一种偏心光纤堆栈制备方法及装置与流程

本发明涉及偏心光纤制备领域，尤其涉及一种偏心光纤堆栈制备方法及装置。

背景技术：

偏心光纤(excentriccorefiber，ecf)的纤芯偏离光纤的中心且接近外包层，纤芯与外包层呈非对称结构。偏心光纤具有良好的偏振保持特性和非零截止特性，同时由于纤芯靠近光纤的外表面，导致光纤中部分光在发生全反射时，不能完全反射回光纤纤芯，而是会逸出包层在表面传播(称此为倏逝波，evanescentwave)。由于偏心光纤的特殊结构，其倏逝波在包层外部的强度非常高；当光纤的表面附着其他物质时，物质与倏逝波开始发生相互作用，导致光纤的传输信号由于传输损耗以及后向散射光发生改变。利用这一现象可以用于检测物质的光纤传感器，称为偏心光纤传感器；同时偏心光纤与光时域反射计(opticaltime-domainreflectometer，otdr)的测试法组合在一起时，可以作一种新型分布式传感器应用于较长距离的传感场景，如隧道、管廊内的危险气体检测等。

目前，传统的偏心光纤制备中，通常是在石英棒中钻出偏心的孔，再插入高折射率芯棒以实现预制棒的制备。这种光纤制备难度较大，石英玻璃通常是通过高温熔融后再急速冷却形成的，这一过程会导致石英玻璃中残留应力，通过低温退火的方式无法完美均匀释放应力，这意味着打孔过程中可能引发石英玻璃的局部爆裂；石英玻璃棒打孔利用钻头实现，过长的钻头在高速旋转下会引起钻头顶部以固定端为中心方位角的低频振荡，导致在打孔过程中钻头逐渐发生偏移，从而无法保证所有的孔洞均与石英玻璃棒外表面平行；由于钻头的长度有限，使得制备得到的光纤预制棒的长度也有限，无法满足光纤大量生产的需要，虽然从石英玻璃棒的两端同时打孔可使孔洞长度翻倍(钻头长度的2倍)，但是同样无法保证孔洞与石英玻璃棒外表面是否平行，以及两边孔洞是否能够同轴对齐，制备难度大，且光纤的长度仅在10～20厘米的量级，因此针对以上问题，迫切需要研究一种偏心光纤堆栈制备方法及装置，以满足实际使用的需要。

技术实现要素：

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种偏心光纤堆栈制备方法及装置，采用堆栈法使得灵活调整纤芯的位置，同时能够精确地控制纤芯与光纤表面的距离，确保能够轻松实现米量级长度的光纤预制棒生产和偏心光纤公里量级的工业化生产。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

本发明提供一种偏心光纤堆栈制备方法，包括：

步骤s1，形成一第一堆栈体，所述第一堆栈体包含若干根第一毛细棒；

步骤s2，将所述第一堆栈体嵌套入一预设厚度的外套管中，并于所述第一堆栈体的外围和所述外套管之间的间隙中填充若干不同直径的第二支撑毛细棒，形成一第二堆栈体；

步骤s3，采用一根或多根高折射率的第三毛细棒一一替换所述第二堆栈体中非中心位置处的第一毛细棒或第二支撑毛细棒，形成光纤预制棒；

步骤s4，对所述光纤预制棒进行光纤拉丝，并于光纤拉丝过程中主动精密控制所述第二堆栈体中各处的气体压力，以形成一偏心光纤，所述偏心光纤包括由一根或多根位于非中心位置处的第三毛细棒经光纤拉丝过程得到的纤芯，由若干根第一毛细棒和若干第二支撑毛细棒经光纤拉丝过程和负压控制后消除间隙得到的实心包层。

