[发明专利]一种微结构包层单晶光纤及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于特种光纤领域，特别涉及一种微结构包层单晶光纤及制备方法。

背景技术

单晶光纤目前主要由晶体材料拉丝生长而成，具有晶体和纤维的双重特性。单晶光纤具有高强度、耐高温等特点，可应用于传导、传感、倍频和全息数据存储等广泛领域。但由于晶体折射率较高，单晶光纤很难做成纤芯-包层结构，现有的单晶光纤通常为无包层结构。无包层结构的单晶光纤传输损耗大，特性易受环境变化影响，光纤表面的完整性也易受到破坏。

对于单晶光纤的包层结构，也有一些研究设计。主要是利用掺镁铌酸锂(MgO：LiNbO₃)折射率比纯铌酸锂晶体(LiNbO₃)折射率低的原理，使用MgO或者MgF通过扩散的方式将镁离子由外层向中心扩散，从而降低外层铌酸锂晶体的折射率，形成包层。1995年，西安交大阙文修等人在1995年《西安交通大学学报》29卷第9期中公布了利用此方法制作铌酸锂材料单晶光纤包层。这种方法仅适用于铌酸锂(LiNbO₃)晶体生长的单晶光纤，对其它晶体材料并不适用，限制了包层应用的范围。另外，这种方法可控性差，扩散程度不均匀，扩散深度不宜控制，产品性能稳定性较差。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种微结构包层单晶光纤及制备方法，一种微结构包层单晶光纤，其特征在于，它由纤芯和微结构包层组成，微结构包层围绕在纤芯周围；

微结构包层由低折射率背景材料和高折射率柱构成，或者由高折射率背景材料和低折射率柱构成；其中高折射率柱按网点周期性分布，并且与纤芯的轴线平行，低折射率背景材料包围着高折射率柱和纤芯；低折射率柱按网点周期性分布，并且与纤芯的轴线平行，高折射率背景材料包围着低折射率柱和纤芯。

所述纤芯为铌酸锂单晶、卤化物单晶或蓝宝石单晶，纤芯的直径为10～300um。

所述高折射率背景材料是纯石英材料或掺锗石英材料，低折射率背景材料是纯石英材料或掺氟石英材料；

所述高折射率柱为掺锗石英材料柱，或者纯石英材料柱；低折射率柱为纯石英材料柱、掺氟石英材料柱或者空气柱。

所述低折射率柱和高折射率柱的形状为圆柱、椭圆柱或长方体；低折射率柱和高折射率柱的尺寸均为亚微米量级。

所述网点周期性分布是正三角形点阵分布、正六边形点阵分布或正方形点阵分布。

一种微结构包层单晶光纤的制备方法包括以下步骤：

1)利用晶体生长法制作纤芯，纤芯为单晶，其长度为100～150mm；

2)选取长度相同的毛细管和毛细棒，采用管束堆积法将毛细管和毛细棒堆积起来形成堆积束，将位于堆积束的中心的毛细管或毛细棒替换为一根薄壁毛细管，然后将堆积束装入一段比毛细管短50mm的玻璃管中，堆积束和玻璃管构成了微结构单晶光纤包层预制件；

3)在微结构单晶光纤包层预制件的一端安装抽气装置和充气装置，对毛细管、毛细棒和外层玻璃管之间的空隙进行抽气，使上述空隙维持在负气压-1500～-2000pa；对毛细管内部进行充气，使毛细管内部维持在正气压1500～2000pa；使用光纤拉丝塔拉制微结构单晶光纤包层预制件，使薄壁毛细管内径拉细至100～500um，毛细管、毛细棒和玻璃管构成了包层套；

4)截取一段长于纤芯30mm的包层套，将纤芯插入薄壁毛细管中，使纤芯的一端和包层套的一端对齐，并烧结在一起，包层套的另一端与抽气装置和充气装置连接，对薄壁毛细管与纤芯之间的空隙进行抽气，使上述空隙维持为负气压-2000～-3000pa，当薄壁毛细管被纯石英毛细管包围时，对纯石英毛细管内部进行充气，使纯石英毛细管内部维持正气压1500～2000pa；

5)采用加热装置从烧结的一端开始加热，并拉伸包层套，在拉伸和负气压的作用下，包层套逐渐裹住纤芯，向另一端缓慢移动加热装置，直至纤芯全部被包层套紧紧裹住，冷却后便制成了微结构包层单晶光纤；

6)用涂覆机对拉制好的微结构包层单晶光纤进行涂覆，增加微结构包层单晶光纤的强度。

所述毛细管为薄壁毛细管或纯石英毛细管，毛细棒为纯石英毛细棒、掺锗石英毛细棒或掺氟石英毛细棒。

所述加热装置是氢氧焰喷灯或石墨炉。

本发明的有益效果如下：

1)本发明引入微结构包层结构，在单晶光纤中实现阶跃变化的折射率分布。通过选择不同的结构和不同折射率的材料，可以控制微结构包层的等效折射率。调节微结构包层的等效折射率与单晶纤芯的折射率差，可以调节单晶光纤对光束的限制能力。因而，提高了单晶光纤对光束的高阶模式的过滤。