專利名稱：一種光子晶體光纖的制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體光纖的制造，具體說是一種光子晶體光纖的制造工藝。尤指 光子晶體光纖低損耗制造方法以及毛細(xì)管的保護(hù)與集合成束裝置。
背景技術(shù)：
隨著社會的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，人們對網(wǎng)絡(luò)的依存度越來越高，人們對信息的需 求量也呈現(xiàn)爆炸式的增長。光纖通信技術(shù)也隨之向現(xiàn)代高速光通信方向發(fā)展。長途骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)是現(xiàn)代高速光通信的兩大關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)，而光信號的剎車與緩存 是制約下一代全光通信的技術(shù)障礙，信號功率與鏈路累積色散是制約長途骨干網(wǎng)發(fā)展的技 術(shù)瓶頸，小彎曲環(huán)境下的光纖彎曲損耗增大是制約光纖到戶市場發(fā)展的技術(shù)問題。因此，如 何解決光剎車、實現(xiàn)功率放大與色散補償、解決彎曲損耗是下一代光纖通信技術(shù)的關(guān)鍵科 學(xué)與技術(shù)問題。常規(guī)通信光纖無法實現(xiàn)現(xiàn)有高速光纖通信系統(tǒng)的光信號的全光處理，無法 同時實現(xiàn)功率增益與色散補償；常規(guī)G. 657光纖的彎曲損耗較大，不能夠任意彎曲，在復(fù)雜 而狹小的終端用戶環(huán)境中的應(yīng)用受到限制，因此，迫切需要開發(fā)出新型的超高抗彎能力的 前沿光纖技術(shù)。光子晶體光纖(PCF)具備許多獨特而新穎的物理特性，這些特性是常規(guī)石英單模 光纖所很難或無法實現(xiàn)的。它具有優(yōu)良的抗彎曲性能，大芯徑單模傳輸特性、超高非線性， 光子帶隙效應(yīng)、色散的靈活設(shè)計等等。當(dāng)前光子晶體光纖自身和光子晶體光纖特性在光通 訊、光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用等科學(xué)問題都是世界各國科學(xué)家關(guān)注著的重大問題，國際上這一領(lǐng)域 的研究剛剛開始。光子晶體光纖的制造技術(shù)不同于常規(guī)光纖制造工藝技術(shù)，國內(nèi)外基本沒有光子晶 體光纖工藝技術(shù)的細(xì)節(jié)報道。但是總體來說，光子晶體光纖制造技術(shù)主要包括毛細(xì)管聚束 拉絲法、大直徑預(yù)制棒鉆孔法、熔融擠出法、溶膠凝膠法等。其中，聚束拉絲法由于具有設(shè)計 靈活、操作方便、容易實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢而被廣泛采用。目前，國外光子晶體光纖已經(jīng)商用化，光子晶體光纖的衰減研究也取得了實質(zhì)性 突破全內(nèi)反射型(TIR)光子晶體光纖在1310nm和1550nm波長的衰減分別降低到0. 35dB/ km和0. 205dB/km，接近常規(guī)單模光纖水平，1383nm的羥基吸收峰降低到1. OdB/km以下；光 子帶隙型(PBG)光子晶體光纖的衰減又取得了新突破，從1. 72dB/km降低到1620nm波長的 1. 20dB/km并且實現(xiàn)1550nm的40G高速大容量長途傳輸IOOkm的系統(tǒng)試驗。F. G6r0me等設(shè)計了一種雙芯的微結(jié)構(gòu)光纖，其負(fù)色散系數(shù)為-10000pS/(nm. km)。Huttimen等報道了一種具有高折射率纖芯雙芯微結(jié)構(gòu)光纖，色散系數(shù)為-59000ps/ (nm. km)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)105nm的寬帶色散補償。Huttimen還提出了一種有效面積為 SOym2,內(nèi)芯折射率為1. 5，外芯折射率為1. 3859的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖，其1550nm的色散系 數(shù)為-1600ps/(nm.km)，補償帶寬達(dá)330nm，實現(xiàn)整個C+L波段(1530nm 1625nm)的色 散補償。