[發明專利]雙包層全固態光子晶體光纖及其制備方法

有效

• 申請號: 201110374988.4
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN102508333A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 張光;陳丹平;于春雷;周秦嶺;陳慶希
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B6/036
• 分類號: G02B6/036;G02B6/02;C03B37/027
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及光子晶體光纖，特別是一種雙包層全固態光子晶體光纖及其制備方法。

背景技術

光子晶體光纖是在包層中引入規則排布的低折射率區，使包層的有效折射率降低形成波導，并具有較好的模式和色散特性，在大功率光纖激光、超快光纖激光器等領域有重要應用。光子晶體光纖獨特的結構也給實際應用帶來了諸多的困難，如多孔的包層結構使制作工藝較為困難，特別是基質玻璃為多組分玻璃時，由于玻璃材料的性能較差(軟化點附近，黏度曲線隨溫度變化較大)，光纖拉絲過程中要保持包層空氣孔不發生畸變，必須給空氣孔施加一定的壓力平衡玻璃的表面張力，這極大地增加了光纖的制作難度，光纖的光學性能也會受到一定的影響。另外，多孔結構使光子晶體光纖與傳統光纖熔接極為困難，這不利于激光系統的全光纖化。

大功率光纖激光、超快光纖激光器要求作為增益介質的光纖具有較高的增益系數。要求主要包括兩個方面，一是纖芯具有較高摻雜濃度，二是光纖具有較高泵浦光吸收系數。最佳的摻雜濃度對于具體的玻璃可以較為方便地得到。由于材料本身的特性和制作工藝的限制，多組分玻璃光纖的傳輸損耗通常要比石英光纖大出很多，泵浦光吸收系數是影響增益光纖性能的主要因素。目前提高光纖泵浦光吸收系數的方法主要有兩種：第一，采用D形、多邊形等非圓對稱內包層，抑制內包層穩態模。第二，纖芯偏離內包層幾何中心，同時在纖芯幾何對稱位置加入缺陷(如空氣孔等)，目的也是抑制內包層穩態模。商用的雙包層光纖多是采用第一種方法，內包層的形狀通過冷加工的辦法實現。這樣以來，光纖的損耗難以控制，制作成本較高。第二種方案也可以有效提高泵浦光吸收系數，但由于纖芯偏離光纖幾何中心，熔接困難，與光纖系統的兼容性變差。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提供一種雙包層全固態光子晶體光纖及其制備方法，基于光子晶體光纖的結構和堆疊法制作工藝，用折射率較低的玻璃代替包層空氣孔，并用具有相似熱學參數的低折射率玻璃來充當外包層，得到六角形光纖預制棒。

本發明的技術解決方案如下：

一種雙包層全固態光子晶體光纖，包括纖芯、內包層和外包層，其特點在于該光纖具有外表面為圓形的外包層，內包層為帶有鋸齒結構的六角形的光纖。

上述的雙包層全固態光子晶體光纖的制備方法，其特點在于包括下列步驟：

①制備外徑均勻的玻璃棒：

在超凈室通過管棒法和拉絲方法制成第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒，所述的第二玻璃棒是無摻雜玻璃的均勻細棒，第三玻璃棒是摻雜玻璃的均勻細棒，所述的第一玻璃棒是具有核芯的包層玻璃的均勻細棒，其核芯玻璃折射率較低，外包層玻璃的折射率較高，然后根據制備雙包層全固態光子晶體光纖的需要將所述的均勻的第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒用寶石刀或金剛石截成相同的長度L；

②光纖預制棒的制備：

在具有內六角形金屬套筒模具里按密堆積方式排列第一玻璃棒共m層，然后用第二玻璃棒替換最外n層的第一玻璃棒，再用第三玻璃棒替換中心的第一玻璃棒；將已裝入該內六角形金屬套筒模具里的而裸露的部分共m層玻璃棒套在另一個結構相同的內六角形金屬套筒模具內；再將該內六角形金屬套筒模具及其內玻璃棒豎直在高溫爐內進行燒結并經退火，該光纖預制棒的燒結溫度高于該玻璃軟化點30～200℃，略低于拉絲溫度，預制棒直立以消除重力導致的畸變，從所述的內六角形金屬套筒模具脫模后獲得光纖預制棒；

③拉制光纖：

在較預制棒的燒結溫度高的溫度下拉制光纖，玻璃表面張力的作用會使光纖形成外表面為圓形，內包層為帶有鋸齒結構的六角形的光纖。

所述的無摻雜的白玻璃為石英玻璃、磷酸鹽玻璃、硅酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃或氟化物玻璃。

所述的m的取值為10～25，所述的n≥3，所述的第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒外徑的取值范圍為0.6～3mm，所述的n≥3，所述的第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒的截取長度L的取值范圍為5～20cm。

所述的內六角形金屬套筒模具的長度為L/2。

本發明利用具有內六角結構金屬套筒作為模具，堆疊法制備光子晶體光纖預制棒，用折射率較低的玻璃代替包層空氣孔，并用具有相似熱學參數的低折射率玻璃來充當外包層，得到六角形光纖預制棒。利用拉絲過程中玻璃的表面張力，形成外表面為圓形，內包層為帶有鋸齒結構的六角形的光纖。提高光纖的泵浦光吸收系數，并簡化光子晶體光纖制備和熔接工藝。

本發明與現有技術相比的優點在于：