CN101533124B - 一种平行阵列多芯光纤的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种平行阵列多芯光纤的制备方法。首先，将专门制备好的光纤芯插丝构件按一定长度分段截取，获得一组规格性能相同的光纤芯插丝；将一组光纤芯插丝紧密相邻并被夹持在两个高纯半柱形结构石英玻璃构件之间，组合在一起后插入高纯石英外套管内，构成平行阵列光纤芯光纤预制棒；所述的一组光纤芯的轴向与石英外套管轴向相同，且处于石英外套管端面直径位置上；将平行阵列光纤芯光纤预制棒一端用高温氢氧焰烧结封住，然后，将在光纤拉丝塔上拉制成平行阵列芯光纤；光纤拉丝过程中，在光纤预制棒的另一端、既非烧结端施加负压。其加工尺寸容易控制，加工工艺简便，因此整个光纤预制棒的制备所采用的工艺简便可靠，经济性好。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种光纤及光纤的制备方法，具体涉及一种平行阵列多芯光纤及其制备方法。
(二)背景技术
通常意义的多芯光纤是指一组轴向平行的多个光纤芯置于普通的光纤包层之中形成的光纤。这种多芯光纤的光学特性是通过将光导入多个光纤芯中实现的。一般情况下单个光纤芯的直径在几个微米到几十个微米之间，整根光纤的外径为125μm。为了得到所需的光纤传光特性，光纤预制棒的制作通常采用在普通的石英基体材料中沉积锗、磷等元素，实现其光纤芯的折射率高于光纤包层的折射率。近年来由于这种微结构多芯光纤的特殊光学特性，而引人瞩目。随着对微结构多芯光纤的理论研究与制备工艺技术的不断完善，为制造各种新型光纤传感器和光纤通信器件提供了新的技术途径。
制作多芯光纤的关键是每个单独的光纤芯要有相同的直径和精确的相互位置关系，这样才可以保证光学信号在光纤中的传输性能。为解决上述问题，美国专利(Method of Manufacturing a Multicore Optical Fiber，United StatesPatent，Patent Number 5,792,233，1998)提出了一种多芯光纤及其预制棒的制作方法，该方法采用将多个单芯光纤预制棒整合在一起形成一个多芯光纤预制棒，并将多芯光纤预制棒拉制成多芯光纤。单芯光纤预制棒经过抛光组合后，增强了多芯定位精度，并将其多芯定位误差限制在1.5μm以内。每一个单芯预制棒采用了改进气相沉积的方法(MCVD法)，其芯径为1.4mm，其外径为8mm。该发明的问题在于，当多个单芯预制棒组合在一起时最终制成的预制棒直径达到200mm。如果每一个单芯预制棒的直径过大，制备的多芯光纤的芯数有限。并且单芯预制棒数量增多时其融合定位有很大困难。这种大尺寸的多芯光纤预制棒制作工艺和条件要求较高，只能适用于大型拉丝设备条件。
美国专利(Multicore Glass Optical Fiber and Methods of Manufacturingsuch Fibers，United States Patent，Patent Number6,154,594，2000)给出了多芯光纤的制作方法，该方法提出了截面形状为圆形、椭圆形及其它形状的多芯光纤的制作法，该方法制作的光纤低衰减、高带宽、抗噪性强，成本较低，主要适用于光纤通信器件。上述方法采用了在多个单芯光纤预制棒的外面套管的方法，可以制成例如19芯单芯直径5.23μm的多芯光纤或者85芯单芯直径3.7um的多芯光纤等。该方法的单芯预制棒采用了OVD沉积的方法，并适当插入纯石英玻璃填充料用于多芯光纤预制棒的内部定位。上述多芯光纤制作方法的工艺复杂，制作难度大。
美国专利(Method for Producing Parallel Arrays of Fibers，UnitedStates Patent，Patent Number7,209,616 B2，2007)涉及一种平行阵列光纤，该方法采用了专用的拉丝收盘定位装置，将拉出的整盘光纤二次制作为光纤预制棒，以拉出光子晶体光纤(或者毛细管型光纤、或者多孔光纤、或者微结构多芯光纤阵列)。其光纤预制棒的制作，需要有专门的光纤定位装置，工艺复杂。
