一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤及其制备工艺的制作方法

本发明涉及一种光纤及其制备技术，尤其是涉及一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤及其制备工艺。

背景技术：

高非线性光纤是特种光纤的一种，其在非线性光纤器件领域有着广泛应用。传统的单模光纤(smf-28)的非线性系数为0.78w^-1km^-1，而通过对纤芯掺杂高浓度的锗提高纤芯及包层的折射率差值，并同时缩小纤芯的有效模场面积，这一方式实现的高非线性光纤，其非线性系数与传统的单模光纤相比，只能提高一个数量级。高非线性光子晶体光纤，或高非线性微结构光纤，由于光被包层周期性的微米量级的空气孔阵列限制在纤芯中，因此纤芯及包层的有效折射率差值远远高于通过对纤芯掺杂调制材料获得的纤芯及包层的折射率差值；由于数值孔径的提高，因此高非线性光子晶体光纤可以采用非常小的纤芯设计，进一步减小了光学模式有效模场面积，非线性系数是传统的单模光纤的几十至几百倍；由于结构的灵活性，因此高非线性光子晶体光纤的色散在相当大的范围内可调，适当地调整光纤的结构参数即可以获得较平坦的色散特性，或将光纤零色散点向短波蓝移。具有高非线性系数和可控的色散特性的高非线性光子晶体光纤已被广泛应用于光通信、超连续光源、光相干层析及光频率测量等领域。

另一方面，保偏光纤已被广泛应用于航天航空、工业制造、无人驾驶、通信等多个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。目前，可以实现较高双折射参数的保偏光纤有如中国公告的发明专利“一种高双折射保偏光纤”(专利号：zl201610129210.x)，其包括纤芯和包层，纤芯位于光纤的中心，在纤芯两侧的包层中设置有对称的应力区，纤芯与应力区相错90°的另外两侧包层中设置有对称的气孔，有益效果在于通过在保偏光纤中设置对应的气孔，构成气孔与应力区相结合的保偏光纤结构，使得光纤既具备单模传输和一般高双折射光纤特性，又具备较高的双折射特性和较强的外界压力敏感特性，可适于光纤通信器件及传感领域的应用，并使应用领域得到进一步拓宽。该高双折射保偏光纤是一种双应力、双边孔并带椭圆纤芯结构的设计，其可实现双折射参数大于10^-3，但是该高双折射保偏光纤无法满足所有应用需求，例如光纤高非线性的要求，其存在的问题有：(1)因其具有大内应力结构，因此利用其进行光传输时易受外界环境影响；(2)单模情况下模场面积、色散、非线性系数等参数都无法灵活调整；(3)其需要三种石英材料，掺杂制备应力区成本高，良品率低；(4)椭圆纤芯结构在边空的存在下，难以在拉丝过程中保持，易造成光纤轴向的不均匀，导致光纤损耗增加。

光子晶体光纤以其灵活的结构设计、大范围的参数可调整能力，目前在特种光纤应用领域已引起了广泛关注，通过光子晶体光纤特殊结构设计，以往难以实现的光纤参数需求问题都被很好地解决。目前获得高非线性光纤的主流技术就是光子晶体光纤，所以，基于光子晶体光纤的结构设计，理论上可以获得既具有高保偏性能又具有高非线性的光纤。

