光子晶体光纤一体化端帽的制备方法与流程

本发明涉及光纤，特别是一种石英玻璃光子晶体光纤端帽的制备方法。

背景技术：

光子晶体光纤(Photonic crystal fiber，PCF)，因其具有无截止单模传输、模场面积可控、高非线性、优良双折射效应和高数值孔径等特性，因而在光通信、大功率传输、光纤激光器、超连续谱等方面有着广阔的应用。其特有的空气孔结构，使得其不能像常规石英光纤那样进行切割、熔接。所以必须采用特殊工艺对PCF端面进行处理，诸如熔接端帽，一方面来改善高功率条件下端面由于温度上升所引起的污染和端面损伤；另一方面提高PCF端面的抗损伤阈值，也为PCF全光纤应用打下基础。由于PCF制作和结构的特殊性，处理工艺难度大，花费高，国际上只有NKT等少数几家公司可以高质量的完成端帽的熔接。国内在光子晶体光纤的制备以及光纤的端面处理方面与国际先进水平还有较大差距。

传统的光纤端帽是采用光学冷加工的技术得到，然后利用光纤熔接机将加工好的柱状端帽与光纤进行熔接。这一技术在熔接双包层全固态光纤端帽时相对容易，但对于空气孔结构的光子晶体光纤而言，由于空气孔结构的存在导致光纤切割和研磨都极难处理，因此进行端帽熔接方面一直存在较大难度。国际上NKT公司推出的带端帽的光子晶体光纤，其制备技术是基于特殊的熔接技术，利用二氧化碳激光将端帽与光纤在45°角熔接完成，其保留了光子晶体光纤内部的空气孔结构。

目前尚未见采用二氧化碳激光对光子晶体光纤直接进行熔融塌缩制备一体化端帽的制备技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光子晶体光纤一体化端帽的制备方法：采用二氧化碳激光器，将大模场空气孔光子晶体光纤按照一定的转速和加热功率进行旋转加热，实现空气孔的均匀同步塌缩固化，进一步利用光纤切割刀切割，获得不同端面角度的端帽；该方法显著改进了大模场空气孔结构光子晶体光纤端面的处理工艺，获得了光子晶体光纤一体化端帽，极大的拓展了光子晶体光纤的应用潜力。具有操作方法简单实用，制备成本低的优点。

为达到上述目的，我们提供的以下的技术方案：

一种光子晶体光纤一体化端帽的制备方法,其特点在于该方法包括下列步骤：

1)取一外径为400-600微米的光子晶体光纤，先用分析纯酒精处理光纤表面，再将所述的光纤置于标准光纤夹具中，光纤夹持的位置到光纤端面的距离为10cm；

2)将所述的标准光纤夹具置于光纤熔接机的夹具卡槽中，所述的光纤置于光纤熔接机的两个V型槽中，两个V型槽之间的距离设置为4cm；将自制的M形V型槽盖板，沿V型槽凹陷方向按压下去，所述的M形V型槽盖板的中间的平底压脚将所述的光纤限制在平底压脚与V型槽组成的三角形范围内；

3)设置熔接机参数：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加热功率为10W-20W；光纤旋转速度为0.05-0.15°/ms；加热时间为9000-20000ms；

4)启动熔接机，发射激光，开始计时，加热、旋转同时启动；观察熔接显示屏，观察光纤是否平稳旋转；若光纤发生抖动，停止加热，清理V型槽和平衡压脚后重复以上步骤继续实验；

5)达到加热设定时间，取出光纤置于显微镜下观察测量，塌缩区域透明，塌缩区域长度为500-1000微米；塌缩区域端面相邻两空气孔的长度差不超过10微米；

6)将塌缩成功的光纤的塌缩区域置于大直径光纤切割刀下，按需求将光纤切割角度设置为0-8°，保留塌缩区域的长度即端帽的长度为40-300微米，然后进行切割。

所述的光子晶体光纤是稀土掺杂石英有源光子晶体光纤，或非掺杂纯石英无源光子晶体光纤。

本发明具有以下优点：

1、采用二氧化碳激光加热塌缩，二氧化碳激光的波长为10.6微米，为石英玻璃的吸收波段，可以起到很好的加热作用；相比较以往的氢氧焰和电弧加热，激光作为一种清洁能源且激光光斑可控，避免了氢氧焰或其他电极放电加热的方式带来的光纤表面损伤和金属杂质溅射污染；

