CN105985015A - 一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法，用化学气相沉积法制造芯棒，包括包层和芯层；制作横截面为菱形结构的靶棒，将靶棒置于石英玻璃套管的内部，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，去掉靶棒后形成纯石英玻璃菱形内孔套管。对芯棒的包层进行机械加工，将芯棒放置在沉积后的石英玻璃套管中，使芯棒的包层的圆形外表面与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，构成保偏光纤预制棒。对保偏光纤预制棒进行熔缩、拉伸，然后进行机械外圆打磨及抛光，形成保偏预制棒，拉丝成椭圆芯保偏光纤。本发明提高了椭圆芯保偏光纤的加工精度，获得稳定性更强的椭圆芯保偏光纤。可以制造各种应用波长及包层直径的椭圆芯保偏光纤。

Description

一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法

技术领域

本发明属于光纤制造领域，尤其涉及一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法。

背景技术

保偏光纤是光纤陀螺的敏感元件之一，也是至关重要的通讯和传感元件。椭圆芯保偏光纤作为保偏光纤的一类重要组成部分，其广泛的适用性是其巨大的优势。由于光纤陀螺（Fiber Optical Gyroscope）具有体积小、重量轻、无机械运动部件、启动快、动态误差小、可靠性高、寿命长等特点，是无可比拟的惯性传感器，具有逐步取代现有机械陀螺产品而大量使用的趋势，已经广泛应用于机器的自动控制上，如飞机和汽车的定位导航、惯性制导等领域。目前市场上的保偏光纤产品主要为熊猫型结构，熊猫型保偏光纤要具有高的偏振能力，需要增加应力棒的硼掺杂量，由于多种材料的热膨胀特性，熊猫型保偏光纤对温度敏感性，而高精度光纤陀螺的发展重要趋势之一是降低各组件的温度敏感性。因此，熊猫型保偏光纤在制作高精度光纤陀螺时存在一定的缺陷。椭圆芯保偏光纤制作工艺较为简单，其优化保偏光纤的偏振性能主要通过菱形套管结构配比来实现的，另外其温度不敏感性的特点能够适用于高精度陀螺领域的发展。

光纤电流传感器是冶炼、电化工行业和智能电网领域用于电流计量的升级换代产品。电流计量是电力***以及冶金、化工等电解工业的主要技术参数之一。目前，我国大部分企业对电流的测量主要采用磁电感应式电流互感器和霍尔效应式直测式电流传感器，这种以电磁感应原理为基础的电流传感器，在精度、稳定性、抗杂散磁场干扰等方面，都不能满足现代冶金和电化工产业的发展需要。保偏光纤是光纤式电流互感器的关键器件，在关键敏感器件如延迟环、敏感环以及四分之一玻片上都有相关应用要求，为此需要椭圆芯保偏光纤具有较高的精度、稳定性以适用于上述敏感器件的配套适用。

发明内容

本发明针对现有保偏光纤对温度敏感性较强，且不能满足光纤式电流互感器、开环光纤陀螺及光纤陀螺在精度、稳定性方面要求的问题，提供一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法，提高加工精度，获得稳定性更强的椭圆芯保偏光纤。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种椭圆芯保偏光纤制造方法，包括以下步骤，1）用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括包层和芯层，芯层直径为0.1~8mm，掺杂元素为锗，相对折射率差为0.6%~1.5%；包层直径与芯层直径之比为2:1~6:1，包层组分为氟-锗共掺或单掺氟，折射率差为-0.5%~0%；2）制作横截面为菱形结构的靶棒，将靶棒置于石英玻璃套管的内部，靶棒与石英玻璃套管同轴设置，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，沉积过程完成后，去掉靶棒，形成纯石英玻璃菱形内孔套管；3）对芯棒的包层进行机械加工，将芯棒放置在沉积后的石英玻璃套管中，使芯棒的包层的圆形外表面与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，组合构成保偏光纤预制棒；4）对保偏光纤预制棒进行熔缩和拉伸处理，对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光，形成可拉丝的保偏预制棒；5）将保偏预制棒拉锥、拉丝成椭圆芯保偏光纤。

按上述技术方案，步骤3）中所述对芯棒的包层进行机械加工，具体为对芯棒的包层沿轴向进行均匀切削或切割或磨削。

按上述技术方案，步骤3）中对芯棒的包层沿轴向进行均匀磨削之后，对磨削面进行抛光和研磨；步骤4）中对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光之后，进行研磨。

