一種微納光纖組件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種微納光纖組件及其制造方法，光纖（2）穿過所述石英管(1)并在所述石英管(1)兩端保留尾纖；所述光纖（2）通過熔融固定在石英管(1)兩端且位于石英管(1)的中心軸線上；所述石英管(1)和光纖（2）組成的區(qū)域經(jīng)拉錐形成微納光纖區(qū)；所述微納光纖區(qū)的光纖為微納纖芯，微納光纖區(qū)由光纖被拉錐形成的微納纖芯、被拉錐后的石英管、纖芯與石英管之間的空氣組成。本發(fā)明所述微納光纖制備工藝實現(xiàn)將對微納光纖的制備與封裝結合，有效避免了由普通光纖直接拉錐制備微納光纖存在的微納光纖區(qū)機械性能差、結構不穩(wěn)定、易受外界環(huán)境干擾等缺點。
【專利說明】一種微納光纖組件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及非線性光纖領域，尤其涉及具有高非線性特性的微納光纖。
【背景技術】
[0002]微納光纖具有強約束力、強倏逝場、可重構性(超小彎曲半徑)、低連接損耗(與光
纖連接)、靈活可控的色散特性等特點。由光纖的非線性系數(shù)公式，可知，光纖
的模場直徑越小，其非線性系數(shù)越高。減小普通光纖的纖芯半徑并不能實現(xiàn)超小模場面積的光纖，原因是纖芯半徑減小后，其束縛光能力也會下降。采用微納光纖可以解決這個問題。人們已研制出了各種基于微納光纖的無源光子器件，如耦合器、高雙折射光纖、微環(huán)諧振器等。
[0003]微納光纖通常采用光纖拉錐的方法，將光纖局部拉細，使其外部直徑為微米或亞微米及以下量級。由于光纖外部通常為空氣，其折射率低，而微納光纖折射率高，因此，微納光纖具有高數(shù)值孔徑，從而可以在纖芯直徑較小的情況下，保持有效的光傳輸。微納光纖也存在一些缺點，例如:制作完成后，若沒有對光纖進行保護，光纖的傳輸損耗會隨時間的增長而增大【A/k Opt.Photon., 2009, 1(1): 107-161】。因此，需要對微納光纖進行涂覆，以保護光纖。但這樣又會導致光纖傳輸性能發(fā)生變化。
[0004]為此，人們也提出了基于微結構光纖構建小纖芯光纖。例如，利用微結構光纖可獲得高數(shù)值孔徑的特點，采用占空比的包層和小的纖芯結構，可獲得模場直徑約為I Pm的超小纖芯光纖。由于纖芯面積小，為了有效地束縛光，需要采用特殊的光纖結構，如車輪結構[Applied Physics B: Lasers and Optics, 2010, 98(2): 371-376】,即盡量增大纖芯周圍空氣孔的尺寸，減小孔之間的材料的厚度等。盡管如此，由于纖芯周圍不可能全部為空氣，支撐材料仍然會增加其模場面積，并`對傳輸光的有關性能產(chǎn)生一定的影響。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、制作簡便、性能穩(wěn)定、具有強束縛光能力的微納光纖組件。
[0006]本發(fā)明的另一目的是給出微納光纖組件的制造方法，該方法容易操作。
[0007]本發(fā)明的技術方案是:一種微納光纖組件，包括石英管和光纖，所述光纖穿過所述石英管并在所述石英管兩端保留尾纖；所述光纖通過熔融固定在石英管兩端且位于石英管的中心軸線上；所述石英管和光纖組成的區(qū)域經(jīng)拉錐形成微納光纖區(qū)；所述微納光纖區(qū)的光纖為微納纖芯。
[0008]進一步,所述光纖為單模光纖,所述微納纖芯的長度為1~100 mm,微納纖芯的直徑為0.01~25 U m。所述石英管外徑為250~5000 U m,所述石英管壁厚為20~1000 u m。所述石英管兩端的熔融區(qū)填充石英介質柱和石英毛細管。
[0009]一種微納光纖組件的制作方法，其特征是包括以下步驟: 1)將光纖中段剝離覆層形成裸光纖區(qū)，所述裸光纖區(qū)的長度大于石英管長度；
