璃套管与细玻璃管集束形成的光纤预制棒加热并拉丝成为所需要直径的光子晶体光纤。

本发明的上述制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：利用细玻璃棒或细玻璃丝填充细玻璃管集束内细玻璃管之间和细玻璃管与玻璃套管之间的空隙。

本发明的上述制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：所述细玻璃管、玻璃套管、细玻璃棒和细玻璃丝可以全部或部分使用纯石英玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、氟化物玻璃，或使用以上述玻璃材料为基质的掺杂玻璃。

本发明的上述制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：所述掺杂玻璃中掺杂物质为化合物，如锗或磷或硼或氟或铝的化合物或稀土化合物。

本发明的上述制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：加压罩内通入的气体为净化空气或氮气或氩气或氦气或二氧化碳气体或根据性能要求通入的其它气体。

本发明的上述制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：细玻璃管可以由更粗的高纯度玻璃管在拉丝机或其他设备上反复拉制得到，也可以直接使用合适尺寸的细玻璃管。

本发明的有益效果有如下几个方面：第一，不采用现有光子晶体光纤制备方法中在实心预制棒上钻孔的做法，使得光纤制备程序更简单易操作，并避免了由于在实心预制棒上机械钻孔而导致应力存在以及污染，在拉制之前通过氢氟酸、氟利昂系列气体或SF6气体腐蚀其内表面，提高成品率，显著降低光纤损耗。第二，不采用现有光子晶体光纤制备方法中将细玻璃管按三角形或蜂窝状堆积后拉丝的做法，简化工艺复杂程度，并避免制备过程中出现光纤剖面结构变形。第三，特别对制备光子禁带光纤有着非常明显的优势，实现对光纤尺寸精确控制，能够保证光纤轴向上的一致性。第四，可以根据不同光纤结构，灵活设计特定控压装置。第五，拉制过程中不降低温度，可以实现高速拉丝。

附图说明

图1为现有技术的玻璃棒钻孔制备法示意图；

图2为现有技术的毛细玻璃管堆积制备法示意图；

图3为现有技术制造出的光子晶体光纤截面示意图；

图4为本发明方法所使用的光纤预制棒拉制设备总体结构的示意图；

图5为本发明的光纤制备装置详细结构和光纤预制棒局部结构的示意图；

图6为本发明的光纤制备装置中细玻璃管排列方式的示意图；

图7为本发明的第一实施例使用的插盘以及插孔的示意图；

图8为本发明的第一实施例使用的插盘及细玻璃管组合的立体示意图；

图9为本发明的第二实施例使用的另一种插盘以及插孔的示意图。

具体实施方式

图4中各个附图标记所代表的具体结构如下：41为光纤预制棒，42为加热炉，5为本发明的装置，图4中压力控制装置56的各个子装置为气体输送管道561、质量流量计562、压力控制器563和气体泄放管道564，58为真空泵。图5中各个附图标记所代表的具体结构为：51为筒状加压罩，52为真空罩，53为插盘，54为玻璃套管，55为插孔，56为压力控制装置，57为连接真空泵和玻璃套管的真空泵导管，58为真空泵，59为填充细玻璃棒或细玻璃丝。

首先详细描述本发明的光子晶体光纤制备方法的具体各个步骤：将一定尺寸的高纯度玻璃管在拉丝机或其他设备上拉制成细玻璃管，按一定长度截断后，再在拉丝机或其他设备上拉制成更细的玻璃管，反复多次，直至得到合适尺寸的细玻璃管，根据需要细玻璃管名义外径一般控制在1～10mm范围内。也可以直接使用成品细玻璃管。在一个预先确定内径和外径的玻璃套管内，将若干根前述细玻璃管根据一定的规则排列成特定的结构，形成光子晶体光纤预制棒。细玻璃管之间以及与玻璃套管的缝隙根据需要可以用高纯度实心细玻璃棒或细玻璃丝填充。光纤预制棒的玻璃套管一端不密封，细玻璃管比玻璃套管和细玻璃棒或细玻璃丝都长。玻璃套管另一端可密封。光纤预制棒拉制时，玻璃套管未密封的一端放入真空罩中，所有的细玻璃管的一端插入加压罩内并密封，拉制或拉拔时本发明装置的压力控制装置通过气体对所有的细玻璃管进行压力控制，即加压罩内通入净化空气或氮气或氩气或氦气或二氧化碳气体或根据性能要求通入其它气体。光纤预制棒在制备时，所有细玻璃管穿过附图5的该装置中真空罩52和插盘53上的插孔55，进入加压罩内的空间A部分，保证空间A部分的压力和光纤预制棒中细玻璃管内的压力一致。由于细玻璃管中需要的压力补偿非常小，气体压力控制装置控制的压力范围需要保持在毫米汞柱数量级以下，否则会引起光纤内空气小孔的直径无法控制。玻璃套管上靠近该真空罩附近设置有一个通孔的细玻璃管，即真空泵导管，该细玻璃管一端连接到玻璃套管内壁，另外一端连接到真空泵，拉制时空间B部分被真空泵抽取真空，使得形成光纤的细玻璃管之间的可能缝隙完全闭合。