其它方法例如欧洲专利(Methods of Producing Multi core Fibers，European Patent Specification，Patent Number0,151,804B1)将多个单芯光纤预制棒按照一定空间角度排列直接拉出平板多芯光纤或者星型多芯光纤，工艺方法简单，但是其光纤受其工艺方法限制多芯数量有限。
类似制作的多芯光纤国内也有相关文献报道，例如中国电子科技集团公司四十六所刘笑东等人(光纤光栅用PCF的制备，光纤与光缆及其应用技术，2007年5期)采用光子晶体光纤制作光纤光栅。这种光子晶体光纤(PCF)的制作过程工艺复杂，对制备光纤的要求和条件很高，制备难度大。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可应用于新型光纤传感器和光纤通信器件的一种平行阵列多芯光纤。本发明的目的还在于提供一种可以降低光纤预制棒的制作难度，解决多芯光纤制作的经济性问题的平行阵列多芯光纤的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的一种平行阵列多芯光纤由涂层、包层、一组光纤芯构成，所述的一组光纤芯是一组规格性能相同、平行布置的光纤芯。
本发明的平行阵列多芯光纤的制备方法为：
首先，将制备好的光纤芯插丝构件按一定长度分段截取，获得一组规格性能 相同的光纤芯插丝；将一组光纤芯插丝紧密相邻并被夹持在两个高纯半柱形结构石英玻璃构件之间，组合在一起后插入高纯石英外套管内，构成平行阵列光纤芯光纤预制棒；所述的一组光纤芯的轴向与石英外套管轴向相同，且处于石英外套管端面直径位置上；将平行阵列光纤芯光纤预制棒一端用高温氢氧焰烧结封住，然后，将在光纤拉丝塔上拉制成平行阵列芯光纤；光纤拉丝过程中，在光纤预制棒的另一端、既非烧结端施加负压。
本发明的制备方法还可以包括：
1、所述的光纤芯插丝构件有相同的折射率分布和相同的材料特性，而且光纤芯具有相同的芯径尺寸和相同的包层尺寸。
2、所述的两个高纯半柱形石英构件是在玻璃切割机上将一根高纯石英玻璃棒沿其端面直径方向上切割开，并研磨其切割表面得到的两个D型几何结构石英玻璃棒。
3、所述的一组光纤芯插丝构件紧密相邻并被夹持在两个D型半柱形结构石英玻璃构件之间，是两个半柱形结构石英玻璃构件的外径正好等于高纯石英外套管内径，一组光纤芯与两个高纯D型几何结构石英玻璃棒与高纯石英玻璃外套管之间的几何尺寸紧密地配合在一起。
4、所述的两个高纯D型形结构石英玻璃棒与高纯石英玻璃外套管，均为具有相同性能的优质石英材料。
5、对高纯石英玻璃外套管、两个高纯D型几何结构石英玻璃棒和一组光纤芯插丝构件做酸腐蚀和1100度高温抛光的综合洁净处理。
与现有技术相比本发明具有非常显著的效果：
(1)所采用的一组光纤芯是由光纤芯插丝构件分段截取得到的，这就可以保证拉出的平行阵列多芯光纤的每一根光纤芯的折射率形同，芯层与包层尺寸相同，光学性能相同，避免了已有技术中采用化学沉积方法制备单个光纤芯预制棒的复杂过程及其每个纤芯折射率的不一致性。
(2)阵列光纤芯在光纤拉丝之后的定位关系精确，克服了拉丝过程中光纤芯的变形，多个光纤芯之间位置关系的不确定性与光学参数的不稳定的问题。因此本发明方法具有制造工艺简单、成本低、可实现性好的优点。
(3)对于光纤预制棒的制备，高纯石英外套管、高纯石英玻璃棒均为规格 标准的制成品，便于取材。切割高纯石英玻璃棒制成的两个高纯D型半柱形石英棒和并研磨其切割表面，其加工尺寸容易控制，加工工艺简便，因此整个光纤预制棒的制备所采用的工艺简便可靠，经济性好。
(4)对于平行阵列多芯光纤预制棒的制备，可以根据需要灵活的设计光纤芯构件、D型半柱形石英棒、石英管的尺寸。采用这种方法可在光纤拉丝塔上拉出芯径为几个微米到几十微米的平行阵列多芯光纤。
(四)附图说明
图1是平行阵列多芯光纤预制棒截面结构示意图。
图2是平行阵列多芯光纤折射率分布图。