日本Takeshi Fujisawa等提出既具有較大負(fù)色散系數(shù)，又能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)單模光纖 進(jìn)行色散斜率補償?shù)碾p芯微結(jié)構(gòu)光纖，該雙芯色散補償微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ =1. 4633 μ m,外芯微孔點陣的dl/ Λ = 0. 2804，其它部分微孔點陣的d2/ A=O. 2804，其 1550nm的色散系數(shù)為-538pS/(nm. km)，既能夠?qū)文９饫wC波段的線性色散斜率進(jìn)行補 償，又能夠進(jìn)行整個C波段進(jìn)行色散補償，同時，補償后的殘余色散在士0.8pS/(nm.km)范 圍內(nèi)，非常適合40G高速大容量傳輸系統(tǒng)的色散補償。可見微結(jié)構(gòu)光纖在色散補償領(lǐng)域具 備超凡能力，這預(yù)示微結(jié)構(gòu)光纖在未來的WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分 復(fù)用系統(tǒng))以及DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分復(fù)用系統(tǒng))高 速大容量系統(tǒng)中的色散補償將扮演著越來越重要的角色。日本的日立電纜(Hitachi Cable)公司報道了該公司研制的低損耗全內(nèi)反射型微 結(jié)構(gòu)光纖(TIR-PCF)。以VAD (Vapor Axial D印osition，氣相軸向沉積法)工藝制造的高 純二氧化硅毛細(xì)管和棒為材料，用集束拉絲法制造光纖。該光纖的芯成分是Ge02 · Si02， 芯周圍環(huán)繞微氣孔構(gòu)成內(nèi)包層，微孔直徑=7 μ m，節(jié)距Λ = Ilym0光纖直徑是80μπι，這 有利于改善可靠性和彎曲特性。所研制的光纖在1310nm和1550nm波長的衰減分別降低到 0. 35dB/km和0. 205dB/km,代表了當(dāng)前PCF的最好水平，與常規(guī)單模光纖相當(dāng)。該光纖的動 態(tài)疲勞參數(shù)η = 21，機(jī)械特性與常規(guī)單模光纖相當(dāng)；在1550nm的彎曲損耗僅為常規(guī)單模光 纖的1/500，可用于制造室內(nèi)纜?？梢?，國外在低損耗高性能的光子晶體光纖制造技術(shù)方面，已進(jìn)行了深入的研究 和實際探索，國內(nèi)急需在此方面掌握源頭技術(shù)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低損耗光子晶體 光纖制造技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種光子晶體光纖的制造工 藝，對制造光子晶體光纖的原材料制備工藝，毛細(xì)管保護(hù)工藝和集合成束技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化， 并形成了相應(yīng)的高潔凈度、高精度可控的制備裝置，并對光子晶體光纖制備的拉絲工藝進(jìn) 行了優(yōu)化，可用于制造低損耗的光子晶體光纖，具有很好的應(yīng)用效果。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于，包括以下步驟步驟1，利用光纖預(yù)制棒沉積車床在襯底管內(nèi)壁沉積厚度至少為Imm的高純石英 材料；或摻入鍺和氟的高純石英材料；步驟2，在襯底管溶蝕裝置內(nèi)，利用溶蝕法將襯底管去掉，得到高純石英管，步驟3，利用火焰拋光將高純石英管進(jìn)行整形光滑去除雜質(zhì)，步驟4，利用高純石英管純化裝置對高純石英管進(jìn)行純化，步驟5，在密閉的潔凈度在100以上的環(huán)境下，將高純石英管在拉絲塔上拉制成石 英毛細(xì)玻璃管，石英毛細(xì)玻璃管為六邊形或圓形，步驟6，將石英毛細(xì)玻璃管放置在毛細(xì)管高純保護(hù)與純化裝置中進(jìn)行純化和保護(hù)， 并在密閉的潔凈度在100以上的環(huán)境下，利用機(jī)械化點陣排列裝置將石英毛細(xì)玻璃管集合 成束，然后將集合成束的石英毛細(xì)玻璃管放入與之相匹配的石英套管中，最終形成光子晶 體光纖預(yù)制棒，步驟7，將光子晶體光纖預(yù)制棒在拉絲塔上通過拉絲工藝?yán)瞥晒庾泳w光纖。