CN113121103A - 一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，通过将薄壁毛细管段加热固设在石英管材侧壁上，固定内悬挂纤芯，从而制备出稳定的各种空心内悬挂光纤，本发明制造的光纤其空心部分可以起到样品微测量池的功能，该光纤的纤芯利用倏逝波以及和所测环境的相互作用达到传感目的，且本发明提供的制造方法简单、实用，支持批量制造。

Description

一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法

技术领域

本发明光纤制备领域，特别是一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法。

背景技术

光纤，即光导纤维的简称。常用的商用光纤包括三部分：纤芯、包层和涂覆层，其中纤芯和包层一般由石英材料或聚合物材料制成，由于光纤纤芯的折射率高于包层折射率，这样光在光纤内传输时可发生全反射，从而光纤可作为传光工具，涂覆层一般为塑料材料，其对光纤起到保护作用。光纤具有质量小、重量轻、抗电磁干扰等特点，除被广泛用于光纤通信外，光纤最广泛的用途为制作成多种器件和光纤传感器。光纤的种类包括单模光纤、多模光纤、偏振保持光纤、多芯光纤、空心光纤等。

相比于传统光纤，空心光纤是一种重要的器件纤或传感光纤。空心光纤主要有三种：第一种是光子晶体光纤，光子晶体光纤(PCF)是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性，这种新型光纤又可以分为折射率波导和带隙波导。第二种是利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于光的大部分可在无损耗的空气中传播，具有一定距离的传播功能，使圆筒内面的反射率接近1，以减少反射损耗。为了提高反射率，在圆筒内设置电介质，使工作波长段损耗减少。第三种是光纤的中间部位是圆柱状空心，其内壁上存在不同的纤芯分布，当光波在纤芯内传输时，由于所测量的外界环境发生变化，例如，温度、 压力、应变、角度、位移、流量、角速度、湿度、振动、加速度、弯曲、折射率、电流等，使得在光纤内传输光波的参数发生了相应的变化(如振幅、相位、波长、偏振态等)，利用接收装置检测这些参数的变化，通过对数据的分析计算并总结实验规律，从而达到传感的目的并制作成相应的传感器件。第一种和第二种空心光纤的研究起步较早，其制备方法和工艺已经较为成熟，本发明针对的是第三种空心光纤，即空心内悬挂芯光纤。空心内悬挂芯光纤根据纤芯折射率的高低也即锗掺杂量的多少又有不同的制备方法及工艺。高折射率悬挂芯由于其折射率高，因此模场直径更小、收光能力更强，相比于常规折射率纤芯具有独特的光学特性。但是其材料锗掺浓度更高、热膨胀系数更大，而采用针对常规折射率的氢氧焰加热将它固定到纯石英表面，在其冷却后会出现应力过大悬挂芯炸裂、脱落的问题。

中国专利CN109541741A“一种空心光纤”公开了一种空心光纤包括纤芯和包层，纤芯为空气孔，纤芯与包层交界处构成一层空气孔壁，在空气孔壁的外周设置有反共振环，通过控制反共振环的厚度接近反谐振厚度，利用反谐振波导的原理，使在纤芯内传播的光波在反共振环内多次反射，消除纤芯与包层交界处的光，有效减少表面模与纤芯模的耦合，提高传输效率。但是该技术需要加入数量较多的毛细管组成阵列包层，成本较高，且需要加入反共振环，制作工艺较为繁琐。中国专利CN108181684A“一种微结构空心光纤”提供了一种微结构空心光纤,所述光纤包括第一类介质圆管、第二类介质圆管和第三类介质圆管,所述第一类介质圆管嵌套在所述第二类介质圆管内部并沿圆周线周期排列,相邻所述第一类介质圆管外壁之间的间距大于0,所述第二类介质圆管嵌套在所述第三类介质圆管内部；所述第一类介质圆管、第二类介质圆管和第三类介质圆管之间均通过相切或相交的方式连接。该技术可通过简单增加第二类介质圆管的数目来降低限制损耗，且不会再光纤横截面上引入太多的节点,但是该技术中第一类介质圆管不能稳定固设在第二类介质圆管上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，解决空心内悬挂光纤制备中不能稳定悬挂的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，实现的步骤为：

