CN1763568A - 一种具有导电性能的光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有导电性能的光子晶体光纤及其制备方法。该光纤的结构是：由内向外，依次设有光纤芯层(3)、至少排列成三层的毛细管(4)、石英包层(1)，在最外层毛细管(4)的外圆周上，按点对称分布有两个导电极(2)。该光纤的制备方法是：设计光子晶体，采用导电材料替代光子晶体光纤预制件中最外层中的基于点对称两个单元的方法形成导电极(2)，然后拉丝即可。本发明具有容易制造和传输性能好，在测试光子晶体光纤或工程应用领域需要进行光子晶体光纤接续时，利于对准和降低熔接损耗的优点。

Description

一种具有导电性能的光子晶体光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及光通信材料，特别是新型光传输介质和应用于激光领域的一种具有导电性能的光子晶体光纤及其制备方法。

背景技术

光子晶体光纤是近十年来重要的发明，预期将取代光纤通信中的常规单模光纤。根据定义，光子晶体是一种具有周期性改变折射率的光学材料，并且其周期与光的波长相当。根据光子晶体的定义，可以分成全内反射原理光子晶体光纤(TIR-PCF)和光子带隙效应原理光子晶体光纤(PBG-PCF)两类，这种新型光纤的特性包括：

1.其导光机理和常规光纤有区别：

常规光纤导光机理是根据物理学上的全内反射原理；而光子晶体光纤的导光机理则有两种。一种还是遵循全内反射原理，光入射到光子晶体光纤内，由于纤芯是高折射率的实心的玻璃，周围包围着按照规律对称分布的空气孔，这些空气孔的折射率比玻璃的低。因此，由玻璃的折射率与空气的折射率按体积平均产生的包层的有效折射率也比玻璃芯的有效折射率低。这样，就形成等效于普通光纤的芯/包层结构，可利用等效芯/包层结构的全内反射效应使光传导。另外一种是根据光子带隙效应原理导光，光子带隙就是光子晶体禁止某些频率或波长的光在光纤两个以上的方向传输。因此，通过特定的三维结构设计，可以让光沿光纤的长度方向传光，即光子带隙效应原理导光。

2.具有超低的预期衰减。

常规光纤的衰减主要来自材料的本征吸收、杂质离子吸收和波导缺陷损耗、瑞利散射损耗等。光子晶体光纤的空气孔设计可以减少材料的本征吸收，同时由于没有掺杂引起的瑞利散射，因此可以预期光子晶体光纤可能比常规光纤的衰减水平还低。

3.具有无休止的单模特性：

这意味着这种新型光纤的传输窗口理论上可以是所有的光波长。

4.具有特殊的色散特性：

通过设计可以实现负的色散，因此，这种新型光纤是光孤子通信的最恰当的传输介质。

由于光子晶体光纤具有上述诸多优良性能，因此吸引了众多的研究者的研究热情，他们的研究成果，促进了光子晶体光纤研究的发展。

例如：CN 1333470《光子晶体制造方法及使用光子晶体的光器件》描述了通过光纤加工就能实现光子晶体光纤制造的方法。CN 1331808《光子晶体纤维》描述了制造掺杂感光剂光子晶体光纤的方法。CN 1341219《改进和涉及光子晶体光纤》描述了一种具有多个纵向孔的光子晶体光纤的制造。CN 1353824《光子晶体光纤及其制造方法》描述了一种制造光子带隙光子晶体光纤的方法，并且介绍了其应用领域。CN 1375712《双包层光子光纤》介绍了应用于光纤放大领域的光子晶体光纤制造方法。CN 1382265《环形光子晶体纤维》介绍了一种通过环行折射率设计，中间折射率高，外边折射率低的环行波导结构形成的光子晶体光纤。CN 1564035《掺稀土光子晶体光纤》介绍了一种掺杂稀土的光子晶体光纤的制造方法。英国bath大学报道了一种光子晶体光纤和常规单模光纤免接续的连接方法，这种方法中将光子晶体光纤作成带一个“大头部”的125微米的光子晶体光纤，单模光纤插入其中心孔内，这样可以免接续。