而具有保偏性能的高非线性光子晶体光纤，由于光纤设计和制备流程复杂，需要在预制棒堆栈过程中，引入纤芯的不对称设计。目前可查到的设计方案有：中国公开的发明专利申请“一种高双折射高非线性低限制损耗光子晶体光纤”(申请号：201510105137.8)和中国公开的发明专利申请“一种新型高双折射高非线性光子晶体光纤”(申请号：201510003347.6)。这两种方案的光纤结构都难以实际制备，仅仅存在理论上的可能性：(1)201510105137.8中的微结构光纤空芯均为椭圆形，在实际光纤预制棒高温熔融状态下，在表面张力的作用下，微结构孔洞无法维持椭圆形状态，因此这一结构的光纤不具备实际制备的可能性；(2)201510003347.6中的光纤设计具有多种不同孔径的微结构空气孔，在实际光纤制备中，对于超过三种以上空气孔尺寸的微结构，需要逐一分压控制，制备难度极大；(3)201510003347.6中光纤纤芯不在光纤几何正中，存在难以和其他光纤、光电设备耦合的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤及其制备工艺，该制备工艺制备得到的光纤具有高非线性、小模场面积、色散可调、可传输线偏振光、双折射，且双折射率可调，在制备过程中光纤预制棒高温熔融状态下能够维持实芯纤芯的椭圆形状态，实芯纤芯位于光纤几何中心。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤，其特征在于包括由外至内依次分布的呈环形实心结构的外包层、具有空气孔周期性分布的内包层、位于光纤几何中心的实芯纤芯，所述的内包层包含有多圈空气孔，所述的内包层的空气占空比为70～99％，在径向截面上每圈所述的空气孔的中心连线构成一个六边形，且由内向外的第二圈至由外向内的第二圈中任意一圈所述的空气孔中的1个所述的空气孔或对称分布的两个所述的空气孔的孔径小于或大于其余所有的空气孔的孔径，使所述的实芯纤芯的模场形状呈椭圆形且具有高双折射，所述的实芯纤芯的长轴长度为1～10微米。

所述的内包层包含有至少三圈所述的空气孔，由内向外的第二圈所述的空气孔中的1个所述的空气孔或对称分布的两个所述的空气孔的孔径小于或大于其余所有的空气孔的孔径。为了维持该光纤的整体结构的均匀性，一般使内包层包含有三圈以上的空气孔，缩小或扩大孔径的1个或两个空气孔不分布于最内圈的空气孔中，因为这会直接影响到实芯纤芯光学模式的模场形状和色散曲线；在特殊情况下，如果只有两圈空气孔的情况下，缩小或扩大孔径的1个或两个空气孔分布于由内向外的第2圈的空气孔中。

所述的内包层包含的所述的空气孔的数量为18～468个。在此，内包层包含的空气孔的数量在理论上无限制，但为了平衡光纤损耗和光纤总体尺寸，可将空气孔的数量限制在18～468个。

一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：以一根石英毛细棒为中心，并自内向外紧贴堆栈多圈石英毛细管，形成一个径向截面为正六边形的堆栈体；其中，石英毛细棒的直径与石英毛细管的外径一致，石英毛细棒的外壁与与其相邻的石英毛细管的外壁紧贴，相邻的两根石英毛细管的外壁紧贴；

步骤2：将一根石英外套管套于堆栈体外，堆栈体中位于角上的六根石英毛细管的外壁与石英外套管的内壁靠近，并在堆栈体的最外圈的石英毛细管的外壁与石英外套管的内壁之间的空隙中插入不同尺寸的石英结构支撑毛细棒以维持堆栈体的结构稳定，至此得到光纤预制棒；一般情况下，可选取内径略大于堆栈体的外接圆的直径100～200微米的石英外套管。

步骤3：对光纤预制棒进行光纤拉丝，在光纤拉丝的过程中控制光纤预制棒中石英毛细管的毛细孔内的压力、石英毛细管之间的空隙内的压力、石英毛细管与石英毛细棒之间的空隙内的压力、石英毛细管与石英外套管之间的空隙内的压力，而在由内向外的第二圈至由外向内的第二圈中任意选择一圈石英毛细管中的1根石英毛细管或对称分布的两根石英毛细管，对选择的石英毛细管进行独立分压控制以控制选择的石英毛细管的毛细孔的孔径减小或扩大，实现了实芯纤芯的模场形状改变，获得较高的双折射参数，实现了保偏功能，使最终得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤中的由所有石英毛细管和所有石英结构支撑毛细棒熔融后形成的具有空气孔周期性分布的内包层的空气占空比为70～99％、由石英毛细棒熔融后形成的实芯纤芯的模场形状为椭圆形且具有高双折射，并结合光纤拉丝速度使实芯纤芯的长轴长度为1～10微米，石英外套管熔融后形成的环形实心结构的外包层。