按上述技术方案，对于纯石英玻璃菱形内孔套管，其菱形的长、短轴长度之比f的范围为2:1~6:1。

按上述技术方案，将保偏光纤预制棒在拉伸塔上高温熔缩、拉伸成一根完整的保偏预制棒，保偏预制棒经过外圆整形成为标准外圆结构。

本发明还提供一种椭圆芯保偏光纤，用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括包层和芯层，芯层直径为0.1~8mm，掺杂元素为锗，相对折射率差为0.6%~1.5%；包层直径与芯层直径之比为2:1~6:1，包层组分为氟-锗共掺或单掺氟，折射率差为-0.5%~0%；制作横截面为菱形结构的靶棒，将靶棒置于石英玻璃套管的内部，靶棒与石英玻璃套管同轴设置，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，沉积过程完成后，去掉靶棒，形成纯石英玻璃菱形内孔套管；对芯棒的包层进行机械加工，将芯棒放置在沉积后的石英玻璃套管中，使芯棒的包层的圆形外表面与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，组合构成保偏光纤预制棒；对保偏光纤预制棒进行熔缩处理，熔缩处理后进行拉伸，对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光，形成可拉丝的保偏预制棒；将保偏预制棒拉锥、拉丝成椭圆芯保偏光纤。

按上述技术方案，对芯棒的包层进行机械加工，具体为对芯棒的包层沿轴向进行均匀切削或切割或磨削。

按上述技术方案，对芯棒的包层沿轴向进行均匀磨削之后，对磨削面进行抛光和研磨；对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光之后，进行研磨。

按上述技术方案，对于纯石英玻璃菱形内孔套管，其菱形的长、短轴长度之比f的范围为2:1~6:1。

按上述技术方案，将保偏光纤预制棒在拉伸塔上高温熔缩、拉伸成一根完整的保偏预制棒，保偏预制棒经过外圆整形成为标准外圆结构。

本发明产生的有益效果是：1）椭圆芯保偏光纤双折射是由于光波导结构的不对称性引起，其温度敏感性较好，适用于各种特殊应用环境；2）打磨后芯棒均匀，对光纤纤芯椭圆度的控制能力较强。本发明提高了椭圆芯保偏光纤的加工精度，获得稳定性更强的椭圆芯保偏光纤。可以制造各种应用波长及包层直径的椭圆芯保偏光纤。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中椭圆芯保偏光纤的结构示意图；

图2是本发明实施例中芯棒的结构；

图3是本发明实施例中芯棒的机械加工示意图；

图4是本发明实施例中纯石英玻璃菱形内孔套管的结构示意图；

图5是本发明实施例中芯棒与纯石英玻璃菱形内孔套管组合示意图；

图6是本发明实施例中保偏光纤预制棒熔缩示意图；

图7是本发明实施例中对熔缩后保偏光纤预制棒机械外圆打磨前后的对比图；

图8是本发明实施例中保偏预制棒的结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中首先提供一种椭圆芯保偏光纤制造方法，包括以下步骤，1）用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括包层和芯层，芯层直径为0.1~8mm，掺杂元素为锗，相对折射率差为0.6%~1.5%；包层直径与芯层直径之比为2:1~6:1，包层组分为氟-锗共掺或单掺氟，折射率差为-0.5%~0%；2）制作横截面为菱形结构的靶棒，将靶棒置于石英玻璃套管的内部，靶棒与石英玻璃套管同轴设置，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，沉积过程完成后，去掉靶棒，形成纯石英玻璃菱形内孔套管；3）对芯棒的包层进行机械加工，将芯棒放置在沉积后的石英玻璃套管中，使芯棒的包层的圆形外表面与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，组合构成保偏光纤预制棒；4）对保偏光纤预制棒进行熔缩和拉伸处理，对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光，形成可拉丝的保偏预制棒；5）将保偏预制棒拉锥、拉丝成椭圆芯保偏光纤。在本发明的较佳实施例中，芯层直径为2.0mm，掺杂元素为锗，相对折射率差为1.2%；其包层直径为6.0mm，包层组分为单掺氟，折射率差为-0.5%。

其中步骤3）中所述对芯棒的包层进行机械加工，具体可以为对芯棒的包层沿轴向进行均匀切削或切割或磨削。进一步地，步骤3）中对芯棒的包层沿轴向进行均匀磨削之后，对磨削面进行抛光和研磨；步骤4）中对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光之后，进行研磨。

进一步地，对于纯石英玻璃菱形内孔套管，其菱形的长、短轴长度之比f的范围为2:1~6:1。进一步地，可以将保偏光纤预制棒在拉伸塔上高温熔缩、拉伸成一根完整的保偏预制棒，保偏预制棒经过外圆整形成为标准外圆结构。

