專利名稱：一種高非線性光子晶體光纖的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖領(lǐng)域，特別是涉及一種高非線性光子晶體光纖的制備方法。
背景技術(shù)：
自從1987年Yablonovitch和John首次提出光子晶體的概念以后，1998年英國巴斯大學(xué)開始高非線性光子晶體光纖的研究，并從理論設(shè)計(jì)、光子晶體光纖結(jié)構(gòu)等方面做了詳細(xì)描述。2003年J.K.Ranka，R.S.Windeler，A.J.Stentz發(fā)表論文揭示了在75cm長的光子晶體光纖中觀察到400～1600nm的超連續(xù)譜的產(chǎn)生。國外的研究表明在光子晶體光纖中，采用大空氣填充比相對孔徑，可獲得Aeff在1～2μm2的高非線性效應(yīng)的光子晶體光纖。用二氧化硅和空氣制造的光子晶體光纖，非線性系數(shù)高達(dá)60/(W·km)。而英國南安普敦大學(xué)利用低軟化點(diǎn)的(520攝氏度)多組分玻璃，用擠出法制造了預(yù)制棒，再加套管，拉絲制得高非線性光子晶體光纖，其非線性系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)光纖大500倍。由于光子晶體光纖的非線性系數(shù)高，可利用很短的光纖制造出低功率器件。高非線性效應(yīng)的光子晶體光纖器件，在光譜儀、光傳感器、光通信等方面都有用。
由于光子晶體光纖具有無限單模特性、奇異色散特性、抗彎曲性能、模場直徑的可設(shè)計(jì)性、高非線性、奇異折射等一系列奇異的性能。尤其是其高非線性在超連續(xù)譜(SC)產(chǎn)生方面方面最新的應(yīng)用，使得光子晶體光纖可以廣泛應(yīng)用于光譜儀、光傳感器、光通信等領(lǐng)域，其應(yīng)用前景非常廣大。國外在這方面開展了許多研究，如英國巴斯大學(xué)和南安普敦大學(xué)等在這方面就取得了很大的進(jìn)步。光子晶體光纖作為物理學(xué)上的一個新發(fā)現(xiàn)，預(yù)示著巨大的市場。光纖通信中密集波分復(fù)用的光源，價格昂貴，抑制了包括FTTH等先進(jìn)技術(shù)的推廣，而采用高非線性光子晶體光纖，利用高功率的脈沖激光源得到密集波分復(fù)用的連續(xù)光源，大大降低了系統(tǒng)的造價。在探測領(lǐng)域，超連續(xù)譜的存在，提供了一種光束模斑小、脈寬窄、穩(wěn)定的激光光源，可以實(shí)現(xiàn)非常精確的掃描。在光纖放大領(lǐng)域，可以應(yīng)用高非線性光子晶體光纖的拉曼效應(yīng)制造拉曼放大器，實(shí)現(xiàn)光中繼和全光傳輸?shù)鹊取?br> 光子晶體光纖的研究，其重點(diǎn)在于非線性基體材料的選擇，其非線性性能直接影響光纖的性能。目前常用的光子晶體光纖使用用石英等氧化物玻璃材料，存在著非線性系數(shù)較低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種高非線性光子晶體光纖制備方法，該方法使用高非線性玻璃材料，制備出來的光子晶體光纖具有較高非線性。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是包括以下步驟的方法(1)高非線性玻璃的合成從適合光子晶體光纖角度出發(fā)，采用常規(guī)方法合成具有高非線性的氧化物玻璃及非氧化物玻璃；(2)高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒的制備先以合成的高非線性玻璃為基體材料，制成具有單核結(jié)構(gòu)的光子光纖模型；再修正模型中粗糙的地方，并且根據(jù)獨(dú)立參數(shù)變化對光子晶體光纖的有效面積的變化趨勢，不同溫度下的析晶能力，以及不同冷卻速度對材料的熱應(yīng)力影響，確定工藝和制備所述預(yù)制棒；(3)高非線性光子晶體光纖的制備將制備的高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲，即制成高非線性光子晶體光纖。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的主要優(yōu)點(diǎn)是利用光子晶體光纖基體玻璃的高非線性，所制得的光子晶體光纖具有高非線性經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得本方法制得的硫系玻璃的三階非線性系數(shù)要比傳統(tǒng)的二氧化硅玻璃的三階非線性系數(shù)大2個數(shù)量級；目前在二氧化硅中觀察到的二階非線性系數(shù)最大為1pm/V，而二硫系等非氧化物玻璃及摻重金屬氧化物玻璃遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1pm/V。