上述光子晶体光纤的研究文献基本上描述了光子晶体光纤的结构，传输性能和制造方法等方面。但是，在测试光子晶体光纤或工程应用领域需要进行光子晶体光纤接续时，还存在一些难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有导电性能的光子晶体光纤及其制备方法，该光纤具有良好的传输性能和接续性能，为工程应用光子晶体光纤提供一种新思路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供的具有导电性能的光子晶体光纤，其结构是：由内向外，依次设有光纤芯层、至少排列成三层的毛细管、石英包层。在最外层毛细管的外圆周上，按点对称分布有两个导电极。

本发明按下述方法制造具有导电性能的光子晶体光纤，其步骤包括：

a.按照晶格常数∧＝12μm和微孔直径d＝9μm来设计光子晶体的基本结构：

采用一根石英玻璃实心棒，在其周围环绕至少三层的毛细管，构成光子晶体光纤预制件的基本结构。

b.采用导电材料，替代光子晶体光纤预制件中最外层中的基于点对称两个单元的方法形成导电极。

c.将上述部件固定。

d.再套石英玻璃管形成预制棒。

e.最后采用聚束拉丝法，得到具有导电性能的光子晶体光纤。

如果采用聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料来制造光子晶体光纤，其制造步骤包括：

a.按照晶格常数∧＝12μm和微孔直径d＝9μm来设计光子晶体的基本结构：

采用一根聚甲基丙烯酸甲酯实心棒，按设计的光子晶体结构进行打孔加工，构成光子晶体光纤预制件的基本结构。

b.采用导电材料，替代光子晶体光纤预制棒中最外层中的基于点对称两个单元的方法形成导电极。

c.最后拉丝，得到具有导电性能的光子晶体光纤。

本发明提供的具有导电性能的光子晶体光纤，具有容易制造和传输性能好，在测试光子晶体光纤或工程应用领域需要进行光子晶体光纤接续时，利于对准和降低熔接损耗的优点。

附图说明

附图是带有导电极的光子晶体光纤结构示意图。

具体实施方式

本发明是一种具有导电性能的光子晶体光纤，采用聚束拉丝法(stack-and-drawing)，将多根毛细管事先排列成一定的点阵结构，在直径方向上采用两根相同几何尺寸的半导体玻璃棒取代两根毛细管，或将一根大的聚甲基丙烯酸甲酯按一定点阵孔结构进行打孔，采用导电高分子和导电液填充聚甲基丙烯酸甲酯点阵孔结构中的两个孔，将其固化成为微结构光纤预制件，然后在拉丝设备上将微结构光纤预制件一次性直接拉制成微结构光纤，或者拉制成一定尺寸的微结构中间体，然后再经过套管调整拉制成各种不同规格的微结构光纤。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.具有导电性能的光子晶体光纤

其结构如图所示：由内向外，依次设有光纤芯层3、至少排列成三层的毛细管4、石英玻璃包层1。相同的结构可采用聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料制成，这时可采用大尺寸的高分子棒，按相同的点阵孔结构进行打孔来形成。在最外层毛细管4的外圆周上，按点对称分布有两个导电极2。

上述两个导电极2可由导电玻璃制成，或者采用导电高分子棒制成，或者采用聚噻吩类等导电液体制成。导电玻璃为氧化物半导体玻璃，或硫系化合物半导体玻璃。导电高分子材料为聚乙炔类导电高分子材料。

二.制备具有导电性能的光子晶体光纤

1.其步骤包括：

a.按照光子晶体光纤的晶格常数和微孔大小来设计光子晶体光纤的基本结构：

采用一根实心棒，在其周围环绕至少三层的毛细管4，构成光子晶体光纤。晶格常数∧＝12μm，微孔直径d＝9μm；或者，它们也可以依据实际需要而定。

b.采用导电玻璃材料，替代光子晶体光纤中最外层中的基于点对称两个单元的方法形成导电极2。

c.将上述部件固定。

d.再套管形成预制棒。

e.最后采用聚束拉丝法，得到具有导电性能的光子晶体光纤。

上述用于两个导电极2的导电玻璃材料采用氧化物半导体玻璃，或硫系化合物半导体玻璃。两个导电极2，也可由在点对称的外圆周上的两个毛细管4的孔上采用真空法填充导电液如聚噻吩类高分子溶液形成。

