CN101391861B

CN101391861B - 一种保偏光纤大规格组合光纤预制棒及其制造方法

Info

Publication number: CN101391861B
Application number: CN 200810197408
Authority: CN
Inventors: 汪洪海; 涂峰; 童维军
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: CN101391861A

Abstract

本发明涉及一种保偏光纤大规格组合光纤预制棒及其制造工艺方法，包括具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开设两个纵向贯通与纤芯相平行的孔，两个孔中分别配置应力棒，形成组合光纤预制棒，其特征在于所述光纤预制棒的直径在30～80mm，长度在200～800mm，两侧孔的直径范围在12～27mm，所述应力棒应力区的直径范围在10～25mm。本发明使拉丝条件稳定可控，所拉制的保偏光纤机械性能优秀，可以通过1％，甚至2％的张力筛选；使用大直径大长度的预制棒生产保偏光纤，单根预制棒的拉丝长度达到20km以上，甚至100km以上，光纤生产效率高。所拉制的光纤结构对称性和纵向一致性好，易于控制。

Description

一种保偏光纤大规格组合光纤预制棒及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种保偏光纤大规格组合光纤预制棒及其制造工艺方法，尤其涉及一种熊猫型保偏光纤的大规格组合光纤预制棒及其制造方法。本发明能够用于制造各种波长的保偏光纤和单模单偏振光纤，使用于光纤通信和光纤传感领域。

背景技术

保偏光纤是特种光纤的一类。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。

现有技术中使用打孔组合方式生产保偏光纤产品，由于工艺技术的限制，所生产的保偏光纤产品具有下列局限：

由于沉积组合预制棒中的应力棒生产一般使用MCVD(改进的化学气相沉积法)工艺，所生产的应力棒中掺杂应力区的直径有限，一般在5～8mm左右；

由于石英玻璃预制棒的硬度很高，打孔的深度和直径受到限制，一般打孔的深度在150mm左右，而孔的直径也在6～10mm左右；

由于应力区和孔的几何限制，一般组合光纤预制棒的直径在15～25mm左右。因此单根预制棒能够生产合格的125微米包层直径保偏光纤的长度一般在10km以下；

由于使用直径小、长度短的组合光纤预制棒生产保偏光纤，因此预制棒在高温拉丝炉中的受热均匀性受到影响，同时对拉丝张力的控制也较为困难，导致所生产的保偏光纤的纵向一致均匀性也受影响，光纤生产的效率和成品率较低。

另外，由于石英玻璃的硬度非常高，使用较小直径的预制棒，在打孔过程中会造成相当困难。使得两孔的对称性和平行度存在问题。为了解决这些问题，美国专利US6738549B2给出了一种解决方法，即通过将打了一个孔的石英预制棒旋转180°，而非通过移动钻刀的方法，打第二个孔。根据上述专利的描述，通过这种工艺，可以将两个孔中心与光纤纤芯的连线的交叉角度控制在3°以下，从而使得光纤的串音性能较好。

但是使用上述发明提到的方法，在大直径预制棒的打孔中，由于预制棒本身的重量较大，而且需要180°转动预制棒，对于夹具的稳定性要求很高，实际操作中存在相当的难度，使得打孔预制棒的对称性难以满意。

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保偏光纤大规格组合光纤预制棒及其制造方法，用以制作长度长、质量好的保偏光纤。

本发明为解决上述提出的大规格组合光纤预制棒的技术方案为：

包括具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开设两个纵向贯通与纤芯相平行的孔，两个孔中分别配置应力棒，形成组合光纤预制棒，其不同之处在于所述光纤预制棒的直径在30～80mm，长度在200～800mm，两侧孔的直径范围在12～27mm，所述应力棒应力区的直径范围在10～25mm。

按上述方案，所述的应力棒应力区的直径范围在12～25mm，两侧孔的直径范围在14～27mm，光纤预制棒的直径范围在40～80mm，光纤预制棒的长度在350～800mm。

