CN103708721A

CN103708721A - 一种保偏光纤预制棒的制造装置及制造方法

Info

Publication number: CN103708721A
Application number: CN201310658276.4A
Authority: CN
Inventors: 李晓东; 江平; 马建强; 肖华; 王友兵; 沈震强; 赵奉阔; 柏文俊
Original assignee: Jiangsu Hengtong Optic Electric Co Ltd
Current assignee: Hengtong Optic Electric Co Ltd
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: CN103708721B

Abstract

本发明涉及一种保偏光纤预制棒的制造装置及制造方法，该装置包括有刻度标定的盘体，组成十字型的四个卡爪和与其一一对应啮合的丝杠，通过旋转丝杠可以控制四个卡爪的相对移动。处于水平方向的两个卡爪上分别设有一个可调节直径大小的开槽。

Description

一种保偏光纤预制棒的制造装置及制造方法

技术领域

本发明涉及保偏光纤制造领域，具体涉及一种保偏光纤预制棒的制造装置及制造方法。

背景技术

保偏光纤又称偏振保持光纤，是特种光纤的一种，是具有保持所传输光线的线偏振方向的一类光纤。保偏光纤可应用于许多领域，如复用相干通信、光纤陀螺仪、光纤水听器、偏振传感等。尤其是在光纤传感领域，他是光集成器件、保偏光纤耦合、光纤陀螺等军用传感器的核心传感部件。

根据横截面结构的不同，国际上商用的保偏光纤常见的有四种类型，即：熊猫型、领结型、椭圆包层型和椭圆芯型。前三种属于应力诱导型，后一种属于形状决定型。目前保偏光纤的关键技术是制造保偏光纤预制棒，再将保偏光纤预制棒拉丝成保偏光纤。

应力诱导型保偏光纤的保偏光棒一般是在纤芯的周围掺杂或放置一些膨胀系数高的物质（如硼、锗、磷等），通过某种特殊的处理手段，使这些掺杂或放置区域变成非圆对称或轴对称的应力作用区而制成。掺硼应力作用区膨胀系数高，在光纤中对纤芯施加应力，导致纤芯在两个垂直方向上折射率不同，应力作用区折射率大，垂直方向折射率小。光在这样的光纤中传播时，形成快轴和慢轴，两类轴都叫做主轴，慢轴与应力作用区的立场方向一致。

上述应力双折射保偏光纤中，熊猫型保偏光纤应用的最为广泛，其结构包括纤芯、应力区和包层部分，其中纤芯位于包层的中心部分，而两个圆柱状的应力区分布在纤芯的两侧。纤芯一般为锗氟共掺杂的石英玻璃、应力区一般为硼掺杂的石英玻璃、而包层一般为纯石英玻璃材料。由于硼石英具有比纯石英更大的热膨胀性能，所以应力区能够产生压应力作用于纤芯部分，从而产生所谓的应力双折射使得保偏光纤具有线偏振保持性能。

现有技术中熊猫型保偏光纤的制造工艺主要采用套管法（RIC）或者钻孔法。套管法是通过将芯棒和应力棒装在套管中然后加温拉丝成纤，但是套管法在拉丝过程中，波导结构容易变形，不同熊猫保偏光纤精度不容易统一，工艺重复性差，不适合大批量生产。而机械钻孔法是保偏光纤常见的制造方法，通过在预制棒中机械钻出两个圆柱形孔，然后将应力棒***到圆孔中而形成。但是钻孔需要高精度的机械加工，由于精度的关系，稍微有所偏差就会造成加工孔内表面粗糙度高、两个加工孔的对称性差；另外，对钻头的要求较高，钻头较小力度不容易满足，随着加工深度的加大，钻头尖端会有离心力向外甩动，因此，加工孔的出口一般大于加工孔的入口，况且加工效率低；综上所述，均会对所加工的保偏光纤的强度与光学性能产生不良影响。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种保偏光纤预制棒的制造装置及方法，这种制造装置可以直接固定芯棒和两根应力棒，然后通过OVD（Outside Vapor Deposition，外汽相沉积法）或者VAD（Vapor Phase Axial Deposition，汽相轴向沉积法）工艺，在其表面直接沉积纯SiO₂包层来制造保偏光纤预制棒，此工艺重复性较高，不用开槽，光纤精度高。提高了加工效率，保偏光纤的光学性能与可靠性得到显著提高。且本发明装置固定芯棒孔直径、应力棒孔直径均可以调节，应力棒之间的距离也可以调节，能够满足各种性能要求的特种光纤预制棒的制备。

