CN110954987A - 一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤及其制作方法，用于传感、偏振激光器等领域，本发明提供的一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤，包括纤芯、应力区、包层和外部涂层，其特征在于所述纤芯设置为1个，所述应力区设置为2个，所述纤芯横截面为椭圆形，所述纤芯设置于所述包层的中心，所述纤芯横截面中心点位置与所述光纤横截面中心点位置重合，制作方法包括沉积掺硼应力层、刻蚀、沉积过渡包层、纤芯层、收棒、调节芯包比等，该光纤在创新应用领结型应力元，大幅提升光纤单偏振性能的同时，无需进行打孔和应力棒的独立制作，简化制作工艺并降低独立应力元碎裂的风险。
Description
技术领域
本发明属于电缆制作技术领域，具体涉及一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤及其制作方法。
背景技术
普通光纤是对称圆柱体结构设计，但在实际应用中也会受到机械应力变得不对称，产生双折射现象，因此光的偏振态在普通光纤中传输的时候就会毫无规律地变化。变化的主要的影响因素有波长、弯曲度、温度等。保偏光纤可以解决偏振态变化的问题，但它并不能消除光纤中的双折射现象，反而是在通过光纤几何尺寸上的设计，产生更强烈的双折射效应，来消除应力对入射光偏振态的影响。所以保偏光纤一般是应用在对偏振态比较敏感的应用中，如干涉仪，或是激光器，或是用在光源与外调制器之间的连接中等。
单偏振光纤是一种特殊的保偏光纤，它的结构设计使得其只能在某一个偏振方向上进行传播，与其正交方向的模式为截至或泄露，这使得单偏振光纤在使用时具备了起偏器的功能。单偏振光纤可以采用很多不同的工作原理来实现。常见的方法有椭圆芯结构、椭圆芯辅助空气孔、椭圆芯辅助椭圆包层、应力元致偏(包括光子晶体包层结构)等，包括采用领结型结构制作的单偏振光纤进而制作为跳线的产品也较为常见，目的都是引入强的双折射和与偏振相关的截止波长，使得只能传导一个偏振方向的导波，而对于其它偏振态光纤则作为一个泄露波导。
但传统单偏振光纤需要独立沉积应力元并在预制棒上进行应力元打孔的工艺，存在独立应力元碎裂的风险，且限于目前研发工艺只有应用熊猫型应力元的产品，瓶颈在于传统方法制作的领结型保偏光纤的纤芯为圆形，只有采用直接沉积应力元后接沉积纤芯的工艺，该工艺无法控制椭圆纤芯的长短轴方向，无法确保领结型与椭圆芯的致偏效果最大程度地进行叠加，因此仅能依靠应力元产生致偏的效果。领结型应力元已被证实比熊猫型具备更好的应力致偏效果，能够为偏振光提供更好的偏振保持作用，将领结型应力元形成的慢轴与椭圆纤芯形成的慢轴相重合，能够更为集中地将应力施加给纤芯，从而最大程度地提升双折射。
发明内容
本发明目的在于提供一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤及其制作方法，从而用于传感、偏振激光器等领域，该光纤在创新应用领结型应力元，大幅提升光纤单偏振性能的同时，无需进行打孔和应力棒的独立制作，简化制作工艺并降低独立应力元碎裂的风险。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤，包括纤芯、应力区、包层和外部涂层，其特征在于：所述纤芯设置为1个，所述应力区设置为2个，所述纤芯横截面为椭圆形，所述纤芯设置于所述包层的中心，所述纤芯横截面中心点位置与所述光纤横截面中心点位置重合，所述2个应力区对称分布在椭圆形的纤芯沿短轴方向的两侧实现应力区型双折射现象且置于包层中，所述包层外侧设置外部涂层。
进一步的，所述椭圆形的纤芯横截面长轴和短轴的尺寸比例为1:1～4:1。
进一步的，所述光纤为单模光传导模式光纤。
进一步的，所述应力区为圆形硼硅玻璃，所述应力区距离纤芯最近的距离为5～20微米，所述应力区短边长度为5～10微米且长边的长度为 15～50微米，所述应力区短边与长边的距离为15～60微米，所述圆形硼硅玻璃材料硼元素掺杂浓度为0.5wt％～2wt％，所述应力区相对石英玻璃折射率差为-0.008～-0.015。
进一步的，所述外部涂层包括光纤内层涂料和光纤外层涂料，所述光纤内层涂料为低折射率环氧树脂或低折射率丙烯酸树脂或低折射率聚砜树脂，所述光纤外层涂料为高折射率聚氨酯树脂、高折射率丙烯酸树脂、高折射率聚酰亚胺树脂。
一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采用化学气相沉积法在石英管内沉积掺硼应力层；
步骤二，采用对称热源将掺硼应力层中1/3～1/2掺硼区域刻蚀；
步骤三，沉积过渡包层；
步骤四，沉积纤芯层；
步骤五，收棒，并在收实前的4-6次收缩过程中通过调节管内负压实现纤芯的椭圆形状；
步骤六，对光纤进行套管，调节芯包比；
