CN109143460B - 一种负曲率空芯光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光学领域，更具体地，涉及一种负曲率空芯光纤及其制备方法。其包括位于所述负曲率空芯光纤最外层的外环包层、在所述外环包层内表面设置的由若干个相互接触的实心棒状元件环形排列所组成的中间包层；在所述中间包层的内侧设置的由若干个相互不接触的呈环形排列的管状元件组成的内环包层以及由所述内环包层确定的纤芯区域。通过在外环包层内表面设置相互接触的紧密排列的实心棒状元件构成的中间包层，由此降低了负曲率空芯光纤的制备难度，保证了非接触管环的分布均匀性，由此解决现有技术的负曲率空芯光纤结构中非接触管环分布不均匀而导致的光纤模式偏振差异大的技术问题。

Description

一种负曲率空芯光纤及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤光学领域，更具体地，涉及一种负曲率空芯光纤及其制备方法。

背景技术

目前广泛使用的实芯光纤由于其纤芯石英基质材料的本征缺陷如非线性、色散、光致损伤、紫外中红外不通光等，限制了实芯光纤在通信数据传输，高功率短脉冲激光传输，紫外、中红外、太赫兹、微波传输等领域的应用，空芯光纤由于其极小的非线性、较低的模式色散、高损伤阈值、宽传输波段及近乎光速的传输速度，有期望突破现有实芯光纤的瓶颈。

负曲率空芯光纤是最近发现的一种具有潜在应用的新型空芯光纤，通过反谐振反射原理和抑制模式耦合将光能量限制到纤芯中，进一步的由于其负曲率的纤芯边界，使得空芯光纤损耗进一步降低。由于负曲率空芯光纤结构简单，设计灵活度大，引起了人们广泛的研究。

但在现有技术中公开的研究主要为负曲率空芯光纤结构设计、理论模拟或光纤应用方面的研究，关于负曲率空芯光纤制备工艺的研究未见报导。负曲率空芯光纤结构一般为圆环形包层，包层内壁悬挂多个相同的管环，每个管环之间相互不接触，并平均分布在包层内圈中，如图1所示。但在实际制备过程中最大的难处在于每个非接触管环的均匀性，管环的大小与壁厚均匀，管环之间的间隙均匀，目前报导的负曲率空芯光纤都在一定程度上出现了这种均匀性问题。

负曲率空芯光纤结构的不均匀会使得每个方向束缚光的能力不同，使得模式的不同偏振方向差异变大，在偏振保持类负曲率空芯光纤中可通过设计增大不均匀实现高偏振效果，但制备过程中造成的不均匀具有随机性，不论在单模负曲率空芯光纤还是偏振保持类负曲率空芯光纤都是需要避免随机性的不均匀问题。

不均匀性产生的原因主要有：(1)在预制棒制备过程中，毛细管均匀定位到包层套管内壁时，不使用模具，存在测量误差；而使用模具，模具的加工精度和为保证装配预留的间隙，都会使各毛细管位置存在一定的物理偏差；(2)毛细管焊接到包层套管内壁时，由于热源的不均匀，每个毛细管与套管的焊接面积不同；(3)预制棒拉丝过程中压力控制会放大预制棒原本的不均匀性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种负曲率空芯光纤及其制备方法，其目的在于通过在外环包层内表面设置相互接触的紧密排列的实心棒状元件构成的中间包层，由此降低了负曲率空芯光纤的制备难度，保证了非接触管环的分布均匀性，由此解决现有技术的负曲率空芯光纤结构中非接触管环分布不均匀而导致的光纤模式偏振差异大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种负曲率空芯光纤，其包括

位于所述负曲率空芯光纤最外层的外环包层、

在所述外环包层内表面设置的由若干个相互接触的实心棒状元件环形排列所组成的中间包层、

在所述中间包层的内侧设置的由若干个相互不接触的呈环形排列的管状元件组成的内环包层以及

由所述内环包层确定的纤芯区域。

优选地，所述内环包层中的管状元件均匀分布于所述中间包层形成的圆周面上，所述内环包层中每一个管状元件设置于所述中间包层每两个相邻的实心棒状元件构成的内侧凹陷中，所述中间包层的实心棒状元件的数量为所述内环包层的管状元件数量的两倍。

