【文章內(nèi)容簡介】 出各種性能不同光纖的預(yù)制棒，如大數(shù)值孔徑、高雙折射、高非線性光纖預(yù)制棒。不過，所有的這些設(shè)計能否實現(xiàn)，還必須有賴于毛細(xì)管排列的緊密性，緊密結(jié)構(gòu)能使拉制過程中的表面張力分布均勻，從而保證拉制出完善的PCF 結(jié)構(gòu)。 采用的堆積方法是把毛細(xì)管排到一跟長 20 cm 、直徑為 2 cm 的空管中。這種堆積方法，要保持毛細(xì)管排列緊湊難度很高。如果采用的是完全規(guī)則的六邊形管，那么在堆積時就很容易形成緊密排列。但是，實際情況下，由于熔融玻璃具有表面收縮力，因此拉制出的六邊形毛細(xì)管都是圓角的，因而在堆積時引入了額外的空氣隙。這些空氣隙出現(xiàn)在三個管／棒相交的極小區(qū)域的中心，因此它們被稱為間隙孔。如果采用圓形毛細(xì)管，那么在堆積過程中必定存在間隙孔。在拉制過程中發(fā)現(xiàn)，這些間隙孔的表面收縮力對其周圍的三個管／棒形狀影響很大。其纖芯會發(fā)生不規(guī)則的變化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可以通過圖 34 來說明，實芯棒和毛細(xì)管的大小設(shè)計不合理，從而堆積過程中實芯棒與周圍的毛細(xì)管排列形成的間隙孔分布不均勻。圖中間隙孔 2 的表面積比間隙孔 1 的表面積要大得多，因而在拉制過程中間隙孔 2 的與間隙孔 1 的收縮力不同，最終導(dǎo)致纖芯發(fā)生不規(guī)則形變。燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文)這種堆積方法另一個缺陷是容易造成預(yù)制棒縱向不均勻。在排管過程中發(fā)現(xiàn)預(yù)制棒中毛細(xì)管的排布會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，最終會使得拉制出的光纖縱向出現(xiàn) 纖芯毛細(xì)管空氣孔 1空氣孔 2圖 34 不規(guī)則纖芯結(jié)構(gòu)的分析說明圖扭曲。此外，向大玻璃管中塞毛細(xì)管的做法，很難保證預(yù)制棒中間部分排列緊湊。當(dāng)向大管中塞入毛細(xì)管時，越是靠近大管中間越難，這說明預(yù)制棒縱向己經(jīng)不均勻，有的區(qū)域空隙大而有的區(qū)域空隙小。初步分析是由于用于拼裝的毛細(xì)管的尺寸并不是嚴(yán)格一致的，即縱向均勻性并不是很好。為了得到完美結(jié)構(gòu)的 PCF，必須改進(jìn)預(yù)制棒制造方法的改進(jìn)。由于堆積法有利于實現(xiàn)許多不同結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒，具有高度的靈活性的特點，因而首先考慮的是如何改進(jìn)堆積法。提出的一個方案是設(shè)計一套排列毛細(xì)管的工具，這套工具能很好地解決上述方法中縱向不均勻的缺點。另一個方案是，用擠壓法制備預(yù)制棒，擠壓法的優(yōu)勢在于容易獲得結(jié)構(gòu)非常好的預(yù)制棒，其缺點是靈活性差。目前，這兩種方法正處于實驗階段，還需要不斷的實驗加以改進(jìn)，期待著獲得明顯的進(jìn)展。 拉絲對加工后的光纖預(yù)制棒的表面進(jìn)行酸處理，并清洗、烘干。將其夾持在拉絲塔送棒機(jī)構(gòu)上送入石墨電阻爐中，在 2022℃的高溫下將棒加熱至熔融狀態(tài)，拉制成直徑符合要求的光纖。光纖的直徑由絲徑測控儀測量，通過對熔棒溫度、送棒速度和牽引速度的調(diào)整來保證絲徑的波動不超過規(guī)定的偏差。因拉制出的光纖內(nèi)包層結(jié)構(gòu)要刀過對稱，溫度太高會出現(xiàn)較大的變形，所以該光纖預(yù)制件的拉絲溫度要比保偏光纖低。具體溫度范圍為第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過程 1950℃左右。