专利名称：一种光子晶体光纤的制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及光子晶体光纤的制造，具体说是一种光子晶体光纤的制造工艺。尤指 光子晶体光纤低损耗制造方法以及毛细管的保护与集合成束装置。
背景技术：
随着社会的发展与技术的进步，人们对网络的依存度越来越高，人们对信息的需 求量也呈现爆炸式的增长。光纤通信技术也随之向现代高速光通信方向发展。长途骨干网和接入网是现代高速光通信的两大关键网络，而光信号的刹车与缓存 是制约下一代全光通信的技术障碍，信号功率与链路累积色散是制约长途骨干网发展的技 术瓶颈，小弯曲环境下的光纤弯曲损耗增大是制约光纤到户市场发展的技术问题。因此，如 何解决光刹车、实现功率放大与色散补偿、解决弯曲损耗是下一代光纤通信技术的关键科 学与技术问题。常规通信光纤无法实现现有高速光纤通信系统的光信号的全光处理，无法 同时实现功率增益与色散补偿；常规G. 657光纤的弯曲损耗较大，不能够任意弯曲，在复杂 而狭小的终端用户环境中的应用受到限制，因此，迫切需要开发出新型的超高抗弯能力的 前沿光纤技术。光子晶体光纤(PCF)具备许多独特而新颖的物理特性，这些特性是常规石英单模 光纤所很难或无法实现的。它具有优良的抗弯曲性能，大芯径单模传输特性、超高非线性， 光子带隙效应、色散的灵活设计等等。当前光子晶体光纤自身和光子晶体光纤特性在光通 讯、光网络中的应用等科学问题都是世界各国科学家关注着的重大问题，国际上这一领域 的研究刚刚开始。光子晶体光纤的制造技术不同于常规光纤制造工艺技术，国内外基本没有光子晶 体光纤工艺技术的细节报道。但是总体来说，光子晶体光纤制造技术主要包括毛细管聚束 拉丝法、大直径预制棒钻孔法、熔融挤出法、溶胶凝胶法等。其中，聚束拉丝法由于具有设计 灵活、操作方便、容易实现复杂结构等优势而被广泛采用。目前，国外光子晶体光纤已经商用化，光子晶体光纤的衰减研究也取得了实质性 突破全内反射型(TIR)光子晶体光纤在1310nm和1550nm波长的衰减分别降低到0. 35dB/ km和0. 205dB/km，接近常规单模光纤水平，1383nm的羟基吸收峰降低到1. OdB/km以下；光 子带隙型(PBG)光子晶体光纤的衰减又取得了新突破，从1. 72dB/km降低到1620nm波长的 1. 20dB/km并且实现1550nm的40G高速大容量长途传输IOOkm的系统试验。F. G6r0me等设计了一种双芯的微结构光纤，其负色散系数为-10000pS/(nm. km)。Huttimen等报道了一种具有高折射率纤芯双芯微结构光纤，色散系数为-59000ps/ (nm. km)，并且能够实现105nm的宽带色散补偿。Huttimen还提出了一种有效面积为 SOym2,内芯折射率为1. 5，外芯折射率为1. 3859的双芯微结构光纤，其1550nm的色散系 数为-1600ps/(nm.km)，补偿带宽达330nm，实现整个C+L波段(1530nm 1625nm)的色 散补偿。日本Takeshi Fujisawa等提出既具有较大负色散系数，又能够对标准单模光纤 进行色散斜率补偿的双芯微结构光纤，该双芯色散补偿微结构光纤的结构参数为Λ =1. 4633 μ m,外芯微孔点阵的dl/ Λ = 0. 2804，其它部分微孔点阵的d2/ A=O. 2804，其 1550nm的色散系数为-538pS/(nm. km)，既能够对单模光纤C波段的线性色散斜率进行补 偿，又能够进行整个C波段进行色散补偿，同时，补偿后的残余色散在士0.8pS/(nm.km)范 围内，非常适合40G高速大容量传输系统的色散补偿。可见微结构光纤在色散补偿领域具 备超凡能力，这预示微结构光纤在未来的WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分 复用系统)以及DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用系统)高 速大容量系统中的色散补偿将扮演着越来越重要的角色。日本的日立电缆(Hitachi Cable)公司报道了该公司研制的低损耗全内反射型微 结构光纤(TIR-PCF)。