專利名稱：一種光子晶體光纖的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光子晶體光纖技術(shù)，特別涉及一種光子晶體光纖的制備方法。本方法適用于所有需要加壓拉絲的光子晶體光纖。
背景技術(shù)：
光子晶體光纖的制備工藝一般是先將毛細(xì)管或絲拼砌在石英管中形成預(yù)制棒，然后再將預(yù)制棒在拉絲塔上經(jīng)高溫熔融拉制成光纖。但是在高溫拉絲的過程中，毛細(xì)管拼砌的微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形，這樣光子晶體光纖原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和性能就發(fā)生了改變。保證毛細(xì)管的拼砌結(jié)構(gòu)以及毛細(xì)管本身的尺寸、結(jié)構(gòu)是非常重要且難度非常高的。申請(qǐng)?zhí)枮?00510024669. 5的中國專利公開一種光子晶體光纖預(yù)制棒的制備方法，該方法采用兩端封口的毛細(xì)管、一端封口外套管，并將填充后的外套管抽真空加熱，冷卻后形成預(yù)制棒。此方法制備的預(yù)制棒雖然毛細(xì)管的位置穩(wěn)定、能夠解決界面散射問題，但是預(yù)制棒在高溫拉絲 時(shí)，沒有對(duì)毛細(xì)管的控制措施，毛細(xì)管孔徑會(huì)受到熔融石英玻璃表面張力的作用而收縮。申請(qǐng)?zhí)枮?01010549988.9的中國專利公開一種光子晶體光纖的制造工藝，該工藝對(duì)毛細(xì)管的純化和保護(hù)以及集合成束工藝技術(shù)做了優(yōu)化。該專利能夠降低光子晶體光纖的損耗，并未涉及如何保證高溫拉絲時(shí)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的內(nèi)容。申請(qǐng)?zhí)枮?00410042623. I的中國專利公開一種制備光子晶體光纖的方法及該方法所使用的裝置，首先在特定尺寸的玻璃套管中將毛細(xì)管排列出特定的結(jié)構(gòu)，形成光子晶體光纖預(yù)制棒，然后再通過特定裝置對(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行壓力控制，即對(duì)玻璃套管抽真空、毛細(xì)管內(nèi)通入一定氣壓的氣體。該專利對(duì)玻璃套管抽真空可以在高溫拉絲時(shí)使毛細(xì)管相互融合，相對(duì)位置穩(wěn)定，在毛細(xì)管內(nèi)通入一定氣壓的氣體可以控制毛細(xì)管的尺寸，但是毛細(xì)管外的真空和毛細(xì)管內(nèi)的壓力更容易造成毛細(xì)管的脹破、變形，并且裝置操作難度大。實(shí)施該專利要求真空罩和插盤上的插孔直徑、位置和數(shù)目要與所需要的光纖中的光子晶體排列方式一致，一般組成一根光子晶體光纖預(yù)制棒的毛細(xì)管有幾百根，操作難度可想而知，并且每一種特定的光子晶體光纖都要設(shè)計(jì)制備與之相對(duì)應(yīng)的真空罩和插盤，不能適應(yīng)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)靈活多變的特性。綜上所述，光子晶體光纖的制備工藝復(fù)雜，技術(shù)難度高，理論設(shè)計(jì)的具有優(yōu)異特性的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)很難拉制成實(shí)際光纖。從概念提出至今的二十多年時(shí)間里，制備技術(shù)一直是困擾光子晶體光纖發(fā)展的一個(gè)重要問題。隨著光子晶體光纖的發(fā)展，新型的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)層出不窮，想要實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)就必須解決對(duì)毛細(xì)管間隙和與毛細(xì)管孔徑同時(shí)加以控制的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開一種光子晶體光纖的制備方法，本方法采用空心毛細(xì)管拼砌光子晶體光纖預(yù)制棒，并采用至少兩根相互嵌套的石英管作為光子晶體光纖毛細(xì)管的內(nèi)外套管。