CN102503116A

CN102503116A - 一种旋转光纤的制造方法及旋转收纤装置

Info

Publication number: CN102503116A
Application number: CN2011103106146A
Authority: CN
Inventors: 汪洪海; 皮亚斌
Original assignee: WUHAN YANGTZE OPTICAL ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: Wuhan changyingtong Optoelectronic Technology Co., Ltd
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN102503116B

Abstract

一种旋转光纤的制造方法，包括光纤预制棒的制作步骤和光纤预制棒的拉丝步骤，其中，所述光纤预制棒的拉丝步骤中，在拉丝的同时沿光纤轴向旋转光纤的下端，在冷却过程中将光纤中形成的旋转固定。一种用于旋转光纤的制造的旋转收纤装置，包括设置于拉丝塔中被拉制的光纤正下方的收纤盘，所述收纤盘呈工字轮状，用于以被拉制的光纤为转轴旋转以带动光纤的下端旋转、并以收纤盘中心轴为转轴旋转以实现收纤。采用本发明工艺及设备所制造的超低双折射光纤产品，由于旋转的产生和固化不在拉丝炉中，所以避免了高温熔融状态下旋转对光纤的光学和力学性能的影响，所制造的超低双折射光纤具有长期的可靠性和稳定性，满足传感光纤在恶劣环境下使用的要求。

Description

一种旋转光纤的制造方法及旋转收纤装置

技术领域

本发明涉及低双折射光纤，具体地指一种旋转光纤的制造方法及用于该方法的旋转收纤装置。

背景技术

自从光纤被发明以来，已经在许多技术领域获得使用，尤其在光纤通信领域，各种光纤产品，包括多模光纤、单模光纤、色散补偿光纤等已经被大量使用。在传感领域，光纤也表现出其独特的作用。传感光纤技术包括多个方面，利用光纤对于不同物理量的敏感性，有针对不同物理量进行测量的光纤传感产品被研发，例如温度、湿度、PH值、折射率、应力、以及角速度等光纤传感器。

众所周知，单模光纤只能传导一个模式，即LP₀₁模式。但是从偏振态的角度分析，LP₀₁模式事实上包括两个偏振模式，即LP₀₁ ^x和LP₀₁ ^y模式，因此实际上单模光纤传输两个偏振模式，不是真正的单模传输。在一般的通信光纤中，由于各种非对称因素的存在，如纤芯和包层的非圆对称性、光纤的弯曲、外部应力的非对称性、甚至温度的变化等，均会使得单模光纤两个偏振模式的折射率不同，因而导致LP₀₁ ^x和LP₀₁ ^y模式在光纤中的传输速率不同，产生所谓的偏振模色散（PMD：Polarization Mode Dispersion）。光纤中这种不同偏振模式的折射率差异，被称为光纤的双折射现象，LP₀₁ ^x和LP₀₁ ^y模式的折射率差，被称为光纤的双折射。

根据光纤的双折射大小，将光纤分为高双折射光纤和低双折射光纤。一般来说，双折射大于10^-6的光纤被认为是高双折射光纤，而双折射低于10^-6的光纤被认为是低双折射光纤。保偏光纤是一类典型的高双折射光纤，其双折射一般大于10^-5；而单模通信光纤属于低双折射光纤产品，其双折射一般在10^-8到10^-6之间。在某些应用领域，如相干通信和光纤传感领域中，需要超低双折射的光纤材料，即要求光纤的双折射小于10^-9，甚至达到10^-10。这种超低双折射要求对于常规光纤制造工艺而言是难以达到的，必须采取特殊的光纤拉丝工艺或者特殊的光纤结构设计。当前，制造超低双折射光纤的方法一般是在光纤拉丝的同时旋转光纤预制棒来降低光纤的双折射；在光纤结构方面，超低双折射光纤一般为两种结构，即普通的单模光纤结构和在光纤包层部分包含有应力单元的所谓圆偏振保持光纤结构。为此，一些光纤及其制造工艺已经被提出。授权公告号为CN 1036488的中国专利《保持圆偏振态的光纤和它的制备方法》、授权公告号为CN 1041129的中国专利《保持圆偏振态的光纤和它的制备方法》以及授权公告号为CN 1242280的中国专利《实用保持圆偏振态光纤及其制造方法》提出了多种圆偏振保持光纤结构和其制造工艺，主要特点包括：在光纤中加以离心的应力单元，应力单元的数量可以是一个、两个或者多个，并通过在光纤的拉丝过程中旋转预制棒使得离心的应力单元围绕纤芯旋转，引导线偏振模式转变成圆偏振模式而获得圆偏振保持光纤产品。