2、采用二氧化碳激光均匀旋转加热塌缩，可以快速且均匀的实现内外不同尺寸空气孔的均匀同步塌缩，从而获得平整的塌缩面；相比较在电弧加热塌缩时，因大模场PCF空气孔结构的存在，引起导热率的变化，会出现内外空气孔塌缩不同步的情况，激光加热方式的使用，极大的改善了这种情况；

3、设计并制作M形V型槽盖板，该M形V型槽盖板的中间的平底压脚可将所述的光纤限制在平底压脚与V型槽组成的三角形范围内，避免光纤在旋转加热中出现抖动，导致空气孔塌缩不均匀，并能适应于外径不同尺寸的光纤。

4、直接在光子晶体光纤上进行塌缩获得固态端帽，利用常规的光纤切割刀和光纤研磨盘即可完成切割和加工，而且可以进行角度切割和抛光；

5、操作方法简单实用、制备周期短、制备成本低。

附图说明

图1自制M形V型槽盖板和V型槽示意图

1为M形V型槽盖板、2为盖板中间的平底压脚、3为光纤、4为V型槽；

图2光子晶体光纤的截面示意图；

图3显微镜下观察的光子晶体光纤塌缩前后变化侧视图；

左为塌缩前、右为塌缩后

图4实施例3中光纤一体化端帽的示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

(1)取一外径为400微米、内包层200微米、纤芯为40微米、外包层空气孔直径为12微米、内包层空气孔直径为2微米的光子晶体光纤，先用分析纯酒精处理光纤表面，再将所述的光纤置于标准光纤夹具中，光纤夹持的位置到光纤端面的距离为10cm；

(2)将所述的标准光纤夹具置于光纤熔接机的夹具卡槽中，所述的光纤置于光纤熔接机的两个V型槽中，两个V型槽之间的距离设置为4cm；将自制的M形V型槽盖板(如图1所示)，沿V型槽凹陷方向按压下去，所述的M形V型槽盖板的中间的平底压脚(如图1中的2)将所述的光纤限制在平底压脚与V型槽组成的三角形范围内；

(3)设置熔接机参数：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加热功率为10W；光纤旋转速度为0.05°/ms；加热时间为9000ms；

(4)启动熔接机，发射激光，开始计时，加热、旋转同时启动；观察熔接显示屏，观察光纤是否平稳旋转；若光纤发生抖动，停止加热，清理V型槽和平衡压脚后重复以上步骤继续实验；

(5)达到加热设定时间，取出光纤置于显微镜下观察测量，塌缩区域透明，测量得：塌缩区域长度为500微米；塌缩区域端面相邻两空气孔的长度差不超过10微米；

(6)将塌缩成功的光纤的塌缩区域置于大直径光纤切割刀下，按需求将光纤切割角度设置为0°，保留塌缩区域的长度即端帽的长度为300微米，然后进行切割。

实施例2：

(1)取一外径为400微米、内包层200微米、纤芯为40微米、外包层空气孔直径为12微米、内包层空气孔直径为2微米的光子晶体光纤，先用分析纯酒精处理光纤表面，再将所述的光纤置于标准光纤夹具中，光纤夹持的位置到光纤端面的距离为10cm；

(2)将所述的标准光纤夹具置于光纤熔接机的夹具卡槽中，所述的光纤置于光纤熔接机的两个V型槽中，两个V型槽之间的距离设置为4cm；将自制的M形V型槽盖板(如图1所示)，沿V型槽凹陷方向按压下去，所述的M形V型槽盖板的中间的平底压脚(如图1中的2)将所述的光纤限制在平底压脚与V型槽组成的三角形范围内；

(3)设置熔接机参数：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加热功率为15W；光纤旋转速度为0.15°/ms；加热时间为20000ms；