S1.制备目标芯棒；

S2.制备薄壁石英环，将薄壁石英环固设在石英管材内侧壁上；

S3.将根据步骤S1制备的目标芯棒插入薄壁石英环中；

S4.将步骤S3得到的光纤预制棒进行光纤拉丝，得到光纤。

优选的方案中，步骤S1的具体实现步骤为：

S11.制备单模预制棒；

S12.将单模预制棒进行外圆打磨；

S13.将打磨后的单模预制棒进行拉伸得到目标芯棒。

优选的方案中，步骤S2中的具体实现步骤为：

S21.将与目标芯棒适配的衬管拉制成薄壁毛细管；

S22.将薄壁毛细管切割成薄壁石英环；

S23.将薄壁石英环沿着圆周方向和石英管材轴向进行排列，同一轴向至少排列两个薄壁石英环；

S24.将薄壁石英环加热固定到石英管材内壁。

优选的方案中，步骤S3的具体实现步骤为：

S31. 将步骤S1得到的目标芯棒一端加热弯曲成90°；

S32. 将目标芯棒逐个插入同轴的薄壁石英环中，目标芯棒弯曲一端挂在石英环上。

优选的方案中，步骤S4的具体实现步骤为：

S41.石英管材一端进行辅管的延接，另一端进行拉锥操作；

S42.将拉锥后的石英管材的锥部切开开口；

S43.进行清洗、干燥；

S44.进行光纤拉丝。

优选的方案中，制备目标芯棒的纤芯材料折射率大于1.465。

优选的方案中，薄壁石英环的长度为3-10mm。

优选的方案中，石英环的内孔径大于预制棒中的悬挂芯外径。

优选的方案中，步骤S44光纤拉丝的过程中先拉制中间体，再进行中间体拉丝得到空心内悬挂芯光纤。

优选的方案中，石英环的材质和光纤包层的材质一致。

本发明提供了一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，通过上述技术方案，具有以下有益效果：

1、稳定性高，通过使用薄壁毛细管辅助固定的制备方法，制备出稳定的各种空心内悬挂光纤。

2、实用价值高，本发明制造的光纤其空心部分可以起到样品微测量池的功能，该光纤的纤芯利用倏逝波以及和所测环境的相互作用达到传感目的。

3、制造工艺简单，成本较低，本发明制造方法简单、实用，支持大批量制造。

4、适用范围广，本发明不仅对常规折射率悬挂芯适用，同样也适用于高折射率悬挂芯光纤。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中去除涂层的空心内悬挂三芯的端面实物图；

图2为本发明制备光纤的衰减谱曲线；

图3为本发明中空心内悬挂三芯的结构图；

图4为本发明中制备空心内悬挂三芯的立体示意图；

图5为本发明中制备空心内悬挂三芯的俯视图。

具体实施方式

本实施例提供一种空心内悬挂高折射率三芯光纤的制造方法，如图1所示，该光纤的玻璃包层直径为125µm，空气孔直径为80µm，芯径为9µm。

如图3~5所示，一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，实现的步骤为：

S1.制备目标芯棒，制备目标芯棒的纤芯材料折射率大于1.465。

S11.制备单模预制棒，普通单模预制棒的制备是利用化学气象沉积法FCVD制备的，首先用氢氟酸泡洗石英管，接着用去离子水冲洗干净，然后用高纯氮气吹干，最后固定于MCVD设备上，先沉积包层再沉积芯层，接着进行熔缩和烧实得到普通单模预制棒。该预制棒的折射率为n₁=1.476，芯径为8mm,外径为23mm，长度为600mm。

S12.将单模预制棒进行外圆打磨，使用外圆磨床对该单模预制棒进行外圆打磨，打磨前利用磨床两端的夹具将单模预制棒固定好，并调节单模预制棒的准直在20丝以内，以免打磨后的预制棒出现同心度偏差。打磨后得到外径为7.8mm的预制棒。

S13.将打磨后的单模预制棒进行拉伸得到目标芯棒，将该7.8mm预制棒进行拉伸，拉伸后得到外径是2mm的目标芯棒L1。

S2.制备薄壁石英环，将薄壁石英环固设在石英管材内侧壁上。

S21.将与目标芯棒适配的衬管拉制成薄壁毛细管，该薄壁毛细管的内径大于目标芯棒的外径，选用D31*3*600mm衬管在拉丝塔上拉制薄壁毛细管，拉直成的薄壁毛细管的尺寸为D3*0.24mm。

S22.将薄壁毛细管切割成薄壁石英环，将D3*0.24mm的薄壁毛细管用玻璃切割刀切成长度为8mm的各小段。可根据需要将薄壁毛细管切割成3-10mm不等。石英环的材质和光纤包层的材质一致。

S23.将薄壁石英环沿着圆周方向和石英管材轴向进行排列，同一轴向至少排列两个薄壁石英环。

S24.将薄壁石英环加热固定到石英管材内壁，选择规格型号为D31*3*600mm的高纯衬管T1，该衬管的外径为31mm，壁厚为3mm，长度为600mm。将衬管T1一端夹持在火床的一端，将三个薄壁石英环使用氢氧焰焊在衬管T1内部，薄壁石英环需保持同轴，其位置分别为靠近衬管T1一端、中间处和另一端。旋转卡盘120°，在衬管T1的最低处同上步操作用氢氧焰焊接三个薄壁石英环。再旋转卡盘120°，在衬管T1的最低处同上步操作用氢氧焰焊接三个薄壁石英环。