步骤七，对光纤预制棒进行工拉丝，最终在光纤预制棒外侧设置外部涂层，制成所述椭圆芯领结型单偏振结构光纤。
进一步的，所述步骤五中调节负压时，第一次往返的负压应该在最终负压值的1/5至1/4，第二次往返的负压应为最终负压值的1/3至1/2，从第三个往返开始负压值设置为最终负压值，椭圆芯的短轴应与应力元中心连线相重合。
进一步的，所述步骤三中过渡包层的折射率应使得纤芯数值孔径在0.05 至0.08之间。
进一步的，所述步骤五中负压应使得椭圆形的纤芯横截面长轴和短轴的尺寸比例为1:1～4:1。
进一步的，所述步骤二中热源为电热装置。
本发明可带来以下有益效果：
本发明采用椭圆纤芯辅助领结型应力元的结构实现高双折射，进而达到性能优异的单偏振性能，同时，采用应力元沉积与椭圆纤芯沉积在同一道工序中连续完成的工艺方法，避免了独立沉积应力元并在预制棒上进行应力元打孔的工艺，既简化了工艺又利于提升产品成品率，应用领结型应力元能够为偏振光提供更好的偏振保持作用，将领结型应力元形成的慢轴与椭圆纤芯形成的慢轴相重合，能够最大程度地提升双折射。
本专利在制作过程中，在刻蚀掉多余应力元后通过对管内负压的精密微调实现纤芯的短轴方向与应力元中心连线相重合，从而实现了应力致偏与形状致偏的最大程度的叠加，提高光纤的单偏振性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明椭圆芯领结型单偏振光纤的结构图；
图2是本发明沉积的应力元结构图；
图3是本发明应力元被部分刻蚀后的结构图；
图4是本发明过渡包层沉积结构图；
图5是本发明纤芯沉积结构图；
图6是本发明未收实的椭圆纤芯结构图；
图7是本发明收实的椭圆芯及应力元结构图；
图8是本发明椭圆芯领结型单偏振光纤制作方法工艺流程图；
图中，1：纤芯，2：应力区，3：包层，4：光纤内涂层，5：光纤外涂层，6：加热源，7：过渡包层。
具体实施方式
为进一步阐述本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤及其制作方法具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
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领结型单偏振光纤构成如图1所示；
本发明实施例中，提供一种椭圆芯领结型单偏振光纤，包括纤芯、应力区、包层和外部涂层，纤芯设置为1个，应力区设置为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沿短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，包括内层涂料4与外层涂料5，外层涂料5为低折射率环氧树脂或低折射率丙烯酸树脂或低折射率聚砜树脂，光纤外层涂料为高折射率聚氨酯树脂、高折射率丙烯酸树脂、高折射率聚酰亚胺树脂。
其中，在本领域中，低折射率是指折射率低于石英包层的折射率(石英包层的折射率通常为1.4571)，高折射率是指折射率高于石英包层的折射率。
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。
椭圆形的纤芯横截面长轴和短轴的尺寸比例为1:1～4:1。
本实施例中，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。
本实施例中，应力区为圆形硼硅玻璃，应力区距离纤芯最近的距离为 5～20微米，应力区短边长度为5～10微米，应力区长边的长度为15～50 微米，应力区短边与长边的距离为15～60微米，硼元素掺杂浓度为0.5wt％～2wt％，应力区相对石英玻璃折射率差为-0.008～-0.015，光纤的双折射性能由纤芯的长短轴比和应力区大小、应力区离纤芯距离以及硼元素掺杂浓度共同决定。
实施例1：一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤制作方法，包括以下步骤：
步骤一，采用改进化学气相沉积Modified Chemical Vapor Deposition(MCVD)技术或者炉子化学气相沉积Furnace Chemical Vapor Deposition(FCVD)技术在石英管内沉积掺硼应力层，沉积3层，流量参数如下：
| 原材料名称 | 流量ml/min |
| O<sub>2</sub> | 1900～2200 |
| He | 1900～2200 |
| SiCl<sub>4</sub> | 1100 |
| BCl<sub>3</sub> | 30 |
步骤二，采用火焰喷灯对应力层进行刻蚀抛光，石英管不转动，主要参数如下：
步骤三，沉积过渡包层，在高温火焰下通过在自转的石英管内四氯化硅与氧气反应生成氧化硅并冷凝沉积在石英管的内壁，随后在火焰的加热下玻璃化为均匀的玻璃体过渡包层，作用为与纤芯构成目标数值孔径，同时避免应力层中的硼元素扩散至纤芯导致纤芯损耗增加,主要参数如下：
