CN103645551B - 一种微纳光纤组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微纳光纤组件及其制造方法，光纤（2）穿过所述石英管(1)并在所述石英管(1)两端保留尾纤；所述光纤（2）通过熔融固定在石英管(1)两端且位于石英管(1)的中心轴线上；所述石英管(1)和光纤（2）组成的区域经拉锥形成微纳光纤区；所述微纳光纤区的光纤为微纳纤芯，微纳光纤区由光纤被拉锥形成的微纳纤芯、被拉锥后的石英管、纤芯与石英管之间的空气组成。本发明所述微纳光纤制备工艺实现将对微纳光纤的制备与封装结合，有效避免了由普通光纤直接拉锥制备微纳光纤存在的微纳光纤区机械性能差、结构不稳定、易受外界环境干扰等缺点。

Description

一种微纳光纤组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及非线性光纤领域，尤其涉及具有高非线性特性的微纳光纤。

背景技术

微纳光纤具有强约束力、强倏逝场、可重构性（超小弯曲半径）、低连接损耗(与光纤连接)、灵活可控的色散特性等特点。由光纤的非线性系数公式：，可知，光纤的模场直径越小，其非线性系数越高。减小普通光纤的纤芯半径并不能实现超小模场面积的光纤，原因是纤芯半径减小后，其束缚光能力也会下降。采用微纳光纤可以解决这个问题。人们已研制出了各种基于微纳光纤的无源光子器件，如耦合器、高双折射光纤、微环谐振器等。

微纳光纤通常采用光纤拉锥的方法，将光纤局部拉细，使其外部直径为微米或亚微米及以下量级。由于光纤外部通常为空气，其折射率低，而微纳光纤折射率高，因此，微纳光纤具有高数值孔径，从而可以在纤芯直径较小的情况下，保持有效的光传输。微纳光纤也存在一些缺点，例如：制作完成后，若没有对光纤进行保护，光纤的传输损耗会随时间的增长而增大【Adv.Opt.Photon.,2009,1(1):107-161】。因此，需要对微纳光纤进行涂覆，以保护光纤。但这样又会导致光纤传输性能发生变化。

为此，人们也提出了基于微结构光纤构建小纤芯光纤。例如，利用微结构光纤可获得高数值孔径的特点，采用占空比的包层和小的纤芯结构，可获得模场直径约为1μm的超小纤芯光纤。由于纤芯面积小，为了有效地束缚光，需要采用特殊的光纤结构，如车轮结构【AppliedPhysicsB:LasersandOptics,2010,98(2):371-376】，即尽量增大纤芯周围空气孔的尺寸，减小孔之间的材料的厚度等。尽管如此，由于纤芯周围不可能全部为空气，支撑材料仍然会增加其模场面积，并对传输光的有关性能产生一定的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、制作简便、性能稳定、具有强束缚光能力的微纳光纤组件。

本发明的另一目的是给出微纳光纤组件的制造方法，该方法容易操作。

本发明的技术方案是：一种微纳光纤组件，包括石英管和光纤，所述光纤穿过所述石英管并在所述石英管两端保留尾纤；所述光纤通过熔融固定在石英管两端且位于石英管的中心轴线上；所述石英管和光纤组成的区域经拉锥形成微纳光纤区；所述微纳光纤区的光纤为微纳纤芯。

进一步，所述光纤为单模光纤，所述微纳纤芯的长度为1~100mm，微纳纤芯的直径为0.01~25μm。所述石英管外径为250~5000μm，所述石英管壁厚为20~1000μm。所述石英管两端的熔融区填充石英介质柱和石英毛细管。