S3.将根据步骤S1制备的目标芯棒插入薄壁石英环中。

S31.将步骤S1得到的目标芯棒一端加热弯曲成90°，将目标芯棒L1一端约5mm处水平放置于氢氧焰小火下烧软，至重力下垂约90°，根据设计需要制备相应根数的一端5mm处呈90°弯曲的芯棒L2。

S32. 将目标芯棒逐个插入同轴的薄壁石英环中，目标芯棒弯曲一端挂在石英环上，手持芯棒L2 的90°弯曲端，逐个水平的插入同轴的薄壁毛细管中。

S4.将步骤S3得到的光纤预制棒进行光纤拉丝，得到光纤。石英环的内孔径大于预制棒中的悬挂芯外径。

S41.石英管材一端进行辅管的延接，另一端进行拉锥操作，在目标芯棒90°弯曲端对衬管T1使用光纤加工制造行业通用的火床进行辅管的延接，所延接的辅管的规格为D31*3*750mm。衬管T1的另外一端进行常规的拉锥操作。

S42.将拉锥后的石英管材的锥部切开开口，拉锥后的衬管T1将锥部切开直径约为10mm的开口。

S43.进行清洗、干燥，对上步的预制棒进行常规的清洗、干燥。

S44.进行光纤拉丝，对上步预制棒使用拉丝炉拉制中间体，拉制的中间体外径为8mm。拉制温度1900℃，拉伸速度0.2mm/min，压力+10mbar。对上步8mm中间体使用拉丝炉拉制光纤，本实施例中的光纤石英包层部分的外径为125µm,内涂层和外涂层的厚度比例为1：1，外涂的直径为245µm。为使该光纤的悬挂芯圆度保持在很好的水平，拉丝炉应使用小发热体，本实施例中的发热体直径为30mm。同时，保持在较低的温度拉丝，本实施例中的拉丝温度为1930℃，裸纤张力0.9 N-1.0N。

图2为使用光纤行业常用光学测试设备PK2200，使用截断法测试得到的衰减谱曲线，测试过程采用的是近场满注入法将光耦合进光纤的。该光纤在使用过程中还需经过对轴、拉锥、熔缩等过程，由于该光纤主要用于光纤传感，单次使用长度都非常短，因此该产品的传输损耗满足应用需求。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：实现的步骤为：

S1.制备目标芯棒；

S2.制备薄壁石英环，将薄壁石英环固设在石英管材内侧壁上；

S3.将根据步骤S1制备的目标芯棒插入薄壁石英环中；

S4.将步骤S3得到的光纤预制棒进行光纤拉丝，得到光纤。

2.根据权利要求1所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：步骤S1的具体实现步骤为：

S11.制备单模预制棒；

S12.将单模预制棒进行外圆打磨；

S13.将打磨后的单模预制棒进行拉伸得到目标芯棒。

3.根据权利要求1所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：步骤S2中的具体实现步骤为：

S21.将与目标芯棒适配的衬管拉制成薄壁毛细管；

S22.将薄壁毛细管切割成薄壁石英环；

S23.将薄壁石英环沿着圆周方向和石英管材轴向进行排列，同一轴向至少排列两个薄壁石英环；

S24.将薄壁石英环加热固定到石英管材内壁。

4.根据权利要求1所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：步骤S3的具体实现步骤为：

S31. 将步骤S1得到的目标芯棒一端加热弯曲成90°；

S32. 将目标芯棒逐个插入同轴的薄壁石英环中，目标芯棒弯曲一端挂在石英环上。

5.根据权利要求1所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：步骤S4的具体实现步骤为：

S41.石英管材一端进行辅管的延接，另一端进行拉锥操作；

S42.将拉锥后的石英管材的锥部切开开口；

S43.进行清洗、干燥；

S44.进行光纤拉丝。

6.根据权利要求1所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：制备目标芯棒的纤芯材料折射率大于1.465。

7.根据权利要求1所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：薄壁石英环的长度为3-10mm。

8.根据权利要求1所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：石英环的内孔径大于预制棒中的悬挂芯外径。

9.根据权利要求5所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：步骤S44光纤拉丝的过程中先拉制中间体，再进行中间体拉丝得到空心内悬挂芯光纤。

10.根据权利要求1所述的一种空心内悬挂高折射率多芯光纤的制造方法，其特征是：石英环的材质和光纤包层的材质一致。

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