光子晶体光纤预制棒及其制造光子晶体光纤的方法

摘要

光子晶体光纤预制棒及其制造光子晶体光纤的方法，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；将得到的光子晶体光纤预制棒送入高温熔融炉进行光子晶体光纤拉丝，拉丝过程在微结构区域和混合排列区域分别抽正负压，得到d/λ值大于90％的光子晶体光纤。本发明可以有效地降低对毛细管等原料的要求，减少工艺难度，降低原材料成本，提高成品率，具有良好的社会效益和经济效益。

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。

或预制棒混合排列区域的外围毛细管和实心石英纤维分层交替规则紧密排列在微 结构区域的外围，此种结构所用的中心毛细管可以采用壁厚比上述第一种方式的中心毛 细管壁厚更薄的毛细管，也就是相比微结构区域外围只有外围毛细管排列的结构，同时 有外围毛细管和实心石英纤维分层交替规则紧密排列的结构所对应使用的中心毛细管 的壁厚可以更薄，可以用于得到d/λ值更大的光子晶体光纤，但相比现有技术，本发明 这里的中心毛细管并不需要极薄壁的石英毛细管，就可以达到d/λ值大于90％的光子晶 体光纤。利用所述混合排丝预制棒制造光子晶体光纤的方法为，外围毛细管与实心石英 纤维分层规则紧密排列在微结构区域的外围，然后集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，在外围毛细管和混合排列区域的孔隙中抽负压，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，实心石英纤维层用于防止中心毛细管过度变形。

对应微结构区域形状特殊的光子晶体光纤，混合排列区域的外围毛细管和实心石英 纤维分区域紧密排列在微结构区域的外围。利用所述混合排丝预制棒制造微结构区域形 状特殊的光子晶体光纤的方法为，混合排列区域的外围毛细管和实心石英纤维分区域紧 密排列在微结构区域的外围然后集束穿入石英外套管，所述分区域根据需要拉制的异形 光子晶体光纤的结构来划分，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，在外围毛细管和混合 排列区域的孔隙中抽负压，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，在拉丝过程的正负压下，由于混合排列区域的外围 毛细管和实心石英纤维分区域排列，外围毛细管的区域收缩，实心石英纤维的区域不变， 根据预先分好的区域，微结构区域的中心毛细管膨胀得到微结构区域形状特殊的异形光 子晶体光纤。

本发明的特点是：混合使用相同外径的实心石英纤维和不同内外径比例的石英毛细 管，按需要对其排列方式进行设计、排列和集束，制作成光子晶体光纤预制棒进行拉制， 如图4。其优点如下：

利用本发明提出的混合排丝方法，可以在混合排列区域使用实心纤维或空心的石英 毛细管，来制成预制棒。在拉制光纤时控制实心纤维和毛细管之间的空隙以及混合排列 区域内的毛细管内孔，进行收缩封闭，来提供额外的空间，给微结构区域的毛细管内孔 加压使其膨胀，可以提高光纤的d/λ值，得到满足要求的大d/λ值光子晶体光纤和微结 构区域形状特殊的光子晶体光纤。

制作光子晶体光纤时，本发明还可以改善拉丝时温度场的分布。在排丝时，将原来 光纤中外围对光纤光学性能影响不大的毛细管换作实心石英纤维，或是用细实心纤维填 充毛细管之间的缝隙来减小空气部分占据的体积，那么就可以减小预制棒内部的温度差 异，降低拉丝的难度。

本发明方法还具有一个显而易见的优点，即使用混合排丝方法制作光子晶体光纤， 可以大大地提高微结构排列的灵活性。例如可制作具有多层不同d/λ值的光子晶体光纤， 可制作微孔层、实心层多层交替的光子晶体光纤，可以制作微结构区域形状特殊的光子 晶体光纤，在统一使用相同圆内孔外套管的情况下可制作具有不同微结构区外形的光子 晶体光纤等等。

