一種製備光子晶體光纖的方法及該方法所使用的裝置的製作方法
2023-06-03 17:02:46
專利名稱：一種製備光子晶體光纖的方法及該方法所使用的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光子晶體光纖的製備方法及該方法所使用的裝置，特別涉及該光纖預製棒的製備方法和拉制控制裝置。
背景技術：
光子晶體光纖(photonic crystal fiber；PCF)是一個新興的研究領域，光子晶體光纖又被稱為多孔光纖(Holey Fiber)和微結構光纖(Micro-structured Fiber)。它由晶格常數為光波長量級的二維光子晶體構成的，即規則排列著空氣孔的二氧化矽光纖陣列構成光纖的包層，光纖的核心是由一個破壞了包層結構周期性的缺陷構成。這個缺陷可以是固體二氧化矽，也可以是空氣孔。這種結構沿光纖軸向保持不變。繼1987年S.John和E.Yablonovitch教授創造性地提出了光子晶體的概念之後，P.Russell教授於1991年首次獨到地提出了具有規則微結構的光子晶體光纖的概念。1996年，P.Russell教授實驗室的J.C.Knight博士等人研製成功了世界上第一根光子晶體光纖；1998年，J.C.Knight等人又利用蜂窩形空氣洞分布的結構製造出基於光子帶隙限制效應導光的光子晶體光纖，即光子禁帶光纖(PBG光纖)；1999年，R.F.Cregan博士等人又製造出了光在空氣纖芯中單模傳播的光子晶體光纖，這種光纖利用光子帶隙限制效應把光限制在了低折射率的空氣纖芯中。光子晶體光纖表現出許多奇異的特性，如無波長限制單模傳輸、大芯徑單模傳輸、近乎理想的色散可控、豐富強烈的非線性效應及非線性可控、超強雙折射效應、帶隙限制空芯導光和超長距離傳輸等。這些奇異的特性，除了可以用於新一代光通信之外，還可以用於微操作光鑷、飛秒雷射的壓縮與產生、高精度光學計量、光與物質相互作用特殊環境構建、各種氣體性質研究、超小型X光分析儀等領域，發展前景異常廣闊。
光子晶體光纖是在石英光纖中沿軸向均勻排列著空氣孔，從光纖端面看，存在周期性的二維結構，如果其中1個孔遭到破壞和缺失，則會出現缺陷，光能夠在缺陷內傳播。目前，採用細玻璃管拉制(capillary drawing)方法，國外同行已經製造出損耗為0.58dB/km的全反射型光子晶體光纖和損耗為1.73dB/km的光子帶隙限制型光子晶體光纖。
光子晶體光纖的設計自由度很大，如空氣孔的孔徑、形狀和孔間距，缺陷區的形狀和大小，缺陷區的填充材料選擇，包層區材料選擇等等。有了這些自由度，可以根據不同應用設計出具有不同模式特性、不同非線性、不同帶隙、不同色散和不同雙折射特性的光子晶體光纖。若保持包層結構，僅改變中心區缺陷的尺寸，便可精密調節中心缺陷處的模式頻率。若僅僅改變空氣孔的孔徑與孔距的比率，使得孔的比率小於0.2，便能使光子晶體光纖具有永無休止的單模傳輸特性；再者，通過加大芯區直徑，便可在保持單模傳輸的同時，提高傳輸能量。此外，通過在空氣孔中填充氣體或低折射率液體，便可得到可控的非線性效應。
有關光子晶體光纖製備的情況鮮有報導。光子晶體光纖的製備工藝一般也是先做預製棒，然後在高溫下進行拉制。通常是將一定數量的毛細空心管按需要堆疊起來，裝入一個較大的空芯管中，形成預製棒。光子晶體光纖的製作方法和普通光纖的主要差別在於預製玻璃棒的橫截面結構。拉制普通光纖的預玻璃棒橫截面結構與細絲光纖相同而拉制光子晶體光纖的預玻棒是一束緊密排列的石英細玻璃管。這種有小氣孔的二維「晶體」在纖維中從頭至尾延伸，多次複製這種石英細玻璃管的排列，便可拉制出符合要求的孔距的光子晶體光纖。堆積方式可以採用三角形，也可以是蜂窩形。光子晶體光纖的纖芯是通過先打孔再填充同種材料而形成。最後，採用傳統的拉制方式拉製成光纖。這種方法的優點是可以方便地控制石英細玻璃管的大小和形狀以及排列方式，製成不同的預製棒，進而拉製成不同結構和特性的光子晶體光纖。