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，在步驟7的拉制過程中，拉制速度控制在lOm/min 1000m/min,拉制張力控制在50g 600g范圍內(nèi)。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟1中所述襯底管為石英玻璃管，石英玻璃管的外 徑為:35mm 40mm、壁厚為 1. 5mm 2. 5mm、長度為 1600mm 2000mm。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟2中所述襯底管溶蝕裝置，包括圓柱狀的襯底管溶蝕裝置殼體3，襯底管溶蝕裝置殼體3中空形成內(nèi)腔體，襯底管溶蝕裝置殼體3上下兩端用法蘭盤2封閉殼體，法蘭盤2的中心開有一個 小孔，法蘭盤2上固定一個用于將插入襯底管溶蝕裝置的襯底管緊密的卡住的圓形卡 套1，襯底管溶蝕裝置殼體3上部設(shè)有與內(nèi)腔體連通的上導(dǎo)入口 4，襯底管溶蝕裝置殼體3下部設(shè)有與內(nèi)腔體連通的下導(dǎo)入口 5。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟4中所述高純石英管純化裝置，包括支撐架13，呈直角三角形，支撐架13傾斜的側(cè)邊上設(shè)有用于固定高純石英管10的上夾11和下夾12。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟6中所述毛細(xì)管高純保護(hù)與純化裝置，包括底部 設(shè)有輪子的殼體16，殼體內(nèi)設(shè)有若干聚四氟乙烯制作的墊子17。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟6中所述機(jī)械化點陣排列裝置，包括上下放置的上法蘭盤18、下法蘭盤20，上法蘭盤18、下法蘭盤20間設(shè)有連接二者的縱向支撐立柱，縱向支撐立柱間設(shè)有與上法蘭盤18平行的柔性緊固件19，上法蘭盤18的上方設(shè)有可上下伸縮的豎桿22，豎桿22的上端設(shè)有與其垂直的、可來回伸縮的橫桿21，橫桿21的自由端設(shè)有機(jī)械手23，上法蘭盤18上設(shè)有六邊形活動式法蘭架對，六邊形活動式法蘭架M上設(shè)有若干通孔25，通孔25為圓形小孔，均勻排列。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，柔性緊固件19選用高分子材料制成，在上法蘭盤18拆 卸后，柔性緊固件19上翻將毛細(xì)管上口密封，下密封蓋20為鈦合金材質(zhì)，在柔性緊固件19將毛細(xì)管聚合成束后，通過加熱，利 用下密封蓋20將毛細(xì)管下端口熔融密封。本發(fā)明所述的光子晶體光纖的制造工藝，具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明解決了襯底管所含雜質(zhì)對光子晶體光纖損耗的不良影響；2、本發(fā)明可實現(xiàn)高純的石英管材的制備，雜質(zhì)含量在Ippb以下；3、本發(fā)明解決了毛細(xì)管的高潔凈度保護(hù)與純化處理，可將0H_含量控制在IOppb 以下；4、本發(fā)明可實現(xiàn)純機(jī)械化的毛細(xì)管聚束排列，避免了人工操作帶來的附加雜質(zhì)引 入；5、本發(fā)明可實現(xiàn)低損耗的光子晶體光纖制備，光纖損耗可降低的到ldB/km以下。


