CN115521059B - 一种空芯微结构光纤预制棒、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微结构光纤预制棒、光纤及其制备方法，采用了多边形内孔套管和多边形毛细管来组装成光纤预制棒，再通过在拉丝过程中往多边形毛细管中进行增压控制来实现负曲率反谐振环结构的光纤，此方法通过多边形内孔套管和多边形毛细管来组装空芯光纤预制棒，可以提高毛细管的定位精度，从而减少空芯光纤反谐振单元方位角的偏移；同时由于毛细管采用的是多边形毛细管，可便于进行连接片结构或者嵌套结构毛细管组装，提高连接片结构或者嵌套结构的定位精度。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种空芯微结构光纤技术，具体涉及一种空芯微结构光纤预制棒、光纤及其制备方法。
背景技术
空芯微结构光纤具有结构简单、空芯单模导光、传输谱宽的特点，在光与填充物质相互作用、非线性光学、气体检测、气体激光产生、光流体技术等领域都具有重要的应用；大空气孔纤芯导光具有超低的瑞利散射、低非线性系数、色散可调特性，可以提供更高的激光损伤阈值，使其在高功率激光传输、紫外/中红外光传输、脉冲压缩和光孤子传输等方面有潜在的应用；空气芯的超低损耗、低色散、低非线性、接近光速的传播速度，可实现空芯光纤通信传输及通信器件的开发，为下一代超大容量、低延迟、高速光通信系统的建设发展奠定基础。
即使空芯光纤在设计和应用方面有很大优势，然而其传输损耗一直高于传统的石英光纤，近年来人们发现基于反谐振原理的空芯光纤在合理的结构设计之下，能有效的减小传输损耗，具有作为超长距离通信光纤的潜力。进一步降低衰减，仍然是空芯微结构光纤制造领域的一个重要课题。
虽然已知的反谐振空芯光纤，特别是具有嵌套结构元件的光纤，能够显著降低光纤的衰减，但是由于其内部几何形状较为复杂，且几何上的微小偏差都可能导致反谐振条件发生变化，这使得精确且可重复地生产它们变得困难。同时，更薄壁厚的反谐振层有助于实现更低的损耗以及更宽的带宽，因此如何实现更薄壁厚的反谐振层也是急需解决的问题。
参考文献CN113905991A中提出除了使用SiO2浆料来进行固定以外，还使用定位模板来对反谐振单元进行辅助固定，由于毛细管还是圆形尺寸的，在固定时毛细管还是会发生偏转，特别是对于嵌套结构，嵌套管的方位角将无法得到有效定位，从而大大影响光纤性能和制造效率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种空芯微结构光纤预制棒，通过棱边和面贴合，使得毛细管和套管定位更精确，防止后续拉丝过程中光纤预制棒中间处的毛细管位置发生偏移，导致空芯微结构光纤衰减增大，增加光纤的传输损耗。
本发明的另一目的在于提供一种空芯微结构光纤的制备方法，采用上述空芯微结构光纤预制棒进行拉丝，拉丝过程中，由于多边形棱边定位作用，虽然毛细管和套管仅仅在两端进行固定，但是中间处由于棱边辅助定位，使得定位精度高，拉丝可以将反谐振环拉得更薄，衰减更小，从而使得光纤传输损耗更小，避免了传统制造方法的局限性。
本发明的另一目的在于提供一种空芯微结构光纤，采用上述制备方法制备，所制得的空芯微结构光纤具有更低的损耗。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种空芯微结构光纤预制棒，包括
套管，管状结构，其横截面外部为圆形，内部为多边形；
毛细管，固定设置于套管内壁上，所述毛细管至少具有与套管内壁相邻内壁面贴合的两个外壁面，若干毛细管围成的区域构成预制棒中心孔。
