CN106199827A - 一种椭圆芯熊猫型保偏光纤及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种椭圆芯熊猫型保偏光纤及其制作方法，保偏光纤包括纤芯、应力区、包层和外部涂层，纤芯横截面为椭圆形，纤芯设置于包层的中心，纤芯横截面中心点位置与光纤横截面中心点位置重合，2个应力区对称分布在纤芯沿长轴方向的两侧并置于包层中，包层外侧设置外部涂层。制作方法包括步骤：采用CVD法准备芯棒，制备大芯径高数值孔径的芯棒；对芯棒进行扁平打磨拉伸；将芯棒整形成椭圆芯芯棒，长轴方向打孔，短轴方向整形；制备两根应力棒；芯棒、应力棒和纯硅包层形成光纤预制棒，最终对光纤预制棒进行RIT拉丝制成所述椭圆芯熊猫型保偏光纤。本发明光纤损耗低，双折射性能强，温度性能好，在保持偏振性能的同时，增加了可研磨性能。

Description

一种椭圆芯熊猫型保偏光纤及其制作方法

技术领域

本发明属于保偏光纤技术领域，尤其涉及一种椭圆芯熊猫型保偏光纤及其制作方法。

背景技术

干涉式光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器，因为没有活动部件，也称为固态陀螺仪。干涉式光纤陀螺的敏感部件是保偏光纤环和Y型波导，通常保偏光纤环采用熊猫型、领结型、椭圆包层型、椭圆芯型和保偏光子晶体光纤。尽管光纤的设计结构差异较大，但是主要分成两类：(1)应力区型保偏光纤；(2)几何型双折射保偏光纤。其中，应力区型保偏光纤内引入了一对高膨胀系数材料的应力区，对称分布在高折射率的纤芯两边。应力区一般采用硼硅玻璃，取代了石英材料；光纤在高温拉制成型后冷却，不同材料使延应力区轴方向的应力产生变化，同时纤芯的应力区轴方向的相对折射率降低。这种被引入的应力使纤芯有两种折射率而产生双折射。应力区型保偏光纤中存在三种以上的元素，即石英，硼，锗等。石英掺杂材料的热膨胀系数满足：S(d)＝m*Sd+(1-m)S0，它也可以用于掺硼石英材料，其中Sd表示纯B₂O₃玻璃的热膨胀系数，Sd＝10×10^-6/℃，S0为纯石英玻璃的热膨胀系数，S0≈5×10^-7/℃，m表示玻璃中B₂O₃的摩尔含量，其中硼材料热膨胀系数大于石英材料和氧化锗材料，同时硼材料的掺杂摩尔浓度越高，热膨胀系数越大。光纤陀螺如果使用熊猫型保偏光纤，尤其是高掺杂硼材料的应力区型光纤，纤芯的应力会随温度的变化而变化，进而造成光纤陀螺的稳定性差。另一方面，硼材料掺杂过高，尽管光纤的双折射可以提高(10^-3量级)，但是也带来了光纤损耗提高和光纤端面难以研磨处理。几何型双折射保偏光纤使用光纤纤芯快慢轴尺寸不一样的结构，无硼硅玻璃应力区，光纤纤芯材料掺锗，包层材料是纯石英。因为没有应力区的结构，光纤陀螺在温度变化的环境中使用，陀螺输出的零偏较稳定，同时这类光纤的端面容易进行研磨处理，但是几何型双折射保偏光纤的双折射一般并不高(10^-4量级)，不适宜使用在干涉式光纤陀螺环中。

光纤陀螺***互易性光路中使用的是两种截然不同的保偏光纤组成：绕环使用的光纤需要较强的双折射效应，为了实现较强的双折射效应，一般做法是增加应力区的掺杂浓度；而Y型波导尾纤，由于使用时需要研磨，为保证研磨过程应力区不开裂，需降低应力区掺杂浓度。绕环使用的光纤与Y波导尾纤不一样，破坏了光路的互易性，并且两种光纤之间存在熔接点，熔接点会影响偏振串扰，进而影响零偏精度和标度因素。另外，熔接点封装体积大于30mm，也限制了光纤陀螺体积。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有光纤陀螺中绕环和波导所用光纤存在无法一体化的问题，提出一种椭圆芯熊猫型保偏光纤及其制作方法，解决了绕环和波导无法一体化用纤的技术难题，光纤损耗低，双折射性能强，在保持偏振性能的同时，增加了可研磨性能。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种椭圆芯熊猫型保偏光纤，包括纤芯、应力区、包层和外部涂层，其特征在于，纤芯设置1个，应力区设置2个，纤芯横截面为椭圆形(实现几何型双折射特性)，纤芯设置于包层的中心，纤芯横截面中心点位置与光纤横截面中心点位置重合，2个应力区对称分布在椭圆形的纤芯沿长轴方向的两侧(实现应力区型双折射现象)，并置于包层中，包层外侧设置外部涂层。