相互嵌套的石英管連接處完全封閉各不相通，并且內(nèi)外套管都分別預(yù)留可與壓力控制器連接的壓力連通口。在光子晶體光纖預(yù)制棒加壓拉絲時(shí)分別控制內(nèi)外套管內(nèi)的壓力，從而使作用在毛細(xì)管內(nèi)與毛細(xì)管外的壓力產(chǎn)生壓力差。采用相互嵌套、各不相通、分別預(yù)留壓力連通口的石英管作為光子晶體光纖毛細(xì)管的內(nèi)外套管，可靈活、精確地控制毛細(xì)管直徑的變化情況，同時(shí)還可以控制毛細(xì)管之間空隙大小的變化情況，容易實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種光子晶體光纖的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
步驟一光子晶體光纖預(yù)制棒的制備
(一).毛細(xì)管與內(nèi)套管的嵌套
采用一根石英管作為毛細(xì)管的內(nèi)套管，毛細(xì)管長度大于內(nèi)套管長度；將毛細(xì)管按照一定長度切割成若干根，按照光子晶體光纖所需的光子晶體結(jié)構(gòu)將若干根毛細(xì)管拼砌在內(nèi)套管中，中心位置預(yù)留纖芯，使毛細(xì)管的一端與內(nèi)套管的一端相互對(duì)齊，若干根毛細(xì)管的另一 端形成毛細(xì)管束伸出內(nèi)套管，對(duì)齊一端的毛細(xì)管與內(nèi)套管之間的空隙部分用石英絲緊密填滿；
(二).毛細(xì)管與內(nèi)套管的融合
將對(duì)齊端的內(nèi)套管連同毛細(xì)管加熱至軟化狀態(tài)，使一定長度范圍內(nèi)的毛細(xì)管之間以及毛細(xì)管與內(nèi)套管之間融合在一起，同時(shí)對(duì)伸出另一端的毛細(xì)管束進(jìn)行加壓，以保證毛細(xì)管的空心不會(huì)收實(shí)；
(三).外接封閉內(nèi)套管頂部
在對(duì)齊端的內(nèi)套管頂部外接一段封閉的石英管，并在外接石英管的側(cè)面預(yù)留一個(gè)內(nèi)套管壓力連通口；
(四).內(nèi)套管連同毛細(xì)管與外套管的嵌套
采用一根石英管作為毛細(xì)管的外套管，外套管長度大于內(nèi)套管長度，外套管內(nèi)徑等于內(nèi)套管外徑，將伸出毛細(xì)管束的一端裝入外套管中，裝入深度以外套管的上端到達(dá)毛細(xì)管與內(nèi)套管融合的位置為準(zhǔn)，同時(shí)使外套管的下端面與伸出的毛細(xì)管束的下端面在同一平面上；外套管的下端與毛細(xì)管束之間的空隙部分用石英絲填實(shí)；
(五)·封閉外套管
將與內(nèi)套管套接處的外套管上端面封閉，外套管的側(cè)面預(yù)留一個(gè)外套管壓力連通口，外套管的下端面封閉，形成光子晶體光纖預(yù)制棒；
步驟二 光子晶體光纖預(yù)制棒的拉制
在拉絲塔上通過熔融拉絲的過程將光子晶體光纖預(yù)制棒拉制成所需直徑的光纖，同時(shí)通過內(nèi)套管壓力連通口和外套管壓力連通口分別對(duì)內(nèi)套管和外套管進(jìn)行加壓以控制毛細(xì)管直徑以及毛細(xì)管之間空隙大小的變化。本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是采用本方法在光子晶體光纖預(yù)制棒加壓拉絲時(shí)，通過分別控制內(nèi)外套管內(nèi)的壓力，可以靈活、精確地控制毛細(xì)管直徑的變化情況，同時(shí)還可以控制毛細(xì)管之間空隙大小的變化情況，容易實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。從而解決對(duì)毛細(xì)管間隙和與毛細(xì)管孔徑同時(shí)加以控制的問題。


圖I是毛細(xì)管與內(nèi)套管嵌套后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是內(nèi)套管和毛細(xì)管對(duì)齊端融合后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是外接封閉內(nèi)套管頂部的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是與外套管嵌套后的預(yù)制棒結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。參照?qǐng)DI、圖2、圖3和圖4，一種光子晶體光纖的制備方法包括以下步驟
