CN101852889A - 一种变周期型阵列多芯光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种变周期型阵列多芯光纤及其制备方法。变周期型阵列多芯光纤由涂层、包层、光纤芯组构成，所述的光纤芯组包含两种或者两种以上的光纤芯，所述光纤芯按照周期性结构布置构成阵列光纤芯。该光纤具有折射率周期性变化的多种光纤芯结构，可用于制备新型的光纤传感器。该种光纤的纤芯性能可实现两种以上的周期性变化纤芯，且纤芯尺寸、位置设计灵活，纤芯之间定位精度高，加工工艺简便可靠，经济性好，易于实现。

Description

一种变周期型阵列多芯光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种光纤。本发明也涉及一种光纤的制备方法。

背景技术

普通的光纤其构造为纤芯与包层，包层结构紧紧围绕着光纤芯，包层的折射率通常低于纤芯。其制备过程可以分为两个步骤：光纤预制棒的制备和光纤拉丝过程。采用堆积法制备的多芯光纤其制备过程大致采用将不同化学工艺制备的光纤芯棒按照一定的方式紧密的堆积在一起，套上石英玻璃管，制备出多芯光纤预制棒；然后在光纤拉丝塔上拉制出所需的多芯光纤。近年来由于多芯光纤所具有的特殊光学特性，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。

中国专利(一种平行阵列多芯光纤及其制备方法，公开号CN 101533124A)给出了一种平行阵列型多芯光纤及其光纤预制棒的制备方法。该光纤预制棒的制备方法采用沿直径方向切割开高纯石英玻璃棒，制成两个D型半柱形石英棒，并在两个D型半柱形石英棒之间阵列放置光纤芯，组合后外套石英玻璃管。由于单根光纤芯原料都是相同的，因此所制备出的平行阵列多芯光纤其每个光纤芯具有相同的光学性能，而且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不稳定的问题等。该光纤制备方法具有制造工艺简单、成本低、可实现性好的优点。可以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。然而，这种平行阵列多芯光纤在应用中也存在着不足之处，当面对多种场合的光纤传感应用时，单一种类的光纤芯显然有所局限。

美国专利(Method for making fibers having cores with non-circularcross-sections，United States Patent，PatentNumber 6,427,491B1，2002)给出了一种非圆形端面结构的光纤，该光纤预制棒的制备方法采用了在两个半柱体石英棒中间加工出的一个矩形或者方形的中空区域，在此区域内按照阵列方式规则填充光纤芯棒，而制作出其光纤预置棒。在预制棒拉丝过程中，所有的光纤芯棒渐渐融合在一起，形成一个扁平型的波导芯结构。也可以制备出纵横比为1∶1或者3∶1等比例的非圆形端面结构的矩形或者正方形波导传递光纤。该光纤的制备方法尽管采用了阵列型放置光纤芯棒的组棒方式，但是其所制备出的光纤为单芯扁平、单芯矩形、单芯方形、或者不规则形状等纤芯结构，用于单模或者多模的激光泵浦。

日本专利(MULTI-CORE OPTICAL FIBER，Publication number：JP10-104443A，Dateof publication of application：24.04.1998)给出了一种多芯平行阵列结构的光纤。该光纤包含有两个或者两个以上的光纤芯阵列方式排列，单一的包层结构，可以直接连接半导体光源，或者用于替代具有多根光纤的光缆。该光纤预置棒的制备采用了堆积法制备，将光纤芯棒以阵列的方式排列，四周填充各种直径尺寸的圆形的石英玻璃，组合后套入石英玻璃外套管中，用于拉制出所述的光纤。然而，在该光纤预棒的拉制过程中，由于光纤芯棒与石英玻璃棒之间存在着微小的空隙，会导致所拉制的光纤中存在微小的孔结构，而且每个阵列纤芯之间会产生变形，影响多个光纤芯之间的定位精度，进而会导致整个光纤内多个纤芯之间光学性能差异。同时该光纤只有一种规格的光纤芯，在光纤传感的应用中其性能有所局限。