英國Bath大學研製的全內反射光子晶體光纖的製作過程分為三步。第一步是設計並製作出光子晶體光纖的截面結構首先選用直徑為30mm的石英棒為原材料，然後沿石英棒軸線方向鑽一個直徑為16mm的孔。接著將石英棒磨成一個正六稜柱，然後將這個正六稜柱放在光纖拉絲塔上拉製成直徑為0.8mm的六角形細棒，拉絲溫度在2000℃左右。第二步是形成光子晶體結構將六角形細棒按三角形或蜂窩形堆積起來形成所要求的晶體結構，然後放在光纖拉絲塔上拉製成空氣孔孔距為50μm的細絲。接著再把這些細絲切斷並再次堆積成三角形或蜂窩形結構，其中心用一根直徑完全相同的實芯細絲替代，這樣在光纖中心引入缺陷。第三步是複製堆積拉絲過程，最終拉製成2μm空氣孔孔距的光纖。在上面的三次拉絲過程中細棒堆熔合在一起，同時棒間距不斷縮減，縮減因子超過104。
Ranka J.K在Optics and Photonics News，2000，11中介紹了線性光子晶體光纖的製作情況，他們是在包層中規則排列著細小空氣孔(晶格常數為μm數量級)的具有二維周期結構的細長的矽光纖，核心處引入一個多餘的空氣孔(孔的直徑為1-7個周期長度)，或者在應該出現空氣孔的地方由均勻矽代替。從而在二維光子晶體中引入了一個「缺陷」作為核心。製作這種光纖是用幾百根矽棒或矽管排列成陣列，然後從中心抽去7根，留下7個原胞尺寸的孔，或者在中心應該使用矽管的地方用矽棒代替，在約2000℃的溫度下拉製成直徑為40μm的光纖，其中包層中空氣孔的直徑為亞微米，間隔為幾個微米，最初製作的光纖只是由矽管簡單排列成六角陣列的空氣孔，但是這種光纖幾乎很難觀測到導向光，後來改為蜂窩狀結構，在大中心孔中觀察到導向光，棒(管)與棒(管)之間的附加小孔對帶隙波長有小的影響。
在專利文獻方面，現在所公開專利技術的僅僅涉及光子晶體光纖結構和應用方面，而很少見到光子晶體光纖製造方法方面的技術內容。其中，申請號03108233.5的中國專利提及的微結構製造方法包括將預定數量由石英玻璃製成的具有預先確定內徑和外徑的細玻璃管，和一或多個由石英玻璃製成的直徑不同於的細玻璃管直徑的棒集成束。
目前，世界上製備光子晶體光纖的工藝主要如前述有兩大類一是石英棒沿軸線方向鑽孔，並將石英棒磨成一個正六稜柱，反覆拉製成六角形細棒，將六角形細棒按一定形狀堆積起來形成所要求的晶體結構，然後放在光纖拉絲塔上拉制，附圖1給出了玻璃棒鑽孔製備法示意圖；其二是採用細玻璃管按一定形狀堆積起來形成所要求的晶體結構，中間縫隙也可以用細絲填充，套管後在光纖拉絲塔上拉制，附圖2為細玻璃管堆積製備法示意圖。以上兩種製備光子晶體光纖工藝方法存在明顯的缺陷，主要是整個製備過程都不控制壓力，完全靠控制拉絲溫度來調節光子晶體光纖空氣孔的收縮率，因此拉絲溫度的影響因子太大，拉絲溫度過高則會導致光纖空氣孔的收縮率很難控制，容易導致光纖空氣孔部分或全部都閉合，由於在堆積光子晶體結構時，人為因素引起的光子晶體堆積的結構與設計情況有偏差，以上因素都可能會在光纖內引入不必要的缺陷，導致光纖的損耗大幅度增大，甚至會出現由於工藝原因使得設計出的光子晶體結構無法實現，或者最終拉制的不是光子晶體光纖。
即使在製備光子晶體光纖時沒有發生上述情況，也會存在製備過程複雜的問題，特別對於光子禁帶光纖而言。眾所周知，光子禁帶光纖在芯層周圍規則地分布許多小孔，為了保證光子禁帶現象出現，最終拉制的光纖不僅需要較大的佔空比d/Λ(至少大於15％，一般要求大於40％)，而且小孔的直徑要求相當小，尺寸精度對光子禁帶光纖尤為重要。光纖的表面張力與光纖空氣小孔的大小密切相關，隨光纖空氣小孔在拉制時變小，其表面張力顯著增大，要保持佔空比d/Λ在較大的水平和合適的光纖空氣小孔尺寸，難度相當大。
有時在製備光子晶體光纖預製棒的時候，細玻璃管之間空隙需要用細玻璃絲或細玻璃棒填充，拉制時只通過控制拉絲溫度來控制光纖形狀和尺寸，這時就需要拉絲溫度不能太高，保持光纖黏度足夠大，光纖的斷面形狀與預製棒的斷面形狀一致。拉絲溫度低可能會導致下列情況發生細玻璃管之間空隙不閉合、空氣小孔形狀變形，拉絲張力太大而導致的拉絲速度太慢等等。
