CN117388980A - 一种超低衰减单模空芯光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超低衰减单模空芯光纤及其制备方法，包括有外包层和内包层，所述的内包层由嵌套结构单元构成，其特征在于所述的外包层内腔径向截面呈正四边形或类正四边形，所述的内包层包括有4个嵌套结构单元，4个嵌套结构单元分别按设在正四边形或类正四边形内腔的四角，每个嵌套结构单元与对应角两侧的边相接，用以形成内腔中部的空气纤芯。本发明通过采用正四边形或类正四边形的外包层内腔结构，维持4个嵌套单元结构并保持所有嵌套管壁厚均满足反谐振条件，形成四重旋转对称管状单元，减少了嵌套管间间隙的面积，这种空芯光纤结构能够将基模传输损耗降至0.1dB/km以下，并保持与高阶模损耗相差2‑3个数量级，从而避免模式间的串扰，实现单模传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种超低衰减单模空芯光纤及其制备方法，属于光纤通信技术领域。
背景技术
随着空芯光纤的出现和发展，凭借其宽导光通带、低传输损耗以及能够使更高的光功率传输不受非线性及热光效应等问题影响的优势，成为实芯光纤在光通信领域有力的一种替代方案。现有超低损耗的反谐振空芯光纤一般采用≥5管结构单元（5重对称结构），纤芯模场呈现五边形、六边形或类圆形。这种结构在做两层嵌套管结构时，是较为理想的结构，然而，为了进一步降低损耗，需要增加反谐振层数，当做三层反谐振层结构设计时，由于空气层面积不够，出现了几个问题。一是空气层面积不足以滤除高阶模，因而不容易实现较好的单模特性，通常基模损耗与高阶模损耗相差仅在一个数量级左右，高阶模容易与基模发生串扰；二是为了实现高的高阶模抑制比，不得不使某个空气层面积减小，可能会使空气层处于谐振状态，从而增加限制损耗或弯曲损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种超低衰减单模空芯光纤及其制备方法，它能使空芯光纤减少反谐振空芯光纤基模与高阶模之间的串扰，不仅能保持单模输出特性，而且能使损耗降至超低水平。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有外包层和内包层，所述的内包层由嵌套结构单元构成，其特征在于所述的外包层内腔径向截面呈正四边形或类正四边形，所述的内包层包括有4个嵌套结构单元，4个嵌套结构单元分别安设在正四边形或类正四边形内腔的四角，每个嵌套结构单元与对应角两侧的边相接，用以形成内腔中部的空气纤芯。
按上述方案，所述嵌套结构单元包括有2层或2层以上不同半径的嵌套玻璃管。
按上述方案，所述的嵌套玻璃管包括有不同半径的圆形嵌套玻璃管，各圆形嵌套玻璃管相切于一点，且与内腔壁相切。
按上述方案，所述的嵌套玻璃管包括有不同半径的圆弧嵌套玻璃管和圆形嵌套玻璃管，其中各圆弧嵌套玻璃管与内腔壁相交，各圆形嵌套玻璃管与内腔壁相切。
按上述方案，所述的不同半径的圆弧嵌套玻璃管和圆形嵌套玻璃的壁厚均满足反谐振反射条件，。（其中t为壁厚大小，/>为谐振波长，m为反谐振层阶数，n为玻璃管折射率）
按上述方案，所述的正四边形或类正四边形内腔的四角为圆弧过渡角。
按上述方案，所述的类四边形内腔通过在圆形基腔的上下左右四侧边缘增设充填层层构成。
按上述方案，所述的充填层由玻璃棒材充填在圆形基腔的上下左右四侧边缘的中部并向两侧延伸形成。
按上述方案，所述的充填层内侧边缘接近设定的正四边形内腔边缘，超越或部分超越设定的四边形内腔边缘。
按上述方案，所述的玻璃棒材为实芯和/或空芯玻璃棒材。
按上述方案，所述的内包层最大空气孔面积与空气纤芯面积之比，即内包层最大空气孔面积/空气纤芯面积小于等于0.65，进一步的可小于等于0.6。
本发明光纤的制备方法技术方案为：
