本發(fā)明屬于光纖通信，具體涉及一種空芯光纖及光纖及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的實(shí)芯光纖例如階躍折射率光纖，纖芯使用較高折射率的材料，包層使用較低折射率的材料，以便通過全反射來導(dǎo)光。新型的空芯光纖不再局限于傳統(tǒng)的全反射導(dǎo)光原理，其光纖的纖芯折射率可以低于包層折射率，低折射率纖芯的光纖也可以進(jìn)行光傳輸。根據(jù)導(dǎo)光機(jī)理的不同，空芯光纖大致分成三大類：空芯bragg包層光纖、空芯光子帶隙光纖，以及空芯反諧振光纖。與早期的空芯光子帶隙光纖不同，空芯反諧振光纖的導(dǎo)光機(jī)理不依賴光子帶隙效應(yīng)，因此包層折射率排布要求并不嚴(yán)格，其擁有結(jié)構(gòu)簡單、高傳輸帶寬、纖芯尺寸大以及模場能量與包層材料交疊程度低等獨(dú)特優(yōu)勢。

2、空芯光纖有其獨(dú)特的優(yōu)勢，與實(shí)芯光纖相比，由于空氣的克爾非線性比二氧化硅材料低3個數(shù)量級，使得空芯光纖的非線性系數(shù)極大地降低，并且此類光纖具有更小的色散，以及30％的時延降低，特別適用于光通信傳輸，已成為光纖技術(shù)研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。

3、即使空芯光纖在應(yīng)用方面有很大優(yōu)勢，然而其傳輸損耗一直高于傳統(tǒng)的實(shí)芯光纖，近年發(fā)現(xiàn)基于反諧振原理的空芯光纖在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之下，能有效減小其傳輸損耗，特別是具有嵌套結(jié)構(gòu)元件的光纖具有作為超長距離通信光纖的潛力。在反諧振光纖中，通過環(huán)繞多個石英管環(huán)，將空氣中的光線限制在纖芯中，傳輸損耗主要由泄漏損耗和表面散射損耗決定。另外，由于石英管環(huán)之間交接處有節(jié)點(diǎn)存在，尤其是這些節(jié)點(diǎn)具有不同和多種厚度，在反諧振區(qū)域內(nèi)引入雜散及光譜稠密的諧振損耗峰，產(chǎn)生了額外損耗。

4、進(jìn)一步降低損耗，是空芯光纖制造領(lǐng)域的一個重要課題。但是由于其內(nèi)部形狀較為復(fù)雜，特別是那些具有嵌套結(jié)構(gòu)元件的光纖，為了保持反諧振條件，幾何上與傳導(dǎo)光的工作波長同樣數(shù)量級的微小偏差都可能導(dǎo)致反諧振條件發(fā)生變化，使得精確、可重復(fù)地制備變得困難。與目標(biāo)幾何形狀的偏差可能是由光纖預(yù)制件的配置以及拉制中間體時超出比例的形變造成的。

5、文獻(xiàn)wo2018169487a1公開了一種制造反諧振空芯光纖預(yù)制件的方法，其中第一包層區(qū)域包括多個棒，第二包層區(qū)域包括多個被外包層管包圍的管。通過“堆疊-拉絲”技術(shù)將棒、管和包層管結(jié)合到一起形成預(yù)制件。在拉伸預(yù)制件之前，通過涂抹密封劑密封預(yù)制件的端部。例如，將uv粘合劑用作密封劑。該方法復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀，使得很難精確且可重復(fù)地進(jìn)行制備，微小范圍的幾何形狀偏差，就會導(dǎo)致反諧振條件被破壞，影響低衰減和寬透射光譜性能。