目前光子晶體光纖還有一個無法克服的問題是光纖的損耗較大，原因為在光纖製造工藝中引入的不必要缺陷和製造過程中引入的外界汙染。這些原因影響了光子晶體光纖的應用。
發明內容
本發明的目的在於提供一種製備光子晶體光纖的方法及該方法所使用的裝置，以克服現有技術的缺陷，使得製備過程更容易控制。
首先解釋本發明的技術原理。在常規光纖預製棒拉絲過程中，光纖預製棒加熱熔融後部分可以稱為熔體，按二維軸向對稱幾何形狀處理。光纖預製棒拉絲過程同時涉及到熔體流動和傳熱。流動通常取決於玻璃熔體的牛頓行為，即可假設流動速度與所受應力嚴格成正比。玻璃散熱較慢，它控制著整個流程，玻璃的初始黏度應足夠高以阻止在重力作用下的過度流動，但又不能太高以致在玻璃熔體冷卻時需要很大的施加力才能成形。在成形期間，隨著玻璃熔體的快速冷卻，熔體溫度和黏度的急劇變化及複雜的幾何尺寸使得拉絲的物理過程分析複雜。
利用動力學原理簡單分析拉絲過程，在認為玻璃熔體滿足牛頓學和不可壓縮的條件下，其動力方程如下所示
·u=0(ut+uu)=-+[(u+uT)],----(1)]]>式(1)中ρ和μ分別為熔體的密度和黏度。由於重力對細絲的作用非常小，在式(1)忽略了重力的影響。玻璃的黏度公式如下所示(T)=107exp[32(TmeltT-1)]----(2)]]>式(2)中Tmelt為玻璃的熔點。由式(2)可見玻璃的黏度與溫度直接相關。由於拉絲過程不用模子同時又對尺寸要求非常精確，則必須嚴格控制玻璃的黏度和其它主要參數。
在光子晶體光纖預製棒拉絲過程中式(1)和式(2)同樣適用，具體操作時還要考慮中間每個細玻璃管在收縮時內表面的表面張力與補償氣體的壓力之間的平衡問題。
熔化的玻璃屬於理想的牛頓型液體，若拉制在相當高的黏度和壓力下進行，會縮小表面張力的影響，能拉制出許多形狀並能保持截面，但尖角稍許變鈍。對光子晶體光纖，保持其截面不變形非常重要。根據式(2)可知，黏度高則拉制的溫度需要降低，這樣使得工藝過程難以控制，如拉制的溫度降低會導致光纖張力增加，高速拉絲將受到限制。
因此，對光子晶體光纖拉絲過程來說，通過控制壓力是不錯的途徑。光子晶體光纖拉絲過程中表面張力因素的影響非常大，玻璃體由於表面張力引起的壓力差或過剩壓力ΔP表達式如下ΔP＝σ(1/a+1/b) (3)式(3)中σ為表面張力或界面張力，a和b分別為彎曲表面的主半徑。當μ較大或半徑小時，玻璃體達到平衡形狀取決於剪切速率。由式(3)可知，在細玻璃管的內外直徑都很大時，ΔP很小，在內外直徑都很小時，ΔP將變得很大。
具體分析光子晶體光纖預製棒中的每一個細玻璃管，在拉制過程中，細玻璃管的收縮速度為da/dt＝a2ΔP/4wμ(4)式(4)中a為細玻璃管外徑，w為管壁厚，ΔP為表面張力引起的壓力差。結合式(3)和式(4)，在細玻璃管內外直徑縮小時，ΔP增大，管的收縮速度隨之增大，此時非常容易導致細玻璃管閉合。為了使細玻璃管直徑較小時降低管的收縮速度，人為施加一個反向附加壓力，使得壓力差減小，將式(4)變為da/dt＝a2(ΔP-ΔPa)/4wμ (5)式(5)中ΔPa為反向附加壓力。
對細玻璃管之間的可能縫隙來說，其尺寸較小，人為施加一個正向附加壓力，將使得壓力差增大，式(5)變為da/dt＝a2(ΔP+ΔPa)/4wμ(6)從而在拉制過程中縫隙收縮速度加快，縫隙完全閉合。
