专利名称：金属芯微结构光纤及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属芯微结构光纤及其制备方法，更具体地说，本发明涉及一种具有传输表面等离子波功能的金属芯微结构光纤及其制备方法。
背景技术：
以光纤通信为主要支柱的下一代互联网接入技术已经彻底改变了信息的传输方式。光纤作为光纤通信技术的信息载体，近年来得到了迅猛的发展。各种各样的光纤已广泛应用于通信、高功率激光器，图像传输和传感器等多个领域。世界上普遍采用的石英光纤， 具有损耗低、传输频带宽、结构简单和抗干扰能力强等特点。随着纳米光电子学的发展，光电子器件的集成度越来越高，光电子集成芯片的尺寸越来越小。目前电子电路的尺寸已经发展到IOOnm以下，而传统光纤的尺寸一般都在微米量级，两者尺寸差别的悬殊使其无法兼容。由于光学衍射极限的存在，当光纤的直径减小到跟波长相当量级时，光会出现衍射现象，损耗急剧增大，造成光波无法在其中传输。传统光纤的局限性使其无法应用于纳米光电子集成器件。
近年来兴起的光子晶体光纤较传统光纤有着诸多的优势，光子晶体光纤是在石英光纤中沿径向均勻排列着空气孔构成，依照空气孔参数的不同，光波可以分别通过全内反射和光子带隙两种不同的传播机制在光子晶体光纤中传输。光子晶体光纤这种特殊的结构使光子晶体光纤具有了无休止单模传输、高非线性、色散平坦、光子带隙等新颖的特性，也使光子晶体光纤在超连续谱、超宽色散补偿、高功率光传输和光通信等方面有很大发展潜力。目前，光子晶体光纤的发展还面临着制造工艺复杂，成本高等困难，光子晶体光纤的商业化还有待其进一步发展。发明内容
本发明的目的在于提供一种金属芯微结构光纤及其制备方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
按照本发明的一个方面，本发明提供了一种金属芯微结构光纤的制备方法，该方法包括下列步骤
使用石英玻璃制备空心毛细管；
将经过表面处理的金属棒放入一端封口的石英玻璃套管中，然后拉制出金属芯毛细管；
制备光纤芯棒，并将制得的金属芯毛细管规则排列在芯棒的周围，金属芯毛细管的外层规则排列所述空心毛细管；
将上述排列好的结构放入外套石英玻璃管，然后拉制出金属芯微结构光纤。
作为进一步优选地，用于制造所述石英玻璃套管和外套石英玻璃管的材料均为纯石英玻璃。
作为进一步优选地，对金属棒的表面处理包括砂纸打磨、用稀硝酸去除表面杂质、去离子水冲洗和自然晾干等步骤。
作为进一步优选地，所述光纤芯棒的材料为纯石英或掺有共掺杂剂的石英，所述金属棒的材料为金或银或铜。
作为进一步优选地，用于制备金属芯毛细管的拉丝温度为石英玻璃的软化点温度 +50°C 200°C左右；用于制备金属芯微结构光纤的加温拉丝温度为石英玻璃的软化点温度+50°C 100°C左右。
作为进一步优选地，所拉制出的金属芯微结构光纤从内到外依次包括芯层、规则排列在芯层周围并由多个金属芯构成的内包层，以及规则排列在内包层的外围并由多个空气孔构成的外包层。
作为进一步优选地，所述金属芯在光纤径向上规则排列在芯棒的周围，例如在光纤径向上排列成正六边形、正方形、等边三角形或锐角为60°的菱形。
作为进一步优选地，所述金属芯微结构光纤中，所述金属芯的直径为500nm 3000nm，相邻金属芯之间的间距为600nm 4000nm。
按照本发明的另一方面，提供了一种新型的金属芯微结构光纤，该金属芯微结构光纤从内向外依次包括
芯层；
排列在芯层周围、由多个金属芯构成的内包层；以及
排列在内包层的外围、由多个空气孔构成的外包层；其中
所述金属芯毛细管由经过表面处理的金属棒放入一端封口的石英玻璃套管中拉制而成。
作为进一步优选地，所述芯层的材料为基质材料为纯石英或掺有共掺杂剂的石英，所述金属棒的材料为金或银或铜。所述共掺杂剂包括锗、氟、磷化合物中的一种或者稀土离子如铒、镱、铥等中的一种或多种。
作为进一步优选地，构成所述内包层的金属芯在光纤径向上规则排列在芯棒的周围，例如在光纤径向上排列成正六边形、正方形、等边三角形或锐角为60°的菱形。
作为进一步优选地，构成所述内包层的金属芯的横截面为正六边形或矩形。
