一种多孔与多芯组合型光纤的制备方法
阅读说明：本技术 一种多孔与多芯组合型光纤的制备方法 (Preparation method of porous and multi-core combined optical fiber ) 是由 苑立波 王剑 杨世泰 于 2021-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供的是一种多孔与多芯组合型光纤的制备方法。其特征是：它由不同的双包层光纤、毛细管光纤和纯石英光纤选择性插入多孔石英套管,高温下绝热拉锥至多孔与多芯组合型光纤的直径后,保持光纤直径稳定拉丝,从而制备出一段多芯与多孔组合型光纤,并且该光纤的多个纤芯可和多根标准单模光纤连接,解决多芯光纤的连接问题。光纤中的多个纤芯可以用于光信号通讯传输,也可以用于传感应用,还可以构造光纤内集成的干涉仪。光纤中的微孔可以用作微流通道。本发明具有组装灵活、制备参数可调、制备的光纤功能多样化的优点,可广泛用于光纤微流控、光纤传感等领域。(The invention provides a preparation method of a porous and multi-core combined optical fiber. The method is characterized in that: different double-clad optical fibers, capillary optical fibers and pure quartz optical fibers are selectively inserted into a porous quartz sleeve, and the diameter of the optical fibers is kept stable after adiabatic tapering to the diameter of the porous and multi-core combined optical fiber at high temperature, so that a section of multi-core and porous combined optical fiber is prepared, a plurality of fiber cores of the optical fiber can be connected with a plurality of standard single-mode optical fibers, and the connection problem of the multi-core optical fiber is solved. Multiple cores in an optical fiber can be used for optical signal communication transmission, can also be used for sensing application, and can also be used for constructing an interferometer integrated in the optical fiber. The micro-holes in the optical fiber may serve as microfluidic channels. The invention has the advantages of flexible assembly, adjustable preparation parameters and diversified functions of the prepared optical fiber, and can be widely applied to the fields of optical fiber microfluidics, optical fiber sensing and the like.)
技术领域
本发明涉及的是一种多孔与多芯组合型光纤的制备方法，属于特种光纤制备技术领域。
背景技术
