一种环形分布多芯光纤及其制备方法

专利名称：一种环形分布多芯光纤及其制备方法
技术领域：
本发明属于光纤制备技术领域，具体涉及一种具有环形分布多芯光纤的制备方法，可应用于大功率传能光纤和大功率光纤激光器制作领域。
背景技术：
近年来光纤激光器不仅朝着高功率的方向发展，并且对激光器本身的集成度要求 也越来越高。为了实现体积小传输功率大的光纤激光器，多纤芯光纤激光器应运而生。多 纤芯光纤激光器是实现短长度大功率激光传输的极具优势解决方案。它相当于把多个激光 器排列在一起，组成一个激光器阵列，吸收效率和输出功率都可以大大提高。多纤芯光纤激 光器的最重要组件就是多纤芯光纤，它是将多根掺杂纤芯整齐的排列在一个标准的多模硅 基玻璃光纤中，这些掺杂纤芯沿着多模光纤的内侧排列在一个端面上，在多模光纤的外面 有外包层保护着。在多纤芯光纤中，为了提高输出功率和同轴光密度，通常使用一个泵浦源 泵浦所有的掺杂纤芯。就像将多个光纤激光器排列在一起，组成一个光纤激光器阵列。因 此这种激光器在大功率激光器中具有很好的发展前景。美国专利(Article Comprising an Air-clad Optical Fiber, United States Patent,Patent Number 5，907，652，1999)提出了一种双包层光纤的制备方法。该光纤的结 构为光纤芯、内包层、外包层1、外包层2和涂层，主要用于泵浦光放大器、长周期光纤光栅、 光通信器件等。该光纤的纤芯采用MCVD法沉积Ge、Er、Yb等介质，内包层为普通的硅基玻 璃材料，在该光纤预制棒的制作过程中外包层1采用了圆环排列的空芯毛细管、外包层2采 用了硅基玻璃外套管，所制成的光纤纤芯、内包层、外包层1折射率依次降低，而外包层2折 射率高于外包层1折射率，实现外包层2泵浦泄漏小于输入光能的1/1000，从而实现大数值 孔径的多模泵浦光纤，因此也可以用于传能光纤。该光纤制备中其光纤芯为掺杂稀土离子 沉积获得，而外包层1是在光纤预制棒组棒过程中插入空芯毛细管。因此其制棒过程要经 过稀土离子掺杂制棒、组棒、高温缩棒、及拉丝过程，工艺非常复杂。外包层1的空芯毛细管 在拉丝过程中要保持其中空形状和相互之间位置关系比较困难。类似专利还有，例如美国专利(OpticalFiber with Micro-structured Cladding, Patent Number7, 072，552B2，2006)给出了一种双包层光纤，其纤芯折射率高于 内包层折射率，而同时内包层折射率又高于外包层，这样实现了内包层做为纤芯的包层和 多模泵浦能的传递。该光纤的外包层也可以采用空芯结构。另外光子晶体光纤等，例如美 国专利(Double-clad Photonic Optical Fiber，PatentNumber7, 283，711B2，2007)。欧洲 #禾Ij (Optical Fibre with High Numericalaperture,Patent Number EPl 421 420B1) φ 等。上述若干种光纤都属于空芯光子晶体光纤或者微结构光纤，其共同的不足之处在于光 纤芯需要沉积掺杂、空芯结构制作困难，工艺比较复杂。北京交通大学简伟等提出(一种高功率包层泵浦单模输出多芯光纤及其制作方 法，专利申请号200610169811. X) —种多芯包层泵浦多芯光纤制作方法，采用加工增益介 质掺杂纤芯棒，然后将这种纤芯棒拉制成芯棒。然后截取相同芯棒若干，按照均勻格点或者非均勻格点方式组成芯棒束，再加上外套筒并经过高温加热得到实心预制棒，经光纤拉丝 塔拉丝后得到多芯光纤。但是这种方法的实现也存在一定的制备困难该光纤预制棒的制 备需要化学气相沉积结合溶液掺杂技术、并将这种掺杂芯棒在光纤拉丝塔上拉制成芯棒， 再经过组棒、高温缩棒，最后在光纤拉丝塔上拉出多芯光纤。该方法加工工艺复杂，需要精 密设备和技术控制该工艺的各个环节，成本较高。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够产生环形光场，提高光纤传递能量的水平，可用 于大功率光纤激光器器件的环形分布多芯光纤。本发明的目的还在于提供一种可以降低多 芯光纤制备难度，解决多芯光纤制备的经济性问题的环形分布多芯光纤的制备方法。本发明的目的是这样实现的本发明的环形分布多芯光纤由一组光纤芯、内包层、外包层、涂层构成，所述的一 组光纤芯是分布在光纤内包层与外包层之间的一组性能相同的呈圆环形分布的光纤芯。