综上所述，前面涉及的几种阵列多芯光纤，其多个纤芯均是相同的，无法满足进一步的光纤传感需求。当需要光纤中的每个光纤芯之间的尺寸、性能、位置有所变化时，前述几种光纤均有所局限。

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变周期型阵列多芯光纤。本发明的目的还在于提供一种多个光纤芯之间定位精度高，位置与尺寸设计灵活，制备工艺简便实用的变周期型阵列多芯光纤的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的变周期型阵列多芯光纤由涂层、包层、光纤芯组构成，所述的光纤芯组包含两种或者两种以上的光纤芯，所述光纤芯按照周期性结构布置构成阵列光纤芯。

本发明的变周期型阵列多芯光纤还可以包括：

1、所述光纤芯组中的每种光纤芯均有相同的折射率分布和相同的光学材料特性。

2、所述光纤芯按照周期性结构布置构成阵列光纤芯是指，光纤芯组中包含两种光纤芯，每种光纤芯间隔排列，构成周期结构变化的多芯光纤。

3、所述光纤芯按照周期性结构布置构成阵列光纤芯是指，光纤芯组中包含两种光纤芯，每种光纤芯两个或三个分成一组，按照严格的顺序间隔排列，构成周期性结构变化的多芯光纤。

4、所述光纤芯组中，每个光纤芯的中心位置均在整根光纤的直径方向上。

5、所述光纤芯组中的，光纤芯是采用MCVD、PCVD或者其它工艺方法制备的光纤芯，每种光纤芯的纤芯直径与包层尺寸各不相同。

6、所述光纤芯组中的各光纤芯都插入石英玻璃毛细管中。

本发明的变周期型阵列多芯光纤的制备方法为：

首先，采用MCVD工艺或者PCVD工艺制备不相同纤芯与包层尺寸的光纤芯两种或者两种以上，截取若干段备用；在光纤拉丝塔上将高纯石英玻璃管拉制成石英玻璃毛细管，其内径尺寸应与不同直径的光纤芯紧密的配合；将准备好的光纤芯插入石英玻璃毛细管中，在光纤拉丝塔上以1800±10度的高温加热，将光纤芯与石英玻璃毛细管紧密的融熔在一起做为光纤芯插件；

然后，将高纯石英玻璃棒沿其直径方向对半切割开，研磨其切割表面得到两个高纯半柱体石英玻璃构件；经切割与研磨的高纯半柱体石英玻璃构件的外形尺寸，应配合多种光纤芯插件；

将两种或者两种以上制备好的光纤芯插件按照一定的周期结构排列，夹持在两个高纯半柱体石英玻璃构件之间，组合后一起插入高纯石英玻璃外套管内，构成变周期型阵列多芯光纤预制棒；

最后，用氢氧焰封住光纤预制棒端头。

本发明的变周期型阵列多芯光纤的制备方法还可以包括：

1、在光纤拉丝塔上拉制所述光纤时，要在光纤预制棒的另一侧施加负压，抽出多余间隙空气，拉制出实芯的变周期型阵列多芯光纤。

2、高纯石英玻璃外套管、两个高纯半柱体石英玻璃构件和光纤芯插件需要酸腐蚀和在1100度高温抛光的综合洁净处理并在超净间完成光纤预制棒组棒。

3、所述将两种或者两种以上制备好的光纤芯插件按照一定的周期结构排列是指，每种光纤芯间隔排列，构成周期结构变化的多芯光纤预制棒；或者是是每种光纤芯两个一组，按照严格的顺序间隔排列，构成周期性结构变化的多芯光纤预制棒，依此类推，多种光纤芯是按照严格的间隔顺序排列，构成各种不同周期结构变化的多芯光纤预制棒。

与已有技术相比本发明具有非常显著的效果：

(1)所采用的两种或者多种光纤芯插件，是在制备好的光纤芯基础上采用外套毛细管的工艺步骤加工完成的。既保证了每种光纤芯插料均有相同的折射率分布和相同的光学材料特性，同时根据光纤芯尺寸拉制配合的石英玻璃毛细管，可以保证每种光纤芯插件尺寸设计灵活、加工工艺简便。

