一种掺杂单晶多芯光纤的制备方法及掺杂单晶多芯光纤与流程

本发明涉及的是一种光纤，特别涉及一种掺杂单晶多芯光纤。本发明还涉及这种光纤的制造方法。

背景技术：

单晶光纤也被称为晶体纤维或纤维晶体，它是将晶体材料生长为纤维状的单晶体，直径在几微米到数百微米之间，它兼备块状晶体和一般石英光纤的功能。与块状晶体相比，单晶光纤具有体积小、集成度高、能与石英光纤相耦合等特点，与一般石英光纤相比具有质量高、物理效应强、功能全、能更好地与各类可见与非可见光波段的激光器相匹配，能用于大功率激光的传输等优点，在光电子学领域中具有重要的实用价值。

普通的纯净单晶体功能有限，为得到所期望的物理性质，常需要在晶体中掺入杂质元素，例如在非线性光学铌酸锂晶体中掺入mg元素能增强抗激光损伤能力，掺入钛、氢元素能提高晶体折射率；在半导体硅晶体中掺入一定量的磷，得到n型半导体，掺入一定量的铝或稼，得到p型半导体；在晶体中掺入镧系元素能得到荧光特性材料等。

通常的晶体光纤生长方法有，(1)导模法，涉及到的文献和报道有：[1]norioohnishiandtakafumiyao,anovelgrowthtechniqueforsingle-crystalfibers:themicro-czochralski(μ-cz)method,jpn.j.appl.phys.,28(2):l278-l280；1989；[2]dae-hoyoon,ichiroyonenaga,tsuguofukuda,norioohnishi,crystalgrowthofdislocation-freelinbo3singlecrystalsbymicropullingdownmethod,j.cryst.growth,142:339-343,1994；[3]钟鹤裕,侯印春,杈宁三,陈杏达,王人淑，铌酸锂单晶光纤的生长，硅酸盐学报，19(6):527-531,1991。该类生长方法为熔体从带有小孔或凸起的模具中引出，馈入籽晶后进行定向生长。其主要优点是能连续生长较长及特殊截面的光纤，但受模具材料限制，难以生长高熔点的晶纤，且难以避免污染问题。(2)激光加热基座法，涉及到的文献和报道有：[4]yalinlu,dajania.iyad,andr.j.knize,fabricationandcharacterizationofperiodicallypoledlithiumniobatesinglecrystalfibers,integratedferroelectrics,90:53-62,2007；[5]日本专利productionofsinglecrystalopticalfiber,bibliographicdata:jph0375292(a)―1991-03-29。该方法是利用co2激光加热形成局部熔区，馈入籽晶后连续生长出单晶纤维。该方法优点是，不需要模具和高温下无污染，能生长出高熔点光纤，生长速率快，但是受到生长条件的限制，往往只能制成短光纤，且难以控制光纤直径。(3)直接成型法，涉及到的文献和报道有：[6]p.rudolph,t.fukuda,fibercrystalgrowthfromthemelt,crystalresearchandtechnology,34:3–40,1999；[7]j.ballato,t.hawkins,andp.foyetal.siliconopticalfiber.opticsexpress.200816:18675-18683；[8]yi-chunghuang,andjau-shengwangetal.preformfabricationandfiberdrawingof320nmbroadbandcr-dopedfibers,opticsexpress.2007,15:14382-14388。该方法是利用毛细管效应使得熔体一次性结晶固化成晶体光纤，或是通过管棒法与拉丝技术得到晶体芯光纤。然而该类制备方法只能制成短光纤，且纤芯难以保证为单晶体。(4)其他生长方法，如日本专利(fibrousoxideopticalsinglecrystalanditsproduction,bibliographicdata:jph08278419(a)―1996-10-22)给出了一种铌酸锂晶体芯光纤的制备方法，该方法是利用外延生长技术在单晶光纤表面生长一层低折射率氧化物单晶包层。在该晶体光纤制备方法中，外延层氧化物熔点必须比单晶光纤熔点低，同时受外延层熔体、提拉机构等限制，生长的晶体光纤较短，且外径尺寸较大。还有，如美国专利(methodofcladdingsinglecrystalopticalfiber,patentnumber,5077087；claddingsforsinglecrystalopticalfibersanddevicesandmethodsandapparatusformakingsuchcladdings,patentnumber,5037181)描述了一种掺杂铌酸锂单晶光纤的制备方法，该方法通过高温处理使得涂覆在单晶光纤表层的氧化物涂层扩散进入到光纤中，起到降低单晶光纤表面层折射率。在该晶体光纤制备方法中，晶体光纤包层中离子呈抛物线分布，其包层折射率分布由外至内也会逐渐递减，会导致光纤损耗增加。另外，这种方法可控性差，扩散程度不均匀，扩散深度不宜控制，产品性能稳定性较差。此外，中国专利(一种微结构包层单晶光纤及制备方法，cn102298170a；一种具有布拉格结构包层单晶光纤及制备方法,cn102253445a)公开了一种微结构包层和晶体芯构成的单晶光纤制备方法。该方法为，首先制备出空心包层套，将微尺寸单晶体插入到空心包层套中，然后加热拉伸包层套使纤芯被包层套裹住，制成微结构包层单晶光纤。该光纤制备方法的缺点在于，其一，由于表面静电吸引作用，很难将长尺度的微单晶体插入到包层套微孔内；其二，石英玻璃软化温度点与晶体熔点的大差异，导致在拉伸包层套过程中出现纤芯熔体挥发产生不连续或缺失，以及石英溶解于纤芯熔体中，产生杂质污染和阻碍纤芯熔体的结晶过程，形成不了单晶体；其三，包层套拉伸温度梯度远高于促使纤芯熔体结晶形核、长大形成单晶的温度梯度力，不符合单晶生长的动力学条件。