2)將裸光纖區(qū)置于石英管內，并在所述石英管兩端口與所述光纖熔融固定，并確保所述光纖在石英管內處于拉直狀態(tài)，且所述光纖處于所述石英管兩端的軸線位置；
3)將石英管拉細至原始外徑的1/3?1/50，且確保石英管內的光纖被拉細至所述光纖原始直徑的1/3?1/50。
[0010]進一步，所述步驟I)中對所述裸光纖區(qū)的光纖進行預拉錐，所述裸光纖區(qū)長度比石英管長度長10 100 mm。
[0011]進一步，在所述步驟3)的拉制過程中，在光纖一端輸入激光，在光纖另一端連接光功率計或光譜儀對傳輸光情況進行監(jiān)測。
[0012]進一步,所述石英管外徑為25(T5000 U m,所述石英管壁厚為2(Tl000 u m。
[0013]本發(fā)明的技術效果是:本發(fā)明所述微納光纖組件，將直徑在微納米量級的光纖限制在石英管內，避免了外界環(huán)境變化對其傳光性能的影響。石英管雖然被拉細，但其外徑仍較大，可對微納光纖起到很好的保護工作。微納光纖被懸于石英管中，形成微納纖芯，其折射率高，而其包層為石英管內的空氣，折射率低。從而實現(xiàn)對傳輸至微納區(qū)光的強束縛，可實現(xiàn)高非線性、超小模場面積的光傳輸?？朔艘话悴捎弥螚l結構時，高折射率的支撐條導致光向包層的擴展。在拉錐過程中可通過接入光源和光功率計、光譜儀等設備對光信號進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對光纖性能的精確控制。本發(fā)明所述微納光纖組件制備工藝實現(xiàn)將對微納光纖的制備與封裝結合，有效避免了由普通光纖直接拉錐制備微納光纖存在的微納光纖區(qū)機械性能差、結構不穩(wěn)定、易受外界環(huán)境干擾等缺點。制備完成的微納光纖組件還可通過毛細管將特殊的氣體、液體或固體材料填充進石英管內，從而形成特殊包層結構的微納光纖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種微納光纖組件的結構示意圖；
圖2為本發(fā)明一種微納光纖組件的石英管兩端填充石英介質柱時，其端面的橫截面示意圖；
圖3為本發(fā)明一種微納光纖組件的石英管兩端填充石英介質柱時的結構示意圖；
圖4為本發(fā)明一種微納光纖組件的石英管兩端填充石英介質柱和石英毛細管時，其端面的橫截面示意圖；
其中:1_石英管；2-光纖；3-微納光纖區(qū)；4-石英介質柱；5-石英毛細管。
【具體實施方式】
[0015]一種微納光纖組件，由石英管、穿過石英管并在兩端保留尾纖的一根光纖組成；其中石英管兩端與光纖經(jīng)融合形成固定結構，或者在石英管兩端填充石英介質柱、石英毛細管或光纖再經(jīng)融合形成固定結構。固定結構經(jīng)拉錐，形成微納光纖區(qū)。微納光纖區(qū)由光纖被拉錐形成的微納纖芯、被拉錐后的石英管、纖芯與石英管之間的空氣組成。
[0016]也可以將所述光纖預先經(jīng)拉錐，再被放置于石英管中，再經(jīng)二次拉錐，二次拉錐區(qū)不超過預拉錐區(qū)。
[0017]所述的光纖為單模光纖，微納纖芯長1?100 mm、微納纖芯的直徑為0.01?25 u m0[0018]所述石英管外徑為250~5000 y m，壁厚為20~1000 Um0
[0019]微納光纖組件的制備工藝(方案一)如下:
1.光纖處理
將待處理光纖中段剝去覆層，并用脫脂棉蘸酒精將表面擦拭干凈。為獲得纖芯直徑更小的微納光纖，可先將裸光纖進行一次預拉錐。經(jīng)以上處理后，光纖的裸光纖區(qū)長度應比石英管長i(Tioo _，以便與石英管熔融，形成固定結構。
[0020]2.石英管處理
將外徑為0.5^5 _、內徑為0.2^4.5 _石英管的兩端口在高溫下加熱熔縮，使兩端口內徑縮小至比光纖直徑大0.02、.2 mm，保證兩端口的中心與石英管軸線中心相同。
[0021]3.石英管封裝
