专利名称：一种光子晶体光纤的制备方法
技术领域：
本发明属于光子晶体光纤技术，特别涉及一种光子晶体光纤的制备方法。本方法适用于所有需要加压拉丝的光子晶体光纤。
背景技术：
光子晶体光纤的制备工艺一般是先将毛细管或丝拼砌在石英管中形成预制棒，然后再将预制棒在拉丝塔上经高温熔融拉制成光纤。但是在高温拉丝的过程中，毛细管拼砌的微结构会发生变形，这样光子晶体光纤原有的设计结构和性能就发生了改变。保证毛细管的拼砌结构以及毛细管本身的尺寸、结构是非常重要且难度非常高的。申请号为200510024669. 5的中国专利公开一种光子晶体光纤预制棒的制备方法，该方法采用两端封口的毛细管、一端封口外套管，并将填充后的外套管抽真空加热，冷却后形成预制棒。此方法制备的预制棒虽然毛细管的位置稳定、能够解决界面散射问题，但是预制棒在高温拉丝 时，没有对毛细管的控制措施，毛细管孔径会受到熔融石英玻璃表面张力的作用而收缩。申请号为201010549988.9的中国专利公开一种光子晶体光纤的制造工艺，该工艺对毛细管的纯化和保护以及集合成束工艺技术做了优化。该专利能够降低光子晶体光纤的损耗，并未涉及如何保证高温拉丝时毛细管结构稳定性的内容。申请号为200410042623. I的中国专利公开一种制备光子晶体光纤的方法及该方法所使用的装置，首先在特定尺寸的玻璃套管中将毛细管排列出特定的结构，形成光子晶体光纤预制棒，然后再通过特定装置对光纤预制棒进行压力控制，即对玻璃套管抽真空、毛细管内通入一定气压的气体。该专利对玻璃套管抽真空可以在高温拉丝时使毛细管相互融合，相对位置稳定，在毛细管内通入一定气压的气体可以控制毛细管的尺寸，但是毛细管外的真空和毛细管内的压力更容易造成毛细管的胀破、变形，并且装置操作难度大。实施该专利要求真空罩和插盘上的插孔直径、位置和数目要与所需要的光纤中的光子晶体排列方式一致，一般组成一根光子晶体光纤预制棒的毛细管有几百根，操作难度可想而知，并且每一种特定的光子晶体光纤都要设计制备与之相对应的真空罩和插盘，不能适应光子晶体光纤结构灵活多变的特性。综上所述，光子晶体光纤的制备工艺复杂，技术难度高，理论设计的具有优异特性的光子晶体光纤结构很难拉制成实际光纤。从概念提出至今的二十多年时间里，制备技术一直是困扰光子晶体光纤发展的一个重要问题。随着光子晶体光纤的发展，新型的光子晶体光纤结构层出不穷，想要实现这些结构就必须解决对毛细管间隙和与毛细管孔径同时加以控制的问题。
发明内容
本发明的目的在于公开一种光子晶体光纤的制备方法，本方法采用空心毛细管拼砌光子晶体光纤预制棒，并采用至少两根相互嵌套的石英管作为光子晶体光纤毛细管的内外套管。相互嵌套的石英管连接处完全封闭各不相通，并且内外套管都分别预留可与压力控制器连接的压力连通口。在光子晶体光纤预制棒加压拉丝时分别控制内外套管内的压力，从而使作用在毛细管内与毛细管外的压力产生压力差。采用相互嵌套、各不相通、分别预留压力连通口的石英管作为光子晶体光纤毛细管的内外套管，可灵活、精确地控制毛细管直径的变化情况，同时还可以控制毛细管之间空隙大小的变化情况，容易实现光子晶体光纤的复杂结构。本发明采取的技术方案是一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤一光子晶体光纤预制棒的制备
(一).毛细管与内套管的嵌套
采用一根石英管作为毛细管的内套管，毛细管长度大于内套管长度；将毛细管按照一定长度切割成若干根，按照光子晶体光纤所需的光子晶体结构将若干根毛细管拼砌在内套管中，中心位置预留纤芯，使毛细管的一端与内套管的一端相互对齐，若干根毛细管的另一 端形成毛细管束伸出内套管，对齐一端的毛细管与内套管之间的空隙部分用石英丝紧密填满；
(二).毛细管与内套管的融合
