CN115793149A - 海星形锥型外套管及多芯光纤空分复用/解复用器和制法 - Google Patents
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Abstract
一种海星形锥型外套管及多芯光纤空分复用/解复用器和制法，属于多芯光纤通信技术领域。海星形锥型外套管，包括锥型圆筒，在锥型圆筒内设置有海星形通孔。其制备方法为：采用正六边形排布打孔，拉丝，一端预拉锥，得到海星形锥型外套管。其多芯光纤空分复用/解复用器，采用选取多芯光纤和单芯光纤，将单芯光纤一端腐蚀，***海星形锥型外套管中，进行二次拉锥固定，粘合后，采用陶瓷头对端部进行磨平，和多芯光纤对接，该方法利用海星形锥型外套管，在海星形锥型外套管尺寸伸缩时并不影响内部光纤结构。制备多芯光纤空分复用/解复用器，能够降低损耗值。
Description
技术领域
本发明属于多芯光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种海星形锥型外套管及多芯光纤空分复用/解复用器和制法。
背景技术
传统单芯单模光纤***容量在光通信网络飞速增长的现在已经达到了瓶颈，数据的传输对***光通信网容量提出了更高的要求，进一步提高光传输介质容量成为迫切需求。在此基础上提出了空分复用、模分复用、波分复用等一系列技术来实现一个更大容量***的光信号传输。基于多芯光纤的空分复用技术由于其对空间维度的利用是确保光纤传输***实现超大容量、超高速率、超长距离传输的必要条件。多芯光纤的设计方案成为近几年的研究热点，多芯光纤通信***需要与现有的单模光纤通信***兼容，实现将光发射机发出的信号通过单芯光纤复用到多芯光纤中，将多芯光纤中的信号解复用到单芯光纤中并传输到接收机，这就需要制备多芯光纤与标准单芯光纤连接的多芯光纤空分复用/解复用器来达到效用。
目前现有的多芯光纤空分复用/解复用的制备方法有几种方式：(1)聚合物波导法：基于直写光波导的方案有望制备小体积低成本的空分复用/解复用器件，但不足之处在于一方面制备精度还有待提高，另一方面由于波导与光纤对接处的模场失配引起额外的损耗和串扰；(2)自由空间光学法：使用微小透镜将多芯光纤与单芯光纤进行耦合，需要多个透镜进行精确对准，操作难度大，体积大，成本高；(3)集束拉锥法：将多根单芯光纤进行拉锥，使其拉锥后光纤端面与多芯光纤精准对接，实现多芯到单芯的光场耦合，这种空分复用/解复用器件加工技术复杂，需精准控制每根单芯光纤拉锥比，制备难度大，不能用于纤芯排列较为复杂或纤芯数量较多的多芯光纤。
目前多芯光纤空分复用/解复用器集中为7芯光纤空分复用/解复用器与19芯光纤空分复用/解复用器等这种多层排布结构，这种多层结构排布的制作过程相对容易，制作后得到的结构稳定，影响小。而13芯光纤的纤芯排布的空分复用/解复用器非常少见，尤其是最外层只有6芯并且要求固定的结构，空分复用/解复用器制作难度就会大大加大，现有的技术对于这种特殊排布结构的空分复用/解复用器提出了一些解决方案：
13芯光纤空分复用/解复用器的解决方案之一：13芯打孔法，采用打孔预制棒的方法，在预制棒上使用对应多芯光纤的结构进行打孔。将单芯光纤***打孔预制棒中制作复用器/解复用器。
该方法存在问题就是最外层6芯可以固定的情况下里面的7芯排布容易出现排布错位或者排布乱(见图7)。
13芯光纤空分复用/解复用器的解决方案之二：先做19芯光纤的空分复用/解复用器使用其中13芯，这种方法容易出现问题是最外层一圈的排布与里面7芯的排布容易有错位(见图8)。
综上所述，目前各类多芯光纤空分复用/解复用器件制备过程都受到所使用的光纤的影响，且难以适用于纤芯数量较多，纤芯排布复杂的多芯光纤，特别是13芯光纤的空分复用/解复用器，制备难度较大。
发明内容
