D形光子晶体光纤预制棒及其D形光子晶体光纤拉制方法

技术领域

本发明属于光纤制造技术领域，具体涉及一种D形光子晶体光纤预制棒及其D形光子晶体光纤拉制方法。

背景技术

光子晶体光纤是由晶格常数为光波长量级的二维光子晶体构成的，其横截面通常为周期排布的空气孔包围着光纤纤芯。而将光子晶体光纤制备成D形，主要是利用了一些光纤传感器可以通过从纤芯泄露的倏逝波与外界物质相互作用实现传感，让纤芯中传输的光有一个“泄漏窗口”。

当前D形光子晶体光纤的制备方法主要采用飞秒激光烧蚀法、氢氟酸腐蚀法和侧边抛磨法。飞秒激光烧蚀的光子晶体光纤表面比较粗糙，包层空气孔破裂严重，不利于使用；利用具有强烈腐蚀性的氢氟酸对光纤包层进行腐蚀可以实现倏逝波的泄露，但氢氟酸具有非常强的毒害性，对人体的皮肤、呼吸道等都有极大的伤害，而且对光纤的腐蚀情况、表面的均匀性很难做到精确控制；侧边抛磨法虽然是几种方法里最常见的，但是由于技术原因，抛磨范围有限，光纤抛磨后容易造成气孔堵塞，影响光纤性能，并且其机械性大大降低。

由此可见，D形光纤的制造依旧存在很大的挑战性，D形光子晶体光纤无法大批量制备，且其进行处理后极其脆弱，导致光纤后续使用存在困难限制了其应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前的D形光子晶体光纤的制备方法存在需要对商业光纤二次处理并且无法实现大批量制备的问题，本发明提供了D形光子晶体光纤预制棒及其D形光子晶体光纤拉制方法，通过D形光子晶体光纤预制棒的排布和制作，其能够调节包层气孔数量和大小的光子晶体光纤结构；该通过制备的D形光子晶体光纤预制棒进行D形光子晶体光纤拉制的方法，容易实施，能够实现保证产品均一性，降低D形光子晶体光纤的残品率，并且能够实现大批量生产。

为了解决上述的技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了D形光子晶体光纤预制棒，其包括固定延长端和D形端；固定延长端最外一层为固定延长管，在D形端最外一层为D形管；在固定延长管内设置有纤芯和空气孔的阵列结构，并且在纤芯和空气孔阵列结构和固定延长管之间的孔隙中设置有固定延长端毛细玻璃丝；其中，纤芯和空气孔的阵列结构为以实心玻璃棒为光纤纤芯，毛细玻璃管以正六边形排列方式排布在光纤纤芯外周作为光纤包层；

其中，位于固定延长管内的纤芯和空气孔的阵列结构部分延长至D形管中，并填满D形管内径空间，D形管中，填充的为纤芯和空气孔，D形管空气孔保留的个数为：

固定延长端毛细玻璃丝延长至D形管和剩余纤芯和空气孔的阵列结构之间的空隙中。

进一步的，固定延长端的直径和D形端外延后形成的圆的直径相等。

进一步的，纤芯和空气孔的阵列结构的长度≤D形管长度+固定延长管长度，其中，纤芯和空气孔的阵列结构延长至固定延长管的最短长度为5cm，固定延长管长度≥D形管长度。

进一步的，固定延长管和D形管为一体成形或熔接成形。

进一步的，采用的实心玻璃棒、毛细玻璃丝、毛细玻璃管、中空玻璃管和空心玻璃尾管的玻璃材质均为二氧化硅。

本发明的一种D形光子晶体光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备纤芯和空气孔的阵列结构

根据制备的D形光子晶体光纤的纤芯的个数和包层层数，选取M根实心玻璃棒作为光纤纤芯，根据制备的D形光子晶体光纤的结构，将毛细玻璃管或实心玻璃棒作为中心，将毛细玻璃管排布在中心外周作为光纤包层，并且每层毛细玻璃管呈正六边形排布，排布后，根据D形光子晶体光纤的纤芯的个数和位置，将毛细玻璃管替换为实心玻璃棒，然后将各个光纤包层固定、压实，形成纤芯和空气孔的阵列结构；

