CN111812772A - 一种空芯保偏反谐振光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空芯保偏反谐振光纤及其制备方法，该制备方法在固态套管内紧贴管壁环形均匀间隔排布一圈微毛细管，半数以下的外径小于或大于其余微毛细管的外径，所有微毛细管所围成的中间孔洞的径向截面呈椭圆形；接着在中间孔洞的两轴端各插入一根辅助毛细棒，在两轴端的空间中插入不同尺寸的支撑毛细棒，得到堆栈体；对堆栈体的中腹部进行拉制，主动控制各区域的压力；将拉制得到的堆栈体中间体插入包层套管内，形成光纤预制棒；对光纤预制棒进行光纤制备，在光纤制备过程中主动控制各区域的压力；优点是制备得到的光纤的制备成本低、损耗低、色散低、传输快，且双折射值可以在制备过程中通过气压控制调整。

Description

一种空芯保偏反谐振光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤及其制备方法，尤其是涉及一种空芯保偏反谐振光纤及其制备方法。
背景技术
保偏光纤作为特种光纤的一种，顾名思义，能传输线偏振光，并保持光的偏振态在传输过程中不变或很少变化。保偏光纤被广泛应用于航天航空、工业制造、无人驾驶、通信等多个领域。光纤保偏的实现方式有两种：一种实现方式是在纤芯两边对称地添加应力区(例如使用硼硅酸盐玻璃作为应力区材料)，基于内应力提高纤芯的双折射，实现保偏效果，此类常见的光纤有熊猫型光纤或领结型光纤；另一种实现方式是将纤芯做成椭圆形，基于模场几何形态非中心对称性提高纤芯的双折射，实现保偏，这种实现方式的光纤结构复杂，需要较高的制备技术。因此，熊猫型保偏光纤是目前广泛应用的一种保偏光纤，应用于军工、国防等重要领域。例如：在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为传感单元，光纤陀螺及光纤水听器等可被用于军事，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤曾经被西方发达国家列入对我国禁运的清单。
空芯光纤是一种特殊的微结构光纤，与实芯光纤基于全反射原理导光不同，在空芯光纤中，光可以局限在折射率小于光纤材料的空芯纤芯中并沿光纤轴向传导。根据导光原理的不同，空芯光纤主要分为两类：一、基于光子带隙效应的光子晶体光纤；二、基于反谐振效应的反谐振光纤。其中，第二种常见的空芯反谐振光纤又包括Kagomé包层栅格空芯光纤和single-ring空芯反谐振光纤。空芯光纤具有传统的实芯光纤无法实现的特点，例如：(1)通过结构优化，可以使99％光在空气/真空中传播；(2)光纤的纤芯为空气，可以填充各种气体或液体，提高光与物质的相互作用；(3)空气对光的吸收极低，光波导介质材料对光在各个波长的吸收都大大减少，从而大幅降低了光纤传输损耗。综上所述的各种空芯光纤的特色和优势，使得空芯光纤在多个领域有广泛的应用：(1)由于99％光在空气/真空中传播，因此具有极低非线性和瑞利散射，原则上可以实现超低损耗，低色散和极高的激光损伤阈值，可作为高功率激光远程传输；(2)可以在光纤的纤芯中填充非线性气体，并利用气压控制其非线性参数，高能脉冲在纤芯中传输，同时与非线性气体相互作用，极高的峰值功率可以激发多重非线性效应，实现新频率转换，例如极紫外至深紫外的色散波产生、超连续光谱、孤子蓝移、气体等离子化、高次谐波等现象，为开发新光源提供了一个极佳的平台；(3)由于光在空芯纤芯中传播，材料对光的吸收大大减少，因此，空芯光纤的导光窗口可以通过结构优化扩展到紫外至中红外区间，远远超过了传统的实芯光纤的导光区间。例如，美国麻省理工学院研发的基于一维光子带隙效应的空芯光纤，可以实现10.6微米二氧化碳激光器的传能，这种空芯光纤已在医疗上获得了广泛应用。
目前，空芯光纤的制备技术仅为极少数国外研究所及公司所掌握，制备难度极大，技术细节保密。虽然国内部分高校近年已开展空芯光纤研发并取得一定成果，但整体工艺水平、产品质量都与国外还有很大差距。
