一种光纤纤芯折射率调制方法

摘要

本发明提出了一种光纤纤芯折射率调制方法，包括利用管棒法制作光纤预制棒、利用石英光纤拉丝工艺将光纤预制棒拉制成高浓度掺杂氧化铝石英光纤、采用热处理方法制备析晶区域步骤。本发明采用了高压电极电弧放电和二氧化碳激光扫描两种热处理方法。本发明的基于析晶原理的折射率调制方法具有实现方法简单、性能稳定、折射率调制增量大等优点，可应用于制作长周期光纤光栅、光纤法布里‑珀罗谐振腔、全光纤马赫‑曾德干涉仪等。

权利要求

1.一种光纤纤芯折射率调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用管棒法制作光纤预制棒：套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为单晶蓝宝石棒；

步骤2：利用石英光纤拉丝工艺，将光纤预制棒拉制成高浓度掺杂氧化铝石英光纤(1)；

高浓度掺杂氧化铝石英光纤(1)由高浓度氧化铝掺杂二氧化硅纤芯(2)和纯二氧化硅包层(3)组成；

步骤3：制备析晶区域：对高浓度掺杂氧化铝石英光纤(1)的局部处理区域(4)进行快速热处理，在高浓度氧化铝掺杂二氧化硅纤芯(2)中形成析晶区域(5)。

其中高浓度掺杂氧化铝石英光纤纤芯折射率调制是由热处理制备析晶区实现。

2.根据权利1所述的光纤纤芯折射率调制方法，其特征在于：所述步骤3采用高压电极电弧放电热处理方法制备析晶区域，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤(1)置于高压电极电弧放电弧光中，按照设置的放电参数对局部处理区域(4)进行放电热处理，放电参数包括放电时间和放电强度。

3.根据权利1所述的光纤纤芯折射率调制方法，其特征在于：所述步骤3采用二氧化碳激光热处理方法制备析晶区域，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤(1)置于二氧化碳激光焦点处，通过激光束对光纤横向扫描，或控制激光输出脉宽，使得激光短时作用于光纤上，再通过改变扫描速度、脉冲时间及激光能量，对局部处理区域(4)进行激光热处理。

4.根据权利1所述的光纤纤芯折射率调制方法，其特征在于：所述步骤3采用火焰热处理方法制备析晶区域，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤(1)置于氢氧火焰微火炬处，通过横向移动光纤，使得微火炬短时作用于光纤上，再通过改变光纤移动速度、微火炬强度，对局部处理区域(4)进行火焰热处理。

说明书

一种光纤纤芯折射率调制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光纤纤芯折射率调制方法，属于光纤技术领域。

背景技术

[0002] 光纤器件有着抗电磁干扰、体积小、成本低、结构稳定等突出的优点，近十几年来受到了光纤技术领域的普遍关注，可实现光滤波器、光调制器、光传感器、光分束器等功能器件，在光纤通信、光纤传感、光纤激光等方面有着广泛的应用。大多全光纤器件的制备均依赖于光纤局域折射率的调制，即改变光纤纤芯局域折射率，典型的器件有：光纤光栅、光纤法布里-珀罗谐振腔、光纤马赫-曾德干涉仪等。

[0003] 随着光纤器件制作的需要，人们提出并研究了多种纤芯折射率调制机理及方法。目前在制作长周期光纤光栅领域提出的光纤折射率调制机理主要有应力释放、光纤纤芯与包层的扩散、玻璃结构的改变、机械形变、微结构光纤塌陷等。长周期光纤光栅利用了折射率的周期性调制形成较强的谐振峰，调制机理如上述所示，或者是上述几种机理的结合。制作光纤法布里-珀罗谐振腔、光纤马赫-曾德干涉仪等器件，引起折射率调制的方法目前主要有熔接不同折射率的光纤或膜片、飞秒激光加工、二氧化碳激光器加工、在光纤中形成空气腔等。结合上述几种光纤纤芯折射率调制方法考虑，其中除了熔接不同折射率的光纤或膜片和在光纤中产生一个空气腔的方法，其余方法引起的折射率调制系数均较小，若折射率调制系数过低，就容易受外界因素的影响而被擦除，无法达到稳定的要求。但是熔接不同折射率的光纤或膜片和在光纤中产生一个空气腔的方法，又加大了对制作工艺的要求。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提出一种新的实现光纤纤芯折射率调制方法。

[0005] 为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0006] 一种光纤纤芯折射率调制的方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1：利用管棒法制作光纤预制棒：套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为单晶蓝宝石棒；

[0008] 步骤2：利用石英光纤拉丝工艺，将光纤预制棒拉制成高浓度掺杂氧化铝石英光纤；高浓度掺杂氧化铝石英光纤由高浓度氧化铝掺杂二氧化硅纤芯和纯二氧化硅包层组成；

[0009] 步骤3：制备析晶区域：对高浓度掺杂氧化铝石英光纤的局部处理区域进行快速热处理，在高浓度氧化铝掺杂二氧化硅纤芯中形成析晶区域。

[0010] 所述步骤3采用高压电极电弧放电热处理方法制备析晶区域，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤置于高压电极电弧放电弧光中，按照设置的放电参数对局部处理区域进行放电热处理，放电参数包括放电时间和放电强度。

[0011] 所述步骤3采用二氧化碳激光热处理方法制备析晶区域，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤置于二氧化碳激光焦点处，通过激光束对光纤横向扫描，或控制激光输出脉宽，使得激光短时作用于光纤上，再通过改变扫描速度、脉冲时间及激光能量，对局部处理区域进行激光热处理。

