一种用于光纤阵列熔融拉锥的电加热器

1.本发明涉及光纤领域的一种加热器，尤其涉及一种用于光纤阵列熔融拉锥的电加热器。


背景技术：

2.微纳光纤是一种新型光学导波器件，具有低传输损耗、强倏逝场、可调波导色散等优异的光学性质，在光学近场耦合、光学传感、光力操纵、以及光纤激光器等领域应用广泛。目前，微纳光纤通常由传统光纤熔融拉锥制备，产生的锥形光纤的腰区即微纳光纤。通过将密排的光纤阵列单次熔融拉锥制备成锥形光纤阵列，可用于实现高效耦合输入输出的多通道光芯片互连，有利于片上微纳光子器件的进一步微型化和集成化。此外，锥形光纤阵列可用于研制多点并行探测的光学传感器，具有高密度和可集成等优点，在高灵敏度的分布式传感等应用领域具有发展前景。
3.目前，关于锥形光纤阵列的制备技术尚不成熟。其中一个重要原因在于难以获取稳定性高且发热均一性好的小型化光纤加热源。例如，采用气体燃烧产生的高温火焰作为光纤加热源时，由于火焰本身温度分布不均，且易受气流扰动而导致温度不稳定，使得光纤阵列熔融拉锥的一致性较差，包括腰区直径、腰长、光纤透过率等。此外，易燃气体存在一定的安全隐患，相关设备的成本较高。另一种方案则是采用微型陶瓷电加热器作为熔融拉锥的加热源。然而，目前常用的陶瓷电加热器升温速度慢、单次拉制的光纤数量较少，一般为1-5根，且同样存在拉锥一致性差、维护成本高等问题。因此，如何研制一种稳定性高、可靠性强、拉锥一致性和重复性好的光纤阵列加热源是目前面临的一项关键技术挑战。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种用于光纤阵列熔融拉锥的电加热器，通过将缠绕成弹簧状的电阻丝通电来对光纤进行均匀加热。该电加热器升温速度快、温度调节精度高、温度分布稳定，最多可同时拉制20根锥形光纤，显著提升了光纤阵列熔融拉锥的成品率和一致性。
5.本发明采用的技术方案是：
6.本发明包括电热丝、底座、支撑件和保护壳；两个所述支撑件上下正对间隔地水平固定在底座的一侧，所述电热丝依次在两个支撑件外周均匀螺旋缠绕形成弹簧状加热元件，每个弹簧状加热元件外侧均设置有保护壳，且两个所述弹簧状加热元件之间留有空隙，待拉锥对象沿垂直于支撑件的方向水平设置在两个弹簧状加热元件之间的空隙中。
7.所述保护壳靠近弹簧状加热元件的端面开设有凹槽，每个所述弹簧状加热元件通过保护壳开设的凹槽嵌入在保护壳内。
8.所述待拉锥对象包括在同一水平面内平行布置的多根待拉锥光纤，多根待拉锥光纤构成光纤阵列。
9.所述电热丝的两端连接在闭合电路中。
10.所述电热丝为镍铬丝或铂丝。
11.所述底座和支撑件为氧化铝陶瓷。
12.所述保护壳为莫来石。
13.本发明的有益效果是：
14.(1)本发明的电加热器通过电源给电热丝供电发热，所需电压低于人体安全电压，且可简单地通过改变电源供电功率精确调节温度；
15.(2)相比火焰热源，电加热器不易受环境干扰，因此温度分布稳定性高，能有效保障光纤阵列熔融拉锥的成品率和一致性；
16.(3)由于陶瓷加热器中的陶瓷发热体急剧受热后会显著膨胀从而容易碎裂，因此需要缓慢升温和降温。而本发明使用的电热丝不存在碎裂风险，可迅速升温或降温；
17.(4)相比目前对单根或多根光纤进行的熔融拉锥，本发明的电加热器可支持同时拉制1-20根锥形光纤，显著提高了锥形光纤的制备效率；
18.(5)可直接通过调整弹簧状电热丝的轴向长度改变加热区域的大小，同时保证每根光纤的受热一致，有利于提升熔融拉锥制备的锥形光纤的直径均一性；
19.(6)该电加热器结构简单、维修成本低。
附图说明
20.图1是本发明中电热丝的结构示意图；
21.图2是本发明中电加热器的结构示意图；
22.图3是未拉锥的光纤阵列的结构示意图；
23.图4是锥形光纤阵列的结构示意图。
24.图中：1-电热丝；2-底座；3-支撑件；4-保护壳；5-空隙。
具体实施方式
25.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
26.如图1和图2所示，本电加热器包括电热丝1、底座2、支撑件3和保护壳4；两个支撑件3上下正对间隔地水平固定在底座2的一侧，为电热丝1提供力学支撑，电热丝1依次在两个支撑件3外周均匀螺旋缠绕形成弹簧状加热元件，电热丝1从一个支撑件3远离底座的一端开始沿着支撑件3均匀螺旋缠绕至支撑件3的靠近底座的一端后又从另一个支撑件3靠近底座的一端开始沿着另一个支撑件3均匀螺旋缠绕至另一个支撑件3的远离底座的一端。每个弹簧状加热元件外侧均配合有用于保温和隔热的保护壳4，且两个弹簧状加热元件之间留有空隙5。待拉锥对象沿垂直于支撑件3的方向水平设置在两个弹簧状加热元件之间的空隙5中。
27.其中，保护壳4靠近弹簧状加热元件的端面开设有矩形凹槽，每个弹簧状加热元件通过保护壳4开设的凹槽嵌入在保护壳4内。
28.如图3所示，待拉锥对象包括多根在同一水平面平行布置的待拉锥光纤，多根待拉锥光纤构成光纤阵列。
29.优选的，电热丝的两端连接在闭合电路中。
30.优选的，电热丝1为镍铬丝或铂丝。
31.优选的，底座2和支撑件3为氧化铝陶瓷。
32.优选的，保护壳4为莫来石，莫来石具有低热导率、低热容以及耐高温的特点，能为发热体提供保温和隔热作用。
33.本实施例的加热过程：
34.首先将去除涂覆层的20根待拉锥光纤组成的光纤阵列水平置于加热器的空隙5内，且将光纤阵列的两端分别固定在两个独立的电动平移台上。其中，单根待拉锥光纤的输入端和输出端均分别连接有1550nm波长的光输入装置和相应的光功率探测装置，用于测量光纤的透过率。然后使用直流稳压电源为电热丝1供电。通过调节直流稳压电源的电功率控制弹簧状加热元件的空隙5内的温度。当供电电压和电流分别为33.0v和7.2a时，电热丝1发热时在空隙5内形成温度高于1300℃的恒温加热区。之后先对空隙5中的光纤阵列恒温预热100秒，再操控电动平移台对光纤阵列进行水平双向拉伸，最后待电动平移台移动到设置的位置时完成对光纤阵列的熔融拉锥。熔融拉锥后的锥形光纤阵列的示意图如图4所示。
35.本实施例中两个电动位移台移动距离均为18mm，拉制的锥形光纤阵列的腰区直径为1
±
0.1μm，且锥形光纤阵列中每根锥形光纤在1550nm波长附近的透过率达到97％以上。