另一方面，空芯保偏光纤，综合了保偏光纤和空芯光纤的优点，在多个领域有极高的应用潜力，例如特种偏振输出的激光器、基于偏振态变化的各种传感器等。但是，由于空芯保偏光纤设计和制备难度极大，因此目前国际上也仅有少数公司提出一至两种实验性方案，而国内没有公司或科研单位能提供任何具有自主知识产权的样品展示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空芯保偏反谐振光纤及其制备方法，其实现了空芯光纤结构中的保偏功能，该空芯保偏反谐振光纤的制备成本低、损耗低、色散低、传输快，且双折射值可以在制备过程中通过气压控制调整。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种空芯保偏反谐振光纤，包括具有高折射率的包层区域和具有低折射率的空芯纤芯区域，其特征在于：所述的包层区域由外包层和内包层组成，所述的外包层、所述的内包层、所述的空芯纤芯区域自外向内依次分布，所述的内包层由紧贴所述的外包层的内壁环形均匀间隔排布的多个微毛细管及所述的微毛细管之间的空隙组成，即微毛细管的外壁与外包层的内壁紧贴，为了实现保偏结构，其中半数以下的所述的微毛细管的外径小于或大于其余所述的微毛细管的外径，且定义这半数以下的所述的微毛细管为第一微毛细管，而定义其余所述的微毛细管为第二微毛细管，所有所述的第一微毛细管和所述的第二微毛细管在径向截面的位置布置的标准为使它们所围成的所述的空芯纤芯区域的径向截面呈椭圆形。
所述的第一微毛细管和所述的第二微毛细管的管壁厚为0.2～5微米，第一微毛细管和第二微毛细管的管壁厚决定了该空芯保偏反谐振光纤的导光区间；所述的空隙的大小为所述的第二微毛细管的外径与所述的空芯纤芯区域的短轴和长轴的平均值的比值，且比值的取值范围在0.1～0.9之间，微毛细管之间的空隙对光纤损耗是非常重要的因素，引入空隙，采用不相连的结构可以有效地减少微毛细管的表面光学模式的存在，从而减小纤芯模式和表面光学模式的相互耦合，进而降低光纤的损耗，空隙的大小一般可用第二微毛细管的外径与空芯纤芯区域的短轴和长轴的平均值的比值来定义，这个比值决定了微毛细管的数量。
所述的微毛细管的数量不限，一般为4～12个，微毛细管的外径为微米量级。
所述的外包层由固态套管和套设于所述的固态套管外的包层套管熔融成一体构成，所述的固态套管的管壁厚为20～150微米。固态套管通常为一层较厚的固态材料形成的保护环形结构。
所述的固态套管、所述的包层套管和所述的微毛细管的制作材料为二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物。高分子聚合物如PMMA、PES等。
一种空芯保偏反谐振光纤的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：选取一根固态套管；然后在固态套管的管孔内紧贴管壁环形均匀间隔排布一圈微毛细管，即使得所有微毛细管的外壁与固态套管的内壁紧贴，其中半数以下的微毛细管的外径小于或大于其余微毛细管的外径，且将这半数以下的微毛细管定义为第一微毛细管，而将其余微毛细管定义为第二微毛细管，所有第一微毛细管和第二微毛细管沿固态套管的管孔管壁的位置布置的标准为使它们所围成的中间孔洞的径向截面呈椭圆形；接着在中间孔洞的两轴端各插入一根与中间孔洞相适配的辅助毛细棒，并使辅助毛细棒的外壁与最大外径的微毛细管的外壁紧贴，辅助毛细棒的外轴端面与固态套管的轴端面齐平；再在固态套管的管孔两轴端，向相邻两根微毛细管的外壁之间的空隙中、以及除最大外径的微毛细管外的其余微毛细管的外壁与辅助毛细棒的外壁之间插入不同尺寸的支撑毛细棒，以维持所有微毛细管的位置不发生变化，支撑毛细棒的外轴端面与固态套管的轴端面齐平，至此得到两轴端形成多点支撑而中腹部形成悬挂的堆栈体；其中，固态套管和微毛细管的轴向长度为1～1.5米，辅助毛细棒和支撑毛细棒的轴向长度为5～10厘米；辅助毛细棒和支撑毛细棒形成完整的“多点支撑”，而堆栈预制棒的中腹部没有辅助毛细棒和支撑毛细棒，仅存在微毛细管，形成实际结构的“悬挂”。
步骤2：仅对堆栈体的中腹部进行拉制，在拉制过程中通过多通道主动式气控单元控制第一微毛细管内的压力、第二微毛细管内的压力、微毛细管之间的空隙内的压力、所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞内的压力，其中，第一微毛细管内的压力与第二微毛细管内的压力之差为10～100mbar，所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞内的压力和微毛细管之间的空隙内的压力均小于第一微毛细管内的压力和第二微毛细管内的压力两者中的最小压力；在拉制过程中控制压力的时候可以使用空气或氮气。