其中，根据光纤包层的层数，设置N层毛细玻璃管，N为≥1的正整数；

纤芯和空气孔的阵列结构为N层六边形的横截面结构；

实心玻璃棒的直径和毛细玻璃管的外径相同；

步骤2：制备预制棒

根据固定延长管和D形管的连接方式，选取外套管一端和/或空心玻璃尾管作为固定延长管；

当选取外套管一端作为固定延长管，则采用以下方法制备：

选取一根中空玻璃管作为外套管，外套管的内径≥3×N+1根毛细玻璃管直径，将外套管沿轴向水平剖切，形成一剖切口，剖切口径向断面的弦长<外套管的直径，且剖切口的轴向断面和外套管轴心的最小垂直距离为实心玻璃棒半径，剖切口的轴向断面的轴向长度为制备的D形光子晶体光纤预制棒长度，剩余未剖切的外套管一端作为固定延长管，剖切后，使得外套管一端横截面为D形状，另一端横截面为圆形空心状；

将纤芯和空气孔的阵列结构设置在外套管的内孔中，在纤芯和空气孔的阵列结构和外套管之间的空隙中填充毛细玻璃丝固定，然后，将在外套管剖切口的毛细玻璃管切除，并且保留设置有光纤纤芯的部分，得到内部结构稳定的加固预制棒，即为D形光子晶体光纤预制棒；

当选取空心玻璃尾管作为固定延长管，则采用以下方法制备：

选取一根中空玻璃管作为外套管，外套管的内径≥3×N+1根毛细玻璃管外径，将外套管沿轴向水平剖切，剖切后，剖切口径向断面的弦长<外套管的直径，且剖切口的轴向断面和外套管轴心的最小垂直距离为实心玻璃棒半径，形成D形管；将D形管的一端熔接空心玻璃尾管作为固定延长管，其中，空心玻璃尾管和外套管的内径和外径均相同；

将纤芯和空气孔的阵列结构设置在D形管的内孔中，并延伸至空心玻璃尾管内径中，在纤芯和空气孔的阵列结构和空心玻璃尾管之间的空隙中填充毛细玻璃丝固定，毛细玻璃丝延伸至D形管内，然后，将在D形管外的毛细玻璃管切除，并且保留设置有光纤纤芯的部分，得到内部结构稳定的加固预制棒，即为D形光子晶体光纤预制棒；

当选取外套管一端和空心玻璃尾管作为固定延长管，则在以外套管一端作为固定延长管的基础上，将其制备的内部结构稳定的加固预制棒，在外套管一端熔接空心玻璃尾管，作为D形光子晶体光纤预制棒。

所述的D形光子晶体光纤预制棒的制备方法中，采用的实心玻璃棒和毛细玻璃管，均根据制备的D形光子晶体光纤的结构尺寸要求，先进行加热熔融后，拉丝至尺寸要求，筛选制得。

进一步的，所述的步骤1中，纤芯和空气孔的阵列结构采用堆积法工艺进行制备，具体为：单芯D形光子晶体光纤将实心玻璃棒作为光纤纤芯，在光纤纤芯的外部沿圆周方向均匀堆积第一层毛细玻璃管，在第一层毛细玻璃管的外部沿圆周方向均匀堆积第二层毛细玻璃管……，依次类推，堆积第N层毛细玻璃管，每层毛细玻璃管均为正六边形排列；

双芯D形光子晶体光纤将两根实心玻璃棒作为光纤纤芯，纤芯和空气孔的阵列结构的中心为中心毛细玻璃管，在中心毛细玻璃管的外部沿圆周方向均匀堆积第一层毛细玻璃管，并选取第一层毛细玻璃管的两个中心对称的顶点位置采用实心玻璃棒替代，作为双芯D形光子晶体光纤的光纤纤芯，在第一层毛细玻璃管的外部沿圆周方向均匀堆积第二层毛细玻璃管，在第二层毛细玻璃管的外部沿圆周方向均匀堆积第三层毛细玻璃管……，依次类推，堆积第N层毛细玻璃管，每层毛细玻璃管均为正六边形排列。

进一步的，在步骤2中，纤芯和空气孔的阵列结构延伸至空心玻璃尾管的长度≥D形管长度。

进一度的，在步骤2中，毛细玻璃丝长度等于外套管长度；或者毛细玻璃丝的长度为D形管的长度+空心玻璃尾管长度。

本发明的一种D形光子晶体光纤的拉制方法，包括以下步骤：

将D形光子晶体光纤预制棒，置于拉丝塔中，在控温拉制过程中，向毛细玻璃管中通入惰性气体，通过控制毛细玻璃管内气压调节气孔大小，通过控制拉丝速度调节得到的光纤尺寸，最终得到D形光子晶体光纤；

