一种制备低损耗高强度锥形光纤的装置和方法

本发明涉及光纤的拉锥成形制备技术领域，并且特别涉及一种制备低损耗高强度锥形光纤的装置和方法。

背景技术：

锥形光纤已经广泛应用在超连续光谱产生、无源微纳光纤器件制备、光纤传感以及色散管理器件制备。特别对于高重频超快光纤激光器而言，在长度为cm或者mm量级的激光谐振腔内难以再插入色散管理的光器件，致使激光器输出脉冲宽度难以实现飞秒级，这极大限制了此类光源的实际应用。如果作为增益介质的增益光纤同时可以实现色散管理，那么有可能解决这一关键问题。

目前常用的拉锥工艺有氢氧焰拉锥、化学腐蚀法拉锥、激光器照射拉锥等等，氢氧焰拉锥也为熔融拉锥技术是一种简单实用、制作成本低的拉锥技术，在控制好拉锥过程中环境因素并且操作得当的情况下，可以得到品质好可重复性高的锥形光纤，因此这种拉锥工艺使用最为广泛。

但是，这种拉锥方法仍然面临一定的问题，一方面是最细锥腰位置(比如锥腰直径小于20微米)易被机械扯断，二是对于更小纤芯直径的单模光纤而言，比如纤芯直径小于5微米的hi-1060光纤或增益光纤，拉锥光纤表现了很大的线性损耗，导光性能大幅度劣化，将难以获得激光输出。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的的技术问题，本发明提出了一种制备低损耗高强度锥形光纤的装置和方法，解决了现有技术中的技术问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种制备低损耗高强度锥形光纤的装置，包括火焰产生装置和拉锥设备，拉锥设备包括相背而行的两光纤固定装置，火焰产生装置可位移地设置于两光纤固定装置之间，火焰产生装置的喷口为沿光纤长度方向的条形喷口。利用该装置可以拉制出一种更低损耗、高强度、长锥区结构的锥光纤。

在具体的实施例中，拉锥设备中还包括有第一步进电机，第一步进电机控制两光纤固定装置背离运动。

在具体的实施例中，火焰产生装置包括石英玻璃管、第二步进电机和连接杆，石英玻璃管固定于连接杆上，第二步进电机控制连接杆位移运动。凭借该设置可以产生移动的火焰。

在具体的实施例中，连接杆的运动方向包括沿光纤长度方向的水平位移运动和垂直于水平方向的垂直位移运动。

在具体的实施例中，水平位移运动的范围取自3-5mm的范围内。

在具体的实施例中，条形喷口的宽度设置为5mm，长度取自25-45mm的范围内。凭借该设置的火焰喷射装置可以改变待拉制裸光纤上的温度分布。

根据本发明的另一方面，提出了一种利用上述装置制备低损耗高强度锥形光纤的方法，将待拉锥的小纤芯单模光纤固定于两光纤固定装置上，通过可位移的火焰产生装置的长条形喷口产生的火焰加热预热软化待拉锥的小纤芯单模光纤，通过第一步进电机在移动的火焰下熔融的同时反向拉伸光纤，使之成为锥形光纤。

在具体的实施例中，待拉锥的小纤芯单模光纤为纤芯直径小于6μm的单模有源或无源光纤。对于小纤芯直径的单模光纤而言，本方法可以大幅度降低锥区的导光损耗。

在具体的实施例中，预热软化的时间取自150-200秒。

在具体的实施例中，在熔融光纤之前在待拉锥的小纤芯单模光纤的一端熔接1310nm单模半导体激光，另一端利用功率计实时监测尾纤的实时输出功率。凭借该设置可以实时监测光纤状态。

本发明的有益效果为：与传统氢氧焰拉锥法对比，通过设计一种非常简单可靠的装置和方法，可以拉制出一种更低损耗、高强度、长锥区结构的锥光纤。特别是对于一些小纤芯直径的单模光纤而言，本方法可以大幅度降低锥区的导光损耗。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的一个实施例的制备低损耗高强度锥形光纤的装置的整体结构示意图；