以VAD (Vapor Axial D印osition，气相轴向沉积法)工艺制造的高 纯二氧化硅毛细管和棒为材料，用集束拉丝法制造光纤。该光纤的芯成分是Ge02 · Si02， 芯周围环绕微气孔构成内包层，微孔直径=7 μ m，节距Λ = Ilym0光纤直径是80μπι，这 有利于改善可靠性和弯曲特性。所研制的光纤在1310nm和1550nm波长的衰减分别降低到 0. 35dB/km和0. 205dB/km,代表了当前PCF的最好水平，与常规单模光纤相当。该光纤的动 态疲劳参数η = 21，机械特性与常规单模光纤相当；在1550nm的弯曲损耗仅为常规单模光 纤的1/500，可用于制造室内缆。可见，国外在低损耗高性能的光子晶体光纤制造技术方面，已进行了深入的研究 和实际探索，国内急需在此方面掌握源头技术，形成具有自主知识产权的低损耗光子晶体 光纤制造技术。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光子晶体光纤的制造工 艺，对制造光子晶体光纤的原材料制备工艺，毛细管保护工艺和集合成束技术进行了优化， 并形成了相应的高洁净度、高精度可控的制备装置，并对光子晶体光纤制备的拉丝工艺进 行了优化，可用于制造低损耗的光子晶体光纤，具有很好的应用效果。为达到以上目的，本发明采取的技术方案是一种光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤步骤1，利用光纤预制棒沉积车床在衬底管内壁沉积厚度至少为Imm的高纯石英 材料；或掺入锗和氟的高纯石英材料；步骤2，在衬底管溶蚀装置内，利用溶蚀法将衬底管去掉，得到高纯石英管，步骤3，利用火焰抛光将高纯石英管进行整形光滑去除杂质，步骤4，利用高纯石英管纯化装置对高纯石英管进行纯化，步骤5，在密闭的洁净度在100以上的环境下，将高纯石英管在拉丝塔上拉制成石 英毛细玻璃管，石英毛细玻璃管为六边形或圆形，步骤6，将石英毛细玻璃管放置在毛细管高纯保护与纯化装置中进行纯化和保护， 并在密闭的洁净度在100以上的环境下，利用机械化点阵排列装置将石英毛细玻璃管集合 成束，然后将集合成束的石英毛细玻璃管放入与之相匹配的石英套管中，最终形成光子晶 体光纤预制棒，步骤7，将光子晶体光纤预制棒在拉丝塔上通过拉丝工艺拉制成光子晶体光纤。在上述技术方案的基础上，在步骤7的拉制过程中，拉制速度控制在lOm/min 1000m/min,拉制张力控制在50g 600g范围内。在上述技术方案的基础上，步骤1中所述衬底管为石英玻璃管，石英玻璃管的外 径为:35mm 40mm、壁厚为 1. 5mm 2. 5mm、长度为 1600mm 2000mm。在上述技术方案的基础上，步骤2中所述衬底管溶蚀装置，包括圆柱状的衬底管溶蚀装置壳体3，衬底管溶蚀装置壳体3中空形成内腔体，衬底管溶蚀装置壳体3上下两端用法兰盘2封闭壳体，法兰盘2的中心开有一个 小孔，法兰盘2上固定一个用于将插入衬底管溶蚀装置的衬底管紧密的卡住的圆形卡 套1，衬底管溶蚀装置壳体3上部设有与内腔体连通的上导入口 4，衬底管溶蚀装置壳体3下部设有与内腔体连通的下导入口 5。在上述技术方案的基础上，步骤4中所述高纯石英管纯化装置，包括支撑架13，呈直角三角形，支撑架13倾斜的侧边上设有用于固定高纯石英管10的上夹11和下夹12。在上述技术方案的基础上，步骤6中所述毛细管高纯保护与纯化装置，包括底部 设有轮子的壳体16，壳体内设有若干聚四氟乙烯制作的垫子17。在上述技术方案的基础上，步骤6中所述机械化点阵排列装置，包括上下放置的上法兰盘18、下法兰盘20，上法兰盘18、下法兰盘20间设有连接二者的纵向支撑立柱，纵向支撑立柱间设有与上法兰盘18平行的柔性紧固件19，上法兰盘18的上方设有可上下伸缩的竖杆22，竖杆22的上端设有与其垂直的、可来回伸缩的横杆21，横杆21的自由端设有机械手23，上法兰盘18上设有六边形活动式法兰架对，六边形活动式法兰架M上设有若干通孔25，通孔25为圆形小孔，均勻排列。在上述技术方案的基础上，柔性紧固件19选用高分子材料制成，在上法兰盘18拆 卸后，柔性紧固件19上翻将毛细管上口密封，下密封盖20为钛合金材质，在柔性紧固件19将毛细管聚合成束后，通过加热，利 用下密封盖20将毛细管下端口熔融密封。本发明所述的光子晶体光纤的制造工艺，具有以下优点1、本发明解决了衬底管所含杂质对光子晶体光纤损耗的不良影响；2、本发明可实现高纯的石英管材的制备，杂质含量在Ippb以下；3、本发明解决了毛细管的高洁净度保护与纯化处理，可将0H_含量控制在IOppb 以下；4、本发明可实现纯机械化的毛细管聚束排列，避免了人工操作带来的附加杂质引 入；5、本发明可实现低损耗的光子晶体光纤制备，光纤损耗可降低的到ldB/km以下。