本發明的一種製備光子晶體光纖的裝置，其結構包括加壓罩，為一端開放另一端封閉的筒型，開放端周邊設置有法蘭盤，用於與插盤、真空罩固定在一起，從開放端容納細玻璃管，封閉端上設置了連通氣壓控制裝置的通氣孔，當光纖預製棒被拉絲時，細玻璃管的不封閉端插入加壓罩內，通過對加壓罩內施加一定的氣壓，保證在光纖預製棒拉絲過程中細玻璃管內保持10-1毫巴(mbar)數量級的氣壓；真空罩，為一端開放的筒型，在筒型另一端具有端面，該端面周邊設置了法蘭盤，用於與插盤、加壓罩固定在一起，端面上設置插孔，用於插入細玻璃管，光纖預製棒的玻璃套管不封閉的一端插入真空罩筒型結構內並與筒型結構密封在一起，使玻璃套管和真空罩共同形成氣密的封閉空間，當光纖預製棒被拉絲時，對該氣密的封閉空間抽真空，以保證拉絲時光纖預製棒的玻璃套管內和細玻璃管之間縫隙保持真空狀態；插盤，為具有一定厚度的盤型，盤面上設置有插孔，用於插入直徑1至10毫米的細玻璃管形成細玻璃管集束，插孔直徑和排列方式依據所需要的光纖中光子晶體排列方式和氣孔直徑而選擇，真空罩和插盤上的插孔直徑、位置和數目均相同，插盤面周邊設置有法蘭盤，用於將插盤與加壓罩、真空罩固定在一起，在插盤與加壓罩之間形成氣密的空間，該氣密空間與細玻璃管內連通；壓力控制裝置，通過加壓罩上的通氣孔與加壓罩連通，用於控制加壓罩內的氣體壓力；真空泵導管，為玻璃材料的細管，一端通過一通孔與光纖預製棒玻璃套管內孔連通，另一端連通真空泵；真空泵，用於對光纖預製棒的玻璃套管和真空罩共同形成的氣密空間抽真空；密封圈，用於細玻璃管穿過插盤盤面上插孔與真空罩端面上插孔時密閉細玻璃管與插孔之間的縫隙，保證光纖預製棒玻璃套管和真空罩共同形成的氣密空間與加壓罩和插盤共同形成的氣密空間之間相互氣密隔離；固定後，各個部件的連接順序為加壓罩下為插盤、插盤下為真空罩、真空罩下為玻璃套管，細玻璃管穿過真空罩、插盤上的插孔伸入到加壓罩內。
本發明的上述製備光子晶體光纖的裝置，其特徵在於在真空罩與光纖預製棒玻璃套管之間設置有一個或多個密封墊圈，在真空罩與插盤之間設置有密封墊圈，在加壓罩與插盤之間設置有密封墊圈，加壓罩、插盤和真空罩的法蘭盤上都設置有螺栓孔，上述三部件以螺栓方式固定安裝在一起，使加壓罩和插盤共同形成與細玻璃管內部連通的施加一定氣體壓力的氣密空間，使真空罩和玻璃套管共同形成被抽真空的氣密空間。
本發明的上述製備光子晶體光纖的裝置，其特徵在於在光纖預製棒玻璃套管內的細玻璃管之間和細玻璃管與玻璃套管之間填充細玻璃棒或細玻璃絲，細玻璃棒或細玻璃絲與真空罩端面間的距離大於真空泵導管與玻璃套管之間通孔到真空罩端面的距離。
本發明的上述製備光子晶體光纖的裝置，其特徵在於加壓罩、插盤和真空罩使用聚四氟乙烯或陶瓷或具有防腐蝕性能的的金屬製造或其它防腐蝕和耐熱的合適材質製造。
本發明的上述製備光子晶體光纖的裝置，其特徵在於所述壓力控制裝置包括氣體輸送管道、質量流量計、壓力控制器和氣體洩放管道。
本發明的一種製備光子晶體光纖的方法，該方法包括下列步驟將外徑1至10毫米的細玻璃管按照所需要的光子晶體形狀排列成點陣並插入插盤中，形成細玻璃管集束；將排列成點陣的細玻璃管集束放置在玻璃套管內，玻璃套管的長度被選擇小於細玻璃管的長度；將加壓罩與插盤密封接合，使細玻璃管的一端進入加壓罩內；將加壓罩與壓力控制裝置連通；將真空罩與玻璃套管密封接合，使真空罩與玻璃套管形成氣密空間；利用密封圈使細玻璃管與插盤上插孔、真空罩插孔之間密封隔離，使加壓罩與真空罩之間相互氣密隔離；將真空泵導管通過玻璃套管側壁的孔與玻璃套管連通；將真空泵導管與真空泵連通；密封玻璃套管與細玻璃管集束形成的光纖預製棒未放置入真空罩中的自由端，使得該端的玻璃套管和細玻璃管內孔閉合；利用壓力控制裝置向加壓罩內輸入氣體，使細玻璃管內保持10-1毫巴(mbar)數量級的氣壓；利用真空泵對玻璃套管內抽真空，使玻璃套管內保持真空狀態；將玻璃套管與細玻璃管集束形成的光纖預製棒加熱並拉絲成為所需要直徑的光子晶體光纖。
本發明的上述製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於利用細玻璃棒或細玻璃絲填充細玻璃管集束內細玻璃管之間和細玻璃管與玻璃套管之間的空隙。
本發明的上述製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於所述細玻璃管、玻璃套管、細玻璃棒和細玻璃絲可以全部或部分使用純石英玻璃、磷酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、氟化物玻璃，或使用以上述玻璃材料為基質的摻雜玻璃。