其中，气压大小为1～4kPa，拉制温度为1780～1830℃，送棒速率为1～2mm/min，拉制速率为10～18m/min。

所述的D形光子晶体光纤，根据其纤芯个数和包层的层数，其形成的空气孔数量不同，其和D形光子晶体光纤预制棒中填充的为纤芯和空气孔个数和位置相对应。

具体为：

单芯D形光子晶体光纤的空气孔个数为：

其中，每层的毛细玻璃管数目为：3×N+1；

其中，N为光纤包层层数，N为≥1的正整数；M为纤芯的个数，M＝1，纤芯位于D形光子晶体光纤对称轴上。

双芯D形光子晶体光纤的空气孔个数为：

其中，中心为毛细玻璃管，第一层毛细玻璃管数目为2，从第二层开始，其余每层毛细玻璃管数目为3×N+1；

其中，N为光纤包层层数，N为≥2的正整数；M为纤芯的个数，M＝2，双芯D形光子晶体光纤中的纤芯呈轴对称。

本发明的有益效果是：

本发明通过堆积法剖切外套管和毛细玻璃管的方式来实现D光子晶体光纤预制棒制作，利用光纤拉丝塔高温熔融预制棒拉制光纤，既能保证D形光子晶体光纤材料的纯净度，又能避免因为外部操作导致的光纤损伤，可以用于不同气孔层数的多种光子晶体光纤制造，从而实现了D形光子晶体光纤的高效率、大规模制备，并使得制备得到的光纤具有良好的性能，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中，单芯D形光子晶体光纤截面的结构示意图；

图2是本发明实施例2中，双芯D形光子晶体光纤截面的结构示意图；

图3是本发明实施例中，制备的D形光子晶体光纤外套管示意图。

图4是本发明实施例1中，制备的单芯D形光子晶体光纤预制棒示意图。

图5为本发明实施例2中，制备的双芯D形光子晶体光纤预制棒示意图。

图6是本发明实施例1中，制备的D形光子晶体光纤横截面显微镜图。

图7是本发明实施例三层空气孔包层的单芯D形光子晶体光纤制作过程示意图。

以上图中，1为实心玻璃棒；2为空气孔；3为毛细玻璃管彼此之间间隔的缝隙；4为毛细玻璃管；5为毛细玻璃管和玻璃外套管之间的缝隙；6为玻璃外套管；

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具体实施方式

本发明提供了D形光子晶体光纤预制棒及其D形光子晶体光纤拉制方法，可低成本、高效大规模制造D形光子晶体光纤，能够使制得的光纤具有可控的长度。下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种具有三层空气孔包层结构的单芯D形光子晶体光纤预制棒的制作方法和D形光子晶体光纤的拉制方法，包括以下步骤：

步骤1：选材拉制

根据单芯D形光子晶体光纤预制棒的结构尺寸(如图4所示)，选取一根高纯(质量纯度99.9％以上)二氧化硅实心玻璃棒，经加热、熔融后，采用光纤拉丝塔常规拉丝方法拉丝变细形成实心玻璃棒1，将此作为光纤纤芯。

采用光纤拉丝塔常规拉丝方法的具体过程为：将长度为50cm，直径为20mm的高纯(质量纯度99.9％以上)二氧化硅实心玻璃棒用拉丝塔高温石墨炉正上方的三爪卡盘夹紧和定位，套入直径大于二氧化硅实心玻璃棒直径2mm的石墨片，通过下降移动装置让二氧化硅实心玻璃棒下端进入到高温石墨炉的中心部位。石墨炉需要反复进行抽真空操作三次，然后在炉内的上下气路通入氩气保护材料与设备，通过计算机控制面板设置炉内气体流量上路为9L/min，下路为5L/min。设置加热温度，缓慢提升石墨炉温度从室温升高至2000℃，待二氧化硅实心玻璃棒经过高温熔融后下坠离开石墨炉自行完成冷却，通过皮带轮传动装置牵引变细的实心玻璃棒，调整牵引速率达到2m/min，以获得所需要的实心玻璃棒1的尺寸，截取长度约50cm的多根玻璃棒1备用，以便于堆积法排管。