步驟一光子晶體光纖預(yù)制棒的制備 (一).毛細(xì)管與內(nèi)套管的嵌套
采用一根石英管作為毛細(xì)管I的內(nèi)套管2，毛細(xì)管I長度大于內(nèi)套管2長度；將毛細(xì)管I按照一定長度切割成若干根，按照光子晶體光纖所需的光子晶體結(jié)構(gòu)將若干根毛細(xì)管I拼砌在內(nèi)套管2中，中心位置預(yù)留纖芯3，使毛細(xì)管I的一端與內(nèi)套管2的一端相互對(duì)齊，若干根毛細(xì)管I的另一端形成毛細(xì)管束4伸出內(nèi)套管，對(duì)齊一端的毛細(xì)管I與內(nèi)套管2之間的空隙部分用石英絲5緊密填滿；
(二).毛細(xì)管與內(nèi)套管的融合
將對(duì)齊端的內(nèi)套管2連同毛細(xì)管I加熱至軟化狀態(tài)，使一定長度范圍內(nèi)的毛細(xì)管I之間以及毛細(xì)管I與內(nèi)套管2之間融合在一起，同時(shí)對(duì)伸出另一端的毛細(xì)管束4進(jìn)行加壓，以保證毛細(xì)管I的空心不會(huì)收實(shí)；
(三).外接封閉內(nèi)套管頂部
在對(duì)齊端的內(nèi)套管2頂部外接一段封閉的石英管6，并在外接石英管6的側(cè)面預(yù)留一個(gè)內(nèi)套管壓力連通口 7 ；
(四).內(nèi)套管連同毛細(xì)管與外套管的嵌套
采用一根石英管作為毛細(xì)管的外套管8，外套管8長度大于內(nèi)套管2長度，外套管8內(nèi)徑等于內(nèi)套管2外徑，將伸出毛細(xì)管束4的一端裝入外套管8中，裝入深度以外套管8的上端到達(dá)毛細(xì)管I與內(nèi)套管2融合的位置為準(zhǔn)，同時(shí)使外套管8的下端面與伸出的毛細(xì)管束4的下端面在同一平面上；外套管8的下端與毛細(xì)管束4之間的空隙部分用石英絲5填實(shí)；
(五).封閉外套管
將與內(nèi)套管2套接處的外套管8上端面封閉，外套管8的側(cè)面預(yù)留一個(gè)外套管壓力連通口 9，外套管的下端面封閉，形成光子晶體光纖預(yù)制棒；
步驟二 光子晶體光纖預(yù)制棒的拉制
在拉絲塔上通過熔融拉絲的過程將光子晶體光纖預(yù)制棒拉制成所需直徑的光纖，同時(shí)通過內(nèi)套管壓力連通口 7和外套管壓力連通口 9分別對(duì)內(nèi)套管2和外套管8進(jìn)行加壓以控制毛細(xì)管I直徑以及毛細(xì)管I之間空隙大小的變化。本方法采用的毛細(xì)管的外徑為O. 5 3_。若干根毛細(xì)管采用相同內(nèi)徑的毛細(xì)管，或者采用兩種以上不同內(nèi)徑的毛細(xì)管。毛細(xì)管的形狀采用六角形或圓形中的一種。毛細(xì)管的切割長度為15(T300mm，內(nèi)套管長度為100_250mm。毛細(xì)管之間以及毛細(xì)管與內(nèi)套管之間融合的長度為30-60mm。實(shí)施例一 kagome型空芯光子晶體光纖的制備
(一)·將內(nèi)徑為O. 8mm、外徑為I. Omm的圓形毛細(xì)管按照長度為200mm進(jìn)行切割,按照三角形排列結(jié)構(gòu)將它們拼砌在內(nèi)套管中，中心位置留有纖芯，內(nèi)套管內(nèi)徑為15mm,外徑為18mm，長度為100mm。毛細(xì)管I的另一端形成毛細(xì)管束5伸出內(nèi)套管，毛細(xì)管之間的空隙保留，毛細(xì)管與內(nèi)套管之間的空隙用石英絲緊密填滿，毛細(xì)管、石英絲與內(nèi)套管的一端對(duì)齊。(二).將對(duì)齊端的內(nèi)套管連同毛細(xì)管加熱軟化，加熱長度為30mm，另一端對(duì)伸出的毛細(xì)管束適當(dāng)加5托的壓力。(三).在對(duì)齊端頂部接一段40mm長的石英管，石英管頂部封閉，石英管側(cè)面預(yù)留一個(gè)直徑1cm，長2cm的內(nèi)套管壓力連通口。(四)·將內(nèi)套管伸出毛細(xì)管束端裝入一根內(nèi)徑18mm，外徑22mm、長180mm的外套管中，裝入深度以外套管的上端到達(dá)毛細(xì)管與內(nèi)套管融合的位置為準(zhǔn)，同時(shí)使外套管的下端面與伸出的毛細(xì)管束的下端面在同一平面上，外套管下端與毛細(xì)管束之間的空隙部分用石英絲填實(shí)。