所述的步骤1中，石英毛细管的内外径比为70～80％。

所述的步骤2中，石英外套管的内外径比为70～90％。

所述的石英毛细棒、所述的石英毛细管、所述的石英外套管、所述的石英结构支撑毛细棒的制备材料相同，为纯石英玻璃(二氧化硅)，或为多组份软玻璃，或为高分子材料。

所述的多组份软玻璃为金属氧化物玻璃，所述的高分子材料为碳链高聚物或杂链高聚物或元素有机高聚物；所述的金属氧化物玻璃为氧化碲、氧化锗、氧化锂、氧化锌、硫化物、硒化物、碲化物、氟化物、碘化物或磷化物玻璃，所述的碳链高聚物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜树脂或聚甲基丙烯酸甲酯，所述的杂链高聚物为聚酰胺、聚酰亚胺或聚丙烯酰胺。

所述的步骤1中自内向外紧贴堆栈有至少三圈石英毛细管，所述的步骤3中选择由内向外的第二圈石英毛细管中的1根石英毛细管或对称分布的两根石英毛细管，对选择的石英毛细管进行独立分压控制以控制选择的石英毛细管的毛细孔的孔径减小或扩大，即使得最终得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤中的内包层包含有至少三圈空气孔，由内向外的第二圈空气孔中的1个空气孔或对称分布的两个空气孔的孔径小于或大于其余所有的空气孔的孔径。

所述的步骤1中自内向外紧贴堆栈的石英毛细管的数量为18～468个，即使得最终得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤中的内包层包含的空气孔的数量为18～468个。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)该光纤的外包层用于维持整体结构和提高光纤强度；该光纤的内包层通过周期性分布的空气孔来降低内包层的有效折射率，从而使实芯纤芯具有较高的折射率分布。

2)该光纤的内包层的空气占空比为70～99％，实现了该光纤的高非线性。

3)该光纤的实芯纤芯的长轴长度为1～10微米，实现了该光纤的小模场面积。

4)该光纤的减小或扩大实芯纤芯周围的1个或两个空气孔的孔径，使实芯纤芯的模场形状呈椭圆形，从而实现了该光纤能够传输线偏振光，同时使得该光纤的色散可调。

5)该光纤的制备工艺通过光纤制备过程中主动式气压控制，使内包层的空气占空比在70～99％范围内调整；通过光纤制备过程中主动式气压控制及光纤预制棒进料光纤拉丝速度的参数，使实芯纤芯的长轴长度控制在1～10微米范围内调整。

6)该光纤的制备工艺在光纤预制棒的堆栈过程中，所有堆栈的石英毛细管均为同一尺寸，但在光纤制备过程中，采用选择性加压技术，减小或扩大特定石英毛细管的毛细孔的孔径，与此同时，维持其他区域结构参数不变，其中维持不变的参数包括：空气占空比、空气孔数量、空气孔形状等，所选择的特定石英毛细管的毛细孔需要单独选择性分压，以精确控制实芯纤芯的长轴和短轴参数。

7)该制备工艺对于同一个光纤预制棒，既可以制备成非保偏光纤(统一气压控制)，也可以制备成具有不同双折射率的保偏光纤(分压气压控制)，制备灵活。

附图说明

图1为本发明的制备工艺中得到的光纤预制棒的径向截面的结构示意图；

图2为实施例一的制备工艺制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的径向截面示意图；

图3为实施例一的制备工艺制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的扫描电场显微镜图(sem)；