按上述方案，所述的应力棒应力区的直径范围在13.5～25mm，两侧孔的直径范围在16～27mm，光纤预制棒的直径范围在50～80mm，光纤预制棒的长度在500～800mm。

按上述方案，所述的应力棒包括应力区和包层，其中应力区是掺杂有硼元素的石英玻璃，或者硼与锗元素共掺杂的石英玻璃，硼以B₂O₃的形态存在；应力棒的掺B应力区B的均匀掺杂浓度达到10％wt重量比以上；应力棒与孔的配合间隙为0.2～1.0mm，孔的表面粗糙度控制在10微米以下。应力棒可使用PCVD(等离子体化学气相沉积法)制造。

按上述方案，所述的纤芯的光学折射率高于包层的光学折射率，所述的应力棒应力区的热膨胀系数大于包层的热膨胀系数。

按上述方案，对于125微米包层直径的保偏光纤，单根组合光纤预制棒的拉丝长度达到20km(含20km)以上。

按上述方案，对于80微米包层直径的保偏光纤，单根组合光纤预制棒的拉丝长度达到35km(含35km)以上。

本发明大规格组合光纤预制棒的制造方法技术方案为：

用沉积法沉积分别制造芯棒和应力棒，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；

其不同之处在于

所述光纤预制棒的直径在30～80mm，长度在200～800mm，两侧孔的直径范围在12～27mm，所述应力棒应力区的直径范围在10～25mm，

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，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)等方法。

所述的应力棒包括应力区和包层，其中应力区是掺杂有硼元素的石英玻璃，或者硼与锗元素共掺杂的石英玻璃，硼以B₂O₃的形态存在。应力棒掺B应力区B的均匀掺杂浓度达到10％wt重量比以上。

按上述方案，所述机械钻孔的方式为连续切削和超声打孔工艺，钻孔刀具的转速为4500转～9000转/每分钟，孔的表面粗糙度控制在10微米以下。

按上述方案，所述的机械钻孔方式为中心校准，平移打孔的方式，即装夹光纤预制棒时，使光纤预制棒的中心线与钻孔刀具的中心线相平齐，打孔过程中钻孔刀具沿钻孔方向(z方向)进给，光纤预制棒被锁定，钻孔刀具的其它进给方向被锁定，在一侧的孔被打通后，钻孔刀具从孔中退回到初始位，然后，光纤预制棒沿其中心与被钻孔中心连线的相反方向(x方向)平移两倍的孔距，平移到位后，进行另一侧孔的钻进。

上述钻孔过程，装夹光纤预制棒的夹具为三爪夹具，通过汽缸联动进行装夹，夹具被固定在平台上，通过数控装置控制平台的平移。

本发明的有益效果在于：

1、大直径和大长度的预制棒在光纤拉丝炉中移动缓慢稳定，预制棒纵向和横向各点受热均匀，在拉丝过程中受到的拉丝张力稳定均衡，因此拉丝条件稳定可控，所拉制的保偏光纤机械性能优秀，可以通过1％，甚至2％的张力筛选；

2、单根预制棒拉丝长度长，光纤生产效率高。使用大直径大长度的预制棒生产保偏光纤，单根预制棒的拉丝长度达到20km以上，甚至100km以上。由于光纤预制棒在拉丝过程中，起头和收尾部分玻璃的受热不均匀，所以在起头和收尾阶段有部分光纤无法满足指标要求而报废。使用小直径短长度预制棒拉丝工艺，报废光纤的比例一般超过30％，而使用本发明的预制棒结构，报废光纤的比例在10％以下；

3、使用大直径预制棒，所拉制的光纤结构对称性好，易于控制。由于熊猫型光纤预制棒使用了机械打孔工艺，所以孔的对称性受到机械加工精度的限制。比较于小直径预制棒，大直径预制棒在机械加工过程中，由于加工精度导致的几何误差相对比例可以大幅下降，因此反映在所生产的光纤上，其结构的对称性和纵向一致性得到显著提高；

