專利名稱：金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，更具體地說，本實(shí)用新型涉及一種具有傳輸表面等離子波功能的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖。
背景技術(shù)：
以光纖通信為主要支柱的下一代互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)已經(jīng)徹底改變了信息的傳輸方式。光纖作為光纖通信技術(shù)的信息載體，近年來得到了迅猛的發(fā)展。各種各樣的光纖已廣泛應(yīng)用于通信、高功率激光器，圖像傳輸和傳感器等多個(gè)領(lǐng)域。世界上普遍采用的石英光纖，具有損耗低、傳輸頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著納米光電子學(xué)的發(fā)展，光電子器件的集成度越來越高，光電子集成芯片的尺寸越來越小。目前電子電路的尺寸已經(jīng)發(fā)展到IOOnm以下，而傳統(tǒng)光纖的尺寸一般都在微米量級(jí)，兩者尺寸差別的懸殊使其無法兼容。由于光學(xué)衍射極限的存在，當(dāng)光纖的直徑減小到跟波長相當(dāng)量級(jí)時(shí)，光會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，損耗急劇增大，造成光波無法在其中傳輸。傳統(tǒng)光纖的局限性使其無法應(yīng)用于納米光電 子集成器件。近年來興起的光子晶體光纖較傳統(tǒng)光纖有著諸多的優(yōu)勢，光子晶體光纖是在石英光纖中沿徑向均勻排列著空氣孔構(gòu)成，依照空氣孔參數(shù)的不同，光波可以分別通過全內(nèi)反射和光子帶隙兩種不同的傳播機(jī)制在光子晶體光纖中傳輸。光子晶體光纖這種特殊的結(jié)構(gòu)使光子晶體光纖具有了無休止單模傳輸、高非線性、色散平坦、光子帶隙等新穎的特性，也使光子晶體光纖在超連續(xù)譜、超寬色散補(bǔ)償、高功率光傳輸和光通信等方面有很大發(fā)展?jié)摿?。目前，光子晶體光纖的發(fā)展還面臨著制造工藝復(fù)雜，成本高等困難，光子晶體光纖的商業(yè)化還有待其進(jìn)一步發(fā)展。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供提供一種金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。按照本實(shí)用新型的一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供了一種新型的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，該金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖從內(nèi)向外依次包括芯層；規(guī)則排列在芯層周圍、由多個(gè)金屬芯構(gòu)成的內(nèi)包層；以及規(guī)則排列在內(nèi)包層的外圍、由多個(gè)空氣孔構(gòu)成的外包層；其中所述金屬芯由經(jīng)過表面處理的金屬棒放入一端封口的石英玻璃套管中拉制而成。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，構(gòu)成所述內(nèi)包層的金屬芯在光纖徑向上規(guī)則排列成正六邊形、正方形、等邊三角形或銳角為60°的菱形。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，構(gòu)成所述內(nèi)包層的金屬芯的橫截面為正六邊形或矩形。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在所述金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖中，所述金屬芯的直徑為500nm 3000nm,相鄰金屬芯之間的間距為600nm 4000nm。[0013]按照本實(shí)用新型的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，通過用直徑為納米量級(jí)的金屬芯代替光子晶體光纖纖芯附近一層或者幾層的空氣孔，當(dāng)進(jìn)入光纖中的光子頻率與固有等離子體頻率接近時(shí)，大部分光子能夠與金屬表面的自由電子發(fā)生共振，電子振動(dòng)產(chǎn)生表面等離子體波并沿著金屬一電介質(zhì)表面向前傳播。表面等離子體波沿光纖軸向的傳播常數(shù)隨著光纖直徑的減小而不斷增大，這一特性使表面等離子體波能夠突破光波衍射極限的限制，從而解決了光波無法在亞波長波導(dǎo)中傳播的問題。光載信號(hào)能夠以表面等離子體波的形式傳給金屬芯，而金屬芯作為一種導(dǎo)體可以與納米電子線路連接，金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖在納米光電子學(xué)以及其他光學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域有著特有的優(yōu)勢。