综上所述，前面所涉及到的晶体光纤，或为无包层结构，或纤芯难以保证为单晶体，而且光纤中通常只含有一个纯净晶体的纤芯，不涉及离子掺杂，因此所制备的晶体光纤功能受限，无法满足进一步的光纤传感、新型纤维集成器件需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种工艺简便实用，制得的光纤石英包层外径及单晶芯径可控、结晶质量均匀的掺杂单晶多芯光纤的制备方法。本发明的目的还在于提供一种兼备块状晶体和一般石英光纤的功能的掺杂单晶多芯光纤。

本发明的掺杂单晶多芯光纤的制备方法为：

步骤一：通过堆积束法或石英棒打孔法获得多孔光纤预制棒，并用氢氧焰对多孔光纤预制棒一端进行加热密封，然后配合抽气、充气装置，利用光纤拉丝塔在1900℃以上的温度将多孔光纤预制棒拉制成多孔毛细管；

步骤二：将装有掺杂多晶粉末的铂金内坩埚嵌套于密封的钨外坩埚中，一起放置于高温马弗炉内以稍高于多晶粉末熔点的温度加热致内坩埚中的掺杂多晶粉末完全熔化处于过热状态，然后通过外坩埚密封盖上一凸起内孔向外坩埚内部中充入惰性气体，维持恒定正压力，多孔毛细管一端从外坩埚密封盖上的另一凸起内孔插入到内坩埚熔体中，多孔毛细管另一端与外部抽气装置相连，使得毛细管孔内形成恒定负压，在充气正压与抽气负压作用下，熔融液体快速充满毛细管的多孔中，降温消除光纤内应力，熔体固化变成多晶，得到掺杂多晶多芯光纤；

步骤三：将制备的掺杂多晶多芯光纤放置于带有旋转夹具的水平光纤拉锥机上，光纤在横向旋转的同时，微加热装置沿导轨从一端向另一端移动加热光纤，微加热装置中心温高于纤芯多晶体熔点但低于石英软化点温度，此时掺杂多晶多芯光纤中的纤芯被加热成熔体，外部包层保持石英玻璃固态，在微尺寸毛细管内孔及温度梯度动力作用下纤芯熔体结晶形核、长大生成单晶体，制成掺杂单晶多芯光纤；

步骤四：当夹具两端之间的光纤纤芯完成单晶化后，移动未单晶化的光纤部分至旋转夹具两端，重复步骤一至三的过程，整根掺杂多晶多芯光纤中的纤芯都实现单晶化。

本发明的掺杂单晶多芯光纤的制造方法还可以包括：

1、获得多孔光纤预制棒的方法是：先选取石英毛细棒，用堆积技术形成堆积束，将堆积束中两个及以上位置上的石英毛细棒替换为相同材质的石英毛细管，然后将堆积束装入薄壁石英玻璃管中，构成复合式多孔光纤预制棒，并用氢氧焰对多孔光纤预制棒一端进行加热密封。

