一种芯间距渐变多芯光纤及其制备方法与流程

1.本发明属于光纤制备技术领域，更具体地，涉及一种芯间距渐变多芯光纤及其制备方法。


背景技术：

2.空分复用技术作为提升传输容量、打破容量瓶颈的重要技术，近年来受到了越来越多的关注。多芯光纤作为实现空分复用技术的路线之一，与传统单模光纤的差异在于其同一包层下拥有多根纤芯，具备同时、多路、独立地传输信号的能力，单根光纤传输容量大大提升。
3.根据不同纤芯间距的大小，多芯光纤可以分为弱耦合光纤和强耦合光纤。多芯光纤网络中需要放大器对传输过程中产生的损耗进行补偿，然而需要光纤类型完全匹配。例如强耦合多芯光纤传输链路中只能依靠强耦合多芯放大器对信号进行放大，却无法使用弱耦合放大器利用其能耗低输出功率高的优点。相同纤芯间距之间的光纤可以低损耗耦合，而不同纤芯间距之间的光纤由于模场分布不同无法实现耦合。
4.另外，现有技术中制备光纤常用的工艺是对光纤预制棒在拉丝过程中调控进棒速度与拉丝速度，最终形成光纤。该方法存在以下缺点：一是对拉丝过程的控制精度要求高，需要实时调节进棒速度与拉丝速度，制备难度较大；二是由于光纤包层直径存在变化，会导致光纤涂覆层质量变差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种芯间距渐变多芯光纤及其制备方法，其目的在于实现纤芯分布相同、芯间距不同的多芯光纤之间的低损耗耦合。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种芯间距渐变多芯光纤，包括：包层和位于包层内部的芯区层，所述芯区层的外圆周上设有轴向环状分布通孔，所述轴向环状分布通孔内设置有光纤纤芯；所述芯区层的中心设有通孔，所述通孔内放置锥形玻璃棒，得到芯间距沿芯区层轴向渐变且包层直径不变的多芯光纤。
7.进一步地，所述锥形玻璃棒为多个。
8.进一步地，还包括两根玻璃管，所述两根玻璃管分别设置在所述芯区层的轴向两端，且所述玻璃管的外径尺寸和所述芯区层的外径尺寸一致。
9.进一步地，还包括两根玻璃棒，所述两根玻璃棒分别设置在所述锥形玻璃棒的两端。
10.进一步地，所述包层、芯区层、锥形玻璃棒以及玻璃棒的材料均为石英。
11.按照本发明的另一方面，提供了一种制备如第一方面所述的芯间距渐变多芯光纤的方法，包括以下步骤：
12.步骤1，对多根光纤预制棒进行圆打磨形成多根光纤纤芯；
13.步骤2，将形成的多根光纤纤芯插入一根石英棒的轴向环状分布通孔内，并加热熔
融，使多根光纤纤芯与石英棒熔缩成一体；其中，从轴向环状分布通孔形成的外圆周为界限，向内到石英棒的中心为芯区层，向外到石英棒的外圆周为包层；
14.步骤3，沿石英棒的轴向中心打通孔，形成带孔石英棒；
15.步骤4，选定锥形玻璃棒，将其放置在步骤3中的通孔内，加热带孔石英棒，并控制带孔石英棒内为负压力，使带孔石英棒熔缩到锥形玻璃棒上，形成芯间距渐变多芯预制棒；
16.步骤5，对形成的芯间距渐变多芯预制棒圆打磨，得到包层一致的芯间距渐变多芯预制棒；
17.步骤6，对形成的包层一致的芯间距渐变多芯预制棒匀速拉丝，得到芯间距沿轴向渐变且包层直径不变的多芯光纤。
18.进一步地，在步骤3之后还包括：在石英棒的两端分别熔接一根玻璃管，且所述玻璃管的外径尺寸和所述石英棒的外径尺寸一致。
