CN113979631B - 基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法 - Google Patents

基于异形套管完美结合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异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征在于：该多芯少模光纤预制棒采用了制备芯棒后精密抛磨，并通过与间隙互补的精密石英构件的组合，无空气间隙的嵌入一个内壁异形石英套管中，从而形成一个大尺寸组合型光纤预制棒。本发明还涉及一种用于制备异形石英套管的加工装置。本发明可用于制备多芯少模光纤预制棒，通过异形套管与芯棒的高精度匹配，提高多芯光纤的制备精度以及光纤的一致性。

Description

基于异形套管完美结合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异形套管完美结合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。针对于本发明所提及的大尺寸，是专门指直径达到或超过150mm、长度超过1500mm的光纤预制棒而言的。
背景技术
互联网+、大数据、云计算和5G的快速发展，使用户对信息和数据传输的容量与速度要求越来越高，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传输极限100Tbit/s。如何扩容是通信传输函待解决的问题，为此研究人员提出采用空分复用的方式可以解决未来的技术难题。空分复用有两种方式，一是模式复用，即采用少模光纤。二是空间上的多芯复用，即单根光纤中具有多个单模芯子的光纤，实现多路复用的新传输技术。因此，采用多芯光纤，可实现高集成度、大容量信息的空分复用传输，是解决高速网络通讯的理想方式。而制造多芯光纤的关键技术在于多芯光纤预制棒的制备，按照多芯光纤的制备方式，主要可以分为三种：1，堆栈法、2，插孔法、3，烧结法。
专利US2014216109A提出过一种用于多芯光纤预制棒的制备方法，该方法利用多根不同直径的圆形构件与芯棒进行排列，放入到包层管中，不同直径的圆形构件可以确定芯棒的位置，从而实现不同多芯光纤预制棒的组装。
专利JPS59217632A提出了利用更细小的石英棒填充空隙的方法制作多芯光纤预制棒，该方法先将多个芯棒按照需求进行排布，放入到石英管中，由于芯棒是圆形的，在石英管中仍然存在许多空隙，为了填补空隙，该方法用直径150μm- 300μm的石英毛细棒填充芯棒外的空隙，制作成多芯光纤预制棒。
专利CN108508528A提出过一种用于多芯光纤预制棒的制备方法，该方法利用公知的钻孔方法，将圆柱形石英玻璃加工成多孔石英包层管，将石英玻璃制成的芯棒***到多孔的石英包层管中，形成多芯光纤预制棒。
专利JPH095542A提出的多芯光纤预制棒制备方法，是采用截面为正多边形的芯棒进行排布，之后放入到石英管中，并在芯棒与石英管之间的空隙中加入 125μm-300μm的石英粉末，从而形成多芯光纤的预制棒。
专利JPS5782805A提出了一种多芯光纤预制棒的制备方法，该方法采用在一定空间内排布多根芯棒，之后将二氧化硅细粉喷涂在芯棒外侧，同时对其进行加热，二氧化硅粉末固结成为包层部分，从而形成了多芯光纤预制棒。
虽然上述的方法都能实现多芯光纤预制棒的制备，但是都存在着一些不足，表1给出了上述多芯光纤预制棒的加工方法及各自的不足。例如堆栈法是用圆形芯棒进行排列组成预制棒，而圆形之间不能充分接触，会在多芯光纤拉制中产生气泡，虽然有专利提出用细小的石英粉末填充空隙，但是在石英粉末固结时会进行长时间加热，一是会有加热不均匀的问题，二是长时间的加热会造成芯棒中材料的热扩散，使拉制出的光纤矢量不均匀。对于钻孔法来说，由于石英玻璃非常坚硬，用钻孔的方法不能实现长尺寸的加工，因此所加工的预制棒的长度会受到限制。
表1：多芯光纤预制棒不同的加工方法及其不足