(五).將與內(nèi)套管套接處的外套管上端面用氫氧焰加熱軟化后封閉,外套管的側(cè)面預(yù)留一個(gè)直徑1cm，長2cm的外套管壓力連通口。外套管的下端面用氫氧焰加熱軟化后封閉，形成光子晶體光纖預(yù)制棒。(六).將嵌套好的預(yù)制棒在拉絲塔上經(jīng)1960°C高溫拉絲，拉絲速度控制在IOm/s，內(nèi)套管的壓力控制在10托，外套管的壓力控制在12托，即可拉制成外徑為125μπι的kagome型空芯光子晶體光纖。實(shí)施例二 雙包層摻鐿光子晶體光纖的制備
(一).將內(nèi)徑為O. 5mm、夕卜徑為I. 2mm和內(nèi)徑為O. 8mm、夕卜徑為I. 2mm的兩種六角形毛細(xì)管按照長度為300_進(jìn)行切割，按照雙包層結(jié)構(gòu)(內(nèi)徑小的拼砌內(nèi)包層區(qū)，內(nèi)徑大的拼砌外包層區(qū))將它們按照蜂窩型排列結(jié)構(gòu)拼砌在內(nèi)套管中，中心位置留有纖芯，內(nèi)套管內(nèi)徑21mm、外徑25mm，長度為150mm。毛細(xì)管的另一端形成毛細(xì)管束5伸出內(nèi)套管，毛細(xì)管之間的空隙及毛細(xì)管與內(nèi)套管之間的空隙均用石英絲緊密填滿，毛細(xì)管、石英絲與內(nèi)套管的一端對(duì)齊。(二).將對(duì)齊端的內(nèi)套管連同毛細(xì)管加熱軟化，加熱長度為30_，另一端對(duì)伸出的毛細(xì)管束適當(dāng)加6托的壓力。(三).在對(duì)齊端頂部接一段40mm長的石英管，石英管頂部封閉，石英管側(cè)面預(yù)留一個(gè)直徑1cm，長2cm的內(nèi)套管壓力連通口。(四)·將內(nèi)套管伸出毛細(xì)管束端裝入一根內(nèi)徑25mm、外徑29mm、長280mm的外套管中，裝入深度以外套管的上端到達(dá)毛細(xì)管與內(nèi)套管融合的位置為準(zhǔn)，同時(shí)使外套管的下端面與伸出的毛細(xì)管束的下端面在同一平面上，外套管下端與毛細(xì)管束之間的空隙部分用石英絲填實(shí)。(五).將與內(nèi)套管套接處的外套管上端面用氫氧焰加熱軟化后封閉，外套管側(cè)面預(yù)留一個(gè)直徑1cm，長2cm的壓力連通口，外套管的下端面用氫氧焰加熱軟化后封閉，形成光子晶體光纖預(yù)制棒。(六).將嵌套好的預(yù)制棒在拉絲塔上經(jīng)1980°C高溫拉絲，拉絲速度控制在6m/s,內(nèi)套管的壓力控制在16托，外套管的壓力控制在3托，即可拉制成外徑為400 μ m的雙包層摻鐿光子晶體光纖。在拉制過程中，通過內(nèi)套管壓力連通口向內(nèi)套管加壓P1，即毛細(xì)管孔內(nèi)壓強(qiáng)SP1 ；通過外套管壓力連通口向外套管加壓P2，即外套管及毛細(xì)管間隙壓強(qiáng)為P2。為了限制光子晶體光纖微結(jié)構(gòu)的形變，在保證拉絲過程穩(wěn)態(tài)可控的前提下，控制ΛΡ (ΛΡ= P1-P2)可以控制毛細(xì)管孔徑及孔間隙的縮放。ΛΡ > O可以實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管膨脹，間隙融合；ΛΡ < O可以實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管的收縮，間隙的保持。毛細(xì)管發(fā)生收縮變形時(shí)的邊界壓強(qiáng)值，是進(jìn)行正常光纖拉制的最小壓強(qiáng)值，如式
(1)所示
權(quán)利要求
1.一種光子晶體光纖的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一光子晶體光纖預(yù)制棒的制備 (一).毛細(xì)管與內(nèi)套管的嵌套 采用一根石英管作為毛細(xì)管的內(nèi)套管，毛細(xì)管長度大于內(nèi)套管長度；將毛細(xì)管按照一定長度切割成若干根，按照光子晶體光纖所需的光子晶體結(jié)構(gòu)將若干根毛細(xì)管拼砌在內(nèi)套管中，中心位置預(yù)留纖芯，使毛細(xì)管的一端與內(nèi)套管的一端相互對(duì)齊，若干根毛細(xì)管的另一端形成毛細(xì)管束伸出內(nèi)套管，對(duì)齊一端的毛細(xì)管與內(nèi)套管之間的空隙部分用石英絲緊密填滿； (二).