为克服现有技术不足，本发明提供了一种海星形锥型外套管及多芯光纤空分复用/解复用器和制法，该海星形锥型外套管基于使用低熔点石英棒打孔技术，并通过拉丝，得到海星形锥型外套管，并提供一种适用于多芯光纤空分复用/解复用器的制备方法，更适用于纤芯排列较为复杂的多芯光纤，特别适用于13芯光纤，制备的多芯光纤空分复用/解复用器能够实现将单芯光纤中的信号复用到多芯光纤中以及将多芯光纤中的信号解复用到单芯光纤中，并且相比于现有技术，能够降低损耗值。
本发明解决上述技术问题，采用如下技术方案：
本发明的一种海星形锥型外套管，包括锥型圆筒，在锥型圆筒内设置有海星形通孔。
本发明的一种海星形锥型外套管的制备方法为：
S1：将低熔点实心玻璃棒进行打孔，制成打孔预制棒；打孔预制棒的通孔为正六边形排布结构；
S2：将打孔预制棒通过拉丝塔进行拉丝制得多芯外套管，通过调整拉丝塔的拉丝参数，控制打孔预制棒中通孔变化，形成以正六边形的六个角为顶点且六条线凹陷的结构，即为海星形通孔，形成的海星形通孔能够使未腐蚀的单芯光纤束***多芯外套管中；
S3：将多芯外套管的一端采用拉丝塔进行预拉锥，预拉锥温度为1000～1050℃，制成一端为锥形管的海星形锥型外套管；海星形锥型外套管为锥形管的一端为锥形通孔，锥形通孔的横向内径与腐蚀的单芯光纤束的横向外径相配合。
优选地，上述S1中，低熔点实心玻璃棒的玻璃材料选用高硼硅石英玻璃，硫系玻璃，碲酸盐玻璃材料中的一种。
优选地，上述S2中，为保证多芯外套管质量和精度，对打孔预制棒的拉制长度为15-20cm。
本发明的一种多芯光纤空分复用/解复用器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选取一根具有N个纤芯的多芯光纤，以及根据打孔个数选取M根单芯光纤，其中，单芯光纤的纤芯直径与模场直径和多芯光纤相匹配，N为大于1的正整数，优选为13，M为大于等于N的正整数；
步骤二：将选取的M根单芯光纤的一端除去有机涂覆层，去除有机涂覆层的部分长度为4～5cm，并将该部分先浸入浓度较高的HF溶液中对包层进行腐蚀，直到包层直径大于选取的多芯光纤的纤芯直径1～2μm，再将该组单芯光纤浸入浓度较低的HF溶液中进行二次腐蚀，直至其包层直径与多芯光纤芯间距相同，制成前端带有腐蚀段的腐蚀单芯光纤束；所述的浓度较高的HF溶液的质量浓度为45～50％；所述的浓度较低的HF溶液的质量浓度为20～30％；
步骤三：将腐蚀单芯光纤束从海星形锥型外套管未进行预拉锥的一端***；然后对***单芯光纤束的海星形锥型外套管采用拉丝塔进行低温拉锥，低温温度为1000～1050℃，使海星形锥型外套管的管径收缩，将若干个腐蚀单芯光纤固定在海星形锥型外套管中；
步骤四：用低粘度粘合剂将各腐蚀单芯光纤与海星形锥型外套管粘结在一起，得到预制锥管；
将预制锥管贯穿陶瓷头，使预制锥管设置腐蚀单芯光纤束的一端与陶瓷头置于同一平面，然后用低粘度粘合剂353ND将陶瓷头和预制锥管设置腐蚀单芯光纤束的一端粘结在一起，对预制锥管设置腐蚀单芯光纤束的一端进行研磨抛光，然后与多芯光纤进行对接，制成用于多芯光纤的空分复用/解复用器，特别是13芯光纤的空分复用/解复用器。
优选地，上述步骤一中，多芯光纤选用同质型多芯光纤或异质性多芯光纤。
优选地，上述步骤二中，腐蚀过程中腐蚀区域为5cm，腐蚀过程中溶液表面覆盖一层有机油脂防止HF挥发。
优选地，上述步骤四中，海星形锥型外套管与腐蚀单芯光纤光纤固定后***陶瓷头并使用低粘度胶固定后进行研磨抛光制成复用器，与***陶瓷头研磨抛光后的多芯光纤对接。
本发明的多芯光纤空分复用/解复用器，其采用上述制备方法制得，其少模传输损耗平均值为0.23dB。
本发明的一种海星形锥型外套管及多芯光纤空分复用/解复用器和制法，与现有技术相比，具有以下优势：
本发明提供的多芯光纤空分复用/解复用器利用低熔点材料拉制堆叠时或者打孔时灵活的特点，适用纤芯排布复杂的光纤。
