專利名稱：磁光效應(yīng)光子晶體光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明述及一種光纖及其制造方法，特別是一種磁光效應(yīng)光子晶體光纖及其制造方法。
背景技術(shù)：
光電信息功能材料是現(xiàn)代信息社會(huì)的支柱和信息技術(shù)革命的先導(dǎo)，磁光材料就是光電信息功能材料之一，他在外磁場(chǎng)的作用下，能使通過(guò)它的平面偏振光方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生法拉第磁光效應(yīng)，在磁光隔離器、磁光調(diào)制器、磁光開(kāi)關(guān)和光纖電流傳感器等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，并隨著光纖通信和光纖傳感的迅速發(fā)展，越來(lái)越受到人們的重視。磁光材料是指在可見(jiàn)光和紅外波段具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料，它在結(jié)構(gòu)上主要有兩種形式磁光塊狀材料和磁光光纖。在這兩種形式的材料中，人們倍加關(guān)注磁光光纖的發(fā)展，這是因?yàn)榇殴夤饫w作為光纖通信系統(tǒng)中磁光器件和光纖電流互感器的傳感頭部件，具有易連接、柔性好、損耗小、全光纖化等優(yōu)點(diǎn)。
費(fèi)德?tīng)柍?shù)是衡量磁光材料的法拉第磁光效應(yīng)的重要指標(biāo)之一，費(fèi)德?tīng)柍?shù)大，說(shuō)明磁光效應(yīng)強(qiáng)。一般常規(guī)石英光纖的Verdet常數(shù)為4.6×10-6rad/A，很顯然它的Verdet常數(shù)低。為了提高光纖的Verdet常數(shù)，國(guó)內(nèi)外許多研究者采取在光纖中摻雜鋱(Tb)的方法去實(shí)現(xiàn)。鋱是一種順磁性稀土元素，在基質(zhì)(石英或玻璃)材料中加入Tb3+會(huì)較大的提高Verdet常數(shù)，在石英光纖中摻雜Tb3+會(huì)使Verdet常數(shù)是常規(guī)石英光纖的2.7倍。常規(guī)結(jié)構(gòu)摻雜Tb3+的磁光效應(yīng)光纖，盡管提高了Verdet常數(shù)，但是，仍然敏感于外界溫度的干擾，抗彎能力較差，損耗偏高，且只易于制作多模光纖，從而有模式耦合效應(yīng)，產(chǎn)生模間噪聲，降低線偏光的偏振態(tài)等問(wèn)題。另外，由于Tb3+摻雜的濃度限制，所以提高Verdet常數(shù)也是有限的。
以上諸多問(wèn)題一直是困擾磁光光纖器件和全光纖電流傳感完全實(shí)用化的難點(diǎn)問(wèn)題。特別是在光纖電流互感器的應(yīng)用方面，全光纖化是最理想的實(shí)現(xiàn)方式。因此，研制提高磁光效應(yīng)、改進(jìn)熱穩(wěn)定性、抗外界環(huán)境干擾的磁光效應(yīng)光纖是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。
為了提高磁光材料的磁光效應(yīng)，最近Kahl S.和Grishin A.M.提出了用光子晶體材料增強(qiáng)磁光效應(yīng)的方法，為我們?cè)谠砗徒Y(jié)構(gòu)上解決以上存在的問(wèn)題開(kāi)啟了一扇明亮之門(mén)，他們是用BIG和YIG材料交錯(cuò)排列地組成一維的光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁光效應(yīng)功能。然而，這種結(jié)構(gòu)和材料是不易做成光纖的。
由此看出，尋找一種新型的磁光效應(yīng)光纖，使其具有Faraday磁光效應(yīng)大、抗溫度、振動(dòng)環(huán)境影響強(qiáng)，適合于磁光器件和磁敏傳感的需要，是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種磁光效應(yīng)光子晶體光纖，解決困擾光纖在磁光效應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用中存在的靈敏度低、溫度敏感性大的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為光纖通信領(lǐng)域的磁光器件和光纖傳感領(lǐng)域的全光纖電流互感器發(fā)展服務(wù)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是根據(jù)已有的光纖制備技術(shù)，在光纖的制作技術(shù)和工藝流程方面，提出一套實(shí)用可行的磁光效應(yīng)光子晶體光纖的制造方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的；一種磁光效應(yīng)光子晶體光纖，由摻雜稀土元素的纖芯、氣孔包層和保護(hù)層組成，其特征在于纖芯的材料是由純石英摻雜少量增大折射率的GeO2和增加法拉第磁光效應(yīng)的稀土Tb3+、Al3+離子組成，其化學(xué)組成按重量百分率計(jì)為石英93-98％、二氧化鍺1-4％、Tb3+0.7-2％、Al3+0.3-1％；氣孔包層的材料是由對(duì)稱六角形規(guī)則排列的光子晶體結(jié)構(gòu)毛細(xì)石英管組成，而保護(hù)層的材料是由純石英支撐管組成；纖芯位于氣孔包層和保護(hù)層的中心位置，保護(hù)層位于最外層。