6、文獻(xiàn)cn115521059a提出了一種在多邊形內(nèi)孔套管和多邊形毛細(xì)管來組裝成光纖預(yù)制棒，再通過在拉絲過程中往多邊形毛細(xì)管中進(jìn)行增壓控制來實(shí)現(xiàn)負(fù)曲率反諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的光纖。但該方法中的多邊形毛細(xì)管加工難度極大，拉絲過程中連接片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也不足，導(dǎo)致所拉制光纖的光學(xué)性能重復(fù)性不佳。

7、文獻(xiàn)cn115745391a提出了一種一體式空芯光纖預(yù)制件及光纖的制備方法，采用鉆孔法得到初始預(yù)制件，拉絲時向軸向孔內(nèi)充入高于套管中心的氣壓，軸向孔向套管中心孔方向凸出，形成負(fù)曲率的反諧振環(huán)。但實(shí)際充氣時由于軸向孔和套管中心孔之間的石英壁厚為弧狀不均勻，導(dǎo)致形成的反諧振環(huán)壁厚波動較大，影響反諧振效果。并且其鉆孔后軸向孔和中心孔內(nèi)壁的粗糙度會使空芯光纖表面散射損耗急劇增大，無法達(dá)成低損耗性能。

8、在已知的空芯光纖“堆疊-拉絲”技術(shù)中，許多元件必須位置精確地接合在一起，反諧振空芯光纖的制備中必須將數(shù)個無節(jié)點(diǎn)反諧振管件連接固定到包層管的內(nèi)表面上，尤其是嵌套結(jié)構(gòu)反諧振空芯光纖的反諧振管件由外管和內(nèi)管組成，多層反諧振結(jié)構(gòu)的制備難度更大，均勻性難以保證。然而，反諧振管件的壁厚及方位角的均勻性都是實(shí)現(xiàn)低損耗值和較寬的傳輸光譜的必要條件，使用“堆疊-拉絲”技術(shù)無法輕易實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高精度、低難度、高性能的反諧振空芯光纖及其制備方法。

2、本發(fā)明首先提供一種用于制備反諧振空芯光纖的反諧振空芯光纖預(yù)制件；通過光纖預(yù)制件內(nèi)各管件的貼合固定，再進(jìn)行熔接、吹鼓形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得光纖預(yù)制件內(nèi)各部件之間定位更牢靠、更精確，防止后續(xù)拉絲過程中光纖預(yù)制件內(nèi)的反諧振環(huán)位置發(fā)生偏移和扭轉(zhuǎn)。相比較傳統(tǒng)的堆疊法，內(nèi)部結(jié)構(gòu)大大簡化，但能夠以足夠穩(wěn)定和可重復(fù)地實(shí)現(xiàn)反諧振結(jié)構(gòu)元件的高精度定位；在后續(xù)的拉絲制備反諧振空芯光纖的過程中光纖預(yù)制件內(nèi)各部件全程粘連緊實(shí)，可以將反諧振環(huán)拉得更薄，使反諧振空芯光纖保持較低的傳輸損耗，避免傳統(tǒng)制造方法的局限性和復(fù)雜性。

3、本發(fā)明提供的反諧振空芯光纖預(yù)制件，包括：套管、內(nèi)嵌元件和管狀元件；其中：

4、所述套管，采用石英管，其橫截面外部為圓形，內(nèi)部為多邊形；所述內(nèi)嵌元件和管狀元件包裹在套管內(nèi)部。

5、所述內(nèi)嵌元件，為石英管結(jié)構(gòu)；內(nèi)嵌元件原始為圓形管，在套管內(nèi)部并且其外邊與套管內(nèi)的多邊形內(nèi)腔壁相切(參見圖1)。經(jīng)過加熱，并在內(nèi)嵌元件內(nèi)通入適量壓力的氣體撐大內(nèi)嵌元件，使其與套管內(nèi)多邊形的接觸范圍從切點(diǎn)變成部分面貼合(參見圖2)，形成內(nèi)嵌元件。