作为进一步优选地，在所述金属芯微结构光纤中，所述金属芯的直径为500nm 3000nm，相邻金属芯之间的间距为600nm 4000nm。
按照本发明的金属芯微结构光纤及其制备方法，通过用直径为纳米量级的金属芯代替光子晶体光纤纤芯附近一层或者几层的空气孔，当进入光纤中的光子频率与固有等离子体频率接近时，大部分光子能够与金属表面的自由电子发生共振，电子振动产生表面等离子体波并沿着金属-电介质表面向前传播。表面等离子体波沿光纤轴向的传播常数随着光纤直径的减小而不断增大，这一特性使表面等离子体波能够突破光波衍射极限的限制， 从而解决了光波无法在亚波长波导中传播的问题。光载信号能够以表面等离子体波的形式传给金属芯，而金属芯作为一种导体可以与纳米电子线路连接，金属芯微结构光纤在纳米光电子学以及其他光学信号处理领域有着特有的优势。
图1为按照本发明用于制造金属芯微结构光纤的方法流程图2为按照本发明的实施例1的结构示意图3为图2中所示实施例1的模场分布图4为图2中所示实施例1的金属芯直径与对应的表面等离子体波的传播距离曲线图5为按照本发明的实施例2的结构示意图6为图5中所示实施例2的模场分布图7为按照本发明的实施例3的结构示意图8为图7中所示实施例3的模场分布图9为图7中所示实施例3的金属芯微结构光纤有效折射率随波长变化的曲线图10为按照本发明的实施例4的结构示意图11为按照本发明的实施例5的结构示意图12为按照本发明的实施例6的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行具体描述。
图1为按照本发明用于制造金属芯微结构光纤的方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种金属芯微结构光纤的制备方法，该制备方法包括以下步骤
用石英玻璃制备两端开口的空心毛细管；
将金属棒用砂纸打磨光滑，并放在稀硝酸中浸泡适当时间以去除表面杂质，然后取出金属棒，冲洗干净后自然晾干；将经过上述表面处理后的金属棒例如金棒、银棒或铜棒放入一端封口的石英玻璃套管中，然后通过拉丝加热炉拉制出金属芯毛细管；拉丝加热炉的温度可根据石英玻璃的软化点来设定，例如设定为玻璃材料的软化点温度+50°C 200°C左右；
使用基质材料为纯石英或掺有共掺杂剂的石英制备光纤芯棒，并将制得的金属芯毛细管规则排列在芯棒的周围，金属芯毛细管的外层规则排列所述空心毛细管；
将上述排列好的结构一端烧结后放入一端封口的外套石英玻璃管，然后将该外套石英玻璃管悬置于拉丝加热炉中。根据石英玻璃的软化点设定加热炉的加热温度，例如将该温度设定为石英玻璃的软化点温度+50°C 100°C。启动真空机组对外套玻璃管抽真空， 启动加热炉。在设定的温度下拉制出外径为100 μ m 200 μ m的金属芯微结构光纤；
在上述操作步骤中，制造石英玻璃套管和外套石英玻璃管的材料均为纯石英玻璃材料。
在上述操作步骤中，由于金属芯微结构光纤中金属芯规则排列在芯棒的周围，保证了光纤中相邻两根金属芯表面的等离子体波相互耦合，进而实现能量局域化，能量限制在相邻金属芯之间的背景材料中，使其有很强的抗干扰能力，不易产生串扰。该金属芯微结构光纤具有较强的可控性，即可通过改变光纤中金属芯的直径和相邻金属芯间距，来调节金属芯微结构光纤的限制能力和损耗之间的平衡，从而满足不同的需求。由此，金属芯微结构光纤作为一种新型结构的光纤，其中亚波长直径的金属芯结构的结构和光学特性在光电互联，光纤传感器等方面有独特的优点。
下面将参照附图2-12分别来具体描述按照本发明的优选实施例。
实施例1
第一步用外径为27. 5mm，壁厚10. 3mm的石英玻璃套管在1800°C下拉制成外径为 1. 5mm,两端开口的空心毛细管。
第二步将直径为5mm，长30cm，纯度为99. 99%的银棒用砂纸打磨光滑，并放在稀硝酸中浸泡10 15分钟以去除表面杂质，然后取出银棒用去离子水冲洗干净后自然晾干。将经过上述表面处理后的银棒放入一端封口的石英玻璃套管中，套管外径为27. 5mm,内面是边长为4mm的正六边形。然后，将放有银棒的石英玻璃套管悬置于拉丝加热炉中。在 1800°C下拉制出外径为1. 5mm的银芯毛细管。
