專利名稱：?jiǎn)谓Y(jié)構(gòu)集成式微結(jié)構(gòu)光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于特種光纖領(lǐng)域。涉及一種單結(jié)構(gòu)或集成式微結(jié)構(gòu)光纖(IntegratedMicro-structure Fiber)，一種制造集成式微結(jié)構(gòu)光纖的方法。
集成式微結(jié)構(gòu)光纖是由多根獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖集束而成，每一根獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖具有獨(dú)立的性能可單獨(dú)使用。
獨(dú)立微結(jié)構(gòu)光纖的一個(gè)實(shí)例是由石英玻璃和許多空氣柱組成，空氣柱沿光纖長(zhǎng)度，橫向周期性或無序地排列，空氣柱可是圓型或六方型，相當(dāng)于一塊多孔的石英玻璃纖維，在其中形成許多缺失位置或中心的氣孔尺寸大于周圍氣孔1～7倍，中心氣孔尺寸為0.1～3μm左右，形成了晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷；沿著光纖的長(zhǎng)度方向是保持這種結(jié)構(gòu)不變的。其中的缺陷就形成了導(dǎo)光的通道。在該光通道(光波導(dǎo))中傳輸?shù)墓?，在石英的光譜窗口上都是單橫模。包層中的空氣孔平行于光纖軸(中心)并延伸至光纖的全長(zhǎng)。
在本發(fā)明中提出的微結(jié)構(gòu)光纖中，可以利用通常光纖的全內(nèi)反射原理傳導(dǎo)光(纖芯為高折射率介質(zhì))，也可以利用“光子帶隙”(Photonic band gap)來傳導(dǎo)光，利用“光子帶隙”傳導(dǎo)光時(shí)，限制導(dǎo)光波長(zhǎng)在幾個(gè)允許的波長(zhǎng)范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)。
光子帶隙是由包層中的周期結(jié)構(gòu)形成的，它使某些光波長(zhǎng)在其中不能形成傳輸模式，而被局域在中心缺陷孔中間；由于中心局域孔壁的石英材料本身的反常色散波長(zhǎng)不在可見區(qū)和近紅外，所以傳導(dǎo)光仍然在中心孔的石英壁內(nèi)傳輸。
本發(fā)明中提出了一種可以使傳導(dǎo)光在中心的空氣芯中傳輸，而只有極少部份深入到包層中的微結(jié)構(gòu)光纖。該光纖的中心孔包層的空氣孔大的多，這時(shí)光纖材料的反常波長(zhǎng)范圍正處于光子帶隙中，利用這種微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯空氣孔，可以傳輸大功率激光能量。當(dāng)光功率超過一定數(shù)值時(shí)，微結(jié)構(gòu)光纖中會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，利用它可以制造超連續(xù)光譜光源，某些特征波長(zhǎng)的光纖激光器，光學(xué)放大器和光學(xué)器件。
本發(fā)明是將上述獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖同樣按六邊型排列集束，再通過拉絲機(jī)將其拉細(xì)，達(dá)到每個(gè)獨(dú)立空氣孔尺寸為0.1～2μm左右，光纖中心通光處的直徑為1～3倍包層空氣孔的尺寸。
具體圖形是(1～4)。


圖1和圖2、集成式微結(jié)構(gòu)光纖該光纖由37根獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖組成，每根獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖都可單獨(dú)使用。
圖3和圖4、獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)圖本發(fā)明的詳細(xì)說明從圖1和圖2中可見，其中包含有若干根獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖，每根微結(jié)構(gòu)光纖由尺寸為0.1～1.2μm孔組成，這些孔基本為周期排布成大于三層(可以是無序分布)，中心為一個(gè)缺位的空氣孔或?qū)嵭荆叽缂s為1.0～3.6μm，外形為圓形或多邊形。集成式微結(jié)構(gòu)光纖的外徑約為100～130μm左右。
圖3和圖4是獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖圖，單元微結(jié)構(gòu)光纖是由一個(gè)中心的空氣孔或?qū)嵭?，在該中芯傳輸激光能量，這些能量以被包層的周期結(jié)構(gòu)形成的散射(布拉格散射)，局域在纖芯中。能夠在纖芯中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量和波長(zhǎng)范圍，是由光子帶隙和歸一常數(shù)V決定的。
V=2πΛλnc02-nc12]]>或V=kΛnc02-nc12]]>其中，Λ為微結(jié)構(gòu)光纖中的孔間距(Λ)，入為傳輸波長(zhǎng)，nc0為纖芯折射率，nc1為包層平均折射率。當(dāng)考慮兩個(gè)偏振態(tài)時(shí)(2V)2=k2Λ2(nc02-nc12),V2=N=k2Λ2(nc02-nc12)4,N=Λ2(βc02-βc12)4]]>這里的βc0和βc1為光子帶隙的上下傳播常數(shù)。當(dāng)纖芯為空氣時(shí)，βc0處于反常色散區(qū)，為負(fù)值，為了使空芯纖芯中傳輸激光能量，只有使N＞1才有導(dǎo)模存在，因此，要采取Λβc0的數(shù)值大于Λβc1的值，使纖芯的空氣孔要大于包層中的空氣孔，我們選取了3倍于包層Λ的數(shù)值。
制造前述的微結(jié)構(gòu)光纖是采用模板成型方法，把直徑小于毫米的空芯玻璃毛細(xì)管，按照六邊型結(jié)構(gòu)裝在模板中，包層為4層，經(jīng)緊固后在拉絲機(jī)上第一次拉細(xì)到包層中空氣孔尺寸為0.05mm，把經(jīng)過拉制的預(yù)制棒集成到一起，經(jīng)第二次拉制，制造成如圖1、2所示的集成式微結(jié)構(gòu)光纖。