本发明利用使用海星形锥型外套管作为单芯光纤束的外套管，在制作13芯光纤复用/解复用器过程中外边缘的凹陷会使得13芯排布结构更紧凑，而使用19芯打孔排布方式，是多余的六芯为定位芯，能够确保所使用的13芯的***六芯不会出现在错误的位置。
本发明利用使用低熔点石英材料作为光纤束的海星形锥型外套管，在海星形锥型外套管尺寸伸缩时并不影响内部光纤结构。
本发明使用陶瓷头进行对接可在对接对象之间进行旋转，可找到对接损耗功率最小的对接位置。
本发明制备过程相较常见的透镜耦合方法以及聚合物波导法操作更加简单，成本更低。
本发明制作的多芯光纤空分复用/解复用器体积小，灵活耐用，可批量生产。
附图说明
图1为本发明中单芯光纤腐蚀过程示意图；
图2为本发明中实施例1中13根单芯光纤束以及6根定位光纤腐蚀前后示意图；
图3为本发明实施例1提供的一种利用打孔法制备13芯光纤的空分复用/解复用器采用的海星形锥型外套管示意图；(a)为打孔预制棒示意图，(b)为打孔预制棒拉丝后得到的多芯外套管示意图。
图4为本发明实施例1提供的预拉锥后得到的海星形锥型外套管的端面实物图。
图5为本发明实施例1提供的一种制备13芯光纤的空分复用/解复用器时进行二次拉锥前后端面示意图；(a)为***腐蚀单芯光纤束的海星形锥型外套管端面示意图；(b)拉丝后端面示意图
图6为本发明实施例1制作的13芯光纤的空分复用器/解复用器成品端面图。
图7为13芯打孔法制备的13芯光纤的空分复用/解复用器的结构示意图。
图8为十九芯光纤的空分复用器/解复用器制作示意图。
图9为13芯结构最外层结构位置示意图。
图10为13芯结构最外层结构容易出现的错误位置示意图。
图11为13芯结构整体排布示意图。
图12为13芯结构错位排布示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
为了更加清楚本发明的目的、技术方案以及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。此处的实施例仅为解释本发明，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结合。
使用图1所示方法利用化学腐蚀方法将标准的125μm单芯光纤腐蚀到所需包层直径，实施例1中为13芯同质光纤的空分复用/解复用器的制备方法，13芯多芯光纤芯间距为42μm，则首先将19根单芯光纤腐蚀到包层直径为42μm。HF上层覆盖一层有机油脂可用来防止HF挥发。图2为实施例1中13芯同质单芯光纤束以及6根定位纤芯腐蚀前后的对比图，纤芯大小不变，包层直径减小到目标大小，使腐蚀后的光纤包层直径等于待匹配多芯光纤芯间距大小，将13根光纤与6根定位光纤集束成图2所示光纤束，单根光纤腐蚀前直径为α’＝125μm，腐蚀后单根光纤直径β’＝42μm。
准备低熔点实心玻璃棒采用水刀进行打孔，制作打孔预制棒，低熔点实心玻璃棒采用的玻璃材料可为高硼硅石英玻璃，硫系玻璃，碲酸盐玻璃材料，本实施例中选用高硼硅石英玻璃材料。采用打孔法制作的打孔预制棒如图3所示。打孔预制棒外径为D’，中心线孔外径间距为B’，拉丝后外套管中心线孔内径b’大小略大于13芯光纤束中心线直径3β’。将拉制后的多芯外套管选取合适的尺寸截成10cm的小段。
将多芯外套管的一端采用拉丝塔进行预拉锥，制成一端为锥形管的海星形锥型外套管，其端面实物图见图4，拉锥使用FSM-100P+熔接机的拉锥功能，拉锥后多芯外套管中心线孔内径略大于13芯光纤束腐蚀后中心线直径3β’，后端内径保持b’不变，μ＝b’-3α视为锥形管的容错，为了保证腐蚀后光纤可顺利***海星形锥型外套管且保持六边形排列，容错μ一般为3-6μm。
利用调节架将腐蚀单芯光纤束***海星形锥型外套管中，再将海星形锥型外套管进行二次拉锥，使海星形锥型外套管将内部光纤紧密束缚住，由于海星形锥型外套管熔点较低，控制拉锥时的温度，内部石英光纤不会受到影响，如图5所示。在锥腰处截取孔间距等于多芯光纤直径的位置封装进陶瓷头中，端面进行切割研磨，再与多芯光纤对接。