本发明毛细管作为反谐振元件预制件固定在套管内壁上，预制棒拉丝过程中，在毛细管内通入压缩气体，使得毛细管在内外压差以及表面张力的作用下，拉丝形成负曲率的反谐振环，所有反谐振环一起构成环形的反谐振层，反谐振层围成的区域构成空心的纤芯。
进一步地，所述套管内部为正多边形，其边数大于或等于4。
进一步地，所述套管内部正多边形的外接圆直径与套管的外径之比为0.2～0.8。
需要说明的是，理论上套管内部正多边形的外接圆直径与套管的外径之比在任何范围均可，但是考虑到实际加工过程中，该比值过小和过大都会造成拉丝困难，因此结合实际生产选取一个较优比例范围为0.2～0.8。
进一步地，所述毛细管为正多边形毛细管，并且毛细管的正多边形的边数与套管内部正多边形的边数相同，使得正多边形毛细管的两个相邻外壁面能与套管内部两个相邻内壁面刚好贴合。毛细管的数量也与边长数量一样，例如套管内孔为正方形，则毛细管也为正方形毛细管，毛细管的数量为4根；如果套管内孔为正六边形，则毛细管也为正六边形毛细管，毛细管的数量为6根。
进一步地，所述毛细管采用固定块、氢氧焰或者激光焊接的方式固定在套管内部正多边形的每个棱角上。通过在毛细管和套管两端固定的方式也可以将两者的相对位置高精度固定在一起，防止拉丝过程中毛细管位置偏移和扭转。
进一步地，所述毛细管内设有用于增加拉丝后反谐振层的内嵌件。
进一步地，所述内嵌件为石英片或者尺寸更小的毛细管，即形状相似，尺寸更小的嵌套毛细管，以便形成多层反谐振环结构。
在毛细管中插入尺寸更小正多边形毛细管，形成嵌套结构的正多边形毛细管，嵌套结构的正多边形毛细管再采用固定块、氢氧焰或者激光焊接的方式固定在套管内孔正多边形的每个棱角上，从而形成正多边形嵌套结构空芯微结构预制棒，通过增加空芯光纤的反谐振层数，来进一步降低光纤的衰减。
需要说明的是，一般来说，形成嵌套结构的正多边形毛细管固定和毛细管与套管固定采用同一个棱角，能达到最好效果。
在毛细管中插入石英片，形成连接片结构的正多边形毛细管，连接片结构的正多边形毛细管再采用固定块、氢氧焰或者激光焊接的方式固定在套管内孔的正多边形的每个棱角上，从而形成正多边形连接片结构空芯微结构预制棒，通过增加空芯光纤的反谐振层数，来进一步降低光纤的衰减。
需要说明的是，一般来说，所述石英片横截面的中垂线通过套管的轴心线，才能取得更好降低衰减的效果。
本发明还保护一种空芯微结构光纤的制备方法，采用上述任意一项所述的空芯微结构光纤预制棒，包括以下步骤：
将所述空芯微结构光纤预制棒在高温下拉丝，拉丝过程中在毛细管内通入气体，使得毛细管内气压高于预制棒中心孔内的气压，由于毛细管内外压差以及表面张力的作用，拉丝后毛细管形成负曲率的反谐振环，所有反谐振环一起构成环形的反谐振层，反谐振层围成的区域构成空心的纤芯，反谐振层和拉丝后的套管一起构成保护纤芯的包层，从而形成具有负曲率反谐振环的空芯微结构光纤。
进一步地，所述纤芯直径为10～50μm，包层直径为100～300μm。
需要说明的是，本发明纤芯直径和包层直径主要基于选定套管尺寸得到，上述尺寸是基于选定套管尺寸后拉丝能够得到的范围，该尺寸范围内，空芯微结构光纤具有较好的可加工性和较低衰减。
进一步地，通入所述毛细管内的气体为压缩空气、氮气、氦气及氩气中的任意一种或者几种。
进一步地，拉丝后形成的相邻反谐振环之间不接触。
进一步地，所述反谐振环的最小壁厚≤2μm，更优的≤1μm。
本发明还保护一种空芯微结构光纤，采用上述制备方法所制备。本发明制备的空芯微结构光纤具备较低的传输损耗，其最低的传输损耗≤30dB/km，更优的≤1dB/km。