使用的模板采用光刻技術(shù)制造，可以很規(guī)則地再現(xiàn)所設(shè)計(jì)的包層結(jié)構(gòu)排布要求。倘若制造纖芯為實(shí)芯的微結(jié)構(gòu)光纖，其中心填充一個(gè)六邊型的實(shí)芯棒，尺寸為三倍于包層中單元玻璃毛細(xì)管。
本發(fā)明參考圖中所描述的實(shí)例中，纖芯區(qū)可以是空氣或充滿某種介質(zhì)，或是實(shí)芯的玻璃；包層中的空氣孔可以填滿某種介質(zhì)。該介質(zhì)與構(gòu)成該微結(jié)構(gòu)光纖的材料不同(主要是折射率n不同)，構(gòu)成材料可以是石英玻璃，光學(xué)玻璃，有機(jī)玻璃和透明型塑料等，都屬于本發(fā)明的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種集成式微結(jié)構(gòu)光纖，其中包括若干個(gè)獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖，每一個(gè)獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)基本相同，性能基本相近。
2.權(quán)利要求1所述的集成式微結(jié)構(gòu)光纖中，是由多根微結(jié)構(gòu)光纖按有序或無序排列組成，每根獨(dú)立微結(jié)構(gòu)光纖的性能基本一致，可共同傳光，以加強(qiáng)性能，可以獨(dú)立傳光，分散使用，可多種應(yīng)用。
3.權(quán)利要求1所述的獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖，包括一個(gè)折射率均勻的纖芯和高于包圍它的介質(zhì)折射率或低于包圍它的介質(zhì)折射率，亦可以是空氣或充入某種氣體、液體等。
4.權(quán)利要求3所述的包圍纖芯的包層是多層的由不同折射率周期排列結(jié)構(gòu)或不同折射率無序排列的結(jié)構(gòu)。
5.權(quán)利要求4所述的周期或無序結(jié)構(gòu)是由圓型或多邊型氣孔形成的，它在玻璃、石英玻璃、塑料或其它介質(zhì)中進(jìn)行排列。
6.權(quán)利要求5所述的氣孔總面積不少于獨(dú)立微結(jié)構(gòu)光纖斷面的10％，最大可達(dá)到80％。
7.權(quán)利要求3所述的纖芯是一種周期結(jié)構(gòu)中的線缺陷，在其中可以傳輸一定波長(zhǎng)的光能量或信號(hào)，還可以通過多種非線性過程產(chǎn)生新的光，這些光是單模傳輸。
8.上述各種權(quán)利所要求的集成式微結(jié)構(gòu)光纖可制成多種光學(xué)器件，如光譜濾波，光學(xué)放大，激光發(fā)射，光學(xué)散射和多種非線性效應(yīng)。
9.一種制作微結(jié)構(gòu)光纖的方法，包括以下步驟(1)首先制備單元棒狀物或管狀物，其外型為六方型或圓型。(2)把管狀物或棒狀物按六角型進(jìn)行排布，在中心放置一根六角型實(shí)芯棒或空芯管，中心外排布4層～10層周期結(jié)構(gòu)或無序堆積。(3)如權(quán)利要求2所述的纖芯尺寸可以是缺少一根的中心缺陷，也可以是缺少七根的中心缺陷，該缺陷可以是由空氣構(gòu)成，也可以由實(shí)芯的介質(zhì)構(gòu)成。
10.將權(quán)利要求9堆積的結(jié)構(gòu)選出其中7個(gè)、13個(gè)或21個(gè)集成到一起。
11.將權(quán)利要求10所述的堆積物拉制成細(xì)長(zhǎng)的光纖，其中孔氣的尺寸為0.1～2μm之間。
12.由權(quán)利要求9到11所述的微結(jié)構(gòu)光纖，如圖(1～4)所示。
13.由權(quán)利要求9到11所制造的微結(jié)構(gòu)光纖，具有權(quán)利要求1到8的性能。
14.權(quán)利要求1所述的集成式微結(jié)構(gòu)光纖可以包含多根結(jié)構(gòu)不同的獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖，每個(gè)獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)都不相同，性能也不相同。
15.權(quán)利要求14所述的集成式微結(jié)構(gòu)光纖，每個(gè)獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖都可以獨(dú)立使用，具有不同的功能，可以是多種用途同時(shí)使用一根光纖實(shí)現(xiàn)集成化；也可以是把這種集成式微結(jié)構(gòu)光纖用于不同的目的，實(shí)現(xiàn)多功能。
全文摘要
本發(fā)明提出一種集成式的微結(jié)構(gòu)光纖，該光纖是由若干個(gè)獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖構(gòu)成，這些獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖可以按一定規(guī)則排列集成，也可以是無規(guī)則排列集成，其中每一獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖，可由實(shí)芯與包層構(gòu)成，也可以由空芯纖芯與包層構(gòu)成。每個(gè)獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)光纖可以具有相同的結(jié)構(gòu)，也可以具有不同的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中，包層中分布著規(guī)則的空芯孔，或不規(guī)則的空氣孔，每個(gè)氣孔的尺寸在0.1～2.0μm之間。集成式微結(jié)構(gòu)光纖中，每一獨(dú)立微結(jié)構(gòu)光纖可單獨(dú)使用，具有獨(dú)立參數(shù)，也可以集成式微結(jié)構(gòu)光纖，整體使用，二者具有不同的功能。
文檔編號(hào)G02B6/00GK1740829SQ20041007508
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月28日
發(fā)明者侯蘭田, 周桂耀, 侯峙云 申請(qǐng)人:侯蘭田, 周桂耀, 侯峙云