图4为实施例二的制备工艺制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的径向截面示意图；

图5为实施例三的制备工艺制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的径向截面示意图；

图6为实施例四的制备工艺制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的径向截面示意图；

图7为对图1所示的光纤预制棒进行光纤拉丝且在光纤拉丝过程中不进行独立分压控制制备得到的实芯高非线性光子晶体光纤的理论结构的径向截面示意图；

图8为对图1所示的光纤预制棒进行光纤拉丝且在光纤拉丝过程中不进行独立分压控制制备得到的实芯高非线性光子晶体光纤的扫描电场显微镜图(sem)；

图9为利用本发明的制备工艺制备实芯保偏高非线性光子晶体光纤采用的制备装置的组成结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤，如图2、图4、图5和图6所示，其包括由外至内依次分布的呈环形实心结构的外包层41、具有空气孔周期性分布的内包层42、位于光纤几何中心的实芯纤芯43，内包层42包含有多圈空气孔421，内包层42的空气占空比为70～99％，如内包层42的空气占空比设为80％，在径向截面上每圈空气孔421的中心连线构成一个六边形，且由内向外的第二圈至由外向内的第二圈中任意一圈空气孔421中的1个空气孔421或对称分布的两个空气孔421的孔径小于或大于其余所有的空气孔421的孔径，使实芯纤芯43的模场形状呈椭圆形且具有高双折射，实芯纤芯43的长轴长度为1～10微米，如使实芯纤芯43的长轴长度为5微米。

优选的方案为：内包层42包含有至少三圈空气孔421，由内向外的第二圈空气孔421中的1个空气孔421或对称分布的两个空气孔421的孔径小于或大于其余所有的空气孔421的孔径。为了维持该光纤的整体结构的均匀性，一般使内包层42包含有三圈以上的空气孔421，缩小或扩大孔径的1个或两个空气孔421不分布于最内圈的空气孔421中，因为这会直接影响到实芯纤芯43光学模式的模场形状和色散曲线；在特殊情况下，如果只有两圈空气孔421的情况下，缩小或扩大孔径的1个或两个空气孔421分布于由内向外的第2圈的空气孔421中。

优选的方案为：内包层42包含的空气孔421的数量为18～468个。在此，内包层42包含的空气孔421的数量在理论上无限制，但为了平衡光纤损耗和光纤总体尺寸，可将空气孔421的数量限制在18～468个，若内包层42包含有三圈空气孔421，则内包层42包含的空气孔421的数量为36个。

本发明提出的一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤的制备工艺，其包括以下步骤：

步骤1：如图1所示，以一根石英毛细棒51为中心，并自内向外紧贴堆栈多圈石英毛细管52，形成一个径向截面为正六边形的堆栈体；其中，石英毛细棒51的直径与石英毛细管52的外径一致，石英毛细棒51的外壁与与其相邻的石英毛细管52的外壁紧贴，相邻的两根石英毛细管52的外壁紧贴。

步骤2：如图1所示，将一根石英外套管53套于堆栈体外，堆栈体中位于角上的六根石英毛细管52的外壁与石英外套管53的内壁靠近，并在堆栈体的最外圈的石英毛细管52的外壁与石英外套管53的内壁之间的空隙中插入不同尺寸的石英结构支撑毛细棒54以维持堆栈体的结构稳定，至此得到光纤预制棒31，如图1所示；一般情况下，可选取内径略大于堆栈体的外接圆的直径100～200微米的石英外套管53。

步骤3：对光纤预制棒31进行光纤拉丝，在光纤拉丝的过程中控制光纤预制棒31中石英毛细管52的毛细孔内的压力、石英毛细管52之间的空隙内的压力、石英毛细管52与石英毛细棒51之间的空隙内的压力、石英毛细管52与石英外套管53之间的空隙内的压力，而在由内向外的第二圈至由外向内的第二圈中任意选择一圈石英毛细管52中的1根石英毛细管52或对称分布的两根石英毛细管52，对选择的石英毛细管52进行独立分压控制以控制选择的石英毛细管52的毛细孔的孔径减小或扩大，实现了实芯纤芯43的模场形状改变，获得较高的双折射参数，实现了保偏功能，使最终得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤中的由所有石英毛细管52和所有石英结构支撑毛细棒54熔融后形成的具有空气孔421周期性分布的内包层42的空气占空比为70～99％(如内包层42的空气占空比为80％)、由石英毛细棒51熔融后形成的实芯纤芯43的模场形状为椭圆形且具有高双折射，并结合光纤拉丝速度使实芯纤芯43的长轴长度为1～10微米(如实芯纤芯43的长轴长度为5微米)，而石英外套管53熔融后形成最终得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤中的环形实心结构的外包层41。