本发明有如下附图图1衬底管溶蚀装置正视图，图2衬底管溶蚀装置俯视图，图3高纯石英管纯化装置，图4毛细管高纯保护与纯化装置，图5机械化点阵排列装置俯视图，图6点阵排列手柄，图7机械化点阵排列装置正视图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。光纤的衰减包括本征损耗与非本征损耗。其值可以用下面的公式表示α = Α/λ 4+B+C ( λ )其中α为光纤衰减，单位为dB/Km。A为瑞利色散系数，单位为μπι4Χ(1Β/Κπι。λ 为传输的光波长。B表示一个与波长无关的偏移量。C包括所有其它损耗，特别是一些衰减 峰值。由瑞利散射引起的损耗为光纤的本征损耗，与材料本身有关。当材料存在着密度 和浓度的微小随机起伏(接近1/10波长或更小)时，会引起瑞利散射，增加光的传输损耗。 在光纤的制备中，为实现所需的光传输性能，往往需要在纯的二氧化硅纤芯中掺入可以引 起折射率变化的物质，这些掺杂物将增加玻璃的密度和浓度起伏。通常，纤芯掺杂后相对纯 二氧化硅光纤的折射率变化越大，瑞利散射损耗越高。非本征损耗主要是包括因光纤波导结构的随机变化、光纤宏微观弯曲和杂质吸收 等引起的损耗。造成这类光纤损耗的因素主要与光纤制造工艺和光纤原材料有直接的关 系，包括制造时的工艺技术条件、原材料组份及纯度等。对光子晶体光纤的制备而言，不论是全内反射型光子晶体光纤还是中空带隙型光 子晶体光纤，要降低光纤的损耗，也必须依照上述的损耗特性原理，降低杂质含量，增加光 纤轴向和径向的均勻性，才能制备出低损耗的光子晶体光纤。另外，若采用聚束法拉制光子晶体光纤，还需对光子晶体光纤的毛细管动力学特 性和微孔特性进行研究。光子晶体光纤的微孔尺寸、形状和排列在截面上的偏差对光纤的 各种功能参数(如零色散点、非线性、单模传输带宽)都具有很大的影响。在2000°C左右的高温条件下，熔融态玻璃具有一定的粘度，温度升高，石英玻璃熔 体的粘度迅速降低。高温熔体在不同粘度情况下具备不同的表面张力，产生趋于缩小表面 积的附加压力S ρ。当高温毛细管熔体产生的附加压力不同时，其收缩变形的速度V也产生 巨大的差异，根据下面的公式可以计算出毛细管收缩变形的速度。V =
η式中，E为比例常数，P2为毛细管外压力，P1为毛细管内压力，σ为玻璃表面张力， ri(x,t)为毛细管内半径，r2(x，t)毛细管外半径，η为玻璃的粘度；r(x，t)是以毛细管轴向变化位置X、时间变量t为参量的函数，表示在某个时刻随轴向位置变化的毛细管半径的 大小。为了使毛细管熔体在拉丝过程中能够保持良好的形状，并维持空气孔阵列的形状 不变，需要摸索出严格的拉丝条件合适的拉丝温度T、进棒速度Vltjad、拉丝速度vd、合适的 拉丝张力F、毛细管内压力P1和外压力P2等。由此可以看出，多因子组成影响微结构光纤 拉丝工艺的影响函数f (x, t)，f (X，t)中χ为光纤拉制过程中，轴向位置变化参量，t为对应 的拉制时间，即时间变化参量。这样我们可以建立下面的方程
权利要求
1.一种光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤步骤1，利用光纤预制棒沉积车床在衬底管内壁沉积厚度至少为Irnm的高纯石英材料； 或掺入锗和氟的高纯石英材料；步骤2，在衬底管溶蚀装置内，利用溶蚀法将衬底管去掉，得到高纯石英管， 步骤3，利用火焰抛光将高纯石英管进行整形光滑去除杂质， 步骤4，利用高纯石英管纯化装置对高纯石英管进行纯化，步骤5，在密闭的洁净度在100以上的环境下，将高纯石英管在拉丝塔上拉制成石英毛 细玻璃管，石英毛细玻璃管为六边形或圆形，步骤6，将石英毛细玻璃管放置在毛细管高纯保护与纯化装置中进行纯化和保护，并 在密闭的洁净度在100以上的环境下，利用机械化点阵排列装置将石英毛细玻璃管集合成 束，然后将集合成束的石英毛细玻璃管放入与之相匹配的石英套管中，最终形成光子晶体 光纤预制棒，步骤7，将光子晶体光纤预制棒在拉丝塔上通过拉丝工艺拉制成光子晶体光纤。