2、获得多孔光纤预制棒的方法是：在一段实心石英棒上打两个及以上通孔，然后在石英棒一端焊接上同等外径尺寸的薄壁石英管，构成焊接式多孔光纤预制棒，并用氢氧焰对多孔光纤预制棒另一端进行加热密封。

本发明的掺杂单晶多芯光纤是：石英包层内含有两个晶体纤芯，两个晶体纤芯位置成非对称或对称分布。

本发明的掺杂单晶多芯光纤是：石英包层内同时含有三个晶体纤芯，三个晶体纤芯位置成等腰三角形或一字形分布。

本发明的掺杂单晶多芯光纤是：石英包层内同时含有四个晶体纤芯，四个晶体纤芯位置成长方形分布。

本发明的掺杂单晶多芯光纤是：石英包层内同时含有五个晶体纤芯，五个晶体纤芯位置成对称分布。

本发明的掺杂单晶多芯光纤，根据纤芯材质以及掺杂离子不同，还可以实现不同单晶纤芯和不同离子掺杂的多芯光纤。

本发明的掺杂单晶多芯光纤为同一石英包层内含有两个及以上的掺杂单晶纤芯，且纤芯晶体熔点低于石英包层软化点。

本发明提供了一种兼备块状晶体和一般石英光纤的功能，把块状掺杂晶体所具有的优良物理、光学特性与光纤的导光性与几何形状有机结合在一起，可应用于光纤传感、新型纤维集成器件的掺杂单晶多芯光纤。本发明还提供了一种制备工艺简便实用，制得的光纤石英包层外径及单晶芯径可控、结晶质量均匀的掺杂单晶多芯光纤的制造方法。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、制作的掺杂单晶多芯光纤兼备块状晶体和一般石英光纤的功能，把块状掺杂晶体所具有的优良物理、光学特性与光纤的导光性及几何形状有机结合在一起，可以制成多种功能的光纤光学器件，在新型光纤传感和光纤通信领域有广泛应用。

2、制作的掺杂单晶多芯光纤石英包层内同时含有多个晶体纤芯，可以灵活的实现多种纤芯排列的掺杂单晶光纤，制备工艺简便实用。

3、在掺杂单晶多芯光纤制备过程中，首先制备多孔毛细管，然后利用高压技术将熔体填充到多孔中，最后利用加热后处理方式实现纤芯单晶化。基于这种工艺过程，可以方便实现不同单晶纤芯材质和掺杂的多芯光纤的制备，晶体缺陷少，生长的单晶芯光纤较长。

上述光纤制造技术的发明，拓宽了掺杂单晶多芯光纤的种类，特别对具有掺杂的单晶多芯光纤的制备方法而言，制作工艺简单，低廉的成本将有助于把它推向市场。

附图说明

图1为实施例一所示的非对称形双芯掺杂单晶光纤截面示意图；

图2至图3为实施例一所示的两种非对称形双孔光纤预制棒截面示意图；

图4为实施例一所示的非对称形双孔毛细管截面示意图；

图5为实施例一所示的非对称形双芯掺杂多晶体光纤制备示意图；

图6为图5中所示的双坩埚局部放大图；

图7(a)为图6中所示的外坩埚的密封盖主视图，图7(b)为图6中所示的外坩埚的密封盖俯视图；

图8为图6中所示的外坩埚的密封垫结构示意图；

图9(a)为图6中所示的外坩埚上的密封螺帽主视图，图9(b)为图6中所示的外坩埚上的密封螺帽俯视图；

图10为实施例一所示的非对称形双芯掺杂多晶体光纤中纤芯单晶化的工艺示意图；

图11为图10中所示的沿光纤轴向方向上的被加热光纤芯内的温度场分布示意图；

图12(a)至与12(e)为其它的掺杂单晶多芯光纤截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

说明书附图上各附图标记的含义为：1-掺杂单晶纤芯；2-石英包层；3-石英玻璃毛细棒；4-石英玻璃毛细管；5-薄壁石英管；6-石英玻璃填充棒；7-石英棒；8-通孔；9-毛细孔；10-石英包层；11-高纯氩气瓶；12-压力显示表；13-橡皮管；14-炉子加热元件；15-钨管；16-加热炉；17-多孔毛细管；18-橡皮管；19-真空泵；20-氧化铝纤维垫；21-钨坩埚；22-铂金坩埚；23-熔体；24-氧化锆保温砂；25-外螺纹；26-内孔；27-外螺纹；28-圆锥形孔；29-内螺纹；30-内孔；31-密封帽小孔；32-内螺纹；33-光纤旋转夹具；34-微电加热炉；35-掺杂多晶体多芯光纤；36-导轨；37-单晶芯；38-石英包层；39-纤芯熔区；40-多晶芯；41-多晶芯与熔区的固液界面；42-单晶芯与熔区的固液界面；i-复合式非对称形双孔光纤预制棒；ⅱ-焊接式非对称形双孔光纤预制棒；ⅲ-非对称形双孔毛细管；ⅳ-双坩埚；ⅴ-外坩埚密封盖；ⅵ-外坩埚密封垫；ⅶ-外坩埚上的密封螺帽；v-微加热炉横向移动速度；t1-单晶区温度；t2-熔区温度；t3-多晶区温度。

