螺旋架构空芯光纤及其制备方法与流程

本技术涉及光纤，尤其是一种螺旋架构空芯光纤及其制备方法。

背景技术：

1、空芯光纤以空气为光传输介质，相比传统石英实芯光纤具有超低时延（光速提升约47%）、超低非线性效应和低色散等显著优势，是下一代高速光通信、算力网络互联和分布式传感系统的关键器件。

2、传统的空芯光纤通常采用垂直平行管道支架结构，多条空气孔道沿光纤轴向平行延伸，支撑壁垂直于光纤截面方向；目前，空芯反谐振光纤的主流结构包括3管、4管、5管、6管、7管、8管、9管等多种管数变体；其中，5管结构（ofc报道的nanf结构，纤芯直径34.5μm，损耗0.22db/km@1060nm）和7管结构（七环包层管被证明为“比较优秀的结构”）是产业应用的主流方案；4管结构（正四边形外包层+4个嵌套单元，基模损耗<0.1db/km）和6管结构（双层嵌套椭圆结构，限制损耗可降至0.015db/km）也具有优异的性能表现。7至8管为较优选择，在单层反谐振结构中具有良好的损耗性能和结构简洁性平衡。

3、然而，垂直平行管道支架结构在光纤弯曲时，垂直壁面承受最大正应力，应力局部集中导致微裂纹沿垂直壁面扩展，严重制约光纤的抗弯寿命和弯折可靠性，而且垂直壁面在扭转时产生剪切应力集中，导致偏振模色散（pmd）不稳定，难以满足400g/800g高速光通信系统的传输要求。

技术实现思路

1、针对于上述技术缺陷之一，本技术提供一种螺旋架构空芯光纤及其制备方法。

2、一种螺旋架构空芯光纤，由内向外依次包括：螺旋中空导光管、仿生防护层和护套层；

3、所述螺旋中空导光管包括由多个中空毛细管构成无节点反谐振结构；

4、所述中空毛细管沿周向均匀分布且与仿生防护层内壁之间保持间隙以消除接触节点；

5、所述中空毛细管朝向纤芯一侧的壁面为负曲率曲面；

6、所述螺旋中空导光管内部的空气孔道沿光纤轴向按照设定的螺旋升角和螺旋周期呈螺旋状延伸；

7、所述仿生防护层涂覆于所述螺旋中空导光管的外包层外表面；

8、所述护套层包括最外层的聚合物护套，用于保护光纤。

9、在一些实施例中，所述仿生防护层，由内向外依次包括：

10、应力缓冲层，为有机-无机梯度过渡层；

11、光学阻隔层，由设定折射率的含氟聚合物构成；

12、致密屏障层，由原子层沉积的氧化物构成；

13、本征自修复层，包含diels-alder动态共价键聚合物；

14、耐磨涂层，为类金刚石碳涂层。

15、在一些实施例中，所述仿生防护层还包括：设置于致密屏障层与本征自修复层之间的氢阻挡层，所述氢阻挡层为非晶态高熵合金层或氧化物/氮化物多层膜。

16、在一些实施例中，所述仿生防护层还包括：在最外层还设有导电屏蔽层，所述导电屏蔽层由导电聚合物构成。

17、在一些实施例中，所述的螺旋架构空芯光纤，还包括：二氧化硅导光层，所述二氧化硅导光层覆盖于所述螺旋中空导光管的内壁，所述螺旋中空导光管的内部空腔构成空气孔道。

18、在一些实施例中，所述所述螺旋中空导光管包括的中空毛细管数量为3至9个。

19、在一些实施例中，所述螺旋中空导光管的螺旋升角为15°至35°，螺旋周期为5 mm至20mm；

20、在一些实施例中，所述中空毛细管的空气孔道的直径为10μm至80μm。

21、在一些实施例中，所述应力缓冲层的厚度为10nm至50nm。

22、在一些实施例中，所述光学阻隔层的厚度为100nm至300nm。

23、在一些实施例中，所述致密屏障层的厚度为5nm至20nm。

24、在一些实施例中，所述本征自修复层的厚度为100nm至500nm。

25、在一些实施例中，所述耐磨涂层的厚度为50nm至150nm。

26、在一些实施例中，所述氢阻挡层的厚度为5nm至20nm。

27、在一些实施例中，所述二氧化硅导光层的厚度为210nm至800nm。

28、在一些实施例中，所述导电屏蔽层的厚度<1μm。

29、在一些实施例中，当中空毛细管的数量为奇数时，所述螺旋中空导光管的螺旋升角的取值范围为（25°，35°]；当中空毛细管的数量为偶数时，所述螺旋中空导光管的螺旋升角的取值范围为[15°，25°]。