圖1是Ge-As-S玻璃的Maker條紋圖。
圖2是PbO-B2O3玻璃的Maker條紋圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明通過制備具有高非線性、物理化學(xué)性能及工藝條件穩(wěn)定的硫系玻璃、硫鹵玻璃、鹵化物玻璃或氟化物玻璃等非氧化物玻璃及具有較大非線性系數(shù)的氧化物玻璃等玻璃體系，并以此體系玻璃為基體材料，通過研究其軟化溫度、操作溫度、析晶溫度、玻璃化轉(zhuǎn)化溫度、退火溫度范圍等材料特性，尤其是分析其在不同溫度下的析晶能力以確定光子晶體光纖工藝路線的選擇范圍，并采用不同冷卻速度來研究裂紋擴(kuò)展的方法來表征材料的熱應(yīng)力，從而確立預(yù)制棒制造方法和拉絲工藝，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和制備出高非線性的光子晶體光纖。所述氧化物玻璃是指摻雜重金屬元素來提高材料非線性的氧化物玻璃，或者納米離子摻雜的氧化物玻璃。
1.具體材料的制備(1)從材料的結(jié)構(gòu)功能角度出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)玻璃組分，合成性能優(yōu)良的適合光子晶體光纖的高非線性玻璃體系。同時研究在氧化物和非氧化物玻璃中摻雜Pb等重金屬元素以提高材料的非線性效應(yīng)，弄清摻雜機(jī)理，以便更有效的通過摻雜來提高材料的非線性效應(yīng)。該材料的非線性系數(shù)可達(dá)到60/(W·km)以上。
(2)利用X射線衍射分析、差熱分析、電鏡分析及各種光譜測試等研究玻璃的軟化溫度、操作溫度、析晶溫度、玻璃化轉(zhuǎn)化溫度、退火溫度范圍等性能及Pb等重金屬元素?fù)诫s對玻璃的影響。
2.光子晶體光纖設(shè)計(jì)及預(yù)制棒制備(1)通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)并制備出具有高非線性的玻璃體系，以此玻璃為光子品體光纖基體材料，進(jìn)行光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行單核光子光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，修正模型中粗糙的地方，使實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步縮小范圍。在這個范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證獨(dú)立參數(shù)變化對光子晶體光纖的有效面積的變化趨勢。
(2)通過光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其基體材料高非線性玻璃特性的研究，分析材料在不同溫度下的析晶能力以確定工藝路線的選擇范圍，并采用不同冷卻速度來研究裂紋擴(kuò)展的方法來表征材料的熱應(yīng)力等，確定高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒制造方法和拉絲工藝。
3.高非線性光子晶體光纖的制備(1)結(jié)合高非線性玻璃光子晶體光纖基體材料的特性研究和光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及預(yù)制棒工藝的確定及制備，選取合適的拉絲工藝條件，進(jìn)行光纖的制備。
(2)分析光纖的物理化學(xué)性能，如光纖耐化學(xué)能力、抗水和氫侵蝕的能力等，分析光纖的使用性能和耐久性等。
本發(fā)明高非線性光子晶體光纖的制備方法可以是將稱取的包括高純5N Ge、5N As、5NTe和S粉等制備非氧化物玻璃的原料置于石英玻璃管中，抽真空10-6Bar后熔封石英管，再置于搖擺爐中高溫熔制并退火處理后，經(jīng)空氣或水中冷卻形成玻璃，再用氫氟酸溶掉石英管得到塊狀非氧化物玻璃，利用所制得的玻璃制備出高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒；然后對預(yù)制棒進(jìn)行表面拋光處理后進(jìn)行拉絲，得到高非線性光子晶體光纖。其中，在制樣過程中，其技術(shù)參數(shù)為在450℃以前升溫速率為3℃/min，并在450℃時恒溫1小時，然后再以7℃/min的升溫速率升溫，升到900℃時恒溫8小時后在空氣中自然冷卻成玻璃。塊狀高非線性玻璃在干燥箱中干燥時間為2小時，干燥溫度為120℃。
