CN113880420A - 基于3d打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法 - Google Patents

基于3d打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于3D打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征是：将多芯光纤预制棒按芯棒、纯石英辅棒、外套管的尺寸排布，确定除这些组件之外的异形间隙形状，然后采用激光熔融高纯石英粉的方法，逐层打印出适配的异形石英套管，然后将芯棒和纯石英辅棒***异形石英套管内，再套上外套管，组成微间隙适配的多芯光纤预制棒。本发明还涉及一种用于制备大尺寸多芯光纤预制棒适配套管的3D打印装置，可用于打印制备大尺寸高精度的多芯光纤预制棒的异形适配套管。本发明可以用于制备大尺寸多芯光纤预制棒，通过适配异形套管与芯棒的高精度的匹配，提高多芯光纤的制备精度以及光纤的一致性。

Description

基于3D打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种基于3D打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制 备方法，属于光纤制备技术领域。
背景技术
互联网+、大数据、云计算和5G的快速发展，使用户对带宽的需求与日 俱增，波分复用、正交频分复用和偏振复用等复用技术，使得单芯单模光纤的传 输容量已经接近香农极限100Tbit/s，因此如何扩容是通信传输亟待解决的关键问 题。基于多芯、少模光纤的空分复用方案是解决该问题的一个重要途经。空分复 用有两套主要的技术方案，一个是模分复用技术，另一个就是多芯光纤技术，还 可以将模分复用技术和多芯光纤结合，设计制备多芯少模光纤用于突破通信容量 极限问题。在实际生产方面，多芯光纤的制造技术的核心在于光纤预制棒的制造 技术，相比较于国外，我国的多芯光纤技术发展缓慢，国内尽管有一些大的光纤 产商能够制备出多芯光纤样纤，但是质量均不尽人意，未能达到国际的一流水平。 尤其是为了能实现多芯光纤的高质量、批量生产，大尺寸的多芯光纤预制棒生产 技术不可或缺。
目前国内外主流的多芯光纤预制棒的制备方法主要有以下几种：
(1)组棒法：制备多个芯棒，然后取一个大直径的石英圆套管，在石英 套管内按照合适的形状密排芯棒，然后再在组合成的预制棒间隙中***若干合适 尺寸的填充石英棒，在高温下进行抽真空缩棒，形成多芯光纤预制棒。由于组棒 采用的各部分组件均为圆棒或者圆管，因此在组棒的时候，套管、预制棒之间存 在很大的异形间隙无法填充，尽管可以通过真空塌缩的方法使得间隙消失，但是 会造成预制棒的几何尺寸变化，纤芯的相对位置变化，气泡缺陷等问题，无法制 备出质量高、一致性好的多芯光纤。
(2)打孔插棒法：采用在石英母棒上采用机械研磨的方法钻孔，制备出 芯棒所需的多个孔，然后将芯棒逐个***，高温缩棒，形成多芯光纤预制棒。这 种制备方法的难点在于打孔技术，针对大尺寸的石英母棒，例如直径大于200mm， 长度1.5m的石英棒上精确制备多个通孔，并保证孔在轴向上不偏移是困难的。因 此，该方法制备用来制备大尺寸的多芯光纤预制棒也不适用。
(3)拼合法：例如日本专利JP2020125226A，针对第一种方法组棒法的 缺点，拼合法是通过对芯棒进行简单的玻璃冷加工，将弧面研磨成平面，让芯棒 之间彼此贴合，减少由于棒体弧面导致的组棒间隙，最后再用一个石英套管套组， 形成多芯光纤预制棒，该工艺复杂，针对不同纤芯几何分布的多芯光纤，需要将 芯棒进行不同形状的冷加工研磨，耗时费力。
(4)石英粉填充组棒法：如日本专利JPH095542A提出先采组棒法将芯 棒和套管的相对位置固定，然后向芯棒和套管的间隙中填充很细的纯石英粉，在 负压下高温缩棒，让石英粉融化填满组棒间隙，这种方法能实现高精度的预制棒 制备，然而高温融化石英粉的时候需要将芯棒和套管同时置于高温下，这会导致 芯棒中的掺杂物质发生热扩散，最终造成拉出来的多芯光纤和预期光纤的折射率 剖面有较大差异。并且对于大型预制棒而言，通常填充间隙的石英粉难以完全充 分熔融，这容易在成品预制棒中残留气泡，造成严重的缺陷。