近年来，以光纤为载体的“Lap on/in fiber”纤维集成式光纤微流(光流)控检测技术的提出推进了基于光学检测的微流控芯片技术的研究。其核心含义是利用微结构光纤作为光波导介质的本质属性，同时在光纤表面/内部构造光学检测结构单元，利用光纤自身或者辅助结构构造微流通道，形成了具有光学分析性能的微流控器件。这种将微流控单元移植到光纤内部的思路可以有效地利用光纤的结构特点，实现基于多种光学检测机制的微流控探测过程，其中包括荧光型、化学发光型、吸收型等强度型检测以及干涉型、长周期光纤光栅、布拉格光纤光栅等相位型检测，由此可实现基于不同检测机理及不同灵敏度要求的光信号检测。这类纤维集成式光纤检测结构不仅可以省略复杂繁琐的芯片上光波导制备步骤，还可以在最大程度上实现光波导与检测介质的充分接触以及实现简易的光输入及信号输出。因此，基于微结构光纤技术的“Lap on/in fiber”纤维集成式光纤微流(光流)控检测技术在微型化学生物分析系统中具有独特的潜在应用价值，尤其是随着近年来包括光子晶体光纤、多芯光纤、空心光纤、带孔光纤等特种光纤的蓬勃发展，以及不同检测机理的光纤传感技术的不断出现，用于“Lap on/in fiber”的集成式光学微流检测系统已经达到实用化，相关的基础研究工作也得以广泛开展。
光纤干涉仪在折射率测量、化学浓度测量及分子生物学等领域应用广泛。与传统干涉光路相比，光纤干涉仪的光路结构可降低波前失真，快速响应内外部测量环境，并有抗电磁干扰特点。其检测原理是基于相位探测，因此基于光纤干涉仪的装置稳定性较好，其光信号能够避免光路强度不稳定性的影响。多芯光纤拥有多个纤芯，能将干涉光路集成在同一根光纤内部，具有体积小，稳定性好的特点。但是多芯光纤的连接并不像普通单模光纤那么简单，它需要精准地对芯。并且多芯光纤的使用还要有fan-in/out器件，使其能够和多根单模光纤连接，实现每个纤芯的独立连接。
微结构光纤或带孔光纤具有微米量级的孔道结构，容纳气体/液体的体积可低至纳升量级，是痕量检测的理想载体。这种一维孔道结构为样品与光波导提供了长程作用场所，突破了传统光纤光学的局限，在分析检测研究领域显示了无可替代的优势。
因此，多芯和多孔组合型的光纤是一种十分具有价值的光纤，专利CN109752791A提出了一种微流通道与光波通道混合集成的双芯光纤及制备方法，该光纤具有两个纤芯和多个微流通道，将微流通道和光波导通道集成在同根光纤内部，在微流操控、痕量物质检测领域具有重要的应用。专利CN111632534A基于这种多芯多孔光纤提出了一种光热微流混合器，实现了微流控制的应用功能。
目前来说，这种光纤的制备都是按照传统的光纤制备工艺制备，主要靠制备大的多芯光纤预制棒后，通过超声打孔的技术制备通孔，再在控压的条件下大量拉制出这种多芯与多孔组合型光纤。传统的光纤制备技术虽然能够制备出较长的光纤来，但是要想使用这些光纤却不是一件容易的事，需要专门的fan-in/out器件完成多芯光纤的连接。另一方面来说，通常这种多孔和多芯组合型光纤应用在传感、测量、微流控制的领域，每个器件的使用量不是很长，因此，更急需的是方便多孔和多芯组合型光纤连接使用的光纤器件。本发明提出的是一种多孔与多芯组合型光纤的制备方法，该方法制备出的光纤直接配有fan-in/out器件，不但满足每个纤芯的独立连接，而且满足了每个微流通道的独立连接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔与多芯组合型光纤的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种多孔与多芯组合型光纤的制备方法，这种光纤制备方法可以根据实际应用需求，组合并制备出不同纤芯数量的多芯光纤，举例来说，如图1所示的(a)双芯光纤、(b)三芯光纤、(c)四芯光纤、(d)五芯光纤等；还可以制备出多个微孔和多芯组合的光纤，如图2所示的(a)三孔双芯光纤、(b)双孔双芯光纤、(c)单孔双芯光纤等。
所述的多孔与多芯组合型光纤制备的原材料有：双包层光纤、毛细管光纤、纯石英光纤、多孔石英套管、单模光纤。
所述的双包层光纤1的端面如图3a所示，其包含一个纤芯1-1、至少一个内包层1-2和一个外包层1-3。纤芯模场和单模光纤的纤芯模场匹配，能和单模光纤对芯熔接，该光纤将用于多孔与多芯组合型光纤拉过程中的模场转换过渡。
