CN101367608A - 熊猫型保偏光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种保偏光纤的制造方法，包括用沉积法分别沉积制造芯棒和应力棒，将芯棒和石英套管熔融拉伸成包括有纤芯和包层的光纤预制棒，将两根应力棒分别插入打孔光纤预制棒的两个孔中，形成组合光纤预制棒；将组合光纤预制棒上光纤拉丝塔拉进行拉丝，制成熊猫型保偏光纤，拉丝过程中，拉丝塔的炉温控制在1700℃～2000℃，光纤的拉丝张力控制在30g以上，光纤的拉丝速度控制在300m/min以上。本发明工艺简单，可靠性高。高张力高速拉丝，使得光纤拉丝速度的波动性降低，提高了光纤的几何一致性，优化了保偏光纤的使用性能，提高了拉丝生产效率。使得保偏光纤的张力筛选、动态疲劳和抗拉断力的能力达到甚至优于相关指标要求。

Description

熊猫型保偏光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及一种保偏光纤的制造方法，特别涉及一种高速高张力制造熊猫型保偏光纤的方法。本发明可用于制造工作于各种波长的保偏光纤和单模单偏振光纤。
背景技术
保偏光纤，即偏振保持光纤，是具有保持所传输光线的线偏振方向的一类光纤。保偏光纤可应用于许多领域，如复用相干通信，光纤陀螺仪，光纤水听器，偏振传感等。保偏光纤是一种具有广泛应用价值的特种光纤类型。
在普通通信光纤中，由于其圆对称性结构，入射的线偏振光线在经过一定距离的传输后，由于不同偏振模式的耦合，能量交换，会成为椭圆或圆偏振光而无法保持线偏振态。而当一线偏振光被耦合进入保偏光纤时，如果线偏振光的偏振方向和保偏光纤的偏振主轴重合，则线偏振光可以在传输过程中保持其线偏振方向直至离开保偏光纤。引起光纤双折射现象的原因很多，各种几何和应力的不均匀性均会引入双折射。保偏光纤产品也包括几何双折射和应力双折射保偏光纤。几何双折射的实例是椭圆芯子保偏光纤，这种保偏光纤的纤芯是椭圆形的，利用这种几何的不对称性产生双折射效应。应力双折射的保偏光纤主要有蝶结型保偏光纤、熊猫型保偏光纤和椭圆包层型保偏光纤三种。这类光纤的特点是在光纤的包层中引入具有高膨胀系数的应力区挤压纤芯产生双折射效应。保偏光纤的一个特例是单模单偏振光纤。
上述各类保偏光纤中，椭圆芯子保偏光纤由于其芯子为椭圆形，在和其他光纤的耦合上存在较大的问题，会造成较大的熔接衰耗。蝶结型保偏光纤和椭圆包层型保偏光纤目前大都采用改进的化学气相沉积法(MCVD)制造，由于这类光纤一般包括外包层，应力层，内包层和芯层，而且所有的结构都一次沉积，同时熔缩成形。制造过程中需要控制应力区的形状，同时保持内包层和纤芯的的圆度和同心度，因此制造过程复杂，成品率较低。
熊猫型保偏光纤具有双折射效率高，结构简单，制造效率高，制造方法灵活的特点。熊猫型保偏光纤的制造工艺一般为组合法。即首先沉积制造芯棒，应力棒；然后对芯棒外包得到包含芯棒的光纤预制棒；然后在预制棒上芯棒两侧对称部位打出两个孔并将应力棒插入孔中形成组合棒，对组合棒拉丝即得到熊猫型保偏光纤。
美国专利4478489(Polarization retaining single-mode optical waveguide)、4561871(Method of making polarization preserving optical fiber)、5152818(Method of makingpolarization retaining optical fiber)、0141717A1(Polarization maintaining optical fiber andproduction method for polarization maintaining fiber preform)、0150241A1(Production methodof polarization maintaining fiber)、007016582B2(Polarized wave holding optical fiber，andmethod of producing the same)等，均描述了熊猫型保偏光纤的制造和相关工艺。在这些专利中，既有涉及熊猫型保偏光纤的基本设计专利，如专利4478489、也有涉及熊猫型保偏光纤优化工艺技术的，如专利0150241A1提出了通过优化光纤预制棒的组合工艺和在拉丝前高温清洁预制棒界面来改善光纤丝径波动的一种方法、专利007016582B2提出了使用低的拉丝张力和低的拉丝速度工艺来改善保偏光纤包层圆度的一种方法。上述发明所涉及工艺，在实际的保偏光纤生产过程中，会存在以下的不足：
第一：使得保偏光纤生产工艺复杂化，降低了保偏光纤的生产工艺的稳定性；