30、在一些实施例中，所述护套层内嵌入有无源rfid芯片，所述rfid芯片用于存储光纤特征数据；其中，所述特征数据包括拉丝时间、损耗实测值、pmd值和/或自修复层活性数据。

31、一种用于所述的螺旋架构空芯光纤的制备方法，该方法包括：

32、采用旋转模芯微注塑工艺，将耐热型光学级聚合物注入模具，注塑过程中模芯以设定速度同步旋转，形成具有螺旋外表面的支撑骨架；

33、在所述支撑骨架表面保形沉积二氧化硅导光层，形成由多个中空毛细管组成的螺旋中空导光管；其中，所述多个中空毛细管构成无节点反谐振结构，所述二氧化硅导光层覆盖所述支撑骨架的表面，所述支撑骨架内部未被填充的部分构成所述中空毛细管的空气孔道；

34、在所述螺旋中空导光管的外包层外表面涂覆仿生防护层；

35、在涂覆仿生防护层之后，利用共挤工艺在所述螺旋中空导光管的外层共挤成型护套层，得到螺旋架构空芯光纤。

36、在一些实施例中，所述支撑骨架包括：位于中心位置的实心支架，以及螺旋缠绕在实心支架外围的多个c型管；其中，每个c型管的中心连接有突形芯柱。

37、在一些实施例中，在形成具有螺旋外表面的支撑骨架之后，还包括：对所述支撑骨架表面进行低温氟化处理，降低支撑骨架表面的表面能并增强附着力。

38、在一些实施例中，在支撑骨架上沉积二氧化硅导光层，包括：采用低温等离子体增强化学气相沉积工艺，在设定温度下，在所述支撑骨架表面沉积二氧化硅导光层，形成由多个中空毛细管组成的螺旋中空导光管。

39、在一些实施例中，所述耐热型光学级聚合物为聚醚醚酮或玻璃化转变温度高于160°c的改性环烯烃共聚物；模芯旋转速度为rpm10至100rpm。

40、在一些实施例中，在所述螺旋中空导光管的外包层外表面涂覆仿生防护层，包括：

41、在所述支撑骨架表面依次沉积应力缓冲层和涂覆光学阻隔层；

42、在所述支撑骨架表面依次沉积致密屏障层、涂覆功能防护层以及沉积导电屏蔽层。

43、在一些实施例中，沉积应力缓冲层的方法包括：采用等离子体聚合法，在所述支撑骨架表面沉积有机-无机梯度过渡层，10nm至50nm；

44、涂覆光学阻隔层的方法包括：采用浸涂或超声喷涂法，涂覆折射率≤1.38的含氟聚合物层，厚度100nm至300nm，并进行紫外低温固化，温度<80°c；

45、沉积致密屏障层的方法包括：采用原子层沉积工艺，在低于100°c的条件下交替通入前驱体，沉积5nm至20nm厚的al2o3致密屏障层；

46、涂覆功能防护层的方法包括：依次通过微流控涂覆技术，涂覆氢阻挡层、本征自修复层和耐磨涂层，并分别进行对应的低温固化，温度<100°c；

47、沉积导电屏蔽层的方法包括：采用喷涂或浸涂法，在表面附着导电聚合物层，厚度<1μm，并进行低温干燥固化。

48、在一些实施例中，在沉积二氧化硅导光层过程中，采用旋转磁场辅助使反应离子流产生涡旋，并采用原位光谱监控闭环反馈动态调整膜厚；采用准分子激光进行脉冲线扫描退火，利用紫外光子能量打断si-o弱键并重组，实现二氧化硅导光层的低温致密化。

49、在一些实施例中，在共挤成型护套层过程中，采用双层共挤工艺挤出护套层，在护套处于半熔融状态时，通过侧向喂料装置将无源rfid芯片嵌入护套层内部。

50、如上述实施例的方案，通过螺旋中空导光管在弯曲时将应力转化为切向分散应力，在保持优异光学性能的同时，提升抗弯寿命；螺旋中空导光管将弯曲应力从“点集中”转化为“面分散”，提升抗弯折性能，螺旋中空导光管顺应扭转方向抵抗形变，大幅提升pmd稳定性，增强层间结合力，螺旋界面使多层防护层之间形成三维机械锁扣结构，提升层间结合力。

51、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。