本發明的上述製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於所述摻雜玻璃中摻雜物質為化合物，如鍺或磷或硼或氟或鋁的化合物或稀土化合物。
本發明的上述製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於加壓罩內通入的氣體為淨化空氣或氮氣或氬氣或氦氣或二氧化碳氣體或根據性能要求通入的其它氣體。
本發明的上述製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於細玻璃管可以由更粗的高純度玻璃管在拉絲機或其他設備上反覆拉製得到，也可以直接使用合適尺寸的細玻璃管。
本發明的有益效果有如下幾個方面第一，不採用現有光子晶體光纖製備方法中在實心預製棒上鑽孔的做法，使得光纖製備程序更簡單易操作，並避免了由於在實心預製棒上機械鑽孔而導致應力存在以及汙染，在拉制之前通過氫氟酸、氟利昂系列氣體或SF6氣體腐蝕其內表面，提高成品率，顯著降低光纖損耗。第二，不採用現有光子晶體光纖製備方法中將細玻璃管按三角形或蜂窩狀堆積後拉絲的做法，簡化工藝複雜程度，並避免製備過程中出現光纖剖面結構變形。第三，特別對製備光子禁帶光纖有著非常明顯的優勢，實現對光纖尺寸精確控制，能夠保證光纖軸向上的一致性。第四，可以根據不同光纖結構，靈活設計特定控壓裝置。第五，拉制過程中不降低溫度，可以實現高速拉絲。
圖1為現有技術的玻璃棒鑽孔製備法示意圖；圖2為現有技術的毛細玻璃管堆積製備法示意圖；圖3為現有技術製造出的光子晶體光纖截面示意圖；圖4為本發明方法所使用的光纖預製棒拉制設備總體結構的示意圖；圖5為本發明的光纖製備裝置詳細結構和光纖預製棒局部結構的示意圖；圖6為本發明的光纖製備裝置中細玻璃管排列方式的示意圖；圖7為本發明的第一實施例使用的插盤以及插孔的示意圖；圖8為本發明的第一實施例使用的插盤及細玻璃管組合的立體示意圖；圖9為本發明的第二實施例使用的另一種插盤以及插孔的示意圖。
具體實施例方式
圖4中各個附圖標記所代表的具體結構如下41為光纖預製棒，42為加熱爐，5為本發明的裝置，圖4中壓力控制裝置56的各個子裝置為氣體輸送管道561、質量流量計562、壓力控制器563和氣體洩放管道564，58為真空泵。圖5中各個附圖標記所代表的具體結構為51為筒狀加壓罩，52為真空罩，53為插盤，54為玻璃套管，55為插孔，56為壓力控制裝置，57為連接真空泵和玻璃套管的真空泵導管，58為真空泵，59為填充細玻璃棒或細玻璃絲。
首先詳細描述本發明的光子晶體光纖製備方法的具體各個步驟將一定尺寸的高純度玻璃管在拉絲機或其他設備上拉製成細玻璃管，按一定長度截斷後，再在拉絲機或其他設備上拉製成更細的玻璃管，反覆多次，直至得到合適尺寸的細玻璃管，根據需要細玻璃管名義外徑一般控制在1～10mm範圍內。也可以直接使用成品細玻璃管。在一個預先確定內徑和外徑的玻璃套管內，將若干根前述細玻璃管根據一定的規則排列成特定的結構，形成光子晶體光纖預製棒。細玻璃管之間以及與玻璃套管的縫隙根據需要可以用高純度實心細玻璃棒或細玻璃絲填充。光纖預製棒的玻璃套管一端不密封，細玻璃管比玻璃套管和細玻璃棒或細玻璃絲都長。玻璃套管另一端可密封。光纖預製棒拉制時，玻璃套管未密封的一端放入真空罩中，所有的細玻璃管的一端插入加壓罩內並密封，拉制或拉拔時本發明裝置的壓力控制裝置通過氣體對所有的細玻璃管進行壓力控制，即加壓罩內通入淨化空氣或氮氣或氬氣或氦氣或二氧化碳氣體或根據性能要求通入其它氣體。光纖預製棒在製備時，所有細玻璃管穿過附圖5的該裝置中真空罩52和插盤53上的插孔55，進入加壓罩內的空間A部分，保證空間A部分的壓力和光纖預製棒中細玻璃管內的壓力一致。由於細玻璃管中需要的壓力補償非常小，氣體壓力控制裝置控制的壓力範圍需要保持在毫米汞柱數量級以下，否則會引起光纖內空氣小孔的直徑無法控制。玻璃套管上靠近該真空罩附近設置有一個通孔的細玻璃管，即真空泵導管，該細玻璃管一端連接到玻璃套管內壁，另外一端連接到真空泵，拉制時空間B部分被真空泵抽取真空，使得形成光纖的細玻璃管之間的可能縫隙完全閉合。