本發(fā)明高非線性光子晶體光纖的制備方法還可以是將稱取的包括商用分析純PbO、H3BO3和SiO2等制備氧化物玻璃的原料置于瑪瑙研缽中研磨均勻，再放入剛玉坩堝中，在硅鉬棒高溫爐設(shè)備中熔制，熔制溫度為900～1500℃；然后把融制好的液體樣品倒入石墨板成型，成型后放入馬弗爐中退火(退火溫度為300～600℃)消除內(nèi)應(yīng)力，利用所制得的高非線性氧化物玻璃制備出高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒；然后對預(yù)制棒進(jìn)行表面拋光處理后進(jìn)行拉絲，得到高非線性光子晶體光纖。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限定本發(fā)明。
實(shí)施例1采取石英管抽真空熔封，空氣中自然冷卻成玻制樣方法。為使反應(yīng)充分進(jìn)行，制樣在搖擺爐中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)原料為高純5N Ge、5N As和分析純的S粉，按設(shè)計(jì)組成摩爾配比20Ge·25As·55S稱量后置于石英玻璃管中，并抽真空10-6Bar。熔封石英管后將其置于搖擺爐中制樣。由于配料中硫含量較大，為防止制樣過程中管內(nèi)硫蒸氣壓力過大而發(fā)生爆炸，采取如下措施在450℃以前升溫速率為3℃/min，并在450℃時恒溫1小時，然后再以7℃/min的升溫速率升溫，升到900℃時恒溫8h后在空氣中自然冷卻成玻璃，用氫氟酸溶掉石英管得到塊狀玻璃，用蒸餾水清洗玻璃表面后在干燥箱中干燥2小時(120℃)，然后用砂紙由粗到細(xì)仔細(xì)磨成10×10×1mm的Ge-As-S樣品，表面拋光處理后進(jìn)行電子束極化，極化條件為30kV，4nA，5min，然后進(jìn)行Maker條紋非線性測試，結(jié)果如圖1所示在電子束極化的硫系玻璃中觀察到明顯的二次諧波產(chǎn)生，并且在Brewster角56°附件觀察到最大二次諧波產(chǎn)生強(qiáng)度，Maker條紋也具有很好的對稱性。
實(shí)施例2除實(shí)驗(yàn)原料高純5NGe、5NAs和分析純的S粉按設(shè)計(jì)組成摩爾配比為15Ge·25As·60S取料外，其它同實(shí)施例1。
實(shí)施例3除實(shí)驗(yàn)原料高純5NGe、5NAs和分析純的S粉按設(shè)計(jì)組成摩爾配比為15Ge·30As·55S取料外，其它同實(shí)施例1。
實(shí)施例4采用傳統(tǒng)的熔融淬冷方法制備，原料是商用分析純PbO，H3BO3。按設(shè)計(jì)組成摩爾配比50PbO·50B2O3準(zhǔn)確稱量，一組樣品總重25g。稱量后的樣品在瑪瑙研缽中研磨均勻，然后放入30ml的剛玉坩堝中，在硅鉬棒高溫爐設(shè)備中熔制。由于H3BO3在107.5℃時失水而成偏硼酸(HBO2)，H3BO3→HBO2+H2O。偏硼酸再加熱至150～160℃時則又失水而成焦硼酸(H2B4O7)，4HBO2→H2B4O7+H2O。焦硼酸繼續(xù)加熱形成三氧化二硼(B2O3)，H2B4O7→2B2O3+H2O。在結(jié)晶水釋放過程中如果升溫過快，會發(fā)生噴料，從而改變設(shè)計(jì)化學(xué)組分。因此，我們采用先緩慢升溫，等硼酸結(jié)晶水釋放后快速升溫到1000℃，保溫10min，以減少PbO在高溫對坩堝較強(qiáng)的腐蝕。然后把融制好的液體樣品到入石墨板成型，成型后放入馬弗爐中退火消除內(nèi)應(yīng)力，退火溫度為410℃左右。由所制的塊體玻璃制出10×10×1mm PbO-B2O3樣品，表面拋光處理后進(jìn)行熱極化，極化條件為3kV，390℃，3min，然后進(jìn)行Maker條紋非線性測試，結(jié)果如圖2所示在熱極化的摻Pb的硼酸鹽玻璃中觀察到明顯的二次諧波產(chǎn)生，并且在Brewster角56°附件觀察到最大二次諧波產(chǎn)生強(qiáng)度，Maker條紋也具有很好的對稱性。
實(shí)施例5除實(shí)驗(yàn)原料商用分析純PbO、H3BO3按設(shè)計(jì)組成摩爾配比為40PbO·60B2O3取料外，其它同實(shí)施例4。
實(shí)施例6除實(shí)驗(yàn)原料商用分析純PbO、H3BO3按設(shè)計(jì)組成摩爾配比為60PbO·40B2O3取料外，其它同實(shí)施例4。
實(shí)施例7除實(shí)驗(yàn)原料商用分析純PbO、H3BO3按設(shè)計(jì)組成摩爾配比為70PbO·30B2O3取料外，其它同實(shí)施例4。
權(quán)利要求