本发明还提供一种椭圆芯保偏光纤，用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括包层和芯层，芯层直径为0.1~8mm，掺杂元素为锗，相对折射率差为0.6%~1.5%；包层直径与芯层直径之比为2:1~6:1，包层组分为氟-锗共掺或单掺氟，折射率差为-0.5%~0%；制作横截面为菱形结构的靶棒，将靶棒置于石英玻璃套管的内部，靶棒与石英玻璃套管同轴设置，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，沉积过程完成后，去掉靶棒，形成纯石英玻璃菱形内孔套管；对芯棒的包层进行机械加工，将芯棒放置在沉积后的石英玻璃套管中，使芯棒的包层的圆形外表面与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，组合构成保偏光纤预制棒；对保偏光纤预制棒进行熔缩处理，熔缩处理后进行拉伸，对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光，形成可拉丝的保偏预制棒，如图8所示；将保偏预制棒拉锥，清洗，拉丝成椭圆芯保偏光纤，其结构如图1所示。在本发明的较佳实施例中，芯层直径为2.0mm，掺杂元素为锗，相对折射率差为1.2%；其包层直径为6.0mm，包层组分为单掺氟，折射率差为-0.5%。

其中，对芯棒的包层进行机械加工，具体可以为对芯棒的包层沿轴向进行均匀切削或切割或磨削。进一步地，对芯棒的包层沿轴向进行均匀磨削之后，对磨削面进行抛光和研磨；对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光之后，进行研磨。

其中，对于纯石英玻璃菱形内孔套管，其菱形的长、短轴长度之比f的范围为2:1~6:1，具体地其菱形的长、短轴长度之比f可以选择3:1。进一步地，将保偏光纤预制棒在拉伸塔上高温熔缩、拉伸成一根完整的保偏预制棒，保偏预制棒经过外圆整形成为标准外圆结构。

在本发明的较佳实施例中，还提供实施例1：如图2所示，椭圆芯保偏光纤所使用的芯棒4包括高折射率的芯层部分5和较低折射率的过渡包层6，包层7为纯石英玻璃。使用化学气相沉积法沉积芯棒，其中芯层5部分是掺锗石英玻璃，其中，硅锗体积比为1:2.32，具有较高的光学折射率，直径为c，过渡包层6是氟硅共掺石英玻璃，其中，硅氟体积比为1:0.25，折射率较纯石英玻璃略低，直径为d，包层7为纯硅玻璃，一部分是通过化学气相沉积形成，另外一部分是石英衬管材料。如图3所示，虚线代表机械加工前的芯棒轮廓，沉积熔缩完成的芯棒外圆加工成8，整个过程是磨削掉包层7的部分，磨削后的直径为e。再经过磨抛处理，外圆加工的芯棒形成。

在本发明的较佳实施例中，还提供实施例2：如图4所示，菱形内孔石英套管9包含纯硅石英玻璃11及规则的菱形内孔10。如图3所示，沉积熔缩完成的芯棒外圆加工成8，整个过程是磨削掉包层7的部分，磨削后的直径为e。如图5所示，将外圆及磨抛加工的芯棒8置入内孔10，此时芯棒8的外圆与内孔10的菱形截面相吻合，形成组合预制棒12。如图6所示，保偏光纤预制棒12经过熔缩后形成可拉丝的保偏预制棒13，其中芯棒8经过挤压变形形成椭圆结构8，椭圆芯区为掺锗芯层5，椭圆长轴宽度为f，椭圆过渡包层区为氟硅共掺层6，椭圆长轴宽度为g，芯棒预留纯硅层的椭圆长轴宽度为h。如图7所示，经过熔缩后的椭圆保偏预制棒13为椭圆结构外形，经过外圆磨削掉部分包层11，形成标准外圆结构的椭圆保偏预制棒15，此时保偏预制棒15的直径为k。