第二：低张力拉丝条件，使得光纤在拉丝过程中更易抖动，加剧了保偏光纤的丝径波动；
第三：低速拉丝条件，会劣化保偏光纤的机械性能，使得光纤很难达到应用所需的1％及以上的筛选条件；
第四：复杂的工艺过程和低的拉丝速度，降低了保偏光纤的生产效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种熊猫型保偏光纤的制造方法，该制造方法不仅能够改善熊猫型保偏光纤的制作质量，提高产品性能，而且能有效地提高熊猫型保偏光纤的生产效率。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案如下：
用沉积法分别沉积制造芯棒和应力棒，芯棒和应力棒上均预留有包层，
将芯棒插入相配置的石英套管，经清洗干燥后，通过预制棒拉伸塔将芯棒和石英套管熔融拉伸成包括有纤芯和包层的光纤预制棒，
在光纤预制棒纤芯两侧的包层区域对称的打出两个纵向贯通与纤芯相平行的孔，
将两根应力棒分别插入上述打孔光纤预制棒的两个孔中，形成组合光纤预制棒；
将组合光纤预制棒清洗干燥后，上光纤拉丝塔拉进行拉丝，拉丝成纤，制成熊猫型保偏光纤，
其不同之处在于
拉丝过程中，拉丝塔的炉温控制在1700℃～2000℃，
光纤的拉丝张力控制在30g(含30g)以上，
光纤的拉丝速度控制在300m/min(含300m/min)以上。
按上述方案，所述的沉积法为等离子体化学气相沉积法(PCVD)，或化学气相沉积法(MCVD)，或外部气相沉积法(OVD)，或轴向沉积法(VAD)等。
按上述方案，采用机械钻孔的方式在光纤预制棒的纤芯两侧打孔。
按上述方案，组合光纤预制棒中，应力棒外径与孔的内径相差在0.2～1.0mm之间。
按上述方案，在拉丝过程中，组合光纤预制棒的应力棒与孔之间的真空度在0.1mbar～0.2bar之间。
按上述方案，对于125微米包层直径的保偏光纤，拉丝张力控制在40～200g之间；拉丝速度在300～800m/min之间。
按上述方案，对于80微米包层直径的保偏光纤，拉丝张力控制在30～200g之间；拉丝速度在350～1000m/min之间。
按上述方案，拉丝成纤后，在裸光纤上涂覆上树脂保护层。
本发明所生产的保偏光纤产品能够满足1％以上的筛选水平和直径在35mm以上的光纤环绕制要求；所生产的保偏光纤产品，在35mm以上直径的光纤环中，长期张力水平处于保偏光纤筛选张力水平的1/5或者以下时，保偏光纤环的寿命可以达到10年以上。
本发明的主要特点在于采用高速高张力的拉丝工艺，比较于低速低张力的拉丝过程，高速高张力的拉丝工艺对于石英系光纤的生产具有很大的优势。在高张力状态下，光纤在拉丝塔上能够被拉紧，光纤的侧向波动幅度被大幅降低，因此光纤在拉丝过程中发生摆动，并与拉丝模具或者其他物体接触的可能性大大降低，因此光纤产生断点的情况也会大幅减少，而低张力拉丝的光纤断点情况一般相当严重，使得光纤无法通过1％水平的筛选；另外，使用高速拉丝工艺，相应的提高了拉丝塔的炉温，使得预制棒的形变过程相比于低速拉丝更为快速，在拉丝张力和表面张力的共同作用下，预制棒的各个表面，包括打孔预制棒的外表面、孔壁、和应力棒表面通过高温形变，重新调整材料表面的结构，可以有效地消除界面应力，使得拉制光纤的截面均匀性、应力分布一致性得到改善，因此所生产光纤的机械性能得到优化，光纤的动态疲劳性能和抗拉强度均能够达到普通光纤的水平。
本发明还具有以下的有益效果：
1、工艺简单，可靠性高。本发明与普通光纤的制造工艺基本一致，有利于保偏光纤的规模化生产，光纤的批次一致性和性能的稳定性能够得到保证。
2、高张力高速拉丝，使得光纤的拉丝速度的波动性降低，从而降低了所拉制光纤的丝径波动性，提高了光纤的几何一致性，优化了保偏光纤的使用性能。并使得所拉制的保偏光纤的机械性能得到提高，保偏光纤的张力筛选、动态疲劳和抗拉断力的能力达到甚至优于相关指标要求。
3、高速拉丝有效地提高了保偏光纤的拉丝生产效率。
4、使用本发明所生产的保偏光纤产品，在光纤陀螺等应用环境较为恶劣的情况下，即使光纤环的直径达到35mm，光纤的长期使用张力达到筛选张力1/5的水平时，保偏光纤的使用寿命也能达到10年以上，可以满足一些严酷条件的使用要求。
附图说明
图1为本发明中熊猫型保偏光纤的结构图示。
图2为本发明保偏光纤的拉丝工艺图示。
图3是本发明实施例中125微米保偏光纤的使用寿命与光纤长期使用张力之间的关系曲线图。
图4是本发明实施例中80微米保偏光纤的使用寿命与光纤长期使用张力之间的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