2.如权利要求1所述的光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于在步骤7的拉制过程 中，拉制速度控制在10m/min 1000m/min，拉制张力控制在50g 600g范围内。
3.如权利要求1所述的光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于步骤1中所述衬底管 为石英玻璃管，石英玻璃管的外径为35mm 40mm、壁厚为1. 5mm 2. 5mm、长度为1600mm 2000mm。
4.如权利要求1或2或3所述的光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于，步骤2中所述 衬底管溶蚀装置，包括圆柱状的衬底管溶蚀装置壳体(3)， 衬底管溶蚀装置壳体(3)中空形成内腔体，衬底管溶蚀装置壳体C3)上下两端用法兰盘( 封闭壳体，法兰盘O)的中心开有一 个小孔，法兰盘( 上固定一个用于将插入衬底管溶蚀装置的衬底管紧密的卡住的圆形卡套⑴，衬底管溶蚀装置壳体C3)上部设有与内腔体连通的上导入口 G)， 衬底管溶蚀装置壳体C3)下部设有与内腔体连通的下导入口(5)。
5.如权利要求1或2或3所述的光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于，步骤4中所述 高纯石英管纯化装置，包括支撑架(13)，呈直角三角形，支撑架(1 倾斜的侧边上设有用于固定高纯石英管(10)的上夹(11)和下夹(12)。
6.如权利要求1或2或3所述的光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于，步骤6中所述 毛细管高纯保护与纯化装置，包括底部设有轮子的壳体(16)，壳体内设有若干聚四氟乙 烯制作的垫子(17)。
7.如权利要求1或2或3所述的光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于，步骤6中所述 机械化点阵排列装置，包括上下放置的上法兰盘(18)、下法兰盘00)， 上法兰盘(18)、下法兰盘OO)间设有连接二者的纵向支撑立柱，纵向支撑立柱间设有与上法兰盘(18)平行的柔性紧固件(19)， 上法兰盘(18)的上方设有可上下伸缩的竖杆02)， 竖杆0 的上端设有与其垂直的、可来回伸缩的横杆01)， 横杆的自由端设有机械手03)， 上法兰盘(18)上设有六边形活动式法兰架04)，六边形活动式法兰架04)上设有若干通孔(25)，通孔0 为圆形小孔，均勻排列。
8.如权利要求7所述的光子晶体光纤的制造工艺，其特征在于柔性紧固件(19)选用 高分子材料制成，在上法兰盘(18)拆卸后，柔性紧固件(19)上翻将毛细管上口密封，下密封盖00)为钛合金材质，在柔性紧固件(19)将毛细管聚合成束后，通过加热，利 用下密封盖00)将毛细管下端口熔融密封。
全文摘要
本发明是一种光子晶体光纤的制造工艺，使用PCVD工艺与设备在衬底管内壁沉积高纯石英材料，用溶蚀法将衬底管去掉，用火焰抛光将高纯石英管进行整形光滑去除杂质，对高纯石英管进行纯化，在密闭的洁净度在100以上的环境下，将高纯石英管在拉丝塔上拉制成毛细管。将毛细管进行纯化和保护，并用机械化点阵排列装置将毛细管集合成束，并最终形成光子晶体光纤预制棒，将之在拉丝塔上按一定的拉丝工艺拉制成光子晶体光纤。本发明对制造光子晶体光纤的原材料制备工艺，毛细管保护工艺和集合成束技术进行了优化，并形成了相应的高洁净度、高精度可控的制备装置，并对光子晶体光纤制备的拉丝工艺进行了优化，可用于制造低损耗的光子晶体光纤，具有很好的应用效果。
文档编号C03B37/025GK102060439SQ201010549988
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者李诗愈, 罗文勇, 胡福明, 陈伟, 雷道玉, 黄文俊 申请人:烽火通信科技股份有限公司