公开号为CN 1663922的中国专利申请《拉制期间旋转光纤预型的光纤生产设备和方法》提出了在拉丝的过程中转动光纤预制棒的方法，降低光纤的双折射大小。通过转动预制棒工艺可以使得所制备光纤的双折射降低到10^-8~10^-7。

上述专利所提出的圆偏振保持光纤及其制造工艺存在一些无法克服的问题：由于在光纤之中使用了不定数量的应力单元，使得光纤预制棒的制造过程、拉丝过程和后续的光纤熔接处理过程都比较困难，尤其是异形预制棒的制造困难，容易炸裂报废。另外，通过转动光纤预制棒降低光纤双折射的方法，在实际的光纤生产过程中也难以实现。正如公开号为CN 1663922的专利申请文件所指出的，由于拉丝过程中的预制棒在拉丝炉中的部分被加热到1800℃以上而呈熔融状态，预制棒的任何旋转动作所产生的离心力都会使其偏离中心线位置而影响到光纤的质量，实践证明拉丝状态下的预制棒旋转速度必须被控制在100r/min以下，否则预制棒的高温熔融部分可能被甩离中心线而导致拉丝炉报废，考虑到双折射光纤的旋转节距（旋转节距被定义为光纤周期性转动的长度）在3mm左右，因此通过转动预制棒的方法，光纤拉丝速度仅在0.3m/min左右，如此低速度拉制的光纤在机械性能上是无法满足实际使用的需求的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种旋转光纤的制造方法及用于该方法的旋转收纤装置，能够根据使用要求制造出低双折射和超低双折射光纤。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种旋转光纤的制造方法包括光纤预制棒的制作步骤和光纤预制棒的拉丝步骤，其特别之处在于：所述光纤预制棒的拉丝步骤中，在拉丝的同时沿光纤轴向旋转光纤的下端，在冷却过程中将光纤中形成的旋转固定。

上述技术方案中，所述光纤预制棒的制作步骤中采用MCVD、PCVD、OVD以及VAD中的一种沉积方法。

上述技术方案中，所述光纤预制棒的直径为5~15mm。

上述技术方案中，所述光纤的下端的旋转速度为单一速度或者变速度，光纤的下端的旋转速度为500~1000r/min。

上述技术方案中，所述光纤的下端的旋转方向为顺时针或者逆时针方向。

上述技术方案中，所述光纤预制棒的拉丝速度为匀速或者变速度，光纤预制棒的拉丝速度为1~50m/min。

本发明提供的一种用于旋转光纤的制造的旋转收纤装置，包括设置于拉丝塔中被拉制的光纤正下方的收纤盘，所述收纤盘呈工字轮状，用于以被拉制的光纤为转轴旋转以带动光纤的下端旋转、并以收纤盘中心轴为转轴旋转以实现收纤。

上述技术方案中，所述收纤盘的两端通过支架设置于支柱上，支柱的下端设有支座，用于将旋转收纤装置安装在拉丝塔上；所述支架与支柱为活动连接，以使支架能够以支柱中心轴为转轴旋转。

上述技术方案中，所述收纤盘的直径为30~75mm，宽度为10~50mm。

本发明的有益效果在于：

1）采用本发明工艺及设备所制造的超低双折射光纤为在拉丝的同时沿光纤轴向旋转光纤的下端，以带动上部熔融状态下的光纤产生旋转，并在冷却过程中将光纤中形成的旋转固定所制成的光纤产品，由于旋转的产生和固化不在拉丝炉中，所以避免了高温熔融状态下旋转对光纤的光学和力学性能的影响，所制造的超低双折射光纤具有长期的可靠性和稳定性，满足传感光纤在恶劣环境下使用的要求；

2）所制造的超低双折射光纤具有和其他光纤产品相同的预制棒沉积工艺和基本相同的拉丝工艺、以及除旋转之外相同的其他结构特点，如：截面形状、光纤材质、折射率分布等，便于所制造光纤的处理使用，并容易与其他的光纤产品兼容，便于超低双折射光纤的集成应用；

3）所制造光纤的旋转节距可以达到1mm，小于现有技术中旋转光纤预制棒工艺所得到的旋转光纤3~10mm左右的旋转节距，因此本发明所制造的超低双折射光纤的双折射可以根据使用要求在10^-10至10^-6之间进行调节，完全可以被用于全光纤结构的光纤器件和光纤***，比较于传统复合结构（一般均包括光纤、晶体材料、镀膜材料等）的光纤器件和光纤***，具有更好的性能稳定性和使用可靠性；