先进行光纤预制棒组装：将4组嵌套玻璃管和用作充填层的玻璃棒材按预设的位置放入外包层的玻璃管内，做相应的固定，制成初级预制棒组装件；
融缩成空芯光纤预制棒：将组装的光纤预制棒组装件装夹到融缩装置上进行高温融缩加工，将预制棒组装件融缩成空芯的次级光纤预制棒；
拉丝成空芯光纤：将实芯光纤预制棒装夹到光纤拉丝炉，对嵌套管中的空气孔进行充气保持形状，经高温熔融将预制棒拉制成预设的空芯光纤。
按上述方案，所述的初级预制棒的外径为20-200毫米；所述的次级预制棒的外径为8-80毫米；所述的空芯裸光纤的外径为100-350μm，涂覆树脂层的空芯光纤外经为200-500μm。
本发明的有益效果在于：1、通过采用正四边形或类正四边形的外包层内腔结构，维持4个嵌套单元结构并保持壁厚满足反谐振条件，减少了嵌套管间间隙的面积，仿真计算与实验测试显示，这种空芯光纤结构能够将基模传输损耗降至0.1dB/km以下，并保持与高阶模损耗相差2-3个数量级（高阶模损耗大于100dB/km）从而避免模式间的串扰，实现单模传输。2、使用四重旋转对称管状单元，其中最靠近纤芯的大管采用圆弧或圆形管结构，从而减小两管间空气区域面积。嵌套结构单元内部采用至少双嵌套管或双圆弧管结构，可通过调节大管与中管之间的距离或中管与小管之间的距离，平衡高的高阶模抑制比和低的光泄露，实现单模传输的同时保持超低损耗。3、本发明适用于面向各种应用、各种光学波段的反谐振空芯光纤，具有较强的泛用性。同时，本发明提出的光纤结构设计满足包层每一层玻璃壁任意位置处的曲率相同，壁厚相同，属于基于流体力学和热力学的光纤拉制方法所能实现的结构，因此本发明的光纤设计具有实际可行性。
附图说明
图1是本发明第一个实施例光纤结构剖面图。
图2是本发明第一个实施例光纤结构下不同偏振情况的损耗谱。
图3是本发明第一个实施例光纤结构下高阶模抑制比图。
图4是本发明第二个实施例光纤结构剖面图。
图5是本发明第二个实施例光纤结构下不同偏振情况的损耗谱。
图6是本发明第二个实施例光纤结构下高阶模抑制比图。
图7是本发明第三个实施例光纤结构剖面图。
图8是本发明第三个实施例光纤结构下不同偏振情况的损耗谱。
图9是本发明第一个实施例光纤结构下高阶模抑制比图。
图10是本发明第四个实施例光纤结构剖面图。
图11是本发明第五个实施例光纤结构剖面图。
图12位本发明制备方法的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明第一个实施例如图1、2、3所示，包括有外包层140和内包层，所述的内包层由嵌套结构单元构成，所述的外包层内腔130a径向截面呈正四边形，所述的正四边形内腔的四角为圆弧过渡角，所述的内包层包括有4个嵌套结构单元，4个嵌套结构单元分别安设在正四边形内腔的四角，所述嵌套结构单元包括有3层不同半径的圆形嵌套玻璃管，各圆形嵌套玻璃的壁厚相等，各圆形嵌套玻璃的壁厚均为1.1μm，每个嵌套结构单元的外玻璃管120b与对应角两侧的正四边形内腔的边相切，中间玻璃管120a和内玻璃管110均与外玻璃管内切，切点位于正四边形的对角线位，用以形成内腔中部的空气纤芯。本实施例光纤内包层结构由呈四重旋转对称中的圆形薄管嵌套构成，且圆形薄管之间有间隙，圆形薄管围成的光纤位置中心区域为光纤的纤芯，纤芯直径为28 μm，面积为518μm2，内包层最大空气孔面积为330μm2，内包层最大空气孔面积/空气纤芯面积为0.64，包层空气孔支持的基模与纤芯支持的LP11模满足模场匹配条件，可以有效滤除高阶模。基模（LP01）可以在1300-1680的波段内实现小于0.1dB/km的限制损耗，高阶模（LP11）在此波段损耗为10dB/km，高阶模抑制比达到100，如图3，因此具有较好的单模特性。