毛細(xì)管與內(nèi)套管的融合 將對(duì)齊端的內(nèi)套管連同毛細(xì)管加熱至軟化狀態(tài)，使一定長度范圍內(nèi)的毛細(xì)管之間以及毛細(xì)管與內(nèi)套管之間融合在一起，同時(shí)對(duì)伸出另一端的毛細(xì)管束進(jìn)行加壓，以保證毛細(xì)管的空心不會(huì)收實(shí)； (三).外接封閉內(nèi)套管頂部 在對(duì)齊端的內(nèi)套管頂部外接一段封閉的石英管，并在外接石英管的側(cè)面預(yù)留一個(gè)內(nèi)套管壓力連通口； (四).內(nèi)套管連同毛細(xì)管與外套管的嵌套 采用一根石英管作為毛細(xì)管的外套管，外套管長度大于內(nèi)套管長度，外套管內(nèi)徑等于內(nèi)套管外徑，將伸出毛細(xì)管束的一端裝入外套管中，裝入深度以外套管的上端到達(dá)毛細(xì)管與內(nèi)套管融合的位置為準(zhǔn)，同時(shí)使外套管的下端面與伸出的毛細(xì)管束的下端面在同一平面上；外套管的下端與毛細(xì)管束之間的空隙部分用石英絲填實(shí)； (五).封閉外套管 將與內(nèi)套管套接處的外套管上端面封閉，外套管的側(cè)面預(yù)留一個(gè)外套管壓力連通口，外套管的下端面封閉，形成光子晶體光纖預(yù)制棒； 步驟二 光子晶體光纖預(yù)制棒的拉制 在拉絲塔上通過熔融拉絲的過程將光子晶體光纖預(yù)制棒拉制成所需直徑的光纖，同時(shí)通過內(nèi)套管壓力連通口和外套管壓力連通口分別對(duì)內(nèi)套管和外套管進(jìn)行加壓以控制毛細(xì)管直徑以及毛細(xì)管之間空隙大小的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光子晶體光纖的制備方法，其特征在于，所述的毛細(xì)管的外徑為O. 5 3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光子晶體光纖的制備方法，其特征在于，所述的若干根毛細(xì)管采用相同內(nèi)徑的毛細(xì)管，或者采用兩種以上不同內(nèi)徑的毛細(xì)管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光子晶體光纖的制備方法，其特征在于，所述的毛細(xì)管的形狀采用六角形或圓形中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光子晶體光纖的制備方法，其特征在于，所述的毛細(xì)管的切割長度為15(T300mm，內(nèi)套管長度為100_250mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光子晶體光纖的制備方法，其特征在于，所述的毛細(xì)管之間以及毛細(xì)管與內(nèi)套管之間融合的長度為30-60mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光子晶體光纖的制備方法，該方法采用空心毛細(xì)管拼砌光子晶體光纖預(yù)制棒，并采用至少兩根相互嵌套的石英管作為光子晶體光纖毛細(xì)管的內(nèi)外套管。相互嵌套的石英管連接處完全封閉各不相通，并且內(nèi)外套管都分別預(yù)留可與壓力控制器連接的壓力連通口。在光子晶體光纖預(yù)制棒加壓拉絲時(shí)分別通過壓力連通口控制內(nèi)外套管內(nèi)的壓力，從而使作用在毛細(xì)管內(nèi)與毛細(xì)管外的壓力產(chǎn)生壓力差。采用相互嵌套、各不相通、分別預(yù)留壓力連通口的石英管作為光子晶體光纖毛細(xì)管的內(nèi)外套管，可以靈活、精確地控制毛細(xì)管直徑以及毛細(xì)管之間空隙大小的變化情況，容易實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。從而解決對(duì)毛細(xì)管間隙和毛細(xì)管孔徑同時(shí)加以控制的問題。
文檔編號(hào)C03B37/02GK102815864SQ20121035401
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者潘蓉, 寧鼎, 孫建軍, 衣永青, 高亞明, 葛欣, 趙國驍, 韓志輝, 劉笑東 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所