CN107311445B - 一种保偏光纤预制棒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保偏光纤预制棒，预制棒包含有拉丝预成锥变径形变段，拉丝预成锥变径形变段的最顶部为开孔设计，在拉丝掉头的过程中，可以释放被封闭受热的气体，防止头端的膨胀鼓泡，实现双对称孔的拉丝技术工艺。同时预制棒包含有尾管延伸扩口拉丝夹持段，通过对延伸尾管段的尾端进行扩口，可以对延伸尾管的尾端进行变径设计，从而实现其拉丝过程中的夹持功能和清洗干燥过程中的悬挂夹持功能，优化各工序的流转处置能力，确保在悬挂、清洗、拉丝夹持等操作工序，不引起拉丝有效区域的损伤和污染，在靠近延伸尾管段的尾端还需要设计磨砂散热段，在拉丝夹持的过程中，将拉丝炉中的高温热量进行阻隔，防止夹头部分导热过热，损伤控制部件。

Description

一种保偏光纤预制棒

技术领域

本发明涉及一种保偏光纤预制棒，属于光纤技术领域。

背景技术

保偏光纤，即偏振保持光纤，用于传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域，在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量；保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤电流互感器，光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信***，是一种具有广泛应用价值的特种光纤类型。应力双折射保偏光纤主要有领结型保偏光纤、熊猫型保偏光纤和椭圆包层型保偏光纤三种。其中，熊猫型保偏光纤应用得最为广泛，其结构包括纤芯、应力区和包层部分，其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，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。在设计上，主要靠改变两个对称的圆柱应力区的结构和应力掺杂来对保偏光纤的双折射性能进行调节。

在中国专利201610412177.1中描述了一种保偏光纤的制备方法，使用预制模具注入二氧化硅液体，获得石英半割套管，通过打磨熔融，再注入二氧化硅与三氧化二硼的混合粉末组合成熊猫型保偏光纤预制棒；并未对预制棒的具体设计结构和尺寸参数进行详细描述，也未提供直接可供拉丝的成型预制棒。在中国专利201610457293.5中描述了一种熊猫保偏光纤预制棒的制备方法，使用纳米孔二氧化硅粉体加入到稀土和共掺离子无机盐溶液中形成悬浮液，未提供具体成型预制棒参数和可供拉丝预制棒。在中国专利201610599525.0中描述了一种椭圆芯熊猫保偏光纤及其制备方法，采用扁平打磨拉伸对预制棒进行成型，仍未对预制棒径向方向的结构设计和参数设计进行详细规范，此部分设计对后续的光纤拉制有着关键的影响作用。在中国专利201310658276.4中描述了一种保偏光纤预制棒的制造装置和制造方法，使用设计装置对预制件进行组装固定，同样采用外喷的方法制备熊猫保偏光纤预制棒，并非采用预制打孔的方式进行预制棒的设计和制备。在中国专利201510017430.9中描述了一种保偏光纤的制造方法，但仅对领结型保偏光纤的结构设计进行了描述，同时采用了非圆组装结构进行拼装，有比较大的间隙。在中国专利200410012671.6中描述了一种保偏光纤的制造方法，主要描述的是一种熊猫型保偏光纤预制棒的拼装方法，采用了方形的芯设计，在圆形和方形接合面较难保持应力结构设计；同时也没有描述预制棒详细结构设计参数。在中国专利200810197409.1中描述了一种保偏光纤的制造方法，主要描述的是对熊猫型保偏光纤打孔预制棒的外圆修整，使得应力棒与孔的间隙，能够通过外圆的修整得到补偿，从而保证保偏光纤的包层不圆度，同时确保机械强度不收到劣化；未对预制棒的拉丝延伸拉锥段的工艺进行描述，未能从工艺设计上提出解决光纤包层不圆度优化的方法，增加了制造工序，提升了质量控制风险。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种保偏光纤预制棒，一方面能够满足熊猫型保偏光纤的结构性能的设计要求，另一方面针对具体的光纤拉制环节进行详细的预制棒径向构造和尺寸参数的完整设计以优化一体化成型预制棒设计完成拉丝光纤参数的实现。利用本发明的预制棒成品可直接进行熊猫型保偏光纤的生产拉制，避免拉丝过程中的光纤包层不圆度的劣化、结构变形和操作实施限制，达到拉丝光纤参数指标要求，同时提高预制棒拉丝的生产产出率。