优选地，所述内环包层中管状元件的形状为圆形或具有局部不规则的类圆形，所述中间包层中实心棒状元件截面的形状为圆形或具有局部不规则的类圆形。

优选地，所述内环包层中管状元件的数量为6～12个。

优选地，所述内环包层中管状元件的壁厚相同，为0.1-5μm。

优选地，所述纤芯区域宽度在10μm以上。

按照本发明的另一个方面，提供了一种负曲率空芯光纤的制备方法，包括如下步骤：

(1)预制棒的制备：

(1-1)在套管的内壁均匀排列N根实心棒状元件，且N为偶数；

(1-2)从所述套管两端分别插入一个圆环形第一模具，使所述实心棒状元件位于所述第一模具的外表面和所述套管的内表面之间，且所述实心棒状元件被固定；所述第一模具的外径为所述实心棒状元件在所述套管内排列后剩余空间的外圆直径；

(1-3)在所述套管两端的第一模具之间、在所述实心棒状元件形成的凹型区域放置管状元件，所述管状元件共有N/2个；所述管状元件一端封口，且使封口端位于所述套管的同一侧；

(1-4)从所述套管两端分别插入一个圆形第二模具，所述第二模具用于固定所述管状元件；所述第二模具的外径为所述管状元件排列后剩余空间的外圆直径，得到所述预制棒；

(2)对所述预制棒进行中间体的拉制，得到中间体；

(3)对所述中间体进行光纤的拉丝，得到所述负曲率空芯光纤。

优选地，所述预制棒的制备步骤还包括：

(1-5)使用氢氧焰固定所述预制棒两端模具的位置，使所述预制棒各组件之间不发生相对移动。

优选地，所述管状元件之间的直径偏差小于或等于0.01mm。

优选地，所述第一模具和所述第二模具的外圆圆度不大于0.2％。

优选地，进行所述中间体的拉制时，使所述预制棒处于拉丝炉的正中心；中间体拉制后所述管状元件的内径为0.5-2mm。

优选地，进行所述光纤的拉丝时，对预制棒内部和管状元件内部采用两级压力控制，其中管状元件内部采用微正压；所述预制棒内部采用微正压、微负压或常压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供了一种负曲率空芯光纤，其通过在外环包层内表面紧密排列相互接触的实心棒状元件，并以其作为基准，在每两个实心棒状元件形成的凹型区域出放置一个管状元件即管环，确保管环的均匀分布，从而避免负曲率空芯光纤非接触管环随机性不均匀分布导致的光纤模式偏振差异。

(2)本发明通过在负曲率空芯光纤的外环包层与内环包层之间增设相互接触的实心棒状元件，降低了负曲率空芯光纤在控制非接触管环分布均匀性上的制备难度。

(3)本发明提出的负曲率光纤的制备工艺借助于中间包层的设置以及两端模具的固定，使得光纤内各组件位置固定，其结构稳固性更优，使用的固定模具为圆形形状，加工更便捷，减少了焊接过程，操作更简单，在不影响负曲率空芯光纤性能的前提下，大大降低了负曲率空芯光纤的制备难度。

(4)本发明提供的负曲率空芯光纤通过灵活的结构设计，使其在不同的传输波段导光，可用于通信数据传输，紫外、中红外、太赫兹、微波传输，中红外空芯光纤气体激光器，高功率短脉冲激光传输，以及生物、化学传感，环境监测领域。

附图说明

图1是现有技术中公开的负曲率空芯光纤结构示意图；

图2是本发明提供的一种负曲率空芯光纤结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种负曲率空芯光纤预制棒结构示意图；套管1，毛细棒2，第一模具3,毛细管4，第二模具5；

