CN1632629A - “一”字型保偏光纤及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及“一”字型保偏光纤，其结构由外到里分别是基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，其特征为：应力作用区形状为“一”字长条形。本发明还涉及“一”字型保偏光纤的生产方法。本发明具有保偏光纤的应力作用区小及良好的保偏性能、环境温度适应性、耐弯曲性能和机械强度的优点。

Description

“一”字型保偏光纤及其生产方法

一、技术领域：

本发明涉及一种保偏光纤，尤其是涉及一种“一”字型保偏光纤及其生产方法。

二、背景技术：

保偏光纤又称偏振保持光纤，是特种光纤的一种。它在波分复用的通信***和光纤传感器领域有着广泛的应用。尤其在光纤传感器领域，它是光纤陀螺、光纤水听器、光集成器件等军用传感器的核心传感元部件。

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、椭圆茄克型和椭圆芯型。前三种类型属于应力诱导型，后一种类型则属于形状决定型。

目前石英光纤一般都通过先制造预制棒(保偏光纤的预制棒又称为保偏光棒)，再将预制棒拉丝的办法来制得，保偏光纤也不例外。

应力诱导型的保偏光棒一般是通过在纤芯的周围掺杂或放置一些膨胀系数高的物质(如硼、铝、锗等)，通过某种特别的处理手段，使这些掺杂或放置的区域变成非圆对称的应力作用区而制成的。

由于硼的膨胀系数大于硅，甚至大于锗，所以掺硼后，在塌缩成棒后的冷却过程中，以及拉丝后光纤的冷却过程中，应力作用区会对芯层和内包层产生拉应力。由于应力作用区呈各向异性，所以沿光纤不同的径向，芯层受到的应力大小不同，导致芯层在不同径向上的折射率不同，这就是所谓的双折射现象。光在这样的光纤中传播时，各个方向传播的速度也不同，形成相应的快轴和慢轴。

线偏振光注入到保偏光纤芯层的某一个轴上，经过一段传输距离后，仍能基本保持其偏振态。快轴和慢轴一般与应力作用区的长短轴相重合。表征偏振保持性能好坏的参数是偏振串音或消光比。偏振串音越小(它一般是一个负数)，其绝对值越大，则说明该光纤偏振保持的性能越好。

由于光能在光纤中的传输不仅仅局限在芯层，有相当一部分光功率在紧邻芯层的部分内包层中传输，而硼在石英光纤工作波长(1200-1600nm)区间内的衰减很大，所以在几种应力诱导型保偏光纤中一般都引入内包层，这样可以大大降低光纤的衰减，使光纤的衰减水平达到低于2.0dB/km的适用水平。

一般的熊猫型和领结型的保偏光纤，要达到光纤陀螺等传感器的使用要求，其应力作用区的面积占光纤横截面积的比例一般要大于10％，有些产品的比例甚至超过15％。应力作用区往往掺硼等价格很贵的物质，应力作用区过大，除了制造成本会明显增加外，而且制造难度也会变大。另外，应力作用区面积过大，还会导致保偏光纤在环境温度适应性、耐弯曲性能、机械强度等使用性能方面出现问题，导致保偏光纤的综合性能不佳。

有些椭圆茄克型保偏光纤的应力作用区的相对面积虽然比较小，但是这些椭圆茄克型保偏光纤在一些工作波长处(如1310nm或1550nm)的拍长等技术指标，却很难符合光纤陀螺等传感器的使用要求。

三、技术内容：

针对其他结构的保偏光纤的上述缺点，本发明的目的在于提供一种具有新的应力作用区形状和应力作用区的面积占光纤横截面积的比例较小的保偏光纤。

本发明的技术内容为：一种新型的保偏光纤，其横截面结构由外到里分别是：基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，其特征为：应力作用区的形状为“一”字长条形。

“一”字型保偏光纤各层的主要组分如下：

基管层：二氧化硅；

外包层：二氧化硅，掺杂元素：磷和氟；

应力作用区：二氧化硅，掺杂元素：硼、锗等；

内包层：二氧化硅，也可适当掺杂锗和氟；

芯层：二氧化硅，掺杂元素：锗。

中国专利椭圆茄克型光纤预制棒和保偏光纤的结构和制造方法，公开号为CN1410375A，公开了椭圆茄克型光纤预制棒和保偏光纤的结构和制造方法。本发明的“一”字型保偏光纤与椭圆茄克型保偏光纤结构有相似之处：即应力作用区既有长轴又有短轴；不同的是：本发明的“一”字型保偏光纤的应力作用区的短轴与椭圆茄克型保偏光纤的应力作用区的短轴相比非常薄，这可以明显改善保偏光纤的拍长和偏振串音等重要的使用指标。