同时，将毛细玻璃管也采用光纤拉丝塔常规拉丝方法进行制备，具体过程为：用外径为20mm、内径为16mm的玻璃管替换三爪卡盘固定的二氧化硅实心玻璃棒，重复完成上述步骤后能够得到所需要的毛细玻璃管4。毛细玻璃管外径需要和实心玻璃棒直径保持一致，实心玻璃棒直径和毛细玻璃管外径可以通过拉丝塔的红外测径仪以及游标卡尺来实时获取。所有的材料需要经过超声清洗和无水乙醇清洗以避免带入材质。

步骤2：制备纤芯和空气孔的阵列结构

以实心玻璃棒为中心，沿着轴线方向呈正六边形排列6根毛细玻璃管并固定、压紧，作为光纤的第一层气孔包层；在上一步骤的基础上，在6根毛细玻璃管形成的正六边形的外侧呈正六边形排列12根毛细玻璃管并固定、压紧，作为光纤的第二层气孔包层；在上一步的基础上，继续呈正六边形排列18根毛细玻璃管并固定、压紧，作为光纤的第三层气孔包层，得到纤芯和空气孔的阵列结构。

步骤3：制备预制棒

沿轴向水平切割外径为20mm、内径为16mm的外套管，切割长度为外套管的一半，切割后，形成剖切口，剖切口径向断面的弦长<外套管的直径，且剖切口的轴向断面和外套管轴心的最小垂直距离为实心玻璃棒半径，切割后的外套管呈一端横截面为D形，作为D形管，另一端横截面为圆形空心状，作为固定延长管，其形成的D形光子晶体光纤外套管示意图见图3。

将排列好的三层外包层的纤芯和空气孔的阵列结构放入到外套管中，在固定延长管的一端进行固定操作，具体固定操作方法为：在纤芯和空气孔的阵列结构和外套管之间的缝隙中填入毛细玻璃丝防止管中结构脱落变形，填入数量以结构稳固程度确定。然后切掉D形管外面的正六边形处于光纤纤芯上部分三层毛细玻璃管，共15根，其最终露出长度应与D形管剖切部分长度保持一致。将纤芯和空气孔的阵列结构中剩余部分的毛细玻璃管固定、压紧。至此三层空气孔D形光子晶体光纤预制棒的第一部分制备完成。

选择另一根外径为20mm、内径为16mm玻璃外套管作为预制棒的空心玻璃尾管，依靠玻璃熔接机床实现空心玻璃尾管的接续。玻璃熔接机床的主要功能，是合理配比氢气和氧气并通过高压喷嘴喷出，在混合气流稳定后点燃气体产生2500～3000℃的高温火焰。火焰的温度能够通过调节氢气和氧气的比例来改变。

此时需要将固定在机床两侧的预制棒和空心玻璃尾管缓慢旋转靠近，并用火焰加热二者之间即将接触的部分，待玻璃高亮软化实现对接，但要注意避免过快的移动固定台，否则会导致熔接点膨胀，影响熔接效果。熔接完成后需要将整根预制棒放入到恒温箱中，调节箱内温度至120℃，持续烘烤预制棒30分钟将其中水分完全蒸发，避免给玻璃中引入OH

制备单芯D形光子晶体光纤预制棒中，采用的相关材料的数据指标如表1所示：

表1 3层空气孔结构的D形光子晶体光纤预制棒的尺寸

步骤4：拉制

将单芯D形光子晶体光纤预制棒用三爪卡盘夹紧，送入石墨炉中加热，将温度控制在1820℃范围内，等待单芯D形光子晶体光纤预制棒的加热部位软化下坠。

同拉制实心玻璃棒与毛细玻璃管的方式一样，需要通过牵引装置获得不同直径的D形光子晶体光纤。拉制的过程中，需要随时通过光学显微镜和红外测经仪观测拉制出的光纤的横截面与直径是否符合要求，并且调节气压控制装置，控制通入预制棒中的氩气气体压力保持在2kPa，观察气孔变化情况，保持预制棒送棒速度在2mm/min，拉制速率为18m/min，最终得到D形光子晶体光纤，其尺寸见表2，D形光子晶体光纤的截面结构示意图见图1，拉制后其D形光子晶体光纤横截面显微镜图见图6。

表2 3层空气孔结构的单芯D形光子晶体光纤的尺寸

本实施例制备的D形光子晶体光纤的空气孔包层为21孔，包括第一层气孔包层、第二层气孔包层和第三层气孔包层，第一层毛细玻璃管、第二层毛细玻璃管和第三层毛细玻璃管的数目分别为4、7和10。