优选的方案为：步骤1中，石英毛细管52的内外径比为70～80％，如将石英毛细管52的内外径比设为75％。

优选的方案为：步骤2中，石英外套管53的内外径比为70～90％，如将石英外套管53的内外径比设为82％。

优选的方案为：石英毛细棒51、石英毛细管52、石英外套管53、石英结构支撑毛细棒54的制备材料相同，为纯石英玻璃(二氧化硅)，或为多组份软玻璃，或为高分子材料。

优选的方案为：多组份软玻璃为金属氧化物玻璃，高分子材料为碳链高聚物或杂链高聚物或元素有机高聚物；金属氧化物玻璃为氧化碲、氧化锗、氧化锂、氧化锌、硫化物、硒化物、碲化物、氟化物、碘化物或磷化物玻璃，碳链高聚物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜树脂或聚甲基丙烯酸甲酯，杂链高聚物为聚酰胺、聚酰亚胺或聚丙烯酰胺。

优选的方案为：步骤1中自内向外紧贴堆栈有至少三圈石英毛细管52，步骤3中选择由内向外的第二圈石英毛细管52中的1根石英毛细管52或对称分布的两根石英毛细管52，对选择的石英毛细管52进行独立分压控制以控制选择的石英毛细管52的毛细孔的孔径减小或扩大，即使得最终得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤中的内包层42包含有至少三圈空气孔421，由内向外的第二圈空气孔421中的1个空气孔421或对称分布的两个空气孔421的孔径小于或大于其余所有的空气孔421的孔径。

优选的方案为：步骤1中自内向外紧贴堆栈的石英毛细管52的数量为18～468个，即使得最终得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤中的内包层42包含的空气孔421的数量为18～468个。若内包层42包含有三圈空气孔421，则内包层42包含的空气孔421的数量为36个。

实施例一：

本实施例提出的一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤的制备工艺，其步骤3中，在由内向外的第二圈石英毛细管52中选择图1中竖直方向上对称分布的两根石英毛细管52，这两根石英毛细管52单独引出一路气压控制管路，独立分压控制，当独立分压控制的压力小于其余石英毛细管52的毛细孔内的压力时，制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的理论结构的径向截面如图2所示，其扫描电场显微镜图(sem)如图3所示，从图3中可以看出，由于内包层42的两个空气孔421的孔径缩小，因此使得实芯纤芯43的模场形状沿竖直方向椭圆并具有双折射率。

实施例二：

本实施例提出的一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤的制备工艺，其步骤3中，在由内向外的第二圈石英毛细管52中选择图1中竖直方向上对称分布的两根石英毛细管52，这两根石英毛细管52单独引出一路气压控制管路，独立分压控制，当独立分压控制的压力小于其余石英毛细管52的毛细孔内的压力且大于实施例一中独立分压控制的压力时，制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的理论结构的径向截面如图4所示。

实施例三：

本实施例提出的一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤的制备工艺，其步骤3中，在由内向外的第二圈石英毛细管52中选择图1中正六边形对角线方向上对称分布的两根石英毛细管52，这两根石英毛细管52单独引出一路气压控制管路，独立分压控制，当独立分压控制的压力小于其余石英毛细管52的毛细孔内的压力时，制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的理论结构的径向截面如图5所示。选择不同位置的石英毛细管52进行独立分压控制，可获得不同保偏性能的光纤。