將制作好的光纖穿過經(jīng)熔縮的石英管，并使裸光纖在石英管兩端口突出長度基本相同。若光纖事先經(jīng)過拉錐處理，則應使其拉錐區(qū)位于石英管中段區(qū)域，以便于后續(xù)處理。再次熔融石英管兩端，使石英管與光纖熔合。在熔融過程中可轉動整個石英管和光纖部件，使光纖保持處于石英管中心軸線區(qū)域。也可采用二氧化碳激光器，并采用反射裝置使石英管被均勻加熱。加熱過程中須使石英管內光纖保持平直。
[0022]4.微納光纖拉制
將經(jīng)第3步后的石英管固定在移動平臺，選擇合適的加熱裝置對石英管進行加熱，并將石英管拉細至其外徑的1/3~1/50，從而使石英管內的纖芯也被拉細至其原有直徑的1/3~1/50。在拉制過程中，可在光纖一端輸入激光，在另一端連接光功率計或光譜儀對傳輸光情況進行監(jiān)測。
`[0023]對于石英管與光纖的固定，也可采用填充的方法來實現(xiàn)，具體制備工藝如下:(方案二):
1.光纖處理
將待處理光纖中段剝去覆層，并用脫脂棉蘸酒精將表面擦拭干凈。為獲得纖芯直徑更小的微納光纖，可先將裸光纖進行一次預拉錐。經(jīng)以上處理后，光纖的裸光纖區(qū)長度應比石英管長1(T100 mm，以便與石英管熔融固定。
[0024]2.石英管封裝
將制作好的光纖穿過經(jīng)熔縮的石英管，并使裸光纖在石英管兩端口突出長度基本相同。若光纖事先經(jīng)過拉錐處理，則應使其拉錐區(qū)位于石英管中段區(qū)域，以便于后續(xù)處理。將長度為5~30_的石英毛細管、石英介質柱之一或兩種的組合，填充至石英管兩端，并形成緊密結構。填充時，應保持光纖處于石英管中心軸線區(qū)域。熔融石英管兩端，使石英管、光纖以及填充的介質柱、毛細管融合，形成固定結構。在熔融過程中可轉動整個石英管和光纖部件，使光纖保持處于石英管中心軸線。也可采用二氧化碳激光器，并采用反射裝置使石英管被均勻加熱。加熱過程中須使石英管內光纖保持平直。
[0025]填充時可以在間隙填充尺寸更小的介質柱，或者將石英介質柱或石英毛細管的外壁研磨成六角形，從而減少間隙。也可用去除覆層的裸光纖代替介質柱。
[0026]3.微納光纖拉制
將經(jīng)第3步后的石英管固定在移動平臺，選擇合適的加熱裝置對石英管進行加熱，并將石英管拉細至其外徑的1/3~1/50，從而使石英管內的纖芯也被拉細其原有直徑的1/3?1/50。在拉制過程中，可在光纖一端輸入激光，在另一端連接光功率計或光譜儀對傳輸光情況進行監(jiān)測。
[0027]對光纖進行預拉錐的作用有兩個:一是通過拉錐，減小光纖的直徑，從而有利于二次拉錐時獲得直徑更小的微納纖芯，同時，在二次拉錐時石英管無需被拉得很細，因而更容易制作、封裝也更簡單。二是預拉錐后的光纖直徑變細后，在石英管內壁和光纖之間距離更遠，從而減小石英管對微納纖芯傳輸光的影響。
[0028]采用石英毛細管填充制作完成的微納光纖，可以通過毛細管注入液體、固體或氣體材料，從而形成具有特殊包層結構的微納光纖器件。
[0029]下面結合附圖，介紹本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0030]以下實施例均以石英光纖和石英管為基礎材料為例，相關方案也可適用于多組分玻璃光纖等。
[0031]實施例一:
所用光纖為單模光纖，包層直徑為80 Pm,光纖長度為I m,裸光纖區(qū)長度120 mm。石英管長度為90 mm,管壁厚度為100 iim,管內徑為900 u m0按方案一進行制作，其中光纖不進行預拉錐。微納光纖組成結構如圖1所示。制作完成后，微納光纖區(qū)長度為80 mm，微納纖芯的直徑為6.4 ii m,微納光纖區(qū)對應的石英管外徑為80 V- m。
[0032]實施例二:
所用光纖為普通單模光纖，光纖長度為2 m，裸光纖區(qū)長度60 _，經(jīng)預拉錐后，光纖的直徑為12 Pm，長度為50 mm，裸光纖區(qū)總長度為130 mm。石英管長度為100 mm，管壁厚度為120 iim，管內徑為380 Pm。按方案二進行制作，其中石英管兩端填充石英介質柱，其填充結構如圖2所示。其中石英介質柱也可用直徑相當、去除覆層的裸光纖來代替。微納光纖組成結構如圖3所不。微納光纖區(qū)長60 mm,微納纖芯的直徑為2.4 u m,微納光纖區(qū)對應的石英管外徑為100 u m。