上述的磁光效應(yīng)光子晶體光纖的制造方法，用摻雜稀土元素制成芯棒，然后用堆積、縮棒工藝制成光纖預(yù)制棒，最后再用拉絲機(jī)拉制出光纖，其特征在于芯棒是采用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝與溶液摻雜法摻雜Tb3+、Al3+離子制備芯棒；用芯棒和石英毛細(xì)管堆積法及縮棒工藝制成光纖預(yù)制棒；最后進(jìn)行拉制光纖；其具體工藝過(guò)程及工藝步驟如下a.摻雜芯棒制作。采用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝與溶液摻雜法制備摻雜的光纖芯棒；(1)改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝制作疏松芯層將石英反應(yīng)管緊固在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車(chē)床上，以50轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純O2把液態(tài)原料SiCl4、GeCl4帶入反應(yīng)管內(nèi)，由氫氧焰主燈提供800-1000℃高溫沿反應(yīng)管的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)入反應(yīng)管的原料在高溫下氧化反應(yīng)，沉積SiO2-GeO2芯層，因溫度低于完全融化的溫度，從而使芯層形成了未燒結(jié)的芯層，它具有不透明的疏松多孔狀；(2)溶液摻雜法摻雜Tb3+、Al3+離子把帶有疏松多孔狀芯層的反應(yīng)管，從改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車(chē)床上取下，浸入含有0.05-0.1mol/L的TbCl3和0.02-0.05mol/L的AlCl3比例的酒精溶液中，浸泡1-2小時(shí)；(3)改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝脫水成棒將反應(yīng)管重新置于改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車(chē)床上，在500℃氫氧焰溫度下，通入高純度Cl2和O2的混合氣體脫水、干燥半小時(shí)。最后，在2000℃氫氧焰溫度下燒結(jié)反應(yīng)管，收縮成為透明的磁光效應(yīng)光子晶體光纖的芯棒；b.磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒的制作利用堆積法制備磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒，它是把許多的石英毛細(xì)管?chē)@放置中心位置的芯棒堆積，然后放入一個(gè)大的石英支撐管內(nèi)，經(jīng)縮棒形成光纖預(yù)制棒(1)英管在拉絲機(jī)上拉制成毛細(xì)石英管，它們的外徑尺寸為0.6-1.0mm；(2)把芯棒磨制或用氫氟酸(HF)溶液腐蝕成與毛細(xì)管相匹配的尺寸0.6-1.0mm；(3)選擇石英支撐管，使其能包容所設(shè)計(jì)的毛細(xì)管和芯棒。
(4)按照設(shè)計(jì)好的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆積放置。按對(duì)稱的六角形規(guī)則在支撐管內(nèi)排列毛細(xì)石英管，其中芯棒放置在所有毛細(xì)石英管的中心位置；(5)在毛細(xì)石英管和毛細(xì)石英管之間空隙帶、毛細(xì)石英管與芯棒的空隙帶以及毛細(xì)石英管與支撐管之間的空隙帶填充石英材料，使其因排列所致的縫隙空間減少。