19.进一步地，在步骤4之后还包括：在锥形玻璃棒的两端分别熔接一根玻璃棒，所述玻璃棒的长度小于所述玻璃管的长度。
20.进一步地，步骤1中，多根光纤预制棒圆打磨形成的多根光纤纤芯的直径为5.4mm；步骤2中，石英棒的轴向环状分布通孔直径为5.5mm；步骤3中，带孔石英棒的轴向中心通孔的直径为15mm。
21.进一步地，步骤4中，对带孔石英棒与锥形玻璃棒进行加热塌缩时，带孔石英棒与锥形玻璃棒保持同轴同速转动。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
23.(1)本发明的芯间距渐变多芯光纤以及制备方法，通过在芯区层的中心的通孔内放置锥形玻璃棒，使芯区层产生不同程度的形变，进而形成芯间距渐变区域，通过对包层进行圆打磨，形成外径不变的多芯预制棒，最后再进行匀速拉丝，得到芯间距沿轴向渐变且包层直径不变的多芯光纤。由于该芯间距渐变多芯光纤可实现纤芯分布相同、芯间距不同的多芯光纤之间的能量转换，因此，可使其相互转换达到低损耗耦合。
24.(2)该芯间距渐变多芯光纤在制备拉丝过程中，是在形成包层一致的芯间距渐变多芯预制棒之后进行的，可以控制拉丝速度及进棒速度匀速不变，不需要实时调整拉丝速度，操作较为简便，降低了制备芯间距渐变多芯光纤的难度。并且由于包层直径不变，提升了芯间距渐变多芯光纤的涂覆层质量。
25.(3)作为优选，锥形玻璃棒可以是多个，能够形成多个芯间距渐变区，为空分复用系统强/弱耦合光纤应用场景的切换提供了新的思路。
26.(4)作为优选，在芯区层的轴向两端熔接的玻璃管，一方面能够固定芯区层，另一方面能够提供可供抽真空的环境。
27.(5)作为优选，在锥形玻璃棒的两端熔接的玻璃棒，能够固定锥形玻璃棒，使其能够牢固设置在芯区层中心的通孔内。
28.(6)作为优选，对带孔石英棒与锥形玻璃棒进行加热塌缩时，带孔石英棒与锥形玻璃棒保持同轴同速转动，能够保证加热均匀，使得塌缩后的芯间距渐变多芯预制棒外径分布均匀。
29.总而言之，本发明能够实现纤芯分布相同、芯间距不同的多芯光纤之间的低损耗耦合，提升芯间距渐变多芯光纤的涂覆层质量，并降低了制备芯间距渐变多芯光纤的难度。
且操作流程简单，重复性好。
附图说明
30.图1是本发明提供的带孔石英棒与锥形玻璃棒熔缩结构示意图。
31.图2是本发明提供的光纤预制棒熔缩、打磨后的结果示意图。
32.图3是本发明提供的芯间距渐变多芯光纤示意图。
33.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
34.1，4为玻璃棒，2，7为玻璃管，3为锥形玻璃棒，5为包层，6为光纤纤芯，8为芯区层。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
36.本发明提供了一种简单且重复性好的制备技术，能够实现制备芯间距渐变而包层不变的多芯光纤。
37.实施例1
38.如图1-图3所示，是本发明实施例提供的芯间距渐变光纤的示意图，该芯间距渐变光纤主要包括：包层5和位于包层内部的芯区层8，该芯区层的外圆周上有轴向环状分布通孔，在该轴向环状分布通孔内设置有光纤纤芯6，在芯区层的中心设有通孔，通孔内放置锥形玻璃棒3，锥形玻璃棒的长度和芯区层轴向的长度一致，用于使芯区层产生不同程度的形变，得到芯间距沿芯区层轴向渐变且包层直径不变的多芯光纤。