本发明的目的是这样实现的：

一种保偏光纤预制棒，它包括打孔拉丝成纤段、延伸尾管段、尾管延伸扩口的拉丝夹持段、拉丝预成锥变径的形变段；

其中打孔拉丝成纤段包含纤芯和包层部分，所述包层部分包覆在纤芯***，并且包层部分中还设有对称双孔，所述对称双孔相对于纤芯对称布置；

所述延伸尾管段设于打孔拉丝成纤段后部，延伸尾管段与打孔拉丝成纤段平行，拉丝夹持段是延伸尾管段的尾端一部分，拉丝夹持段呈喇叭状，其外侧口径大于内侧口径，所述拉丝预成锥变径的形变段是打孔拉丝成纤段的头端一部分，形变段呈喇叭状，其外侧口径小于内侧口径，形变段的最顶端锥头采用开口设计，其表面为双孔开口面，此外延伸尾管段在靠近尾端处还设有磨砂散热段。

所述形变段的锥变形区顶端直径D6∈（1mm，12mm），形变段的锥变形区过渡长度L6∈（40mm，80mm），形变段的最顶端锥头采用开口设计，要求对称双孔开口面的直径D8∈（1mm，5mm）。

所述拉丝夹持段扩口尾端直径D5∈（32mm，65mm）。

所述磨砂散热段的长度L7∈（10mm，200mm），磨砂散热段中心点与尾管延伸扩口拉丝夹持段的扩口最尾端的距离L57∈（200mm，500mm）。

所述延伸尾管段的管内径D4∈（22mm，58mm），长度L4∈（300mm，800mm），延伸尾管段的管外径与预制棒拉丝打孔成纤段的长棒外径D1的尺寸一致，D1∈（30mm，60mm）。

所述纤芯的直径D2∈（1mm，5mm），长度L1∈（200mm，600mm），对称双孔的直径D3∈（10mm，20mm），对称双孔的双孔内边距T2∈（1.5mm，10mm），拉丝成纤段（101）的外圆边与对称双孔的孔外圆边的边距T3∈（2mm，5mm）。

所述延伸尾管段使用火焰或电炉或等离子体加热与打孔拉丝成纤段进行对接，熔缩在一起，形成一体化的成型预制棒结构。

拉丝夹持段通过热源进行尾端加热，然后采用机械扩口的方式，实现尾端扩口，夹持预制棒进行拉丝的功能。

形变段通过热源进行头端加热，采用熔融延伸的办法进行预成锥变径段的形变结构，实现双孔拉丝变径设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、预制棒打孔拉丝成纤段的头端采取了预成锥变径加工设计，对准备拉丝成光纤的预制棒进行了头端对称双孔延伸预成锥设计加工，从而对拉丝预制棒的变径区域进行了形状的预成型，引导后端的对称双孔双插应力棒的打孔插棒拉丝段按照预成锥的锥形设计进行变形和变径，从而优化拉丝成形光纤的包层不圆度参数，在不采取整形的情况下达到优质包层不圆度的光纤结构形状；

2、预制棒打孔拉丝成纤段的头端采取了预成锥变径加工设计，通过变径形变的形状比例设计，对双插孔的应力棒进行了位置固定，防止应力棒在拉丝掉头过程中的位移或下坠，保持了保偏光纤的形状设计；

