一种内部气压可调控的小型化空芯光纤气体腔连接装置的制作方法

1.本发明涉及光纤器件技术领域，具体涉及一种内部气压可调控的小型化空芯光纤气体腔连接装置。


背景技术：

2.光纤具有传输损耗低、传输带宽大、抗电磁干扰的优点，在长距离光传输中发挥着重要作用，光纤的传输性能常受到外界温度波动的影响，这一温度敏感性会破坏整个系统的稳定性，通常需要通过“反馈-锁定”的方式进行补偿，这增加了系统复杂性和能耗。
3.根据光纤传输性能对温度的响应，一般将光纤的温度敏感性定义为“温度相位系数”和“温度延时系数”两类。两者的表征方式不同，但是成因基本相同，包含了光纤材料的热膨胀效应和光传输介质的热光效应。对于传统石英光纤，后者比前者大20倍。空芯光纤的问世为降低温度敏感性提供了有效的解决方案，这是因为空气导光的机制可以基本避免石英的热光效应，从而使得温度敏感性直接降低20倍。同时，由于最新的反谐振空芯光纤已经具备和石英光纤接近的传输损耗(最低记录0.174db/km)，还同时具有低色散、低非线性、更宽带、低背向散射、低传输延时的优势，有望在长距离应用中发挥更大的作用。
4.为进一步降低温度敏感性，需要对空芯光纤残留的热膨胀效应进行补偿。在反谐振空芯光纤中，如果将纤芯气体与外界连通，就可以利用纤芯气体的热光效应(热胀冷缩带来的折射率变化)作为补偿，在宽带的前提下进一步降低温度敏感性。理论和实验表明，当纤芯与大气连通时，温度敏感性将比实心光纤低40倍。作为改进，控制环境气压和填充气体种类，可以控制热光效应的大小，进一步降低温度敏感性；增加纤芯气体的流动速度，可以减少这一效应的弛豫时间。为了达到这一目的，就需要一个人为可控的“外界环境”，即一个空芯光纤气体腔。
5.空芯光纤气体腔是于2005年发明的空芯光纤相关器件。利用气体腔对空芯光纤纤芯充入气体，可以实现相较自由空间更强的光与气体相互作用，是研究空芯光纤激光、非线性等应用的重要平台。现有的空芯光纤气体腔设计通常用于激光、非线性、传感等应用，针对的是较短的光纤长度，尽管其本身强调紧凑性，却没有把紧凑型要求推广到气体腔的通气设装置上，限制了长距离使用空芯光纤气体腔。从空芯光纤温度敏感性调控的角度，气体腔需要满足以下五项要求：1)密封性好；2)可提供灵活的气压控制功能；3)插入损耗小；4)体积小、重量轻；5)制作方法简便。现有的气体腔技术尚无法同时满足这些要求。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种内部气压可调控的小型化空芯光纤气体腔连接装置，以实现超低温度敏感性空芯光纤长距离传输。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明提供一种内部气压可调控的小型化空芯光纤气体腔连接装置，包括组件a和组件b；
9.所述组件a的一端与实心光纤连接，所述组件a通过空芯光纤连接组件b的一端，所述组件b的另一端与实心光纤连接；
10.所述组件a包括十字型管、第一光纤对接装置、第一气嘴和第二气嘴；
11.所述第一光纤对接装置设于十字型管内，所述第一光纤对接装置用于将两端的光纤进行对接；
12.所述十字型管的上端口与第一气嘴连接，所述十字型管的下端口与第二气嘴连接，所述十字型管的左右端口用于光纤的进出；
13.所述第一气嘴连接充放气装置，所述充放气装置用于向气体腔和空芯光纤纤芯充入或抽出目标气体；
14.所述第二气嘴连接第一气压表，所述第一气压表用于监控气体腔内部气体的气压；
15.所述组件b包括第一t型管、第二光纤对接装置和气囊；
16.所述第二光纤对接装置设于第一t型管内，所述第二光纤对接装置用于将两端的光纤进行对接；
17.所述第一t型管的上端口与气囊连接，所述第一t型管的左右端口连接光纤，用于光纤的进出；
18.所述气囊用于保持气体腔连接装置内部的气压在温度变化过程中与外界一致。
19.作为优选的技术方案，还设有组件c，所述组件c通过空芯光纤与组件b连接，所述组件c包括第二气压表、第二t型管和第三光纤对接装置；
20.所述第三光纤对接装置设于第二t型管，所述第三光纤对接装置用于将两端的光纤进行对接；