步骤3：将中腹部拉制后得到的堆栈体中间体插入一个包层套管内，使包层套管位于堆栈体中间体的中腹部外，形成光纤预制棒；然后对光纤预制棒进行光纤制备，在光纤制备过程中通过步骤2中的多通道主动式气控单元控制第一微毛细管内的压力、第二微毛细管内的压力、所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞内的压力以得到空芯保偏反谐振光纤，该空芯保偏反谐振光纤的外包层由固态套管和包层套管熔融成一体构成、内包层由多个微毛细管和微毛细管之间的空隙组成、由所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞构成的空芯纤芯区域的径向截面呈椭圆形；其中，包层套管的轴向长度为固态套管的轴向长度减去辅助毛细棒的轴向长度的2倍。该空芯保偏反谐振光纤需要抽真空时，对该空芯保偏反谐振光纤进行负压处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)该空芯保偏反谐振光纤的中间为径向截面呈椭圆形的空芯纤芯区域，创新地实现了空芯光纤结构中的保偏功能。
2)该空芯保偏反谐振光纤在光纤制备过程中通过气压控制可调整光纤的双折射值。
3)在制备时固态套管、微毛细管、辅助毛细棒、支撑毛细棒和包层套管可以选择同一种制作材料制作，不需要额外掺杂，大幅度降低了制备成本。
4)由于该空芯保偏反谐振光纤是一种空芯光纤，可实现的理论最低损耗远低于实心光纤，并有超快传输的特性，能满足特殊应用环境需要。
5)该空芯保偏反谐振光纤可以远距离传输线偏振光输出的高功率激光。
6)该制备方法可行有效，可用于批量制备。
7)在堆栈过程中将空芯纤芯区域周围的多个微毛细管中的1个或对称的2个或多个微毛细管以较小或较大尺寸的微毛细管替代，实现椭圆形的空芯纤芯区域，从而实现光纤保偏。
附图说明
图1a为实施例一的制备方法中的堆栈体的径向截面图；
图1b为实施例一的制备方法制备得到的空芯保偏反谐振光纤的径向截面示意图；
图2a为实施例二的制备方法中的堆栈体的径向截面图；
图2b为实施例二的制备方法制备得到的空芯保偏反谐振光纤的径向截面示意图；
图2c为实施例二的制备方法制备得到的空芯保偏反谐振光纤的实际SEM(电子扫描显微镜)截面图像；
图3a为实施例三的制备方法中的堆栈体的径向截面图；
图3b为实施例三的制备方法制备得到的空芯保偏反谐振光纤的径向截面示意图；
图3c为实施例三的制备方法制备得到的空芯保偏反谐振光纤的实际SEM(电子扫描显微镜)截面图像；
图4为采用本发明的制备方法制备空芯保偏反谐振光纤所采用的制备装置的组成结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的空芯保偏反谐振光纤的制备方法打破了传统光纤的制备思路，借鉴了微结构光纤、光子晶体光纤的堆栈方法，继承了其结构设计构灵活性高、模场面积等波导参数设计灵活性高、制备过程中结构可进一步调节、原材料不必要掺杂等优势，又进一步发展了堆栈方法，提出“多点支撑”和实际结构“悬挂”的堆栈方式。本发明方法的总体成本低、良品率高，有效推动了空芯保偏光纤制备从实验室的尝试走向市场化的应用。
实施例一：
本实施例提出的一种空芯保偏反谐振光纤的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：如图1a所示，选取一根固态套管41；然后在固态套管41的管孔内紧贴管壁环形均匀间隔排布一圈共6根微毛细管，即使得所有微毛细管的外壁与固态套管41的内壁紧贴，其中2根微毛细管的外径大于其余4根微毛细管的外径，且将这2根大直径的微毛细管定义为第一微毛细管51，而将其余4根小直径的微毛细管定义为第二微毛细管52，所有第一微毛细管51和第二微毛细管52沿固态套管41的管孔管壁的位置布置的标准为使它们所围成的中间孔洞61的径向截面呈椭圆形；接着在中间孔洞61的两轴端各插入一根与中间孔洞61相适配的辅助毛细棒71，并使辅助毛细棒71的外壁与最大外径的微毛细管的外壁紧贴，辅助毛细棒71的外轴端面与固态套管41的轴端面齐平；再在固态套管41的管孔两轴端，向相邻两根微毛细管的外壁之间的空隙53中、以及除最大外径的微毛细管外的其余微毛细管的外壁与辅助毛细棒71的外壁之间插入不同尺寸的支撑毛细棒72，以维持所有微毛细管的位置不发生变化，支撑毛细棒72的外轴端面与固态套管41的轴端面齐平，至此得到两轴端形成多点支撑而中腹部形成悬挂的堆栈体，堆栈体的俯视图如图1a所示；其中，固态套管41和微毛细管的轴向长度为1～1.5米，如取1.2米，辅助毛细棒71和支撑毛细棒72的轴向长度为5～10厘米，如取8厘米，2根第一微毛细管51的外径一致，且2根第一微毛细管51的分布位置处于对角位置，可以保证堆栈体中心对称；辅助毛细棒71和支撑毛细棒72形成完整的“多点支撑”，而堆栈体的中腹部没有辅助毛细棒71和支撑毛细棒72，仅存在微毛细管，形成实际结构的“悬挂”。