39.其中，芯区层中心的通孔优选为均匀的，包层、芯区层以及锥形玻璃棒的材料均为石英。
40.作为优选，在芯区层的轴向两端分别熔接有玻璃管，即玻璃管2和玻璃管7，玻璃管的尺寸和芯区层的外径尺寸一致，玻璃管用于固定芯区层，并提供可供抽真空的环境。玻璃管优选为石英玻璃管，便于与芯区层熔接。在其它实施例中，玻璃管的材料还可选用氟化物玻璃等。
41.作为优选，在锥形玻璃棒的两端分别熔接有玻璃棒，即玻璃棒1和玻璃棒4，该玻璃棒的外径尺寸优选和相连接的锥形玻璃棒的两端的外径尺寸一致，用于固定锥形玻璃棒，并使其牢固设置在芯区层中心的通孔内。其中，设置在锥形玻璃棒两端的玻璃棒的长度略小于设置在芯区层轴向两端的玻璃管，使得在制作该光纤时，玻璃管两端能够密封起来，且玻璃管的一端能够进行抽真空，为管内提供负压环境。
42.作为优选，锥形玻璃棒的母线角度可变，母线的角度越大，芯间距渐沿芯区层轴向的变化率越大，可以根据实际需要设计芯间距渐变程度不同的芯间距渐变区域。
43.可选地，可以在芯区层的中心的通孔内设置多个锥形玻璃棒，多个锥形玻璃棒的轴向总长度与通孔轴向长度一致，形成多个芯间距渐变区；此时，可以在多个锥形玻璃棒形成的整体的两端熔接玻璃棒。
44.实施例2
45.本实施例提供一种制备实施例1中的芯间距渐变多芯光纤的方法，包括以下步骤：
46.步骤1，对多根光纤预制棒进行圆打磨，将其插入具有轴向环状分布通孔的石英棒的轴向环状分布通孔内，并加热熔融，使多根光纤预制棒与石英棒熔缩成一体；其中，从轴向环状分布通孔形成的外圆周为界限，向内到石英棒的中心为芯区层，向外到石英棒的外圆周为包层。
47.具体地，通过mcvd工艺制备光纤预制棒，通过该工艺制备的光纤预制棒外径在13mm—15mm之间。将每根光纤预制棒夹持到圆柱打磨机的卡盘中，转动光纤预制棒，匀速将光纤预制棒推入至加工尺寸设定好的打磨砂轮中。本实施例中，通过小进给量多次磨削实现高精度、大幅度的打磨，最终将光纤预制棒打磨尺寸为5.4mm，与石英棒孔径相适应。本实施例中，石英棒孔径为5.5mm。需要说明的是，石英棒孔径不易过大或过小，孔径过大，光纤预制棒会被挤压变形，导致光纤纤芯畸变，孔径过小，光纤预制棒难以插入孔中。
48.步骤2，沿石英棒的轴向中心打通孔，形成带孔石英棒。
49.作为优选，还可以将该带孔石英棒的两端分别熔接一根玻璃管，该玻璃管的作用是为了通过玻璃熔接的方式固定石英棒，并提供可供抽真空的环境；其中，锥形玻璃棒的材料为石英。
50.具体地，将石英棒固定在打孔机车床夹具上，调节其轴向同心度至误差可允许的范围内，确定进刀段圆心位置，利用金刚砂钻头对其进行深孔加工。在石英棒的中心位置打孔直径为15mm。且通孔尺寸优选保持高精度均匀，否则影响着最终得到光纤的芯间距分布，尺寸过大会使芯间距大于预设尺寸，反之会偏小。
51.优选地，玻璃管选取为石英玻璃管，便于与带孔石英棒熔接。在其它实施例中，玻璃管的材料还可选用氟化物玻璃等。
52.步骤3，选定锥形玻璃棒，将其放置在上述带孔石英棒的通孔内，锥形玻璃棒的长度和带孔石英棒的长度一致。锥形玻璃棒用于在融缩过程中使带孔石英棒产生不同程度的形变，从而形成芯间距渐变区。
53.作为优选，在锥形玻璃棒的前端和后端分别熔接一根玻璃棒，锥形玻璃棒位于两根玻璃棒之间；锥形玻璃棒的材料为石英。锥形玻璃棒母线的角度决定了多芯光纤芯间距的渐变程度。玻璃棒用于固定锥形玻璃棒，并使其牢固设置在石英棒中心的通孔内。