优选地，所述第三毛细棒包含锗元素、磷元素、硼元素或稀土元素。

优选地，于所述步骤s3中，当采用一根或多根高折射率的第三毛细棒一一替换所述第二支撑毛细棒时，每根所述第三毛细棒的直径分别与对应的所述第二支撑毛细棒的直径相同。

优选地，所述第二支撑毛细棒的长度与所述第一毛细棒的长度相同。

优选地，所述第三毛细棒的长度与所述第一毛细棒的长度相同。

优选地，所述外套管的预设厚度为[0.5mm，10mm]。

本发明还提供一种偏心光纤堆栈制备装置，包括如上述的一种偏心光纤堆栈制备方法，所述制备装置包括：

一光纤堆栈系统，用于进行堆栈，以形成堆栈体结构，得到一光纤预制棒；

一光纤拉丝塔系统，连接所述光纤堆栈系统，用于对所述光纤预制棒进行光纤拉丝，所述光纤拉丝塔系统包括：

一高温石墨炉，用于将所述光纤预制棒熔融成裸光纤；

一预制棒进给装置，连接所述高温石墨炉的进给口，用于将所述光纤预制棒提供给所述高温炉；

至少一个涂覆固化装置，连接所述高温石墨炉，用于为所述裸光纤的表面涂覆高分子材料，并固化形成涂覆光纤；

一主牵引系统，所述主牵引系统用于调整光纤拉丝的拉丝速度，以及所述裸光纤的直径，形成所述光纤束；

一光纤转向引导轮，分别连接所述涂覆固化装置和所述主牵引系统，用于改变所述涂覆光纤的方向并引入所述主牵引系统中；

一光纤收线装置，连接所述主牵引系统，用于所述光纤束通过一舞蹈轮进入所述光纤收线装置，并收集于一收线盘中；

一主动式气控单元，连接所述光纤拉丝塔系统，用于在光纤拉丝过程中控制所述第二堆栈体中各处的气体压力，以消除间隙得到所述实心包层。

优选地，所述涂覆固化装置的数量为2个，每个所述涂覆固化装置分别包括：

涂覆器，用于在所述裸光纤的表面涂覆高分子材料；

固化炉，连接所述涂覆器，用于对所述裸光纤的表面涂覆的高分子材料进行固化处理。

优选地，当所述涂覆固化装置中涂覆的高分子材料为丙烯酸酯或硅胶时，所述涂覆层的厚度范围为[50um，150um]。

优选地，当所述涂覆固化装置中涂覆的高分子材料为聚酰亚胺时，所述涂覆层的厚度范围为[5um，30um]。

本发明的有益效果在于：

本发明通过堆栈法制备偏心光纤，利用高折射率的毛细棒替换非中心位置处的原本低折射率的毛细棒，无需进行打孔，克服了传统打孔法中在过长的钻头高速旋转下产生低频振荡且孔的长度受限于钻头的长度，同时由于偏心光纤的纤芯靠近于光纤的表面，在钻孔过程中容易使光纤表面发生崩裂现象；通过堆栈法可灵活调整纤芯的位置，使其位于除中心位置外的任何位置，同时通过调整外套管的壁厚能够精确控制纤芯与光纤表面的距离；能够轻松实现米量级长度的光纤预制棒生产和偏心光纤公里量级的工业化生产。

附图说明

图1为本发明中一种偏心光纤堆栈制备方法的流程示意图；

图2a为本发明中光纤预制棒的实施例一的结构示意图；

图2b为本发明中偏心光纤的实施例一的结构示意图；

图3a为本发明中光纤预制棒的实施例二的结构示意图；

图3b为本发明中偏心光纤的实施例二的结构示意图；

图4a为本发明中光纤预制棒的实施例三的结构示意图；

图4b为本发明中多芯偏心光纤的实施例三的结构示意图；

图5为本发明中一种偏心光纤堆栈制备装置具体实施例的结构示意图。

附图标记：

主动式气控单元(1)，光纤拉丝塔系统(2)，预制棒进给装置(21)，高温石墨炉(22)，涂覆固化装置(23)，涂覆器(231)，固化炉(232)，光纤转向引导轮(24)，主牵引系统(25)，主光纤牵引轮(251)，舞蹈轮(26)，光纤收线装置(27)，收线盘(271)，光纤预制棒(31)，裸光纤(32)，涂覆光纤(33)，偏心光纤(34)，包层(41)，纤芯(42)，第一毛细棒(51)，第三毛细棒(52)，第二支撑毛细棒(53)，外套管(54)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明提供一种偏心光纤堆栈制备方法，属于光纤设计和制备领域，如图1所示，包括以下步骤：