一种微纳光纤组件的制作方法，其特征是包括以下步骤：

1）将光纤中段剥离覆层形成裸光纤区，所述裸光纤区的长度大于石英管长度；

2）将裸光纤区置于石英管内，并在所述石英管两端口与所述光纤熔融固定，并确保所述光纤在石英管内处于拉直状态，且所述光纤处于所述石英管两端的轴线位置；

3）将石英管拉细至原始外径的1/3~1/50，且确保石英管内的光纤被拉细至所述光纤原始直径的1/3~1/50。

进一步，所述步骤1)中对所述裸光纤区的光纤进行预拉锥，所述裸光纤区长度比石英管长度长10~100mm。

进一步，在所述步骤3）的拉制过程中，在光纤一端输入激光，在光纤另一端连接光功率计或光谱仪对传输光情况进行监测。

进一步，所述石英管外径为250~5000μm，所述石英管壁厚为20~1000μm。

本发明的技术效果是：本发明所述微纳光纤组件，将直径在微纳米量级的光纤限制在石英管内，避免了外界环境变化对其传光性能的影响。石英管虽然被拉细，但其外径仍较大，可对微纳光纤起到很好的保护工作。微纳光纤被悬于石英管中，形成微纳纤芯，其折射率高，而其包层为石英管内的空气，折射率低。从而实现对传输至微纳区光的强束缚，可实现高非线性、超小模场面积的光传输。克服了一般采用支撑条结构时，高折射率的支撑条导致光向包层的扩展。在拉锥过程中可通过接入光源和光功率计、光谱仪等设备对光信号进行监测，从而实现对光纤性能的精确控制。本发明所述微纳光纤组件制备工艺实现将对微纳光纤的制备与封装结合，有效避免了由普通光纤直接拉锥制备微纳光纤存在的微纳光纤区机械性能差、结构不稳定、易受外界环境干扰等缺点。制备完成的微纳光纤组件还可通过毛细管将特殊的气体、液体或固体材料填充进石英管内，从而形成特殊包层结构的微纳光纤。

附图说明

图1为本发明一种微纳光纤组件的结构示意图；

图2为本发明一种微纳光纤组件的石英管两端填充石英介质柱时，其端面的横截面示意图；

图3为本发明一种微纳光纤组件的石英管两端填充石英介质柱时的结构示意图；

图4为本发明一种微纳光纤组件的石英管两端填充石英介质柱和石英毛细管时，其端面的横截面示意图；

其中：1-石英管；2-光纤；3-微纳光纤区;4-石英介质柱；5-石英毛细管。

具体实施方式

一种微纳光纤组件，由石英管、穿过石英管并在两端保留尾纤的一根光纤组成；其中石英管两端与光纤经融合形成固定结构，或者在石英管两端填充石英介质柱、石英毛细管或光纤再经融合形成固定结构。固定结构经拉锥，形成微纳光纤区。微纳光纤区由光纤被拉锥形成的微纳纤芯、被拉锥后的石英管、纤芯与石英管之间的空气组成。

也可以将所述光纤预先经拉锥，再被放置于石英管中，再经二次拉锥，二次拉锥区不超过预拉锥区。

所述的光纤为单模光纤，微纳纤芯长1~100mm、微纳纤芯的直径为0.01~25μm。

所述石英管外径为250~5000μm，壁厚为20~1000μm。

微纳光纤组件的制备工艺（方案一）如下：

1.光纤处理

将待处理光纤中段剥去覆层，并用脱脂棉蘸酒精将表面擦拭干净。为获得纤芯直径更小的微纳光纤，可先将裸光纤进行一次预拉锥。经以上处理后，光纤的裸光纤区长度应比石英管长10~100mm，以便与石英管熔融，形成固定结构。

2.石英管处理

将外径为0.5~5mm、内径为0.2~4.5mm石英管的两端口在高温下加热熔缩，使两端口内径缩小至比光纤直径大0.02~0.2mm，保证两端口的中心与石英管轴线中心相同。

