專利名稱：金屬芯微結構光纖及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬芯微結構光纖及其制備方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有傳輸表面等離子波功能的金屬芯微結構光纖及其制備方法。
背景技術：
以光纖通信為主要支柱的下一代互聯(lián)網(wǎng)接入技術已經(jīng)徹底改變了信息的傳輸方式。光纖作為光纖通信技術的信息載體，近年來得到了迅猛的發(fā)展。各種各樣的光纖已廣泛應用于通信、高功率激光器，圖像傳輸和傳感器等多個領域。世界上普遍采用的石英光纖， 具有損耗低、傳輸頻帶寬、結構簡單和抗干擾能力強等特點。隨著納米光電子學的發(fā)展，光電子器件的集成度越來越高，光電子集成芯片的尺寸越來越小。目前電子電路的尺寸已經(jīng)發(fā)展到IOOnm以下，而傳統(tǒng)光纖的尺寸一般都在微米量級，兩者尺寸差別的懸殊使其無法兼容。由于光學衍射極限的存在，當光纖的直徑減小到跟波長相當量級時，光會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，損耗急劇增大，造成光波無法在其中傳輸。傳統(tǒng)光纖的局限性使其無法應用于納米光電子集成器件。
近年來興起的光子晶體光纖較傳統(tǒng)光纖有著諸多的優(yōu)勢，光子晶體光纖是在石英光纖中沿徑向均勻排列著空氣孔構成，依照空氣孔參數(shù)的不同，光波可以分別通過全內(nèi)反射和光子帶隙兩種不同的傳播機制在光子晶體光纖中傳輸。光子晶體光纖這種特殊的結構使光子晶體光纖具有了無休止單模傳輸、高非線性、色散平坦、光子帶隙等新穎的特性，也使光子晶體光纖在超連續(xù)譜、超寬色散補償、高功率光傳輸和光通信等方面有很大發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，光子晶體光纖的發(fā)展還面臨著制造工藝復雜，成本高等困難，光子晶體光纖的商業(yè)化還有待其進一步發(fā)展。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬芯微結構光纖及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題。
按照本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種金屬芯微結構光纖的制備方法，該方法包括下列步驟
使用石英玻璃制備空心毛細管；
將經(jīng)過表面處理的金屬棒放入一端封口的石英玻璃套管中，然后拉制出金屬芯毛細管；
制備光纖芯棒，并將制得的金屬芯毛細管規(guī)則排列在芯棒的周圍，金屬芯毛細管的外層規(guī)則排列所述空心毛細管；
將上述排列好的結構放入外套石英玻璃管，然后拉制出金屬芯微結構光纖。
作為進一步優(yōu)選地，用于制造所述石英玻璃套管和外套石英玻璃管的材料均為純石英玻璃。
作為進一步優(yōu)選地，對金屬棒的表面處理包括砂紙打磨、用稀硝酸去除表面雜質、去離子水沖洗和自然晾干等步驟。
作為進一步優(yōu)選地，所述光纖芯棒的材料為純石英或摻有共摻雜劑的石英，所述金屬棒的材料為金或銀或銅。
作為進一步優(yōu)選地，用于制備金屬芯毛細管的拉絲溫度為石英玻璃的軟化點溫度 +50°C 200°C左右；用于制備金屬芯微結構光纖的加溫拉絲溫度為石英玻璃的軟化點溫度+50°C 100°C左右。
作為進一步優(yōu)選地，所拉制出的金屬芯微結構光纖從內(nèi)到外依次包括芯層、規(guī)則排列在芯層周圍并由多個金屬芯構成的內(nèi)包層，以及規(guī)則排列在內(nèi)包層的外圍并由多個空氣孔構成的外包層。