步骤s1，形成一第一堆栈体，所述第一堆栈体包含若干根第一毛细棒51；

步骤s2，将第一堆栈体嵌套入一预设厚度的外套管54中，并于第一堆栈体的外围和外套管54之间的间隙中填充若干不同直径的第二支撑毛细棒53，形成一第二堆栈体；

步骤s3，采用一根或多根高折射率的第三毛细棒52一一替换第二堆栈体中非中心位置处的第一毛细棒51或第二支撑毛细棒53，形成光纤预制棒；

步骤s4，对光纤预制棒进行光纤拉丝，并于光纤拉丝过程中主动精密控制第二堆栈体中各处的气体压力，以形成一偏心光纤，偏心光纤包括由一根或多根位于非中心位置处的第三毛细棒52经光纤拉丝过程得到的纤芯42，由若干根第一毛细棒51和若干第二支撑毛细棒53经光纤拉丝过程和负压控制后消除间隙得到的实心包层41。

在一个较佳的实施例中，第三毛细棒52中包含锗元素、磷元素、硼元素或稀土离子。

具体的，在实心毛细棒中掺入锗、磷、硼等元素或其他稀土离子以提高纤芯42的折射率，且掺杂源位于毛细棒的中心位置。

在一个较佳的实施例中，于步骤s3中，当采用一根或多根高折射率的第三毛细棒52一一替换第二支撑毛细棒53时，每根第三毛细棒52的直径分别与对应的第二支撑毛细棒53的直径相同。

在一个较佳的实施例中，第二支撑毛细棒53的长度为与所述第一毛细棒51的长度相同。

具体的，在本实施例中，第二支撑毛细棒53位于外套管54与第一毛细棒51、掺锗毛细棒之间，为保持石英棒与石英管的结构平衡，塞满毛细棒与外套管54的间隙使相对位置不发生位移，用于支撑结构的第二支撑毛细棒53具有三种不同的直径，但其长度均与所述第一毛细棒51的长度相同，填充满光纤预制棒中外套管54与六边形堆栈之间的空隙，而且一般情况下，第二支撑毛细棒53的直径相对较小，即第二支撑毛细棒53的直径小于第一毛细棒51的直径。

在一个较佳的实施例中，第三毛细棒52的长度与第一毛细棒51的长度相同。

在一个较佳的实施例中，第一毛细棒的长度为[10cm，150cm]。

在一个较佳的实施例中，外套管54的预设厚度为[0.5mm，10mm]。

具体的，在本实施例中，外套管54的壁厚可以调整，外套管54的壁厚和直径决定了纤芯42到光纤外表面的距离，在一个较佳的实施例中，纤芯42到光纤外表面的距离为[2um，10um]。

在一个较佳的实施例中，如图2a所示，掺锗毛细棒为1个，第一毛细棒51的数量为36个，此时可增加第一毛细棒51的直径，使得第一毛细棒51的数量小于36个，也可减小第一毛细棒51的直径，使得第一毛细棒51的数量大于36个，所有的第一毛细棒51的直径和长度均相同。

下文中，提供三具体实施例以对本技术方案进一步阐释和说明：

实施例一：采用一根掺锗毛细棒替换第一毛细棒51作为纤芯42

如图2a和图2b所示，将若干根相同直径和长度的第一毛细棒51堆栈成正六边形结构的第一堆栈体，然后利用一根掺锗毛细棒替换第一堆栈体的其中一个第一毛细棒51，被替换的第一毛细棒51处于第一堆栈体的非中心位置，例如将第一堆栈体的最外层的一根毛细棒替换成掺锗毛细棒，将替换后形成的堆栈体插入外套管54中，其中掺锗毛细棒靠近外套管54的外壁，使用若干不同直径的第二支撑毛细棒53从外套管54的一端插入，以填充外套管54的内壁与堆栈体之间的间隙，第二支撑毛细棒53的长度与一般的第一毛细棒51的长度相同，此时，第一毛细棒51、掺锗毛细棒、第二支撑毛细棒53和外套管54填充满整个光纤预制棒两端的端面，对制备得到的光纤预制棒进行光纤拉丝，同时对第一毛细棒51、第二支撑毛细棒53和外套管54形成的石英实心包层41进行抽取负压控制，以消除各毛细棒之间，例如第一毛细棒51与第一毛细棒51之间和第一毛细棒51与掺锗毛细棒之间，以及毛细棒与外套管54之间的间隙，使得包层41完全变成实芯结构。