6、所述管狀元件，具體為石英毛細(xì)管，固定設(shè)置于套管內(nèi)多邊形內(nèi)腔相鄰內(nèi)壁面所形成的夾角處，與套管的兩個內(nèi)壁面貼合，若干毛細(xì)管圍成的區(qū)域構(gòu)成預(yù)制棒中心孔。管狀元件的數(shù)量與套管內(nèi)部多邊形內(nèi)腔的邊數(shù)相同，參見圖3。

7、本發(fā)明提供的反諧振空芯光纖的制備方法，具體步驟如下：

8、(一)制備反諧振空芯光纖預(yù)制件，具體步驟為：

9、(1)準(zhǔn)備石英棒，對其進(jìn)行外圓磨加工和內(nèi)部多邊形鉆孔，制成套管；其橫截面外部為圓形，內(nèi)部為多邊形；

10、準(zhǔn)備圓形石英管，加工使其外徑等于套管內(nèi)多邊形的內(nèi)切圓直徑，壁厚達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值，制得內(nèi)嵌元件；

11、(2)將圓形石英裝配插入套管內(nèi)，對組合后的套管和內(nèi)嵌元件采用氫氧焰、加熱爐或激光焊接等各類方式進(jìn)行加熱，并在內(nèi)嵌元件內(nèi)通入適量壓力的氣體撐大內(nèi)嵌元件，使其與套管內(nèi)多邊形的接觸范圍從切點(diǎn)變成部分面貼合，形成內(nèi)嵌元件；

12、(3)將管狀元件置于套管內(nèi)多邊形內(nèi)腔相鄰壁面所形成的夾角處，與套管的兩個內(nèi)壁面貼合；采用氫氧焰、加熱爐或激光焊接等各類加熱方式將其固定在套管內(nèi)部多邊形的每個棱角上；管狀元件的數(shù)量與套管內(nèi)部多邊形內(nèi)腔的邊數(shù)相同。由此，制得反諧振空芯光纖預(yù)制件。

13、(二)制備反諧振空芯光纖，具體步驟為：

14、(1)將所制備的反諧振空芯光纖預(yù)制件拉制成中間體，拉制時在管狀元件內(nèi)通入壓力0.5～4kpa的氮?dú)?，在?nèi)嵌元件和管狀元件之間通入壓力為0.1～1kpa的氮?dú)?，撐大?nèi)嵌元件和管狀元件，并且保持內(nèi)嵌元件和管狀元件處于不接觸的狀態(tài)；參見圖4所示；

15、(2)將所制備的空芯光纖中間體插入石英外套管中，參見圖4所示。并與充氣模具進(jìn)行組裝，在內(nèi)嵌元件內(nèi)、管狀元件內(nèi)、內(nèi)嵌元件和管狀元件之間分別插入不同尺寸的充氣微管進(jìn)行獨(dú)立供氣，在空芯光纖中間體與石英外套管之間抽真空；

16、(3)通過調(diào)節(jié)不同壓力值控制內(nèi)嵌元件和管狀元件的尺寸和形狀，在內(nèi)嵌元件內(nèi)、管狀元件內(nèi)、內(nèi)嵌元件和管狀元件之間充氣的壓力分別為0.1～2.0kpa、10～20kpa和2～10kpa，由此控制內(nèi)嵌元件和管狀元件的尺寸和形狀；由于內(nèi)外壓差以及表面張力的作用，拉絲形成負(fù)曲率的嵌套反諧振內(nèi)環(huán)和嵌套反諧振外環(huán)，組成嵌套反諧振環(huán)(其個數(shù)即為管狀元件個數(shù))，相鄰反諧振環(huán)之間不接觸；所有反諧振環(huán)一起構(gòu)成環(huán)形的反諧振層，反諧振層圍成的區(qū)域構(gòu)成空芯光纖的纖芯，反諧振層和拉絲后的套管、外套管一起構(gòu)成保護(hù)纖芯的包層。由此，制得嵌套反諧振空芯光纖，其結(jié)構(gòu)包括：光纖外包層(即石英外套管)、嵌套反諧振環(huán)層和纖芯區(qū)，纖芯區(qū)由多個均勻排布的反諧振環(huán)圍成區(qū)域的內(nèi)切圓界定。