其次詳細描述本發明的光子晶體光纖製備方法所使用的裝置。圖5所示的本發明裝置為圖4所示光纖預製棒拉制設備總結構的一部分。本發明的裝置包括一個筒狀加壓罩51；端面上帶很多插孔的真空罩52和插盤53，真空罩52和插盤53端面上插孔的直徑、位置和數目均相同。它們將裝置內空間分為如圖所示的A和B兩個部分。真空罩52、插盤53與加壓罩51之間通過密封圈來密封。玻璃套管54可以放入真空罩52的內孔中，真空罩52的內孔與玻璃套管54緊貼，同樣通過密封圈來密封。加壓罩51頂部有一套壓力控制系統56，通過氣體對所有的細玻璃管進行壓力控制。圖5中，真空罩下方光纖預製棒的玻璃套管上有一個通孔和與之相連通的細玻璃管，即真空泵導管57，該細玻璃管一端連通到玻璃套管內，另外一端連接到真空泵58，保證圖5中的空間B部分能被真空泵58抽取真空，使細玻璃管之間的可能縫隙完全閉合。該裝置中真空罩52和插盤53的端面上按照一定規則布滿特定直徑的插孔，真空罩52和插盤53端面上的插孔在軸線上的投影完全重合，根據光纖預製棒不同結構設計需要設置插孔55的直徑、位置和數目。插孔的直徑比穿過它的細玻璃管外徑大0～10％，以便製備時更易操作。真空罩52和插盤53之間的每個插孔都有一個以上的密封圈，密封圈的直徑是根據插孔的直徑和細玻璃管外徑來決定的，需要保證空間A和B兩部分之間相互氣密隔離，使得空間A和B兩部分的壓力可以不同。插盤53放置於真空罩52和筒狀加壓罩51之間，用密封圈密封，然後用螺栓或緊套緊固，也可以是其它緊固件。真空罩52與玻璃套管之間使用密封圈加以密封，由自緊螺母或其它方式緊固。為了不影響圖5的更清晰表達，自緊螺母或其它方式緊固沒有在圖中表示。筒狀加壓罩51、真空罩52和插盤53的材質優選聚四氟乙烯、陶瓷或具有防腐功能的金屬，以防止腐蝕裝置，也可以採用其它防腐和耐高溫的合適材料製造。
為了更詳細地說明本發明，下面將描述使用圖5所示的本發明裝置製備具有特定光子晶體結構的光纖的具體實例。
第一實施例採用高純石英玻璃管在拉絲塔上拉製成不同規格的圓形石英細玻璃管和細玻璃棒。將壁厚為1.0mm、外徑為4.5mm和長度為1000mm的圓形石英細玻璃管(即石英細玻璃管規格為φ4.5×1.0)，插入附圖5所示的真空罩52和插盤53上的圓形插孔中，插孔呈六邊形點陣，點陣層數為7層，也就是石英細玻璃管呈六邊形點陣，點陣層數為7層，中間層為細玻璃管，每根細玻璃管在真空罩52和插盤53之間放置φ3.0mm的密封圈來密封。細玻璃管在空間A部分的長度不超過20mm，將筒狀加壓罩51、真空罩52和插盤53緊固後，用φ60.0×3.0mm純石英玻璃套管54插入真空罩52中，與真空罩52的內孔正好密切結合，真空罩52與玻璃套管之間密封圈密封，由自緊螺母或其它方式緊固。純石英玻璃套管54在緊固端附近有供抽真空的細玻璃管58，從玻璃套管另一敞口端根據需要插入細玻璃棒，以填充玻璃套管、每根細玻璃管之間的縫隙，細玻璃棒填充的長度不超過抽真空的細玻璃管58。將玻璃套管敞口端密封起來。這樣玻璃套管54、一定結構的細玻璃管集合和填充細玻璃棒就構成了光子晶體光纖預製棒。
為了更好地理解本發明的意圖，附圖6為本實施例細玻璃管插入真空罩52和插盤53後的示意圖，附圖8為細玻璃管插入真空罩和插盤排列成預定光子晶體結構的立體示意圖，圖7為本實施例使用的插盤53的主視圖和俯視圖，這樣能更好地解釋本實施例插孔的排列設計方式。
將如圖8所示排列為預定光子晶體結構的光纖預製棒安置在圖4所示的設備中拉制光纖，拉絲過程中向圖5所示的加壓罩內通入氮氣，保持微正壓，真空泵對玻璃套管內抽取真空，拉絲溫度控制在2150℃左右，黏度μ控制在5.0×105dPa.s以下。