3、预制棒打孔拉丝成纤段的头端采取了预成锥变径加工设计，通过变径形变顶端的开孔设计，确保整个对称双孔贯通预制棒整体，形成了气流的通畅，在拉丝掉锥阶段，随着预制棒在拉丝炉内温度的不断上升，打通了受热气体的膨胀通道，释放膨胀压力，防止鼓泡炸锥对双插孔的应力棒进行了位置固定，防止应力棒在拉丝掉头过程中的位移或下坠，保持了保偏光纤的形状设计；

4、预制棒的延伸尾管段与打孔成纤段使用火焰、电炉、等离子体加热等热源进行对接，确保拉丝操作过程的稳固，延伸尾管段的尾端采取了扩口的设计，通过扩口尾端的尺寸结构设计，使得整个拉丝成型预制棒在酸洗、碱洗、干燥的过程中能够进行压紧、悬挂、倒挂等操作，并不损伤和污染打孔拉丝段的有效拉丝部分。在拉丝的过程中，夹棒可以对扩口端进行夹持，这样在进行大尺寸双孔预制棒拉丝的过程中，不会由于棒自重过大无法夹持。

5、预制棒的延伸尾管段的尾端采取了扩口和散热磨砂段的设计，通过散热磨砂段的长度、距离等的设置，能够避开夹持装置的导热，防止拉丝炉内的高温传导到夹持装置上，避免了电动控制装置的热老化，也防止了管内密封橡胶圈的受热老化。

6、本发明所描述的拉丝成型预制棒，可以完整地实现整个保偏光纤的拉丝工序，优化拉制光纤的包层不圆度、筛选强度、拉丝断线率等几何和机械强度性能，同时确保保偏光纤的偏振性能。

附图说明

图1为本发明一种保偏光纤预制棒的整体结构简图。

图2为本发明一种保偏光纤拉丝成型预制棒的尾端侧视示意图。

图3为本发明一种保偏光纤拉丝成型预制棒的尾端侧视的结构设计图。

其中：打孔拉丝成纤段101，纤芯102、对称双孔103、延伸尾管段104、拉丝夹持段105、形变段106、散热磨砂段107、双孔开口面108、包层部分109。

具体实施方式

参考图1至图3，本发明提供一种保偏光纤预制棒，它包括打孔拉丝成纤段101、延伸尾管段104、尾管延伸扩口的拉丝夹持段105、拉丝预成锥变径的形变段106。

其中打孔拉丝成纤段101是熊猫型保偏光纤拉丝成型预制棒的拉丝主体，主体段可拉制成熊猫型保偏光纤，该打孔拉丝成纤段101包含纤芯102和包层部分109，所述包层部分109包覆在纤芯102***，并且包层部分109中还设有对称双孔103，所述对称双孔103相对于纤芯102对称布置，其中纤芯102为掺杂石英芯层，在保偏光纤母棒进行双对称打孔，实现熊猫型的结构，在母棒中***设计的应力棒，可实现熊猫型保偏光纤应力型的光纤结构设计。

所述延伸尾管段104设于打孔拉丝成纤段101后部，延伸尾管段104与打孔拉丝成纤段101平行，该延伸尾管段104使用火焰、电炉、等离子体加热等热源与打孔拉丝成纤段101进行对接，熔缩在一起，形成一体化的成型预制棒结构，尾管延伸扩口的拉丝夹持段105是延伸尾管段104的尾端一部分，尾管延伸扩口的拉丝夹持段105呈喇叭状，其外侧口径大于内侧口径，通过热源进行尾端加热，然后采用机械扩口的方式，实现尾端扩口，夹持预制棒进行拉丝的功能，所述拉丝预成锥变径的形变段106是打孔拉丝成纤段101的头端一部分，拉丝预成锥变径的形变段106呈喇叭状，其外侧口径小于内侧口径，通过热源进行头端加热，采用熔融延伸的办法进行预成锥变径段的形变结构，实现双孔拉丝变径设计，确保变径比例满足工艺要求，减少预制棒的几何形变，优化拉丝光纤的包层不圆度参数性能，拉丝预成锥变径的形变段106的最顶端锥头采用开口设计，其表面为双孔开口面108。

