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特優(yōu)勢。

2、空芯光纖有其獨特的優(yōu)勢，與實芯光纖相比，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。

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)點存在，尤其是這些節(jié)點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)無法輕易實現(xiàn)。

技術(shù)實現(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，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的氮氣，在內(nèi)嵌元件和管狀元件之間通入壓力為0.1～1kpa的氮氣，撐大內(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、氮氣、氦氣及氬氣中的任意一種或者幾種。

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、氮氣、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，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。