图2是根据本发明的一个具体的实施例的火焰产生装置石英玻璃管的平面主视图；

图3是根据本发明的一个具体的实施例的火焰产生装置石英玻璃管的平面侧视图；

图4是根据本发明的一个具体的实施例的火焰产生装置石英玻璃管的平面仰视图；

图5是根据本发明的一个具体的实施例的分别利用普通玻璃管(1号)与本发明设计的玻璃管(2号、3号)作为喷火装置的输出功率随着锥腰直径的变化示意图；

图6是根据本发明的一个具体的实施例的分别利用普通玻璃管(1号)与本发明设计的玻璃管(2号、3号)作为喷火装置时锥腰直径为10μm时锥区形状分布示意图；

图7是根据本发明的一个具体的实施例的分别利用普通玻璃管(1号)与本发明设计的玻璃管(2号、3号)作为喷火装置时锥腰直径为57μm时锥区形状分布示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出了根据本发明的一个实施例的制备低损耗高强度锥形光纤的装置的整体结构示意图，如图1所示，所有装置设备均放置在光学平台9上，将待制备的单模光纤4用磁铁2固定在拉锥设备8的v型槽上。将氢气发生器5开启后通过胶管12将氢气输送至火焰产生装置，火焰产生装置具体为特殊设计的石英玻璃管3，在管口点火即可产生火焰。石英玻璃管3通过连接杆7连接第二步进电机6使得玻璃管可随第二步进电机左右移动，这就产生了移动的火焰。待火焰稳定后通过连接杆7调整高度使之接触剥去涂覆层的那部分光纤。拉锥设备8包括两光纤固定装置，两光纤固定装置通过第一步进电机实现可背离运动，优选的连接杆7上设置有第二步进电机6，可以控制其作出沿光纤长度方向的水平位移运动和垂直于水平方向的垂直位移运动，计算机终端1通过预设好的软件控制连接杆7和拉锥设备8两台设备上的步进电机动作，使得待拉锥光纤在移动的火焰下熔融的同时反向拉伸光纤，使之成为锥形光纤。

在具体的实施例中，火焰产生装置的石英玻璃管3的喷口为长条形喷口，沿光纤长度方向设置于连接杆7上。图2示出了根据本发明的一个具体的实施例的火焰产生装置石英玻璃管的平面主视图；图3示出了根据本发明的一个具体的实施例的火焰产生装置石英玻璃管的平面侧视图；图4示出了根据本发明的一个具体的实施例的火焰产生装置石英玻璃管的平面仰视图；如图2、3、4中的石英玻璃管的结构图可以看出，石英玻璃管3包括接头部31和喷口部32，接头部31和喷口部32通过圆角过渡连接，接头部31用于通过胶管12连接氢气发生器5，喷口部32为条形结构，具体可以为圆角矩形结构或椭圆形结构，在一个具体的实施例中，喷口部32的宽设置为5mm，长度取自25mm-45mm的范围内，经过本申请发明人多次试验，长度取35mm时可以获得较佳的效果。

本发明为了使得小纤芯(<6微米)单模光纤得到低损耗、高强度特性，不仅特殊设计的石英玻璃管3是关键，并且需要优化整套拉锥方法。现有技术中的玻璃管通常为圆柱体，其火焰形状较为单一且加热的区域较小。本发明的石英玻璃管3在氢气输送至特殊设计的喷口部32被点燃后会使得此处的火焰热分布被重新塑形。

利用以上的装置制备低损耗高强度锥形光纤时，将待拉锥的小纤芯单模光纤固定于两光纤固定装置上，通过可位移的火焰产生装置的长条形喷口产生的火焰加热预热软化待拉锥的小纤芯单模光纤，通过第一步进电机在移动的火焰下熔融的同时反向拉伸光纤，使之成为锥形光纤。待拉锥的小纤芯单模光纤为纤芯直径小于6μm的单模有源或无源光纤。对于小纤芯直径的单模光纤而言，本方法可以大幅度降低锥区的导光损耗。

在具体的实施例中，拉锥设备8由计算机终端1控制，当设置不同参数(例如拉伸速度)时对锥形光纤锥腰形状有直接影响，通过调整可以拉制不同锥腰直径和锥区变化的锥形光纤。连接杆7同样由计算机终端1控制，当设置不同参数时(例如水平或竖直方向的进给速度)对锥形光纤的锥区结构也有影响(在其他参数不变的情况下)，通过调整可以调节待拉制光纤受热状态，最终使得锥区结构在一定范围发生变化。

在优选的实施例中，在熔融光纤之前在待拉锥的小纤芯单模光纤的一端熔接1310nm单模半导体激光10，另一端利用功率计11实时监测尾纤的实时输出功率，该设置可以实时监测光纤状态。输入功率为7.22mw的1310nm激光到待拉制的康宁hi1060光纤(纤芯直径～5.3微米，包层直径～125微米)。