本发明第二个实施例如图4、5、6所示，其与第一个实施例的不同之处在于所述的外包层140内腔径向截面呈类正四边形，所述的类四边形内腔通过在圆形基腔130a的上下左右四侧边缘增设充填层构成，所述的充填层210a由玻璃棒材充填在圆形基腔的上下左右四侧边缘的中部，所述的玻璃棒材的截面形状为扁长形并且长边的一边为外凸圆弧，外凸圆弧面与圆形基腔的圆弧面相配置，所形成的充填层的内侧边缘接近设定的正四边形内腔边缘，所述的玻璃棒材为实芯或空芯玻璃棒材。其余结构与上一个实施例相同。本实施例光纤内包层结构由呈四重旋转对称中的圆形薄管嵌套构成，且圆形薄管之间有间隙，圆形薄管围成的光纤位置中心区域为光纤的纤芯，纤芯直径为28 μm，圆形薄管薄壁壁厚均为1.1μm，微结构形状采用圆形，同时在嵌套结构单元之间的空气区域加入扁长柱形玻璃，降低光泄露导致的损耗，使光纤可以在1300-1800的波段内实现基模小于0.1dB/km的限制损耗，高阶模（LP11）在此波段损耗为10dB/km ，高阶模抑制比达到100，因此具有较好的单模特性。
本发明第三个实施例如图7、8、9所示，所述的外包层140内腔径向截面呈类正四边形，其与第二个实施例的不同之处在于所述的玻璃棒材的截面形状为圆形或大半圆形，所形成的充填层210b的内侧边缘超越设定的正四边形内腔边缘，所述的玻璃棒材为实芯或空芯玻璃棒材。其余结构与第二个实施例相同。本实施例光纤内包层结构由呈四重旋转对称中的圆形薄管嵌套构成，使光纤可以在1300-1800的波段内实现小于0.1dB/km的限制损耗，高阶模（LP11）在此波段损耗为10dB/km ，高阶模抑制比达到100，因此具有较好的单模特性。
本发明第四个实施例如图10所示，所述的外包层140内腔径向截面呈类正四边形，其与第二个实施例的不同之处在于所述嵌套结构单元包括有3层不同半径的圆弧嵌套玻璃管和圆形嵌套玻璃管，每个嵌套结构单元的外玻璃管320b为圆弧嵌套玻璃管，与对应角两侧的类四边形内腔的边相交，中间玻璃管320a为圆弧嵌套玻璃管，与对应角两侧的类四边形内腔的边相交，内玻璃管110为圆形嵌套玻璃管，与类四边形内腔相切，切点位于类四边形的对角线位，用以形成内腔中部的空气纤芯。其余结构与第二个实施例相同。本实施例光纤内包层结构由呈四重旋转对称中的圆形薄管嵌套构成，使光纤可以在1300-1800的波段内实现小于0.1dB/km的限制损耗，高阶模（LP11）在此波段损耗为10dB/km ，高阶模抑制比达到100，因此具有较好的单模特性。
本发明第五个实施例如图11所示，所述的外包层140内腔径向截面呈类正四边形，其与第四个实施例的不同之处在于所述的玻璃棒材的截面形状为圆形或大半圆形，由设置在中间的较大直径圆形玻璃棒材和两侧各1根较小直径的大半圆形玻璃棒材形成充填层，所形成的充填层210c的内侧边缘接近设定的正四边形内腔边缘，所述的玻璃棒材为实芯或空芯玻璃棒材，用以形成内腔中部的空气纤芯。其余结构与第四个实施例相同。本实施例光纤内包层结构由呈四重旋转对称中的圆形薄管嵌套构成，使光纤可以在1300-1800的波段内实现小于0.1dB/km的限制损耗，高阶模（LP11）在此波段损耗为10dB/km xx，高阶模抑制比达到100，因此具有较好的单模特性。
本发明光纤的制备方法技术方案为：
先进行光纤预制棒组装：将4组嵌套玻璃管和用作充填层的玻璃棒材按预设的位置放入外包层的玻璃管内，做相应的固定，制成初级预制棒组装件，初级预制棒的外径为20-200毫米；
融缩成空芯光纤预制棒：将组装的光纤预制棒组装件装夹到融缩装置上进行高温融缩加工，将预制棒组装件融缩成空芯的光纤预制棒，制成次级光纤预制棒，次级预制棒的外径为8-80毫米；
拉丝成空芯光纤：将空芯的次级光纤预制棒装夹到光纤拉丝炉，经高温熔融将预制棒拉制成预设的空芯光纤，空芯裸光纤的外径为100-350μm，涂覆树脂层的空芯光纤外经为200-500μm。
Claims (15)