作為進一步優(yōu)選地，所述金屬芯在光纖徑向上規(guī)則排列在芯棒的周圍，例如在光纖徑向上排列成正六邊形、正方形、等邊三角形或銳角為60°的菱形。
作為進一步優(yōu)選地，所述金屬芯微結構光纖中，所述金屬芯的直徑為500nm 3000nm，相鄰金屬芯之間的間距為600nm 4000nm。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種新型的金屬芯微結構光纖，該金屬芯微結構光纖從內(nèi)向外依次包括
芯層；
排列在芯層周圍、由多個金屬芯構成的內(nèi)包層；以及
排列在內(nèi)包層的外圍、由多個空氣孔構成的外包層；其中
所述金屬芯毛細管由經(jīng)過表面處理的金屬棒放入一端封口的石英玻璃套管中拉制而成。
作為進一步優(yōu)選地，所述芯層的材料為基質材料為純石英或摻有共摻雜劑的石英，所述金屬棒的材料為金或銀或銅。所述共摻雜劑包括鍺、氟、磷化合物中的一種或者稀土離子如鉺、鐿、銩等中的一種或多種。
作為進一步優(yōu)選地，構成所述內(nèi)包層的金屬芯在光纖徑向上規(guī)則排列在芯棒的周圍，例如在光纖徑向上排列成正六邊形、正方形、等邊三角形或銳角為60°的菱形。
作為進一步優(yōu)選地，構成所述內(nèi)包層的金屬芯的橫截面為正六邊形或矩形。
作為進一步優(yōu)選地，在所述金屬芯微結構光纖中，所述金屬芯的直徑為500nm 3000nm，相鄰金屬芯之間的間距為600nm 4000nm。
按照本發(fā)明的金屬芯微結構光纖及其制備方法，通過用直徑為納米量級的金屬芯代替光子晶體光纖纖芯附近一層或者幾層的空氣孔，當進入光纖中的光子頻率與固有等離子體頻率接近時，大部分光子能夠與金屬表面的自由電子發(fā)生共振，電子振動產(chǎn)生表面等離子體波并沿著金屬-電介質表面向前傳播。表面等離子體波沿光纖軸向的傳播常數(shù)隨著光纖直徑的減小而不斷增大，這一特性使表面等離子體波能夠突破光波衍射極限的限制， 從而解決了光波無法在亞波長波導中傳播的問題。光載信號能夠以表面等離子體波的形式傳給金屬芯，而金屬芯作為一種導體可以與納米電子線路連接，金屬芯微結構光纖在納米光電子學以及其他光學信號處理領域有著特有的優(yōu)勢。


圖1為按照本發(fā)明用于制造金屬芯微結構光纖的方法流程圖2為按照本發(fā)明的實施例1的結構示意圖3為圖2中所示實施例1的模場分布圖4為圖2中所示實施例1的金屬芯直徑與對應的表面等離子體波的傳播距離曲線圖5為按照本發(fā)明的實施例2的結構示意圖6為圖5中所示實施例2的模場分布圖7為按照本發(fā)明的實施例3的結構示意圖8為圖7中所示實施例3的模場分布圖9為圖7中所示實施例3的金屬芯微結構光纖有效折射率隨波長變化的曲線圖10為按照本發(fā)明的實施例4的結構示意圖11為按照本發(fā)明的實施例5的結構示意圖12為按照本發(fā)明的實施例6的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明進行具體描述。
圖1為按照本發(fā)明用于制造金屬芯微結構光纖的方法流程圖。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種金屬芯微結構光纖的制備方法，該制備方法包括以下步驟
用石英玻璃制備兩端開口的空心毛細管；
將金屬棒用砂紙打磨光滑，并放在稀硝酸中浸泡適當時間以去除表面雜質，然后取出金屬棒，沖洗干凈后自然晾干；將經(jīng)過上述表面處理后的金屬棒例如金棒、銀棒或銅棒放入一端封口的石英玻璃套管中，然后通過拉絲加熱爐拉制出金屬芯毛細管；拉絲加熱爐的溫度可根據(jù)石英玻璃的軟化點來設定，例如設定為玻璃材料的軟化點溫度+50°C 200°C左右；