与现有技术相比，本发明以上技术方案能够取得下列有益效果。
本发明提供的空芯微结构光纤预制棒，采用了多边形内孔套管和和至少具有与套管内壁相邻内壁面贴合的两个外壁面的毛细管来组装成光纤预制棒，通过多边形定位作用，提高毛细管的定位精度，从而减少空芯光纤反谐振单元方位角的偏移；使得后续制备空芯微结构光纤拉丝过程中，毛细管不会发生偏移，得到的空芯微结构光纤衰减小，传输损耗低。
本发明通过将毛细管设置为与套管内孔边数相同的多边形，进一步提高了毛细管定位精度，也提高了毛细管的均一性，使得后续拉丝过程中，得到的每个反谐振环均一性好，能进一步降低光纤衰减和传输损耗。
本发明通过在毛细管内嵌套连接片或更小尺寸毛细管的方式，通过增加反谐振层数来提高光纤的传输性能。
本发明通过将上述组合结构的空芯微结构光纤预制棒拉丝制备空芯微结构光纤，在拉丝过程中往毛细管内通入气体，使得毛细管内气压高于预制棒中心处气压，拉丝过程后，毛细管由于内外压差及表面张力作用形成负曲率的反谐振环，所有反谐振环一起构成环形的反谐振层，反谐振层围成的区域构成空心的纤芯，反谐振层和拉丝后的套管一起构成保护纤芯的包层，从而形成具有负曲率反谐振环的空芯微结构光纤。由于上述组合结构的空芯微结构光纤预制棒通过棱边和面定位作用，使得拉丝过程中毛细管不会发生偏移，因此得到的空芯微结构光纤中，每个反谐振环均一性非常好，特别是在长度方向高度均一，使得该光纤衰减和传输损耗都非常小。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的空芯微结构光纤预制棒的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的空芯微结构光纤预制棒玻璃片辅助固定的示意图；
图3是本发明实施例1提供的空芯微结构光纤结构示意图；
图4是本发明实施例2提供的空芯微结构光纤预制棒的结构示意图；
图5是本发明实施例2提供的空芯微结构光纤结构示意图；
图6是本发明实施例3提供的空芯微结构光纤预制棒的结构示意图；
图7是本发明实施例3提供的空芯微结构光纤结构示意图；
图8是本发明实施例4提供的空芯微结构光纤预制棒的结构示意图；
图9是本发明实施例4提供的空芯微结构光纤结构示意图；
图10是本发明实施例5提供的空芯微结构光纤预制棒的结构示意图；
图11是本发明实施例5提供的空芯微结构光纤结构示意图。
101、102、103、104、105-空芯微结构光纤预制棒，201、202、203、204、205-外套管，301、302、303、304、305-毛细管，401、402、403、404、405-空芯微结构光纤，5-包层，601、602、603、604、605-反谐振环，7-纤芯，8-玻璃片，9-石英片，10-反谐振层，11-嵌套毛细管，12-第二层反谐振环。
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。
本发明提供一种空芯微结构光纤预制棒，包括
套管，管状结构，其横截面外部为圆形，内部为多边形；
毛细管，固定设置于套管内壁上，所述毛细管至少具有与套管内壁相邻内壁面贴合的两个外壁面，若干毛细管围成的区域构成预制棒中心孔。
本发明还提供一种基于上述空芯微结构光纤预制棒的空芯微结构光纤的制备方法，包括以下步骤：
将所述空芯微结构光纤预制棒在高温下拉丝，拉丝过程中在毛细管内通入气体，使得毛细管内气压高于预制棒中心孔内的气压，由于毛细管内外压差以及表面张力的作用，拉丝后毛细管形成负曲率的反谐振环，所有反谐振环一起构成环形的反谐振层，反谐振层围成的区域构成空心的纤芯，反谐振层和拉丝后的套管一起构成保护纤芯的包层，从而形成具有负曲率反谐振环的空芯微结构光纤。