本发明提出了一种基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，通过对芯棒以及石英预制件的精密研磨以及精密堆栈，以及异形石英套管的加工，可以有效减少多芯光纤预制棒中的空隙，并能够实现大尺寸多芯光纤预制棒的制备，为长距离多芯光纤的制备奠定了基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，采用制备芯棒后进行精密抛磨，并通过与间隙互补的精密石英构件的组合，无空气间隙的嵌入一个内壁异形石英套管中，从而形成一个大尺寸组合型光纤预制棒；
所述的基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其中的主要制作步骤包括：
步骤1：采用PCVD、MCVD、VAD或OVD工艺，精确控制折射率剖面分布制备而成芯棒坯料；
步骤2：对步骤1中制得的芯棒坯料外部进行精密平面抛磨，使芯棒外表面形成多边形结构，再进行脱脂、酸洗、纯水清洗、烘干备用；
步骤3：采用石英连熔工艺，制备内壁异形石英套管，并对成型的异形石英套管进行酸洗、纯水清洗、烘干备用，所得异形石英套管的长度比芯棒的长度长40～50厘米，长出来的部分用作预制棒的尾管；
步骤4：将步骤2中研磨得到的多边形柱体的芯棒***步骤3中制得的异形石英套管中，异形石英管和多根芯棒的一段对齐，按几何形状精密拼合；
步骤5：对预制棒芯棒与异形石英套管平齐的一端进行缩棒，并熔接垂头，得到组合型的大尺寸少模多芯光纤预制棒。
所述的异形预制构件的外表面是圆柱面，内表面形状和芯棒与辅棒组合后的整体外表面形状一致，异形石英套管能将组合的芯棒匹配套入。
所述的异形石英套管是通过设计制备内部异形成型模具，按照石英连熔工艺拉制而成。
所述用于制备异形石英套管的连熔设备包括炉体、芯杆、进料口、钨坩埚、加热器、成型模具、出料口、测径仪、牵引轮；所述的成型模具材料为钨金属，其形状和所需异形石英套管的内表面形状一致；所述连熔设备的出料口形状为圆形。
所述的芯棒预制棒的内部折射率分布是基于多芯光纤的实际应用进行设计与优化：(1)为了增加纤芯密度，该预制棒的芯棒采用临近异构排布方式，(2) 为了减少芯间串扰，该预制棒的芯棒折射率剖面结构是结构使用环形低折射率隔离层设计，(3)为了增加信道数，该预制棒的芯棒可以制备成少模纤芯，(4) 为了增大模场有效面积，该预制棒的芯棒的纤芯数值孔径不超过0.22，(5)为了减少模间群延迟，该预制棒的芯棒的折射率剖面结构采用附加环形设计或反梯度结构纤芯。
所述的芯棒预制棒排布依照折射率分布结构近邻互异的原则，预制棒的拼合方案有多种，根据剖面形状，包括但不限于与下列几种：1)蜂巢(正六边形) 拼合结构；2)正方形拼合结构；3)正三角形拼合结构。
根据所述的预制构件与异形预制套管完美结合的大尺寸多芯少模光纤预制棒制备方法，制备出的多芯光纤应考虑如何减少纤芯之间的串扰，因此，对于通信光纤来说计算芯间串扰的最优方法为功率耦合模理论。功率耦合模理论的表达式可以表示为，
公式中Pm表示纤芯m的平均功率，hmn表示功率耦合系数，z为光纤轴向坐标，d为光纤长度，Kmn为模式耦合系数，Δβ′mn为光纤弯曲情况下的不同纤芯模式传输常数差，两者的定义可在相关文献中获取。根据功率耦合系数的平均值可以计算出光纤长度为L时，相邻纤芯之间的串扰XT为另外，异质多芯光纤在弯曲条件下存在串扰的极大值，此时弯曲半径为Rpk；当光纤的弯曲半径大于Rpk时，纤芯间的串扰随曲率地增加而增加，当光纤的弯曲半径小于Rpk时，纤芯间的串扰随随曲率地增加而增加减小。
除纤芯串扰外，光纤的弯曲损耗也是需要设计的关键点。当光纤弯曲时，其损耗数值将随着的增加而增加，其中R为光纤的弯曲半径，Rc为曲率的临界曲率。对于单模光纤而言，Rc的典型值为0.2mm-0.4mm。限制弯曲损耗的另一个因素是包层厚度，即最外部纤芯的至外包层的距离，多芯光纤的包层厚度应大于30μm。
沟槽辅助也是调节多芯光纤性能的重要方式，增加低折射率的环形沟槽可以有效抑制串扰，同等条件下可实现-20dB的串扰抑制效果，从而允许更小的纤芯间距和更紧密的纤芯排布，但沟槽会显著增加光纤的截止波长，使得可用带宽下降至100nm左右。
通信中往往要求多芯光纤具有长距离低串扰的特点，传统的同质多芯光纤具有多个相同的纤芯，各纤芯导模的传播常数基本一致，存在较大的芯间串扰。针对这个问题，本发明设计了具有邻近异构形式的异质多芯光纤，因为异质多芯光纤间的串扰存在极值，故该方案是一种抗弯曲串扰的设计方案。