第三步用外径为1. 5mm的纯石英玻璃棒作为芯棒，将6根通过上述第三步拉制的银芯毛细管成正六边形排列在芯棒周围，外层排列第一步拉制的空心毛细管。
第四步将排列好的上述结构一端烧结使结构固定，放入外径为90. 5mm，壁厚 36. 25mm，一端封口的外套石英玻璃管中。然后，将上述放有排列好结构的外套石英玻璃管悬置于拉丝加热炉中。启动真空机组对外套石英玻璃管抽真空，启动加热炉。在1800°C下拉制出外径为125um的金属芯微结构光纤。
图2为按照本发明的实施例1的结构示意图。如图2中所示，金属芯1的横截面为正六边形，其内切圆直径为500nm，空气孔2的直径为500nm，相邻金属芯间距为600nm，纤芯3的材料为纯石英玻璃，外层4的材料为纯石英玻璃。
图4为图2中所示实施例1的金属芯直径与对应的表面等离子体波的传播距离曲线图。如图4所示，当改变本示例中金属芯的边长使其内切圆直径在500nm 2000nm之间变化，而其它结构参数保持不变时，光纤中表面等离子体波的传播距离也发生改变。从图中可以看出，改变金属芯的直径就可以改变光纤的损耗从而影响表面等离子体波的传播距离，而光纤的限制能力也会随之改变。在按照本发明的所有实施例中，金属芯的直径范围为 500 3000nm，相邻金属芯间距为600 4000nm。通过研究，当金属芯的直径和相邻金属芯间距在这两个范围内时，金属芯微结构光纤中表面等离子体波共振特性和带隙等离子特性更加明显。
通过研究，在金属芯的直径是相邻金属芯间距的50%或者大于50%的情况下，金属芯的横截面为正六边形的金属芯微结构光纤的限制能力明显大于金属芯的横截面为圆形的金属芯微结构光纤。
实施例2
图5为按照本发明的实施例2的结构示意图。在本实施例中，除第一步改用壁厚为11. 4mm的套管，第二步改用直径3mm的金棒和第二步中的套管内面是边长为4. 8mm的正方形孔外，其它同实例1。
如图5所示，拉丝制得的金属芯的横截面为矩形。金属芯1的边长和空气孔2的直径均为500nm，相邻金属芯的间距为3000nm，纤芯3的材料为纯石英玻璃，外层4的材料为纯石英玻璃。
通过研究，当金属芯的横截面为矩形时，金属芯微结构光纤的限制能力更强，并且对由制造工艺引起的结构不对称有很高的容忍能力，在容忍范围内，金属芯直径变化对光纤的限制能力和损耗等性质影响很小。
图6为图5中所示实施例2的模场分布图。
实施例3
图7为按照本发明的实施例3的结构示意图。除第一步改用壁厚为2. 4mm的套管， 第二步改用直径IOmm的银棒和第二步中的套管内面是内径为22. 8mm的圆孔外，其它同实例1。
如图7所示，金属芯1和空气孔2的直径均为500nm，相邻金属芯间距为600nm，纤芯3的材料为纯石英玻璃，外层4的材料为纯石英玻璃。
如图8所示，为本实施例的模场分布图。
如图9所示，曲线m = 1 4分别为本示例光纤中单根银线表面1 4阶表面等离子体模式的有效折射率曲线图，core mode曲线为去除金属芯微结构光纤中的银丝后的光子晶体光纤的有效折射率曲线图。曲线交点对应的波长是表面等离子体的激发波长。
实施例4
图10为按照本发明的实施例4的结构示意图。除第一步改用壁厚为3. 4mm的套管，第二步改用直径为IOmm的金棒，第二步中的套管内面是内径为20. 5mm的圆孔外和第四步改用外径为33mm内面是边长为18mm的正方形的外套石英玻璃管，用掺锗的石英玻璃棒作为芯棒，金芯毛细管排成正方形外，其它同实例1。
如图10所示，金属芯1和空气孔2的直径均为1500nm，相邻金属芯的间距为 2000nm，纤芯3的材料为掺锗石英玻璃，外层4的材料为纯石英玻璃。
实施例5
图11为按照本发明的实施例5的结构示意图。除第一步改用壁厚为6mm的套管， 第二步改用直径为IOmm的金棒，第二步中的套管内面是内径为15. 7mm的圆孔外和第四步改用外径为26mm的外套石英玻璃管，用掺镱的石英玻璃棒作为芯棒，金芯毛细管排成三角形外，其它同实例1。
如图11所示，金属芯1和空气孔2的直径均为2000nm，相邻金属芯的间距为 3500nm，纤芯3的材料为掺镱的石英玻璃，外层4的材料为纯石英玻璃。