其次详细描述本发明的光子晶体光纤制备方法所使用的装置。图5所示的本发明装置为图4所示光纤预制棒拉制设备总结构的一部分。本发明的装置包括：一个筒状加压罩51；端面上带很多插孔的真空罩52和插盘53，真空罩52和插盘53端面上插孔的直径、位置和数目均相同。它们将装置内空间分为如图所示的A和B两个部分。真空罩52、插盘53与加压罩51之间通过密封圈来密封。玻璃套管54可以放入真空罩52的内孔中，真空罩52的内孔与玻璃套管54紧贴，同样通过密封圈来密封。加压罩51顶部有一套压力控制系统56，通过气体对所有的细玻璃管进行压力控制。图5中，真空罩下方光纤预制棒的玻璃套管上有一个通孔和与之相连通的细玻璃管，即真空泵导管57，该细玻璃管一端连通到玻璃套管内，另外一端连接到真空泵58，保证图5中的空间B部分能被真空泵58抽取真空，使细玻璃管之间的可能缝隙完全闭合。该装置中真空罩52和插盘53的端面上按照一定规则布满特定直径的插孔，真空罩52和插盘53端面上的插孔在轴线上的投影完全重合，根据光纤预制棒不同结构设计需要设置插孔55的直径、位置和数目。插孔的直径比穿过它的细玻璃管外径大0～10％，以便制备时更易操作。真空罩52和插盘53之间的每个插孔都有一个以上的密封圈，密封圈的直径是根据插孔的直径和细玻璃管外径来决定的，需要保证空间A和B两部分之间相互气密隔离，使得空间A和B两部分的压力可以不同。插盘53放置于真空罩52和筒状加压罩51之间，用密封圈密封，然后用螺栓或紧套紧固，也可以是其它紧固件。真空罩52与玻璃套管之间使用密封圈加以密封，由自紧螺母或其它方式紧固。为了不影响图5的更清晰表达，自紧螺母或其它方式紧固没有在图中表示。筒状加压罩51、真空罩52和插盘53的材质优选聚四氟乙烯、陶瓷或具有防腐功能的金属，以防止腐蚀装置，也可以采用其它防腐和耐高温的合适材料制造。

为了更详细地说明本发明，下面将描述使用图5所示的本发明装置制备具有特定光子晶体结构的光纤的具体实例。

第一实施例

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细玻璃管和细玻璃棒。将壁厚为1.0mm、外径为4.5mm和长度为1000mm的圆形石英细玻璃管(即石英细玻璃管规格为φ4.5×1.0)，插入附图5所示的真空罩52和插盘53上的圆形插孔中，插孔呈六边形点阵，点阵层数为7层，也就是石英细玻璃管呈六边形点阵，点阵层数为7层，中间层为细玻璃管，每根细玻璃管在真空罩52和插盘53之间放置φ3.0mm的密封圈来密封。细玻璃管在空间A部分的长度不超过20mm，将筒状加压罩51、真空罩52和插盘53紧固后，用φ60.0×3.0mm纯石英玻璃套管54插入真空罩52中，与真空罩52的内孔正好密切结合，真空罩52与玻璃套管之间密封圈密封，由自紧螺母或其它方式紧固。纯石英玻璃套管54在紧固端附近有供抽真空的细玻璃管58，从玻璃套管另一敞口端根据需要插入细玻璃棒，以填充玻璃套管、每根细玻璃管之间的缝隙，细玻璃棒填充的长度不超过抽真空的细玻璃管58。将玻璃套管敞口端密封起来。这样玻璃套管54、一定结构的细玻璃管集合和填充细玻璃棒就构成了光子晶体光纤预制棒。