(6)將已堆積好的結(jié)構(gòu)，在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積制棒機(jī)上進(jìn)行縮棒工藝處理，縮棒的溫度為2000℃。最后，使其縮成一個(gè)沒(méi)有堆積氣隙、僅有毛細(xì)管石英氣孔，直徑為9-16mm的磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒；c.磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒的拉絲采用低溫、慢速工藝?yán)z，以保證預(yù)制棒的氣孔有良好的結(jié)構(gòu)保持(1)為了減少預(yù)制棒在高溫熔融狀態(tài)下發(fā)生的形變，整個(gè)拉絲工藝應(yīng)在低溫、低速的條件下進(jìn)行，拉制熔棒溫度在1600-1900℃，拉絲速度低于200m/min；(2)在拉絲機(jī)上，在線涂覆紫外固化保護(hù)層。
該制作方法可根據(jù)具體技術(shù)參數(shù)的要求，對(duì)氣孔包層的孔徑和孔距進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)。
本發(fā)明方法的特色和優(yōu)點(diǎn)如下所述(1)光子晶體光纖可以在很大的頻率范圍內(nèi)支持光的單模傳輸，使磁光效應(yīng)光子晶體光纖的纖芯在單模情況下有較大的芯徑，這樣就增強(qiáng)了單位長(zhǎng)度光纖的磁光效應(yīng)，從而改進(jìn)了光通信磁光器件的性能、降低了長(zhǎng)度；同時(shí)，也有利于提高光纖傳感電流互感器的靈敏度。
(2)光子晶體光纖的氣孔和晶格尺寸決定著光纖的傳輸性能，通過(guò)調(diào)節(jié)這些尺寸，可以靈活地改變磁光效應(yīng)、雙折射效應(yīng)、單模特性等。同時(shí)，還可以通過(guò)摻雜鋱進(jìn)一步提高磁光效應(yīng)。
(3)從已有的國(guó)外研究成果可知，溫度對(duì)光子晶體光纖雙折射的影響將比常規(guī)光纖低一到二個(gè)數(shù)量級(jí)。2004年的文獻(xiàn)(Kim Do-Hyun，Kang Jin U.Sagnac Loop InterferometerBased on Polarization Maintaining Photonic Crystal Fiber with Reduced TemperatureSensitivity.Optics Express，2004，12(19)4490-4495)更是實(shí)測(cè)出了光子晶體光纖的雙折射系數(shù)隨溫度的變化率為dn/dT＝-2.0×10-9/K；而常規(guī)光纖為dn/dT＝-7.0×10-8/K，比光子晶體光纖大了一個(gè)數(shù)量級(jí)多。這就意味著，如果以磁光效應(yīng)光子晶體光纖作為傳感頭的話，它就對(duì)周?chē)沫h(huán)境敏感程度降低，有利于傳感器的性能提高和產(chǎn)業(yè)化。
(4)光子晶體光纖的宏彎低損耗特性將大大增強(qiáng)光纖的抗形變能力，增強(qiáng)傳感器在非正常因素之下的抗干擾能力。
本發(fā)明方法的原理如下所述本發(fā)明在于用光纖芯中摻雜Tb3+離子和光子晶體的結(jié)構(gòu)共同提高反映磁光效應(yīng)大小的費(fèi)德?tīng)?Verdet)常數(shù)以及光特性參數(shù)。
Faraday磁光效應(yīng)是指線偏振光通過(guò)置于磁場(chǎng)中具有磁光特性的物質(zhì)時(shí)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)面的大小用下式表示θF＝V·L·B(1)式中θF為Faraday磁光效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角，L為磁場(chǎng)與磁光材料樣品介質(zhì)相互作用的有效長(zhǎng)度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，V為費(fèi)德?tīng)柍?shù)。式中V越大說(shuō)明Faraday磁光效應(yīng)越強(qiáng)。
當(dāng)磁光材料中存在順磁離子時(shí)，基于量子力學(xué)表示的順磁材料的費(fèi)德?tīng)柍?shù)為V=A·N·g[J(J+1)]T·Ct1-(λ/λt)2---(2)]]>式中A是與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù)；T是絕對(duì)溫度；N表示單位體積內(nèi)順磁離子數(shù)；λ是入射光的波長(zhǎng)；g是Lande分裂系數(shù)；J是總角初量數(shù)；λt表示電子的有效躍遷波長(zhǎng)；Ct表示有效遷移幾率。上式表明隨著磁光材料中順磁離子數(shù)N和有效躍遷波長(zhǎng)λt的增大，費(fèi)德?tīng)柍?shù)也將增大。