(2)所述的两种光纤芯或者两种以上的光纤芯是按照周期结构排列的，组合形成变周期型阵列多芯光纤预制棒，相同的工艺方法可以灵活的实现多种光纤预制棒制备，制棒工艺灵活、成本低，可实现性好。

(3)所采用的将高纯石英玻璃棒沿其直径方向对半切割开，研磨其切割表面得到两个定制结构的高纯半柱体石英玻璃构件，用这种方法可以方便的配合光纤芯插件，在光纤拉丝过程中可保证多个光纤芯之间的定位关系准确，同时保证了每种光纤芯的光学性能稳定。

附图说明

图1是七芯双周期型阵列多芯光纤预制棒截面结构示意图。

图2是光纤芯插料截面结构示意图。

图3是拉制出的七芯双周期型阵列多芯光纤截面图。

图4A是六芯双周期型阵列多芯光纤预制棒截面结构示意图。

图4B是另外一种六芯双周期型阵列多芯光纤预制棒截面结构示意图。

图5是渐变周期型阵列多芯光纤预制棒示意图。

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：

实施例1：

结合图1，七芯双周期型阵列多芯光纤预制棒的制备过程是：

首先，用MCVD工艺或者PCVD工艺制备纤芯与包层尺寸各不相同的光纤芯两种，截取两段备用，应保证这两种光纤的外径尺寸相同。在光纤拉丝塔上将高纯石英玻璃管拉制成石英玻璃毛细管，其内径尺寸应与上述两种光纤芯紧密的配合。将准备好的两种光纤芯分别插入石英玻璃毛细管中，在光纤拉丝塔上以1800度左右的高温加热，将光纤芯与石英玻璃毛细管紧密的融熔在一起作为光纤芯插件。制备好的两种光纤芯插件结构如图2所示，其中1为毛细管，2为光纤芯。

然后，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(见图1)。研磨两个半柱形石英玻璃棒的被切割表面，形成两个D型石英玻构件3、5。两个D型石英玻璃构件被研磨掉的尺寸应该是相同的，而且这两个D型石英玻璃构件被研磨掉的尺寸之和应等于要插入的光纤芯插件直径。取制备好的两种光纤芯插件1、2，分段截取相同长度若干小段。在两个D型石英玻璃构件之间间隔排列排满光纤芯插件1、2，使光纤芯构件排成一个双周期平面阵列。将组合好的两个D型石英玻璃构件与光纤芯插件插入石英玻璃外套管4中，其组合后的外形尺寸正好等于石英玻璃外套管内径，紧密配合。外层石英玻璃套管、两个D型玻璃棒和插入的两种光纤芯插料在组合之前要经过浓度为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，在超净条件下实施组合。组合完成后要用高温氢氧焰对预制棒一端做烧结处理，完成双周期型阵列多芯光纤预制棒的制备。

最终，将制成的七芯双周期型阵列光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉丝，拉出所述的七芯双周期型阵列光纤。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型半圆柱石英玻璃构件与外层石英玻璃管均为相同高纯石英材料，在高温下共同融熔为光纤包层，融熔的石英材料将填充光纤预制棒内部所余空隙进而在拉出七芯双周期阵列光纤。如图3所示，1为包层，2、3为两种光纤芯。

实施相同的工艺过程，可以选取不同尺寸的光纤芯插件、两个D型半圆柱石英玻璃构件、外层石英玻璃套管，可以制备六芯双周期阵列光纤预制棒，如图4A、图4B所示。在图4A中，两种光纤芯插料1、2间隔排列，夹持在两个D型半圆柱石英玻璃构件3、5之间，外套石英玻璃管4。在图4B中，两种光纤芯插料1、2每种插料两个一组，间隔夹持在两个D型半圆柱石英玻璃构件3、5之间，外套石英玻璃管4。实现了变化形式的六芯双周期阵列光纤预制棒。