为了更好地理解本发明的意图，附图6为本实施例细玻璃管插入真空罩52和插盘53后的示意图，附图8为细玻璃管插入真空罩和插盘排列成预定光子晶体结构的立体示意图，图7为本实施例使用的插盘53的主视图和俯视图，这样能更好地解释本实施例插孔的排列设计方式。

将如图8所示排列为预定光子晶体结构的光纤预制棒安置在图4所示的设备中拉制光纤，拉丝过程中向图5所示的加压罩内通入氮气，保持微正压，真空泵对玻璃套管内抽取真空，拉丝温度控制在2150℃左右，黏度μ控制在5.0×10⁵dPa.s以下。

第二实施例

采用高纯氟化物玻璃管在拉丝塔上拉制成不同规格的圆形细玻璃管和细玻璃棒。将壁厚为1.5mm、外径为5.0mm，以及壁厚为1.0mm、外径为4.0mm，长度均为1000mm的氟化物石英细玻璃管，插入附图5所示的真空罩52和插盘53上的圆形插孔中，插孔呈六边形点阵，点阵层数为11层，也就是石英细玻璃管呈六边形点阵，点阵层数为11层，中间层为实心掺稀土细棒，内圈6层细玻璃管规格为φ4.0×1.0，外圈4层细玻璃管规格为φ5.0×1.5。每根细玻璃管在真空罩52和插盘53之间放置的合适尺寸密封圈来密封。细玻璃管在空间A部分的长度不超过20mm，，用φ88.0×4.0mm氟化物玻璃套管54插入真空罩52中，与真空罩52的内孔正好密切结合，真空罩52与玻璃套管之间用密封圈密封，由自紧螺母或其它方式紧固。氟化物玻璃套管54在紧固端附近有供抽真空的细玻璃管58，从玻璃套管另一敞口端根据需要插入氟化物细玻璃棒，以填充玻璃套管、每根细玻璃管之间的缝隙，细玻璃棒填充的长度不超过抽真空的细玻璃管58。将玻璃套管敞口端密封起来。这样玻璃套管54、一定结构的细玻璃管集合和填充细玻璃棒就构成了光子晶体光纤预制棒。

附图9为第二实施例中所使用插盘53的主视图和俯视图，这样能更好地解释第二实施例插孔的排列设计方式。

将如图9所示结构排列方式排列成型的光纤预制棒安置在图4所示的设备中，将图5所示的筒状加压罩51、真空罩52和插盘53紧固后，把装置和光子晶体光纤预制棒放到拉丝塔上拉制光纤。拉丝过程中加压罩内通入净化空气，保持微正压，真空泵对玻璃套管内抽取真空，拉丝温度控制不超过2000℃。

虽然结合目前认为最为实用和最佳的实施例对本发明进行了描述，不过本发明不限于所公开的实施例，还包括了所附权利要求精神和范围所包括的引申含义和变化。

Claims (11)

1.一种制备光子晶体光纤的装置，其结构包括：

加压罩，为一端开放另一端封闭的筒型，开放端周边设置有法兰盘，用于与插盘、真空罩固定在一起，从开放端容纳细玻璃管，封闭端上设置了连通气压控制装置的通气孔，当光纤预制棒被拉丝时，细玻璃管的不封闭端插入加压罩内，通过对加压罩内施加一定的气压，保证在光纤预制棒拉丝过程中细玻璃管内保持10^-1毫巴(mbar)数量级的气压；

真空罩，为一端开放的筒型，在筒型另一端具有端面，该端面周边设置了法兰盘，用于与插盘、加压罩固定在一起，端面上设置插孔，用于插入细玻璃管，光纤预制棒的玻璃套管不封闭的一端插入真空罩筒型结构内并与筒型结构密封在一起，使玻璃套管和真空罩共同形成气密的封闭空间，当光纤预制棒被拉丝时，对该气密的封闭空间抽真空，以保证拉丝时光纤预制棒的玻璃套管内和细玻璃管之间缝隙保持真空状态；

插盘，为具有一定厚度的盘型，盘面上设置有插孔，用于插入直径1至10毫米的细玻璃管形成细玻璃管集束，插孔直径和排列方式依据所需要的光纤中光子晶体排列方式和气孔直径而选择，真空罩和插盘上的插孔直径、位置和数目均相同，插盘面周边设置有法兰盘，用于将插盘与加压罩、真空罩固定在一起，在插盘与加压罩之间形成气密的空间，该气密空间与细玻璃管内连通；