其中拉丝预成锥变径的形变段106通过对打孔拉丝成纤段101的头端进行预成锥变径的设计，可以对预制棒拉丝变径的过程进行预设计，调整双对称孔结构的结构形变程度，确保在拉丝过程中由于表面张力导致的对称双孔结构变形量受到控制。预成锥变径的设计可以有效实现应力棒的安装，在头端挡住应力棒，防止应力棒在拉丝过程中的位移，从而确保拉丝应力双折射的实现。最后拉丝预成锥变径的形变段106的最顶部为开孔设计，在拉丝掉头的过程中，可以释放熊猫型保偏光纤拉丝成型预制棒头端被封闭受热的气体，防止头端的膨胀鼓泡，实现双对称孔的拉丝技术工艺。

尾管延伸扩口的拉丝夹持段105通过对延伸尾管段104的尾端进行扩口的设计，可以对延伸尾管的尾端进行变径设计，从而实现延伸尾管的拉丝过程中的夹持功能和清洗干燥过程中的悬挂夹持功能。优化各工序的流转处置能力，确保在悬挂、清洗、拉丝夹持等操作工序，不引起对预制棒拉丝有效区域的损伤和污染。

此外延伸尾管段104在靠近尾端处还设有磨砂散热段107，磨砂散热段107用于在拉丝夹持的过程中，将拉丝炉中的高温热量进行阻隔，防止夹头部分导热过热，损伤控制器件。

延伸尾管段104、尾管延伸扩口的拉丝夹持段105、拉丝预成锥变径的形变段106、磨砂散热段107是熊猫型保偏光纤拉丝成型预制棒的协同设计部分。

所述形变段106通过对打孔拉丝成纤段101的头端进行预成锥变径加工制得，其中形变段106的锥变形区顶端直径D6∈（1mm，12mm），形变段106的锥变形区过渡长度L6∈（40mm，80mm），形变段106的最顶端锥头采用开口设计，要求对称双孔开口面108的直径D8∈（1mm，5mm）。

所述尾管延伸扩口的拉丝夹持段105通过对延伸尾管段104的尾端进行扩口加工制得，其中尾管延伸扩口拉丝夹持段105扩口尾端直径D5∈（32mm，65mm）。

所述磨砂散热段107的长度L7∈（10mm，200mm），磨砂散热段107中心点与尾管延伸扩口拉丝夹持段105的扩口最尾端的距离L57∈（200mm，500mm）。

所述延伸尾管段104的管内径D4∈（22mm，58mm），长度L4∈（300mm，800mm），延伸尾管段104的管外径与预制棒拉丝打孔成纤段101的长棒外径D1的尺寸一致，D1∈（30mm，60mm），打孔拉丝成纤段101与延伸尾管段104使用火焰、电炉、等离子体加热等热源进行对接，熔缩在一起，形成一体化的成型预制棒结构。

所述打孔拉丝成纤段101的纤芯102的直径D2∈（1mm，5mm），长度L1∈（200mm，600mm），对称双孔103的直径D3∈（10mm，20mm），预制棒打孔拉丝成纤段101的对称双孔103的双孔内边距T2∈（1.5mm，10mm），预制棒打孔拉丝成纤段101的外圆边与对称双孔103的孔外圆边的边距T3∈（2mm，5mm）。

打孔拉丝成纤段101头端进行预成锥变径，尾端进行扩口磨砂设计的熊猫型保偏光纤拉丝成型预制棒，所述打孔拉丝成纤段101的对称双孔103填充应力棒按设计要求，完全对称***孔中，形成应力型保偏光纤预制棒结构。再由拉丝制得熊猫型保偏光纤成品。