3.石英管封装

将制作好的光纤穿过经熔缩的石英管，并使裸光纤在石英管两端口突出长度基本相同。若光纤事先经过拉锥处理，则应使其拉锥区位于石英管中段区域，以便于后续处理。再次熔融石英管两端，使石英管与光纤熔合。在熔融过程中可转动整个石英管和光纤部件，使光纤保持处于石英管中心轴线区域。也可采用二氧化碳激光器，并采用反射装置使石英管被均匀加热。加热过程中须使石英管内光纤保持平直。

4.微纳光纤拉制

将经第3步后的石英管固定在移动平台，选择合适的加热装置对石英管进行加热，并将石英管拉细至其外径的1/3~1/50，从而使石英管内的纤芯也被拉细至其原有直径的1/3~1/50。在拉制过程中，可在光纤一端输入激光，在另一端连接光功率计或光谱仪对传输光情况进行监测。

对于石英管与光纤的固定，也可采用填充的方法来实现，具体制备工艺如下：（方案二）：

1.光纤处理

将待处理光纤中段剥去覆层，并用脱脂棉蘸酒精将表面擦拭干净。为获得纤芯直径更小的微纳光纤，可先将裸光纤进行一次预拉锥。经以上处理后，光纤的裸光纤区长度应比石英管长10~100mm，以便与石英管熔融固定。

2.石英管封装

将制作好的光纤穿过经熔缩的石英管，并使裸光纤在石英管两端口突出长度基本相同。若光纤事先经过拉锥处理，则应使其拉锥区位于石英管中段区域，以便于后续处理。将长度为5~30mm的石英毛细管、石英介质柱之一或两种的组合，填充至石英管两端，并形成紧密结构。填充时，应保持光纤处于石英管中心轴线区域。熔融石英管两端，使石英管、光纤以及填充的介质柱、毛细管融合，形成固定结构。在熔融过程中可转动整个石英管和光纤部件，使光纤保持处于石英管中心轴线。也可采用二氧化碳激光器，并采用反射装置使石英管被均匀加热。加热过程中须使石英管内光纤保持平直。

填充时可以在间隙填充尺寸更小的介质柱，或者将石英介质柱或石英毛细管的外壁研磨成六角形，从而减少间隙。也可用去除覆层的裸光纤代替介质柱。

3.微纳光纤拉制

将经第3步后的石英管固定在移动平台，选择合适的加热装置对石英管进行加热，并将石英管拉细至其外径的1/3~1/50，从而使石英管内的纤芯也被拉细其原有直径的1/3~1/50。在拉制过程中，可在光纤一端输入激光，在另一端连接光功率计或光谱仪对传输光情况进行监测。

对光纤进行预拉锥的作用有两个：一是通过拉锥，减小光纤的直径，从而有利于二次拉锥时获得直径更小的微纳纤芯，同时，在二次拉锥时石英管无需被拉得很细，因而更容易制作、封装也更简单。二是预拉锥后的光纤直径变细后，在石英管内壁和光纤之间距离更远，从而减小石英管对微纳纤芯传输光的影响。

采用石英毛细管填充制作完成的微纳光纤，可以通过毛细管注入液体、固体或气体材料，从而形成具有特殊包层结构的微纳光纤器件。

下面结合附图，介绍本发明的具体实施方式。

以下实施例均以石英光纤和石英管为基础材料为例，相关方案也可适用于多组分玻璃光纤等。

实施例一：

所用光纤为单模光纤，包层直径为80μm，光纤长度为1m，裸光纤区长度120mm。石英管长度为90mm，管壁厚度为100μm，管内径为900μm。按方案一进行制作，其中光纤不进行预拉锥。微纳光纤组成结构如图1所示。制作完成后，微纳光纤区长度为80mm，微纳纤芯的直径为6.4μm，微纳光纤区对应的石英管外径为80μm。