将对齐端的内套管连同毛细管加热至软化状态，使一定长度范围内的毛细管之间以及毛细管与内套管之间融合在一起，同时对伸出另一端的毛细管束进行加压，以保证毛细管的空心不会收实；
(三).外接封闭内套管顶部
在对齐端的内套管顶部外接一段封闭的石英管，并在外接石英管的侧面预留一个内套管压力连通口；
(四).内套管连同毛细管与外套管的嵌套
采用一根石英管作为毛细管的外套管，外套管长度大于内套管长度，外套管内径等于内套管外径，将伸出毛细管束的一端装入外套管中，装入深度以外套管的上端到达毛细管与内套管融合的位置为准，同时使外套管的下端面与伸出的毛细管束的下端面在同一平面上；外套管的下端与毛细管束之间的空隙部分用石英丝填实；
(五)·封闭外套管
将与内套管套接处的外套管上端面封闭，外套管的侧面预留一个外套管压力连通口，外套管的下端面封闭，形成光子晶体光纤预制棒；
步骤二 光子晶体光纤预制棒的拉制
在拉丝塔上通过熔融拉丝的过程将光子晶体光纤预制棒拉制成所需直径的光纤，同时通过内套管压力连通口和外套管压力连通口分别对内套管和外套管进行加压以控制毛细管直径以及毛细管之间空隙大小的变化。本发明所产生的有益效果是采用本方法在光子晶体光纤预制棒加压拉丝时，通过分别控制内外套管内的压力，可以灵活、精确地控制毛细管直径的变化情况，同时还可以控制毛细管之间空隙大小的变化情况，容易实现光子晶体光纤的复杂结构。从而解决对毛细管间隙和与毛细管孔径同时加以控制的问题。
图I是毛细管与内套管嵌套后的结构示意图。
图2是内套管和毛细管对齐端融合后的结构示意图。图3是外接封闭内套管顶部的结构示意图。图4是与外套管嵌套后的预制棒结构示意图。
具体实施例方式 以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。参照图I、图2、图3和图4，一种光子晶体光纤的制备方法包括以下步骤
步骤一光子晶体光纤预制棒的制备 (一).毛细管与内套管的嵌套
采用一根石英管作为毛细管I的内套管2，毛细管I长度大于内套管2长度；将毛细管I按照一定长度切割成若干根，按照光子晶体光纤所需的光子晶体结构将若干根毛细管I拼砌在内套管2中，中心位置预留纤芯3，使毛细管I的一端与内套管2的一端相互对齐，若干根毛细管I的另一端形成毛细管束4伸出内套管，对齐一端的毛细管I与内套管2之间的空隙部分用石英丝5紧密填满；
(二).毛细管与内套管的融合
将对齐端的内套管2连同毛细管I加热至软化状态，使一定长度范围内的毛细管I之间以及毛细管I与内套管2之间融合在一起，同时对伸出另一端的毛细管束4进行加压，以保证毛细管I的空心不会收实；
(三).外接封闭内套管顶部
在对齐端的内套管2顶部外接一段封闭的石英管6，并在外接石英管6的侧面预留一个内套管压力连通口 7 ；
(四).内套管连同毛细管与外套管的嵌套
采用一根石英管作为毛细管的外套管8，外套管8长度大于内套管2长度，外套管8内径等于内套管2外径，将伸出毛细管束4的一端装入外套管8中，装入深度以外套管8的上端到达毛细管I与内套管2融合的位置为准，同时使外套管8的下端面与伸出的毛细管束4的下端面在同一平面上；外套管8的下端与毛细管束4之间的空隙部分用石英丝5填实；
(五).封闭外套管
将与内套管2套接处的外套管8上端面封闭，外套管8的侧面预留一个外套管压力连通口 9，外套管的下端面封闭，形成光子晶体光纤预制棒；
步骤二 光子晶体光纤预制棒的拉制
在拉丝塔上通过熔融拉丝的过程将光子晶体光纤预制棒拉制成所需直径的光纤，同时通过内套管压力连通口 7和外套管压力连通口 9分别对内套管2和外套管8进行加压以控制毛细管I直径以及毛细管I之间空隙大小的变化。本方法采用的毛细管的外径为O. 5 3_。若干根毛细管采用相同内径的毛细管，或者采用两种以上不同内径的毛细管。毛细管的形状采用六角形或圆形中的一种。毛细管的切割长度为15(T300mm，内套管长度为100_250mm。毛细管之间以及毛细管与内套管之间融合的长度为30-60mm。实施例一 kagome型空芯光子晶体光纤的制备