21.所述第二t型管的上端口连接气嘴，气嘴的上端口与第二气压表连接，第二t型管的左右端口用于光纤的进出；
22.所述第二气压表用于实时监控内部气压值。
23.作为优选的技术方案，第一光纤对接装置、第二光纤对接装置或第三光纤对接装置用于将两端光纤进行对接，对接时，两端光纤中间设置微米级的间隙，用于纤芯气体与十字型管、第一t型管或第二t型管的内部气体交换。
24.作为优选的技术方案，所述两端光纤可以为实心光纤和空芯光纤，或空芯光纤与空芯光纤。
25.作为优选的技术方案，所述十字型管、第一t型管或第二t型管的端口均采用密封的方式。
26.作为优选的技术方案，所述十字型管的尺寸为：大于等于5cm
×
5cm，所述第一t型管或第二t型管的尺寸为：大于等于5cm
×
3cm。
27.作为优选的技术方案，第一光纤对接装置、第二光纤对接装置或第三光纤对接装置均采用长度为4cm、质量为1.5g的光纤对接装置。
28.本发明还提供一种内部气压可调控的小型化空芯光纤气体腔连接装置的控制方法，包括下述步骤：
29.当空芯光纤的纤芯气体和外部气体连通时，纤芯气体的热胀冷缩将改变其密度，进而改变气体的折射率，折射率改变量δn的表达式为：
[0030][0031]
其中，t0和p0分别为初始温度和初始气压，t1为改变后的温度；
[0032]
气压表对内部气压值进行实时监控，充放气装置控制气体腔内部和空芯光纤纤芯气体成分和气压，调控内部气体的折射率n(t0,p0)；
[0033]
当环境温度升高或者降低时，气囊进行对应的膨胀或者收缩，气体腔的体积对应增大或减小，使得内部气压恢复到与环境气压相同。
[0034]
本发明还提供一种光纤链路，设有上述内部气压可调控的小型化空芯光纤气体腔连接装置，设有至少一个组件a、至少一个组件b和至少一个组件c；
[0035]
第一段实心光纤连接组件a一端，组件a另一端连接空芯光纤，设有多段空芯光纤，通过组件b和/或组件c串接，串接后的空芯光纤的末端通过组件a与第二段实心光纤连接，构建光纤链路；
[0036]
组件c设置在光纤链路中的任意链路段中，通过空芯光纤与组件b连接。
[0037]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0038]
(1)本发明使用小巧轻便的十字型管和t型管作为气体腔，克服了传统空芯光纤气体腔体积大、重量大的缺点，有利于在短距离和长距离光纤链路中的灵活使用；
[0039]
(2)本发明使用光纤对接装置，在保证低插入损耗的前提下，保持了空芯光纤纤芯气体和气体腔中气体的快速交换通道；
[0040]
(3)本发明组件b中的气囊保证了整个气体腔装置内部气压不随温度变化而变化，有利于调控并抑制光信号在空芯光纤链路中传输的温度敏感性。
[0041]
(4)本发明组件c中的气压表可以实时监测t型管气体腔和空芯光纤内部气压，有利于通过反馈控制保持空芯光纤链路中纤芯气压的恒定。
[0042]
(5)本发明构建的长距离空芯光纤链路，首次引入内部气体调控，扩展了空芯光纤作为光信号传输链路的使用自由度。
附图说明
[0043]
图1为本发明内部气压可调控的小型化空芯光纤气体腔连接装置的结构示意图；
[0044]
图2为本发明组件a的结构示意图；
[0045]
图3为本发明第一光纤对接装置的结构示意图；
[0046]
图4为本发明组件a的制作流程示意图；
[0047]
图5为本发明组件b的结构示意图；
[0048]
图6为本发明组件b在温度变化时的气囊变化示意图；
[0049]
图7为本发明组件c的结构示意图；
[0050]
图8为本发明结合组件a、组件b、组件c构建空芯光纤链路的架构示意图。
[0051]
其中，1-十字型管，2-第一光纤对接装置，3-第一气嘴，4-第二气嘴，5-实心光纤，6-空芯光纤，7-第一t型管，8-第二光纤对接装置，9-气囊，10-充放气装置，11-第一气压表，12-第二t型管，13-第三光纤对接装置，14-第二气压表。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053]
实施例1
[0054]