本发明实施例1：

头端进行预成锥变径，尾端进行扩口磨砂设计的熊猫型保偏光纤拉丝成型预制棒。包括：

拉丝预成锥变径形变段106的锥变形区顶端直径D6为6mm，拉丝预成锥变径形变段106的锥变形区过渡长度L6为30mm，拉丝预成锥变径形变段106的最顶端锥头开口，对称双孔开口面108的直径D8为2mm；尾管延伸扩口拉丝夹持段105扩口尾端直径D5为43mm，磨砂散热段107的长度L7为120mm，磨砂散热段107中心点与尾管延伸扩口拉丝夹持段105的扩口最尾端的距离L57为300mm；延伸尾管段104的管内径D4为36mm，长度L4为600mm，延伸尾管段104的管外径与预制棒拉丝打孔成纤段101的长棒外径D1的尺寸一致，D1为40mm，打孔拉丝成纤段101与延伸尾管段104使用火焰、电炉、等离子体加热等热源进行对接，熔缩在一起，形成一体化的成型预制棒结构；打孔拉丝成纤段101的纤芯102的直径D2为2.6mm，长度L1为400mm，对称双孔103的直径D3为13mm，预制棒打孔拉丝成纤段101的对称双孔103的双孔内边距T22为4mm，预制棒打孔拉丝成纤段101的外圆边与对称双孔103的孔外圆边的边距T31为5mm。

采用以上设计结构参数和制备工艺，配合双应力棒对称双插，拉丝制备出的应力型保偏光纤是一种熊猫型保偏光纤的结构，其实现的主要双折射性能、拉丝断纤率参数、筛选强度、单根棒拉丝纤长、包层不圆度参数如下：

包层不圆度：0.9%；

单根棒拉丝有效纤长：55km；

筛选强度：100Kpsi；

偏振串音：在1550nm工作波长达到-30.2dB/km；

本发明实施例2～6：

采用实施例1所描述的制备过程和工艺流程，通过改变头端进行预成锥变径，尾端进行扩口等功能区域的结构设计，制得如下5种实施例的熊猫型保偏光纤拉丝成型预制棒，并拉制成熊猫型保偏光纤产品，其设计结构与实现的拉丝和光纤性能参数如下表1所述：

表1：

光纤参数	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
						拉丝预成锥变径形变段（106）的锥变形区顶端直径D6（mm）	15	12	4	16	15
拉丝预成锥变径形变段（106）的锥变形区过渡长度L6（mm）	50	40	60	90	60
						对称双孔开口面（108）的直径D8（mm）	4	3	1	7	5
尾管延伸扩口拉丝夹持段（105）扩口尾端直径D5（mm）	53	59	32	65	62
						磨砂散热段（107）的长度L7（mm）	220	240	30	260	170
磨砂散热段（107）中心点与尾管延伸扩口拉丝夹持段（105）的扩口最尾端的距离L57（mm）	310	380	200	500	400
						拉丝打孔成纤段（101）的长棒外径D1（mm）	50	55	30	60	58
打孔拉丝成纤段（101）的纤芯（102）的直径D2（mm）	3.3	3.6	1	5	4.1
						拉丝打孔成纤段（101）的长棒长度L1（mm）	436	493	200	600	537
对称双孔（103）的直径D3（mm）	16	18	10	20	19
						打孔拉丝成纤段（101）的外圆边与对称双孔（103）的孔外圆边的边距T31（mm）	5	3	2	5	4
制备光纤的包层不圆度（%）	1.1	0.8	0.9	0.7	0.8
						制备光纤的单根棒拉丝有效光纤长度（km）	96	112	49	143	131
制备光纤的筛选强度（Kpsi）	120	115	110	130	120
						制备光纤的偏振串音（@1550nm，dB，1km）	-30.4	-30.3	-31.1	-31.9	-31.6