(一)·将内径为O. 8mm、外径为I. Omm的圆形毛细管按照长度为200mm进行切割,按照三角形排列结构将它们拼砌在内套管中，中心位置留有纤芯，内套管内径为15mm,外径为18mm，长度为100mm。毛细管I的另一端形成毛细管束5伸出内套管，毛细管之间的空隙保留，毛细管与内套管之间的空隙用石英丝紧密填满，毛细管、石英丝与内套管的一端对齐。(二).将对齐端的内套管连同毛细管加热软化，加热长度为30mm，另一端对伸出的毛细管束适当加5托的压力。(三).在对齐端顶部接一段40mm长的石英管，石英管顶部封闭，石英管侧面预留一个直径1cm，长2cm的内套管压力连通口。(四)·将内套管伸出毛细管束端装入一根内径18mm，外径22mm、长180mm的外套管中，装入深度以外套管的上端到达毛细管与内套管融合的位置为准，同时使外套管的下端面与伸出的毛细管束的下端面在同一平面上，外套管下端与毛细管束之间的空隙部分用石英丝填实。
(五).将与内套管套接处的外套管上端面用氢氧焰加热软化后封闭,外套管的侧面预留一个直径1cm，长2cm的外套管压力连通口。外套管的下端面用氢氧焰加热软化后封闭，形成光子晶体光纤预制棒。(六).将嵌套好的预制棒在拉丝塔上经1960°C高温拉丝，拉丝速度控制在IOm/s，内套管的压力控制在10托，外套管的压力控制在12托，即可拉制成外径为125μπι的kagome型空芯光子晶体光纤。实施例二 双包层掺镱光子晶体光纤的制备
(一).将内径为O. 5mm、夕卜径为I. 2mm和内径为O. 8mm、夕卜径为I. 2mm的两种六角形毛细管按照长度为300_进行切割，按照双包层结构(内径小的拼砌内包层区，内径大的拼砌外包层区)将它们按照蜂窝型排列结构拼砌在内套管中，中心位置留有纤芯，内套管内径21mm、外径25mm，长度为150mm。毛细管的另一端形成毛细管束5伸出内套管，毛细管之间的空隙及毛细管与内套管之间的空隙均用石英丝紧密填满，毛细管、石英丝与内套管的一端对齐。(二).将对齐端的内套管连同毛细管加热软化，加热长度为30_，另一端对伸出的毛细管束适当加6托的压力。(三).在对齐端顶部接一段40mm长的石英管，石英管顶部封闭，石英管侧面预留一个直径1cm，长2cm的内套管压力连通口。(四)·将内套管伸出毛细管束端装入一根内径25mm、外径29mm、长280mm的外套管中，装入深度以外套管的上端到达毛细管与内套管融合的位置为准，同时使外套管的下端面与伸出的毛细管束的下端面在同一平面上，外套管下端与毛细管束之间的空隙部分用石英丝填实。(五).将与内套管套接处的外套管上端面用氢氧焰加热软化后封闭，外套管侧面预留一个直径1cm，长2cm的压力连通口，外套管的下端面用氢氧焰加热软化后封闭，形成光子晶体光纤预制棒。(六).将嵌套好的预制棒在拉丝塔上经1980°C高温拉丝，拉丝速度控制在6m/s,内套管的压力控制在16托，外套管的压力控制在3托，即可拉制成外径为400 μ m的双包层掺镱光子晶体光纤。在拉制过程中，通过内套管压力连通口向内套管加压P1，即毛细管孔内压强SP1 ；通过外套管压力连通口向外套管加压P2，即外套管及毛细管间隙压强为P2。为了限制光子晶体光纤微结构的形变，在保证拉丝过程稳态可控的前提下，控制ΛΡ (ΛΡ= P1-P2)可以控制毛细管孔径及孔间隙的缩放。ΛΡ > O可以实现毛细管膨胀，间隙融合；ΛΡ < O可以实现毛细管的收缩，间隙的保持。毛细管发生收缩变形时的边界压强值，是进行正常光纤拉制的最小压强值，如式
(1)所示
权利要求