本发明的环形多芯光纤的制备方法为将一组光纤芯与一根实芯石英玻璃棒组合 后插入外层石英玻璃套管内，且这一组光纤芯在外层石英玻璃套管与内层实芯石英玻璃棒 之间构成圆环形分布的几何结构，烧结一侧端头制成多芯光纤预制棒。本发明的环形多芯光纤的制备方法还可以包括1、所述的一组光纤芯组成圆环形分布的几何结构是在外层石英玻璃管和实芯石 英玻璃棒之间紧密圆环形排列的结构；圆环形光纤芯的直径是由外层石英管内径，实芯玻 璃棒外径，和单根光纤芯的直径配合决定；同时，一组光纤芯的数量是由圆环的周长与单根 光纤芯直径之比来决定。2、所述的一组光纤芯是由相同折射率的大芯径、大数值孔径单模光纤芯组成；这 一组光纤芯可以是用MCVD或PCVD等工艺方法制备得到，也可以是商业获得的大芯径、大数 值孔径单模光纤。3、所述石英玻璃管和实芯石英玻璃棒的材料成份相同。4、所述的烧结是在光纤预制棒在组棒工艺完成后在高温氢氧焰条件下对预制棒 一侧端头做烧结处理。5、多芯光纤预制棒用光纤拉丝塔进行拉丝，在拉丝过程中在光纤预制棒未进行烧 结的一侧端头采用内部负压技术，使一组光纤芯融合在石英玻璃材料包层中拉出环形多芯 结构光纤。与现有技术相比本发明具有非常显著的有益效果(1)对于光纤预制棒的制备，外层高纯石英玻璃管、一组规格性能相同的光纤芯 料、内层高纯实芯玻璃棒均为制成品，便于取材。所采用的工艺方法简便可靠，容易实行，经 济性好。(2)直接采用预先制备好的大芯径、大数值孔径单模光纤作为一组环形光纤芯，避 免了在一根光纤预制棒中制备多个纤芯的复杂工艺，同时可以保证环形光纤芯的相同性能 与相互位置关系的稳定性。(3)对于拉出的环形多芯光纤，可以根据泵浦需要灵活的选取外层石英玻璃管、内 层石英玻璃棒与光纤芯的尺寸与结构，以拉制出单个光纤芯径为几个微米到几十个微米的不同芯数的环形多芯光纤。


图1环形分布多芯光纤预制棒截面结构示意图。图2环形分布多芯光纤纤芯截面示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述，但不应以此限制本发明的保护范围。主要是通过以下技术方案来实现其发明目的。本发明的一种环形多芯光纤由一组光纤芯、内包层、外包层、涂层构成，所述的一组光纤芯是在光纤包层内一组性能相同且呈圆环形分布的光纤芯。本发明的环形多芯光纤的制备方法为准备原料，用MCVD方法制备出大芯径大数值孔径的单模光纤，截取相同长度的一 组光纤若干根，除去涂覆层备用。所述的光纤预制棒的制备过程是通过如下方法实现的选择外径与内径尺寸匹配 的外层石英玻璃套管与实芯石英玻璃棒，石英玻璃棒的长度基本等于光纤芯料的长度。将 石英玻璃棒插入石英玻璃套管中一定的深度，在石英玻璃棒与石英玻璃外套管之间逐个插 入准备好的光纤芯料，使光纤芯料按圆环形式分布，紧密排列。在石英玻璃棒的四周，所包 围的一组圆环形式光纤芯料的外径尺寸几乎等于石英玻璃套管内径，组合好后一同插入石 英玻璃套管内。烧结一侧端头封口实现其光纤预制棒的制备。在光纤拉丝塔上拉丝时，在光纤预制棒的另一侧端头上采用了内部负压技术，在 高温真空状态下熔融状态的石英材料将填入一组光纤芯之间所余下的空隙形成包层，从而 拉出圆环形分布的多芯光纤。本发明的制备方法还可以包括所述的一组单芯光纤也可以直接采用商业获得的大芯径大数值孔径的单模光纤。所述的石英玻璃套管与实芯石英玻璃棒均为具有相同性能的优质高纯石英材料。所述的石英玻璃套管与实芯石英玻璃棒与一组光纤芯料其尺寸可以灵活的选取。 必须保持一组光纤芯是按照圆环形紧密排列在外层石英玻璃套管与内层实芯石英玻璃棒 之间，光纤芯料的数量根据圆环的周长与单根光纤芯直径之比来决定。所述的光纤预制棒插棒工艺要采用对外套管、一组单芯光纤、高纯实芯石英玻璃 棒进行酸腐蚀与1200度左右的高温抛光综合洁净处理，而且要在超净间条件下施行组棒 工艺。环形多芯光纤预制棒的制备如图1所示。在外层高纯石英玻璃管(1)中套入高纯 实芯玻璃棒(3)，在外层高纯石英玻璃管与高纯实芯玻璃棒之间插满一组预先制备好的光 纤芯(2)。