表1为实施例2～6，五根不同头端进行预成锥变径，尾端进行扩口的结构设计的本发明熊猫型保偏光纤拉丝成型预制棒结构，预制棒的几何结构和各区域的参数大小不同，5根预制棒，采用同样的拉制工艺拉丝制成熊猫型保偏光纤。结果表明5根光纤的1550nm波长处1km长度的偏振串音的参数性能都达到了-30dB以下，不同预制棒直径的单根棒拉丝长度随之变化，对于大直径的预制棒，拉丝长度有效输出效率较高，可达120km以上。本发明的预制棒，在不采取表面几何形状整形的情况下，实现了光纤包层不圆度的优化设计，达到了1.1%以下；同时还保证了拉制光纤的筛选强度均在100Kpsi以上。

另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种保偏光纤预制棒，其特征在于：它包括打孔拉丝成纤段（101）、延伸尾管段（104）、尾管延伸扩口的拉丝夹持段（105）、拉丝预成锥变径的形变段（106）；

其中打孔拉丝成纤段（101）包含纤芯（102）和包层部分（109），所述包层部分（109）包覆在纤芯（102）***，并且包层部分（109）中还设有对称双孔（103），所述对称双孔（103）相对于纤芯（102）对称布置；

所述延伸尾管段（104）设于打孔拉丝成纤段（101）后部，延伸尾管段（104）与打孔拉丝成纤段（101）平行，拉丝夹持段（105）是延伸尾管段（104）的尾端一部分，拉丝夹持段（105）呈喇叭状，其外侧口径大于内侧口径，所述拉丝预成锥变径的形变段（106）是打孔拉丝成纤段（101）的头端一部分，形变段（106）呈喇叭状，其外侧口径小于内侧口径，形变段（106）的最顶端锥头采用开口设计，其表面为双孔开口面（108），此外延伸尾管段（104）在靠近尾端处还设有磨砂散热段（107）。

2.根据权利要求1所述的一种保偏光纤预制棒，其特征在于：所述形变段（106）的锥变形区顶端直径D6∈（1mm，12mm），形变段（106）的锥变形区过渡长度L6∈（40mm，80mm），形变段（106）的最顶端锥头采用开口设计，要求对称双孔开口面（108）的直径D8∈（1mm，5mm）。

3.根据权利要求1所述的一种保偏光纤预制棒，其特征在于：所述拉丝夹持段（105）扩口尾端直径D5∈（32mm，65mm）。

4.根据权利要求1所述的一种保偏光纤预制棒，其特征在于：所述磨砂散热段（107）的长度L7∈（10mm，200mm），磨砂散热段（107）中心点与尾管延伸扩口拉丝夹持段（105）的扩口最尾端的距离L57∈（200mm，500mm）。

5.根据权利要求1所述的一种保偏光纤预制棒，其特征在于：所述延伸尾管段（104）的管内径D4∈（22mm，58mm），长度L4∈（300mm，800mm），延伸尾管段（104）的管外径与预制棒拉丝打孔成纤段（101）的长棒外径D1的尺寸一致，D1∈（30mm，60mm）。

6.根据权利要求1所述的一种保偏光纤预制棒，其特征在于：所述纤芯（102）的直径D2∈（1mm，5mm），长度L1∈（200mm，600mm），对称双孔（103）的直径D3∈（10mm，20mm），对称双孔（103）的双孔内边距T2∈（1.5mm，10mm），拉丝成纤段（101）的外圆边与对称双孔（103）的孔外圆边的边距T3∈（2mm，5mm）。

7.根据权利要求1所述的一种保偏光纤预制棒，其特征在于：所述延伸尾管段（104）使用火焰或电炉或等离子体加热与打孔拉丝成纤段（101）进行对接，熔缩在一起，形成一体化的成型预制棒结构。

8.根据权利要求1所述的一种保偏光纤预制棒，其特征在于：拉丝夹持段（105）通过热源进行尾端加热，然后采用机械扩口的方式，实现尾端扩口，夹持预制棒进行拉丝的功能。

9.根据权利要求1所述的一种保偏光纤预制棒，其特征在于：形变段（106）通过热源进行头端加热，采用熔融延伸的办法进行预成锥变径段的形变结构，实现双孔拉丝变径设计。

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