按上述方案，椭圆形的纤芯横截面长宽比(长轴和短轴的尺寸比例)为2:1～4:1，长宽比持续增加时，制造出的保偏光纤的拍长越短，同时波导支持的光模式增加。

按上述方案，光纤传导的光模式为单模，工作波长由光纤的材料、纤芯横截面的长宽比、应力区折射率差决定。

按上述方案，应力区为圆形硼硅玻璃，应力区的中心点距离纤芯的距离为16～18微米，应力区直径为22～26微米，硼元素掺杂浓度为16％至20％；应力区相对石英玻璃折射率差为-0.010～-0.013，光纤的双折射性能由纤芯的长宽比和应力区直径或应力区硼元素掺杂浓度共同决定。

按上述方案，所述外部涂层包括光纤内层涂料和光纤外层涂料，外部涂层材料和通讯光纤类似(或者根据应用要求换成其他涂层材料)。

本发明还提供了一种上述椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法，包括以下步骤：

步骤一，采用化学气相沉积(CVD)法准备芯棒，利用MCVD或FCVD制备大芯径高数值孔径的芯棒，根据芯径和数值孔径控制光纤的模场直径和截止波长；

步骤二，对芯棒进行扁平打磨拉伸；

步骤三，将芯棒整形成椭圆芯芯棒，在椭圆芯芯棒的长轴方向打孔(根据打孔间距调整光纤应力双折射性能和衰减)，打孔的位置和纤芯的间距越近，光纤的拍长越短，即光纤具有更高的双折射效果；打孔间距越远，效果反之；然后在短轴方向整形，确保光纤包层的圆度；

步骤四，制备两根应力棒，根据步骤三的打孔孔径打磨成圆柱形低掺杂应力棒(根据应力棒芯径控制光纤中应力区直径，从而控制双折射性能)；

步骤五，将椭圆芯芯棒和两根圆柱形应力棒置于纯硅包层中，芯棒、应力棒和包层整体形成光纤预制棒，对光纤预制棒进行套管(RIT)拉丝，最终在光纤预制棒外侧设置外部涂层，制成所述椭圆芯熊猫型保偏光纤。

按上述方案，所述步骤二中芯棒***打磨至合适尺寸后，按照不同芯径打磨比进行长短轴扁平打磨，然后进行拉伸，拉伸过程中，芯区变椭，外圆变圆，根据扁平打磨比例控制光纤芯径长短轴比例，从而控制附加拍长。

按上述方案，所述步骤二中芯棒的芯径打磨比为2:1～4:3，拉伸比例为2:1～4:1。

按上述方案，所述步骤三中芯棒整形成椭圆芯芯棒采用以下三种方式中的任意一种实现：

1)采用圆形套管对芯棒熔缩打孔整形成椭圆芯芯棒，熔缩后在椭圆芯芯棒的长轴方向按照不同间距打孔；

2)采用菱形套管对芯棒熔缩打孔整形成椭圆芯芯棒，熔缩后在椭圆芯芯棒的长轴方向按照不同间距打孔；

3)三孔组合拉丝法，采用纯硅棒打孔整形成椭圆芯芯棒，在椭圆芯芯棒的长轴方向的同一直线上打三个孔，中间为适用于纤芯的小孔，两边为适用于应力棒的大孔。

按上述方案，所述步骤四中应力棒掺杂浓度等同于Y型波导尾光纤应力区掺杂浓度(也可根据应用，灵活调整)。

本发明椭圆芯熊猫保偏光纤相比传统保偏光纤，具有如下有益效果：

1、光纤损耗低，双折射性能强，传统保偏光纤为了保证双折射性能，应力区到芯径距离较近，硼材料扩散造成光纤衰减变大，而本发明中的光纤的纤芯是椭圆形，属于几何型双折射，同样的掺杂浓度的应力区，相对双折射性能等同于或者优于应力区型保偏光纤，可以达到10^-2量级，光纤的输出串音受温度影响小，适用于制作光纤陀螺中的光纤环；几何型双折射和应力区型双折射现象叠加，则可以加大应力区到纤芯距离，从而减少了硼材料扩散引起的附加衰减；