为达到上述目的，本发明采取一种保偏光纤预制棒的制造装置，该装置包括有刻度标定的盘体1，组成十字型的四个卡爪2、3和与其一一对应啮合的丝杠4，通过旋转丝杠可以控制四个卡爪的相对移动。

进一步地，处于水平方向的两个卡爪3上分别设有一个可调节直径大小的开槽5。

进一步地，卡爪2可以固定直径8~50mm的芯棒，卡爪3上开槽的直径范围10~60mm，开槽的形状可以是圆形、矩形、三角形、椭圆形。

本发明还提供了一种保偏光纤预制棒的制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤（1）将制备好的玻璃芯棒固定在盘体1的四个卡爪中间，将应力棒分别固定在卡爪上的两个开槽内，且所述两个开槽截面的中心与玻璃母棒横截面的圆心位于同一直线；

步骤（2）调节好玻璃芯棒和应力棒的相对位置，采用VAD或者OVD工艺将上述玻璃芯棒和应力棒组件沉积纯SiO₂包层，让玻璃芯棒和应力棒包覆于包层中；

步骤（3）在沉积包层的过程中，调节旋转的角速度以保证烧结完的光棒为圆柱形；

步骤（4）将上述制备的疏松体进行高温脱水烧结，最终形成透明的保偏光纤预制棒。

进一步地，步骤（3）中所述旋转的角速度可以是角位移坐标的函数。

进一步地，所述步骤（1）中的玻璃芯棒通过VAD或OVD方法制造，玻璃芯棒内包层的直径和芯层直径的比例控制在2.0以上；所述步骤（1）中的应力棒通过MCVD方法制造掺杂B₂O₃保偏应力棒，并加工成所需的大小及外形。

进一步地，该方法还包括步骤（5）将保偏光纤预制棒进行清洗后，在光纤拉丝塔上进行拉丝，形成所需要的保偏光纤。

本发明的优点：

（1）本发明的装置的多种可调节性的设计可以满足多种规格的保偏光纤的预制棒的制备；

（2）本发明装置可制备单根预制棒拉丝长度长，光纤生产效率高。使用大直径大长度的预制棒生产保偏光纤，单根预制棒的拉丝长度达到100km以上，甚至1000km以上；

（3）由于光纤预制棒在拉丝过程中，起头和收尾部分玻璃的受热不均匀，所以在起头和收尾阶段有部分光纤无法满足指标要求而报废。使用小直径短长度预制棒拉丝工艺，报废光纤的比例一般超过30%，而使用本发明的预制棒结构，报废光纤的比例在10%以下；

（4）本发明直接固定玻璃芯棒和应力棒，提高了所拉光纤的轴向均匀性，简化了制造工艺，降低了制造成本，易于实施操作。

附图说明

图1为根据本发明的盘体示意图。

图2为根据本发明的沉积示意图。

1为有刻度标定的盘体；2为固定芯棒的卡爪；3为水平卡爪；4为丝杠；5为水平卡爪上的开槽。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明进行具体说明。

本发明提供了一种保偏光纤预制棒的制造装置，如图1所示，该装置包括有刻度标定的盘体1，组成十字型的四个卡爪2、3和与其一一对应啮合的丝杠4，通过旋转丝杠可以控制四个卡爪的相对移动。处于水平方向的两个卡爪3上分别设有一个可调节直径大小的开槽5。卡爪2可以固定直径8~50mm的芯棒，卡爪3上开槽的直径（大小）范围10~60mm，开槽的形状可以是圆形、矩形、三角形、椭圆形等。通过控制芯棒直径、应力棒的直径和两根应力棒之间的距离，调节光纤预制棒的波导结构，来制备各种性能要求的保偏光纤预制棒。

本发明按照预定的波导结构，选取合适的玻璃芯棒和应力棒，采取一种保偏光纤制造方法，如图2所示，包括如下步骤：

（1）首先通过VAD或OVD工艺制造玻璃芯棒，为了控制沉积时芯棒的稳定性，芯棒1内包层的直径3和芯层直径2的比例（b/a）控制在2.0以上，优选的在3.0以上，更优选的在4.0以上；

