纤芯复合型保偏光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及光通信传输技术领域，尤其是涉及一种纤芯复合型保偏光纤及其制造方法。

背景技术

目前传统的单模光纤通信系统的传输容量在未来10年内将达到100TB/s，使得单模光纤迅速的接近香农信息论和光纤非线性效应所规定的容量极限，因此亟待研究超大容量高速光纤传输解决方案。多芯光纤（Multicore Fiber，MCF）应运而生，从空分复用光纤的角度看，可以将多空间路径引入单根光纤，即将多个独立的纤芯合并到一根光纤中，一个包层中含有多根纤芯，光纤的传输容量随着纤芯数量的增长而成倍增加。MCF在光纤传感领域也具有良好的应用前景。如，光纤三维形状传感，应力感知等。

目前多芯光纤按照纤芯类型分类只有单模或者偏振保持类的单模纤芯。各个纤芯类型单一，同一根多芯光纤功能单一，无法同时实现偏振保持和光增益放大功能。

发明内容

本发明提供了一种纤芯复合型保偏光纤及其制造方法，解决了传统多芯光纤功能单一，无法同时实现偏振保持和光增益放大等功能的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种纤芯复合型保偏光纤，包括多个单模纤芯、应力圆和增益纤芯，相邻应力圆之间的连线中点处设有单模纤芯或增益纤芯，单模纤芯、应力圆和增益纤芯外侧包裹包层，包层中设有标记区。

优选的方案中，包层截面呈圆形，包层中心处设有应力圆，中心的应力圆外侧沿周向布置其余的应力圆。

优选的方案中，单模纤芯、应力圆和增益纤芯和包层组成单元区，包层中心布置有中心单元区，中心单元区外侧沿周向均布有多个外围单元区，中心单元区和外围单元区之间设有间距，相邻外围单元区之间设有间距。

优选的方案中，外侧的应力圆数量大于三个且小于六个，各增益纤芯到中心处应力圆的距离相等，各单模纤芯到中心处应力圆的距离相等，各增益纤芯到中心处应力圆的距离与各单模纤芯到中心处应力圆的距离不同。

优选的方案中，多个外围单元区呈六边形布置。

优选的方案中，应力圆组成材料为Ge、P、F、B共掺石英玻璃，其中Ge所占摩尔百分比为1～18、P所占摩尔百分比为2～13、F所占摩尔百分比为2～22、B所占摩尔百分比为8～30。

优选的方案中，增益纤芯组成材料为Ge、P、F、稀土元素共掺石英玻璃，其中Ge所占摩尔百分比为1～25、 P所占摩尔百分比为1～25、F所占摩尔百分比为1～20，稀土元素所占摩尔百分比为1～20。

单模纤芯组成材料为Ge、P、F共掺石英玻璃，其中Ge所占摩尔百分比为1～25、 P所占摩尔百分比为1～25、F所占摩尔百分比为1～20。

应力圆直径为5μm～30μm，单模纤芯直径为2μm～30μm，增益纤芯直径为2μm～30μm，包层的直径为60μm～500μm。

优选的方案中，包层材料为无掺杂低羟基纯石英玻璃。

包括制造方法，

制作多类型纤芯的多芯光纤母棒；

在母棒上进行深钻孔，制成多类型纤芯的多芯光纤打孔棒；

使用管内气相沉积法，制成圆形单模芯棒；

使用管内气相沉积法，制成圆形增益芯棒；

使用管内气相沉积法，制成圆形应力棒；

通过磨棒，将应力棒以及芯棒加工成匹配打孔棒的规格，将磨棒后的打磨应力棒与打磨芯棒插入多类型纤芯的多芯光纤打孔棒，组装成一套多类型纤芯的多芯光纤预制棒，拉丝制得多类型纤芯的多芯光纤。

优选的方案中，制作母棒具体过程为，使用外喷沉积法分别沉积包层，再脱水、烧结、熔缩形成母棒。

本发明的有益效果为：1、采用纤芯结构，并结合熊猫结构的应力区，每个纤芯位于两应力区的中心位置，实现了传输容量的扩展，确保了光波传输过程中偏振态的稳定性，同时由于纤芯共用应力区的结构，提升了制作光纤的成本优势；