以下为上述空芯微结构光纤预制棒、光纤及其制备方法的实施例。
实施例1
空芯微结构光纤预制棒的制备：
如图1所示，本实施例的空芯微结构光纤预制棒101由一根外套管201和5根正五边形的毛细管301组装而成，外套管201的外轮廓为圆型，外套管201的内孔截面为正五边形，外套管201材料为纯二氧化硅，外套管201内孔正五边形的外接圆直径d0为33mm，外套管201外径D0为60mm，长度为800mm。毛细管301的内外轮廓均为正五边形，其外轮廓的外接圆直径为11.3mm，毛细管301的壁厚为0.56mm。通过火焰焊接或者激光焊接的方式将毛细管301固定在外套管201内孔的每个棱角上，且毛细管301为等方位角排列(方位角为72°)，也可采用如图2所示正多边形的玻璃片8对毛细管301进行辅助固定。以上即完成了空芯微结构光纤预制棒101的制备。
空芯微结构光纤的制备：
将空芯微结构光纤预制棒101放入高温拉丝炉中进行拉丝，炉温为1820℃，预制棒中间的空芯部分保持与大气压力相等的压力值，在5个毛细管301中通入等压的气体(可为压缩空气、氮气、氦气及氩气中的任意一种或者几种)，压力为1.6KPa。在高温下毛细管301与外套管201接触的壁面熔融在一起，而由于毛细管301内外压力差以及毛细管301表面张力的作用下，导致毛细管301在拉丝后形成负曲率形状，从而形成反谐振环601，最后形成如图3所示的空芯微结构光纤401。空芯微结构光纤401的包层5外径为288μm，纤芯7直径为49.4μm，反谐振环601的最小壁厚为1982nm。此光纤在1550nm处的衰减为18.3dB/km。
实施例2
空芯微结构光纤预制棒的制备：
如图4所示，本实施例的空芯微结构光纤预制棒102由一根外套管202和4根毛细管302组装而成，外套管202的外轮廓为圆型，外套管202的内孔截面为正方形，外套管202材料为纯二氧化硅，外套管202内孔正方形的外接圆直径为43mm，外径为53.75mm，长度为1000mm。毛细管302的内外轮廓为正方形，其外轮廓的外接圆直径为13.2mm，毛细管302的壁厚为0.65mm。通过火焰焊接或者激光焊接的方式将毛细管302固定外套管202内孔的每个棱角上，且毛细管302为等方位角排列(方位角为90°)，也可采用多边形的玻璃片8对毛细管302进行辅助固定，可参考实施例1。以上即完成了空芯微结构光纤预制棒102的制备。
空芯微结构光纤的制备：
将空芯微结构光纤预制棒102放入高温拉丝炉中进行拉丝，炉温为1768℃，预制棒中间的空芯部分保持与大气压力相等的压力值，在4个毛细管302中通入等压的气体，压力为2.15KPa。在高温下毛细管302与外套管202接触的壁面熔融在一起，而由于毛细管302内外压力差以及毛细管302表面张力的作用下，导致毛细管302在拉丝后形成负曲率形状，从而形成反谐振环602，最后形成如图5所示的空芯微结构光纤402。空芯微结构光纤402的包层5外径为123.2μm，纤芯7直径为25.3μm，反谐振环602的最小壁厚为822nm。此光纤在1550nm处的衰减为25.2dB/km。
实施例3
空芯微结构光纤预制棒的制备：