第二實施例採用高純氟化物玻璃管在拉絲塔上拉製成不同規格的圓形細玻璃管和細玻璃棒。將壁厚為1.5mm、外徑為5.0mm，以及壁厚為1.0mm、外徑為4.0mm，長度均為1000mm的氟化物石英細玻璃管，插入附圖5所示的真空罩52和插盤53上的圓形插孔中，插孔呈六邊形點陣，點陣層數為11層，也就是石英細玻璃管呈六邊形點陣，點陣層數為11層，中間層為實心摻稀土細棒，內圈6層細玻璃管規格為φ4.0×1.0，外圈4層細玻璃管規格為φ5.0×1.5。每根細玻璃管在真空罩52和插盤53之間放置的合適尺寸密封圈來密封。細玻璃管在空間A部分的長度不超過20mm，，用φ88.0×4.0mm氟化物玻璃套管54插入真空罩52中，與真空罩52的內孔正好密切結合，真空罩52與玻璃套管之間用密封圈密封，由自緊螺母或其它方式緊固。氟化物玻璃套管54在緊固端附近有供抽真空的細玻璃管58，從玻璃套管另一敞口端根據需要插入氟化物細玻璃棒，以填充玻璃套管、每根細玻璃管之間的縫隙，細玻璃棒填充的長度不超過抽真空的細玻璃管58。將玻璃套管敞口端密封起來。這樣玻璃套管54、一定結構的細玻璃管集合和填充細玻璃棒就構成了光子晶體光纖預製棒。
附圖9為第二實施例中所使用插盤53的主視圖和俯視圖，這樣能更好地解釋第二實施例插孔的排列設計方式。
將如圖9所示結構排列方式排列成型的光纖預製棒安置在圖4所示的設備中，將圖5所示的筒狀加壓罩51、真空罩52和插盤53緊固後，把裝置和光子晶體光纖預製棒放到拉絲塔上拉制光纖。拉絲過程中加壓罩內通入淨化空氣，保持微正壓，真空泵對玻璃套管內抽取真空，拉絲溫度控制不超過2000℃。
雖然結合目前認為最為實用和最佳的實施例對本發明進行了描述，不過本發明不限於所公開的實施例，還包括了所附權利要求精神和範圍所包括的引申含義和變化。
權利要求
1.一種製備光子晶體光纖的裝置，其結構包括加壓罩，為一端開放另一端封閉的筒型，開放端周邊設置有法蘭盤，用於與插盤、真空罩固定在一起，從開放端容納細玻璃管，封閉端上設置了連通氣壓控制裝置的通氣孔，當光纖預製棒被拉絲時，細玻璃管的不封閉端插入加壓罩內，通過對加壓罩內施加一定的氣壓，保證在光纖預製棒拉絲過程中細玻璃管內保持10-1毫巴(mbar)數量級的氣壓；真空罩，為一端開放的筒型，在筒型另一端具有端面，該端面周邊設置了法蘭盤，用於與插盤、加壓罩固定在一起，端面上設置插孔，用於插入細玻璃管，光纖預製棒的玻璃套管不封閉的一端插入真空罩筒型結構內並與筒型結構密封在一起，使玻璃套管和真空罩共同形成氣密的封閉空間，當光纖預製棒被拉絲時，對該氣密的封閉空間抽真空，以保證拉絲時光纖預製棒的玻璃套管內和細玻璃管之間縫隙保持真空狀態；插盤，為具有一定厚度的盤型，盤面上設置有插孔，用於插入直徑1至10毫米的細玻璃管形成細玻璃管集束，插孔直徑和排列方式依據所需要的光纖中光子晶體排列方式和氣孔直徑而選擇，真空罩和插盤上的插孔直徑、位置和數目均相同，插盤面周邊設置有法蘭盤，用於將插盤與加壓罩、真空罩固定在一起，在插盤與加壓罩之間形成氣密的空間，該氣密空間與細玻璃管內連通；壓力控制裝置，通過加壓罩上的通氣孔與加壓罩連通，用於控制加壓罩內的氣體壓力；真空泵導管，為玻璃材料的細管，一端通過一通孔與光纖預製棒玻璃套管內孔連通，另一端連通真空泵；真空泵，用於對光纖預製棒的玻璃套管和真空罩共同形成的氣密空間抽真空；密封圈，用於細玻璃管穿過插盤盤面上插孔與真空罩端面上插孔時密閉細玻璃管與插孔之間的縫隙，保證光纖預製棒玻璃套管和真空罩共同形成的氣密空間與加壓罩和插盤共同形成的氣密空間之間相互氣密隔離；固定後，各個部件的連接順序為加壓罩下為插盤、插盤下為真空罩、真空罩下為玻璃套管，細玻璃管穿過真空罩、插盤上的插孔伸入到加壓罩內。