17、進(jìn)一步地，步驟(一)中：

18、所述套管內(nèi)部為正多邊形，其邊數(shù)大于或等于4。

19、所述內(nèi)嵌元件和管狀元件均為圓形。

20、所述套管的外徑為20～80mm，套管內(nèi)部正多邊形的外接圓直徑與套管的外徑之比為0.2～0.8。

21、所述內(nèi)嵌元件的壁厚范圍為1～8mm。

22、所述管狀元件的外徑為1～5mm，壁厚范圍為0.2～2mm。

23、通入內(nèi)嵌元件內(nèi)的氣體為壓縮空氣、氮?dú)狻⒑饧皻鍤庵械娜我庖环N或者幾種。

24、所述內(nèi)嵌元件與套管內(nèi)多邊形的部分貼合，具體是指內(nèi)嵌元件與套管內(nèi)多邊形任一條邊的貼合長度不低于管內(nèi)多邊形邊長的40％，并且內(nèi)嵌元件的邊與管狀元件之間的距離不低于管狀元件外徑的10％。套管內(nèi)多邊形各邊與內(nèi)嵌元件部分貼合的長度差異不超過5％。

25、進(jìn)一步地，步驟(二)中：

26、所述石英外套管的外徑由目標(biāo)嵌套反諧振空芯光纖的纖芯直徑和包層直徑?jīng)Q定。

27、通入所述套管內(nèi)各元件內(nèi)的氣體為壓縮空氣、氮?dú)?、氦氣及氬氣中的任意一種或者幾種。

28、拉絲后形成的相鄰反諧振環(huán)之間不接觸(即具有間距)。

29、所述纖芯直徑為8～55μm，包層直徑為80～330μm。

30、所述光纖嵌套反諧振環(huán)的壁厚t范圍為0.1～2μm，并且還滿足反諧振反射條件：

31、

32、其中λm為諧振波長，m為反諧振層階數(shù)，n為嵌套反諧振環(huán)折射率。

33、制備的嵌套反諧振空芯光纖具備較低的傳輸損耗，其1550nm處最低的傳輸損耗≤1db/km，更優(yōu)的≤0.2db/km。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列有益效果。

35、(1)本發(fā)明所提出反諧振空芯光纖預(yù)制件，通過其內(nèi)各管件的貼合固定，再進(jìn)行熔接、吹鼓形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得光纖預(yù)制件內(nèi)各部件之間定位更牢靠、更精確，防止后續(xù)拉絲過程中光纖預(yù)制件內(nèi)的反諧振環(huán)位置發(fā)生偏移和扭轉(zhuǎn)。

36、(2)本發(fā)明制備方法中，通過一個內(nèi)嵌元件和在套管內(nèi)部正多邊形棱角上熔接固定管狀元件，實(shí)現(xiàn)負(fù)曲率的嵌套反諧振環(huán)。只采用圓形和管狀石英件即可制備反諧振空芯光纖預(yù)制件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)大大簡化，制備工藝簡單易實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定性高，可顯著提高光纖的傳輸性能。

37、(3)本發(fā)明將上述反諧振空芯光纖預(yù)制件拉絲制備嵌套反諧振空芯光纖，能夠以足夠穩(wěn)定和可重復(fù)地實(shí)現(xiàn)反諧振結(jié)構(gòu)元件的高精度定位，拉絲過程中光纖預(yù)制件內(nèi)各部件全程粘連緊實(shí)，可以將反諧振環(huán)拉得更薄，提高每個反諧振環(huán)的一致性，使反諧振空芯光纖保持較低的傳輸損耗，避免了傳統(tǒng)制造方法的局限性和復(fù)雜性。