稀土Tb3+離子4f殼層的電子有未配對(duì)的自由電子，由于外層5s和5p電子殼層的屏蔽作用，配位場(chǎng)對(duì)內(nèi)層4f電子的影響很小。在磁場(chǎng)的作用下，使電子極易從4f8→4f75d遷移，增大λt，從而使V增大，產(chǎn)生了較強(qiáng)的磁光效應(yīng)。
在光子晶體方面，決定光子晶體光纖傳輸特性的一個(gè)重要參數(shù)就是氣孔徑d與孔距Λ之比，即d/Λ，d/Λ大、Λ小，則光纖芯中基模的傳輸功率加大，電子有效的遷移幾率增大，磁光效應(yīng)也會(huì)增大。所以，設(shè)計(jì)不同的d/Λ值，可以得到不同程度的磁光效應(yīng)。除此之外，磁光效應(yīng)光子晶體光纖要比常規(guī)光纖有更強(qiáng)的抗形變能力，特別是它的雙折射溫度敏感性要比常規(guī)光纖低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，更有利于在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的未縮棒的預(yù)制棒截面2為本發(fā)明實(shí)施例的磁光效應(yīng)光子晶體光纖的橫向結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是參見(jiàn)圖1和圖2，本磁光效應(yīng)光子晶體光纖，由摻雜稀土元素的纖芯(11)、氣孔包層(12)和保護(hù)層(13)組成，纖芯(11)的材料是由純石英摻雜少量增大折射率的二氧化鍺GeO2和增加法拉第磁光效應(yīng)的稀土Tb3+、Al3+離子組成，其化學(xué)組成按重量百分率計(jì)為石英93-98％、二氧化鍺1-4％、Tb3+0.7-2％、Al3+0.3-1％；氣孔包層(12)的材料是由對(duì)稱六角形規(guī)則排列的光子晶體結(jié)構(gòu)毛細(xì)石英管(3)組成毛細(xì)管包層(2)，而保護(hù)層(13)為支撐石英管(4)。
本實(shí)施例的磁光效應(yīng)光子晶體光纖的制造方法各步驟a.參見(jiàn)圖1。在MCVD上制作帶有疏松多孔狀芯層的反應(yīng)管，并放入含有0.08mol/L的TbCl3和0.04mol/L的AlCl3比例的酒精溶液浸泡一小時(shí)，然后在MCVD制棒機(jī)上以500℃氫氧焰溫度、用O2和Cl2氣體脫水，最后在2000℃氫氧焰溫度下縮棒成為摻雜Tb3+和Al3+離子的磁光效應(yīng)石英芯棒(1)，芯棒(1)的直徑為800μm、長(zhǎng)300μm。
b.參見(jiàn)圖1。以芯棒(1)為中心，把90根外徑為800μm、長(zhǎng)300μm的毛細(xì)石英管(3)圍繞其周?chē)逊e成11層的正六角形結(jié)構(gòu)，形成毛細(xì)石英管包層(2)。把芯棒(1)和六角形毛細(xì)石英管包層(2)放入外徑25mm、內(nèi)徑12mm的支撐石英管(4)中，形成圖1所示的用堆積法堆積的未縮棒的預(yù)制棒結(jié)構(gòu)。用石英材料填充由于堆積而形成的空隙，然后在2000℃的氫氧焰溫度下縮棒，成為直徑12mm的磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒。
c.在光纖拉絲機(jī)上，用1800℃的熔棒溫度和100m/min的速度拉絲，得到圖2中的磁光效應(yīng)光子晶體光纖(10)，其中(11)為摻雜Tb3+和Al3+離子的纖芯，(12)為光子晶體結(jié)構(gòu)的氣孔包層，(13)為保護(hù)層。該結(jié)構(gòu)的氣孔直徑d＝3.2μm，孔距Λ＝5.6μm，那么氣孔與孔距之比d/Λ＝0.57。
該方法的稀土元素?fù)诫s濃度、芯徑、氣孔徑、孔距、包層直徑，可以根據(jù)具體的磁光效應(yīng)光子晶體光纖的要求，做相應(yīng)的設(shè)計(jì)和制作。
權(quán)利要求
1.一種磁光效應(yīng)光子晶體光纖，由摻雜稀土元素的纖芯(11)、氣孔包層(12)和保護(hù)層(13)組成，其特征在于纖芯(11)的材料是由純石英摻雜少量增大折射率的GeO2和增加法拉第磁光效應(yīng)的稀土Tb3+、Al3+離子組成，其化學(xué)組成按重量百分率計(jì)為石英93-98％、二氧化鍺1-4％、Tb3+0.7-2％、Al3+0.3-1％；氣孔包層(12)的材料是由對(duì)稱六角形規(guī)則排列的光子晶體結(jié)構(gòu)毛細(xì)石英管組成，而保護(hù)層(13)的材料是由純石英支撐管組成；纖芯(11)位于氣孔包層(12)和保護(hù)層(13)的中心位置，保護(hù)層(13)位于最外層。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁光效應(yīng)光子晶體光纖的制造方法，用摻雜稀土元素制成芯棒，然后用堆積、縮棒工藝制成光纖預(yù)制棒，最后再用拉絲機(jī)拉制出光纖，其特征在于芯棒是采用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝與溶液摻雜法摻雜Tb3+、Al3+離子制備芯棒；用芯棒和石英毛細(xì)管堆積法及縮棒工藝制成光纖預(yù)制棒；最后進(jìn)行拉制光纖；其具體工藝過(guò)程及工藝步驟如下a.