外层高纯石英玻璃管与内层实心玻璃棒的直径尺寸之差应该等于单根光纤芯经 的2倍，以满足插满一组环形分布的光纤芯条件。在外层高纯石英玻璃管与内层高纯实芯 玻璃棒之间要插满光纤芯而且紧密排列。外层高纯石英玻璃管与内层高纯实芯玻璃棒与插 入的一组光纤芯在组棒工艺之前要经过浓度为40%的氢氟酸酸蚀与1200度左右的高温抛光处理，去除内外包层与光纤芯上的灰尘杂质及表面缺陷等，并且是在超净间中实施组棒。 组棒工艺完成后要用高温氢氧焰对预制棒一端端头做烧结处理。在光纤拉丝塔上拉丝时， 需要在光纤预制棒的另一侧采用预制棒内部负压技术，在高温真空状态下熔融状态的石英 玻璃将填入一组光纤芯之间所余下的空隙形成包层，拉出所需的环形多芯光纤。所制备出 的环形多芯光纤如图2所示，(1)为多芯光纤外包层、(2)为一组环形光纤芯、(3)为多芯光 纤内包层。 一个具体实施的例子为高纯石英玻璃外套管外径/内径尺寸为6. 15/4.15mm,高 纯石英玻璃棒直径为3mm，采用大芯径大数值孔径的光纤芯22根，其纤芯与包层的尺寸分 别为400um/520um，组合制备出环形芯光纤预制棒。在光纤拉丝塔上拉出的环形芯光纤经过 涂敷后为标准外径125um，22个光纤芯、单芯芯径为8. 13um。环形分布多芯光纤实物如图3 示意，其中(1)为外包层，(2)为一组环形结构光纤芯，(3)为内包层，(4)为外包层。将入 射激光注入环形光纤芯后，由于环形多芯之间的光场相干作用，从而使光纤传递能量的能 力大大增强。所述环形芯光纤可应用于大功率光纤激光器的制作。
权利要求
一种环形分布多芯光纤由一组光纤芯、内包层、外包层、涂层构成，其特征是所述的一组光纤芯是分布在光纤内包层与外包层之间的一组性能相同的呈圆环形分布的光纤芯。
2.一种环形多芯光纤的制备方法，其特征是将一组光纤芯与一根实芯石英玻璃棒组 合后插入外层石英玻璃套管内，且这一组光纤芯在外层石英玻璃套管与内层实芯石英玻璃 棒之间构成圆环形分布的几何结构，烧结一侧端头制成多芯光纤预制棒。
3.根据权利要求2所述的环形多芯光纤的制备方法，其特征是所述的一组光纤芯组 成圆环形分布的几何结构是在外层石英玻璃管和实芯石英玻璃棒之间紧密圆环形排列的 结构；圆环形光纤芯的直径是由外层石英管内径，实芯玻璃棒外径，和单根光纤芯的直径配 合决定；同时，一组光纤芯的数量是由圆环的周长与单根光纤芯直径之比来决定。
4.根据权利要求3所述的环形多芯光纤的制备方法，其特征是所述的一组光纤芯是 由相同折射率的大芯径、大数值孔径单模光纤芯组成；这一组光纤芯可以是用MCVD或PCVD 等工艺方法制备得到，也可以是商业获得的大芯径、大数值孔径单模光纤。
5.根据权利要求4所述的环形多芯光纤的制备方法，其特征是所述石英玻璃管和实 芯石英玻璃棒的材料成份相同。
6.根据权利要求5所述的环形多芯光纤的制备方法，其特征是所述的烧结是在光纤 预制棒在组棒工艺完成后在高温氢氧焰条件下对预制棒一侧端头做烧结处理。
7.根据权利要求6所述的环形多芯光光纤的制备方法，其特征是多芯光纤预制棒用 光纤拉丝塔进行拉丝，在拉丝过程中在光纤预制棒未进行烧结的一侧端头采用内部负压技 术，使一组光纤芯融合在石英玻璃材料包层中拉出环形多芯结构光纤。
全文摘要
本发明提供的是一种环形多芯光纤及其的制备方法。采用在同轴的外层石英玻璃管与内层石英玻璃棒中规则填充满一组大芯径单模光纤芯，并将这组光纤芯排列为圆环形几何分布形状，烧结石英玻璃管与石英玻璃棒组合的一侧端头后制成多芯光纤预制棒。经光纤拉丝塔拉丝后，在光纤预制棒的另一端既非烧结端施加负压，将这组光纤芯周围间隙空气抽出，在高温条件下使光纤芯与石英材料融合在一起，从而拉出具有环形分布多芯微结构光纤。本发明给出的环形多芯光纤制备方法工艺灵活、简便可靠、经济性好的。这种新型环形多芯光纤增强了泵浦光能在光纤中传递能量的水平，提高了所输出的带状环型光场强度，因而可应用于大功率光纤激光器器件的制作。
文档编号C03B37/025GK101840022SQ20101013897
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者戴强, 杨军, 田凤军, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学