2.根據權利要求1的製備光子晶體光纖的裝置，其特徵在於在真空罩與光纖預製棒玻璃套管之間設置有一個或多個密封墊圈，在真空罩與插盤之間設置有密封墊圈，在加壓罩與插盤之間設置有密封墊圈，加壓罩、插盤和真空罩的法蘭盤上都設置有螺栓孔，上述三部件以螺栓方式固定安裝在一起，使加壓罩和插盤共同形成與細玻璃管內部連通的施加一定氣體壓力的氣密空間，使真空罩和玻璃套管共同形成被抽真空的氣密空間。
3.根據權利要求1的製備光子晶體光纖的裝置，其特徵在於在光纖預製棒玻璃套管內的細玻璃管之間和細玻璃管與玻璃套管之間填充細玻璃棒或細玻璃絲，細玻璃棒或細玻璃絲與真空罩端面間的距離大於真空泵導管與玻璃套管之間通孔到真空罩端面的距離。
4.根據權利要求1的製備光子晶體光纖的裝置，其特徵在於加壓罩、插盤和真空罩使用聚四氟乙烯或陶瓷或具有防腐蝕性能的金屬或其它防腐蝕和耐熱的合適材質製造。
5.根據權利要求1的製備光子晶體光纖的裝置，其特徵在於所述壓力控制裝置包括氣體輸送管道、質量流量計、壓力控制器和氣體洩放管道。
6.一種製備光子晶體光纖的方法，該方法包括下列步驟將外徑1至10毫米的細玻璃管按照所需要的光子晶體形狀排列成為點陣並插入插盤中，形成細玻璃管集束；將排列成為點陣的細玻璃管集束放置在玻璃套管內，玻璃套管的長度被選擇小於細玻璃管的長度；將加壓罩與插盤密封接合，使細玻璃管的一端進入加壓罩內；將加壓罩與壓力控制裝置連通；將真空罩與玻璃套管密封接合，使真空罩與玻璃套管形成氣密空間；利用密封圈使細玻璃管與插盤上插孔、真空罩插孔之間密封隔離，使加壓罩與真空罩之間相互氣密隔離；將真空泵導管通過玻璃套管側壁的孔與玻璃套管連通；將真空泵導管與真空泵連通；密封玻璃套管與細玻璃管集束形成的光纖預製棒未放置入真空罩中的自由端，使得該端的玻璃套管和細玻璃管內孔閉合；利用壓力控制裝置向加壓罩內輸入氣體，使細玻璃管內保持10-1毫巴(mbar)數量級的氣壓；利用真空泵對玻璃套管內抽真空，使玻璃套管內保持真空狀態；將玻璃套管與細玻璃管集束形成的光纖預製棒加熱並拉絲成為所需要直徑的光子晶體光纖。
7.根據權利要求6的製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於利用細玻璃棒或細玻璃絲填充細玻璃管集束內細玻璃管之間和細玻璃管與玻璃套管之間的空隙。
8.根據權利要求6的製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於所述細玻璃管、玻璃套管、細玻璃棒和細玻璃絲全部或部分使用純石英玻璃或磷酸鹽玻璃或碲酸鹽玻璃或氟化物玻璃，或使用以上述玻璃材料為基質的摻雜玻璃。
9.根據權利要求8的製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於所述摻雜玻璃中摻雜物質為化合物，如鍺或磷或硼或氟或鋁的化合物或稀土化合物。
10.根據權利要求6的製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於加壓罩內通入的氣體為淨化空氣或氮氣或氬氣或氦氣或二氧化碳氣體或根據性能要求通入的其它氣體。
11.根據權利要求6的製備光子晶體光纖的方法，其特徵在於所述細玻璃管由更粗的高純度玻璃管在拉絲機或其他設備上反覆拉製得到，也可以直接使用合適尺寸的細玻璃管。
全文摘要
本發明涉及一種製備光子晶體光纖的方法及該方法所使用的裝置，該方法在一個預先確定尺寸的玻璃套管內，將若干根細玻璃管根據一定的規則排列成特定的結構，形成光子晶體光纖預製棒，細玻璃管比玻璃套管和細玻璃棒或細玻璃絲長，在拉制時，光纖預製棒一端放入本發明的裝置中，該裝置對光纖預製棒進行壓力控制，即對玻璃套管內抽真空，對細玻璃管通入10
文檔編號C03B37/02GK1583617SQ20041004262
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月28日 優先權日2004年5月28日
發明者蔣作文, 李進延, 李詩愈, 李海清, 陳偉, 劉學軍, 劉革勝 申請人:烽火通信科技股份有限公司