摻雜芯棒制作。采用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝與溶液摻雜法制備摻雜的光纖芯棒；(1)改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝制作疏松芯層將石英反應(yīng)管緊固在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車(chē)床上，以50轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，用高純O2把液態(tài)原料SiCl4、GeCl4帶入反應(yīng)管內(nèi)，由氫氧焰主燈提供800-1000℃高溫沿反應(yīng)管的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)入反應(yīng)管的原料在高溫下氧化反應(yīng)，沉積SiO2-GeO2芯層，因溫度低于完全融化的溫度，從而使芯層形成了未燒結(jié)的芯層，它具有不透明的疏松多孔狀；(2)溶液摻雜法摻雜Tb3+、Al3+離子把帶有疏松多孔狀芯層的反應(yīng)管，從改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車(chē)床上取下，浸入含有0.05-0.1mol/L的TbCl3和0.02-0.05mol/L的AlCl3比例的酒精溶液中，浸泡1-2小時(shí)；(3)改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝脫水成棒將反應(yīng)管重新置于改進(jìn)化學(xué)氣相沉積車(chē)床上，在500℃氫氧焰溫度下，通入高純度Cl2和O2的混合氣體脫水、干燥半小時(shí)。最后，在2000℃氫氧焰溫度下燒結(jié)反應(yīng)管，收縮成為透明的磁光效應(yīng)光子晶體光纖的芯棒；b.磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒的制作利用堆積法制備磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒，它是把許多的石英毛細(xì)管?chē)@放置中心位置的芯棒堆積，然后放入一個(gè)大的石英支撐管內(nèi)，經(jīng)縮棒形成光纖預(yù)制棒(1)石英管在拉絲機(jī)上拉制成毛細(xì)石英管，它們的外徑尺寸為0.6-1.0mm；(2)把芯棒磨制或用氫氟酸(HF)溶液腐蝕成與毛細(xì)管相匹配的尺寸0.6-1.0mm；(3)選擇石英支撐管，使其能包容所設(shè)計(jì)的毛細(xì)管和芯棒。(4)按照設(shè)計(jì)好的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆積放置。按對(duì)稱的六角形規(guī)則在支撐管內(nèi)排列毛細(xì)石英管，其中芯棒放置在所有毛細(xì)石英管的中心位置；(5)在毛細(xì)石英管和毛細(xì)石英管之間空隙帶、毛細(xì)石英管與芯棒的空隙帶以及毛細(xì)石英管與支撐管之間的空隙帶填充石英材料，使其因排列所致的縫隙空間減少。(6)將已堆積好的結(jié)構(gòu)，在改進(jìn)化學(xué)氣相沉積制棒機(jī)上進(jìn)行縮棒工藝處理，縮棒的溫度為2000℃。最后，使其縮成一個(gè)沒(méi)有堆積氣隙、僅有毛細(xì)管石英氣孔，直徑為9-16mm的磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒；c.磁光效應(yīng)光子晶體光纖預(yù)制棒的拉絲采用低溫、慢速工藝?yán)z，以保證預(yù)制棒的氣孔有良好的結(jié)構(gòu)保持(1)為了減少預(yù)制棒在高溫熔融狀態(tài)下發(fā)生的形變，整個(gè)拉絲工藝應(yīng)在低溫、低速的條件下進(jìn)行，拉制熔棒溫度在1600-1900℃，拉絲速度低于200m/min；(2)在拉絲機(jī)上，在線涂覆紫外固化保護(hù)層。
全文摘要
本發(fā)明述及一種磁光效應(yīng)光子晶體光纖及其制造方法。本光纖，由纖芯、氣孔包層和保護(hù)層組成，纖芯的材料由純石英摻雜增大折射率的GeO
文檔編號(hào)C03B37/012GK1605894SQ20041008428
公開(kāi)日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者王廷云, 范崢, 包華育, 盧軍, 王克新 申請(qǐng)人:上海大學(xué)