所述的毛细管光纤2有中间的微孔2-1，包层2-2为纯石英材质，其端面如图3b所示，该光纤将用于多孔与多芯组合型光纤拉制过程中的孔内气压控制,并最终形成合适尺寸的微孔结构。
所述的纯石英光纤为无芯光纤3，材质为纯的纯石英材质，其端面如图3c所示，该光纤将用于多孔与多芯组合型光纤拉制过程中的实体填充。
所述的双包层光纤1、毛细管光纤2、纯石英光纤3具有一致的直径，优选地，直径为125微米。
所述的多孔石英套管4为纯石英材质，其端面如图4所示，是具有多个等直径微孔的石英管，微孔的数量依据实际要制备的多孔和多芯组合型光纤的结构具体设计。优选地，孔的直径为126-130微米，以便上述的双包层光纤1、毛细管光纤2、纯石英光纤3能够插入。
所述的多孔与多芯组合型光纤的制备步骤为：
步骤一：单模光纤5熔接一段双包层光纤1，并去除双包层光纤的涂覆层；
步骤二：如图5所示，将一根或多根上述熔接了双包层光纤的单模光纤选择性插入多孔石英套管4的微孔内；将一根或多根毛细管光纤2选择性插入多孔石英套管4的微孔内；将纯石英光纤3插入多孔石英套管4的剩下的孔，作为填充；完成以上步骤，得到微型组合式预制棒6。
步骤三：如图6所示，将微型组合式预制棒6装在微型光纤拉丝塔的夹具7上，在温度大于1700摄氏度的加热炉8中拉锥，插入的毛细管光纤2的尾端连接气压控制设备9，通过孔内气压的控制来调节拉制过程中的孔直径，形成要制备光纤的微孔；插入的纯石英光纤3的微孔内的光纤和多孔石英套管融为一体；插入的双包层光纤1随着拉锥逐渐变细，其纤芯逐渐变细至不再能束缚光波，内包层逐渐变细成为新的纤芯，光波由原来的纤芯绝热转换至新的纤芯传输。
步骤四：上述的拉锥过程应该平缓，通过激光测径仪10反馈拉丝直径，待拉细至预设直径后，调整微型组合式预制棒夹具位移台11的送棒速度，配合拉丝主动轮12的拉丝速度，以连续稳定的速度拉制出多孔与多芯组合光纤尾纤13；
步骤五：在拉制出多孔与多芯组合光纤尾纤的同时，通过涂敷装置14给尾纤13涂敷并使用固化灯15固化上涂覆层，最后通过光纤绞盘16和光纤盘17收纤；
步骤六：待光纤尾纤拉制到预设长度后，连同光纤尾纤13和剩余的微型预制棒6一起，将光纤从微型拉丝塔上取下，并将剩余的微型预制棒和渐变的光纤束锥体一起放入钢管内封装，保护器件。
最终得到的器件应如图7所示，包含(1)输入光纤：毛细管光纤2、熔接了双包层光纤的单模光纤5；(2)光纤束绝热过渡锥体18；(3)多孔与多芯组合型光纤尾纤13。其中纯石英光纤3作为填充物，在拉制过程中和石英毛细套管4融合到一起，多根单模光纤5作为多孔和多芯组合型光纤的每个纤芯的光路独立输入口，毛细管光纤2可作为微液流/微气流的注入接口。
本发明的核心在于组合式的微型预制棒制备和光纤模场的绝热过渡转换。组合式的预制棒制备极具灵活性，可随心所欲地组合出想要的多孔与多芯组合式的光纤。光纤模场的绝热过渡转换是指双包层光纤在拉锥的过程中纤芯能量能绝热转换到内包层传输，确保了多个纤芯的独立光路连接。
双包层光纤绝热转换原理如图8所示，其中8(a)和8(b)分别为拉锥前后的光纤端面图、折射率分布及模场19分布，在拉锥前光波主要束缚在双包层光纤1的纤芯1-1内传输，拉锥后，光波模场19扩散到内包层分布。
所述的双包层光纤包含一个单模纤芯和至少两个同轴分布的包层，包层的折射率分布是阶跃分布(如图9a)或渐变分布(如图9b)。
在步骤四的光纤拉制过程中，加入同轴旋转，使拉制出的多芯与多孔组合光纤具有螺旋分布的微孔和纤芯，形成螺旋多芯与多孔组合型光纤。
本发明提出的多孔与多芯组合型光纤的制备方法至少具备以下突出的优势：
(1)连接器与光纤一体化制备，一段光纤就可以连接一个器件，解决多芯光纤的分路连接问题；
(2)光纤同时具备多个纤芯和微孔通道，组合型光纤可以用于微流体光学组合应用，组合方法灵活多变；
(3)如果不需要微孔，我们可以用这种方法制备少量的多芯光纤，并且这些多芯光纤和fan-in/out器件实现一体化制备。
附图说明
图1是本发明可制备的多芯光纤的端面图，(a)双芯光纤、(b)三芯光纤、(c)四芯光纤、(d)五芯光纤。
图2是本发明可制备的多孔与多芯组合型光纤的端面图，(a)三孔双芯光纤、(b)双孔双芯光纤、(c)单孔双芯光纤。