其中6根定位纤芯是为了确保其余13芯的位置保持所需13芯的排布结构，而海星形的凹陷结构又可以使13芯排布结构更加紧凑。
实施例1
13芯光纤的空分复用/解复用器
在本发明实施例中，选取一种纤芯为“地雷”形排列的13芯同质光纤，芯间距为42μm，包层直径240μm，去除其涂覆层并清洁。
取19根纤芯直径与多芯光纤匹配的单芯光纤，其中13根光纤为13芯复用器/解复用器使用纤芯，6根光纤为制作过程中的定位纤芯，且单芯光纤模场直径与多芯光纤相同，去除一端的有机涂覆层，取无尘纸巾蘸酒精擦拭表面碎屑及灰尘。
目标将单芯光纤包层直径溶蚀至42μm。对石英包层的腐蚀选用HF，将13根单芯光纤去除涂覆层的一端放入45％质量浓度的HF酸进行快速溶蚀，溶蚀高度为5cm，HF表面覆盖一层油脂，防止HF挥发。溶蚀35分钟后，将单芯光纤取出，用去离子水清洗，此时单芯光纤包层直径为50μm。再将清洗后的单芯光纤放入质量浓度为25％的HF溶液缓慢溶蚀，溶蚀30分钟后，石英包层直径为45μm，为了精准溶蚀到目标42μm，在接近目标值时需要每溶蚀5分钟将光纤取出观测直径，直至达到目标值。
选取低熔点实心玻璃棒，其材料可为高硼硅玻璃，碲酸盐玻璃，硫系玻璃。本实施例选取直径20mm长度15cm的掺硼石英玻璃，按照图3(a)进行打孔，形成正六边形通孔，得到打孔预制棒。
将打孔预制棒进行拉丝，拉丝温度为1000℃，控制拉丝塔送棒速度以及牵引速度，控制外径变化范围在625-635μm内，形成以正六边形的六个角为顶点且六条线凹陷的结构，即为海星形通孔，将拉丝后的多芯外套管截取为10cm的小段。将截取好的多芯外套管进行预拉锥，使用FSM-100P+熔接机的拉锥功能，拉锥后前端孔中心线内径约为3×42μm-3×43μm，后端外径保持不变。
将溶蚀后包层直径为42μm的单芯光纤束从大的孔外径向小的孔内径方向用调节架***，***后将海星形锥型外套管进行二次拉锥，拉锥温度为1000℃，远小于内部石英光纤的软化温度，使海星形锥型外套管将光纤束紧密贴合，并且不会破坏内部光纤结构。
将前端外套管切断固化入陶瓷头并进行研磨，后端用低粘度粘合剂固定，前端陶瓷头与多芯光纤进行对接。
制作完成后的13芯光纤的空分复用器/解复用器的端面如图6所示，其中黑色标注的六个纤芯为定位纤芯，只起到定位作用而并不参与13芯空分复用器/解复用器的使用。
通过本发明的方法，采用海星形通孔的海星形锥型外套管制作13芯光纤的空分复用/解复用器，相比于采用19芯光纤的空分复用/解复用器使用其中13芯，能够保证内部7芯的正常排布，又进行了改进解决该方案中的错位问题。
通过本发明的方法，13芯中的6个定位纤芯可以使得最外层的纤芯都能在内圈的两两中间，如图9，而不会出现在如图10的角落里，可以保证结构上不会有问题。
其次是错位问题，由于海星形锥型外套管引进了凹陷结构，使得最外层的纤芯有一个向内方向的明显的束缚力，使得这些纤芯不会有一些小的错位或者对不准、有点偏的情况(见图11和图12)。
对比例1
采用13芯打孔法，采用打孔预制棒的方法，在预制棒上使用对应多芯光纤的结构进行打孔，即为打孔为地雷形。将单芯光纤***打孔预制棒中制作复用器/解复用器。
对比例2
先根据19芯光纤的预制棒打孔，拉制时，其孔洞还是正六边形，做成19芯光纤的空分复用/解复用器使用其中13芯，作为13芯光纤的空分复用/解复用器。
测试例
将本实施例1制备的13芯光纤的空分复用/解复用器和对比例1-2制备的13芯光纤的空分复用/解复用器，均和13芯光纤进行对接，测试其对接损耗，对比例1的损耗值为如下：
通过上述表结果进行分析，对比例1中1、2、3号纤芯插损过大的原因是因为中间7芯排布乱。
对比例2的损耗值如下：
通过上述表结果进行分析，对比例2中12、13号纤芯为最外层纤芯，插损大的原因是因为最外层纤芯错位问题。
本发明的13芯光纤的空分复用/解复用器的损耗值如下：