根据本申请发明人的试验：用普通石英玻璃管(通常为圆形管口)产生火焰通过上述拉锥步骤依次拉制10根纤芯为5.3微米的hi1060单模光纤，每根光纤拉锥完成后记录输出的1310nm激光功率。换一根hi1060单模光纤，保持其他参数不变增加步进电机8的拉伸距离δl，测试输出激光功率，重复该步骤共10次，每次增加拉伸距离δl。然后将本发明特殊设计的两个石英玻璃管(2号玻璃管喷口部32的长度为35mm，3号玻璃管喷口部32的长度为45mm，宽度均为5mm)，利用新产生的火焰形状以及温度分布，保持相同参数重复上述实验，记录10根hi1060光纤的输出功率。将上述三组共30根锥形光纤做好标记，通过显微镜测试锥腰直径，整理后得到如图5所示的利用普通玻璃管(1号圆形管口)与本发明设计的玻璃管(2号玻璃管喷口部32的长度为35mm，3号玻璃管喷口部32的长度为45mm，宽度均为5mm)作为喷火装置的输出功率随着锥腰直径的变化示意图。

从图5可以看出，用普通玻璃管(1号圆形管口)制备的锥形光纤，当锥腰直径小于75微米时输出功率开始下降，当锥腰直径为10微米时，输出功率从7.22mw下降至1mw，损耗高达8.59db。相比之下，用本发明特殊设计的玻璃管(2号玻璃管喷口部32的长度为35mm)，当锥腰直径从125微米被拉至到10微米，其输出功率维持在7mw附近，即便是锥腰直径为10微米时，输出功率依然还有7mw，对应损耗为0.13db。而对于本发明设计的另外一个玻璃管(3号玻璃管喷口部32的长度为45mm)，同样表现出2号玻璃管的功率特性，但是略有功率的抖动。上述表明，在本发明的具体实施下，作为小纤芯直径单模光纤中的一种的hi1060光纤，制备出的锥形光纤具备低损耗特性。

在进一步具体的实施例中，在以上三组中选取相同锥腰直径的锥光纤来对比锥区结构变化，经过显微镜的测试，得出了其结构散点图，具体参考图6中的分别利用普通玻璃管(1号圆形管口)与本发明设计的玻璃管(2号玻璃管喷口部32的长度为35mm，3号玻璃管喷口部32的长度为45mm，宽度均为5mm)作为喷火装置时锥腰直径为10μm时锥区形状分布示意图和图7中的分别利用普通玻璃管(1号圆形管口)与本发明设计的玻璃管(2号玻璃管喷口部32的长度为35mm，3号玻璃管喷口部32的长度为45mm，宽度均为5mm)作为喷火装置时锥腰直径为57μm时锥区形状分布示意图。

由图6和图7可以看出，选取锥腰直径为10μm的三根锥形光纤，普通玻璃管(1号圆形管口)制备与本发明设计玻璃管(2号玻璃管喷口部32的长度为35mm，3号玻璃管喷口部32的长度为45mm，宽度均为5mm)所制备的锥形光纤结构对比，可以明显的得出：①锥区结构上，1号锥区长度为<2cm，2号管与3号管制备锥区长度为4.5cm左右；②本发明的锥区渐变区域相较1号变化趋势更缓。选取锥腰直径为57μm的三根锥形光纤，可以获得与上述一致的结论。本发明制备的锥形光纤得到如上所述的结论，使得锥形光纤具有高的机械损伤强度，比如即使对于锥腰直径10微米的锥光纤，拿取过程更加简单，在操作得当的情况下也可直接用双手取放，无需其他步骤，即锥形光纤稳定性高，不易断。

上述装置和方法通过特殊设计的火焰产生装置石英玻璃管，实现裸纤位置的火焰温度可控的分布形态；通过调控步进电机参数来调整待拉锥光纤的加热距离和水平移动速度；并利用实时监测1310nm激光功率的方法监测不同拉锥直径对应的功率损耗。特别适用纤芯直径小于6微米的有源或者无源单模光纤，可以实现锥光纤超低损耗(<0.15db对应锥腰直径<10微米)的传输特性。另外，该发明获得的锥光纤锥区长度明显较长，这可以提升锥形光纤的机械损伤强度。此外，本发明对实现高重频飞秒光纤激光也有极大的意义，其色散管理有潜力打破脉冲宽度难以压窄的瓶颈，实现fs量级超短脉冲宽度的激光输出。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。