在線涂覆低折射率的紫外光固化涂料作為光纖的外包層；涂覆高折射率的紫外光固化涂料作為光纖的保護(hù)涂層。使光纖保持一定的強(qiáng)度和柔韌性。光纖拉制塔的工藝示意圖如 35 所示 [16]，其實物圖見圖 36。圖 35 拉絲工藝示意圖燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文) (a)拉絲塔上部 (b)拉絲塔下部圖 36 光纖拉制塔實物圖 測試對拉制的光纖進(jìn)行性能參數(shù)測試，主要測量：幾何結(jié)構(gòu)和尺寸、數(shù)值孔徑、截止波長和吸收系數(shù)等。根據(jù)試驗的情況，我們劉工藝過程和參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)整，制備了不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，其光纖結(jié)構(gòu)如圖 37 所示。 拉制技術(shù)的研究預(yù)制棒的拉制是制備 PCF 過程中最關(guān)鍵，也是最難控制的一步。拉絲時間( 直觀反映為送棒速度)、拉絲速度和拉絲溫度這三個工藝參數(shù)及其之間的關(guān)系和匹配程度是所要研究的內(nèi)容首先將預(yù)制棒放置到傳統(tǒng)光纖拉制塔中加熱到 1900OC 左右，通過控制拉制速度拉制成不同尺寸的 PCF。在這個溫度水平下拉絲主要考慮到表面張力，若低于此溫度，空氣孔就會發(fā)生塌陷。在 PCF 的制備過程中，發(fā)現(xiàn)如果增加拉制時間(即降低送棒速度)，空氣孔會膨脹擴(kuò)大，因此拉制時第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過程 間和溫度成為精確控制 PCF 結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 36 所示，在拉絲過程中可基本保持圖 37 不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖截面圖原預(yù)制棒的折射率保持不變。拉絲過程中需要保持光纖直徑的均勻性，根據(jù)質(zhì)量守恒，有 (31)??pfVdD?2式中，D 為預(yù)制棒直徑；d 為光纖直徑； 為預(yù)制棒下降速度； 為fV光纖收絲速度。通過控制 和 來控制光纖的直徑， 一般為 30～1000 pVf fm/min。 拉制過程中溫度的影響拉制光子晶體光纖過程中，對溫度的控制顯得極為重要，因為玻璃的表面張力、粘度均受到溫度的影響。一般來說溫度升高，玻璃液表面張力和粘度都會減小。拉絲是靠玻璃液在一定高溫范圍內(nèi)，有一定合適的成型粘度范圍才能正常進(jìn)行的。低于此粘度范圍，玻璃液粘度太稀，會形成不連續(xù)的液滴而斷絲；高于此粘度范圍，玻璃液太稠，拉絲張力過大造成斷燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文)絲。因此在拉絲生產(chǎn)過程中，加熱爐的溫度一定要均勻，還要精密控制爐子的溫度。 拉制過程中表面張力的影響預(yù)制棒在拉制后之所以能保持完好的周期性孔分布，是與表面張力的作用密切相關(guān)的。對于傳統(tǒng)光纖，材料的粘滯力最為重要。但對于 PCF，由于表面面積很大而且材料空間很小，使得表面張力極為重要。在光子晶體光纖成型時，出口處的絲根會保持成新月形狀，新月形狀的形成是玻璃液的向上的表面張力和向下的粘性牽伸力平衡的結(jié)果。如果表面張力太大，而相對地講粘度太小，則由于向上的表面張力占優(yōu)勢而將絲根向回縮成液滴狀，中斷了纖維成形過程。因而，在拉制過程中希望表面張力盡可能低些。影響玻璃液表面張力的因素主要是溫度、玻璃成分和氣氛。(l)溫度對玻璃液表面張力的影響一般是隨著溫度升高，表面張力降低，兩者幾乎成線性關(guān)系。 (2)玻璃中各種組成氧化物對表面張力有不同的影響。物質(zhì)中互相之間吸引力愈小，表面張力也愈小。