[发明专利]光子晶体光纤预制棒及其制造光子晶体光纤的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤的制造方法，属于光纤制造技术领域，为光子晶体光纤预制棒及其制造光子晶体光纤的方法，具体为一种混合排丝的光子晶体光纤预制棒及其制造d/λ值大于90％和微结构区域形状特殊的异形光子晶体光纤方法。

背景技术

光子晶体光纤，是一种具有完全不同于普通光纤光传输方式的新型光纤。光线在普通光纤中的传播，是因折射率差异引起光线在光纤内部发生反射或弯曲，从而将光线束缚在光纤内部，并沿轴向向前传输。而光子晶体光纤的传光，是通过光纤内部周期性排列形成的光子带隙，将特定波长的光限制在中心缺陷处来传光，如图1和图2，图1为普通光纤晶体光纤预制棒的截面图，图2为光子晶体光纤的截面图。

现有的光子晶体光纤的制造方法，是将尺寸均一的细直径毛细管规则紧密排列，然后如果是制作全内反射型光子晶体光纤，则用同外径的实心纤维替换中心处一根或多根毛细管；如果是制作光子带隙型光子晶体光纤，则抽去中心处一根或多根毛细管，将其穿入一根外套管，制成光子晶体光纤预制棒，在光纤拉丝系统上拉丝、涂覆、收卷等，即制成光子晶体光纤，如图3。

光子晶体光纤内部微结构见图2，其中的微结构的孔隙直径d和单元长度λ的比例是光子晶体光纤的重要参数，直接决定了传输波长范围、传输效率等光纤的基本技术指标。有些光子晶体光纤要求的d/λ值极大，甚至超过90％，使用现有的光子晶体光纤的制造方法，必须要用极薄壁的石英毛细管制作。尺寸均一的极薄壁毛细管制作难度很大，极易发生内外径波动、椭圆变形、光纤脆易断等情况，而这些指标是光子晶体光纤制作中的关键指标，尺寸不均一、有椭圆变形的毛细管根本无法用来制作光子晶体光纤预制棒。而尺寸均一、形状规整的薄壁毛细管价格昂贵，如果使用这种毛细管来制作光子晶体光纤，成本非常高。

在预制棒拉丝过程中，熔融炉中预制棒的温度场分布也是制约光子晶体光纤成形的重要因素。由于熔融炉是从预制棒的外围加热，所以预制棒中会形成的中心低、外层高的温度场分布。相比于普通预制棒，光子晶体光纤预制棒内充满大量气孔，空气的导热系数和石英材料相差大约两个量级，大大增加了预制棒中心和外层的温差，在用大直径预制棒拉丝时会形成外层的毛细管已经熔融，而中心处的毛细管还软化得不够的情况。这种情况导致了光子晶体光纤拉丝可调整范围狭小，以至于光子晶体光纤拉丝的成品率非常低下。

综上所述，目前的光子晶体光纤原材料价格高昂、制造难度大、成品率低，导致光子晶体光纤产品的最终价格非常昂贵，极大地限制了光子晶体光纤的应用范围。

发明内容

本发明要解决的问题是：目前制作大d/λ值的光子晶体光纤原材料价格高昂、制造难度大、成品率低，导致光子晶体光纤产品的最终价格非常昂贵，极大地限制了光子晶体光纤的应用范围。

本发明的技术方案为：光子晶体光纤预制棒，包括微结构区域、混合排列区域和石英外套管，微结构区域由一端封闭的石英毛细管组成，混合排列区域由一端封闭的石英毛细管与实心石英纤维组成，微结构区域的石英毛细管称为中心毛细管，混合排列区域的石英毛细管称为外围毛细管，中心毛细管、外围毛细管和实心石英纤维具有相同的外径，中心毛细管和外围毛细管内外径比例不同，微结构区域与混合排列区域集束在石英外套管的内孔中，微结构区域位于混合排列区域的几何中心，实心石英纤维、外围毛细管规则紧密排列在微结构区域的外围。

进一步的，混合排列区域的外围毛细管与实心石英纤维构成的间隙，以及混合排列区域与石英外套管的间隙中，填充对应间隙大小的细实心石英纤维。

对应d/λ值大于90％的光子晶体光纤，有以下两种结构：

预制棒混合排列区域的外围毛细管规则紧密排列在微结构区域的外围，直至接触到石英外套管；利用所述结构混合排丝预制棒制造光子晶体光纤的方法为，外围毛细管规则紧密排列在微结构区域外围，微结构区域与混合排列区域集合成束穿入石英外套管制成光子晶体光纤预制棒，将预制棒送入高温熔融炉，进行光子晶体光纤拉丝，拉丝过程中，在中心毛细管内孔中加正压，在外围毛细管以及外围毛细管与实心石英纤维的孔隙中抽负压，产生的正负压差使得中心毛细管内孔膨胀直到外围毛细管的内孔和混合排列区的孔隙完全消除，得到d/λ值大于90％的光子晶体光纤。