熊猫型保偏光纤包括有分别是保偏光纤的包层1、圆形应力区2和纤芯3，其中圆形应力区由组合光纤预制棒中的应力棒在拉丝过程中形成，纤芯由组合光纤预制棒中的芯棒在拉丝过程中形成。
图2是熊猫型保偏光纤拉丝工艺示意图。其中组合光纤预制棒5被置于拉丝炉6中，组合光纤预制棒的上端与真空泵4连接，拉丝炉6的温度可以达到2000摄氏度，真空泵4可以保持应力棒与孔之间的真空度达到0.1mbar。组合光纤预制棒5在高温熔融状态下，由张力轮9提供的拉丝张力作用下，被拉制成保偏光纤，在拉丝炉下方设置有光纤的涂覆固化单元7，通过涂覆固化单元裸光纤被涂覆上树脂保护层，在涂覆固化单元的下方设置光纤几何测试单元，通过光纤几何测试单元8的测试结果可以反馈控制光纤的包层和涂覆层直径，最后光纤被收在绕线桶10上。
表1给出了本发明关于125微米包层直径的熊猫型保偏光纤的相关工艺参数和测试结果的4个实施例。
表1：125微米包层直径保偏光纤的相关工艺参数和测试结果
 
参数 条件1 条件2 条件3 条件4
打孔预制棒直径 60mm 70mm 50mm 80mm
应力棒与孔之间的真空度 0.2bar 20mbar 1mbar 0.1mbar
炉温 2000℃ 1800℃ 1900℃ 1700℃
拉丝张力 40g 100g 140g 200g
拉丝速度 300m/min 450m/min 6000m/min 800m/min
光纤包层直径 125μm 125μm 125μm 125μm
光纤筛选水平 1％ 1％ 1％ 1％
光纤动态疲劳参数nd 18.1 23.1 19.4 18.7
光纤的抗拉强度测试结果 15％：3.49GPa50％：3.55GPa 15％：5.23GPa50％：5.29GPa 15％：4.32GPa50％：4.38GPa 15％：3.249GPa50％：3.35GPa
四根不同直径的组合预制棒，经过清洗干燥等常规工艺过程，上塔拉丝。控制组合光纤预制棒的真空度分别在0.2bar、20mbar、1mbar和0.1mbar，经过掉锥升速后，维持光纤的稳定拉丝速度分别在300m/min、450m/min、600m/min和800m/min，此时的拉丝张力分别被控制在40g、100g、140g、200g。连续将125微米包层直径的保偏光纤收于光纤绕线桶上。拉丝完成后，光纤按照后续筛选测试工艺循序进行，首先光纤经过1％张力水平的测试，各根光纤的筛选平均段长分别约为5km、7km、10km和4.5km。光纤的几何、光学测试完成后，进行机械性能的测试，选取一段光纤进行动态疲劳测试和抗拉强度测试，测试结果如表1所示。根据石英光纤的使用寿命概率计算模型，有如下关系：
t s = t p · ( σ p σ s ) n { [ - 1 N p · L ln ( 1 - F s ) + 1 ] n - 2 m - 1 }
其中，Np是每公里保偏光纤筛选断点数；L是使用的光纤长度，单位km；σs为使用时光纤的持续应力(长期张力)，单位GPa；σp为光纤的筛选应力，单位GPa；n为动态应力腐蚀参数；ts为光纤的使用寿命，单位s；tp＝1s，为光纤筛选持续受力时间，单位s；m为光纤的本征Weibull斜率参数，m＝4。
根据上述保偏光纤的各个结果，假设光纤环使用的保偏光纤长度为0.7km，光纤所受到的长期张力设为筛选张力的1/5，即约0.14GPa张力，在0.01％的断裂概率时，由上式，保偏光纤的使用寿命如图3所示，均大于10年。估算结果表明上述的保偏光纤具有很好的长期使用可靠性。
使用上述保偏光纤，可以绕制直径35mm的光纤环，使用500m长度保偏光纤绕制的光纤环，在工作波长时，其消光比达到25dB以上。表明上述光纤可以使用于35mm直径及以上的光纤环，且其使用寿命可以达到10年以上。完全可以满足光纤通信和光纤传感对于保偏光纤的指标要求。
表2给出了是个关于80微米包层直径的熊猫型保偏光纤的相关工艺参数和测试结果的4个实施例。
表2：80微米包层直径保偏光纤的相关工艺参数和测试结果
 
参数 条件1 条件2 条件3 条件4
打孔预制棒直径 60mm 70mm 50mm 80mm
应力棒与孔之间的真空度 0.2bar 20mbar 1mbar 0.1mbar
炉温 2000℃ 1800℃ 1900℃ 1700℃
拉丝张力 30g 90g 140g 200g
拉丝速度 350m/min 550m/min 750m/min 1000m/min
光纤包层直径 80μm 80μm 80μm 80μm
光纤筛选水平 1％ 1％ 1％ 1％
光纤动态疲劳参数nd 18.2 18.9 23.4 19.1
光纤的抗拉强度测试结果 15％：3.29GPa50％：3.35GPa 15％：4.43GPa50％：4.48GPa 15％：4.82GPa50％：4.9GPa 15％：3.34GPa50％：3.39GPa