2、采用三角形结构标记多类型纤芯的多芯光纤，明确的区分芯层以及应力层，便于纤芯的位置标定。

3、采用外喷沉积法分别沉积包层，消除了沉积界面的应力缺陷，增强了光纤整体材质的均质性，提升应力双折射稳定性；

4、外包层采用无掺杂低羟基纯石英玻璃材料组成，提升对外界非对称热应力的抵抗作用，同时防止外界羟基水分扩散导致的保偏光纤偏振串音性能的波动；

5、采用多单元区独立分布式结构，从整体上看具有不规则分布，避免中间区域纤芯保偏性能降低，局部又存在一定规律性，保证了制造的简易性；

6、每个单元区均包括单模纤芯、应力圆和增益纤芯，并且单元区之间的间隙有利于与其他纤芯复合型保偏光纤耦合连接。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的三应力圆单元区示意图。

图2是本发明的四应力圆单元区示意图。

图3是本发明的五应力圆单元区示意图。

图4是单元区两两对称应力圆布置示意图一。

图5是单元区两两对称应力圆布置示意图二。

图6是单元区应力圆分布过多时的示意图。

图7是本发明的单元区布置图一。

图8是本发明的单元区布置图二。

图9是本发明的单元区布置图三。

图10是本发明的截面示意图。

图11是本发明的多芯耦合连接示意图。

图12是传统多芯耦合连接区域划分示意图。

图中：中心单元区1；单模纤芯101；应力圆102；增益纤芯103；包层104；标记区105；外围单元区2；第一多芯光纤3；第二多芯光纤4；耦合连接器5。

具体实施方式

实施例1：

如图1-12中，一种纤芯复合型保偏光纤，包括多个单模纤芯101、应力圆102和增益纤芯103，相邻应力圆102之间的连线中点处设有单模纤芯101或增益纤芯103，单模纤芯101、应力圆102和增益纤芯103外侧包裹包层104，包层104中设有标记区105。

单模纤芯101和增益纤芯103直径可以相同，也可以不同，单模纤芯101和增益纤芯103呈一定规则分布，单模纤芯101和增益纤芯103直径相等或相当。

由于单模纤芯101和增益纤芯103在外观上相似，尤其是单模纤芯101和增益纤芯103直径相同时更加难以区分，耦合连接时难以一一对应，因此需要设置标记区105，标记区105为等边或等腰三角形，设置在包层104的特定位置，与各纤芯具有确定的距离，具有一定的指示作用，多个多芯光纤耦合连接时，只端面同心且对准标记区即说明各个纤芯已同心对齐。

两个相邻增益纤芯103之间连线中点同时只存在一个纤芯，无论是单模纤芯101或增益纤芯103。

优选的方案中，包层104截面呈圆形，包层104中心处设有应力圆102，中心的应力圆102外侧沿周向布置其余的应力圆102。

由于光纤预制棒易于制造呈圆棒型，因此相比于矩阵式分布，圆形分布更加复合光纤截面形状，对空间的利用率更高。

为了便于生产和简化对接难度，纤芯分布不能完全杂乱无章，一般需要呈矩阵式或环状规律性分布，便于确定各纤芯的位置，当具有保偏的特性的多芯光纤的纤芯数量增多时，中间的纤芯会出现四个方向都存在应力圆的情况，对于纤芯来说，为了提高偏振保持能力，应力圆102原则上需要布置在纤芯两侧呈一条直线状，也就是说原理上是一个纤芯两边是应力圆，另外两边不施加，若四个方向都有，即两两对称则会导致极性不明显，削弱偏振保持的能力。

另外，多芯光纤纤芯在耦合连接时，存在纤芯数量较多的多芯光纤分别同时连接多个纤芯数量较少的多芯光纤的情况。对于常规的多芯光纤，由于光纤类型单一，只需要简单的按照位置分区连接，但是对于多类型纤芯的多芯光纤，需要同时保证划分出的光纤具有常规纤芯和增益纤芯，还要具有保偏性能，必然是非常困难的，即使划分出来，相邻部分纤芯也会存在未利用上的情况，如图11中，第一多芯光纤3与第二多芯光纤4通过耦合连接器5耦合连接时，传统的划分方式如图12。