4）本发明提供的超低双折射光纤的制造方法，完全兼容于传统光纤制造工艺流程，具有连续自动化制造的特点，可以满足大长度超低双折射光纤的生产，并可以实现该光纤的规模化生产需求；

5）使用本发明方法及旋转拉伸塔制造的大长度超低双折射光纤可以满足光纤陀螺等对于连续几百米到几公里超低双折射光纤的使用需求，对于研制高稳定性、高精度光纤陀螺具有重要的意义。

附图说明

图1为单模光纤的结构示意图。

图2为旋转光纤结构示意图，其旋转节距为L。

图3为旋转收纤装置一个实施例的结构示意图。

图4为本发明旋转光纤的制造方法中拉丝过程示意图。

图中：1—包层，2—纤芯，3—单模光纤，4—旋转光纤，5—旋转，6—旋转收纤装置（其中：6.1—收纤盘，6.2—支架，6.3—支柱，6.4—支座），7—拉丝塔，8—光纤预制棒，9—夹头，10—拉丝炉，11—光纤成型机构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

如图1所示，一般单模光纤3至少包括包层1和纤芯2，这里的包层1和纤芯2均为圆旋转对称结构，且包层1和纤芯2同心。该单模光纤包括LP₀₁ ^x和LP₀₁ ^y两个偏振模式，当光纤3由于存在结构和应力等非对称状况时，LP₀₁ ^x和LP₀₁ ^y模式的折射率不相等，其折射率差|n_LP01x-n_LP01y|即为单模光纤3的双折射。

如图2所示，利用本发明制造方法所制造的旋转光纤4仍然为至少包括包层1和纤芯2的结构，此外还包括覆盖在包层1表面的涂覆层，涂覆层为高分子树脂或者橡胶材料。与普通单模光纤3不同，该旋转光纤4中固化有旋转5，其旋转节距L一般在1~50mm。旋转节距L指固化于旋转光纤4的两个相邻旋转5之间的间距。

图3示意出了本发明的一种用于旋转光纤的制造的旋转收纤装置6，它包括呈工字轮状的收纤盘6.1，为了使整个旋转收纤装置6能够在高速旋转的状况下保持稳定收纤，要求其体积较小、质量适当。一般而言，所使用的收纤盘6.1的直径为30~75mm，宽度为10~50mm，并使用金属材料，刚度好不变形。收纤盘6.1的两端通过支架6.2设置于支柱6.3上，支柱6.3的下端设有支座6.4，用于将旋转收纤装置6安装在拉丝塔7上，并使支座6.4安装好的同时，确保收纤盘6.1位于拉丝塔7中被拉制的光纤的正下方。上述收纤盘6.1能够以其中心轴为转轴旋转以实现收纤，而支架6.2与支柱6.3上端为活动连接，以使承载着收纤盘6.1的支架6.2能够以支柱6.3中心轴为转轴旋转。

图4示意出了含有图3旋转收纤装置6的拉丝塔7进行旋转光纤的拉制的示意图。该设备针对的是用MCVD、PCVD、OVD以及VAD等常规沉积方法制造好的光纤预制棒8，为在拉丝过程中获得较低的拉丝速度，并因此获得较短的旋转节距L，最好使用直径较小的光纤预制棒，如5~15mm。接下来，将光纤预制棒8置于拉丝塔7中，光纤预制棒8上端被夹头9夹持固定、下端置于拉丝炉10中，其尾端被高温软化并在重力作用下形成圆锥形，在锥顶位置符合设计大小的光纤被拉制。当被拉制的光纤离开加热炉10后被迅速冷却到室温附近，然后通过测量、退火、冷却、涂覆、固化等一系列光纤成型机构11，最后被旋转收纤装置6收置于收纤盘6.1上。收纤盘6.1以其中心轴为转轴旋转既收置了光纤，也给予光纤一定的拉丝张力，以便从熔融预制棒锥部连续拉制光纤，同时，支架6.2连同收纤盘6.1也围绕被拉制的光纤的中心轴沿顺时针或者逆时针方向水平旋转，并将这种旋转通过已经冷却固化的光纤传导到熔融预制棒的锥顶，并使得熔融预制棒的锥顶产生旋转，收纤盘6.1绕被拉制的光纤水平旋转的转速为500~1000r/min，且可以是单一速度或者变速度。这种锥顶的旋转会被带到连续拉制的光纤中，并在光纤离开加热炉后的冷却过程中被固化，制造出旋转节距L为1~50mm的超低双折射的光纤产品。此外，要求围绕收纤盘6.1中心轴旋转导致的收纤线速度等于光纤的拉丝速度，一般为1~50m/min，且可以是匀速或者变速度。通过调整收纤盘6.1上述相互垂直的两种旋转速度，可以调整光纤的旋转节距L和拉丝速度，获得满足实际应用需求的超低双折射光纤产品。