上述的种种特点和优点，表明使用混合排丝方法不但可以制作出更多类型的光子晶 体光纤，来适应不同使用需要，同时还减小了光子晶体光纤制造的难度。例如制作大d/λ 值的光子晶体光纤，尺寸均一、形状规整的薄壁毛细管很难制作，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。通过本发明提出的混合排丝方法，则可 以使用厚壁毛细管来制作光子晶体光纤，大大节约了制造成本，也降低了制造难度。通 过本发明混合排丝方法，可以用统一内孔规格的外套管制作不同微结构区域直径的光子 晶体光纤，降低制造成本。使用混合排丝方法，把光子晶体光纤的一部分制作难度，从 拉丝过程转移到了预制棒制作过程。这样的好处是非常显著的，预制棒制作过程是一个 可重复修改的过程，可以反复制作直到成功；但拉丝过程是一个不可逆的过程，一旦拉 丝失败，产品和原材料就只能报废。使用混合排丝方法，可以提高光子晶体光纤制作的 成品率，从另一方面降低了光子晶体光纤的生产成本。

综上所述，使用混合排丝方法制作光子晶体光纤，可以实现多种有益的效果和特殊 的要求。该项技术在制作光子晶体光纤时具有很高的实用价值，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为现有光子晶体光纤预制棒的结构示意图。

图2为现有光子带隙型光子晶体光纤截面示意图。

图3为现有光子晶体光纤的制造流程图。

图4为本发明的光子晶体光纤的制造流程图。

图5为本发明实施例一的光子晶体光纤预制棒的结构示意图。

图6为本发明实施例一的光子晶体光纤预制棒的结构示意图。

图7为本发明实施例二的光子晶体光纤预制棒的结构示意图。

图8为本发明实施例三的光子晶体光纤预制棒的结构示意图。

具体实施方式

本发明光子晶体光纤预制棒用于制造d/λ值大于90％的光子晶体光纤以及微结构区 域形状特殊的异形光子晶体光纤，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。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。

本发明的混合排丝预制棒用于制造d/λ值大于90％和异形光子晶体光纤，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。

或预制棒混合排列区域的外围毛细管和实心石英纤维分层交替规则紧密排列在微 结构区域的外围，此种结构所用的中心毛细管的壁厚比微结构区域外围只有外围毛细管 排列的结构的中心毛细管薄。利用所述混合排丝预制棒制造光子晶体光纤的方法为，外 围毛细管与实心石英纤维分层规则紧密排列在微结构区域的外围，然后集束穿入石英外 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，在外围毛细管和混合排列区域的孔隙中抽负压， 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。

对应微结构区域形状特殊的光子晶体光纤，例如微结构区域为熊猫形、蝴蝶结形等， 混合排列区域的外围毛细管和实心石英纤维分区域紧密排列在微结构区域的外围然后 集束穿入石英外套管，所述分区域根据需要拉制的异形光子晶体光纤的结构来划分，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，在外围毛细管和混合排列区域的孔隙中抽负压，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，在拉丝过程的正负压下，由于混合排列区域的外围毛细管和实心石英纤维分区域 排列，外围毛细管的区域有孔隙，受压力影响收缩，实心石英纤维的区域中，实心石英 纤维不受压力影响，区域基本不变，根据预先分好的区域，微结构区域的中心毛细管膨 胀，在外围毛细管区域的膨胀幅度大于实心石英纤维区域，得到微结构区域形状特殊的 异形光子晶体光纤。

为了更加清楚的说明本发明，以下结合实施和附图对本发明进行进一步说明，但不 应以此限制本发明的保护范围。

图4为本发明制作光子晶体光纤的流程图。首先按混合排丝设计规则对各石英管排 列后集束穿入外套管制成光子晶体光纤预制棒。之后将预制棒送入高温熔融炉，进行光 子晶体光纤拉丝。拉丝过程中通过控制正负压的压差及炉温，来达到控制所要拉制光子 晶体光纤d/λ值的目的，从而获得设计所要的光子晶体光纤。

图5和图6为本发明实施例一的光子晶体光纤预制棒的结构示意图，本例是通过混 合排丝方法，制作d/λ值大于90％的光子晶体光纤预制棒并拉制光子晶体光纤。混合排 列区域的排列可以调整中心的微结构区域的不同形状。