4、由于使用了大直径大长度预制棒设计，使得工艺控制更为容易，所生产的保偏光纤的批次一致性得到提高，解决了保偏光纤规模生产的技术瓶颈。

5、使用本发明的中心对准，平移预制棒的打孔工艺。由于使用数控机床移动预制棒，所以对于移动距离的控制能够达到0.01mm的量级，因此两孔与中心的距离可以准确控制。另外，由于没有移动钻刀，同时预制棒被中心对准固定在只能一维移动的平台上，所以两孔与中心连线的角度能够被控制在2°以下，两孔的平行度也能够通过夹具得到保证。

6、使用本发明的预制棒设计和打孔工艺，能够改善保偏光纤的串音，每公里保偏光纤的串音达到一25dB以下。

本发明主要应用于熊猫型保偏光纤的设计制造，通过调整孔与纤芯的位置，可以制造不同双折射大小的保偏光纤产品，以及单模单偏振光纤产品。

附图说明

图1为熊猫型保偏光纤的立体结构图。

图2为本发明一个实施例中打孔光纤预制棒的立体结构图。

图3为本发明一个实施例中应力棒的立体结构图。

图4为本发明一个实施例中组合预制棒的立体结构图。

图5为本发明光纤预制棒打孔工艺示意图。

图6为本发明应力区中心与纤芯连线夹角与光纤串音之间的关系图。

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纤芯3，与纤芯3同心的包层1，应力区2呈圆形，分别位于纤芯3的两侧。其中两个应力区中心与纤芯的连线夹角为θ。熊猫型保偏光纤由组合光纤预制棒高温拉丝而成。组合光纤预制棒包括具有纤芯和包层的光纤预制棒4，在光纤预制棒纤芯两侧的包层区域开设两个纵向贯通与纤芯相平行的孔5，两个孔中分别配置应力棒6，形成组合光纤预制棒，所述光纤预制棒的直径在30～80mm，长度在200～800mm，两侧孔的直径范围在12～27mm，所述应力棒应力区的直径范围在10～25mm。

本发明预制棒打孔工艺如图5所示。打孔机床9包括钻孔刀具部分7和预制棒装夹部分10。装夹部分包括两个具有自中心对准功能的三爪夹具8。通过气缸联动，三爪夹具固定预制棒4的同时，将预制棒的中心线与钻头的中心线保持在同一条直线上。预制棒打孔工艺为使用三爪夹具使得预制棒的中心线与钻孔刀具延长线自动对准重合，打孔过程中，钻孔刀具只能前后运动，预制棒只能水平运动。打好一个孔后，钻刀退回，通过步进电机控制平移预制棒装夹部分使预制棒到确定位置，然后打第二个孔。

使用对准中心，平移打孔棒的工艺方法，其关键之一在于预制棒装夹时，使得预制棒的中心线与钻刀的延长线重合，因此保证了打孔过程中孔的方向性与预制棒中心线平行，由于两个孔均能平行于中心线，因此所打的两个孔也能纵向保持平行。这种中心线的平行是通过打孔机床的中心轴固定设计实现的；关键之二在于钻刀只有z轴方向的运动，而预制棒也只有x方向的移动，所有的其他方向的移动和旋转均通过机械设计被锁死，这种单方向的线性移动设计可以保证预制棒和钻刀在打孔过程中没有多余的偏移可能性，同时通过数控电机确定预制棒的平移精度达到0.01mm量级，因此可以保证所打两个孔与预制棒中心距离的一致性和对称性。本发明的打孔工艺，两孔中心与预制棒中心连线的交角可以控制在2°以下，所生产保偏光纤的串音可以达到每公里光纤—25dB以上。图6给出了角度与保偏光纤串音之间的关系。由于应力棒被插入孔中，所以光纤中应力区中心与纤芯的连线夹角与孔中心与预制棒中心的连线夹角是一致的。图6说明，夹角越小，光纤的串音数值越低，光纤的串音性能越好。