在采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其它高分子材料来制造具有导电性的光子晶体光纤时，可采用打孔的方法，在大尺寸的高分子棒上形成一定点阵孔结构的光纤预制件，这样，两个导电极2则可以采用由聚乙炔类制成的导电高分子棒。

2.毛细管的制造：

通过一定壁厚/内径比的玻璃管，在一定的温度下先吊头子，然后牵引玻璃丝通过收丝筒，然后调节拉丝温度和收丝速率来控制毛细管的直径。这样得到的是一定壁厚/内径比的毛细管。

3.光子晶体光纤的设计：

TIR-PCF的设计有两个参数，分别是：晶格常数(∧)和微孔直径(d)；通过这两个参数可以确定空气填充分数；然后采用理论计算方法预验证。与电子能带计算不同，光子之间没有相互作用，解Maxwell方程得到的光子能带几乎是完全准确的。采用两根导电玻璃棒取代直径方向上的两根毛细管，采用平面波展开法计算光子晶体光纤的能带结构，确定光子晶体光纤的光纤参数，如单模条件、色散、模场直径，有效折射率等等。因此，在制造这种光子晶体光纤时，首先设计光子晶体光纤的晶格常数(∧)和微孔直径(d)，确定能带结构。然后采用两个导电极取代光子晶体光纤最外层的基于中心对称的两个单元。取代后，采用计算方法进行校验。这种导电玻璃要求在折射率上应该接近毛细管玻璃折射率，软化点可以比毛细管玻璃软化点大30~80℃，这样在拉丝过程中将不会出现毛细管塌陷的现象，保证了光子晶体光纤的几何结构和带隙结构。另外，对导电玻璃的电导率要求是在一定的长度(例如10的一次方/二次方公里)跨距内可以采用24V直流电源信号进行检测。

3.具有导电性能的光子晶体光纤的制造：

制造方法一.

将计算好的参数输入计算机，程序自动计算毛细管的根数和壁厚/内径要求，然后将一端烧实，将这种毛细管簇放入套管内，接上气体压力控制器。采用与拉毛细管相同的方法制造光子晶体光纤，但是需要控制毛细管内部的压力，以免内部的毛细管在表面张力作用下发生塌陷。在收丝之前进行两次涂覆，使涂层的直径达到250微米左右，这样形成了具有导电性能的光子晶体光纤。

制造方法二.

光子晶体光纤制造完之后，在点对称的外圆周上的两个毛细孔上采用真空法填充导电液形成导电极，最后对两端孔进行导电封装，这样形成了具有导电性能的光子晶体光纤。

制造方法三.

制造高分子光子晶体光纤的过程中，采用PMMA等聚酯棒材打孔和导电高分子棒形成预制棒，再经过拉丝方法得到具有导电性能的光子晶体光纤。

4.具有导电性能的光子晶体光纤的熔接：

光子晶体光纤经过涂覆层的剥离，剩下125微米的光纤部分。将两盘光子晶体光纤的端子分别放在熔接机的两个夹具上；将熔接机的参数设置为手动方式。将两盘光子晶体光纤的两个内端通过电极连在带有直流电源的回路上。先看光纤端面是否平直，后调整x和y方向准直；然后靠拢，这时在z方向上两根光纤的端面已经接触。通过串接在回路上的电流表判断是否导通，进而判断光纤的微孔是否完全对齐。最后，手动放电完成光子晶体光纤的熔接。手动放电可以多次，以降低熔接损耗，但是，要注意参数设置，不能在熔接过程中导致微孔的塌陷，这样相反会增大熔接损耗。

三.具体实例

例一.

采用34根φ370mm*35mm规格的毛细管，中心夹一根φ150mm的实心棒，在最外面圆周直径方向上定位放两根φ370mm的导电玻璃棒。位置固定之后，采用低熔点玻璃丝固定，然后套管，形成光子晶体结构。

完成后的预制棒在4KW的功率上进行拉丝，控制直径为125微米，然后在玻璃外面进行涂覆，涂覆后的光纤直径达到245～250微米。

用这种光纤进行熔接实验，先剥去光纤一端的涂覆层，然后将光纤安装在熔接机的夹子上；将光纤的另外一端连接直流电极。将熔接机设置为手动，先进行对准，然后靠近，在镜头下观察两个光子晶体光纤的位置，保证X，Y两个方向的误差小于0.3个微米，端面角度误差小于10度，然后用安培表检查光子晶体光纤是否对准。如果没有对准，安培表的读数将为0，于是旋转一侧的光纤，重新进行对准操作，直到电流表读数达到最大值，X，Y两个方向的误差小于0.3个微米，端面角度误差小于10度，然后放电、熔接。

例二.