使用基質材料為純石英或摻有共摻雜劑的石英制備光纖芯棒，并將制得的金屬芯毛細管規(guī)則排列在芯棒的周圍，金屬芯毛細管的外層規(guī)則排列所述空心毛細管；
將上述排列好的結構一端燒結后放入一端封口的外套石英玻璃管，然后將該外套石英玻璃管懸置于拉絲加熱爐中。根據(jù)石英玻璃的軟化點設定加熱爐的加熱溫度，例如將該溫度設定為石英玻璃的軟化點溫度+50°C 100°C。啟動真空機組對外套玻璃管抽真空， 啟動加熱爐。在設定的溫度下拉制出外徑為100 μ m 200 μ m的金屬芯微結構光纖；
在上述操作步驟中，制造石英玻璃套管和外套石英玻璃管的材料均為純石英玻璃材料。
在上述操作步驟中，由于金屬芯微結構光纖中金屬芯規(guī)則排列在芯棒的周圍，保證了光纖中相鄰兩根金屬芯表面的等離子體波相互耦合，進而實現(xiàn)能量局域化，能量限制在相鄰金屬芯之間的背景材料中，使其有很強的抗干擾能力，不易產(chǎn)生串擾。該金屬芯微結構光纖具有較強的可控性，即可通過改變光纖中金屬芯的直徑和相鄰金屬芯間距，來調(diào)節(jié)金屬芯微結構光纖的限制能力和損耗之間的平衡，從而滿足不同的需求。由此，金屬芯微結構光纖作為一種新型結構的光纖，其中亞波長直徑的金屬芯結構的結構和光學特性在光電互聯(lián)，光纖傳感器等方面有獨特的優(yōu)點。
下面將參照附圖2-12分別來具體描述按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
實施例1
第一步用外徑為27. 5mm，壁厚10. 3mm的石英玻璃套管在1800°C下拉制成外徑為 1. 5mm,兩端開口的空心毛細管。
第二步將直徑為5mm，長30cm，純度為99. 99%的銀棒用砂紙打磨光滑，并放在稀硝酸中浸泡10 15分鐘以去除表面雜質，然后取出銀棒用去離子水沖洗干凈后自然晾干。將經(jīng)過上述表面處理后的銀棒放入一端封口的石英玻璃套管中，套管外徑為27. 5mm,內(nèi)面是邊長為4mm的正六邊形。然后，將放有銀棒的石英玻璃套管懸置于拉絲加熱爐中。在 1800°C下拉制出外徑為1. 5mm的銀芯毛細管。
第三步用外徑為1. 5mm的純石英玻璃棒作為芯棒，將6根通過上述第三步拉制的銀芯毛細管成正六邊形排列在芯棒周圍，外層排列第一步拉制的空心毛細管。
第四步將排列好的上述結構一端燒結使結構固定，放入外徑為90. 5mm，壁厚 36. 25mm，一端封口的外套石英玻璃管中。然后，將上述放有排列好結構的外套石英玻璃管懸置于拉絲加熱爐中。啟動真空機組對外套石英玻璃管抽真空，啟動加熱爐。在1800°C下拉制出外徑為125um的金屬芯微結構光纖。
圖2為按照本發(fā)明的實施例1的結構示意圖。如圖2中所示，金屬芯1的橫截面為正六邊形，其內(nèi)切圓直徑為500nm，空氣孔2的直徑為500nm，相鄰金屬芯間距為600nm，纖芯3的材料為純石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。
圖4為圖2中所示實施例1的金屬芯直徑與對應的表面等離子體波的傳播距離曲線圖。如圖4所示，當改變本示例中金屬芯的邊長使其內(nèi)切圓直徑在500nm 2000nm之間變化，而其它結構參數(shù)保持不變時，光纖中表面等離子體波的傳播距離也發(fā)生改變。從圖中可以看出，改變金屬芯的直徑就可以改變光纖的損耗從而影響表面等離子體波的傳播距離，而光纖的限制能力也會隨之改變。在按照本發(fā)明的所有實施例中，金屬芯的直徑范圍為 500 3000nm，相鄰金屬芯間距為600 4000nm。通過研究，當金屬芯的直徑和相鄰金屬芯間距在這兩個范圍內(nèi)時，金屬芯微結構光纖中表面等離子體波共振特性和帶隙等離子特性更加明顯。