(5)3D打印法：采用3D打印的技术制备光纤预制棒已经屡见不鲜，3D 打印技术已经日趋成熟，并且可随意构造光纤结构。2019年，澳大利亚悉尼大学 和新南威尔士大学基于3D打印技术共同制备出石英的光纤(CHU,Yushi,et al. Silica optical fiber drawnfrom 3D printed preforms.Optics letters,2019,44.21: 5358-5361.)，他们发展并推进了基于3D打印技术的光纤预制棒制备，并在2020 年对该技术进行了综述(Yushi Chu,Xinghu Fu,Yanhua Luo,John Canning,Yuan Tian,Kevin Cook,Jianzhong Zhang,andGang-Ding Peng,"Silica optical fiber drawn from 3D printed preforms,"Opt.Lett.44,5358-5361(2019))，显然3D打印将会是 改变预制棒制备产业的一个重要技术途经。
尽管3D打印技术在制备预制棒方面有很大的优势，但是其也存在诸多尚 未克服的缺点。例如(1)打印速度慢，这使得3D打印难以制备大尺寸的光纤预 制棒；(2)打印材料有限，现有的打印技术大多是打印塑料的聚合物光纤，尽管 报道了石英材料的打印，但是打印石英材料的纯度难以保证。例如专利 105347664B公开了一种基于3D打印技术的光纤预制棒制作方法，该专利采用喷 头挤压加热熔融的流体原料的方法打印预制棒，喷头在加热挤出原料的时候必然 会接触原料，高温会导致杂质扩散进预制棒材料中，使制备出来的预制棒纯度不 够，最终导致光纤损耗大，难以用于远距离通信；(3)多芯光纤的纤芯和包层需 要多种掺杂材料，打印过程中的材料切换是光纤预制棒打印的一个关键难题。
综合来说多芯光纤预制棒制备的面临困境：(1)大尺寸多芯光纤预制棒 的制备。大尺寸预制棒是光纤批量生产的关键，例如直径200mm，长度1.5m～2m 的大型预制棒；(2)精高度的预制棒制备困难，目前通过PCVD技术可以精准 控制光纤预制棒芯棒的折射率剖面分布，但是PCVD难以直接制备大直径预制棒， 而现有的套管插棒法难以保证预制棒的几何精度，导致制备的多芯光纤一致性不 好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印适配套管的大尺寸多芯光纤预 制棒的制备方法，还提供了一种用于打印适配套管的激光3D打印设备。
如图1所示的是用于打印大尺寸多芯光纤预制棒适配套管的3D激光打印 设备的三维结构图。该设备采用激光扫描熔融石英粉的3D打印方法制备所述的 适配异形石英套管，所述的3D打印设备包括装料区1-1、工作区1-2、进料口1-3、 刮料装置1-4、配有振镜扫描输出的大功率激光器1-5、F-θ透镜1-6、出管口1-7、 尾棒夹具1-8、大行程位移台1-9。如图2所示的是该装置的剖面图，整个设备的 工作原理为：出管口1-7直径不小于200mm，尾棒夹具1-8夹持一根直径和出管 口1-7直径适配的尾棒2，进料口1-3喷出高纯石英粉4进入工作区，刮料装置 1-4将高纯石英粉4刮成薄薄一层，激光在软件的控制下进行预设路径扫描，按 路径融化石英粉，形成适配异形石英套管3的横截面层，然后大行程位移台9下 移一层层高，再次打印，如此逐层打印出适配异形石英套管3。
所述的激光波长不小于3微米，为石英吸收效率高的波段，优选地，可 选择二氧化碳激光器。二氧化碳激光器输出的波长在10.6微米，处于石英吸收波 带，并且其工作方式有连续和脉冲两种，连续方式产生的激光功率可达20kW以 上，因此非常适合于石英熔融3D打印加工。
所述的激光的聚焦光斑尺寸可调，能量密度可调。通过这两个参量的调 节可以控制激光熔融固化高纯石英粉的打印线宽，用于调节打印精度。
所述的激光光束为贝塞尔光束。一方面，贝塞尔光束具有无衍射特性， 能够在保证打印分辨率的同时，尽可能提高单层打印深度；另一方面，贝塞尔光 束能够有效降低打印过程中孔隙出现的可能。如图3(a)、(b)所示的是常规激 光打印采用的聚焦高斯光束在xoy面和yoz面的光场能量分布，其在焦点处(z＝0) 和距离焦点200um处(z＝200um)的归一化能量分布分别如图3(c)中的实现和虚 线所示，可以看出，聚焦的高斯光束在传播方向上的有效打印线宽的长度zrg较短， 这使得单层打印层高较小。如图4(a)、(b)所示的是贝塞尔光束在xoy面和yoz 面上的光场能量分布，其在焦点处(z＝0)和距离焦点200um处(z＝200um)的归一 化能量分布分别如图4(c)中的实现和虚线所示，可以看出，贝塞尔光束的独特 的无衍射特性使聚焦光场细且长，使得有效打印线宽的长度zrb相对聚焦的高斯光 束要长很多，能够在保证打印分辨率的同时，尽可能提高单层打印深度。