采用1根φ450mm规格的改性PMMA棒，在这根预制棒上按照设计的微孔进行加工，在最外面圆周直径方向上的微孔内部放两根配合微孔直径的聚乙炔导电高分子棒。位置固定之后，采用热焊接方式做成光子晶体晶体预制棒，然后再拉丝，形成光子晶体结构。控制直径达到要求。

用这种光纤进行熔接实验，先将光纤安装在熔接机的夹子上；将光纤的另外一端连接直流电极。将熔接机设置为手动，先进行对准，然后靠近，在镜头下观察两个光子晶体光纤的位置，保证X，Y两个方向的误差小于0.3个微米，端面角度误差小于10度，然后用安培表检查光子晶体光纤是否对准。如果没有对准，安培表的读数将为0，于是旋转一侧的光纤，重新进行对准操作，直到电流表读数达到最大值，X，Y两个方向的误差小于0.3个微米，端面角度误差小于10度，然后放电、熔接。

Claims (10)

1.一种光子晶体光纤，由内向外，依次设有光纤芯层(3)、至少排列成三层的毛细管(4)、石英包层(1)，其特征是：在最外层毛细管(4)的外圆周上，按点对称分布了两个导电极(2)，从而构成具有导电性能的光子晶体光纤。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于：两个导电极(2)由导电玻璃、导电高分子材料或导电液体制成。

3.根据权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于采用的导电玻璃为氧化物半导体玻璃，或硫系化合物半导体玻璃。

4.根据权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于采用的导电高分子材料为聚乙炔类材料。

5.根据权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于导电液体采用聚噻吩类高分子溶液。

6.一种制备权利要求1或2或3或5所述光子晶体光纤的方法，其特征是按下述方法制造具有导电性能的光子晶体光纤，其步骤包括：

a.按照晶格常数Λ＝12μm和微孔直径d＝9μm来设计光子晶体的基本结构：

采用一根石英玻璃实心棒，在其周围环绕至少三层的石英玻璃毛细管(4)，构成光子晶体光纤预制件的基本结构，

b.采用导电玻璃，替代光子晶体光纤预制件中最外层中的基于点对称两个单元的方法形成导电极(2)，

c.将上述部件固定，

d.再套石英玻璃管形成预制棒，

e.最后采用聚束拉丝法，得到具有导电性能的光子晶体光纤。

7.根据权利要求所述6的制备光子晶体光纤的方法，其特征是：两个导电极(2)由在点对称的外圆周上的两个孔内采用真空法填充导电液体形成。

8.一种制备权利要求1或2或4或5所述光子晶体光纤的方法，其特征是按下述方法制造具有导电性能的光子晶体光纤，其步骤包括：

a.按照晶格常数Λ＝12μm和微孔直径d＝9μm来设计光子晶体的基本结构：

采用一根聚甲基丙烯酸甲酯实心棒，按设计的光子晶体结构进行打孔加工，构成光子晶体光纤预制件的基本结构，

b.采用导电材料，替代光子晶体光纤预制件中最外层中的基于点对称两个单元的方法形成导电极(2)，

c.最后拉丝，得到具有导电性能的光子晶体光纤。

9.根据权利要求8所述的制备光子晶体光纤的方法，其特征是：两个导电极(2)由在点对称的外圆周上的两个孔内采用真空法填充导电液体形成，或者采用导电高分子棒。

10.具有导电性能的光子晶体光纤在测试或工程领域应用需要进行熔接时，首先进行端面平直判断，再在X，Y方向进行准直，然后Z向靠近，利用导电极(2)判断光子晶体光纤毛细管(4)微孔对准，最后进行电弧放电熔接和损耗评估。