“一”字型保偏光纤的应力作用区的面积占光纤横截面面积的比例小于10％，有些型号的比例甚至可小于5％。

本发明的另一目的在于提供“一”字型保偏光纤的生产方法。

目前石英光纤一般都通过先制造预制棒，再将预制棒拉丝的办法来制得，保偏光纤也不例外。

“一”字型保偏光纤由“一”字型保偏光棒采用公知的拉丝技术，即将保偏光棒拉细成石英光纤，并在其***马上涂上两层丙烯酸酯类的涂料进行保护，涂料再经紫外固化处理，制得“一”字型保偏光纤。

由于“一”字型保偏光纤由“一”字型保偏光棒拉细制得，所以“一”字型保偏光棒其横截面结构由外到里也应该是：基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，应力作用区的形状为“一”字长条形，应力作用区的面积占光棒横截面面积的比例小于10％。

MCVD法为公知的生产预制棒的方法，利用此法，生产“一”字型保偏光棒与生产领结型保偏光棒在工艺上基本相同，不同之处是：在进行定向刻蚀时领结型光棒的刻蚀工艺将基管内壁对向两侧的应力作用区刻得很透，从而使塌缩后的保偏光棒的应力作用区呈领结型；而“一”字型保偏光棒的刻蚀工艺将基管内壁对向两侧的应力作用区不完全刻透，让该处的应力作用区留有一点厚度，即使基管内沉积的应力层不完全分开，从而使塌缩后的保偏光棒的应力作用区呈“一”字长条形。

公知的制造领结型保偏光纤的主要步骤为：

1、先对基管进行预处理，预处理可以达到使基管预热和有效消除基管内壁杂质和气泡的效果；

2、随后进行沉积工序，沉积工序依次为外包层沉积、应力层沉积、内包层沉积和芯层沉积；其中在应力层沉积工序结束后进行刻蚀工艺，使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀透；

3、沉积结束后对基管进行正向塌缩和反向塌缩，制成一根实心的领结型保偏光棒；

4、塌缩结束后，对保偏光棒进行抛光，制得呈石英的透明状的领结型保偏光棒。

5、将保偏光棒拉细，制得领结型保偏光纤。

“一”字型保偏光纤的生产方法，其生产步骤如下：

1、基管的预处理，使基管预热和有效消除基管内壁的杂质和气泡；

2、进行沉积工序，沉积工序依次为外包层沉积、应力层沉积、内包层沉积和芯层沉积；其中在应力层沉积工序结束后进行定向刻蚀，使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀，且使该处的应力作用区不被完全刻透，让该处的应力作用区留有一点厚度，基管内沉积的应力层不完全分开；定向刻蚀即为使基管不再转动，在基管内通有含氟的腐蚀性气体；在基管外用一束火头或两边对烧的两束火头沿基管的轴向来回移动；

3、对基管进行正向塌缩和反向塌缩，制成一根实心的“一”字型保偏光棒；

4、对保偏光棒进行抛光，制得呈石英的透明状的“一”字型保偏光棒；

5、将保偏光棒拉细成石英光纤，并在其***马上涂上两层丙烯酸酯类的涂料进行保护，涂料再经紫外固化处理，制得“一”字型保偏光纤。

以上生产方法中，当定向刻蚀时在基管外用一束火头时，该束火头沿基管一侧的轴向来回移动，一侧刻蚀完成后，将基管翻转180度，然后对基管的另一侧进行刻蚀。

以上生产方法中，当定向刻蚀时在基管外用两边对烧的两束火头时，两束火头在通过基管中心的平面内沿基管的轴向对称地在基管的两侧进行来回移动以加热管壁。

随着MCVD设备的不断改进，可使用的基管越来越粗，基管的壁厚也允许较大，由此制得的单根预制棒的体积也越来越大，可拉光纤的长度也越来越长，生产成本可以明显降低，而单批光纤各项参数的均匀性则可明显改善。

本发明可以采用多种外径(最大外径可达到30mm以上)、多种壁厚和多种截面积的基管做保偏光棒，基管外径的范围为12-35mm，壁厚的范围为1.5-3.5mm，截面积的范围为70-300mm²。