圖I為按照本實(shí)用新型用于制造金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖的方法流程圖。圖2為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2中所示實(shí)施例I的模場分布圖。圖4為圖2中所示實(shí)施例I的金屬芯直徑與對(duì)應(yīng)的表面等離子體波的傳播距離曲線圖。圖5為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖5中所示實(shí)施例2的模場分布圖。圖7為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為圖7中所示實(shí)施例3的模場分布圖。圖9為圖7中所示實(shí)施例3的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖有效折射率隨波長變化的曲線圖。圖10為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例6的結(jié)構(gòu)示意圖。。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行具體描述。圖I為按照本實(shí)用新型用于制造金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖的方法流程圖。如圖I所示，本實(shí)用新型提供了一種金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖的制備方法，該制備方法包括以下步驟用石英玻璃制備兩端開口的空心毛細(xì)管；將金屬棒用砂紙打磨光滑，并放在稀硝酸中浸泡適當(dāng)時(shí)間以去除表面雜質(zhì)，然后取出金屬棒，沖洗干凈后自然晾干；將經(jīng)過上述表面處理后的金屬棒例如金棒、銀棒或銅棒放入一端封口的石英玻璃套管中，然后通過拉絲加熱爐拉制出金屬芯毛細(xì)管；拉絲加熱爐的溫度可根據(jù)石英玻璃的軟化點(diǎn)來設(shè)定，例如設(shè)定為玻璃材料的軟化點(diǎn)溫度+50°C ^200°C左右；使用基質(zhì)材料為純石英或摻有共摻雜劑的石英制備光纖芯棒，并將制得的金屬芯毛細(xì)管規(guī)則排列在芯棒的周圍，金屬芯毛細(xì)管的外層規(guī)則排列所述空心毛細(xì)管；將上述排列好的結(jié)構(gòu)一端燒結(jié)后放入一端封口的外套石英玻璃管，然后將該外套石英玻璃管懸置于拉絲加熱爐中。根據(jù)石英玻璃的軟化點(diǎn)設(shè)定加熱爐的加熱溫度，例如將該溫度設(shè)定為石英玻璃的軟化點(diǎn)溫度+50°C 100°C。啟動(dòng)真空機(jī)組對(duì)外套玻璃管抽真空，啟動(dòng)加熱爐。在設(shè)定的溫度下拉制出外徑為100μπΓ200μπι的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖。其中，所述金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖從內(nèi)到外依次包括芯層；排列在芯層周圍、由多個(gè)金屬芯構(gòu)成的內(nèi)包層；以及排列在內(nèi)包層的外圍、由多個(gè)空氣孔構(gòu)成的外包層。在上述操作步驟中，制造石英玻璃套管和外套石英玻璃管的材料均為純石英玻璃材料。在上述操作步驟中，由于金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖中金屬芯規(guī)則排列在芯棒的周圍，保證了光纖中相鄰兩根金屬芯表面的等離子體波相互耦合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量局域化，能量限制在相鄰金屬芯之間的背景材料中，使其有很強(qiáng)的抗干擾能力，不易產(chǎn)生串?dāng)_。該金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖具有較強(qiáng)的可控性，即可通過改變光纖中金屬芯的直徑和相鄰金屬芯間距，來調(diào)節(jié)金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖的限制能力和損耗之間的平衡，從而滿足不同的需求。由此，金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖作為一種新型結(jié)構(gòu)的光纖，其中亞波長直徑的金屬芯結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性在光電互聯(lián)，光纖傳感器等方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。下面將參照附圖2-12分別來具體描述按照本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施例I第一步用外徑為27. 5_，壁厚10. 3_的石英玻璃套管在1800°C下拉制成外徑為