2、达到同样的光纤双折射效果，椭圆芯的长宽比例不需要很大；

3、光纤的切割简单，不易出现切割时应力区开裂；同时光纤可以用来绕制光纤陀螺环，光纤端面也可以研磨处理，解决了绕环纤无法制作波导，波导纤无法满足绕环需求的问题，光纤的双折射性能达到绕环性能要求，其可研磨性符合波导要求，时绕环和波导一体化，可以用于Y型波导的制作；陀螺环和波导光纤使用同一根光纤提高光纤陀螺***的可靠性，同时减小了由于熔接封装而增加的陀螺体积，使得小型化光纤陀螺成为可能；同时，无熔点可保证光路的互易性，且互易性光路中没有熔点引入的偏振串扰，可进一步提高光纤陀螺***的精度；

4、温度性能好，由于芯区为椭圆芯型结构设计，硼硅玻璃应力区的硼掺杂浓度低于同等双折射熊猫光纤，受温度影响较小，低掺杂浓度的硼硅玻璃的热膨胀系数和石英接近，使光纤在绕环后温度敏感性低，适合复杂环境使用要求；

5、普通熊猫光纤制作是先制备芯棒，然后加套管直接熔缩打孔，而本发明椭圆芯熊猫型保偏光纤制作过程是制备芯棒后，先要扁平打磨后拉伸，再熔缩打孔，且打孔位置需特定在椭圆芯长轴方向，芯棒芯包比和套管尺寸也不同于普通熊猫保偏光纤，适合批量生产。

附图说明

图1是本发明椭圆芯型熊猫保偏光纤的结构示意图；

图2是本发明实施椭圆芯型熊猫保偏光纤的光纤预制棒结构示意图；

图3是本发明中光纤制备方法之一的芯棒制备及拉伸示意图；

图中，1-纤芯，2-应力区，3-包层，4-光纤内层涂料，5-光纤外层涂料。

具体实施方式

下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所述的椭圆芯熊猫保偏光纤的光纤预制棒结构构成如图1所示，

本发明实施例中，提供一种椭圆芯熊猫型保偏光纤，包括纤芯1、应力区2、包层3和外部涂层，纤芯设置1个，应力区设置2个，纤芯1横截面为椭圆形(实现几何型双折射特性)，纤芯1设置于包层3的中心，纤芯1横截面中心点位置与光纤横截面中心点位置重合，2个应力区2对称分布在椭圆形的纤芯1沿长轴方向的两侧(实现应力区型双折射现象)，并置于包层3中，包层3外侧设置外部涂层，外部涂层包括光纤内层涂料4和光纤外层涂料5，外部涂层材料和通讯光纤类似或者根据应用要求换成其他涂层材料；几何型双折射和应力区型双折射现象叠加，使保偏光纤的双折射效果更强。图1中，L1为光纤外层涂料5直径，L2为光纤内层涂料4直径，L3为纯硅包层3厚度。

椭圆形的纤芯1横截面长宽比(长轴和短轴的尺寸比例)为2:1～4:1，长宽比持续增加时，制造出的保偏光纤的拍长越短，但是同时波导支持的光模式增加。

光纤传导的光模式为单模，工作波长由光纤的材料、纤芯1横截面的长宽比、应力区2折射率差决定。

应力区2为圆形硼硅玻璃，应力区2的中心点距离纤芯1的距离为16～18微米，应力区2直径为22～26微米，硼元素掺杂浓度为16％至20％；应力区2相对石英玻璃折射率差为-0.010～-0.013，光纤的双折射性能由纤芯1的长宽比和应力区2直径或应力区2硼元素掺杂浓度共同决定，椭圆芯熊猫型保偏光纤各个参数性能如表1所示。

表1椭圆芯熊猫型保偏光纤各个参数性能表

打磨比例	应力区直径	应力区到纤芯距离	应力区掺杂浓度	拍长	损耗@1310
						4:3至2:1	22至26微米	16至18微米	16％至20％	1.5至3.0mm	0.4至0.6