54.具体地，锥形玻璃棒一端直径为14mm，另一端直径为8mm，长度为230mm。先将其中一根玻璃棒的尾棒(一端)和锥形玻璃棒分别夹持于玻璃熔接车床的两侧的卡盘中，点燃喷灯，移动锥形玻璃棒的前端和玻璃棒尾棒的前端至喷灯内，待两者的前端都达到玻璃软化点后，将玻璃棒的尾棒与锥形玻璃棒的端面熔接起来，关闭喷灯，待其冷却；然后将玻璃熔接车床上夹持锥形玻璃棒的卡盘打开，并移走一定距离，该侧卡盘夹持另一根玻璃棒的尾棒(一端)；然后，点燃喷灯，移动锥形玻璃棒未熔接的一端和新的玻璃棒尾棒的前端至喷灯内，待两端软化后，进行对接熔接，形成玻璃棒综合体。玻璃棒的材料为石英。
55.步骤4，将步骤3得到的玻璃棒综合体插入步骤2得到的通孔中，使得锥型玻璃棒与带孔石英棒分布位置一致，即锥形玻璃棒在带孔石英棒中心的通孔里，对该区域加热并控制石英棒内为负压力，使得石英棒熔缩到锥形玻璃棒上，得到芯间距渐变多芯预制棒。
56.具体地，图1所示为带孔石英棒与锥形玻璃棒熔缩结构示意图。对玻璃管的两端作密封处理，并通过一端抽真空，使用真空泵让管内产生负压环境，在喷灯加热下，带孔石英
棒熔融软化，受到管内负压力的作用，带孔石英棒塌缩到锥形玻璃棒上。匀速移动加热喷灯，使得玻璃管塌缩到带孔石英棒上形成整体。加热灯具移动速度过快会导致锥形玻璃棒与带孔石英棒间应力释放不彻底，带孔石英棒温度较低无法塌缩，加热灯具移动速度过慢会使得带孔石英棒和锥形玻璃棒的石英挥发严重。选取合适的移动速度使得带孔石英棒完整的塌缩到锥形玻璃棒上，形成芯间距渐变多芯预制棒，优选地，速度3-5mm/min较为合适。采用氢氧焰对带孔石英棒和锥形玻璃棒进行加热，同时控制带孔石英棒内压力使得带孔石英棒熔融塌缩到锥形玻璃棒上。
57.其中，玻璃棒的长度略小于玻璃管，使得在制作该光纤时，玻璃管两端能够密封起来，且玻璃管的一端能够进行抽真空，为管内提供负压环境，使带孔石英棒在熔融状态下贴附在锥形棒上。
58.可选地，步骤4中，对带孔石英棒与锥形玻璃棒进行加热塌缩时，带孔石英棒与锥形玻璃棒保持同轴同速转动，保证加热均匀，使得塌缩后得到的芯间距渐变多芯预制棒外径圆分布均匀。
59.可选地，步骤4中，锥形玻璃棒的尺寸选择并不唯一，更改锥形玻璃棒的母线角度，改变芯间距渐沿芯区层轴向的变化率。
60.可选地，可以在带孔石英棒的中心通孔内设置多个锥形玻璃棒，多个锥形玻璃棒的轴向总长度与通孔轴向长度一致，形成多个芯间距渐变区；此时，可以在多个锥形玻璃棒形成的整体的两端熔接玻璃棒。
61.步骤5，对步骤4得到的芯间距渐变多芯预制棒进行圆打磨，得到外径一致的芯间距渐变多芯预制棒，即包层一致的芯间距渐变多芯预制棒；
62.具体地，通过圆柱打磨机对其外壁同心圆打磨至40mm，得到如图3所示的芯间距渐变多芯预制棒。
63.步骤6，对打磨后的芯间距渐变多芯预制棒进行匀速拉丝，得到纤芯间距沿轴向渐变且包层直径不变的多芯光纤，制备成的光纤示意图如图2所示。
64.具体地，拉丝过程中，拉丝温度为2100℃，进棒速率为1mm/min，稳定后，拉丝速度及进棒速度匀速不变，操作较为简便。
65.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。