[发明专利]一种掺杂单晶多芯光纤的制备方法及掺杂单晶多芯光纤

说明书

本发明提供的是一种掺杂单晶多芯光纤的制备方法及掺杂单晶多芯光纤。掺杂单晶多芯光纤为在同一石英包层内含有两个及以上的掺杂单晶纤芯，由低折射率二氧化硅石英玻璃和高折射率掺杂单晶构成光纤波导结构。是获得多孔光纤预制棒，再经拉制得到多孔毛细管，然后在高温、高压下将掺杂晶体熔体注入到石英毛细管中的多微孔内形成多晶体纤芯，最后经过横向加热使得纤芯完成单晶化等步骤来制备出石英包层掺杂单晶多芯光纤。通过将毛细管多孔内熔体注入与后期晶体生长相结合，用该方法生长出的掺杂单晶多芯光纤具有丝径长度可控、纤芯数量和位置任意排列等优点，可用于微小型及在线光子调控的相位调制器、光开关和干涉仪等。

技术领域

本发明涉及的是一种光纤，特别涉及一种掺杂单晶多芯光纤。本发明还涉及这种光纤的制造方法。

背景技术

单晶光纤也被称为晶体纤维或纤维晶体，它是将晶体材料生长为纤维状的单晶体，直径在几微米到数百微米之间，它兼备块状晶体和一般石英光纤的功能。与块状晶体相比，单晶光纤具有体积小、集成度高、能与石英光纤相耦合等特点，与一般石英光纤相比具有质量高、物理效应强、功能全、能更好地与各类可见与非可见光波段的激光器相匹配，能用于大功率激光的传输等优点，在光电子学领域中具有重要的实用价值。

普通的纯净单晶体功能有限，为得到所期望的物理性质，常需要在晶体中掺入杂质元素，例如在非线性光学铌酸锂晶体中掺入Mg元素能增强抗激光损伤能力，掺入钛、氢元素能提高晶体折射率；在半导体硅晶体中掺入一定量的磷，得到n型半导体，掺入一定量的铝或稼，得到p型半导体；在晶体中掺入镧系元素能得到荧光特性材料等。

通常的晶体光纤生长方法有，(1)导模法，涉及到的文献和报道有：[1]NorioOhnishi and Takafumi Yao,A Novel Growth Technique for Single-Crystal Fibers:The Micro-Czochralski(μ-CZ)Method,Jpn.J.Appl.Phys.,28(2):L278-L280；1989；[2]Dae-Ho Yoon,Ichiro Yonenaga,Tsuguo Fukuda,Norio Ohnishi,Crystal growth ofdislocation-free LiNbO₃single crystals by micro pulling down method,J.Cryst.Growth,142:339-343,1994；[3]钟鹤裕,侯印春,杈宁三,陈杏达,王人淑，铌酸锂单晶光纤的生长，硅酸盐学报，19(6):527-531,1991。该类生长方法为熔体从带有小孔或凸起的模具中引出，馈入籽晶后进行定向生长。其主要优点是能连续生长较长及特殊截面的光纤，但受模具材料限制，难以生长高熔点的晶纤，且难以避免污染问题。(2)激光加热基座法，涉及到的文献和报道有：[4]Yalin Lu,Dajani A.Iyad,and R.J.Knize,Fabricationand characterization of periodically poled lithium niobate single crystalfibers,Integrated Ferroelectrics,90:53-62,2007；[5]日本专利Production ofSingle Crystal Optical Fiber,Bibliographic data:JPH0375292(A)―1991-03-29。该方法是利用CO₂激光加热形成局部熔区，馈入籽晶后连续生长出单晶纤维。该方法优点是，不需要模具和高温下无污染，能生长出高熔点光纤，生长速率快，但是受到生长条件的限制，往往只能制成短光纤，且难以控制光纤直径。(3)直接成型法，涉及到的文献和报道有：[6]P.Rudolph,T.Fukuda,Fiber crystal growth from the melt,Crystal Research andTechnology,34:3–40,1999；[7]J.Ballato,T.Hawkins,and P.Foy et al.Siliconoptical fiber.Optics Express.2008 16:18675-18683；[8]Yi-Chung Huang,and Jau-Sheng Wang et al.Preform fabrication and fiber drawing of 320nm broadband Cr-doped fibers,Optics Express.2007,15:14382-14388。该方法是利用毛细管效应使得熔体一次性结晶固化成晶体光纤，或是通过管棒法与拉丝技术得到晶体芯光纤。然而该类制备方法只能制成短光纤，且纤芯难以保证为单晶体。(4)其他生长方法，如日本专利(Fibrous Oxide Optical Single Crystal and Its Production,Bibliographic data:JPH08278419(A)―1996-10-22)给出了一种铌酸锂晶体芯光纤的制备方法，该方法是利用外延生长技术在单晶光纤表面生长一层低折射率氧化物单晶包层。在该晶体光纤制备方法中，外延层氧化物熔点必须比单晶光纤熔点低，同时受外延层熔体、提拉机构等限制，生长的晶体光纤较短，且外径尺寸较大。还有，如美国专利(Method of cladding singlecrystal optical fiber,Patent Number,5077087；Claddings for single crystaloptical fibers and devices and methods and apparatus for making suchcladdings,Patent Number,5037181)描述了一种掺杂铌酸锂单晶光纤的制备方法，该方法通过高温处理使得涂覆在单晶光纤表层的氧化物涂层扩散进入到光纤中，起到降低单晶光纤表面层折射率。在该晶体光纤制备方法中，晶体光纤包层中离子呈抛物线分布，其包层折射率分布由外至内也会逐渐递减，会导致光纤损耗增加。另外，这种方法可控性差，扩散程度不均匀，扩散深度不宜控制，产品性能稳定性较差。此外，中国专利(一种微结构包层单晶光纤及制备方法，CN102298170A；一种具有布拉格结构包层单晶光纤及制备方法,CN102253445A)公开了一种微结构包层和晶体芯构成的单晶光纤制备方法。该方法为，首先制备出空心包层套，将微尺寸单晶体插入到空心包层套中，然后加热拉伸包层套使纤芯被包层套裹住，制成微结构包层单晶光纤。该光纤制备方法的缺点在于，其一，由于表面静电吸引作用，很难将长尺度的微单晶体插入到包层套微孔内；其二，石英玻璃软化温度点与晶体熔点的大差异，导致在拉伸包层套过程中出现纤芯熔体挥发产生不连续或缺失，以及石英溶解于纤芯熔体中，产生杂质污染和阻碍纤芯熔体的结晶过程，形成不了单晶体；其三，包层套拉伸温度梯度远高于促使纤芯熔体结晶形核、长大形成单晶的温度梯度力，不符合单晶生长的动力学条件。