图4是本发明实施例提供的一种负曲率空芯光纤结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种负曲率空芯光纤基模限制损耗曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种负曲率空芯光纤，如图2所示，其包括：

位于所述负曲率空芯光纤最外层的外环包层、在所述外环包层内表面设置的由若干个相互接触的实心棒状元件环形排列所组成的中间包层、在所述中间包层的内侧设置的由若干个相互不接触的呈环形排列的管状元件组成的内环包层；以及由所述内环包层确定的纤芯区域。

所述内环包层中每一个管状元件设置于所述中间包层每两个相邻的实心棒状元件构成的内侧凹陷中，所述内环包层中的管状元件均匀分布于所述中间包层形成的圆周面上，所述中间包层的实心棒状元件的数量为所述内环包层的管状元件数量的两倍。

所述内环包层中管状元件的形状为圆形或具有局部不规则的类圆形，所述中间包层中实心棒状元件截面的形状为圆形或具有局部不规则的类圆形。内环包层中管状元件的数量为6～12个。内环包层中管状元件的壁厚相同，为0.1-5μm。纤芯区域宽度在10μm以上。

本发明提供的负曲率空芯光纤的制备方法，包括如下步骤：

(1)预制棒的制备：

(1-1)在套管的内壁均匀排列N根实心棒状元件，且N为偶数。作为优选的方案，选用内孔为圆形的套管，套管内圆圆度不大于0.2％，在套管内壁均匀排列直径合适的棒状元件比如毛细棒，根据毛细棒数量不同，套管内径与毛细棒外径的比值不同，所有毛细棒直径偏差小于等于0.01mm。

(1-2)从套管两端分别插入一个圆环形第一模具，使所述实心棒状元件位于所述第一模具和所述套管之间，且所述实心棒状元件被固定。作为优选的方案，第一模具优选选用长度为10-50mm的圆管，伸入套管内部两端，使棒状元件比如毛细棒位于该第一模具外表面与套管内表面之间，毛细棒被固定，第一模具的外径为毛细棒在套管内排列后剩余空间的外圆直径，第一模具的截面外圆圆度小于等于0.2％。

(1-3)在所述套管两端的第一模具之间、在所述实心棒状元件形成的凹型区域放置管状元件，因此管状元件共有N/2个；管状元件一端封口，且使封口端位于所述环状套管的同一侧；实心棒状元件为毛细棒时，在毛细棒相接触的凹型区域放置直径合适的管状元件毛细管，纵向上毛细管位于两端的第一模具之间，毛细管长度不超过两个第一模具之间的距离，根据毛细棒数量不同，毛细管与毛细棒外径的比值不同，所有毛细管外径偏差小于等于0.01mm；

(1-4)从套管两端分别插入一个圆形第二模具，所述第二模具用于固定所述管状元件；所述第二模具的外径为管状元件排列后预制棒剩余空间的外圆直径；得到所述预制棒。作为优选的方案，使用长度10-50mm的圆管或圆棒作为第二模具，从两端分别伸入预制棒内部，使用第二模具外表面与毛细棒相接触的凹型区域固定毛细管位置。第二模具的外径为毛细管排列后预制棒剩余空间的外圆直径，第二模具的外圆圆度小于等于0.2％；

(1-5)使用氢氧焰固定所述预制棒两端模具的位置，使所述预制棒各组件之间不发生相对移动。

以毛细棒作为实心棒状元件，以毛细管作为管状元件，所述预制棒制备步骤中，套管内径、毛细棒外径和毛细管数量、外径之间的关系如下表：

(2)对所述预制棒进行中间体的拉制，得到中间体；进行所述中间体的拉制时，使所述预制棒处于拉丝炉的正中心；中间体拉制后管状元件的内径为0.5-2mm。优选地，中间体拉制过程中，毛细管上端封口，避免毛细管在拉制过程中收缩坍塌；预制棒处于拉丝炉的正中心，保证预制棒各径向受热均匀，预制棒各组件熔融贴合情况保持径向对称；中间体拉制后毛细管内径为0.5-2mm，方便进一步拉丝过程气压控制操作。