本發(fā)明有如下附圖圖1襯底管溶蝕裝置正視圖，圖2襯底管溶蝕裝置俯視圖，圖3高純石英管純化裝置，圖4毛細(xì)管高純保護(hù)與純化裝置，圖5機(jī)械化點陣排列裝置俯視圖，圖6點陣排列手柄，圖7機(jī)械化點陣排列裝置正視圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。光纖的衰減包括本征損耗與非本征損耗。其值可以用下面的公式表示α = Α/λ 4+B+C ( λ )其中α為光纖衰減，單位為dB/Km。A為瑞利色散系數(shù)，單位為μπι4Χ(1Β/Κπι。λ 為傳輸?shù)墓獠ㄩL。B表示一個與波長無關(guān)的偏移量。C包括所有其它損耗，特別是一些衰減 峰值。由瑞利散射引起的損耗為光纖的本征損耗，與材料本身有關(guān)。當(dāng)材料存在著密度 和濃度的微小隨機(jī)起伏(接近1/10波長或更小)時，會引起瑞利散射，增加光的傳輸損耗。 在光纖的制備中，為實現(xiàn)所需的光傳輸性能，往往需要在純的二氧化硅纖芯中摻入可以引 起折射率變化的物質(zhì)，這些摻雜物將增加玻璃的密度和濃度起伏。通常，纖芯摻雜后相對純 二氧化硅光纖的折射率變化越大，瑞利散射損耗越高。非本征損耗主要是包括因光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)變化、光纖宏微觀彎曲和雜質(zhì)吸收 等引起的損耗。造成這類光纖損耗的因素主要與光纖制造工藝和光纖原材料有直接的關(guān) 系，包括制造時的工藝技術(shù)條件、原材料組份及純度等。對光子晶體光纖的制備而言，不論是全內(nèi)反射型光子晶體光纖還是中空帶隙型光 子晶體光纖，要降低光纖的損耗，也必須依照上述的損耗特性原理，降低雜質(zhì)含量，增加光 纖軸向和徑向的均勻性，才能制備出低損耗的光子晶體光纖。另外，若采用聚束法拉制光子晶體光纖，還需對光子晶體光纖的毛細(xì)管動力學(xué)特 性和微孔特性進(jìn)行研究。光子晶體光纖的微孔尺寸、形狀和排列在截面上的偏差對光纖的 各種功能參數(shù)(如零色散點、非線性、單模傳輸帶寬)都具有很大的影響。在2000°C左右的高溫條件下，熔融態(tài)玻璃具有一定的粘度，溫度升高，石英玻璃熔 體的粘度迅速降低。高溫熔體在不同粘度情況下具備不同的表面張力，產(chǎn)生趨于縮小表面 積的附加壓力S ρ。當(dāng)高溫毛細(xì)管熔體產(chǎn)生的附加壓力不同時，其收縮變形的速度V也產(chǎn)生 巨大的差異，根據(jù)下面的公式可以計算出毛細(xì)管收縮變形的速度。V =
η式中，E為比例常數(shù)，P2為毛細(xì)管外壓力，P1為毛細(xì)管內(nèi)壓力，σ為玻璃表面張力， ri(x,t)為毛細(xì)管內(nèi)半徑，r2(x，t)毛細(xì)管外半徑，η為玻璃的粘度；r(x，t)是以毛細(xì)管軸向變化位置X、時間變量t為參量的函數(shù)，表示在某個時刻隨軸向位置變化的毛細(xì)管半徑的 大小。為了使毛細(xì)管熔體在拉絲過程中能夠保持良好的形狀，并維持空氣孔陣列的形狀 不變，需要摸索出嚴(yán)格的拉絲條件合適的拉絲溫度T、進(jìn)棒速度Vltjad、拉絲速度vd、合適的 拉絲張力F、毛細(xì)管內(nèi)壓力P1和外壓力P2等。由此可以看出，多因子組成影響微結(jié)構(gòu)光纖 拉絲工藝的影響函數(shù)f (x, t)，f (X，t)中χ為光纖拉制過程中，軸向位置變化參量，t為對應(yīng) 的拉制時間，即時間變化參量。這樣我們可以建立下面的方程

權(quán)利要求
1.一種光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于，包括以下步驟步驟1，利用光纖預(yù)制棒沉積車床在襯底管內(nèi)壁沉積厚度至少為Irnm的高純石英材料； 或摻入鍺和氟的高純石英材料；步驟2，在襯底管溶蝕裝置內(nèi)，利用溶蝕法將襯底管去掉，得到高純石英管， 步驟3，利用火焰拋光將高純石英管進(jìn)行整形光滑去除雜質(zhì)， 步驟4，利用高純石英管純化裝置對高純石英管進(jìn)行純化，步驟5，在密閉的潔凈度在100以上的環(huán)境下，將高純石英管在拉絲塔上拉制成石英毛 細(xì)玻璃管，石英毛細(xì)玻璃管為六邊形或圓形，步驟6，將石英毛細(xì)玻璃管放置在毛細(xì)管高純保護(hù)與純化裝置中進(jìn)行純化和保護(hù)，并 在密閉的潔凈度在100以上的環(huán)境下，利用機(jī)械化點陣排列裝置將石英毛細(xì)玻璃管集合成 束，然后將集合成束的石英毛細(xì)玻璃管放入與之相匹配的石英套管中，最終形成光子晶體 光纖預(yù)制棒，步驟7，將光子晶體光纖預(yù)制棒在拉絲塔上通過拉絲工藝?yán)瞥晒庾泳w光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于在步驟7的拉制過程 中，拉制速度控制在10m/min 1000m/min，拉制張力控制在50g 600g范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于步驟1中所述襯底管 為石英玻璃管，石英玻璃管的外徑為35mm 40mm、壁厚為1. 