(4)启动熔接机，发射激光，开始计时，加热、旋转同时启动；观察熔接显示屏，观察光纤是否平稳旋转；若光纤发生抖动，停止加热，清理V型槽和平衡压脚后重复以上步骤继续实验；

(5)达到加热设定时间，取出光纤置于显微镜下观察测量，塌缩区域透明，测量得：塌缩区域长度为1000微米；塌缩区域端面相邻两空气孔的长度差不超过10微米；

(6)6)将塌缩成功的光纤的塌缩区域置于大直径光纤切割刀下，按需求将光纤切割角度设置为8°，保留塌缩区域的长度即端帽的长度为40微米，然后进行切割。

实施例3：

(1)取一外径为570微米、内包层430微米、纤芯为110微米、外包层空气孔直径为15微米、内包层空气孔直径为3微米的光子晶体光纤，先用分析纯酒精处理光纤表面，再将所述的光纤置于标准光纤夹具中，光纤夹持的位置到光纤端面的距离为10cm；

(2)将所述的标准光纤夹具置于光纤熔接机的夹具卡槽中，所述的光纤置于光纤熔接机的两个V型槽中，两个V型槽之间的距离设置为4cm；将自制的M形V型槽盖板(如图1所示)，沿V型槽凹陷方向按压下去，所述的M形V型槽盖板的中间的平底压脚(如图1中的2)将所述的光纤限制在平底压脚与V型槽组成的三角形范围内；

(3)设置熔接机参数：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加热功率为20W；光纤旋转速度为0.1°/ms；加热时间为10000ms；

(4)启动熔接机，发射激光，开始计时，加热、旋转同时启动；观察熔接显示屏，观察光纤是否平稳旋转；若光纤发生抖动，停止加热，清理V型槽和平衡压脚后重复以上步骤继续实验；

(5)达到加热设定时间，取出光纤置于显微镜下观察测量，塌缩区域透明，测量得：塌缩区域长度为800微米；塌缩区域端面相邻两空气孔的长度差不超过10微米；

(6)将塌缩成功的光纤的塌缩区域置于大直径光纤切割刀下，按需求将光纤切割角度设置为0°，保留塌缩区域的长度即端帽的长度为100微米，然后进行切割。

结果如图4所示。

实施例4：

(1)取一外径为600微米、内包层450微米、纤芯为120微米、外包层空气孔直径为16微米、内包层空气孔直径为3微米的光子晶体光纤，先用分析纯酒精处理光纤表面，再将所述的光纤置于标准光纤夹具中，光纤夹持的位置到光纤端面的距离为10cm；

(2)将所述的标准光纤夹具置于光纤熔接机的夹具卡槽中，所述的光纤置于光纤熔接机的两个V型槽中，两个V型槽之间的距离设置为4cm；将自制的M形V型槽盖板(如图1所示)，沿V型槽凹陷方向按压下去，所述的M形V型槽盖板的中间的平底压脚(如图1中的2)将所述的光纤限制在平底压脚与V型槽组成的三角形范围内；

(3)设置熔接机参数：激光是10.6微米的二氧化碳激光，激光加热功率为20W；光纤旋转速度为0.1°/ms；加热时间为15000ms；

(4)启动熔接机，发射激光，开始计时，加热、旋转同时启动；观察熔接显示屏，观察光纤是否平稳旋转；若光纤发生抖动，停止加热，清理V型槽和平衡压脚后重复以上步骤继续实验；

(5)达到加热设定时间，取出光纤置于显微镜下观察测量，塌缩区域透明，测量得：塌缩区域长度为900微米；塌缩区域端面相邻两空气孔的长度差不超过10微米；

(6)将塌缩成功的光纤的塌缩区域置于大直径光纤切割刀下，按需求将光纤切割角度设置为0°，保留塌缩区域的长度即端帽的长度为200微米，然后进行切割。

实验表明，本发明避免了外接石英玻璃端帽与光子晶体光纤熔接时面临的光纤切割断面不平整导致熔接强度不足的问题，可以在原有光子晶体光纤上直接塌缩得到无缝连接的端帽，便于后续处理应用，同时不影响光纤的激光性能。