I.5mm，兩端開口的空心毛細(xì)管。第二步將直徑為5mm，長30cm，純度為99. 99%的銀棒用砂紙打磨光滑，并放在稀硝酸中浸泡1(Γ15分鐘以去除表面雜質(zhì)，然后取出銀棒用去離子水沖洗干凈后自然晾干。將經(jīng)過上述表面處理后的銀棒放入一端封口的石英玻璃套管中，套管外徑為27. 5mm,內(nèi)面是邊長為4mm的正六邊形。然后，將放有銀棒的石英玻璃套管懸置于拉絲加熱爐中。在1800°C下拉制出外徑為I. 5mm的銀芯毛細(xì)管。第三步用外徑為I. 5mm的純石英玻璃棒作為芯棒，將6根通過上述第三步拉制的銀芯毛細(xì)管成正六邊形排列在芯棒周圍，外層排列第一步拉制的空心毛細(xì)管。第四步將排列好的上述結(jié)構(gòu)一端燒結(jié)使結(jié)構(gòu)固定，放入外徑為90. 5mm,壁厚36. 25mm，一端封口的外套石英玻璃管中。然后，將上述放有排列好結(jié)構(gòu)的外套石英玻璃管懸置于拉絲加熱爐中。啟動(dòng)真空機(jī)組對(duì)外套石英玻璃管抽真空，啟動(dòng)加熱爐。在1800°C下拉制出外徑為125um的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖。圖2為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2中所示，金屬芯I的橫截面為正六邊形，其內(nèi)切圓直徑為500nm，空氣孔2的直徑為500nm，相鄰金屬芯間距為600nm，纖芯3的材料為純石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。圖4為圖2中所示實(shí)施例I的金屬芯直徑與對(duì)應(yīng)的表面等離子體波的傳播距離曲線圖。如圖4所示，當(dāng)改變本示例中金屬芯的邊長使其內(nèi)切圓直徑在500nnT2000nm之間變化，而其它結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變時(shí)，光纖中表面等離子體波的傳播距離也發(fā)生改變。從圖中可以看出，改變金屬芯的直徑就可以改變光纖的損耗從而影響表面等離子體波的傳播距離，而光纖的限制能力也會(huì)隨之改變。在按照本實(shí)用新型的所有實(shí)施例中，金屬芯的直徑范圍為500 3000nm,相鄰金屬芯間距為600 4000 nm。通過研究，當(dāng)金屬芯的直徑和相鄰金屬芯間距在這兩個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖中表面等離子體波共振特性和帶隙等離子特性更加明顯。[0042]通過研究，在金屬芯的直徑是相鄰金屬芯間距的50%或者大于50%的情況下，金屬芯的橫截面為正六邊形的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖的限制能力明顯大于金屬芯的橫截面為圓形的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖。實(shí)施例2圖5為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實(shí)施例中，除第一步改用壁厚為11. 4mm的套管，第二步改用直徑3_的金棒和第二步中的套管內(nèi)面是邊長為4. 8mm的正方形孔外，其它同實(shí)例I。如圖5所示，拉絲制得的金屬芯的橫截面為矩形。金屬芯I的邊長和空氣孔2的直徑均為500nm，相鄰金屬芯的間距為3000nm，纖芯3的材料為純石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。通過研究，當(dāng)金屬芯的橫截面為矩形時(shí)，金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖的限制能力更強(qiáng)，并且對(duì)由制造工藝引起的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱有很高的容忍能力，在容忍范圍內(nèi)，金屬芯直徑變化對(duì)光纖的限制能力和損耗等性質(zhì)影響很小。圖6為圖5中所示實(shí)施例2的模場分布圖。實(shí)施例3圖7為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。除第一步改用壁厚為2. 4mm的套管，第二步改用直徑IOmm的銀棒和第二步中的套管內(nèi)面是內(nèi)徑為22. 8_的圓孔外，其它同實(shí)例I。如圖7所示，金屬芯I和空氣孔2的直徑均為500nm，相鄰金屬芯間距為600nm，纖芯3的材料為純石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。如圖8所示，為本實(shí)施例的模場分布圖。如圖9所示，曲線πι=Γ4分別為本示例光纖中單根銀線表面Γ4階表面等離子體模式的有效折射率曲線圖，core mode曲線為去除金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖中的銀絲后的光子晶體光纖的有效折射率曲線圖。曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長是表面等離子體的激發(fā)波長。實(shí)施例4圖10為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。除第一步改用壁厚為3. 