实施例2

一种双芯D形光子晶体光纤的拉制方法，包括以下步骤：

步骤1：选材拉制

根据制备的双芯D形光子晶体光纤的尺寸和结构，同实施例1的方法制备两根实心玻璃棒作为光纤纤芯，同实施例1的方法拉制毛细玻璃管作为光纤包层；

步骤2：制备纤芯和空气孔的阵列结构

将毛细玻璃管为中心，在其外部沿圆周方向均匀堆积第一层毛细玻璃管，并且选取其中两个中心对称的顶点位置采用实心玻璃棒替代，作为双光纤纤芯，经固定、压实形成第一个包层，然后依次以正六边形排列第二层毛细玻璃管，再以正六边形排列第三层毛细玻璃管，固定、压实完毕，其中，要求满足包层层数与所加工的双芯D形光子晶体光纤的气孔包层的层数相同，所有毛细玻璃管直径与实心玻璃棒直径相同，得到纤芯和空气孔的阵列结构。排列好的纤芯和空气孔的阵列结构的横截面整体呈三层六边形的结构。

步骤3：制备预制棒

选择一根外套管，其内径≥3*N+1根毛细玻璃管的外径。外套管沿轴向水平剖切，剖切后，剖切口径向断面的弦长<外套管的直径，且剖切口的轴向断面和外套管轴心的最小垂直距离为实心玻璃棒半径，形成D形管；

将D形管的一端熔接空心玻璃尾管作为固定延长管，其中，空心玻璃尾管和外套管的内径和外径均相同；其熔接方式同实施例1。

放入排列好的纤芯和空气孔的阵列结构后，将位置在D形管凹槽外部的毛细玻璃管切除，并且保留光纤纤芯，纤芯和空气孔的阵列结构切除的长度与外套管凹槽长度一致。

为了保证内部结构的稳定性，需要用大量的毛细玻璃丝填充进固定延长管以及D形管与纤芯和空气孔的阵列结构之间的缝隙中加固预制棒，最终得到双芯D形光子晶体光纤预制棒，其结构示意图见图5。

步骤4：拉制

将双芯D形光子晶体光纤预制棒，置于拉丝塔中，在控温拉制过程中，向毛细玻璃管中通入惰性气体，通过控制毛细玻璃管内气压调节气孔大小，通过控制拉丝速度调节得到的光纤尺寸，最终得到双芯D形光子晶体光纤，其截面的结构示意图见图2。

其中，气压大小为3kPa，拉制温度为1810℃，送棒速率为1.8mm/min，拉制速率为15m/min。

本实施例制备的双芯D形光子晶体光纤的空气孔为20孔，包括中心气孔、第一层气孔包层、第二层气孔包层和第三层气孔包层，中心气孔为1个，第一层毛细玻璃管的数目为2个、第二层毛细玻璃管的数目为7个、第三层毛细玻璃管的数目为10个。

实施例3

一种单芯D形光子晶体光纤的拉制方法，同实施例1，不同之处在于，其不熔接空心玻璃尾管，将外套管未切除的部分，作为固定延长管。

并且，制备的单芯D形光子晶体光纤预制棒的尺寸要求如下：

表3 3层空气孔结构的单芯D形光子晶体光纤预制棒的尺寸

拉制后单芯D形光子晶体光纤的尺寸如下：

表4 3层空气孔结构的单芯D形光子晶体光纤尺寸

实施例4

一种单芯D形光子晶体光纤的拉制方法，同实施例1，不同在于：

步骤3：制备预制棒

选择一根外套管，其内径≥3*N+1根毛细玻璃管的外径。外套管沿轴向水平剖切，剖切后，剖切口径向断面的弦长<外套管的直径，且剖切口的轴向断面和外套管轴心的最小垂直距离为实心玻璃棒半径，形成D形管；

将D形管的一端熔接空心玻璃尾管作为固定延长管，其中，空心玻璃尾管和外套管的内径和外径均相同；其熔接方式同实施例1。

放入排列好的纤芯和空气孔的阵列结构后，将位置在D形管凹槽外部的毛细玻璃管切除，并且保留光纤纤芯，纤芯和空气孔的阵列结构切除的长度与外套管凹槽长度一致。

为了保证内部结构的稳定性，需要用大量的毛细玻璃丝填充进固定延长管以及D形管与纤芯和空气孔的阵列结构之间的缝隙中加固预制棒，最终得到单芯D形光子晶体光纤预制棒。

其流程示意图见图7。