实施例二：采用一根掺锗毛细棒替换第二支撑毛细棒53作为纤芯42

如图3a和图3b所示，若干根相同直径和长度的第一毛细棒51堆栈成正六边形结构的第一堆栈体，将第一堆栈体插入外套管54中，并使用三种不同直径的第二支撑毛细棒53从外套管54的一端插入，以填充外套管54的内壁与堆栈体之间的间隙，第二支撑毛细棒53的长度与一般的第一毛细棒51的长度相同，然后利用一根掺锗毛细棒替换填充的第二支撑毛细棒53的其中一个，掺锗毛细棒的直径与被替换的第二支撑毛细棒53的直径相同，掺锗毛细棒的长度与一般的第一毛细棒51的长度相同，由于第二支撑毛细棒53是用来填充第一堆栈体的外围和外套管54之间，此时，掺锗毛细棒作为纤芯42，更靠近于外套管54的外壁，对制备得到的光纤预制棒进行光纤拉丝，同时对第一毛细棒51、第二支撑毛细棒53和外套管54形成的石英实心包层41进行抽取负压控制，以消除各毛细棒之间，例如第一毛细棒51与第一毛细棒51之间和第一毛细棒51与掺锗毛细棒之间，以及毛细棒与外套管54之间的间隙，使得包层41完全变成实芯结构，且掺锗石英纤芯42的直径小且更靠近光纤的外表面。

实施例三：采用多根掺锗毛细棒替换多根毛细棒作为多纤芯42

如图4a和图4b所示，若干根相同直径和长度的第一毛细棒51堆栈成正六边形结构的第一堆栈体，然后利用多根掺锗毛细棒替换第一堆栈体中的相应数量第一毛细棒51，在本实施例中，被替换的第一毛细棒51的数量为两个，两个被替换的第一毛细棒51都不在第一堆栈体的非中心位置，使用三种不同直径的第二支撑毛细棒53从外套管54的一端插入，以填充外套管54的内壁与堆栈体之间的间隙第二支撑毛细棒53的长度与一般的第一毛细棒51的长度相同，对制备得到的光纤预制棒进行光纤拉丝，同时对第一毛细棒51、第二支撑毛细棒53和外套管54形成的石英实心包层41进行抽取负压控制，以消除各毛细棒之间，例如第一毛细棒51与第一毛细棒51之间和第一毛细棒51与掺锗毛细棒之间，以及毛细棒与外套管54之间的间隙，使得包层41完全变成实芯结构。

本发明还提供一种偏心光纤堆栈制备装置，包括如上述的一种偏心光纤堆栈制备方法，如图5所示，制备装置包括：

一光纤堆栈系统(图中未示出)，用于进行堆栈，以形成堆栈体结构，得到一光纤预制棒31；

一光纤拉丝塔系统2，连接光纤堆栈系统，用于对光纤预制棒31进行光纤拉丝，光纤拉丝塔系统2包括：

一高温石墨炉22，用于将光纤预制棒31熔融成裸光纤32；

一预制棒进给装置21，连接高温石墨炉22的进给口，用于将光纤预制棒31提供给高温炉；

至少一个涂覆固化装置23，连接高温石墨炉22，用于为裸光纤32的表面涂覆高分子材料，并固化形成涂覆光纤；

一主牵引系统25，主牵引系统25用于调整光纤拉丝的拉丝速度，以及裸光纤32的直径，形成光纤束；

一光纤转向引导轮24，分别连接涂覆固化装置23和主牵引系统25，

用于改变涂覆光纤的方向并引入主牵引系统中；

一光纤收线装置27，连接主牵引系统25，用于光纤束通过一舞蹈轮26进入光纤收线装置27，并收集于一收线盘271中；

一主动式气控单元1，连接光纤拉丝塔系统2，用于在光纤拉丝过程中控制第二堆栈体中各处的气体压力，以消除间隙得到实心包层。

具体的，制备装置包括用于形成堆栈结构的光纤堆栈系统、能够在光纤拉丝的过程中主动精密控制光纤预制棒31中的堆栈结构中所施加的负压以实现减小各毛细棒之间的间隙的多通道主动式气控单元1，以及用于对光纤预制棒31进行光纤拉丝的光纤拉丝塔系统2；