因此，优选的方案中，单模纤芯101、应力圆102和增益纤芯103和包层104组成单元区，包层104中心布置有中心单元区1，中心单元区1外侧沿周向均布有多个外围单元区2，中心单元区1和外围单元区2之间设有间距，相邻外围单元区2之间设有间距。

多个外围单元区2环形布置，其外侧还可继续呈环形布置外围单元区2，纤芯数量可根据需要继续扩展。

标记区105在单元区以外不必布置，对齐纤芯时直接对准其中一个即可。

单元区1为虚拟区域，并不存在实体边界，单元区1呈一定规则分布，相邻的单元区1之间不设置单模纤芯101、应力圆102和增益纤芯103。并且由于相邻的单元区1之间存在一定的间距，使得任意纤芯均不会出现四方向应力圆并且两两对称的情况，因此在保纤芯分布具有规律性的同时，保证了各个纤芯的保偏特性。

虚拟区域之间互不干涉，区域内自成一体，多芯光纤与多芯光纤耦合连接时既能满足多类型纤芯的需要，又不会不会造成纤芯浪费。

中心单元区1和外围单元区2虚拟边界呈圆形，或者说同区域的单模纤芯101、应力圆102和增益纤芯103被拟合在一个最小圆中，中心单元区1和外围单元区2沿自身圆形中心的布置角度可根据情况设置，可自旋一定角度以减少四应力圆两两对称情况发生。

优选的方案中，外侧的应力圆102数量大于三个且小于六个，各增益纤芯103到中心处应力圆102的距离相等，各单模纤芯101到中心处应力圆102的距离相等，各增益纤芯103到中心处应力圆102的距离与各单模纤芯101到中心处应力圆102的距离不同。

应力圆102数量大于三个这种布置方式，使得纤芯呈现多个不同直径得环形分布，常规纤芯和增益纤芯可以处于不同直径的环上，分布更加有规律，便于后续的耦合连接或使用。

由于光纤截面圆直径有限，当应力圆102数量过多时，外围应力圆102之间的间距减小，难以布置纤芯，造成纤芯空间占比降低。

优选的方案中，多个外围单元区2呈六边形布置。

在单元区的设置保证了保偏性能的前提下，多个外围单元区2呈六边形布置在中心单元区1外围，相邻的两个外围单元区2与中心单元区1之间的三角区域可以更小，光纤总体积有限的情况下对空间的利用率更高。

实施例2：

纤芯复合型保偏光纤制造方法为：

制作多类型纤芯的多芯光纤母棒；

在母棒上进行深钻孔，制成多类型纤芯的多芯光纤打孔棒；

使用管内气相沉积法，制成圆形单模芯棒；

使用管内气相沉积法，制成圆形增益芯棒；

使用管内气相沉积法，制成圆形应力棒；

通过磨棒，将应力棒以及芯棒加工成匹配打孔棒的规格，将磨棒后的打磨应力棒与打磨芯棒插入多类型纤芯的多芯光纤打孔棒，组装成一套多类型纤芯的多芯光纤预制棒，拉丝制得多类型纤芯的多芯光纤。

优选的方案中，制作母棒具体过程为，使用外喷沉积法分别沉积包层，再脱水、烧结、熔缩形成母棒。

实施例3：

如图2中，应力层包括4个相同的应力圆102，直径D1为30μm，组成材料为Ge、P、F、B共掺石英玻璃，其中Ge所占摩尔百分比为3、P所占摩尔百分比为6、F所占摩尔百分比为2、B所占摩尔百分比为21。

芯层包括4个相同的单模纤芯101，直径D2为8μm，分别位于两邻近应力圆102连线的中点位置处，组成材料为Ge、P、F共掺石英玻璃，其中Ge所占摩尔百分比为13、P所占摩尔百分比为5、F所占摩尔百分比为4。

增益层包括4个相同的增益纤芯103，直径D3为8μm，组成材料为Ge、P、F共掺石英玻璃，其中Ge所占摩尔百分比为13、P所占摩尔百分比为5、F所占摩尔百分比为4、稀土元素所占摩尔百分比为6。

包层104的直径D4为125μm，组成材料为无掺杂低羟基纯石英玻璃。

标记区105为等边三角形，边长L为8μm，位于包层103区域的中心位置，组成材料为无掺杂低羟基纯石英玻璃。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。