实施例2：

结合图5，简要说明一种变周期型阵列芯光纤预制棒的制备过程。本实施例与实施例1之间的区别在于：多种光纤芯原料的纤芯与包层直径尺寸各不相同，因此需要拉制多种内径、外径尺寸不同的石英玻璃毛细管。制备出的光纤芯插料4、5、6、7如图5中所示。两个D型石英玻璃构件在原有的基础上，还需要进一步研磨去相同的尺寸，制成两个非半柱体石英玻璃构件1、2，如图5中所示。上述4种光纤芯插料按照其直径尺寸夹持在两个非半柱体石英玻璃构件之间，组合后插入石英玻璃外套管3中，最终制成一种变周期型阵列多芯光纤预制棒。其余工艺过程均与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种变周期型阵列多芯光纤，由涂层、包层、光纤芯组构成，其特征是：所述的光纤芯组包含两种或者两种以上的光纤芯，所述光纤芯按照周期性结构布置构成阵列光纤芯。

2.根据权利要求1所述的变周期型阵列多芯光纤，其特征是所述光纤芯组中的每种光纤芯均有相同的折射率分布和相同的光学材料特性。

3.根据权利要求2所述的变周期型阵列多芯光纤，其特征是所述光纤芯按照周期性结构布置构成阵列光纤芯是指：光纤芯组中包含两种光纤芯，每种光纤芯间隔排列，构成周期结构变化的多芯光纤；或者是光纤芯组中包含两种光纤芯，每种光纤芯两个或三个分成一组，按照严格的顺序间隔排列，构成周期性结构变化的多芯光纤。

4.根据权利要求3所述的变周期型阵列多芯光纤，其特征是所述光纤芯组中，每个光纤芯的中心位置均在整根光纤的直径方向上。

5.根据权利要求4所述的变周期型阵列多芯光纤，其特征是所述光纤芯组中的，光纤芯是采用MCVD、PCVD或者其它工艺方法制备的光纤芯，每种光纤芯的纤芯直径与包层尺寸各不相同。

6.根据权利要求5所述的变周期型阵列多芯光纤，其特征是所述光纤芯组中的各光纤芯都插入石英玻璃毛细管中。

7.一种变周期型阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：

首先，采用MCVD工艺或者PCVD工艺制备不相同纤芯与包层尺寸的光纤芯两种或者两种以上，截取若干段备用；在光纤拉丝塔上将高纯石英玻璃管拉制成石英玻璃毛细管，其内径尺寸应与不同直径的光纤芯紧密的配合；将准备好的光纤芯插入石英玻璃毛细管中，在光纤拉丝塔上以1800±10度的高温加热，将光纤芯与石英玻璃毛细管紧密的融熔在一起做为光纤芯插件；

然后，将高纯石英玻璃棒沿其直径方向对半切割开，研磨其切割表面得到两个高纯半柱体石英玻璃构件；经切割与研磨的高纯半柱体石英玻璃构件的外形尺寸，应配合多种光纤芯插件；

将两种或者两种以上制备好的光纤芯插件按照一定的周期结构排列，夹持在两个高纯半柱体石英玻璃构件之间，组合后一起插入高纯石英玻璃外套管内，构成变周期型阵列多芯光纤预制棒；

最后，用氢氧焰封住光纤预制棒端头。

8.根据权利要求7所述的变周期型阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：在光纤拉丝塔上拉制所述光纤时，在光纤预制棒的另一侧施加负压，抽出多余间隙空气，拉制出实芯的变周期型阵列多芯光纤。

9.根据权利要求8所述的变周期型阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：高纯石英玻璃外套管、两个高纯半柱体石英玻璃构件和光纤芯插件进行酸腐蚀和在1100度高温抛光的综合洁净处理并在超净间完成光纤预制棒组棒。

10.根据权利要求9所述的变周期型阵列多芯光纤的制备方法，其特征是：所述将两种或者两种以上制备好的光纤芯插件按照一定的周期结构排列是指，每种光纤芯间隔排列，构成周期结构变化的多芯光纤预制棒；或者是是每种光纤芯两个一组，按照严格的顺序间隔排列，构成周期性结构变化的多芯光纤预制棒，依此类推，多种光纤芯是按照严格的间隔顺序排列，构成各种不同周期结构变化的多芯光纤预制棒。

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