压力控制装置，通过加压罩上的通气孔与加压罩连通，用于控制加压罩内的气体压力；

真空泵导管，为玻璃材料的细管，一端通过一通孔与光纤预制棒玻璃套管内孔连通，另一端连通真空泵；

真空泵，用于对光纤预制棒的玻璃套管和真空罩共同形成的气密空间抽真空；

密封圈，用于细玻璃管穿过插盘盘面上插孔与真空罩端面上插孔时密闭细玻璃管与插孔之间的缝隙，保证光纤预制棒玻璃套管和真空罩共同形成的气密空间与加压罩和插盘共同形成的气密空间之间相互气密隔离；

固定后，各个部件的连接顺序为加压罩下为插盘、插盘下为真空罩、真空罩下为玻璃套管，细玻璃管穿过真空罩、插盘上的插孔伸入到加压罩内。

2.根据权利要求1的制备光子晶体光纤的装置，其特征在于：在真空罩与光纤预制棒玻璃套管之间设置有一个或多个密封垫圈，在真空罩与插盘之间设置有密封垫圈，在加压罩与插盘之间设置有密封垫圈，加压罩、插盘和真空罩的法兰盘上都设置有螺栓孔，上述三部件以螺栓方式固定安装在一起，使加压罩和插盘共同形成与细玻璃管内部连通的施加一定气体压力的气密空间，使真空罩和玻璃套管共同形成被抽真空的气密空间。

3.根据权利要求1的制备光子晶体光纤的装置，其特征在于：在光纤预制棒玻璃套管内的细玻璃管之间和细玻璃管与玻璃套管之间填充细玻璃棒或细玻璃丝，细玻璃棒或细玻璃丝与真空罩端面间的距离大于真空泵导管与玻璃套管之间通孔到真空罩端面的距离。

4.根据权利要求1的制备光子晶体光纤的装置，其特征在于：加压罩、插盘和真空罩使用聚四氟乙烯或陶瓷或具有防腐蚀性能的金属或其它防腐蚀和耐热的合适材质制造。

5.根据权利要求1的制备光子晶体光纤的装置，其特征在于：所述压力控制装置包括气体输送管道、质量流量计、压力控制器和气体泄放管道。

6.一种制备光子晶体光纤的方法，该方法包括下列步骤：

将外径1至10毫米的细玻璃管按照所需要的光子晶体形状排列成为点阵并插入插盘中，形成细玻璃管集束；

将排列成为点阵的细玻璃管集束放置在玻璃套管内，玻璃套管的长度被选择小于细玻璃管的长度；

将加压罩与插盘密封接合，使细玻璃管的一端进入加压罩内；

将加压罩与压力控制装置连通；

将真空罩与玻璃套管密封接合，使真空罩与玻璃套管形成气密空间；

利用密封圈使细玻璃管与插盘上插孔、真空罩插孔之间密封隔离，使加压罩与真空罩之间相互气密隔离；

将真空泵导管通过玻璃套管侧壁的孔与玻璃套管连通；

将真空泵导管与真空泵连通；

密封玻璃套管与细玻璃管集束形成的光纤预制棒未放置入真空罩中的自由端，使得该端的玻璃套管和细玻璃管内孔闭合；

利用压力控制装置向加压罩内输入气体，使细玻璃管内保持10^-1毫巴(mbar)数量级的气压；

利用真空泵对玻璃套管内抽真空，使玻璃套管内保持真空状态；

将玻璃套管与细玻璃管集束形成的光纤预制棒加热并拉丝成为所需要直径的光子晶体光纤。

7.根据权利要求6的制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：利用细玻璃棒或细玻璃丝填充细玻璃管集束内细玻璃管之间和细玻璃管与玻璃套管之间的空隙。

8.根据权利要求6的制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：所述细玻璃管、玻璃套管、细玻璃棒和细玻璃丝全部或部分使用纯石英玻璃或磷酸盐玻璃或碲酸盐玻璃或氟化物玻璃，或使用以上述玻璃材料为基质的掺杂玻璃。

9.根据权利要求8的制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：所述掺杂玻璃中掺杂物质为化合物，如锗或磷或硼或氟或铝的化合物或稀土化合物。

10.根据权利要求6的制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：加压罩内通入的气体为净化空气或氮气或氩气或氦气或二氧化碳气体或根据性能要求通入的其它气体。

11.根据权利要求6的制备光子晶体光纤的方法，其特征在于：所述细玻璃管由更粗的高纯度玻璃管在拉丝机或其他设备上反复拉制得到，也可以直接使用合适尺寸的细玻璃管。

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