中心毛细管为内径160μm外径500μm的石英毛细管，规则紧密排列成圆形或正六 边形，如图6，或其他对称图形结构，得到微结构区域，微结构区域外围首先用500μm 的实心石英纤维排列3层，再用内径200μm外径500μm的外围毛细管规则紧密排列至 石英外套管内径，并用直径更细的实心纤维补充成与石英外套管内孔直径相当的圆形， 此处层数为六角形排列时中心到角的层数，用于补充成圆形的零散毛细管不计算在内， 将微结构区域与混合排列区域集束，抽出微结构区域中心处7根毛细管，送入内径15mm 外径20mm的外套管中，制成预制棒。将此预制棒送入高温熔融炉，进行拉制后，得到 的光子晶体光纤微结构区域为六角形，外围是一个熔融后的整体。这种光子晶体光纤较 普通光子晶体光纤具有较大的d/λ值，是因为在微结构区域的外围用了毛细管，在拉制 过程中外围的毛细管抽负压，中间的毛细管加正压，就使d/λ值可以大幅增加。混合区 域的实心石英纤维在拉丝过程形成正负压差时，给予中心区域一个缓冲，可以达到防止 薄壁中心毛细管变形的目的。

图7为本发明实施例二的光子晶体光纤预制棒的结构示意图。本例是通过混合排丝 方法，制作d/λ值大于90％的光子晶体光纤预制棒并拉制光子晶体光纤。

中心毛细管为内径180μm外径500μm的毛细管，规则紧密排列成正六边形，得到 微结构区域，微结构区域外围用内径200μm外径500μm的外围毛细管规则紧密排列至 外套管内径，并用直径更细的实心石英纤维补充成与外套管内孔直径相当的圆形，将微 结构区域与混合排列区域集束，抽出中心处7根毛细管，送入内径15mm外径20mm的 外套管中，制成预制棒。将此预制棒送入高温熔融炉，进行拉制后，得到的光子晶体光 纤可以具有很大的d/λ值，因为外围毛细管内的空隙为中间微结构区域毛细管的扩张提 供了空间。

图8为本发明实施例三的光子晶体光纤预制棒的结构示意图。本例是通过混合排丝 方法，制作异形光子晶体光纤预制棒并拉制光子晶体光纤。

中心毛细管为内径160μm外径500μm的毛细管，规则紧密排列成正六边形，得到 微结构区域，微结构区域外围用500μm的实心石英纤维和内径200μm外径500μm的外 围毛细管分区域规则紧密排列，如图8所示，直至与外套管内径相当，并用直径更细的 实心纤维补充成与外套管内孔直径相当的圆形，将微结构区域与混合排列区域集束，抽 出中心处7根毛细管，送入内径15mm外径20mm的外套管中，制成预制棒。本实施例 中，制作微结构区域为蝴蝶结形的异形光子晶体光线，根据所要制作的形状，设计混合 排列区域的分区域排列，如图8，将外围毛细管与实心石英纤维分四块区域排列，将此 预制棒送入高温熔融炉，在中心毛细管内孔中加正压，在外围毛细管和混合排列区域的 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，在拉丝过程的正负压下，由于混合排列区域的外围毛细管和实 心石英纤维分区域排列，外围毛细管区域的孔隙受压力影响收缩，实心石英纤维的区域 中，实心石英纤维不受压力影响，根据预先分好的区域，微结构区域的中心毛细管在外 围毛细管区域的膨胀幅度大于实心石英纤维区域，进行拉制后，微结构区域向外围毛细 管区域膨胀，在与实心石英纤维区域相接处膨胀幅度很小，由此得到微结构区域形状为 蝴蝶结形的光子晶体光纤。

本发明提出了一种光子晶体光纤的预制棒以及对应的光子晶体光纤的制造工艺。现 有光子晶体光纤基本上是采用统一直径的毛细管和实心纤维排丝制作光子晶体光纤预 制棒，再拉丝制作光子晶体光纤，此种工艺方法对毛细管、实心纤维的要求高，拉制光 纤时制作难度大，原材料成本高昂，成品率低下。本发明提出了采用不同直径、不同类 型的毛细管和实心纤维混合排丝，制作光子晶体光纤预制棒，拉丝制作光子晶体光纤的 工艺方法，可以有效地降低对毛细管等原料的要求，减少工艺难度，降低原材料成本， 提高成品率，具有良好的社会效益和经济效益。