所述的工作区1-2连接抽真空装置，用于降低打印过程的气泡出现的可能 性。
本发明的大尺寸多芯光纤预制棒的制备步骤如下：
步骤1：设计多芯光纤的端面几何形状，根据芯棒、纯石英辅棒、衬管、 外套管的尺寸，组合预制棒得到组合后的预制棒横截面分布，确定除芯棒、纯石 英辅棒、衬管、外套管之外的适配异形石英套管的几何形状与尺寸。
步骤2：采用3D激光打印设备，以高纯石英粉为原材料，根据步骤1中 的适配异形石英套管横截面的几何形状划分激光扫描路径，并按路径融化纯石英 粉，逐层打印适配异形石英套管。
步骤3：在1500～1700℃的温度下，对打印完全适配石英套管进行烧结， 形成透明的适配石英套管。
步骤4：将芯棒、纯石英辅棒、衬管插进适配异形石英套管，再整体套上 外套管，进行精密装配，使用氢氧焰高温均匀加热组合的预制棒，并进行负压抽 气，使装配的各组件之间的间隙消失，彼此融合，形成完整的多芯光纤预制棒。
步骤5：通过氢氧焰加热，在非尾棒一端制备预制棒垂头。
所述芯棒和辅棒采用PCVD、MCVD、VAD或OVD工艺技术制备，精 确控制芯棒的折射率剖面。
所述适配异形石英套管的孔间薄壁厚度大于等于两倍激光扫描线宽，确 保结构成型。
所述的纯石英粉的纯度大于99.999％。
本发明具有以下显著优势：
(1)采用光纤预制棒适配套管打印的方法，适配套管可以填满组棒后存 在的较大的空隙，使预制棒完美拼合，确保精确控制预制棒中芯棒的几何位置， 并保证最终多芯光纤成纤的一致性。
(2)只打印成型除套管、衬管、芯棒、辅棒等预制构件外的缝隙套管， 快速成型多芯光纤预制棒适配套管，最大程度上减少打印时间。
(3)采用激光熔融高纯度石英粉的逐层成型方案，制备过程中无金属接 触加工，制得的适配套管纯度高，无污染。
(4)通过3D打印的方法制备适配石英套管，理论上通过芯棒、辅棒、 套管的排布，可以实现纤芯任意几何分布的多芯光纤预制棒的制备。
(5)采用贝塞尔光束作为激光打印光束，具有打印精度高，单层成型层 高大的特点
附图说明
图1是3D激光打印设备的三维结构图。
图2是3D激光打印设备用于适配异形石英套管打印的工作原理图(剖面 图)。
图3(a)、(b)分别是聚焦高斯光束在xoy和yoz平面的光场分布，图 3(c)是其在焦点处(z＝0)和距离焦点200um处(z＝200um)的归一化能量分布。
图4是(a)、(b)分别是贝塞尔光束在xoy和yoz平面的光场分布， 图4(c)是其在焦点处(z＝0)和距离焦点200um处(z＝200um)的归一化能量分布。
图5是实施例中设计的四芯光纤的端面结构和几何结构参数。
图6是四芯光纤预制棒的装配图。
图7是四芯光纤芯棒的几何结构和折射率剖面分布。
图8是实施例中使用的衬管的几何结构图。
图9是采用激光3D打印设备制备的适配异形石英套管的横截面结构图。
图10是四芯光纤预制棒制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例：直径为150mm，长度为1500mm的四芯光纤预制棒的制备。
步骤1：设计多芯光纤的端面几何形状，根据芯棒、纯石英辅棒、外套管 的尺寸，组合预制棒得到组合后的预制棒横截面分布，确定除芯棒、纯石英辅棒、 衬管和外套管之外的适配异形石英套管的几何形状与尺寸。本实施例设计的四芯 光纤5的如图5所示，该光纤直径d5＝125um，纤芯间距d4＝45um，四个正方形分 布的纤芯5-1为相同折射率分布的单模纤芯，为了增加芯间隔离度，减小芯间光 信号的串扰，在纤芯的周边增加了低折射率的氟掺杂隔离层5-2。四芯光纤5的 具体几何参数如表1所示。
表1：
Figure RE-GDA0003387455500000061
按上述四芯光纤的参数，设计四芯光纤预支棒的组棒方案。如图6所示， 整个预制棒10的直径做到150mm，采用将芯棒6、衬管7、纯石英辅棒8***异 形适配套管9中的组棒方案。其中芯棒6采用PCVD技术制备，其几何尺寸和折 射率分布如图7所示，按照光纤的几何尺寸建立换算关系，并考虑到PCVD制棒 技术难以将芯棒6的直径做大，得到芯棒6的几何尺寸和折射率如表2所示。
表2：
Figure RE-GDA0003387455500000062