如图6所示，本实施例的空芯微结构光纤预制棒103由一根外套管203和六根毛细管303组装而成，外套管203的外轮廓为圆型，外套管203的内孔截面为正六边形，外套管203材料为纯二氧化硅，外套管203内孔正六边形的外接圆直径为20mm，外径为100mm，长度为1000mm。毛细管303的内外轮廓为正六边形，其外轮廓的外接圆直径为6.1mm，毛细管303的壁厚为0.37mm。通过火焰焊接或者激光焊接的方式将毛细管303固定外套管203内孔的每个棱角上，且毛细管303为等方位角排列(方位角为60°)，也可采用多边形的玻璃片8对毛细管303进行辅助固定，可参考实施例1。以上即完成了空芯微结构光纤预制棒的制备。
空芯微结构光纤的制备：
将空芯微结构光纤预制棒放入高温拉丝炉中进行拉丝，炉温为1778℃，预制棒中间的空芯部分保持与大气压力相等的压力值，在6个毛细管303中通入等压的气体，压力为2.84KPa。在高温下毛细管303与外套管203接触的壁面熔融在一起，而由于毛细管303内外压力差以及毛细管表面张力的作用下，导致毛细管303在拉丝后形成负曲率形状，从而形成反谐振环603，最后形成如图7所示的空芯微结构光纤403。空芯微结构光纤403的包层5外径为296.4μm，纤芯7直径为10.5μm，反谐振环603的最小壁厚为122nm。此光纤在1550nm处的衰减为16.4dB/km。
实施例4
空芯微结构光纤预制棒的制备：
如图8所示，本实施例的空芯微结构光纤预制棒104由一根外套管204和五根毛细管304组装而成，外套管204的外轮廓为圆型，外套管204的内孔截面为正五边形，外套管204材料为纯二氧化硅，外套管204内孔正五边形的外接圆直径为28mm，外径为48mm，长度为900mm。毛细管304的内外轮廓为正五边形，其外轮廓的外接圆直径为8.2mm，毛细管304的壁厚为0.57mm。然后在毛细管304中插入壁厚0.15mm的石英片9，从而形成连接片结构的毛细管单元。通过火焰焊接或者激光焊接的方式将连接片结构的毛细管单元固定在外套管204内孔的每个棱角上，且毛细管单元为等方位角排列(方位角为72°)，也可采用多边形的玻璃片8对毛细管单元进行辅助固定，可参考实施例1。以上即完成了空芯微结构光纤预制棒104的制备。
空芯微结构光纤的制备：
将空芯微结构光纤预制棒104放入高温拉丝炉中进行拉丝，炉温为1793℃，预制棒中间的空芯部分保持与大气压力相等的压力值，在5根毛细管304中通入等压的气体，压力为2.32KPa。在高温下毛细管304与外套管204接触的壁面熔融在一起，而由于毛细管304内外压力差以及毛细管304表面张力的作用下，导致毛细管304在拉丝后形成负曲率形状，从而形成反谐振环604，且插入毛细管304中的石英片9形成了额外的反谐振层10，最后形成如图9所示的空芯微结构光纤404。空芯微结构光纤404的包层5外径为201.2μm，纤芯7直径为29.1μm，反谐振环604的最小壁厚为784nm。此光纤在1550nm处的衰减为0.85dB/km。
实施例5
空芯微结构光纤预制棒的制备：
如图10所示，本实施例的空芯微结构光纤预制棒105由一根外套管205和五根毛细管305组装而成，外套管205的外轮廓为圆型，外套管205的内孔截面为正五边形，外套管205材料为纯二氧化硅，外套管205内孔正五边形的外接圆直径为14mm，外径为28mm，长度为1300mm。毛细管305的内外轮廓为正五边形，其外轮廓的外接圆直径为3.8mm，毛细管的壁厚为0.34mm。然后在毛细管305中插入嵌套毛细管11，其内外轮廓为正五边形，外轮廓的外接圆直径1.8mm，壁厚0.15mm，从而形成嵌套结构的毛细管单元。通过火焰焊接或者激光焊接的方式将嵌套结构的毛细管单元固定外套管205内孔的每个棱角上，且毛细管单元为等方位角排列(方位角为72°)，也可采用多边形的玻璃片8对毛细管305进行辅助固定，可参考实施例1。以上即完成了空芯微结构光纤预制棒105的制备。