石英玻璃的表面不出現(xiàn) Si4+離子，只有那些形成完整程度不等的 四面體的氧離子，于是氧離子較大的極化率就4SiO決定了石英玻璃有較大的表面張力。 (3)表面張力既然是液相氣相界面上的一種物理現(xiàn)象，所以氣氛同樣對表面張力有影響。例如，有的研究者研究了玻璃在不同介質(zhì)氣氛下的表面張力，發(fā)現(xiàn)空氣中有水汽存在時能顯著降低表面張力。因比在比較先進(jìn)的拉絲工藝中，都注意到要向絲根區(qū)供送一定溫度和飽和濕度的冷空氣以降低并穩(wěn)定表面張力此外，表面張力與空氣孔尺寸成非線性關(guān)系，但是要精確模擬空氣孔的收縮的變形需要采用流體動力學(xué)分析石英在拉制表面張力的影響。對于預(yù)制棒中的間隙孔，由于同年它們的尺寸比空氣孔小的多，因而在拉制過程的早期就塌陷了。第 3 章 摻鐿光子晶體光纖制備過程 拉制過程中張力的影響處于成型粘度下的玻璃液是一種粘性很大的熱塑性物質(zhì)。將這種粘性物質(zhì)拉成細(xì)絲要克服粘性阻力、表面張力以及產(chǎn)生加速度而要克服的慣性力，這都需要做功，因而在光纖上形成張力。 張力與下列因素有關(guān)：在孔徑、溫度等條件不變情況下，拉絲速度越高，光纖直徑就越小，張力變大。因此，高速拉絲時，張力較大；玻璃粘度減小時，張力也變小，因此一般多在拉絲溫度范圍內(nèi)偏高一側(cè)進(jìn)行拉絲。在 PCF 拉制過程中，常常出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，使得整個工藝過程遭到破壞。實驗中發(fā)現(xiàn)造成斷絲的主要原因有以下幾個方面： (1)拉絲時下棒速度和制成的光纖之間不適應(yīng)。比如下棒速度較慢，會使得玻璃液供應(yīng)不足，光纖逐漸變細(xì)，當(dāng)其直徑過細(xì)時就產(chǎn)生斷絲。(2)在不適宜的粘度下拉制纖維。玻璃粘度高時，光纖中的張力增加并有可能超過其強(qiáng)度；玻璃粘度大大降低時，玻璃液過多，也會造成斷頭。(3)加熱爐溫度不均勻，有的部位溫度較低，在這種情況下，斷絲的原因，一方面是流出的玻璃液量不足，另一方面是由于玻璃波粘度太大，張力增加； 所以，采用溫度分布均勻的加熱爐，保持作業(yè)制度穩(wěn)定(溫度和拉制速度)就能保證克服成型過程中的斷絲率最小。 總之，由于 PCF 結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其制備要比傳統(tǒng)通訊光纖困難得多。想要精確控制所得光子晶體光纖的尺寸和結(jié)構(gòu)，還需要定量地分析拉制過程中各個參量的變化特性。 本章小結(jié)本章首先概述了 PCF 的拉制工藝，接著詳細(xì)描述了光纖預(yù)制棒制造過程中遇到困難及解決方法，然后定性地分析了拉制過程中溫度、表面張力、張力對 PCF 結(jié)構(gòu)的影響，最后介紹本研究小組拉制的幾種類型的微結(jié)構(gòu)光纖：包層具有無序孔穴分布的實芯或空芯光纖、包層具有周期性或準(zhǔn)周期性孔穴分布的實芯或空芯光纖以及集成式微結(jié)構(gòu)光纖燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文)第 4 章 摻鐿光子晶體光纖的特性分析及實驗 第 4 章 摻鐿光子晶體光纖的特性分析及實驗 實驗儀器簡介本次光纖特性分析中用到的儀器有：紅寶石筆式切割刀、光譜儀(AvaSpec2048)、鈦寶石飛秒激光器( 美國COHERENT 公司制造)、電視顯微鏡、激光器(JD3)、鹵燈光源(AvalightHal)，其實物圖如圖41所示。另外還有調(diào)節(jié)架、固定膠帶等。 (a)紅寶石筆式切割刀 (b)光譜儀 (c) 電視顯微鏡 (d) 半導(dǎo)體紅光激光器燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文) (e)鈦寶石飛秒激光器 (f) 鹵燈光源圖 41 實驗儀器圖主要儀器參數(shù)：AvaSpec2048型光纖光譜，儀采用對稱CzernyTurner光路設(shè)計，帶有2048個像素的CCD 探測器陣列。