1.一种超低衰减单模空芯光纤，包括有外包层和内包层，所述的内包层由嵌套结构单元构成，其特征在于所述的外包层内腔径向截面呈正四边形或类正四边形，所述的内包层包括有4个嵌套结构单元，4个嵌套结构单元分别安设在正四边形或类正四边形内腔的四角，每个嵌套结构单元与对应角两侧的边相接，用以形成内腔中部的空气纤芯。
2.按权利要求1所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述嵌套结构单元包括有2层或2层以上不同半径的嵌套玻璃管。
3.按权利要求2所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的嵌套玻璃管包括有不同半径的圆形嵌套玻璃管，各圆形嵌套玻璃管相切于一点，且与内腔壁相切。
4.按权利要求2所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的嵌套玻璃管包括有不同半径的圆弧嵌套玻璃管和圆形嵌套玻璃管，其中各圆弧嵌套玻璃管与内腔壁相交，各圆形嵌套玻璃管与内腔壁相切。
5.按权利要求3或4所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的不同半径的圆弧嵌套玻璃管和圆形嵌套玻璃的壁厚均满足反谐振反射条件。
6.按权利要求1或2所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的正四边形或类正四边形内腔的四角为圆弧过渡角。
7.按权利要求1或2所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的类四边形内腔通过在圆形基腔的上下左右四侧边缘增设充填层构成。
8.按权利要求7所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的充填层由玻璃棒材充填在圆形基腔的上下左右四侧边缘的中部并向两侧延伸形成。
9.按权利要求8所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的充填层内侧边缘接近设定的正四边形内腔边缘，或部分超越设定的四边形内腔边缘。
10.按权利要求7所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的玻璃棒材为实芯和/或空芯玻璃棒材。
11.按权利要求1或2所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的内包层最大空气孔面积与空气纤芯面积之比，即内包层最大空气孔面积/空气纤芯面积小于等于0.6。
12.按权利要求1或2所述的超低衰减单模空芯光纤，其特征在于所述的内包层最大空气孔面积与空气纤芯面积之比，即内包层最大空气孔面积/空气纤芯面积小于等于0.65。
13.一种超低衰减单模空芯光纤的制备方法，其特征在于
先进行光纤预制棒组装：将4组嵌套玻璃管和用作充填层的玻璃棒材按预设的位置放入外包层的玻璃管内，做相应的固定，制成预制棒组装件；
融缩成空芯预制棒：将组装的光纤预制棒组装件装夹到融缩装置上进行高温融缩加工，将预制棒组装件融缩成空芯带有嵌套管结构的光纤预制棒；
拉丝成空芯光纤：将空芯光纤预制棒装夹到光纤拉丝炉，对嵌套管中的空气孔进行充气保持形状，经高温熔融将预制棒拉制成预设的空芯光纤。
14.按权利要求书13所述的超低衰减单模空芯光纤的制备方法，其特征在于所述的初级预制棒的外径为20-200毫米；所述的次级预制棒的外径为8-80毫米。
15.按权利要求书14所述的超低衰减单模空芯光纤的制备方法，其特征在于所述的空芯裸光纤的外径为100-350μm，涂覆树脂层的空芯光纤外经为200-500μm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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