实施例二：

所用光纤为普通单模光纤，光纤长度为2m，裸光纤区长度60mm，经预拉锥后，光纤的直径为12μm，长度为50mm，裸光纤区总长度为130mm。石英管长度为100mm，管壁厚度为120μm，管内径为380μm。按方案二进行制作，其中石英管两端填充石英介质柱，其填充结构如图2所示。其中石英介质柱也可用直径相当、去除覆层的祼光纤来代替。微纳光纤组成结构如图3所示。微纳光纤区长60mm，微纳纤芯的直径为2.4μm，微纳光纤区对应的石英管外径为100μm。

实施例三：

所用光纤为普通单模光纤，光纤长度为1.5m，裸光纤区长度50mm，经拉锥后，光纤的直径为10μm，长度为50mm，裸光纤区总长度为100mm。石英管长度为65mm，管壁厚度为265μm，管内径为635μm。按方案一进行制作，按方案一进行制作，其中光纤不进行预拉锥。微纳光纤组成结构如图1所示。微纳光纤区长40mm，微纳纤芯的直径为1.25μm，微纳光纤区对应的石英管外径为112μm。

实施例四：

所用光纤为普通单模光纤，光纤长度为1.5m，裸光纤区长度40mm，经拉锥后，光纤的直径为12.5μm，长度为40mm，裸光纤区总长度为80mm。石英管长度为50mm，管壁厚度为500μm，管内径为2000μm。按方案二进行制作，其中石英管两端填充石英介质柱和石英毛细管，其填充结构如图4所示。微纳光纤组成结构如图3所示。微纳光纤区长40mm，微纳纤芯的直径为1.25μm，微纳光纤区对应的石英管外径为300μm。

Claims (8)

1.一种微纳光纤组件制作方法，其特征是包括以下步骤：

1)将光纤中段剥离覆层形成裸光纤区，所述裸光纤区的长度大于石英管长度；

2)光纤穿过石英管并在石英管两端保留尾纤，将裸光纤区置于石英管内，并在所述石英管两端口与所述光纤熔融固定，并确保所述光纤在石英管内处于拉直状态，且所述光纤处于所述石英管两端的中心轴线位置；

3)进行拉锥工艺：将石英管拉细至原始外径的1/3～1/50，且确保石英管内的光纤被拉细至所述光纤原始直径的1/3～1/50，石英管和光纤组成的区域经拉锥形成微纳光纤区，所述微纳光纤区的光纤为微纳纤芯，微纳纤芯被悬于石英管中。

2.根据权利要求1所述的一种微纳光纤组件制作方法，其特征是：所述步骤1)中对所述裸光纤区的光纤进行预拉锥，所述裸光纤区长度比石英管长度长10～100mm。

3.根据权利要求1所述的一种微纳光纤组件制作方法，其特征是：在所述步骤3)的拉制过程中，在光纤一端输入激光，在光纤另一端连接光功率计或光谱仪对传输光情况进行监测。

4.根据权利要求1所述的一种微纳光纤组件制作方法，其特征在于：所述石英管外径为250～5000μm，所述石英管壁厚为20～1000μm。

5.一种采用权利要求1所述的制作方法制成的微纳光纤组件，包括石英管(1)和光纤(2)，其特征在于：所述光纤(2)穿过所述石英管(1)并在所述石英管(1)两端保留尾纤；所述光纤(2)通过熔融固定在石英管(1)两端且位于石英管(1)的中心轴线上；所述石英管(1)和光纤(2)组成的区域经拉锥形成微纳光纤区；所述微纳光纤区的光纤为微纳纤芯，微纳纤芯被悬于石英管中。

6.根据权利要求5所述的一种微纳光纤组件，其特征在于：所述光纤(2)为单模光纤，所述微纳纤芯长度为1～100mm，微纳纤芯的直径为0.01～25μm。

7.根据权利要求5所述的一种微纳光纤组件，其特征在于：所述石英管(1)外径为250～5000μm，所述石英管(1)壁厚为20～1000μm。

8.根据权利要求5所述的一种微纳光纤组件，其特征在于：所述石英管(1)两端的熔融区填充石英介质柱(4)和石英毛细管(5)。