(3)对所述中间体进行光纤的拉丝，得到所述负曲率空芯光纤。进行所述光纤的拉丝时，对预制棒内部和管状元件内部采用两级压力控制，其中管状元件内部采用微正压(0～50mbar)；所述预制棒内部采用微正压(0～50mbar)、微负压(－50mbar～0)或常压(一个大气压)。优选地，光纤拉丝过程对预制棒内部和毛细管内部采用两级压力控制，毛细管内部采用微正压，使得光纤结构中管环直径与管环壁厚达到设计值；预制棒内部采用微正压、微负压或常压，控制纤芯直径达到设计值。进一步的还可以通过外环包层直径的控制，整体放大或缩小光纤截面尺寸，光纤外包层直径包括但不限于60μm，80μm，125μm，130μm，200μm，400μm，600μm，800μm，1000μm。

由于负曲率空芯光纤的导光主要影响因素为管环包层的尺寸和纤芯边界形状，管环外围结构对负曲率空芯光纤导光的影响极小，本发明在管环(即管状元件)外围增加一圈毛细棒形成的凸起，在不影响负曲率空芯光纤性能的前提下，大大降低了负曲率空芯光纤的制备难度。预制棒组装过程中，使用实心棒状元件比如毛细棒定位毛细管(管状元件)，其结构稳固性也优于多边形或圆形侧壁V型开槽等其他类型的定位模具；使用的固定模具为与预制棒同材质的圆管模具或圆棒模具，圆形形状的加工便捷性也远优于其他多边形打磨或V型开槽等加工方案；组装完成后无需在预制棒阶段进行过多复杂的操作，其结构的稳固性可保证在预制棒进入拉丝炉前结构不变，不需像其他制备方案中，在预制棒进入拉丝炉之间先进行焊接操作，而焊接操作的热源稳定性与人为操作手法不可避免会对预制棒结构均匀性进行一定程度的破坏。

本发明提供的负曲率空芯光纤可用于通信数据传输，其传输速度比二氧化硅介质快30％，低传输延时，宽带宽，波分复用更多窗口；也可用于紫外、中红外、太赫兹、微波传输；由于其低材料吸收，高带宽，大芯径尺寸，高损伤阈值等特性，也可用于中红外空芯光纤气体激光器和高功率短脉冲激光传输领域，如微加工、金属切割，玻璃切割，焊接，雕刻，激光微创手术，脉冲压缩等；也可通过液体、气体填充等制作传感器应用于生物、化学传感，环境监测领域。

以下为实施例：

本发明实施例中，首先提供了一种负曲率空芯光纤，其包括位于最外层的外环包层、在外环包层内表面设置的由若干个相互接触的实心棒状元件环形排列所组成的中间包层、在中间包层的内侧设置的由若干个相互不接触的呈环形排列的管状元件组成的内环包层；以及由内环包层确定的纤芯区域。

其中，该光纤材质为石英玻璃和空气，其折射率分别为1.45和1。最外层的外环包层直径为200μm，外环包层内表面16个相互接触的圆形凸起(相对于外环包层内壁凸起)的毛细棒组成中间包层，内环包层中管状元件的形状为圆形，管环数量为8个，管环直径约为30μm，管环壁厚约为1μm，相邻管环之间间隙约为4.4μm，纤芯直径约为60μm。根据反谐振反射原理，石英玻璃和空气材料的折射率与管环壁厚共同决定了该负曲率空芯光纤的工作波长，在8管环负曲率空芯光纤结构中，纤芯基模与管环模式的耦合强度随着管环直径与纤芯直径之比的增大而减小，本发明实施例中提供的负曲率空芯光纤管环直径与纤芯直径之比约为0.5，接近该光纤结构所能达到的极限，纤芯区域为8个管环壁限制而成，负曲率的纤芯边界能进一步的降低光纤基模的限制损耗。