本发明实施例中，还提供几种保偏光纤的制作方法。

实施例1：椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法包括以下步骤：

步骤一，采用Chemical Vapour Deposition(CVD)技术准备芯棒，利用ModifiedChemicalVapour Deposition(MCVD)或Furnace Chemical Vapour Deposition(FCVD)制备大芯径高数值孔径Numerical Aperture(NA)芯棒，根据芯径和数值孔径NA控制光纤的模场直径和截止波长；

步骤二，芯棒扁平打磨拉伸，芯棒***打磨至合适尺寸后，按照不同比例进行长短轴扁平打磨，然后进行拉伸，拉伸过程中，芯区由圆形变椭圆形，外圆变圆，根据扁平打磨比例控制光纤芯径长短轴比例，从而控制附加拍长；

步骤三，如图3所示，熔缩打孔整形，选用合适圆形套管熔缩，熔缩后在长轴方向按照不同间距打孔，打孔的位置和纤芯的间距越近，光纤的拍长越短，即光纤具有更高的双折射效果；打孔间距越远，效果反之；然后在短轴方向整形，确保光纤包层的圆度，根据打孔间距调整光纤应力双折射性能和衰减；

步骤四，应力棒制备，打磨，制备低掺杂应力棒，掺杂浓度根据应用，灵活调整，可以等同于Y型波导尾光纤应力区掺杂浓度，然后按照打孔孔径打磨应力棒，根据应力棒芯径控制光纤中应力区直径，从而控制双折射性能；

步骤五，将椭圆芯芯棒和两根圆柱形应力棒置于纯硅包层中，芯棒、应力棒和包层整体形成光纤预制棒，如图2所示，对光纤预制棒套管RIT拉丝，光纤预制棒组合抽真空拉丝，拉丝工艺和现有保偏光纤类似；最终在光纤预制棒外侧设置外部涂层，制成椭圆芯熊猫型保偏光纤。

实施例2：椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法包括以下步骤：

步骤一，采用CVD技术准备芯棒，制备大芯径高数值孔径NA芯棒，根据芯径和数值孔径NA控制光纤的模场直径和截止波长；

步骤二，芯棒扁平打磨拉伸，芯棒***打磨至合适尺寸后，然后进行拉伸至合适尺寸；

步骤三，熔缩打孔整形，选用合适菱形套管熔缩，熔缩后在长轴方向按照不同间距打孔，然后在短轴方向整形，确保光纤包层的圆度，根据打孔间距调整光纤应力双折射性能和衰减；

步骤四，应力棒制备，打磨，制备低掺杂应力棒，掺杂浓度根据应用，灵活调整，可以等同于Y型波导尾光纤应力区掺杂浓度，然后按照步骤三的打孔孔径打磨应力棒，根据应力棒芯径控制光纤中应力区直径，从而控制双折射性能；

步骤五，光纤预制棒RIT拉丝，光纤预制棒组合抽真空拉丝，拉丝工艺和现有保偏光纤类似；最终在光纤预制棒外侧设置外部涂层，制成椭圆芯熊猫型保偏光纤。

实施例3：椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法包括以下步骤：

步骤一，采用CVD技术准备芯棒，利用MCVD或FCVD制备大芯径高数值孔径NA芯棒，根据芯径和数值孔径NA控制光纤的模场直径和截止波长；

步骤二，芯棒扁平打磨拉伸，芯棒***打磨至合适尺寸后，按照不同比例经行长短轴扁平打磨，然后进行拉伸，拉伸过程中，芯区变椭，外圆变圆，可根据扁平打磨比例控制光纤芯径长短轴比例，从而控制附加拍长；

步骤三，纯硅棒打孔整形，选用在同一直线上打三个孔，中间为小孔，两边为大孔；

步骤四，应力棒制备，打磨，制备低掺杂应力棒，掺杂浓度等同于Y型波导尾光纤应力区掺杂浓度，然后按照打步骤三两边的大孔径打磨应力棒，根据应力棒芯径控制光纤中应力区直径，从而控制双折射性能；