实施例四：

本实施例提出的一种实芯保偏高非线性光子晶体光纤的制备工艺，其步骤3中，在由内向外的第二圈石英毛细管52中选择图1中竖直方向上的1根石英毛细管52，这根石英毛细管52单独引出一路气压控制管路，独立分压控制，当独立分压控制的压力小于其余石英毛细管52的毛细孔内的压力时，制备得到的实芯保偏高非线性光子晶体光纤的理论结构的径向截面如图6所示。可以选择不同根数的石英毛细管52进行独立分压控制，最多为所在一圈的石英毛细管52的总数量的一半以下，一般情况下建议选择1根或两根石英毛细管52进行独立分压控制。

图7给出了对图1所示的光纤预制棒进行光纤拉丝且在光纤拉丝过程中不进行独立分压控制制备得到的实芯高非线性光子晶体光纤的理论结构的径向截面，图8给出了对图1所示的光纤预制棒进行光纤拉丝且在光纤拉丝过程中不进行独立分压控制制备得到的实芯高非线性光子晶体光纤的扫描电场显微镜图(sem)。从图7和图8中可以明显的看出，内包层42中的空气孔421的尺寸全部相同，且实芯纤芯的模场形状为圆形。

利用上述各个实施例的制备工艺制备实芯保偏高非线性光子晶体光纤可采用以下制备装置，如图9所示，该制备装置包括能够主动控制光纤预制棒31中石英毛细管的毛细孔内的压力、石英毛细管之间的空隙内的压力、石英毛细管与石英毛细棒之间的空隙内的压力、石英毛细管与石英外套管之间的空隙内的压力，而在由内向外的第二圈至由外向内的第二圈中任意选择一圈石英毛细管中的1根石英毛细管或对称分布的两根石英毛细管，对选择的石英毛细管进行独立分压控制以控制选择的石英毛细管的毛细孔的孔径减小或扩大的多通道主动式气控单元1，以及用于对光纤预制棒31进行光纤拉丝的光纤拉丝塔系统2，多通道主动式气控单元1可实现有效调制石英毛细管的毛细孔的孔径，光纤拉丝塔系统2由预制棒进给装置21、高温炉22、数量为1～5个的涂敷固化装置23(一般情况下采用2个涂敷固化装置23)、光纤转向引导轮24、具有能够调整拉丝速度和调节裸光纤32直径的主光纤牵引轮251的主牵引系统25、舞蹈轮26、具有收线盘271的成品光纤收线装置27组成，预制棒进给装置21提供光纤预制棒31给高温炉22，高温炉22使光纤预制棒31熔融成丝形成裸光纤32，涂敷固化装置23使裸光纤32的表面高分子材料并固化后形成具有涂敷层的光纤33，具有涂敷层的光纤33通过光纤转向引导轮24后进入主牵引系统25中，主牵引系统25中的主光纤牵引轮251改变具有涂敷层的光纤33的直径后得到实芯保偏高非线性光子晶体光纤34，实芯保偏高非线性光子晶体光纤34经过舞蹈轮26后由成品光纤收线装置27中的收线盘271收集。

在此，涂敷固化装置23包括用于在裸光纤32的表面涂敷高分子聚合物的涂敷器231及进行固化处理的固化炉232；裸光纤32的表面涂敷高分子材料，高分子材料为紫外固化的高聚物(如丙烯酸酯或硅胶)或热固化的高聚物(如聚酰亚胺)，且高分子材料为丙烯酸酯或硅胶时具有涂敷层的光纤33的涂敷层的厚度为50～150微米，高分子材料为聚酰亚胺时具有涂敷层的光纤33的涂敷层的厚度为10～20微米。

上述，多通道主动式气控单元1采用现有技术，要求采用的多通道主动式气控单元1可以独立控制4个或以上通道的压力，利用多通道主动式气控单元1控制光纤预制棒31中各部分的气体压力的值根据实际情况来确定；预制棒进给装置21采用现有的进给设备；高温炉22、涂敷器231、固化炉232、光纤转向引导轮24、舞蹈轮26均采用现有技术；高温炉22的工作温度、固化炉232的固化温度及其它所需的工艺参数均采用现有的光纤拉丝中所采用的工艺参数或再适当调整。