实施例一

图1是本发明的第一种镁离子掺杂铌酸锂单晶双芯光纤的横截面示意图，纤芯1为镁离子掺杂铌酸锂单晶，纤芯位置呈非对称分布，包层2为石英，纤芯1的折射率大于包层2的折射率。

在本发明的制造过程中用到了内、外双坩埚。结合图6，外坩埚21采用钨材质，上面带有钨材质密封盖ⅴ，二者之间填充耐高温(1800℃)的氧化铝纤维密封垫ⅵ，外坩埚密封盖ⅴ上含有一密封螺帽ⅶ，多孔毛细管17穿过密封螺帽ⅶ上的小孔31和坩埚密封盖ⅴ上的圆锥形孔28后，插入到内坩埚的熔体23中，多孔毛细管与圆锥形孔之间的空隙采用氧化铝纤维垫20进行密封。内坩埚22采用铂金材质，里面盛装掺杂多晶粉，内、外坩埚之间的缝隙填充有氧化锆保温砂24，起到保温和固定内坩埚22作用；结合图7，坩埚密封盖ⅴ含有两凸起的内孔，其中一凸起内孔带外螺纹25和微小内孔26，高纯惰性气体从孔26中注入到外坩埚21内部，另一凸起内孔带外螺纹27和圆锥形内孔28，圆锥形内孔28填充有氧化铝纤维密封垫20，坩埚密封盖ⅴ带有内螺纹29，它与坩埚21上的外螺纹配合密封连接；结合图8，氧化铝纤维密封垫ⅵ上带有两圆形孔30，其中一圆孔与密封盖ⅴ上的小孔26相通，另一圆孔与密封盖ⅴ上的圆锥形孔28相通；结合图9，密封螺帽ⅶ带有一小孔31，光纤17穿过此孔，螺帽内表面带有内螺纹32，它与外坩埚密封盖ⅴ上凸起内孔的外螺纹27配合密封连接。

结合图2至图5、图10和图11，实施例一所示的镁离子掺杂铌酸锂单晶双芯光纤的制备方法包含以下步骤：

1)选取长度为700mm外径为1mm的石英玻璃毛细棒3，密排六方堆积形成堆积束，将堆积束中的中心位置和一个非中心位置上的石英毛细棒替换为同等长度、内外径尺寸的石英毛细管4，然后将堆积束装入一根内外径为长750mm的石英玻璃管5中，堆积束一侧端头露出石英玻璃管5的端面，堆积束与石英玻璃管5之间的空隙填充直径的石英毛细棒6，形成了复合式多孔光纤预制棒ⅰ，如图2所示；用氢氧焰对多孔光纤预制棒一端进行加热密封，另一露出有堆积束的端头安装有抽气和充气装置，对毛细棒、毛细管和外层石英套管之间的空隙进行抽气，真空度维持在0.3×10⁵pa以上；对毛细管内部进行充气，使毛细管内部压力维持在～1000pa；在拉丝塔上以1900℃以上的温度将多孔光纤预制棒拉制成外径的双孔毛细管ⅲ，如图4所示，双孔毛细管包含两个的非对称形微孔9，以及石英包层10。