空芯微结构光纤的制备：
将空芯微结构光纤预制棒105放入高温拉丝炉中进行拉丝，炉温为1765℃，预制棒中间的空芯部分保持与大气压力相等的压力值，在5根毛细管305中通入等压的气体，压力为1.7KPa，在5根嵌套毛细管11中通入等压的气体，压力为3.9KPa。在高温下毛细管305与外套管205接触的壁面熔融在一起，而由于毛细管305内外压力差以及毛细管305表面张力的作用下，导致毛细管305在拉丝后形成负曲率形状，且插入毛细管305中的嵌套毛细管11也形成负曲率形状的第二层反谐振环12，最后形成如图11所示的空芯微结构光纤405。空芯微结构光纤405的包层5外径为135.6μm，纤芯7直径为22.1μm，反谐振环605的最小壁厚为873nm。此光纤在1550nm处的衰减为0.43dB/km。
通过上述实施例可知采用本发明定位方式能提高毛细管在套管内定位精度，直接带来的技术效果就是衰减比较低；通过实施例4和5可知，增加反谐振环层数能够明显降低光纤的衰减。
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 (11)
1.一种空芯微结构光纤预制棒，其特征在于，包括
套管，管状结构，其横截面外部为圆形，内部为正多边形；
毛细管，固定设置于套管内壁上，所述毛细管至少具有与套管内壁相邻内壁面贴合的两个外壁面，若干毛细管围成的区域构成预制棒中心孔；
所述毛细管为正多边形毛细管，并且毛细管的正多边形的边数与套管内部正多边形的边数相同，使得正多边形毛细管的两个相邻外壁面能与套管内部两个相邻内壁面刚好贴合；
所述毛细管内设有用于增加拉丝后反谐振层的内嵌件。
2.根据权利要求1所述的空芯微结构光纤预制棒，其特征在于：所述套管内部正多边形的边数大于或等于4。
3.根据权利要求2所述的空芯微结构光纤预制棒，其特征在于：所述套管内部正多边形的外接圆直径与套管的外径之比为0.2~0.8。
4.根据权利要求1所述的空芯微结构光纤预制棒，其特征在于：所述毛细管采用固定块、氢氧焰或者激光焊接的方式固定在套管内部正多边形的每个棱角上。
5.根据权利要求1所述的空芯微结构光纤预制棒，其特征在于：所述内嵌件为石英片或者尺寸更小的毛细管。
6.一种空芯微结构光纤的制备方法，采用权利要求1-5任意一项所述的空芯微结构光纤预制棒，其特征在于，包括以下步骤：
将所述空芯微结构光纤预制棒在高温下拉丝，拉丝过程中在毛细管内通入气体，使得毛细管内气压高于预制棒中心孔内的气压，由于毛细管内外压差以及表面张力的作用，拉丝后毛细管形成负曲率的反谐振环，所有反谐振环一起构成环形的反谐振层，反谐振层围成的区域构成空心的纤芯，反谐振层和拉丝后的套管一起构成保护纤芯的包层，从而形成具有负曲率反谐振环的空芯微结构光纤。
7.根据权利要求6所述空芯微结构光纤的制备方法，其特征在于：所述纤芯直径为10~50μm，包层直径为100~300μm。
8.根据权利要求6所述空芯微结构光纤的制备方法，其特征在于：通入所述毛细管内的气体为压缩空气、氮气、氦气及氩气中的任意一种或者几种。
9.根据权利要求6所述空芯微结构光纤的制备方法，其特征在于：拉丝后形成的相邻反谐振环之间不接触。
10.根据权利要求6所述空芯微结构光纤的制备方法，其特征在于：所述反谐振环的最小壁厚≤2μm。
11.一种空芯微结构光纤，其特征在于，采用权利要求6-10任意一项所述制备方法所制备。
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