本发明实施例还提供一种负曲率空芯光纤制备方法包括：预制棒的制备、中间体的拉制与光纤拉制。实心棒元件为毛细棒，管状元件为毛细管。

预制棒结构如图3所示，包括以下组件：套管1，毛细棒2，第一模具3,毛细管4，第二模具5。

预制棒的制备方法包括以下步骤：(1)选用规格为外径25mm，内径19mm的圆形套管1，套管内圆圆度为0.1％，在套管内壁均匀排列16根直径为3.1mm的毛细棒2；(2)使用外径15.9mm，内径12mm，长度50mm的2根圆管作为模具一3，伸入套管内部两端，使毛细棒位于模具一3外表面与套管1内表面之间，毛细棒2被固定；(3)在两个模具一3之间，毛细棒2相接触的凹型区域放置8根直径为2.8mm的毛细管4，毛细管4一端封口，使封口端位于同一方向；(4)使用直径7.77mm，长度30mm的圆棒作为模具二5，从两端伸入预制棒内部，固定毛细管4位置；(5)使用氢氧焰固定两端模具的位置，使预制棒各组件之间无法发生相对移动。

中间体的拉制方法包括以下步骤：(1)将毛细管4封口端朝上，插入拉丝炉中，并保持预制棒位于拉丝炉正中；(2)等待拉丝炉升温至2100℃，待预制棒软化掉头后，剪掉头子，将中间体牵引至牵引轮；(3)控制进棒速度10mm/min，牵引轮速度0.1m/min，拉制后中间体直径为8mm，中间体中毛细管内径形成的孔直径为1mm左右。

光纤中间体的拉制方法包括以下步骤：(1)将中间体一端使用氢氧焰加热，使毛细孔坍塌密封；(2)将中间体坍塌方向朝上，插入拉丝炉中，并保持预制棒位于拉丝炉正中；(3)保持进棒速度6mm/min，通过拉丝速度调节将光纤直径控制为200μm。

本发明实施例制备的负曲率空芯光纤结构示意图如图4所示，实际结构参数为包层直径为200±1μm，管环数量为8个，管环直径为28.7±0.5μm，管环壁厚为1±0.2μm，相邻管环之间间隙约为5.5±0.5μm，纤芯直径约为60±1μm。

本发明实施例提供的负曲率空芯光纤其限制损耗模拟结果如图5所示。从图5可以看出，该光纤在2.5μm-3.5μm波段，其限制损耗低于0.3dB/m，优于国外厂商推出的硫化物红外光纤、氟化物红外光纤、多晶红外光纤等产品的损耗指标，可用于温度探测，激光打标，红外成像等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种负曲率空芯光纤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预制棒的制备：

(1-1)在套管的内壁均匀排列N根实心棒状元件，且N为偶数；

(1-2)从所述套管两端分别插入一个圆环形第一模具，使所述实心棒状元件位于所述第一模具的外表面和所述套管的内表面之间，且所述实心棒状元件被固定；所述第一模具的外径为所述实心棒状元件在所述套管内排列后剩余空间的外圆直径；

(1-3)在所述套管两端的第一模具之间、在所述实心棒状元件形成的凹型区域放置管状元件，所述管状元件共有N/2个；所述管状元件一端封口，且使封口端位于所述套管的同一侧；

(1-4)从所述套管两端分别插入一个圆形第二模具，所述第二模具用于固定所述管状元件；所述第二模具的外径为所述管状元件排列后剩余空间的外圆直径，得到所述预制棒；

(2)对所述预制棒进行中间体的拉制，得到中间体；

(3)对所述中间体进行光纤的拉丝，得到所述负曲率空芯光纤。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述管状元件之间的直径偏差小于或等于0.01mm。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，进行所述中间体的拉制时，使所述预制棒处于拉丝炉的正中心；中间体拉制后所述管状元件的内径为0.5-2mm。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，进行所述光纤的拉丝时，对预制棒内部和管状元件内部采用两级压力控制，其中管状元件内部采用微正压；所述预制棒内部采用微正压、微负压或常压。