制备四根芯棒6后，需要取四根内径D4＝32mm，外径D5＝50mm的纯石 英衬管7，衬管7孔内可***芯棒，如图8所示。为了尽量减小后续异形石英套 管的打印体积和缩短打印时间，尽量采用纯石英辅棒8填充，因此还需准备五根 直径D6＝22mm的纯石英辅棒8。所有构件的长度为1500mm。
步骤3：采用3D激光打印设备，以高纯石英粉4为原材料，按照图9中 的适配异形石英套管9横截面的几何形状划分激光扫描路径，并按路径融化高纯 石英粉4，逐层打印适配异形石英套管9，其几何结构参数如表3所示。在 1500～1700℃的温度下，对打印完全适配石英套管9进行烧结，形成透明的适配 石英套管。
表3：
Figure RE-GDA0003387455500000063
步骤4：如图10所示，将芯棒6、衬管7、纯石英辅棒8插进适配异形石 英套管9，进行精密装配，使用氢氧焰高温均匀加热组合的预制棒10，并进行负 压抽气，使装配的各组件之间的间隙消失，彼此融合，形成完整的多芯光纤预制 棒。
步骤5：通过氢氧焰加热，在非尾棒一端制备预制棒垂头11，得到直径 为150mm，长度为1500mm的四芯光纤预制棒。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于 这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制 本发明的受保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于3D打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征是：
步骤1：设计多芯光纤的端面几何形状，根据芯棒、纯石英辅棒、衬管、外套管的尺寸，组合预制棒得到组合后的预制棒横截面分布，确定除芯棒、纯石英辅棒、衬管、外套管之外的适配异形石英套管的几何形状与尺寸；
步骤2：采用3D激光打印设备，以纯石英粉为原材料，根据步骤1中的适配异形石英套管横截面的几何形状划分激光扫描路径，并按路径融化纯石英粉，逐层打印适配异形石英套管；
步骤3：在1500～1700℃的温度下，对打印完全适配石英套管进行烧结，形成透明的适配石英套管；
步骤4：将芯棒、纯石英辅棒、衬管插进适配异形石英套管，再整体套上外套管，进行精密装配，使用氢氧焰高温均匀加热组合的预制棒，并进行负压抽气，使装配的各组件之间的间隙消失，彼此融合，形成完整的多芯光纤预制棒；
步骤5：制备预制棒垂头。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征是：所述芯棒和辅棒采用PCVD、MCVD、VAD或OVD工艺技术制备，精确控制芯棒的折射率剖面。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征是：所述适配异形石英套管的孔间薄壁厚度大于等于两倍激光扫描线宽，确保结构成型。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印适配套管的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征是：所述的纯石英粉的纯度大于99.999％。
5.一种用于打印大尺寸多芯光纤预制棒适配套管的3D激光打印设备，其特征是：采用激光扫描熔融石英粉的3D打印装置制备权利要求1中所述的适配异形石英套管，所述的3D打印设备包括装料区、工作区、进料口、刮料装置、配有振镜扫描输出的大功率激光器、F-θ透镜、出管口、尾棒夹具、大行程位移台；所述出管口直径不小于200mm，尾棒夹具夹持一根直径和出管口直径适配的尾棒，进料口喷出高纯石英粉进入工作区，刮料装置将高纯石英粉刮成薄薄一层，激光在软件的控制下进行预设路径扫描，按路径融化石英粉，形成适配异形石英套管的横截面层，然后大行程位移台下移一层层高，再次打印，如此逐层打印出适配异形石英套管。
6.根据权利要求1或权利要求5所述的一种3D激光打印设备，其特征是：所述的激光波长不小于3微米，为石英吸收效率高的波段。
7.根据权利要求1或权利要求5所述的一种3D激光打印设备，其特征是：所述的激光的聚焦光斑尺寸可调，能量密度可调。
8.根据权利要求1或权利要求5所述的一种3D激光打印设备，其特征是：所述的激光光束为贝塞尔光束。
9.根据权利要求1或权利要求5所述的一种3D激光打印设备，其特征是：所述的工作区连接抽真空装置。
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