光子晶体光纤的制备概要

注 意
在拉制毛细管的过程中严格控制以下两个Leabharlann Baidu 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。
毛细管的堆积
堆拉法的灵活性就表现在毛细管的堆积过 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。
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。
各种影响 因素
拉制过程 中温度的 影响
拉制过程 中表面张 力的影响
拉制过程 中张力的 影晌
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。
光子晶体光纤的制备工艺流程
包括两个主要步骤
制作光纤预制棒
采用光纤拉制塔高 温拉丝
将拉制出的 PCF 根据不同的设计 因为石英玻璃光纤本 将拉制出的毛细 据不同的使用要求， 将预制棒放入光 截断一小段，切 身是比较脆，而引入 要求，选择具有 管切断，按照紧 进行结构设计。结构 纤拉丝塔中进行 平端面，利用电 众多孔的光子晶体光 良好几何尺寸和 设计通常包括根据实 密方式堆积成光 纤就更为脆弱易折， 拉制。通常光 子显微镜观测 光学表面的石英 际应用情况确定 PCF 子晶体光纤的放 经不起弯曲和摩擦， 子晶体光纤的拉 PCF 横截面结构， 的类型，设计 PCF的 管，进行充分严 所以当光纤成形后要 大结构，然后对 制温度要明显低 几何尺寸， 对此进行分析， 格的清洗后，拉 立即涂上丙烯酸树脂 排好的毛细管进 其中包括：芯部的形 于拉制单丝的温 计算收缩比是否 或硅树脂，通过加热 制出不同直径、 行捆绑粘结。再 状、几何尺寸，包层 度，以保持单丝 满足设计要求， 炉或紫外光照射的方 不同壁厚的毛细 中空气孔的几何尺寸、 将其放到厚壁玻 法使涂覆材料固化， 形状及捆绑的排 及时调整拉制的 管。 数量和排列方式等。 璃管中，形成预 形成牢固的涂覆层， 列形状和结构。 温度、下棒速度 对光纤起到了保护。 制棒。 以及拉丝速度。
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(在图中可以看 到操作者的手)。
PCF拉制示意图
方法二
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。
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 (Micro—structured 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 。
预制棒的制备
预制棒制备示意图
毛细管的拉制
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。
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
方法一
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。
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。