[发明专利]一种具有布拉格结构包层单晶光纤及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于特种光纤领域，特别涉及单晶光纤的包层结构设计。

背景技术

单晶光纤目前主要由晶体材料拉丝生长而成，具有晶体和纤维的双重特性。单晶光纤具有高强度、耐高温等特点，可应用于传导、传感、倍频和全息数据存储等广泛领域。由于晶体折射率较高，单晶光纤很难做成纤芯-包层结构，现有的单晶光纤通常为无包层结构。无包层结构的单晶光纤传输损耗大，特性易受环境变化影响，光纤表面的完整性也易受到破坏。

对于单晶光纤的包层结构，也有一些研究设计。主要是利用掺镁铌酸锂(MgO:LiNbO₃)折射率比纯铌酸锂晶体(LiNbO₃)折射率低的原理，使用MgO或者MgF通过扩散的方式将镁离子由外层向中心扩散，从而降低外层铌酸锂晶体的折射率，形成包层。1995年，西安交大阙文修等人在1995年《西安交通大学学报》29卷第9期中公布了利用此方法制作铌酸锂材料单晶光纤包层。这种方法仅适用于铌酸锂(LiNbO₃)晶体生长的单晶光纤，对其它晶体材料并不适用，限制了包层应用的范围。另外，这种方法可控性差，扩散程度不均匀，扩散深度不宜控制，产品性能稳定性较差。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提出一种具有布拉格结构包层单晶光纤，该光纤具有阶跃折射率包层，并且介绍了这种单晶光纤的制备方法。

本发明解决其技术问题的技术方案：

一种具有布拉格结构包层单晶光纤，该单晶光纤包括单晶纤芯和围绕在单晶纤芯周围的，两种不同折射率的材料层沿径向交替分布构成的布拉格结构包层，两种材料层各10～20层。

所述的布拉格结构包层的每层的截面为圆环形，或者为椭圆环形；每层的厚度相等，均为d，与单晶光纤的工作波长λ满足如下关系：

λ＝4·d·n_eff

其中，n_eff为单晶光纤工作波长λ对应的有效折射率。

所述的单晶纤芯是铌酸锂晶体纤芯，或者是卤化物单晶纤芯，或者是蓝宝石单晶纤芯，单晶纤芯的直径为10～300μm。

所述的折射率不同的两种材料层分为高折射率材料层和低折射率材料层，高折射率材料层的材料是掺锗石英，或者是聚乙烯，低折射率材料层的材料是掺氟石英，或者是纯石英，或者是聚四氟乙烯。

一种具有布拉格结构包层单晶光纤的制备方法，制作过程包括以下步骤：

步骤一制作单晶纤芯，其芯径为10～300μm；

步骤二选取一石英基管，使用MCVD法，分层交替沉积折射率不同的两种材料，每个沉积层厚度相等，各沉积10～20层，制成具有布拉格结构的包层预制件；

步骤三用加热装置加热步骤二制作的具有布拉格结构的包层预制件，并将其中心孔径拉至为100～500μm；

步骤四截取一段长于单晶纤芯的具有布拉格结构的包层预制件，将步骤一制作的单晶纤芯插入步骤三制作的包层的中心孔中，使单晶纤芯的一端和包层的一端对齐，并烧结在一起，包层的另一端与抽气装置连接，抽气真空度为-2000～-3000pa；

步骤五维持内部真空度-2000～-3000pa条件下，使用加热装置从烧结的一端开始加热，并拉伸包层，在拉伸和负气压的作用下，包层紧紧裹住单晶纤芯，向另一端缓慢移动加热装置，直至全部单晶纤芯被包层紧紧裹住，冷却后便制成了布拉格结构包层单晶光纤；

步骤六用涂覆机对步骤五制成的光纤进行涂覆，增强光纤的韧性。

所述的步骤二中MCVD法的沉积层的厚度，需要根据单晶光纤工作波长λ和选取的石英基管的内径通过计算得出。包层预制件经过两次加热拉伸形成布拉格结构包层后，使用MCVD法沉积的沉积层随着加热拉伸等比缩小成为不同折射率材料层，每层材料层的厚度d满足：

λ＝4·d·n_eff

其中，n_eff为单晶光纤工作波长对应的有效折射率。

一种具有布拉格结构包层单晶光纤的制备方法，制作过程包括以下步骤：

步骤一制作单晶纤芯，其芯径为10～300μm；

步骤二选取壁厚相同、直径不同的聚四氟乙烯和聚乙烯套管；聚四氟乙烯和聚乙烯套管交替套接，层数为20～40层，即制成具有布拉格结构的包层预制件；