（2）通过MCVD（Modified Chemical Vapor Deposition改进的化学气相沉积法）工艺制造掺杂B₂O₃保偏应力棒，并加工成所需的大小及外形；

（3）将制备好的玻璃芯棒固定在盘体1的四个卡爪中间，将应力棒分别固定在卡爪上的两个开槽内，且所述两个开槽截面的中心与玻璃母棒横截面的圆心位于同一直线；

（4）调节好玻璃芯棒和应力棒的相对位置，满足设计的波导结构；

（5）采用VAD或者OVD工艺将上述玻璃芯棒和应力棒组件沉积纯SiO₂包层，让玻璃芯棒和应力棒包覆于包层中。在沉积包层的过程中，根据应力棒的形状和位置，调节旋转的角速度，旋转的角速度可以是角位移坐标的函数，也可以是多种组合。目的是为保证第4步烧结完的光棒为圆柱形；

（6）将上述制备的疏松体进行高温脱水烧结，最终形成透明的保偏光纤预制棒；

（7）将上述保偏光纤预制棒进行清洗后，上光纤拉丝塔进行拉丝，最终形成所需要的保偏光纤。

实验证明，本发明制造保偏光纤预制棒的装置和方法，其适用的工作波长范围在200~2000nm之间，尤其适用于850nm，1310nm，1550nm等工作波长。

具体实例如下：首先选取通过VAD工艺制造的直径为20mm的芯棒1一根，以及通过MCVD工艺制造的直径为26mm的掺杂B₂O₃保偏应力棒4两根，将制备好的玻璃芯棒固定在盘体1的卡爪2中间，将应力棒别固定在卡爪3上的两个开槽内，调节应力棒中心与芯棒中心的距离为29mm，且所述两个开槽截面的中心与玻璃芯棒横截面的圆心位于同一直线，然后将上述组合件固定在OVD沉积车床上，将上述玻璃芯棒和应力棒组件沉积纯SiO₂疏松体包层，让玻璃芯棒和应力棒包覆于包层中。在沉积包层的过程中，设计旋转的角速度，以保证最终烧结完的透明玻璃光棒为圆柱形。将上述制备的疏松体进行高温脱水烧结，最终形成透明的保偏光纤预制棒，上光纤拉丝塔进行拉丝，在2050℃左右温度下最终形成所需要的保偏光纤。使用本装置和方法制造的保偏光纤可以得到在工作波长1310nm处拍长小于3mm，1310nm波长的衰减系数小于0.35dB/km，2米消光比大于20dB/km的高质量保偏光纤。在1550nm波长的拍长小于3.5mm，1550nm波长的衰减系数小于0.30dB/km，保偏光纤的其他参数完全符合相关保偏产品的标准规范。所制造的保偏光纤性能良好，可以满足通信及器件制造的要求。

Claims

1.一种保偏光纤预制棒的制造装置，其特征在于：该装置包括有刻度标定的盘体（1），组成十字型的四个卡爪（2）、（3）和与其一一对应啮合的丝杠（4），通过旋转丝杠可以控制四个卡爪的相对移动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：处于水平方向的两个卡爪（3）上分别设有一个可调节直径大小的开槽（5）。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：卡爪（2）可以固定直径8~50mm的芯棒，卡爪（3）上开槽的直径范围是10~60mm，开槽的形状可以是圆形、矩形、三角形、椭圆形。

4.一种保偏光纤预制棒的制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤（1）将制备好的玻璃芯棒固定在盘体（1）的四个卡爪中间，将应力棒分别固定在卡爪上的两个开槽内，且所述两个开槽截面的中心与玻璃母棒横截面的圆心位于同一直线；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

步骤（3）中所述旋转的角速度可以是角位移坐标的函数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述步骤（1）中的玻璃芯棒通过VAD或OVD方法制造，玻璃芯棒内包层的直径和芯层直径的比例控制在2.0以上；

所述步骤（1）中的应力棒通过MCVD方法制造掺杂B₂O₃保偏应力棒，并加工成所需的大小及外形。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于该方法进一步包括：

步骤（5）将保偏光纤预制棒进行清洗后，在光纤拉丝塔上进行拉丝，形成所需要的保偏光纤。