| 原材料名称 | 流量ml/min |
| O<sub>2</sub> | 1900～2200 |
| He | 2000 |
| SiCl<sub>4</sub> | 1100 |
| 沉积管自旋转速度(rpm) | 50 |
| 火焰灯移动速度(mm/min) | 50 |
| 火焰灯往返移动次数 | 1 |
步骤四，沉积纤芯层，在高温火焰下通过在自转的石英管内四氯化硅、四氯化锗与氧气反应生成氧化硅、氧化锗并冷凝沉积在石英管的内壁，随后在火焰的加热下玻璃化为均匀的玻璃纤芯，主要参数如下：
| 原材料名称 | 流量ml/min |
| O<sub>2</sub> | 1900～2200 |
| He | 1900～2200 |
| SiCl<sub>4</sub> | 200 |
| GeCl<sub>4</sub> | 500 |
| 沉积管自旋转速度(rpm) | 50 |
| 火焰灯移动速度(mm/min) | 50 |
| 火焰灯往返移动次数 | 5 |
步骤五，收棒，通过调节石英管内壁的压力，使得在高温加热下的空心预制棒逐步收缩为实心的预制棒。合适的负压可以控制最终收缩成的纤芯是圆形或是椭圆形。本案中，采用的负压值将使得纤芯为椭圆形。椭圆芯的短轴与长轴比为4:1，主要参数如下：
步骤六，根据需要选择对光纤进行套管，调节芯(短轴)包比至6:125；
步骤七，对光纤预制棒进行工拉丝，内涂层为低折射率丙烯酸树脂，外涂层为高折射率丙烯酸树脂，制成所述椭圆芯领结型单偏振光纤，短轴 6微米，长轴24微米，包层直径125微米，外部涂层外径245微米。
实施例2：一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤制作方法，包括以下步骤：
步骤一，采用Modified Chemical Vapor Deposition(MCVD)技术或者FurnaceChemical Vapor Deposition(FCVD)技术在石英管内沉积掺硼应力层，沉积3层，流量参数如下：
| 原材料名称 | 流量ml/min |
| O<sub>2</sub> | 1900～2200 |
| He | 1900～2200 |
| SiCl<sub>4</sub> | 1200 |
| BCl<sub>3</sub> | 50 |
步骤二，采用火焰喷灯对应力层进行刻蚀抛光，石英管不转动，主要参数如下：
| 参数 | 数值 |
| 火焰抛光温度(℃) | 1800 |
| SF<sub>6</sub>流速(ml/min) | 200 |
| 沉积管自旋转速度(rpm) | 0 |
| 火焰灯移动速度(mm/min) | 150 |
| 火焰灯往返移动次数 | 3 |
步骤三，沉积过渡包层，主要参数如下：
| 原材料名称 | 流量ml/min |
| O<sub>2</sub> | 1900～2200 |
| He | 1900～2200 |
| SiCl<sub>4</sub> | 1100 |
步骤四，沉积纤芯层，主要参数如下：
步骤五，收棒，椭圆芯的短轴与长轴比为2:1，主要参数如下：
| 缩棒温度(℃) | 2300 |
| 沉积管自旋转速度(rpm) | 50 |
| 喷灯往返次数 | 3 |
| 管内压力(torr) | -3 |
| 喷灯第一次往返移动速度(mm/min) | 10 |
| 喷灯第二次往返移动速度(mm/min) | 5 |
| 喷灯第三次往返移动速度(mm/min) | 2 |
步骤六，根据需要选择对光纤进行套管，调节芯(短轴)包比至1:20；
步骤七，对光纤预制棒进行工拉丝，内涂层为低折射率环氧树脂，外涂层为高折射率聚氨酯树脂，制成所述椭圆芯领结型单偏振光纤，短轴20 微米，长轴40微米，包层直径400微米，外部涂层外径550微米，其中内涂层材料为折射率1.360-1.380的涂料。
实施例3：椭圆芯领结型单偏振光纤的制作方法包括以下步骤
步骤一，采用Modified Chemical Vapor Deposition(MCVD)技术或者FurnaceChemical Vapor Deposition(FCVD)技术在石英管内沉积掺硼应力层，沉积4层，流量参数如下：
| 原材料名称 | 流量ml/min |
| O<sub>2</sub> | 1900～2200 |
| He | 1900～2200 |
| SiCl<sub>4</sub> | 1000 |
| BCl<sub>3</sub> | 40 |
步骤二，采用火焰喷灯对应力层进行刻蚀抛光，石英管不转动，主要参数如下：
步骤三，沉积过渡包层，主要参数如下：
| 原材料名称 | 流量ml/min |
| O<sub>2</sub> | 1900～2200 |
| He | 1900～2200 |
| SiCl<sub>4</sub> | 1100 |