5mm 2. 5mm、長度為1600mm 2000mm。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于，步驟2中所述 襯底管溶蝕裝置，包括圓柱狀的襯底管溶蝕裝置殼體(3)， 襯底管溶蝕裝置殼體(3)中空形成內(nèi)腔體，襯底管溶蝕裝置殼體C3)上下兩端用法蘭盤( 封閉殼體，法蘭盤O)的中心開有一 個小孔，法蘭盤( 上固定一個用于將插入襯底管溶蝕裝置的襯底管緊密的卡住的圓形卡套⑴，襯底管溶蝕裝置殼體C3)上部設(shè)有與內(nèi)腔體連通的上導(dǎo)入口 G)， 襯底管溶蝕裝置殼體C3)下部設(shè)有與內(nèi)腔體連通的下導(dǎo)入口(5)。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于，步驟4中所述 高純石英管純化裝置，包括支撐架(13)，呈直角三角形，支撐架(1 傾斜的側(cè)邊上設(shè)有用于固定高純石英管(10)的上夾(11)和下夾(12)。
6.如權(quán)利要求1或2或3所述的光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于，步驟6中所述 毛細(xì)管高純保護(hù)與純化裝置，包括底部設(shè)有輪子的殼體(16)，殼體內(nèi)設(shè)有若干聚四氟乙 烯制作的墊子(17)。
7.如權(quán)利要求1或2或3所述的光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于，步驟6中所述 機(jī)械化點陣排列裝置，包括上下放置的上法蘭盤(18)、下法蘭盤00)， 上法蘭盤(18)、下法蘭盤OO)間設(shè)有連接二者的縱向支撐立柱，縱向支撐立柱間設(shè)有與上法蘭盤(18)平行的柔性緊固件(19)， 上法蘭盤(18)的上方設(shè)有可上下伸縮的豎桿02)， 豎桿0 的上端設(shè)有與其垂直的、可來回伸縮的橫桿01)， 橫桿的自由端設(shè)有機(jī)械手03)， 上法蘭盤(18)上設(shè)有六邊形活動式法蘭架04)，六邊形活動式法蘭架04)上設(shè)有若干通孔(25)，通孔0 為圓形小孔，均勻排列。
8.如權(quán)利要求7所述的光子晶體光纖的制造工藝，其特征在于柔性緊固件(19)選用 高分子材料制成，在上法蘭盤(18)拆卸后，柔性緊固件(19)上翻將毛細(xì)管上口密封，下密封蓋00)為鈦合金材質(zhì)，在柔性緊固件(19)將毛細(xì)管聚合成束后，通過加熱，利 用下密封蓋00)將毛細(xì)管下端口熔融密封。
全文摘要
本發(fā)明是一種光子晶體光纖的制造工藝，使用PCVD工藝與設(shè)備在襯底管內(nèi)壁沉積高純石英材料，用溶蝕法將襯底管去掉，用火焰拋光將高純石英管進(jìn)行整形光滑去除雜質(zhì)，對高純石英管進(jìn)行純化，在密閉的潔凈度在100以上的環(huán)境下，將高純石英管在拉絲塔上拉制成毛細(xì)管。將毛細(xì)管進(jìn)行純化和保護(hù)，并用機(jī)械化點陣排列裝置將毛細(xì)管集合成束，并最終形成光子晶體光纖預(yù)制棒，將之在拉絲塔上按一定的拉絲工藝?yán)瞥晒庾泳w光纖。本發(fā)明對制造光子晶體光纖的原材料制備工藝，毛細(xì)管保護(hù)工藝和集合成束技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并形成了相應(yīng)的高潔凈度、高精度可控的制備裝置，并對光子晶體光纖制備的拉絲工藝進(jìn)行了優(yōu)化，可用于制造低損耗的光子晶體光纖，具有很好的應(yīng)用效果。
文檔編號C03B37/025GK102060439SQ201010549988
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者李詩愈, 羅文勇, 胡福明, 陳偉, 雷道玉, 黃文俊 申請人:烽火通信科技股份有限公司