本发明所具有的优点是：

1、“一”字型保偏光纤具有应力作用区小的特点。

2、“一”字型保偏光纤具有良好的保偏性能、环境温度适应性、耐弯曲性能和机械强度。

四、附图说明：

图1为本发明“一”字型保偏光纤的横截面结构示意图。

图2为本发明“一”字型保偏光棒的制造流程示意图。

五、具体实施例：

如图1所示的“一”字型保偏光纤，其横截面结构由外到里分别是：基管层11、外包层12、应力作用区13、内包层14和芯层15，其应力作用区13的形状为“一”字长条形。

实施例1、如图2所示在MCVD车床上进行基管的预处理、沉积外包层、沉积应力层、定向刻蚀、沉积内包层、沉积芯层、正向塌缩、反向塌缩和抛光工序，制得“一”字型保偏光棒，应力作用区的面积占光棒横截面面积的比例为4％；其中基管外径为30mm，壁厚为2.5mm，截面积为216mm²；在定向刻蚀工序时在基管内通入六氟化硫腐蚀性气体；在基管外用两边对烧的两束火头在通过基管中心的平面内沿基管的轴向对称地在基管的两侧进行来回移动，以加热管壁使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀，且使该处的应力作用区留有一点厚度。

实施例2、将实施例1制得的“一”字型保偏光棒拉细成直径为125μm的石英光纤，并在其***马上涂上两层丙烯酸酯类的涂料进行保护，涂料再经紫外固化处理，制得直径为125μm的“一”字型保偏光纤，保偏光纤的应力作用区的面积占保偏光纤横截面面积的比例为4％；该“一”字型保偏光纤的主要技术指标如表1。

                    表1

指标名称	性能规范
		工作波长(nm)	1310
截止波长(nm)	1100-1300
		模场直径(μm)(@1310nm)	6±1
衰减(dB/km)(@1310nm)	≤1.5
		光纤直径(μm)	125±1
芯/包同心度(μm)	≤1.0
		涂层直径(μm)	245±10
筛选强度(kpsi)	100
		拍长(mm)(@1310nm)	≤3
偏振串音(消光比)(dB)	≤-23(1km光纤)
		工作温度(℃)	-45--+70

Claims (7)

1、“一”字型保偏光纤，其横截面结构由外到里分别是基管层(11)、外包层(12)、应力作用区(13)、内包层(14)和芯层(15)，其特征为：应力作用区(13)的形状为“一”字长条形。

2、根据权利要求1所述的保偏光纤，其特征为应力作用区(13)的面积占光纤截面面积的比例小于10％。

3、“一”字型保偏光棒，其横截面结构由外到里分别是：基管层、外包层、应力作用区、内包层和芯层，其特征为：应力作用区的形状为“一”字长条形。

4、根据权利要求4所述的保偏光棒，其特征为应力作用区的面积占光棒截面面积的比例小于10％。

5、“一”字型保偏光纤的生产方法，其生产步骤如下：

(1)基管的预处理，使基管预热和有效消除基管内壁的杂质和气泡；

(2)进行沉积，沉积工序依次为外包层沉积、应力层沉积、内包层沉积和芯层沉积；其中在应力层沉积工序结束后进行定向刻蚀，使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀，且使该处的应力作用区不被完全刻透，让该处的应力作用区留有一点厚度，基管内沉积的应力层不完全分开；定向刻蚀即为使基管不再转动，在基管内通有含氟的腐蚀性气体；在基管外用一束火头或两边对烧的两束火头沿基管的轴向来回移动；

(3)对基管进行正向塌缩和反向塌缩，制成一根实心的“一”字型保偏光棒；

(4)对保偏光棒进行抛光，制得呈石英的透明状的“一”字型保偏光棒；

(5)将保偏光棒拉细成石英光纤，并在其***马上涂上两层丙烯酸酯类的涂料进行保护，涂料再经紫外固化处理，制得“一”字型保偏光纤。

6、根据权利要求5所述的保偏光纤的生产方法，其特征为定向刻蚀时在基管外用一束火头沿基管一侧的轴向来回移动，一侧刻蚀完成后，将基管翻转180度，然后对基管的另一侧进行刻蚀。

7、根据权利要求5所述的保偏光纤的生产方法，其特征为定向刻蚀时在基管外用两边对烧的两束火头在通过基管中心的平面内沿基管的轴向对称地在基管的两侧进行来回移动以加热管壁。

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