步骤2：仅对堆栈体的中腹部进行拉制，在拉制过程中通过多通道主动式气控单元控制第一微毛细管51内的压力、第二微毛细管52内的压力、微毛细管之间的空隙53内的压力、所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力，其中，第一微毛细管51内的压力与第二微毛细管52内的压力之差为10～100mbar，所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力和微毛细管之间的空隙53内的压力均小于第一微毛细管51内的压力和第二微毛细管52内的压力。在此，第一微毛细管51内的压力稍大于第二微毛细管52内的压力，可获得空芯纤芯区域的长轴垂直于2根第一微毛细管51的中心连线的椭圆形纤芯，从而使空芯纤芯区域传输的光模场几何结构变为椭圆。
该步骤可在中间孔洞61内通入空气或氮气。
步骤3：将中腹部拉制后得到的堆栈体中间体插入一个包层套管(图中未示出)内，使包层套管位于堆栈体中间体的中腹部外，形成光纤预制棒；然后对光纤预制棒进行光纤制备，在光纤制备过程中通过步骤2中的多通道主动式气控单元控制第一微毛细管51内的压力、第二微毛细管52内的压力、所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力以得到空芯保偏反谐振光纤，如图1b所示，该空芯保偏反谐振光纤的外包层4由固态套管41和包层套管熔融成一体构成、内包层5由多个微毛细管和微毛细管之间的空隙53组成、由所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61构成的空芯纤芯区域62的径向截面呈椭圆形；其中，包层套管的轴向长度为固态套管41的轴向长度减去辅助毛细棒71的轴向长度的2倍。
该空芯保偏反谐振光纤的径向截面结构如图1b所示，包括具有高折射率的包层区域和具有低折射率的空芯纤芯区域62，包层区域由外包层4和内包层5组成，外包层4、内包层5、空芯纤芯区域62自外向内依次分布，外包层4由固态套管41和套设于固态套管41外的包层套管(图中未示出)熔融成一体构成，固态套管41的管壁厚一般为20～150微米，如为100微米，内包层5由紧贴外包层4的固态套管41的内壁环形均匀间隔排布的多个微毛细管和微毛细管之间的空隙53组成，微毛细管的外壁与外包层4的内壁紧贴，为了实现保偏结构，2根第一微毛细管51的外径大于4根第二微毛细管52的外径，空芯纤芯区域62的径向截面呈椭圆形，在图1b中空芯纤芯区域62的长轴在纵向方向上。
在本实施例中，第一微毛细管51和第二微毛细管52的管壁厚为0.2～5微米，如取2微米，第一微毛细管51和第二微毛细管52的管壁厚决定了该空芯保偏反谐振光纤的导光区间；空隙53的大小为第二微毛细管52的外径与空芯纤芯区域62的短轴和长轴的平均值的比值，且比值的取值范围在0.1～0.9之间，微毛细管之间的空隙53对光纤损耗是非常重要的因素，引入空隙53，采用不相连的结构可以有效地减少微毛细管的表面光学模式的存在，从而减小纤芯模式和表面光学模式的相互耦合，进一步降低光纤的损耗，空隙53的大小一般可用第二微毛细管52的外径与空芯纤芯区域62的短轴和长轴的平均值的比值来定义，这个比值决定了微毛细管的数量。
在本实施例中，微毛细管的数量不限，一般为4～12个，在此取6个。
在本实施例中，固态套管41、包层套管和微毛细管的制作材料为二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物。高分子聚合物如PMMA、PES等。
实施例二：