通過研究，在金屬芯的直徑是相鄰金屬芯間距的50%或者大于50%的情況下，金屬芯的橫截面為正六邊形的金屬芯微結構光纖的限制能力明顯大于金屬芯的橫截面為圓形的金屬芯微結構光纖。
實施例2
圖5為按照本發(fā)明的實施例2的結構示意圖。在本實施例中，除第一步改用壁厚為11. 4mm的套管，第二步改用直徑3mm的金棒和第二步中的套管內(nèi)面是邊長為4. 8mm的正方形孔外，其它同實例1。
如圖5所示，拉絲制得的金屬芯的橫截面為矩形。金屬芯1的邊長和空氣孔2的直徑均為500nm，相鄰金屬芯的間距為3000nm，纖芯3的材料為純石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。
通過研究，當金屬芯的橫截面為矩形時，金屬芯微結構光纖的限制能力更強，并且對由制造工藝引起的結構不對稱有很高的容忍能力，在容忍范圍內(nèi)，金屬芯直徑變化對光纖的限制能力和損耗等性質影響很小。
圖6為圖5中所示實施例2的模場分布圖。
實施例3
圖7為按照本發(fā)明的實施例3的結構示意圖。除第一步改用壁厚為2. 4mm的套管， 第二步改用直徑IOmm的銀棒和第二步中的套管內(nèi)面是內(nèi)徑為22. 8mm的圓孔外，其它同實例1。
如圖7所示，金屬芯1和空氣孔2的直徑均為500nm，相鄰金屬芯間距為600nm，纖芯3的材料為純石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。
如圖8所示，為本實施例的模場分布圖。
如圖9所示，曲線m = 1 4分別為本示例光纖中單根銀線表面1 4階表面等離子體模式的有效折射率曲線圖，core mode曲線為去除金屬芯微結構光纖中的銀絲后的光子晶體光纖的有效折射率曲線圖。曲線交點對應的波長是表面等離子體的激發(fā)波長。
實施例4
圖10為按照本發(fā)明的實施例4的結構示意圖。除第一步改用壁厚為3. 4mm的套管，第二步改用直徑為IOmm的金棒，第二步中的套管內(nèi)面是內(nèi)徑為20. 5mm的圓孔外和第四步改用外徑為33mm內(nèi)面是邊長為18mm的正方形的外套石英玻璃管，用摻鍺的石英玻璃棒作為芯棒，金芯毛細管排成正方形外，其它同實例1。
如圖10所示，金屬芯1和空氣孔2的直徑均為1500nm，相鄰金屬芯的間距為 2000nm，纖芯3的材料為摻鍺石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。
實施例5
圖11為按照本發(fā)明的實施例5的結構示意圖。除第一步改用壁厚為6mm的套管， 第二步改用直徑為IOmm的金棒，第二步中的套管內(nèi)面是內(nèi)徑為15. 7mm的圓孔外和第四步改用外徑為26mm的外套石英玻璃管，用摻鐿的石英玻璃棒作為芯棒，金芯毛細管排成三角形外，其它同實例1。
如圖11所示，金屬芯1和空氣孔2的直徑均為2000nm，相鄰金屬芯的間距為 3500nm，纖芯3的材料為摻鐿的石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。
在本實施例中，摻有共摻雜劑石英的玻璃棒共摻雜劑還可以包括稀土離子如鉺、 鐿、銩等中的一種或多種。通過研究，當纖芯中摻雜稀土離子時，稀土離子作為增益材料，能夠補償表面等離子體波的部分損耗，使表面等離子體波傳播距離更長。
實施例6
圖12為按照本發(fā)明的實施例6的結構示意圖。除第一步改用壁厚為3. 4mm的套管，第二步改用直徑為IOmm的銅棒，第二步中的套管內(nèi)面是內(nèi)徑為20. 5mm的圓孔外和第四步改用外徑為22mm的外套石英玻璃管，用摻鉺的石英玻璃棒作為芯棒，金芯毛細管排成銳角為60°的菱形外，其它同實例1。