步骤四，沉积纤芯层，主要参数如下：
| 原材料名称 | 流量ml/min |
| O<sub>2</sub> | 1900～2200 |
| He | 1900～2200 |
| SiCl<sub>4</sub> | 200 |
| GeCl<sub>4</sub> | 500 |
步骤五，收棒，纤芯的短轴与长轴比为1:1，主要参数如下：
| 缩棒温度(℃) | 2300 |
| 沉积管自旋转速度(rpm) | 50 |
| 喷灯往返次数 | 5 |
| 管内压力(torr) | -1 |
| 喷灯第一次往返移动速度(mm/min) | 10 |
| 喷灯第二次往返移动速度(mm/min) | 5 |
| 喷灯第三次往返移动速度(mm/min) | 2 |
| 喷灯第四次往返移动速度(mm/min) | 2 |
| 喷灯第五次往返移动速度(mm/min) | 2 |
步骤六，根据需要选择对光纤进行套管，调节芯(短轴)包比至25:400；
步骤七，对光纤预制棒进行工拉丝，内涂层为低折射率聚砜树脂，外涂层为高折射率聚酰亚胺树脂，制成所述椭圆芯领结型单偏振光纤，短轴 25微米，长轴25微米，包层直径400微米，外部涂层外径550微米，其中内涂层材料为折射率1.360-1.380的涂料。
图2-图7分别说明了椭圆芯领结型单偏振光纤制作方法工艺中，应力元及纤芯的结构变化。
采用上述方法制作的几款光纤的实测消光比如下：
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤，包括纤芯、应力区、包层和外部涂层，其特征在于：所述纤芯设置为1个，所述应力区设置为2个，所述纤芯横截面为椭圆形，所述纤芯设置于所述包层的中心，所述纤芯横截面中心点位置与所述光纤横截面中心点位置重合，所述2个应力区对称分布在椭圆形的纤芯沿短轴方向的两侧实现应力区型双折射现象且置于包层中，所述包层外侧设置外部涂层。
2.如权利要求1所述的一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤，其特征在于：所述椭圆形的纤芯横截面长轴和短轴的尺寸比例为1:1～4:1。
3.如权利要求1或2所述的一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤，其特征在于：所述光纤为单模光传导模式。
4.如权利要求3所述的一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤，其特征在于：所述应力区为圆形硼硅玻璃，所述应力区距离纤芯最近的距离为5～20微米，所述应力区短边长度为5～10微米且长边的长度为15～50微米，所述应力区短边与长边的距离为15～60微米，所述圆形硼硅玻璃材料硼元素掺杂浓度为0.5wt％～2wt％，所述应力区相对石英玻璃折射率差为-0.008～-0.015。
5.如权利要求4所述的一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤，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，所述光纤内层涂料为低折射率环氧树脂或低折射率丙烯酸树脂或低折射率聚砜树脂，所述光纤外层涂料为高折射率聚氨酯树脂、高折射率丙烯酸树脂、高折射率聚酰亚胺树脂。
6.一种椭圆芯领结型单偏振结构光纤制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采用化学气相沉积法在石英管内沉积掺硼应力层；
步骤二，采用对称热源将掺硼应力层中1/3～1/2掺硼区域刻蚀；
步骤三，沉积过渡包层；
步骤四，沉积纤芯层；
步骤五，收棒，并在收实前的4-6次收缩过程中通过调节管内负压实现纤芯的椭圆形状；
步骤六，对光纤进行套管，调节芯包比；
步骤七，对光纤预制棒进行工拉丝，最终在光纤预制棒外侧设置外部涂层，制成所述椭圆芯领结型单偏振结构光纤。
7.一种如权利要求6所述的椭圆芯领结型单偏振结构光纤制作方法，其特征在于：所述步骤五中调节负压时，第一次往返的负压应该在最终负压值的1/5至1/4，第二次往返的负压应为最终负压值的1/3至1/2，从第三个往返开始负压值设置为最终负压值，椭圆芯的短轴应与应力元中心连线相重合。
8.一种如权利要求6或7所述的椭圆芯领结型单偏振结构光纤制作方法，其特征在于：所述步骤三中过渡包层的折射率应使得纤芯数值孔径在0.05至0.08之间。
9.一种如权利要求8所述的椭圆芯领结型单偏振结构光纤制作方法，其特征在于：所述步骤五中负压应使得椭圆形的纤芯横截面长轴和短轴的尺寸比例为1:1～4:1。
10.一种如权利要求6或7所述的椭圆芯领结型单偏振结构光纤制作方法，其特征在于：所述步骤二中热源为电热装置。
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