步骤五，光纤预制棒RIT拉丝，光纤预制棒组合抽真空拉丝，拉丝工艺和现有保偏光纤类似；最终在光纤预制棒外侧设置外部涂层，制成椭圆芯熊猫型保偏光纤。

本发明利用椭圆芯光纤的几何双折射效应和熊猫型保偏光纤的应力双折射效应叠加，在不需过大的纤芯长宽比和应力区应力棒掺杂浓度上，既可以达到绕环需要的双折射效应，也可以实现Y型波导尾光纤需要的可研磨性，将绕环使用的光纤与Y型波导尾光纤统一，在互易性光路中无熔点，无熔点封装体积限制，使得小型化光纤陀螺成为可能；同时，无熔点可保证光路的互易性，且没有熔点引入的偏振串扰，可进一步提高光纤陀螺***的精度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种椭圆芯熊猫型保偏光纤，包括纤芯、应力区、包层和外部涂层，其特征在于，纤芯设置1个，应力区设置2个，纤芯横截面为椭圆形，纤芯设置于包层的中心，纤芯横截面中心点位置与光纤横截面中心点位置重合，2个应力区对称分布在椭圆形的纤芯沿长轴方向的两侧，并置于包层中，包层外侧设置外部涂层。

2.根据权利要求1所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤，其特征在于，椭圆形的纤芯横截面长宽比为2:1~4:1，长宽比持续增加时，制造出的保偏光纤的拍长越短，同时波导支持的光模式增加。

3.根据权利要求2所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤，其特征在于，光纤传导的光模式为单模，工作波长由光纤的材料、纤芯横截面的长宽比、应力区折射率差决定。

4.根据权利要求2所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤，其特征在于，应力区为圆形硼硅玻璃，应力区的中心点距离纤芯的距离为16~18微米，应力区直径为22~26微米，硼元素掺杂浓度为16%至20%；应力区相对石英玻璃折射率差为-0.010~-0.013，光纤的双折射性能由纤芯的长宽比和应力区直径或应力区硼元素掺杂浓度共同决定。

5.根据权利要求1所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤，其特征在于，所述外部涂层包括光纤内层涂料和光纤外层涂料，外部涂层材料和通讯光纤类似。

6.一种上述权利要求1~5任一项所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，采用化学气相沉积法准备芯棒，利用MCVD或FCVD制备大芯径高数值孔径的芯棒，根据芯径和数值孔径控制光纤的模场直径和截止波长；

步骤二，对芯棒进行扁平打磨拉伸；

步骤三，将芯棒整形成椭圆芯芯棒，在椭圆芯芯棒的长轴方向打孔，打孔的位置和纤芯的间距越近，光纤的拍长越短，即光纤具有更高的双折射效果；打孔间距越远，效果反之；然后在短轴方向整形，确保光纤包层的圆度；

步骤四，制备两根应力棒，根据步骤三的打孔孔径打磨成圆柱形掺杂应力棒；

步骤五，将椭圆芯芯棒和两根圆柱形应力棒置于纯硅包层中，芯棒、应力棒和包层整体形成光纤预制棒，对光纤预制棒进行套管拉丝，最终在光纤预制棒外侧设置外部涂层，制成所述椭圆芯熊猫型保偏光纤。

7.根据权利要求6所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤二中芯棒***打磨至合适尺寸后，按照不同芯径打磨比进行长短轴扁平打磨，然后进行拉伸，拉伸过程中，芯区变椭，外圆变圆，根据扁平打磨比例控制光纤芯径长短轴比例，从而控制附加拍长。

8.根据权利要求6或7所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤二中芯棒的芯径打磨比为2:1~4:3，拉伸比例为2:1~4:1。

9.根据权利要求6所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤三中芯棒整形成椭圆芯芯棒采用以下三种方式中的任意一种实现：

1）采用圆形套管对芯棒熔缩打孔整形成椭圆芯芯棒，熔缩后在椭圆芯芯棒的长轴方向按照不同间距打孔；

2）采用菱形套管对芯棒熔缩打孔整形成椭圆芯芯棒，熔缩后在椭圆芯芯棒的长轴方向按照不同间距打孔；

3）三孔组合拉丝法，采用纯硅棒打孔整形成椭圆芯芯棒，在椭圆芯芯棒的长轴方向的同一直线上打三个孔，中间为适用于纤芯的小孔，两边为适用于应力棒的大孔。

10.根据权利要求6所述的椭圆芯熊猫型保偏光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤四中应力棒掺杂浓度等同于Y型波导尾光纤应力区掺杂浓度。