在本发明的较佳实施例中，还提供实施例3：如图2、图3所示，通过化学气相沉积法沉积保偏芯棒，其中芯层5部分是掺锗石英玻璃，具有较高的光学折射率，直径为c，过渡包层6是氟硅共掺石英玻璃，折射率较纯石英玻璃略低，直径为d，包层7为纯硅玻璃。如图5所示，将外圆及磨抛加工的芯棒8置入内孔10，此时芯棒8的外圆与内孔10的菱形截面相吻合，形成组合预制棒12。如图6所示，保偏光纤预制棒12经过熔缩后形成可拉丝的保偏预制棒13，其中芯棒8经过挤压变形形成椭圆结构8，椭圆芯区为掺锗芯层5，椭圆长轴宽度为f，椭圆过渡包层区为氟硅共掺层6，椭圆长轴宽度为g，芯棒预留纯硅层的椭圆长轴宽度为h。如图7所示，经过熔缩后的椭圆保偏预制棒13为椭圆结构外形，经过外圆磨削掉部分包层11，形成标准外圆结构的椭圆保偏预制棒15，此时保偏预制棒15的直径为k。如果需要可以将保偏预制棒拉伸成较小外径预制棒。如图1所示，使用本方法制造的保偏光纤通过优化纤芯2的长短轴比a：b，典型比为2:1，可以得到在工作波长1310nm出拍长小于6mm，2m串音大于25dB/km、衰减小于1 dB/km的保偏光纤。该椭圆芯保偏光纤的其他参数符合相关保偏光纤产品的标准。完全可以满足相关全光纤电流互感器、开环光纤陀螺及高精度光纤陀螺领域的要求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种椭圆芯保偏光纤制造方法，其特征在于，包括以下步骤，1）用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括包层和芯层，芯层直径为0.1~8mm，掺杂元素为锗，相对折射率差为0.6%~1.5%；包层直径与芯层直径之比为2:1~6:1，包层组分为氟-锗共掺或单掺氟，折射率差为-0.5%~0%；2）制作横截面为菱形结构的靶棒，将靶棒置于石英玻璃套管的内部，靶棒与石英玻璃套管同轴设置，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，沉积过程完成后，去掉靶棒，形成纯石英玻璃菱形内孔套管；3）对芯棒的包层进行机械加工，将芯棒放置在沉积后的石英玻璃套管中，使芯棒的包层的圆形外表面与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，组合构成保偏光纤预制棒；4）对保偏光纤预制棒进行熔缩和拉伸处理，对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光，形成可拉丝的保偏预制棒；5）将保偏预制棒拉锥、拉丝成椭圆芯保偏光纤。

2.根据权利要求1所述的椭圆芯保偏光纤制造方法，其特征在于，步骤3）中所述对芯棒的包层进行机械加工，具体为对芯棒的包层沿轴向进行均匀切削或切割或磨削。

3.根据权利要求2所述的椭圆芯保偏光纤制造方法，其特征在于，步骤3）中对芯棒的包层沿轴向进行均匀磨削之后，对磨削面进行抛光和研磨；步骤4）中对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光之后，进行研磨。

4.根据权利要求1或2所述的椭圆芯保偏光纤制造方法，其特征在于，对于纯石英玻璃菱形内孔套管，其菱形的长、短轴长度之比f的范围为2:1~6:1。

5.根据权利要求4所述的椭圆芯保偏光纤制造方法，其特征在于，将保偏光纤预制棒在拉伸塔上高温熔缩、拉伸成一根完整的保偏预制棒，保偏预制棒经过外圆整形成为标准外圆结构。

6.一种椭圆芯保偏光纤，其特征在于，用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括包层和芯层，芯层直径为0.1~8mm，掺杂元素为锗，相对折射率差为0.6%~1.5%，包层直径与芯层直径之比为2:1~6:1，包层组分为氟-锗共掺或单掺氟，折射率差为-0.5%~0%；制作横截面为菱形结构的靶棒，将靶棒置于石英玻璃套管的内部，靶棒与石英玻璃套管同轴设置，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，沉积过程完成后，去掉靶棒，形成纯石英玻璃菱形内孔套管；对芯棒的包层进行机械加工，将芯棒放置在沉积后的石英玻璃套管中，使芯棒的包层的圆形外表面与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，组合构成保偏光纤预制棒；对保偏光纤预制棒进行熔缩和拉伸处理，对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光，形成可拉丝的保偏预制棒；将保偏预制棒拉锥、拉丝成椭圆芯保偏光纤。

7.根据权利要求6所述的椭圆芯保偏光纤，其特征在于，对芯棒的包层进行机械加工，具体为对芯棒的包层沿轴向进行均匀切削或切割或磨削。

8.根据权利要求7所述的椭圆芯保偏光纤，其特征在于，对芯棒的包层沿轴向进行均匀磨削之后，对磨削面进行抛光和研磨；对拉伸后的保偏光纤预制棒进行机械外圆打磨及抛光之后，进行研磨。

9.根据权利要求6或7所述的椭圆芯保偏光纤，其特征在于，对于纯石英玻璃菱形内孔套管，其菱形的长、短轴长度之比f的范围为2:1~6:1。

10.根据权利要求9所述的椭圆芯保偏光纤，其特征在于，将保偏光纤预制棒在拉伸塔上高温熔缩、拉伸成一根完整的保偏预制棒，保偏预制棒经过外圆整形成为标准外圆结构。