在本实施例中，掺有共掺杂剂石英的玻璃棒共掺杂剂还可以包括稀土离子如铒、 镱、铥等中的一种或多种。通过研究，当纤芯中掺杂稀土离子时，稀土离子作为增益材料，能够补偿表面等离子体波的部分损耗，使表面等离子体波传播距离更长。
实施例6
图12为按照本发明的实施例6的结构示意图。除第一步改用壁厚为3. 4mm的套管，第二步改用直径为IOmm的铜棒，第二步中的套管内面是内径为20. 5mm的圆孔外和第四步改用外径为22mm的外套石英玻璃管，用掺铒的石英玻璃棒作为芯棒，金芯毛细管排成锐角为60°的菱形外，其它同实例1。
如图12所示，金属芯1和空气孔2的直径均为3000nm，相邻金属芯的间距为 4000nm，纤芯3的材料为掺铒的石英玻璃，外层4的材料为纯石英玻璃。
本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种金属芯微结构光纤的制备方法，该方法包括下列步骤使用石英玻璃制备空心毛细管；将经过表面处理的金属棒放入一端封口的石英玻璃套管中，然后拉制出金属芯毛细管；制备光纤芯棒，并将制得的金属芯毛细管规则排列在芯棒的周围，在金属芯毛细管的外层规则排列所述空心毛细管；将上述排列好的结构放入外套石英玻璃管，然后拉制出金属芯微结构光纤。
2.如权利要求1所述的金属芯微结构光纤的制备方法，其特征在于，所述光纤芯棒的材料为纯石英或掺有共掺杂剂的石英，所述金属棒的材料为金或银或铜。
3.如权利要求1或2所述的金属芯微结构光纤的制备方法，其特征在于，所拉制出的金属芯微结构光纤从内到外依次包括芯层、规则排列在芯层周围并由多个金属芯构成的内包层，以及规则排列在内包层的外围并由多个空气孔构成的外包层。
4.如权利要求3所述的金属芯微结构光纤的制备方法，其特征在于，在所述金属芯微结构光纤中，所述金属芯在光纤径向上规则排列在芯棒的周围并在光纤径向上排列成正六边形、正方形、等边三角形或锐角为60°的菱形，所述金属芯的直径为500nm 3000nm，相邻金属芯之间的间距为600nm 4000nm。
5.一种金属芯微结构光纤，该金属芯微结构光纤从内向外依次包括芯层；规则排列在芯层周围、由多个金属芯构成的内包层；以及规则排列在内包层的外围、由多个空气孔构成的外包层；其中所述金属芯由经过表面处理的金属棒放入一端封口的石英玻璃套管中拉制而成。
6.如权利要求5所述的金属芯微结构光纤，其特征在于，所述芯层的材料为基质材料为纯石英或掺有共掺杂剂的石英，所述金属棒的材料为金或银或铜。
7.如权利要求6所述的金属芯微结构光纤，其特征在于，共掺杂剂包括锗、氟、磷化合物中的一种或者稀土离子如铒、镱、铥等中的一种或多种。
8.如权利要求5-7任意一项所述的金属芯微结构光纤，其特征在于，构成所述内包层的金属芯在光纤径向上规则排列成正六边形、正方形、等边三角形或锐角为60°的菱形。
9.如权利要求5-8任意一项所述的金属芯微结构光纤，其特征在于，构成所述内包层的金属芯的横截面为正六边形或矩形。
10.如权利要求5-9任意一项所述的金属芯微结构光纤，其特征在于，在所述金属芯微结构光纤中，所述金属芯的直径为500nm 3000nm，相邻金属芯之间的间距为600nm 4000nm。
全文摘要
本发明公开了一种金属芯微结构光纤及其制备方法，该方法包括下列步骤使用石英玻璃制备空心毛细管；将经过表面处理的金属棒放入石英玻璃套管中，然后拉制出金属芯毛细管；使用基质材料为纯石英或掺有共掺杂剂的石英制备光纤芯棒，并将制得的金属芯毛细管排列在芯棒的周围，金属芯毛细管的外层排列所述空心毛细管；将上述排列好的结构放入一端封口的外套石英玻璃管，然后拉制出金属芯微结构光纤。按照本发明的金属芯微结构光纤及其制备方法，解决了光波无法在亚波长波导中传播的问题，并可以实现与纳米电子线路的连接。
文档编号G02B6/036GK102515507SQ20111040554
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者严皓哲, 彭景刚, 戴能利, 李海清, 李进延, 杨旅云, 蒋作文 申请人:华中科技大学