说明采用本发明的方法制备的13芯光纤的空分复用/解复用器，其损耗值最小。
Claims (9)
1.一种海星形锥型外套管，其特征在于，包括锥型圆筒，在锥型圆筒内设置有海星形通孔。
2.权利要求1所述的海星形锥型外套管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将低熔点实心玻璃棒进行打孔，制成打孔预制棒；打孔预制棒的通孔为正六边形排布结构；
S2：将打孔预制棒通过拉丝塔进行拉丝制得多芯外套管，通过调整拉丝塔的拉丝参数，控制打孔预制棒中通孔变化，形成以正六边形的六个角为顶点且六条线凹陷的结构，即为海星形通孔，形成的海星形通孔能够使未腐蚀的单芯光纤束***多芯外套管中；
S3：将多芯外套管的一端采用拉丝塔进行预拉锥，预拉锥温度为1000～1050℃，制成一端为锥形管的海星形锥型外套管；海星形锥型外套管为锥形管的一端为锥形通孔，锥形通孔的横向内径与腐蚀的单芯光纤束的横向外径相配合。
3.根据权利要求2所述的海星形锥型外套管的制备方法，其特征在于，所述S1中，低熔点实心玻璃棒的玻璃材料选用高硼硅石英玻璃，硫系玻璃，碲酸盐玻璃材料中的一种。
4.根据权利要求2所述的海星形锥型外套管的制备方法，其特征在于，所述S2中，为保证多芯外套管质量和精度，对打孔预制棒的拉制长度为15-20cm。
5.一种多芯光纤空分复用/解复用器的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的海星形锥型外套管，包括以下步骤：
步骤一：选取一根具有N个纤芯的多芯光纤，以及根据打孔个数选取M根单芯光纤，其中，单芯光纤的纤芯直径与模场直径和多芯光纤相匹配，N为大于1的正整数，M为大于等于N的正整数；
步骤二：将选取的M根单芯光纤的一端除去有机涂覆层，将去除有机涂覆层的一端采用HF溶液进行腐蚀，并将腐蚀的一端根据打孔排列成腐蚀单芯光纤束；
步骤三：将腐蚀单芯光纤束从海星形锥型外套管未进行预拉锥的一端***；然后对***单芯光纤束的海星形锥型外套管采用拉丝塔进行低温拉锥，低温温度为1000～1050℃，使海星形锥型外套管的管径收缩，将若干个腐蚀单芯光纤固定在海星形锥型外套管中；
步骤四：用低粘度粘合剂将各腐蚀单芯光纤与海星形锥型外套管粘结在一起，得到预制锥管；
将预制锥管贯穿陶瓷头，使预制锥管设置腐蚀单芯光纤束的一端与陶瓷头置于同一平面，将陶瓷头和预制锥管设置腐蚀单芯光纤束的一端粘结在一起，对预制锥管设置腐蚀单芯光纤束的一端进行研磨抛光，然后与多芯光纤进行对接，制成用于多芯光纤的空分复用/解复用器。
6.根据权利要求5所述的多芯光纤空分复用/解复用器的制备方法，其特征在于，步骤一中，多芯光纤选用同质型多芯光纤或异质性多芯光纤。
7.根据权利要求5所述的多芯光纤空分复用/解复用器的制备方法，其特征在于，步骤二中，去除有机涂覆层的部分长度为4～5cm，并将该部分先浸入浓度较高的HF溶液中对包层进行腐蚀，直到包层直径大于选取的多芯光纤的纤芯直径1～2μm，再将该组单芯光纤浸入浓度较低的HF溶液中进行二次腐蚀，直至其包层直径与多芯光纤芯间距相同，制成前端带有腐蚀段的腐蚀单芯光纤束；所述的浓度较高的HF溶液的质量浓度为45～50％；所述的浓度较低的HF溶液的质量浓度为20～30％。
8.根据权利要求5所述的多芯光纤空分复用/解复用器的制备方法，其特征在于，陶瓷头和预制锥管设置腐蚀单芯光纤束的一端粘结在一起采用的粘合剂为低粘度粘合剂353ND。
9.一种多芯光纤空分复用/解复用器，其特征在于，采用权利要求5-8任意一项所述的制备方法制得，其少模传输损耗平均值为0.23dB。
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2022
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