本实施例提出的一种空芯保偏反谐振光纤的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：如图2a所示，选取一根固态套管41；然后在固态套管41的管孔内紧贴固态套管41的管壁环形均匀间隔排布一圈共6根微毛细管，即使得所有微毛细管的外壁与固态套管41的内壁紧贴，其中2根微毛细管的外径小于其余4根微毛细管的外径，且将这2根小直径的微毛细管定义为第一微毛细管51，而将其余4根大直径的微毛细管定义为第二微毛细管52，所有第一微毛细管51和第二微毛细管52沿固态套管41的管孔管壁的位置布置的标准为使它们所围成的中间孔洞61的径向截面呈椭圆形；接着在中间孔洞61的两轴端各插入一根与中间孔洞61相适配的辅助毛细棒71，并使辅助毛细棒71的外壁与最大外径的微毛细管的外壁紧贴，辅助毛细棒71的外轴端面与固态套管41的轴端面齐平；再在固态套管41的管孔两轴端，向相邻两根微毛细管的外壁之间的空隙53中、以及除最大外径的微毛细管外的其余微毛细管的外壁与辅助毛细棒71的外壁之间插入不同尺寸的支撑毛细棒72，以维持所有微毛细管的位置不发生变化，支撑毛细棒72的外轴端面与固态套管41的轴端面齐平，至此得到两轴端形成多点支撑而中腹部形成悬挂的堆栈体，堆栈体的俯视图如图2a所示；其中，固态套管41和微毛细管的轴向长度为1～1.5米，如取1.2米，辅助毛细棒71和支撑毛细棒72的轴向长度为5～10厘米，如取8厘米，2根第一微毛细管51的外径一致，且2根第一微毛细管51的分布位置处于对角位置，可以保证堆栈体中心对称；辅助毛细棒71和支撑毛细棒72形成完整的“多点支撑”，而堆栈体的中腹部没有辅助毛细棒71和支撑毛细棒72，仅存在微毛细管，形成实际结构的“悬挂”。
步骤2：仅对堆栈体的中腹部进行拉制，在拉制过程中通过多通道主动式气控单元控制第一微毛细管51内的压力、第二微毛细管52内的压力、微毛细管之间的空隙53内的压力、所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力，其中，第一微毛细管51内的压力与第二微毛细管52内的压力之差为10～100mbar，所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力和微毛细管之间的空隙53内的压力均小于第一微毛细管51内的压力和第二微毛细管52内的压力。在此，第一微毛细管51内的压力稍小于第二微毛细管52内的压力，可获得空芯纤芯区域62的长轴平行于2根第一微毛细管51的中心连线的椭圆形纤芯，从而使空芯纤芯区域62传输的光模场几何结构变为椭圆。
该步骤可在中间孔洞61内通入空气或氮气。
步骤3：将中腹部拉制后得到的堆栈体中间体插入一个包层套管(图中未示出)内，使包层套管位于堆栈体中间体的中腹部外，形成光纤预制棒；然后对光纤预制棒进行光纤制备，在光纤制备过程中通过步骤2中的多通道主动式气控单元控制第一微毛细管51内的压力、第二微毛细管52内的压力、所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力以得到空芯保偏反谐振光纤，如图2b所示，该空芯保偏反谐振光纤的外包层4由固态套管41和包层套管熔融成一体构成、内包层5由多个微毛细管和微毛细管之间的空隙53组成、由所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61构成的空芯纤芯区域62的径向截面呈椭圆形；其中，包层套管的轴向长度为固态套管41的轴向长度减去辅助毛细棒71的轴向长度的2倍。
该空芯保偏反谐振光纤的径向截面结构如图2b所示，包括具有高折射率的包层区域和具有低折射率的空芯纤芯区域62，包层区域由外包层4和内包层5组成，外包层4、内包层5、空芯纤芯区域62自外向内依次分布，外包层4由固态套管41和套设于固态套管41外的包层套管(图中未示出)熔融成一体构成，固态套管41的管壁厚一般为20～150微米，如为100微米，内包层5由紧贴外包层4的固态套管41内壁环形均匀间隔分布的多个微毛细管和微毛细管之间的空隙53组成，微毛细管的外壁与外包层4的内壁紧贴，为了实现保偏结构，2根第一微毛细管51的外径小于4根第二微毛细管52的外径，空芯纤芯区域62的径向截面呈椭圆形，在图2b中空芯纤芯区域62的长轴在横向方向上。