1.一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一光子晶体光纤预制棒的制备 (一).毛细管与内套管的嵌套 采用一根石英管作为毛细管的内套管，毛细管长度大于内套管长度；将毛细管按照一定长度切割成若干根，按照光子晶体光纤所需的光子晶体结构将若干根毛细管拼砌在内套管中，中心位置预留纤芯，使毛细管的一端与内套管的一端相互对齐，若干根毛细管的另一端形成毛细管束伸出内套管，对齐一端的毛细管与内套管之间的空隙部分用石英丝紧密填满； (二).毛细管与内套管的融合 将对齐端的内套管连同毛细管加热至软化状态，使一定长度范围内的毛细管之间以及毛细管与内套管之间融合在一起，同时对伸出另一端的毛细管束进行加压，以保证毛细管的空心不会收实； (三).外接封闭内套管顶部 在对齐端的内套管顶部外接一段封闭的石英管，并在外接石英管的侧面预留一个内套管压力连通口； (四).内套管连同毛细管与外套管的嵌套 采用一根石英管作为毛细管的外套管，外套管长度大于内套管长度，外套管内径等于内套管外径，将伸出毛细管束的一端装入外套管中，装入深度以外套管的上端到达毛细管与内套管融合的位置为准，同时使外套管的下端面与伸出的毛细管束的下端面在同一平面上；外套管的下端与毛细管束之间的空隙部分用石英丝填实； (五).封闭外套管 将与内套管套接处的外套管上端面封闭，外套管的侧面预留一个外套管压力连通口，外套管的下端面封闭，形成光子晶体光纤预制棒； 步骤二 光子晶体光纤预制棒的拉制 在拉丝塔上通过熔融拉丝的过程将光子晶体光纤预制棒拉制成所需直径的光纤，同时通过内套管压力连通口和外套管压力连通口分别对内套管和外套管进行加压以控制毛细管直径以及毛细管之间空隙大小的变化。
2.根据权利要求I所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述的毛细管的外径为O. 5 3mm。
3.根据权利要求I所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述的若干根毛细管采用相同内径的毛细管，或者采用两种以上不同内径的毛细管。
4.根据权利要求I所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述的毛细管的形状采用六角形或圆形中的一种。
5.根据权利要求I所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述的毛细管的切割长度为15(T300mm，内套管长度为100_250mm。
6.根据权利要求I所述的一种光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，所述的毛细管之间以及毛细管与内套管之间融合的长度为30-60mm。
全文摘要
本发明公开了一种光子晶体光纤的制备方法，该方法采用空心毛细管拼砌光子晶体光纤预制棒，并采用至少两根相互嵌套的石英管作为光子晶体光纤毛细管的内外套管。相互嵌套的石英管连接处完全封闭各不相通，并且内外套管都分别预留可与压力控制器连接的压力连通口。在光子晶体光纤预制棒加压拉丝时分别通过压力连通口控制内外套管内的压力，从而使作用在毛细管内与毛细管外的压力产生压力差。采用相互嵌套、各不相通、分别预留压力连通口的石英管作为光子晶体光纤毛细管的内外套管，可以灵活、精确地控制毛细管直径以及毛细管之间空隙大小的变化情况，容易实现光子晶体光纤的复杂结构。从而解决对毛细管间隙和毛细管孔径同时加以控制的问题。
文档编号C03B37/02GK102815864SQ20121035401
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者潘蓉, 宁鼎, 孙建军, 衣永青, 高亚明, 葛欣, 赵国骁, 韩志辉, 刘笑东 申请人:中国电子科技集团公司第四十六研究所