对于纤芯的排布方案，一般有六边形密堆积结构、环形排布结构和方形排布结构等。完整的六边形排布根据堆积层数的不同，可实现7、19、37芯的排布方式。对于采用精密研磨预制棒拼合的方案来说，六角排布形式可最大限度减少预制棒的抛磨损耗，可减少成本。
与在先技术相比，本发明具有以下多点突出优势与显著进步:
(1)降低了加工制备的难度要求。
(2)有助于确保纤芯尺度和相对位置的几何精度。
(3)通过较大的收缩比，预制棒误差被按比例进行了减少。
(4)拉制的光纤长度长、一致性好，降低了单位长度光纤的成本与造价。
附图说明
图1是方形纤芯分布的四芯单模光纤1的端面结构图，图中：d1为芯间距，d2为光纤直径。
图2是四芯单模光纤的圆形芯棒2研磨加工成方形芯棒3的流程图，图中：R1为芯半径，R2为圆芯棒外径，D1为方形芯棒的边长。
图3是使用连熔法制备异形石英套管的装置剖面结构图，图中标号：炉体 4、芯杆5、进料口6、钨坩埚7、加热器8、成型模具9、出料口10、测径仪11、牵引轮12、异形石英套管13。
图4是连熔炉使用的方形成型模具9-1和制备出的外圆内方的石英管14，图中标号：方形成型模具9-1，外圆内方石英管14。
图5是四芯单模光纤预制棒15的拼合方法示意图，图中标号：方形芯棒 3，外圆内方石英管14，四芯单模光纤预制棒15。
图6是19芯三模光纤16的端面结构图，纤芯排布按照相邻纤芯折射率分布不同的原则。
图7是19芯光纤芯棒的研磨方法图，将圆柱形的芯棒研磨成正六边形，图中标号：圆形芯棒17，正六边形芯棒18。
图8是连熔炉使用的异形成型模具和制备出的匹配异形内孔的石英管，图中标号：异形成型模具9-2，异形石英管19。
图9是19芯三模光纤预制棒的拼合方法示意图，采用三种折射率分布的芯棒，按照相邻纤芯折射率分布不同的原则排布纤芯，图中标号：异形石英管19，三种折射率分布的六边形芯棒18-1、18-2、18-3，19芯三模光纤预制棒20。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：四芯单模光纤预制棒的制备。
本实施例制备一种纤芯为方形分布的四芯单模光纤1，如图1所示，所制备的四芯光纤1的直径d2＝125μm，四个单模纤芯的直径为9μm，芯间距d1＝40μm，预设其预制棒的直径为150mm，那么其预制棒的制备分为以下三个步骤：
步骤一：方形芯棒3的制备，如图2(a)所示的是用OVD工艺加工的光纤圆柱形芯棒的横截面结构，其中纤芯直径2*R1＝10.8mm，外包层的直径 2*R2＝68mm。利用精密抛磨的方法，可以将圆柱形芯棒抛磨成截面正方形的芯棒预制件，如图2(b)所示，芯棒的边长为D1＝48mm。
步骤二：外圆内方的异形石英套管的制备。采用如图3所示的石英连熔炉制备该套管。所示的连熔炉装置包括：炉体4、芯杆5、进料口6、钨坩埚7、加热器8、成型模具9、出料口10、测径仪11、牵引轮12。其中芯杆的末端安装了成型模具9，模具的形状与多加工石英异形管的孔内壁结构相同。具体的加工步骤为：(1)向进料口6中加入石英粉末原料，进入到钨坩埚7内，加热器8对石英粉末加热至熔融状态；(2)石英在钨坩埚7内经过充分熔炼、均化后到达钨坩埚7底部出料口10、成型模具9区域，通过调整成型区的温度，使该区域的石英具有最佳的成型粘度，便于成型；(3)控制牵引轮12的速度，匀速缓慢地将熔体熔出料口拉出，测径仪11用于测试拉制的管径，最终形成内壁为所需合格的异形形状石英套管13。本实施例中采用的成型模具为如图4(a)所示的方形模具9-1，制得的外圆内方的石英套管14如图4(b)所示，其外径为150mm，内部孔的直径D1＝96mm。
步骤三：按照如图5所示的拼合方法，将所制备的4根方形芯棒3依次***外圆内方的石英套管14内，形成严密配合、外径为150mm的四芯单模光纤预制棒15。
实施例2：19芯三模光纤及其预制棒的设计及制备。