在本实施例中，第一微毛细管51和第二微毛细管52的管壁厚为0.2～5微米，如取2微米，第一微毛细管51和第二微毛细管52的管壁厚决定了该空芯保偏反谐振光纤的导光区间；空隙53的大小为第二微毛细管52的外径与空芯纤芯区域62的短轴和长轴的平均值的比值，且比值的取值范围在0.1～0.9之间，微毛细管之间的空隙53对光纤损耗是非常重要的因素，引入空隙53，采用不相连的结构可以有效地减少微毛细管的表面光学模式的存在，从而减小纤芯模式和表面光学模式的相互耦合，进一步降低光纤的损耗，空隙53的大小一般可用第二微毛细管52的外径与空芯纤芯区域62的短轴和长轴的平均值的比值来定义，这个比值决定了微毛细管的数量。
在本实施例中，微毛细管的数量不限，一般为4～12个，在此取6个。
在本实施例中，固态套管41、包层套管和微毛细管的制作材料为二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物。高分子聚合物如PMMA、PES等。
图2c给出了本实施例制备得到的空芯保偏反谐振光纤的实际SEM(电子扫描显微镜)截面图像，从图2c中可以明显看到空芯保偏反谐振光纤的截面中有两个较小的微毛细孔。
实施例三：
本实施例提出的一种空芯保偏反谐振光纤的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：如图3a所示，选取一根固态套管41；然后在固态套管41的管孔内紧贴固态套管41的管壁环形均匀间隔排布一圈共6根微毛细管，即使得所有微毛细管的外壁与固态套管41的内壁紧贴，其中1根微毛细管的外径小于其余5根微毛细管的外径，且将这1根小直径的微毛细管定义为第一微毛细管51，而将其余5根大直径的微毛细管定义为第二微毛细管52，所有第一微毛细管51和第二微毛细管52沿固态套管41的管孔管壁的位置布置的标准为使它们所围成的中间孔洞61的径向截面呈椭圆形；接着在中间孔洞61的两轴端各插入一根与中间孔洞61相适配的辅助毛细棒71，并使辅助毛细棒71的外壁与最大外径的微毛细管的外壁紧贴，辅助毛细棒71的外轴端面与固态套管41的轴端面齐平；再在固态套管41的管孔两轴端，向相邻两根微毛细管的外壁之间的空隙53中、以及除最大外径的微毛细管外的其余微毛细管的外壁与辅助毛细棒71的外壁之间插入不同尺寸的支撑毛细棒72，以维持所有微毛细管的位置不发生变化，支撑毛细棒72的外轴端面与固态套管41的轴端面齐平，至此得到两轴端形成多点支撑而中腹部形成悬挂的堆栈体，堆栈体的俯视图如图3a所示；其中，固态套管41和微毛细管的轴向长度为1～1.5米，如取1.2米，辅助毛细棒71和支撑毛细棒72的轴向长度为5～10厘米，如取8厘米；辅助毛细棒71和支撑毛细棒72形成完整的“多点支撑”，而堆栈体的中腹部没有辅助毛细棒71和支撑毛细棒72，仅存在微毛细管，形成实际结构的“悬挂”。
步骤2：仅对堆栈体的中腹部进行拉制，在拉制过程中通过多通道主动式气控单元控制第一微毛细管51内的压力、第二微毛细管52内的压力、微毛细管之间的空隙53内的压力、所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力，其中，第一微毛细管51内的压力与第二微毛细管52内的压力之差为10～100mbar，所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力和微毛细管之间的空隙53内的压力均小于第一微毛细管51内的压力和第二微毛细管52内的压力，四部分的压力均独立控制。在此，第一微毛细管51内的压力稍小于第二微毛细管52内的压力，可获得空芯纤芯区域62的长轴平行于1根第一微毛细管51与空芯纤芯区域62的中心连线的椭圆形纤芯，从而使空芯纤芯区域62传输的光模场几何结构变为椭圆。
该步骤可在中间孔洞61内通入空气或氮气。
步骤3：将中腹部拉制后得到的堆栈体中间体插入一个包层套管(图中未示出)内，使包层套管位于堆栈体中间体的中腹部外，形成光纤预制棒；然后对光纤预制棒进行光纤制备，在光纤制备过程中通过步骤2中的多通道主动式气控单元控制第一微毛细管51内的压力、第二微毛细管52内的压力、所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61内的压力以得到空芯保偏反谐振光纤，如图3b所示，该空芯保偏反谐振光纤的外包层4由固态套管41和包层套管熔融成一体构成、内包层5由多个微毛细管和微毛细管之间的空隙53组成、由所有第一微毛细管51和第二微毛细管52所围成的中间孔洞61构成的空芯纤芯区域62的径向截面呈椭圆形；其中，包层套管的轴向长度为固态套管41的轴向长度减去辅助毛细棒71的轴向长度的2倍。