图3平行阵列多芯光纤示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，平行阵列光纤预制棒的制备过程是：首先用玻璃切割机将高纯石英玻璃棒沿着直径方向对半切开，得到两个半圆柱石英玻璃棒。然后研磨两个石英玻璃棒的被切割表面，形成两个D型玻璃石英棒1。两个D型玻璃棒被研磨掉的尺寸应该是相同的，而且这两个D型玻璃棒被研磨掉的尺寸之和应等于要插入的光纤芯构件直径。取专门制备好的光纤插芯构件，分段截取相同长度若干段光纤芯构件。在两个D型玻璃棒之间排满光纤芯构件2，使光纤芯构件排成一个平面阵列。将组合好的两个D型玻璃棒与一组阵列光纤芯构件插入外层的石英玻璃管3中，两个D型玻璃棒的外形尺寸正好等于石英玻璃管内径，紧密配合。如果一组阵列光纤芯的尺寸略小于，石英玻璃管的内径尺寸，则用与石英玻璃棒材料相同的石英玻璃丝4，挤住余下的空隙。由于两个D型半圆柱石英玻璃棒、一组光纤芯(可能包含两端的石英玻璃丝)、外层石英玻璃管之间的紧密配合，可以保证一组光纤芯之间的相互位置精度。外层石英玻璃管、两个D型玻璃棒和要插入的一组光纤芯在组棒之前要经过浓度为40％的氢氟酸酸蚀，然后加1100度高温抛光处理，去除灰尘杂质及表面缺陷等，最后是在超净条件下实施组棒。组棒完成后要用高温氢氧焰对预制棒一端做烧结处理，完成平行阵列芯光纤预制棒的制备。
将制备好的平行阵列芯光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉丝，拉出所需的平行阵 列多芯光纤。在拉丝过程中要在光纤预制棒的另一端连接抽真空系统，使预制棒内部保持一定的负压。由于两个D型半圆柱石英玻璃棒与外层石英玻璃管均为相同高纯石英材料，在高温下共同融合光纤包层，所以处在熔融状态的圆形光纤芯将自动填充光纤预制棒内部所余空隙进而在拉丝过程中拉成端面直径上的平行阵列芯光纤。如图2所示，(11)为平行阵列光纤芯，(12)为包层。
实施相同的方式，可以选取不同尺寸的光纤芯构件、两个D型半圆柱石英玻璃棒、外层石英玻璃管来制备平行阵列芯光纤预制棒。在光纤拉丝塔上拉出纤芯尺寸不同而具有相同包层尺寸的任意直径的平行阵列光纤。所制备的平行阵列光纤的折射率分布如图3所示。n1为纤芯折射率，n0为包层折射率。
Claims (5)
1.一种平行阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：首先，将制备好的光纤芯插丝构件按一定长度分段截取，获得一组规格性能相同的光纤芯插丝；将一组光纤芯插丝紧密相邻并被夹持在两个高纯半柱形结构石英玻璃构件之间，组合在一起后插入高纯石英外套管内，构成平行阵列光纤芯光纤预制棒；所述的一组光纤芯插丝的轴向与石英外套管轴向相同，且处于石英外套管端面直径位置上；将平行阵列光纤芯光纤预制棒一端用高温氢氧焰烧结封住，然后，将在光纤拉丝塔上拉制成平行阵列芯光纤；光纤拉丝过程中，在平行阵列光纤预制棒的另一端、即非烧结端施加负压。
2.根据权利要求1所述一种平行阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：所述的光纤芯插丝有相同的折射率分布和相同的材料特性，而且光纤芯具有相同的芯径尺寸和相同的包层尺寸。
3.据权利要求2所述一种平行阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：所述的两个高纯半柱形结构石英玻璃构件是在玻璃切割机上将一根高纯石英玻璃棒沿其端面直径方向上切割开，并研磨其切割表面得到的两个D型几何结构石英玻璃棒。
4.据权利要求3所述一种平行阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：所述的两个高纯半柱形结构石英玻璃构件与高纯石英玻璃外套管，均为具有相同性能的石英材料。
5.据权利要求4所述一种平行阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：对高纯石英玻璃外套管、两个高纯半柱形结构石英玻璃构件和一组光纤芯插丝做酸腐蚀和1100度高温抛光的综合洁净处理。
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