[0012] 所述步骤3采用火焰热处理方法制备析晶区域，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤置于氢氧火焰微火炬处，通过横向移动光纤，使得微火炬短时作用于光纤上，再通过改变光纤移动速度、微火炬强度，对局部处理区域进行火焰热处理。

[0013] 采用上述技术方案，产生的有益效果在于：

[0014] 本发明通过对光纤进行快速热处理析晶的方法来改变光纤纤芯的折射率，具有实现方法简单、性能稳定、折射率调制增量大等优点，可应用于制作长周期光纤光栅、光纤法布里-珀罗谐振腔、光纤马赫-曾德干涉仪等光纤器件中。

附图说明

[0015] 图1是本发明的流程图；

[0016] 图2是本发明中出现的析晶现象示意图。

[0017] 图3是本发明实施例一中的折射率调制区域显微照片；

[0018] 图4是本发明实施例二中的折射率调制区域显微照片；

[0019] 其中：1-高浓度掺杂氧化铝石英光纤，2-纤芯，3-包层，4-局部处理区域，5-析晶区域。

具体实施方式

[0020] 实施例一：

[0021] 参见图1和图2，一种光纤纤芯折射率调制方法，包括以下步骤：

[0022] 步骤1：利用管棒法制作光纤预制棒：套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为单晶蓝宝石棒；

[0023] 步骤2：利用石英光纤拉丝工艺，将光纤预制棒拉制成高浓度掺杂氧化铝石英光纤1；高浓度掺杂氧化铝石英光纤1由纤芯2和包层3组成；纤芯2为高浓度氧化铝掺杂二氧化硅，包层3为纯二氧化硅；

[0024] 步骤3：制备析晶区域：对高浓度掺杂氧化铝石英光纤1的局部处理区域4进行快速热处理，在高浓度氧化铝掺杂二氧化硅纤芯2中形成析晶区域5。

[0025] 所述步骤3采用高压电极电弧放电热处理方法制备析晶区域，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤1置于高压电极电弧放电弧光中，按照设置的放电参数对局部处理区域4进行放电热处理，放电参数包括放电时间和放电强度。

[0026] 本发明通过高压电极电弧放电对高浓度掺杂氧化铝石英光纤进行热处理，制备析晶区域，从而实现纤芯折射率的调制。

[0027] 本实施例中，纤芯2直径为18μm，包层3直径为125μm。

[0028] 本实施例将高浓度掺杂氧化铝石英光纤1的局部处理区域4中心置于两高压电极之间，通过对两电极施加高压电脉冲，产生电弧放电，弧光作用于高浓度掺杂氧化铝石英光纤，实现放电热处理。

[0029] 参见图3，高浓度掺杂氧化铝石英光纤1经过高压放电热处理后，局部处理区域4的纤芯会出现明显的析晶现象，其透光性下降，通过光学显微镜观测，析晶区域5较未处理处的纤芯透光性下降。

[0030] 本发明的机理为通过热处理方法使纤芯2的材料的析晶效应致使高浓度掺杂氧化铝石英光纤1的折射率改变。纤芯2在局部热处理过程中，经历快速升温和降温过程，经历从固态转变为熔融态又转变为固态的过程，将均匀分布的纳米级氧化铝掺杂转变为亚微米级氧化铝晶体掺杂。在热处理工艺之前，高浓度氧化铝掺杂石英光纤的纤芯为无定形非晶态，纤芯中氧化铝呈纳米级掺杂状态，均匀的分布在二氧化硅基底中。在快速升温后，纤芯材料转变为熔融状态，此时氧化铝粘度较小，受到分子间作用力的影响后，氧化铝纳米粒子迅速聚集形成大颗粒氧化铝晶体。降温后，生长后的氧化铝颗粒就镶嵌在纤芯中，从而实现热处理析晶现象。非晶态是一种不定形态，排列无序，晶态是一种定性态，排列有序。在析晶过程中，局域氧化铝分子重新排列，由杂乱无章转变为局域有序的结构，局域材料密度增加，同时折射率也相应地增大。在本实施例中，拉制后的高浓度掺杂氧化铝石英光纤1的纤芯折射率为1.53，经过析晶调制后，折射率增加0.01，纤芯折射率变为1.54。

[0031] 实施例二：

[0032] 本实施例与实施例一的区别在于所述步骤3采用二氧化碳激光热处理方法制备析晶区域5，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤1置于二氧化碳激光焦点处，通过激光束对光纤横向扫描，或控制激光输出脉宽，使得激光短时作用于光纤上，再通过改变扫描速度、脉冲时间及激光能量，对局部处理区域4进行激光热处理。

[0033] 参见图4，高浓度掺杂氧化铝石英光纤1经过使二氧化碳激光热处理后，被处理区域4的光纤纤芯会出现明显的析晶现象，其透光性下降，通过光学显微镜观测，析晶区域5较未处理处的光纤纤芯，透光性下降。

[0034] 实施例三：

[0035] 本实施例与实施例一的区别在于所述步骤3采用火焰热处理方法制备析晶区域，将高浓度掺杂氧化铝石英光纤1置于氢氧火焰微火炬处，通过横向移动光纤，使得微火炬短时作用于光纤上，再通过改变光纤移动速度、微火炬强度，对局部处理区域4进行火焰热处理。高浓度氧化铝掺杂光纤在经历快速升温和快速降温的过程后，会出现明显的析晶现象。

[0036] 在拉丝过程中，由于熔融的二氧化硅与融化的单晶蓝宝石材料发生相互扩散，拉制出的纤芯2材料为高浓度氧化铝掺杂的二氧化硅，包层3材料仍为纯二氧化硅，透析晶区域5的折射率发生明显增大，折射率调制增量约为0.01，同时析晶区域的透光性下降。