其中，光纤拉丝塔系统2由预制棒进给装置21、高温炉22、数量为1～5个的涂覆固化装置23、光纤转向引导轮24、具有能够调整拉丝速度和调节裸光纤32直径的主光纤牵引轮251的主牵引系统25、舞蹈轮26、具有收线盘271的成品光纤收线装置27组成。

本发明通过光纤堆栈系统将纤芯42和毛细管42进行堆栈成堆栈体，并填充支撑毛细棒得到的光纤预制棒31，通过预制棒进给装置21将上述光纤预制棒31提供给高温炉22，高温炉22使光纤预制棒31熔融成丝形成裸光纤32，涂覆固化装置23使裸光纤32的表面涂覆高分子材料并固化后形成涂覆光纤33，涂覆光纤33通过光纤转向引导轮24后进入主牵引系统25中，主牵引系统25中的主光纤牵引轮251改变涂覆光纤33的直径后得到偏心光纤34，偏心光纤34经过舞蹈轮26后由成品光纤收线装置27中的收线盘271收集，并在拉丝过程中通过多通道的主动式气控单元1控制光纤中各处的气体压力，以得到实际需要的偏心光纤34；

在一个较佳的实施例中，涂覆固化装置23的数量为2个，每个涂覆固化装置23分别包括：

涂覆器231，用于在裸光纤32的表面涂覆高分子材料；

固化炉232，连接涂覆器，用于对裸光纤32的表面涂覆的高分子材料进行固化处理。

具体的，在本实施例中，涂覆固化装置23的数量为2个，对熔融而成裸光纤32重复两次高分子材料涂覆并固化的过程。

在一个较佳的实施例中，涂覆固化装置的数量为2个，每个涂覆固化装置分别包括：

涂覆器，用于在裸光纤的表面涂覆高分子材料；

固化炉，连接涂覆器，用于对裸光纤的表面涂覆的高分子材料进行固化处理。

于上述较佳的实施例中，当涂覆固化装置23中涂覆的高分子材料为可耐高温(300℃)的聚酰亚胺，则涂覆层的厚度为[5um，30um]，选用聚酰亚胺作为高分子材料，可确保制备得到的偏心光纤34能够在温度为300℃以下的环境中长时间正常工作，在温度为400℃的环境中短时间使用；

当涂覆固化装置中涂覆的高分子材料为丙烯酸酯或硅胶时，涂覆层的厚度范围为[50um，150um]。

需要说明的是，上述光纤堆栈系统通过常规技术可以实现，可采用任何能够将所有纤芯42和所有毛细管42、石英支撑毛细棒排列成堆栈结构的系统，上述多通道主动式气控单元1采用现有技术，利用多通道主动式气控单元1控制光纤预制棒31中的堆栈结构中各处的气体压力的具体数值根据所要制备的多芯偏心光纤34要求的纤芯42之间的间距、纤芯42的尺寸等来确定；上述光纤拉丝塔系统2中预制棒进给装置21、高温石墨炉22、涂覆器231、固化炉232、光纤转向引导轮24、主牵引系统25、舞蹈轮26、成品光纤收线装置27均采用现有技术；高温炉22的工作温度、固化炉232的固化温度及其它所需的工艺参数均采用现有的光纤拉丝中所采用的工艺参数或再适当调整。

本发明的有益效果在于：

本发明通过堆栈法制备偏心光纤，利用高折射率的毛细棒替换非中心位置处的原本低折射率的毛细棒，无需进行打孔，克服了传统打孔法中在过长的钻头高速旋转下产生低频振荡且孔的长度受限于钻头的长度，同时由于偏心光纤的纤芯靠近于光纤的表面，在钻孔过程中容易使光纤表面发生崩裂现象；通过堆栈法可灵活调整纤芯的位置，使其位于除中心位置外的任何位置，同时通过调整外套管的壁厚能够精确控制纤芯与光纤表面的距离；能够轻松实现米量级长度的光纤预制棒生产和偏心光纤公里量级的工业化生产。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。