该空芯保偏反谐振光纤的径向截面结构如图3b所示，包括具有高折射率的包层区域和具有低折射率的空芯纤芯区域62，包层区域由外包层4和内包层5组成，外包层4、内包层5、空芯纤芯区域62自外向内依次分布，外包层4由固态套管41和套设于固态套管41外的包层套管(图中未示出)熔融成一体构成，固态套管41的管壁厚一般为20～150微米，如为100微米，内包层5由紧贴外包层4的固态套管41的内壁环形均匀间隔排布的多个微毛细管和微毛细管之间的空隙53组成，微毛细管的外壁与外包层4的内壁紧贴，为了实现保偏结构，1根第一微毛细管51的外径小于5根第二微毛细管52的外径，空芯纤芯区域62的径向截面呈椭圆形，在图3b中空芯纤芯区域62的长轴在横向方向上。
在本实施例中，第一微毛细管51和第二微毛细管52的管壁厚为0.2～5微米，如取2微米，第一微毛细管51和第二微毛细管52的管壁厚决定了该空芯保偏反谐振光纤的导光区间；空隙53的大小为第二微毛细管52的外径与空芯纤芯区域62的短轴和长轴的平均值的比值，且比值的取值范围在0.1～0.9之间，微毛细管之间的空隙53对光纤损耗是非常重要的因素，引入空隙53，采用不相连的结构可以有效地减少微毛细管的表面光学模式的存在，从而减小纤芯模式和表面光学模式的相互耦合，进一步降低光纤的损耗，空隙53的大小一般可用第二微毛细管52的外径与空芯纤芯区域62的短轴和长轴的平均值的比值来定义，这个比值决定了微毛细管的数量。
在本实施例中，微毛细管的数量不限，一般为4～12个，在此取6个。
在本实施例中，固态套管41、包层套管和微毛细管的制作材料为二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物。高分子聚合物如PMMA、PES等。
图3c给出了本实施例制备得到的空芯保偏反谐振光纤的实际SEM(电子扫描显微镜)截面图像，从图3c中可以明显看到空芯保偏反谐振光纤的截面中有一个较小的微毛细孔。
利用上述各个实施例的制备方法制备空芯保偏反谐振光纤可采用以下制备装置，如图4所示，该制备装置包括能够在堆栈体中间体制备及光纤制备的过程中主动精密控制堆栈体中的第一微毛细管内的压力、第二微毛细管内的压力、微毛细管之间的空隙内的压力、所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞内的压力，主动精密控制光纤预制棒31中的第一微毛细管内的压力、第二微毛细管内的压力、所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞内的压力的多通道主动式气控单元1，以及用于对光纤预制棒31进行光纤拉丝且在光纤拉丝的过程中控制光纤预制棒31中的不同区域结构参数实现保偏结构的光纤拉丝塔系统2，多通道主动式气控单元1可实现有效调制微毛细管的外径、空芯纤芯区域的尺寸，光纤拉丝塔系统2由预制棒进给装置21、高温炉22、数量为1～5个的涂敷固化装置23(一般情况下采用2个涂敷固化装置23)、光纤转向引导轮24、具有能够调整拉丝速度和调节裸光纤32直径的主光纤牵引轮251的主牵引系统25、舞蹈轮26、具有收线盘271的成品光纤收线装置27组成，预制棒进给装置21提供光纤预制棒31给高温炉22，高温炉22使光纤预制棒31熔融成丝形成裸光纤32，涂敷固化装置23使裸光纤32的表面高分子材料并固化后形成具有涂敷层的光纤33，具有涂敷层的光纤33通过光纤转向引导轮24后进入主牵引系统25中，主牵引系统25中的主光纤牵引轮251改变具有涂敷层的光纤33的直径后得到空芯保偏反谐振光纤34，空芯保偏反谐振光纤34经过舞蹈轮26后由成品光纤收线装置27中的收线盘271收集。
在此，涂敷固化装置23包括用于在裸光纤32的表面涂敷高分子聚合物的涂敷器231及进行固化处理的固化炉232；裸光纤32的表面涂敷高分子材料，高分子材料为紫外固化的高聚物(如丙烯酸酯或硅胶)或热固化的高聚物(如聚酰亚胺)，且高分子材料为丙烯酸酯或硅胶时具有涂敷层的光纤33的涂敷层的厚度为50～150微米，高分子材料为聚酰亚胺时具有涂敷层的光纤33的涂敷层的厚度为10～20微米。
上述，多通道主动式气控单元1采用现有技术，利用多通道主动式气控单元1控制光纤预制棒31中三个部分的气体压力的值根据实际情况来确定；预制棒进给装置21采用现有的进给设备；高温炉22、涂敷器231、固化炉232、光纤转向引导轮24、舞蹈轮26均采用现有技术；高温炉22的工作温度、固化炉232的固化温度及其它所需的工艺参数均采用现有的光纤拉丝中所采用的工艺参数或再适当调整。