4mm的套管，第二步改用直徑為IOmm的金棒，第二步中的套管內(nèi)面是內(nèi)徑為20. 5mm的圓孔外和第四步改用外徑為33mm內(nèi)面是邊長為18mm的正方形的外套石英玻璃管，用摻鍺的石英玻璃棒作為芯棒，金芯毛細(xì)管排成正方形外，其它同實(shí)例I。如圖10所示，金屬芯I和空氣孔2的直徑均為1500nm，相鄰金屬芯的間距為2000nm，纖芯3的材料為摻鍺石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。實(shí)施例5圖11為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖。除第一步改用壁厚為6mm的套管，第二步改用直徑為IOmm的金棒，第二步中的套管內(nèi)面是內(nèi)徑為15. 7_的圓孔外和第四步改用外徑為26_的外套石英玻璃管，用摻鐿的石英玻璃棒作為芯棒，金芯毛細(xì)管排成三角形外，其它同實(shí)例I。如圖11所示，金屬芯I和空氣孔2的直徑均為2000nm，相鄰金屬芯的間距為3500nm，纖芯3的材料為摻鐿的石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。 在本實(shí)施例中，摻有共摻雜劑石英的玻璃棒共摻雜劑還可以包括稀土離子如鉺、鐿、銩等中的一種或多種。通過研究，當(dāng)纖芯中摻雜稀土離子時(shí)，稀土離子作為增益材料，能夠補(bǔ)償表面等離子體波的部分損耗，使表面等離子體波傳播距離更長。實(shí)施例6圖12為按照本實(shí)用新型的實(shí)施例6的結(jié)構(gòu)示意圖。除第一步改用壁厚為3. 4mm的套管，第二步改用直徑為IOmm的銅棒，第二步中的套管內(nèi)面是內(nèi)徑為20. 5mm的圓孔外和第四步改用外徑為22_的外套石英玻璃管，用摻鉺的石英玻璃棒作為芯棒，金芯毛細(xì)管排成銳角為60°的菱形外，其它同實(shí)例I。如圖12所示，金屬芯I和空氣孔2的直徑均為3000nm，相鄰金屬芯的間距為4000nm，纖芯3的材料為摻鉺的石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。本實(shí)用新型不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型 公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本實(shí)用新型，因此，凡是采用本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1.一種金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，該金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖從內(nèi)向外依次包括-H-* \=t 心房; 規(guī)則排列在芯層周圍、由多個(gè)金屬芯構(gòu)成的內(nèi)包層；以及 規(guī)則排列在內(nèi)包層的外圍、由多個(gè)空氣孔構(gòu)成的外包層；其中 所述金屬芯由經(jīng)過表面處理的金屬棒放入一端封口的石英玻璃套管中拉制而成。
2.如權(quán)利要求I所述的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，構(gòu)成所述內(nèi)包層的金屬芯在光纖徑向上規(guī)則排列成正六邊形、正方形、等邊三角形或銳角為60°的菱形。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，構(gòu)成所述內(nèi)包層的金屬芯的橫截面為正六邊形或矩形。
4.如權(quán)利要求2所述的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，在所述金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖中，所述金屬芯的直徑為500nm 3000nm,相鄰金屬芯之間的間距為600nm 4000nm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖，該金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖從內(nèi)向外依次包括芯層；規(guī)則排列在芯層周圍、由多個(gè)金屬芯構(gòu)成的內(nèi)包層；以及規(guī)則排列在內(nèi)包層的外圍、由多個(gè)空氣孔構(gòu)成的外包層；其中所述金屬芯由經(jīng)過表面處理的金屬棒放入一端封口的石英玻璃套管中拉制而成。按照本實(shí)用新型的金屬芯微結(jié)構(gòu)光纖及其制備方法，解決了光波無法在亞波長波導(dǎo)中傳播的問題，并可以實(shí)現(xiàn)與納米電子線路的連接。
文檔編號(hào)G02B6/02GK202383317SQ20112050785
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者嚴(yán)皓哲, 彭景剛, 戴能利, 李海清, 李進(jìn)延, 楊旅云, 蔣作文 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)