图3是(a)双包层光纤、(b)毛细管光纤、(c)纯石英光纤的端面结构图。
图4是具有多个等直径微孔的多孔石英套管的端面图。
图5是插入了多种光纤的微型组合式光纤预制棒。
图6是使用微型光纤拉丝塔拉制一体化光纤和器件的制备过程。
图7是带有连接器的一体化多孔与多芯组合型光纤的结构。
图8是双包层光纤绝热转换原理图，其中(a)和(b)分别为拉锥前后的光纤端面图、折射率分布及模场分布，在拉锥前光波主要束缚在双包层光纤的纤芯内传输，拉锥后，光波模场扩散到内包层分布。
图9是两种双包层光纤的折射率分布，其中图9(a)是阶跃分布，图9(b)是渐变分布。
图10是带有一体化连接器的四芯光纤的结构图。
图11是图10中四芯光纤的连接器的中间芯和边芯的模场过渡仿真结果。
图12是具有螺旋结构的多孔与多芯组合型光纤的制备方法图。
图13是带有一体化连接器的螺旋四芯光纤的结构图。
图14是螺旋多孔与多芯组合型光纤结构图，(a)双孔单芯螺旋光纤，(b)单孔双芯光纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：单孔双芯光纤的制备
以图2(c)中单孔双芯光纤为例，阐述多孔与多芯组合型光纤的制备方法。
选用图4中所示的5孔石英套管4，选取两根直径为125微米的无芯光纤3，剥去20厘米的长度的涂覆层，插入5孔石英套管的4-2号和4-4号孔，作为填充光纤。选取两根单模光纤5，分别熔接一根长20厘米的双包层光纤1后，插入5孔石英套管4的4-3号和4-5号孔。选取一根毛细管光纤2，剥去20厘米长度的涂覆层后，插入5孔石英套管4的4-1号孔。完成以上步骤，得到微型组合式预制棒6，如图5。
如图6所示，将组装好的预制棒6装在微型光纤拉丝塔的夹具7上，在石墨丝热源8下拉锥，拉锥温度可达2000摄氏度以上，插入的毛细管光纤2的尾端连接气压控制设备9，通过孔内气压的控制来调节拉制过程中的孔直径，形成要制备光纤的微孔；插入的纯石英光纤3的微孔内的光纤和多孔石英套管融为一体；插入的双包层光纤1随着拉锥逐渐变细，其纤芯逐渐变细至不再能束缚光波，内包层逐渐变细成为新的纤芯，光波由原来的纤芯绝热转换至新的纤芯传输。
上述的拉锥过程应该平缓，通过激光测径仪10反馈拉丝直径，待拉细至预设直径后，调整微型组合式预制棒夹具位移台11的送棒速度，配合拉丝主动轮12的拉丝速度，以连续稳定的速度拉制出单孔双芯光纤尾纤13。
在拉制出单孔双芯光纤尾纤的同时，给尾纤涂敷并固化上涂覆层，并通过光纤绞盘16和光纤盘17收纤。
待光纤尾纤拉制到预设长度后，连同光纤和剩余的微型预制棒一起，将光纤从微型拉丝塔上取下，并将剩余的微型预制棒和渐变的光纤束锥体一起放入钢管内封装，保护器件。
实施例2：四芯光纤的制备。
选用四孔石英套管，其中一个孔位于套管中间，另外三个孔成正三角分布，孔直径等于130微米，边孔与中间孔间距294微米，套管外直径875微米。
取四根单模光纤5，分别熔接20厘米的双包层光纤1，双包层的纤芯和内包层的相对折射率差为0.5％，内包层和外包层的相对折射率差为0.5％，外包层的材料为纯石英。将四根光纤插入四孔石英套管，组成四芯光纤的微型组合式预制棒。
将四芯光纤的微型组合式预制棒安装到微型光纤拉丝塔上，按照实施例1中的拉丝方法，制备少量fan-in/out器件一体化的四芯光纤尾纤。
图11是采用光束传播法对四芯光纤微型组合式预制棒在锥体变化区域中间芯和1个边芯的模场过渡情况做了仿真。可以看出模场在锥形变化区逐渐从双包层光纤的纤芯过渡到内包层传输。
实施例3：螺旋四芯光纤的制备。
螺旋四芯光纤的制备方法同实施例2的四芯光纤的制备方法类似，不同之处在于，如图12所示，螺旋四芯光纤在拉制的过程中，夹持四芯光纤微型组合式预制棒的夹具同时同轴旋转，导致在拉丝过程中三个边芯螺旋分布。最后得到的fan-in器件一体化螺旋四芯光纤如图13所示。
实施例4：螺旋带孔光纤的制备。
按照实施例1的组合方式，可以使用纯石英光纤、毛细管光纤、双包层光纤取选择性填充五孔石英套管，然后按照实施例3的制备方法，可制备出如图14所示的螺旋带孔光纤。
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