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1、光子晶体光纤的制备,光子晶体光纤简介,光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)，又称为微结构光纤 (Microstructured Fiber)或多孔光纤(Holey Fiber)，这一概念由Russell等 于1992年提出。它是基于光子晶体发展起来的新一代传输光纤。,光子晶体光纤就是在二维光子晶体纤维的长度方向上制造缺陷，从而能够导光的波导。,光子晶体光纤截面示意图,光纤包层为空气和石英的周期结构，周期常数(或晶格常数)为波长量级。光纤纤芯是破坏了这种周期结构的缺陷，这种缺陷可以是空气，也可以是石英。,目前研究得比较多的硅一空气结构的光子晶体光纤：由空气孔和硅材
2、料组成的规则排列的二维周期性结构，然后在中心处制造出缺陷，缺陷可以是实芯的，也可以是各种形状的空气孔。,光子晶体光纤的制备,光子晶体光纤的制造方法 光子晶体光纤的制备工艺流程 预制棒的制备 光子晶体光纤制备过程中的影响因素,光子晶体光纤的制造方法,将石英毛细管捆绑起来，一起熔化，最终成功地拉制出了PCF。这种捆绑拉制过程可以很容易地把实芯、空芯、或是掺杂区域组合起来。这种工艺的成功主要在于有稳定的机械结构使得表面张力趋于平衡，因而在拉制过程中能保持空气孔的排列有序。,方法一,在这张图上可以看到预制棒从上方送入一个环形的石墨炉中(由于高温预制棒发亮)，在炉体的下方光子晶体光纤被手动控制(在图中可
3、以看到操作者的手)。,PCF拉制示意图,另一种可行的工艺是挤压法，挤压熔化的玻璃使之通过一个模具，此模具中孔的排列方式经过了适当的设计。挤压技术可以直接把大块玻璃拉成光纤，并且几乎能拉成各种结构(晶体的或是非晶体的)。它可以用于多种材料，包括硫化玻璃和复合玻璃。,方法二,光子晶体光纤的制备工艺流程,据不同的使用要求，进行结构设计。结构设计通常包括根据实际应用情况确定PCF的类型，设计PCF的几何尺寸， 其中包括：芯部的形状、几何尺寸，包层中空气孔的几何尺寸、数量和排列方式等。,根据不同的设计要求，选择具有良好几何尺寸和光学表面的石英管，进行充分严格的清洗后，拉制出不同直径、不同壁厚的毛细管。,
4、将拉制出的毛细管切断，按照紧密方式堆积成光子晶体光纤的放大结构，然后对排好的毛细管进行捆绑粘结。再将其放到厚壁玻璃管中，形成预制棒。,将预制棒放入光纤拉丝塔中进行拉制。通常光 子晶体光纤的拉制温度要明显低于拉制单丝的温度，以保持单丝形状及捆绑的排列形状和结构。,将拉制出的PCF截断一小段，切平端面，利用电子显微镜观测PCF横截面结构，对此进行分析，计算收缩比是否满足设计要求，及时调整拉制的温度、下棒速度以及拉丝速度。,因为石英玻璃光纤本身是比较脆，而引入众多孔的光子晶体光纤就更为脆弱易折，经不起弯曲和摩擦，所以当光纤成形后要立即涂上丙烯酸树脂或硅树脂，通过加热炉或紫外光照射的方法使涂覆材料固化
5、，形成牢固的涂覆层，对光纤起到了保护。,预制棒的制备,预制棒制备示意图,首先，根据要设计的PCF结构参数，决定要拉制的毛细管外径大小和壁厚。选择具有良好光学表面和结构参数的石英玻璃管进行严格清洗后，拉制成毛细管。毛细管的形状可以是六边形，也可以选择圆形。由于最终获得的光子晶体光纤结构参数要达到微米数量级，因而拉制的毛细管有一点微小的形变，都会对光子晶体光纤的结构产生巨大的影响。,毛细管的拉制,在拉制毛细管的过程中严格控制以下两个方面：一个是保持光纤横截面不发生形变，另一个是确保光纤纵向均匀，不能拉成锥形。否则在堆积时，就无法使得毛细管排列保持周期性和紧密性。,注意,堆拉法的灵活性就表现在毛细管
6、的堆积过程，此过程制作的预制棒相当于PCF的放大版。利用堆积法可以制造出不同结构的预制棒，比如制造单个高折射率纤芯、多个高折射率纤芯、椭圆纤芯、空气纤芯以及集成式光纤预制棒，或是通过改变包层中空气孑L的几何尺寸和排列方式制备出各种性能不同光纤的预制棒。,毛细管的堆积,光子晶体光纤制备过程中的影响因素,预制棒的拉制是制各PCF过程中的最关键，也是最难控制的一步。主要表现在：拉丝时间(直观反映为送棒速度)、拉丝速度和拉丝温度这三个工艺参数及其之间的关系及其匹配程度等方面。,拉制过程中温度的影响,拉制光子晶体光纤过程中，对温度的控制显得极为重要，因为玻璃的表面张力、粘度均受到温度的影响。一般来说温度
7、升高，玻璃液表面张力和粘度都会减小。拉丝是靠破璃液在一定高温范围内，有一定合适的成型粘度范围才能正常进行的。低于此粘度范围，破璃液粘度太稀，会形成不连续的液滴而断丝；高于此粘度范围，玻璃液太稠，拉丝张力过大造成断丝。因此在拉丝生产过程中，加热炉的温度一定要均匀，还要精密控制炉子的温度。,拉制过程中表面张力的影响,预制棒在拉制后之所以能保持完好的周期性孔分布，是与表面张力的作用密切相关的。对于PCF，由于表面面积很大而且材料空间很小，使得表面张力极为重要。在光子晶体光纤成型时，出口处的丝根会保持成新月形状。新月形状的形成是玻璃液的向上的表面张力和向下的粘性牵伸力平衡的结果。如果表面张力太大，而相
8、对地讲粘度太小，则由于向上的表面张力占优势而将丝根向回缩成液滴状，中断了纤维成形过程。,拉制过程中张力的影晌,处于成型粘度下的玻璃液是一种粘性很大的热塑性物质。将这种粘性物质拉成细丝要克服粘性阻力、表面张力以及产生加速度而要克服的惯性力，这都需要作功，因而在光纤上形成张力。 张力与下列因素有关：在孔径、温度等条件不变情况下，拉丝速度越高，光纤直径就越小，张力变大。因此，高速拉丝时，张力较大；玻璃粘度减小时，张力也变小，因此一般多在拉丝温度范围内偏高一侧进行拉丝。,总之，由于PCF结构非常复杂，其制备要比传统通讯光纤困难得多。想要精确控制所得光子晶体光纤的尺寸和结构，还需要定量地分析拉制过程中各个参量的变化特性。,