旋转收纤装置6的运动控制被集成于光纤拉丝塔7的综合控制平台中，收纤盘6.1水平旋转速度、绕其中心轴的旋转速度等，均通过计算机自动控制，以匹配和优化各参数以制造出达到设计要求的低折射率光纤产品。

实施例1~9：

选用G.652D类型的单模光纤预制棒，将光纤预制棒8置于光纤拉丝塔7中，并使用本发明所提供的旋转收纤装置6拉制具有旋转特性的超低双折射单模光纤。表1给出了在不同的拉丝旋转参数时所制造获得的单模光纤以及测试所得的各光纤的双折射大小。

表一

实施例	光纤预制棒外径（mm）	光纤预制棒的拉丝速度（m/min/）	收纤盘水平旋转速度（r/min）	拉制后光纤包层直径（μm）	拉制后光纤旋转节距L（mm）	测试得到的光纤双折射
							1	15	50	1000	125	50	～9.3×10^-7
2	15	10	800	125	12.5	～5.1×10^-8
							3	15	1	1000	125	1	～6.2×10^-9
4	10	50	1000	125	50	～8.6×10^-7
							5	10	10	800	125	12.5	～4.7×10^-8
6	10	1	1000	125	1	～5.0×10^-9
							7	5	50	1000	125	50	～7.9×10^-7
8	5	10	800	125	12.5	～3.8×10^-8
							9	5	1	1000	125	1	～4.3×10^-9

由表一中的测试结果可以发现，旋转光纤4的双折射能够远远小于非旋转单模光纤的双折射大小，而且随着光纤旋转节距L的减小，光纤的双折射也随着降低。选择适当的工艺参数，即能够制造出双折射在10^-10至10^-6的光纤产品。结果表明，使用本发明所提出的旋转光纤的制造方法及旋转收纤装置，能够根据实际需要，制造出符合光纤传感和光纤通信领域实际需要的低双折射和超低双折射光纤。

本发明的核心在于通过在拉丝的同时沿光纤轴向旋转光纤的下端，以带动上部熔融状态下的光纤产生旋转5，并在冷却过程中将光纤中形成的旋转5固定以制成低双折射和超低双折射光纤，所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：光纤预制棒8的制作步骤可采用任何常规沉积方法；制成的光纤预制棒8也不限于实施例所列出的有限几个数值，在5~15mm范围内都是可以的；收纤盘6.1水平旋转速度、绕其中心轴的旋转速度等工艺参数，也可根据所需双折射大小的光纤进行调节等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种旋转光纤的制造方法，包括光纤预制棒的制作步骤和光纤预制棒的拉丝步骤，其特征在于：所述光纤预制棒的拉丝步骤中，在拉丝的同时沿光纤轴向旋转光纤的下端，在冷却过程中将光纤中形成的旋转固定。

2.根据权利要求1所述的一种旋转光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤预制棒的制作步骤中采用MCVD、PCVD、OVD以及VAD中的一种沉积方法。

3.根据权利要求1或2所述的一种旋转光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤预制棒的直径为5~15mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种旋转光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤的下端的旋转速度为单一速度或者变速度，光纤的下端的旋转速度为500~1000r/min。

5.根据权利要求1或2所述的一种旋转光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤的下端的旋转方向为顺时针或者逆时针方向。

6.根据权利要求1或2所述的一种旋转光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤预制棒的拉丝速度为匀速或者变速度，光纤预制棒的拉丝速度为1~50m/min。

7.一种用于旋转光纤的制造的旋转收纤装置，其特征在于：它包括设置于拉丝塔（7）中被拉制的光纤正下方的收纤盘（6.1），所述收纤盘（6.1）呈工字轮状，用于以被拉制的光纤为转轴旋转以带动光纤的下端旋转、并以收纤盘（6.1）中心轴为转轴旋转以实现收纤。

8.根据权利要求7所述的用于旋转光纤的制造的旋转收纤装置，其特征在于：所述收纤盘（6.1）的两端通过支架（6.2）设置于支柱（6.3）上，支柱（6.3）的下端设有支座（6.4），用于将旋转收纤装置（6）安装在拉丝塔（7）上；所述支架（6.2）与支柱（6.3）为活动连接，以使支架（6.2）能够以支柱（6.3）中心轴为转轴旋转。

9.根据权利要求7或8所述的用于旋转光纤的制造的旋转收纤装置，其特征在于：所述收纤盘（6.1）的直径为30~75mm，宽度为10~50mm。