Claims (6)

1.一种空芯保偏反谐振光纤，包括具有高折射率的包层区域和具有低折射率的空芯纤芯区域，其特征在于：所述的包层区域由外包层和内包层组成，所述的外包层、所述的内包层、所述的空芯纤芯区域自外向内依次分布，所述的内包层由紧贴所述的外包层的内壁环形均匀间隔排布的多个微毛细管及所述的微毛细管之间的空隙组成，其中半数以下的所述的微毛细管的外径小于或大于其余所述的微毛细管的外径，且定义这半数以下的所述的微毛细管为第一微毛细管，而定义其余所述的微毛细管为第二微毛细管，所有所述的第一微毛细管和所述的第二微毛细管在径向截面的位置布置的标准为使它们所围成的所述的空芯纤芯区域的径向截面呈椭圆形。
2.根据权利要求1所述的一种空芯保偏反谐振光纤，其特征在于：所述的第一微毛细管和所述的第二微毛细管的管壁厚为0.2～5微米；所述的空隙的大小为所述的第二微毛细管的外径与所述的空芯纤芯区域的短轴和长轴的平均值的比值，且比值的取值范围在0.1～0.9之间。
3.根据权利要求2所述的一种空芯保偏反谐振光纤，其特征在于：所述的微毛细管的数量为4～12个。
4.根据权利要求1所述的一种空芯保偏反谐振光纤，其特征在于：所述的外包层由固态套管和套设于所述的固态套管外的包层套管熔融成一体构成，所述的固态套管的管壁厚为20～150微米。
5.根据权利要求4所述的一种空芯保偏反谐振光纤，其特征在于：所述的固态套管、所述的包层套管和所述的微毛细管的制作材料为二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物。
6.一种空芯保偏反谐振光纤的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：选取一根固态套管；然后在固态套管的管孔内紧贴管壁环形均匀间隔排布一圈微毛细管，其中半数以下的微毛细管的外径小于或大于其余微毛细管的外径，且将这半数以下的微毛细管定义为第一微毛细管，而将其余微毛细管定义为第二微毛细管，所有第一微毛细管和第二微毛细管沿固态套管的管孔管壁的位置布置的标准为使它们所围成的中间孔洞的径向截面呈椭圆形；接着在中间孔洞的两轴端各插入一根与中间孔洞相适配的辅助毛细棒，并使辅助毛细棒的外壁与最大外径的微毛细管的外壁紧贴，辅助毛细棒的外轴端面与固态套管的轴端面齐平；再在固态套管的管孔两轴端，向相邻两根微毛细管的外壁之间的空隙中、以及除最大外径的微毛细管外的其余微毛细管的外壁与辅助毛细棒的外壁之间插入不同尺寸的支撑毛细棒，以维持所有微毛细管的位置不发生变化，支撑毛细棒的外轴端面与固态套管的轴端面齐平，至此得到两轴端形成多点支撑而中腹部形成悬挂的堆栈体；其中，固态套管和微毛细管的轴向长度为1～1.5米，辅助毛细棒和支撑毛细棒的轴向长度为5～10厘米；
步骤2：仅对堆栈体的中腹部进行拉制，在拉制过程中通过多通道主动式气控单元控制第一微毛细管内的压力、第二微毛细管内的压力、微毛细管之间的空隙内的压力、所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞内的压力，其中，第一微毛细管内的压力与第二微毛细管内的压力之差为10～100mbar，所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞内的压力和微毛细管之间的空隙内的压力均小于第一微毛细管内的压力和第二微毛细管内的压力两者中的最小压力。
步骤3：将中腹部拉制后得到的堆栈体中间体插入一个包层套管内，使包层套管位于堆栈体中间体的中腹部外，形成光纤预制棒；然后对光纤预制棒进行光纤制备，在光纤制备过程中通过步骤2中的多通道主动式气控单元控制第一微毛细管内的压力、第二微毛细管内的压力、所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞内的压力以得到空芯保偏反谐振光纤，该空芯保偏反谐振光纤的外包层由固态套管和包层套管熔融成一体构成、内包层由多个微毛细管和微毛细管之间的空隙组成、由所有第一微毛细管和第二微毛细管所围成的中间孔洞构成的空芯纤芯区域的径向截面呈椭圆形；其中，包层套管的轴向长度为固态套管的轴向长度减去辅助毛细棒的轴向长度的2倍。
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