如圖12所示，金屬芯1和空氣孔2的直徑均為3000nm，相鄰金屬芯的間距為 4000nm，纖芯3的材料為摻鉺的石英玻璃，外層4的材料為純石英玻璃。
本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權利要求
1.一種金屬芯微結構光纖的制備方法，該方法包括下列步驟使用石英玻璃制備空心毛細管；將經(jīng)過表面處理的金屬棒放入一端封口的石英玻璃套管中，然后拉制出金屬芯毛細管；制備光纖芯棒，并將制得的金屬芯毛細管規(guī)則排列在芯棒的周圍，在金屬芯毛細管的外層規(guī)則排列所述空心毛細管；將上述排列好的結構放入外套石英玻璃管，然后拉制出金屬芯微結構光纖。
2.如權利要求1所述的金屬芯微結構光纖的制備方法，其特征在于，所述光纖芯棒的材料為純石英或摻有共摻雜劑的石英，所述金屬棒的材料為金或銀或銅。
3.如權利要求1或2所述的金屬芯微結構光纖的制備方法，其特征在于，所拉制出的金屬芯微結構光纖從內(nèi)到外依次包括芯層、規(guī)則排列在芯層周圍并由多個金屬芯構成的內(nèi)包層，以及規(guī)則排列在內(nèi)包層的外圍并由多個空氣孔構成的外包層。
4.如權利要求3所述的金屬芯微結構光纖的制備方法，其特征在于，在所述金屬芯微結構光纖中，所述金屬芯在光纖徑向上規(guī)則排列在芯棒的周圍并在光纖徑向上排列成正六邊形、正方形、等邊三角形或銳角為60°的菱形，所述金屬芯的直徑為500nm 3000nm，相鄰金屬芯之間的間距為600nm 4000nm。
5.一種金屬芯微結構光纖，該金屬芯微結構光纖從內(nèi)向外依次包括芯層；規(guī)則排列在芯層周圍、由多個金屬芯構成的內(nèi)包層；以及規(guī)則排列在內(nèi)包層的外圍、由多個空氣孔構成的外包層；其中所述金屬芯由經(jīng)過表面處理的金屬棒放入一端封口的石英玻璃套管中拉制而成。
6.如權利要求5所述的金屬芯微結構光纖，其特征在于，所述芯層的材料為基質材料為純石英或摻有共摻雜劑的石英，所述金屬棒的材料為金或銀或銅。
7.如權利要求6所述的金屬芯微結構光纖，其特征在于，共摻雜劑包括鍺、氟、磷化合物中的一種或者稀土離子如鉺、鐿、銩等中的一種或多種。
8.如權利要求5-7任意一項所述的金屬芯微結構光纖，其特征在于，構成所述內(nèi)包層的金屬芯在光纖徑向上規(guī)則排列成正六邊形、正方形、等邊三角形或銳角為60°的菱形。
9.如權利要求5-8任意一項所述的金屬芯微結構光纖，其特征在于，構成所述內(nèi)包層的金屬芯的橫截面為正六邊形或矩形。
10.如權利要求5-9任意一項所述的金屬芯微結構光纖，其特征在于，在所述金屬芯微結構光纖中，所述金屬芯的直徑為500nm 3000nm，相鄰金屬芯之間的間距為600nm 4000nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬芯微結構光纖及其制備方法，該方法包括下列步驟使用石英玻璃制備空心毛細管；將經(jīng)過表面處理的金屬棒放入石英玻璃套管中，然后拉制出金屬芯毛細管；使用基質材料為純石英或摻有共摻雜劑的石英制備光纖芯棒，并將制得的金屬芯毛細管排列在芯棒的周圍，金屬芯毛細管的外層排列所述空心毛細管；將上述排列好的結構放入一端封口的外套石英玻璃管，然后拉制出金屬芯微結構光纖。按照本發(fā)明的金屬芯微結構光纖及其制備方法，解決了光波無法在亞波長波導中傳播的問題，并可以實現(xiàn)與納米電子線路的連接。
文檔編號G02B6/036GK102515507SQ20111040554
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權日2011年12月8日
發(fā)明者嚴皓哲, 彭景剛, 戴能利, 李海清, 李進延, 楊旅云, 蔣作文 申請人:華中科技大學