四根不同直径的组合预制棒，经过清洗干燥等常规工艺过程，上塔拉丝。控制组合预制棒的真空度分别在0.2bar、20mbar、1mbar和0.1mbar，经过掉锥升速后，维持光纤的稳定拉丝速度分别在350m/min、550m/min、750m/min和1000m/min，此时的拉丝张力分别被控制在30g、90g、140g、200g。连续将80微米包层直径的保偏光纤收于光纤绕线桶上。拉丝完成后，光纤按照后续筛选测试工艺循序进行，首先光纤经过1％张力水平的测试，各根光纤的筛选平均段长分别约为5.5km、9km、15km和5km。光纤的几何、光学测试完成后，进行机械性能的测试，选取一段光纤进行动态疲劳测试和抗拉强度测试，测试结果如表1所示。根据石英光纤的使用寿命概率计算模型，有如下关系：
t s = t p · ( σ p σ s ) n { [ - 1 N p · L ln ( 1 - F s ) + 1 ] n - 2 m - 1 }
其中，Np是每公里保偏光纤筛选断点数；L是使用的光纤长度，单位km；σs为使用时光纤的持续应力(长期张力)，单位GPa；σp为光纤的筛选应力，单位GPa；n为动态应力腐蚀参数；ts为光纤的使用寿命，单位s；tp＝1s，为光纤筛选持续受力时间，单位s；m为光纤的本征Weibull斜率参数，m＝4。
根据上述保偏光纤的各个结果，假设光纤环使用的保偏光纤长度为1km，光纤所受到的长期张力设为筛选张力的1/5，即约0.14GPa张力，在0.01％的断裂概率时，由上式，保偏光纤的使用寿命如图7所示，均大于10年。估算结果表明上述的保偏光纤具有很好的长期使用可靠性。
使用上述保偏光纤，可以绕制直径35mm的光纤环，使用500m长度保偏光纤绕制的光纤环，在工作波长时，其消光比达到20dB以上。表明上述光纤可以使用于35mm直径及以上的光纤环，且其使用寿命可以达到10年以上。完全可以满足光纤通信和光纤传感对于保偏光纤的指标要求。

Claims (8)

1.一种熊猫型保偏光纤的制造方法，
用沉积法分别沉积制造芯棒和应力棒，芯棒和应力棒上均预留有包层，
将芯棒插入相配置的石英套管，经清洗干燥后，通过预制棒拉伸塔将芯棒和石英套管熔融拉伸成包括有纤芯和包层的光纤预制棒，
在光纤预制棒纤芯两侧的包层区域对称的打出两个纵向贯通与纤芯相平行的孔，
将两根应力棒分别插入上述打孔光纤预制棒的两个孔中，形成组合光纤预制棒；
将组合光纤预制棒清洗干燥后，上光纤拉丝塔拉进行拉丝，拉丝成纤，制成熊猫型保偏光纤，
其特征在于：
拉丝过程中，拉丝塔的炉温控制在1700℃～2000℃，
光纤的拉丝张力控制在30g(含30g)以上，
光纤的拉丝速度控制在300m/min(含300m/min)以上。
2.按权利要求1所述的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于：所述的沉积法为等离子体化学气相沉积法，或化学气相沉积法，或外部气相沉积法，或轴向沉积法。
3.按权利要求1或2所述的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于：采用机械钻孔的方式在光纤预制棒的纤芯两侧打孔。
4.按权利要求1或2所述的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于：在拉丝过程中，组合光纤预制棒的应力棒与孔之间的真空度在0.1mbar～0.2bar之间。
5.按权利要求1或2所述的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于：组合光纤预制棒中，应力棒直径与孔的内径差在0.2～1.0mm之间。
6.按权利要求1或2所述的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于：对于125微米包层直径的保偏光纤，拉丝张力控制在40～200g之间；拉丝速度在300～800m/min之间。
7.按权利要求1或2所述的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于：对于80微米包层直径的保偏光纤，拉丝张力控制在30～200g之间；拉丝速度在350～1000m/min之间。
8.按权利要求1或2所述的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于：拉丝成纤后，在裸光纤上涂覆上树脂保护层。
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