光譜儀包括光纖接頭、準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡和衍射光柵。測量波長范圍2001100 nm，積分時間 2毫秒到60秒，信噪比250：1，采樣速度17毫秒/每次掃描，數(shù)據(jù)傳輸速度 1431毫秒/每次掃描， nm。AvalightHal型鹵鎢燈光源，光譜范圍可見光和近紅外波段波長范圍 4002022 nm， 。鈦寶石飛秒激光器(美國COHERENT公司制造)，XWave寬帶腔鏡組，一套腔鏡覆蓋7001000 nm的調(diào)諧范圍， 對摻鐿光子晶體光纖損耗的研究 光子晶體光纖損耗概述光纖損耗大致可分為光纖具有的固有損耗以及光纖制成后由使用條件造成的附加損耗。具體細(xì)分如下：固有損耗包括散射損耗、吸收損耗和因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。附加損耗則包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗。其中，附加損耗是在光纖的鋪設(shè)過程中人為造成的。在實際應(yīng)用中，第 4 章 摻鐿光子晶體光纖的特性分析及實驗 不可避免地要將光纖一根接一根地接起來，光纖連接會產(chǎn)生損耗。光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會引起損耗。這些都是光纖使用條件引起的損耗。究其主要原因是在這些條件下，光纖纖芯中的傳輸模式發(fā)生了變化。附加損耗是可以盡量避免的。固有損耗中，散射損耗和吸收損耗是由光纖材料本身的特性決定的，在不同的工作波長下引起的固有損耗也不同。搞清楚產(chǎn)生損耗的機(jī)理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對于研制低損耗光纖，合理使用光纖有著極其重要的意義。 引起光纖損耗的因素光纖的損耗因素主要有吸收損耗、散射損耗和其他損耗。這些損耗又可以歸納為本征損耗、制造損耗和附加損耗等。本征損耗是指光纖材料固有的一種損耗，是無法避免的，它決定了光纖的損耗極限。石英光纖的本征損耗包括光纖的本征吸收和瑞利散射造成的損耗。本征吸收是石英材料本身固有的吸收，包括紅外吸收和紫外吸收。紅外吸收是由于分子震動引起的，它在1 500～1 700 mm波長區(qū)對光纖通信有影響；紫外吸收是由于電子躍遷引起的，它在700～1 100 mm波長區(qū)對光纖通信有影響。瑞利散射是由于光纖折射率在微觀上的隨機(jī)起伏所引起的，這種材料折射率的不均勻性使光波產(chǎn)生散射。瑞利散射在600～1 600 nm 波段對光纖通信產(chǎn)生影響。光纖制造損耗是在制造光纖的工藝過程中產(chǎn)生的，主要由光纖中不純成分的吸收(雜質(zhì)吸收) 和光纖的結(jié)構(gòu)缺陷引起。雜質(zhì)吸收中影響較大的是各種過渡金屬離子和OH 離子導(dǎo)致的光的損耗。其中OH 離子的影響比較大，它的吸收峰分別位于950 nm，1 240 mm和1 390 nm，對光纖通信系統(tǒng)影響較大。隨著光纖制造工藝的日趨完善，過渡金屬的影響已不顯著，最好的工藝已可以使OH離子在1390 ，甚至小到可忽略不計的程度。此外，光纖結(jié)構(gòu)的不完善也會帶來散射損耗。附加損耗是在光纖成纜之后出現(xiàn)的損耗，主要是由于光纖受到彎曲或微彎時，使得光產(chǎn)生了泄漏，造成光損耗。除上述3類損耗外，在光纖的使用中還會存在連接損耗、耦合損耗，如燕山大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文)果光纖中入射光功率超出某值時還會有非線性效應(yīng)帶來的散射損耗。 切斷法測量光纖損耗首先測出整盤光纖的輸出光功率 P2(?)。然后在微調(diào)節(jié)架之后切斷光纖(如圖 48 所示 )，測得短光纖的輸出光功率 P1(?)，則可得到光纖的衰減為：