1.一種高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征是采用包括以下步驟的方法(1)高非線性玻璃的合成從適合光子晶體光纖角度出發(fā)，采用常規(guī)方法合成具有高非線性的氧化物玻璃及非氧化物玻璃；(2)高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒的制備先以合成的高非線性玻璃為基體材料，制成具有單核結(jié)構(gòu)的光子光纖模型；再修正模型中粗糙的地方，并且根據(jù)獨(dú)立參數(shù)變化對光子晶體光纖的有效面積的變化趨勢，不同溫度下的析晶能力，以及不同冷卻速度對材料的熱應(yīng)力影響，確定工藝和制備所述預(yù)制棒；(3)高非線性光子晶體光纖的制備將制備的高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲，即制成高非線性光子晶體光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征在于所述氧化物玻璃是指摻雜重金屬元素來提高材料非線性的氧化物玻璃，或者納米離子摻雜的氧化物玻璃。
3.如權(quán)利要求1所述的高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征在于所述非氧化物玻璃是指硫系玻璃、硫鹵玻璃、鹵化物玻璃或氟化物玻璃。
4.如權(quán)利要求1所述的高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征在于高非線性光子晶體光纖的制備方法具體是將稱取的包括高純5N Ge、5N As、5NTe和S粉制備非氧化物玻璃的原料置于石英玻璃管中，抽真空后熔封石英管，再置于搖擺爐中高溫熔制并退火處理后，經(jīng)空氣或水中冷卻形成玻璃，再用氫氟酸溶掉石英管得到塊狀非氧化物玻璃，利用所制得的玻璃制備出高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒；然后對預(yù)制棒進(jìn)行表面拋光處理后進(jìn)行拉絲，得到高非線性光子晶體光纖。
5.如權(quán)利要求4所述的高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征在于抽真空10-6Bar后熔封石英管。
6.如權(quán)利要求4所述的高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征是在制樣過程中，其技術(shù)參數(shù)為在450℃以前升溫速率為3℃/min，并在450℃時恒溫1小時，然后再以7℃/min的升溫速率升溫，升到900℃時恒溫8小時后在空氣中自然冷卻成玻璃。
7.如權(quán)利要求4所述的高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征在于塊狀高非線性玻璃在干燥箱中干燥時間為2小時，干燥溫度為120℃。
8.如權(quán)利要求1所述的高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征在于高非線性光子晶體光纖的制備方法具體是將稱取的包括商用分析純PbO、H3BO3和SiO2制備氧化物玻璃的原料置于瑪瑙研缽中研磨均勻，再放入剛玉坩堝中，在硅鉬棒高溫爐設(shè)備中熔制；然后把融制好的液體樣品倒入石墨板成型，成型后放入馬弗爐中退火消除內(nèi)應(yīng)力，利用所制得的高非線性氧化物玻璃制備出高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒；然后對預(yù)制棒進(jìn)行表面拋光處理后進(jìn)行拉絲，得到高非線性光子晶體光纖。
9.如權(quán)利要求8所述的高非線性光子晶體光纖的制備方法，其特征在于在硅鉬棒高溫爐設(shè)備中熔制溫度為900～1500℃，在馬弗爐中退火溫度為300～600℃。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高非線性光子晶體光纖的制備方法，其步驟包括(1)高非線性玻璃的合成從適合光子晶體光纖角度出發(fā)，采用常規(guī)方法合成具有高非線性的氧化物玻璃及非氧化物玻璃；(2)高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒的制備先以合成的高非線性玻璃為基體材料，制成具有單核結(jié)構(gòu)的光子光纖模型；再修正模型中粗糙的地方，并且根據(jù)獨(dú)立參數(shù)變化對光子晶體光纖的有效面積的變化趨勢，不同溫度下的析晶能力，以及不同冷卻速度對材料的熱應(yīng)力影響，確定工藝和制備所述預(yù)制棒；(3)高非線性光子晶體光纖的制備將制備的高非線性光子晶體光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲，即制成高非線性光子晶體光纖。按本發(fā)明的方法所制得的光子晶體光纖具有高非線性。
文檔編號G02B6/02GK101059639SQ20071005208
公開日2007年10月24日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者劉啟明, 趙修建 申請人:武漢理工大學(xué)