2)将掺杂有微量氧化镁的同成分铌酸锂多晶粉(li/nb＝48.6:51.4)放置于铂金坩埚22中，然后嵌套于钨坩埚21内，一起放入高温马弗炉16中，放置于马弗炉内的双孔毛细管17一端穿过坩埚密封盖ⅴ上的圆锥形孔28后插入到铌酸锂多晶粉内，毛细管另一端穿过马弗炉后通过软管18与外部抽气装置19相连，带有内螺纹的钨管15一端与坩埚密封盖ⅴ上的外螺纹25相连，钨管15另一端穿过马弗炉后通过软管13与外部高纯高压氩气瓶11相连接；将马弗炉升温到稍高于铌酸锂晶体熔点1250℃，但低于石英软化温度，使得坩埚中的掺杂多晶粉体完全熔化处于过热熔融状态，此时多孔毛细管仍保持石英玻璃固态，其一端没入到内坩埚的熔体23中；通过高纯氩气瓶11、压力显示表12、软管13和钨管15，向外坩21内部充入气体，维持恒定正压力0.2×10⁶mpa以上；通过真空泵19和软管18，对多孔毛细管孔17内部抽气，形成恒定负压0.5×10⁵mpa以上，在充气正压与抽气负压作用下，熔融液体23快速充满毛细管内的多孔中，维持正压和负压值不变，以程序控制降温方式降至室温，消除光纤内应力，纤芯熔体固化变成了多晶，形成掺镁铌酸锂多晶体双芯光纤35；

3)将掺杂多晶体双芯光纤35放置于有旋转夹具33的水平光纤拉锥机上，如图10所示，光纤以～10r/min的速度旋转，微电加热炉34在步进电机带动下，沿导轨从一端向另一端以v＝30～50mm/h速度缓慢移动加热光纤；微加热装置中心温稍高于铌酸锂纤芯多晶体熔点1250℃，但低于石英软化点温度1730℃。以其中一个纤芯为例，如图11所示，掺杂多晶体双芯光纤中的纤芯被加热成熔区39，两侧各有一个固液界面41和42，而外部包层38仍保持石英玻璃固态；在加热的纤芯区，熔区39与单晶体37之间的固液界面42的温度梯度为(t2-t1)，该区域内，在微尺寸毛细管内孔及温度梯度动力作用下，纤芯熔体结晶形核、长大生成单晶体37，完成了纤芯的单晶化过程；另一固液界面41为微加热炉向前移动时熔区39与多晶体40之间的界面，该区域的温度梯度为(t1-t3)，这里t2＞t1＝t3；当夹具33两端之间的光纤纤芯完成了单晶化后，移动未单晶化的光纤部分至旋转夹具两端，多次重复上述过程，这样整根掺杂多晶体双芯光纤中的纤芯都实现了单晶化。

实施例二

结合图3和图4，本发明的另外一种镁离子掺杂铌酸锂单晶双芯光纤的制备方法为，在一段直径长度70mm的实心石英棒ⅱ上打两个直径的孔8，然后在石英棒一端焊接上同等外径尺寸的薄壁石英管，用氢氧焰对多孔石英棒另一端进行加热密封，构成了焊接式双孔光纤预制棒，在石英管一端安装充气装置，对孔8内部进行充气，维持正压力在～1000pa；在拉丝塔上以1900℃以上的温度将双孔光纤预制棒拉制成外径的双孔毛细管ⅲ，双孔毛细管包含两个的非对称微孔9，以及石英包层10。其余工艺过程与实施例一相同。

根据本发明所阐述的掺杂单晶多芯光纤的制备方法，还可以实现纤芯不同排列结构的单晶多芯光纤。例如：根据掺杂单晶双芯光纤在包层圆形截面上的位置不同可以构成非对称形双芯光纤(如图1所示)，对称形双芯光纤(如图12(a)所示)或者是其它任意角度位置关系的双芯光纤。相同的工艺方法可以制备出其它种类的掺杂单晶多芯光纤，如等腰三角形三芯光纤(如图12(b)所示)，一字形三芯光纤(如图12(c)所示)，长方形四芯光纤(如图12(d)所示)，对称形五芯光纤(如图12(e)所示)等。

根据本发明所阐述的掺杂单晶多芯光纤的制备方法，根据纤芯材质以及掺杂离子不同，还可以实现不同单晶纤芯和掺杂的多芯光纤。例如：具有非线性效应的掺镁钽酸锂单晶多芯光纤(掺入物质为氧化镁，制备过程中，马弗炉和光纤拉锥机上电加热炉温度稍高于钽酸锂单晶熔点，但低于石英软化温度)；掺磷或铝的半导体硅单晶多芯光纤(掺入物质为磷或铝单质，制备过程中，马弗炉和光纤拉锥机上电加热炉温度稍高于硅单晶熔点，但低于石英软化温度)；具有激光特性的掺钐氟化钙单晶多芯光纤等(掺入物质为三氟化钐，制备过程中，马弗炉和光纤拉锥机上电加热炉温度稍高于氟化钙单晶熔点，但低于石英软化温度)。