技术特征：
1.一种用于光纤阵列熔融拉锥的高温电加热器，其特征在于：包括电热丝(1)、底座(2)、支撑件(3)和保护壳(4)；两个所述支撑件(3)上下正对间隔地水平固定在底座(2)的一侧，所述电热丝(1)依次在两个支撑件(3)外周均匀螺旋缠绕形成弹簧状加热元件，每个弹簧状加热元件外侧均设置有保护壳(4)，且两个所述弹簧状加热元件之间留有空隙(5)，待拉锥对象沿垂直于支撑件(3)的方向水平设置在两个弹簧状加热元件之间的空隙(5)中。2.根据权利要求1所述的一种用于光纤阵列熔融拉锥的高温电加热器，其特征在于：所述保护壳(4)靠近弹簧状加热元件的端面开设有凹槽，每个所述弹簧状加热元件通过保护壳(4)开设的凹槽嵌入在保护壳(4)内。3.根据权利要求1所述的一种用于光纤阵列熔融拉锥的高温电加热器，其特征在于：所述待拉锥对象包括在同一水平面内平行布置的多根待拉锥光纤，多根待拉锥光纤构成光纤阵列。4.根据权利要求1所述的一种用于光纤阵列熔融拉锥的高温电加热器，其特征在于：所述电热丝的两端连接在闭合电路中。5.根据权利要求1所述的一种用于光纤阵列熔融拉锥的高温电加热器，其特征在于：所述电热丝(1)为镍铬丝或铂丝。6.根据权利要求1所述的一种用于光纤阵列熔融拉锥的高温电加热器，其特征在于：所述底座(2)和支撑件(3)为氧化铝陶瓷。7.根据权利要求1所述的一种用于光纤阵列熔融拉锥的高温电加热器，其特征在于：所述保护壳(4)为莫来石。

技术总结
本发明公开了一种用于光纤阵列熔融拉锥的高温电加热器。包括电热丝、底座、支撑件和保护壳；两个支撑件上下正对间隔地水平固定在底座的一侧，电热丝依次在两个支撑件外周均匀螺旋缠绕形成弹簧状加热元件，每个弹簧状加热元件外侧均设置有保护壳，且两个弹簧状加热元件之间留有空隙，待拉锥对象沿垂直于支撑件的方向水平设置在两个弹簧状加热元件之间的空隙中。该电加热器升温速度快、温度调节精度高、温度分布稳定，可同时拉制1-20根锥形光纤，显著提升了光纤熔融拉锥的成品率和一致性。提升了光纤熔融拉锥的成品率和一致性。提升了光纤熔融拉锥的成品率和一致性。


技术研发人员：郭欣 谢宇 蔡大卫 童利民 王攀 方胡彪 张建彬
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/10/4