所设计的19芯三模光纤16的端面结构如图6所示，其中包层直径为 250μm，纤芯间距为30μm至45μm，优选42μm，包层厚度为30μm-45μm，优选 41μm，纤芯数值孔径数值孔径为0.1至0.22之间，优选0.12，纤芯直径为12μm- 18μm，优选为14.5μm，纤芯为不同参数的反梯度型、阶跃型和小环辅助形交替排列，采用此类纤芯的目的是减小单根芯间的模式传播常数差，减小模间时延。该光纤各纤芯周围有环形隔离层，隔离层厚度为5-8μm，隔离层距离纤芯12μm，隔离层NA为0.12。根据理论计算这种异质十九芯光纤的单个纤芯内各信道处于强耦合状态，各纤芯之间的串扰值可低于-40dB/100km，可用于长距离通信***强耦合低模间时延的通信***中，如采用纤芯正向和反向交替使用，可使得纤芯之间的串扰进一步下降-20dB左右。
为了制得上述的19芯三模光纤，需按以下步骤制备预制棒。
步骤一：正六边形芯棒的制备，如图7(a)所示的是用OVD工艺加工的光纤圆柱形芯棒17的横截面结构，利用精密抛磨的方法，可以将圆柱形芯棒抛磨成截面正六边形的芯棒18预制件，如图7(b)所示。为了实现纤芯异质，本实施例制备三种折射率分布的三模六边形芯棒。
步骤二：异形孔石英套管的制备。采用如图3所示的石英连熔炉制备该套管。采用的成型模具为如图8(a)所示的异形模具9-2，制得的外圆内孔异形的石英套管19，如图8(b)所示。
步骤三：按照如图9所示的拼合方法，将所制备的19根三种正六边形芯棒18-1/18-2/18-3依次***内孔异形的石英套管19内，形成严密配合19芯三模光纤预制棒20。其中三种折射率分布的芯棒按照相邻纤芯互异的原则排布。
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 (5)

1.一种基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征在于：该多芯光纤预制棒采用了制备芯棒后精密抛磨，并通过抛磨后芯棒紧密组合，无空气间隙地嵌入一个内壁异形石英套管中的方法，从而形成一个大尺寸组合型光纤预制棒；
所述多芯光纤预制棒的制备方法为：
步骤1：采用PCVD、MCVD、VAD或OVD工艺，精确控制折射率剖面分布制备而成芯棒坯料；
步骤2：对步骤1中制得的芯棒坯料外部进行精密平面抛磨，使芯棒外表面形成多边形结构，再进行脱脂、酸洗、纯水清洗、烘干备用；
步骤3：采用石英连熔工艺，制备内壁异形石英套管，并对成型的内壁异形石英套管进行酸洗、纯水清洗、烘干备用，所得内壁异形石英套管的长度比芯棒的长度长40～50厘米，长出来的部分用作预制棒的尾管；
步骤4：将步骤2中研磨得到的多边形柱体的芯棒***步骤3中制得的内壁异形石英套管中，异形石英管和多根芯棒的一端对齐，按几何形状精密拼合；
步骤5：对预制棒芯棒与内壁异形石英套管平齐的一端进行缩棒，并熔接垂头，得到组合型的大尺寸多芯光纤预制棒。
2.根据权利要求1所述的一种基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征在于：该预制棒所采用的内壁异形石英套管的外表面是圆柱面，内表面是和芯棒组合后的整体外表面形状一致的异形面，内壁异形石英套管能将组合的芯棒匹配套入。
3.根据权利要求1～2任一项所述的一种基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征在于：所述的内壁异形石英套管是通过设计制备内部异形成型模具，按照石英连熔工艺拉制而成。
4.根据权利要求2所述的一种基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征是：所述的芯棒的内部折射率分布需要考虑下述因素进行优化：(1)为了增加纤芯密度，该预制棒的芯棒是采用临近异构排布方式；(2)为了减少芯间串扰，该预制棒的芯棒折射率剖面结构是使用环形低折射率隔离层设计；(3)为了增加信道数，该预制棒的芯棒制备成少模纤芯；(4)为了增大模场有效面积，该预制棒的芯棒纤芯数值孔径不超过0.22；(5)为了减少模间群延迟，该预制棒的芯棒的折射率剖面结构采用附加环形设计或反梯度结构纤芯。
5.根据权利要求1所述的一种基于异形套管完美结合的大尺寸多芯光纤预制棒制备方法，其特征是：依照芯棒折射率分布结构近邻互异的原则，该预制棒的拼合方案有多种，包括下列几种：1)蜂巢拼合结构；2)正方形拼合结构；3)三角形拼合结构。
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