[0033]實施例三:
所用光纖為普通單模光纖，光纖長度為1.5 m，裸光纖區(qū)長度50 _，經(jīng)拉錐后，光纖的直徑為10 ym,長度為50 mm,裸光纖區(qū)總長度為100 mm。石英管長度為65 mm,管壁厚度為265 iim,管內徑為635 U m。按方案一進行制作,按方案一進行制作,其中光纖不進行預拉錐。微納光纖組成結構如圖1所示。微納光纖區(qū)長40 mm，微納纖芯的直徑為1.25 u m,微納光纖區(qū)對應的石英管外徑為112 V- mo
[0034]實施例四:
所用光纖為普通單模光纖，光纖長度為1.5 m，裸光纖區(qū)長度40 _，經(jīng)拉錐后，光纖的直徑為12.5 Pm，長度為40 mm，裸光纖區(qū)總長度為80 mm。石英管長度為50 mm，管壁厚度為500 iim，管內徑為2000 U m。按方案二進行制作，其中石英管兩端填充石英介質柱和石英毛細管，其填充結構如圖4所示。微納光纖組成結構如圖3所示。微納光纖區(qū)長40 mm,微納纖芯的直徑為1.25 U m,微納光纖區(qū)對應的石英管外徑為300 V- m0
【權利要求】
1.一種微納光纖組件，包括石英管(I)和光纖(2)，其特征在于:所述光纖(2)穿過所述石英管(I)并在所述石英管(I)兩端保留尾纖；所述光纖(2)通過熔融固定在石英管(I)兩端且位于石英管(I)的中心軸線上；所述石英管(I)和光纖(2)組成的區(qū)域經(jīng)拉錐形成微納光纖區(qū)；所述微納光纖區(qū)的光纖為微納纖芯。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種微納光纖組件，其特征在于:所述光纖(2)為單模光纖，所述微納纖芯長度為1?100 mm,微納纖芯的直徑為0.0l?25 u m0
3.根據(jù)權利要求書I所述的一種微納光纖組件，其特征在于:所述石英管(I)外徑為250?5000 iim，所述石英管(I)壁厚為20?1000 Um0
4.根據(jù)權利要求書I所述的一種微納光纖組件，其特征在于:所述石英管(I)兩端的熔融區(qū)填充石英介質柱(4)和石英毛細管(5)。
5.一種微納光纖組件制作方法，其特征是包括以下步驟: 1)將光纖中段剝離覆層形成裸光纖區(qū)，所述裸光纖區(qū)的長度大于石英管長度； 2)將裸光纖區(qū)置于石英管內，并在所述石英管兩端口與所述光纖熔融固定，并確保所述光纖在石英管內處于拉直狀態(tài)，且所述光纖處于所述石英管兩端的軸線位置； 3)將石英管拉細至原始外徑的1/3?1/50，且確保石英管內的光纖被拉細至所述光纖原始直徑的1/3?1/50。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種微納光纖組件制作方法，其特征是:所述步驟I)中對所述裸光纖區(qū)的光纖進行預拉錐，所述裸光纖區(qū)長度比石英管長度長1(T100 mm。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種微納光纖組件制作方法，其特征是:在所述步驟3)的拉制過程中，在光纖一端輸入激光，在光纖另一端連接光功率計或光譜儀對傳輸光情況進行監(jiān)測。
8.根據(jù)權利要求書5所述的一種微納光纖組件制作方法,其特征在于:所述石英管外徑為250?5000 ym，所述石英管壁厚為20?1000 Um0
【文檔編號】G02B6/255GK103645551SQ201310692542
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】陳明陽 申請人:江蘇大學