如图1所示，本实施例提供一种内部气压可调控的小型化空芯光纤气体腔连接装置，包括：组件a和组件b；
[0055]
组件a一端与实心光纤5连接，组件a通过空芯光纤6连接组件b一端，组件b另一端与实心光纤连接；
[0056]
如图2所示，组件a包括：十字型管1、第一光纤对接装置2、第一气嘴3和第二气嘴4；
[0057]
第一光纤对接装置2设于十字型管1的内部，第一光纤对接装置2用于将两端的光纤进行对接，十字型管的上端口与第一气嘴3连接，十字型管的下端口与第二气嘴4连接，十字型管的左右端口用于光纤的进出；
[0058]
第一气嘴3连接充放气装置10，充放气装置用于向气体腔和空芯光纤纤芯充入或抽出目标气体，实现灵活的气压控制；
[0059]
第二气嘴4连接第一气压表11，第一气压表用于监控气体腔内部气体的气压；
[0060]
在本实施例中，十字型管的材料为塑料，尺寸约为5厘米*5厘米，保证了小巧和轻便。
[0061]
如图3所示，第一光纤对接装置用于将两端光纤进行低插入损耗的对接，这两段光纤可以是空芯光纤和空芯光纤，或实心光纤与空芯光纤。对接时，两端光纤中间会有10微米左右的间隙，可以用于纤芯气体与十字型管或t型管内气体的交换。
[0062]
如图4所示，组件a制作流程为：第一步：将第一气嘴和第二气嘴插入十字型管的上下端口；第二步：用胶水密封；第三步：制作好第一光纤对接装置，并插入十字型管内；第四步：用胶水密封两侧端口。
[0063]
如图5所示，组件b包括：第一t型管7、第二光纤对接装置8和气囊9；
[0064]
在本实施例中，第二光纤对接装置8设于第一t型管内，第二光纤对接装置用于将两端的光纤进行对接；
[0065]
在本实施例中，第一t型管7的上端口与气囊9连接，第一t型管的左右端口连接光纤，用于光纤的进出；
[0066]
在本实施例中，气囊用于保持第一t型管和光纤纤芯气体的气压与外界一致。
[0067]
如图6所示，气囊具有一定的弹性，在温度变化时，可以通过热胀冷缩改变t型管气腔的体积，从而保证t型管内部的气压基本不变。由于整个气体腔装置内部均连通，所以也可以保证整个装置内部气压不变，进而实现对空芯光纤温度敏感性的调控。
[0068]
组件b制作流程为：第一步：将气囊插入第一t型管的上方端口；第二步：用胶水密封；第三步：制作好第二光纤对接装置，并插入第一t型管内；第四步：用胶水密封两侧端口。
[0069]
在本实施例中，十字型管的4个端口和t型管的3个端口均用胶水封死，保证气密性。
[0070]
在本实施例中，基于组件a和组件b进行内部气压保持功能和热敏感性调控，可以实现短距离光纤链路的应用，调控的具体实现方式如下：
[0071]
对于光纤来说，根据具体应用场景，其温度敏感性通常可以由温度相位系数(s
φ
)或温度延时系数(tcd)来表示，具体的表达式如下：
[0072][0073][0074]
其中，l为光纤长度，c为真空光速，t为环境温度，λ为工作波长。和τ分别为传输相位和传输延时。n
eff
和ng分别为光纤模式的有效折射率和群折射率。两个系数表达方式不同，但是成因基本一致。从公式中可以看出，光纤的温度敏感性主要来自于光纤长度随温度的变化以及光纤模式折射率随温度的变化，分别称为热膨胀效应和热光效应。对于实心光纤，热光效应(11ppm/k)比热膨胀效应(0.55ppm/k)大20倍；而对于空芯光纤，热膨胀效应(0.55ppm/k)通常占主导，因此热敏感性比实心光纤小20倍。
[0075]
本发明通过空芯光纤的热光效应对热膨胀效应进行补偿，从而进一步降低热敏感系数，具体过程为：当空芯光纤的纤芯气体和外部气体连通时，纤芯气体的热胀冷缩将改变其密度，进而改变气体的折射率n，其改变量δn的表达式为：
[0076][0077]
其中，t0和p0分别为初始温度和初始气压，t1为改变后的温度。这里的温度为热力学温度。对常温常压的空气，n(t0,p0)＝1+2.7
×
10-4
，代入公式(3)后得到的热光效应带来的热敏感性约为热膨胀效应的-1.5倍，因此两者叠加可以使得总温度敏感性降低一半。
[0078]
而进一步的，通过将组件a和充放气装置(如打气筒、抽气机或是特殊气体的气瓶)连接，可以充入/抽出气体，实现气体腔内部和空芯光纤纤芯气体成分和气压的控制，设置气压表进行实时监控。内部气体的折射率n(t0,p0)由气体的种类和密度决定，其中每种气体在标准大气压下的n(t0,p0)为确定值，且(n(t0,p0)-1)与气体密度成正比。因此，在确定内部气体成分后，可以通过上述装置调控气压，使得常温下n(t0,p0)≈1+1.8
×
10-4
，就可以保证温度变化过程中的折射率改变量约为-0.55ppm/k。根据空芯光纤的传输原理，公式(1)和公式(2)中的有效折射率n
eff
和群折射率ng的改变量等于δn。因此，根据公式(1)和公式(2)，在温度变化过程中，由dn
eff
或dng带来的温度敏感性可以和由长度变化dl带来的温度敏感性相抵消，进而实现超低温度敏感性(再降5-10倍)。
[0079]
具体地，当环境温度升高/降低时，气体腔和空芯光纤纤芯的气压会相应升高/降低，从而大于/小于环境气压。此时，组件b中的气囊会相应的膨胀/收缩，使得气体腔的体积增大/减小，从而使得内部气压恢复到与环境气压相同。
[0080]
实施例2
[0081]
如图7、如图8所示，结合实施例1中的组件a和组件b构建光纤链路，还设有组件c，组件c通过空芯光纤与组件b连接，组件c包括第二气压表14、第二t型管12和第三光纤对接装置13；第三光纤对接装置13设于第二t型管12内，第三光纤对接装置用于将两端的光纤进行对接；第二t型管的上端口连接气嘴，气嘴的上端口与第二气压表14连接，第二t型管的左右端口用于光纤的进出，第二气压表用于实时监控内部气压值，从而实现对内部气体的控制，具体来说，空芯光纤链路的两端还是与实心光纤对接，方便接入现有的实心光纤网络。
组件a接入充放气装置和气压表，负责从链路的两端对链路内的气体成分和气压进行调控，进而实现对公式(3)中的n(t0,p0)进行控制。同时，第二气压表对光纤链路中的内部气压进行实时监测，组件b保证链路内部气体的气压不随温度改变。
[0082]
组件c制作流程为：第一步：将气嘴插入第二t型管的上端口；第二步：用胶水密封；第三步：制作好第三光纤对接装置，并插入第二t型管内；第四步：用胶水密封两侧端口。
[0083]
在本实施例中，十字型管的尺寸为：大于等于5cm
×
5cm，第一t型管或第二t型管的尺寸为：大于等于5cm
×
3cm；本实施例十字型管优选采用尺寸为5cm
×
5cm的十字型管，第一t型管或第二t型管均优选采用尺寸为5cm
×
3cm的t型管，是保证可以装入第一光纤对接装置、第二光纤对接装置或第三光纤对接装置的最小尺寸。
[0084]
第一光纤对接装置、第二光纤对接装置或第三光纤对接装置均采用长度为4cm、质量为1.5g的光纤对接装置，是保证光纤对接工艺和最优对接损耗的最小尺寸。
[0085]
对于超过100米的较长距离应用，需要对空芯光纤进行分段对接。这是由于，要利用好空气的热胀冷缩带来的热光效应，必须考虑热胀冷缩需要的空气流动时间。根据流体力学的层流理论，气体在毛细管中的流动速度和长度成反比，和管的直径的平方成正比。空芯光纤纤芯尺寸只有几十微米，50-100米以上长度的空芯光纤中，在室温波动下(速度小于0.03℃/s)，气体流动不能保证足够快地将气压恢复到温度变化后的状态，将会导致热光效应作用不完全，使得相位、延时的温度敏感性有残留。因此，需要将空芯光纤链路分为多段，每段长约50-100米(具体长度由具体光纤尺寸决定)，然后用组件b进行两两对接，从而增加纤芯气体与气体腔的气体交换通道，带气压表的组件c可随机设置在各个链路段中实现气压值监测，构建出整个链路。
[0086]
本发明结合了已有的空芯光纤对接技术和小巧灵活的十字型管、t型管及附加组件，提出了一种新型空芯光纤气体腔。利用这一气体腔，可以实现对空芯光纤内部气体的控制，保证温度变化过程中内部气压的不变，从而实现对空芯光纤的热光效应的控制，进而达到超低温度敏感性空芯光纤的目的，为空芯光纤的应用提供了一种思路。
[0087]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。