打孔过程的另一关键技术要点在于刀具的转速和冷却油的温度控制。为了保证孔壁的粗糙度小于10μm，刀具的转速必须达到每分钟4500转～9000转，当转速低于4000转时，孔壁的会出现明显的划痕和微裂纹；在如此高的转速情况下，冷却油的温度相当重要，注入刀具的冷却油温度必须在25℃～50℃之间，过高的冷却油温度会使得刀具和刀杆的温度升高，降低了刀杆的稳定性，从而使得所转的孔的一致性难以保证，即出现孔的出口直径大于孔的入口直径的情况。

本发明的具体实施例如下：

实施例1：

组合预制棒的几何参数和使用此组合预制棒拉制的保偏光纤长度和性能指标见表1。

表1：组合预制棒的几何大小和所拉制光纤的相关指标

使用30mm直径的打孔预制棒，其中孔的直径为12mm，使用应力区直径为10mm的应力棒插入预制棒的孔中，清洗干燥后，将组合光纤预制棒上塔拉制80μm包层直径的保偏光纤，共生产得到35km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—25dB，光纤的双折射达到6×10^-4；拉制125μm包层直径的保偏光纤，可生产得到20km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—30dB，光纤的双折射达到4×10^-4，所有保偏光纤性能指标完全可以满足通信和传感领域的应用要求。

实施例2：

组合预制棒的几何参数和使用此组合预制棒拉制的保偏光纤长度和性能指标见表2。

表2：组合预制棒的几何大小和所拉制光纤的相关指标

使用40mm直径的打孔预制棒，其中孔的直径为13.5mm，使用应力区直径为13mm的应力棒插入预制棒的孔中，清洗干燥后，将组合光纤预制棒上塔拉制80μm包层直径的保偏光纤，共生产得到65km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—25dB，光纤的双折射达到6×10^-4；拉制125μm包层直径的保偏光纤，可生产得到40km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—30dB，光纤的双折射达到4×10^-4，所有保偏光纤性能指标完全可以满足通信和传感领域的应用要求。

实施例3：

组合预制棒的几何参数和使用此组合预制棒拉制的保偏光纤长度和性能指标见表3。

表3：组合预制棒的几何大小和所拉制光纤的相关指标

使用50mm直径的打孔预制棒，其中孔的直径为16mm，使用应力区直径为14mm的应力棒插入预制棒的孔中，清洗干燥后，将组合预制棒上塔拉制80μm包层直径的保偏光纤，共生产得到100km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—25dB，光纤的双折射达到6×10^-4；拉制125μm包层直径的保偏光纤，可生产得到60km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—30dB，光纤的双折射达到4×10^-4，所有保偏光纤性能指标完全可以满足通信和传感领域的应用要求。

实施例4：

组合预制棒的几何参数和使用此组合预制棒拉制的保偏光纤长度和性能指标见表4。

表4：预制棒的几何大小和所拉制光纤的相关指标

使用60mm直径的打孔预制棒，其中孔的直径为20mm，使用应力区直径为18mm的应力棒插入预制棒的孔中，清洗干燥后，将组合预制棒上塔拉制125μm包层直径的保偏光纤，共生产得到150km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—25dB，光纤的双折射达到6×10^-4；拉制125μm包层直径的保偏光纤，可生产得到120km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—30dB，光纤的双折射达到4×10^-4，所有保偏光纤性能指标完全可以满足通信和传感领域的应用要求。

实施例5：

组合预制棒的几何参数和使用此组合预制棒拉制的保偏光纤长度和性能指标见表5。

表5：组合预制棒的几何大小和所拉制光纤的相关指标

使用70mm直径的打孔预制棒，其中孔的直径为23mm，使用应力区直径为21mm的应力棒插入预制棒的孔中，清洗干燥后，将组合预制棒上塔拉制80μm包层直径的保偏光纤，共生产得到200km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—25dB，光纤的双折射达到6×10^-4；拉制125μm包层直径的保偏光纤，可生产得到150km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—30dB，光纤的双折射达到4×10^-4，所有保偏光纤性能指标完全可以满足通信和传感领域的应用要求。

实施例6：

组合预制棒的几何参数和使用此组合预制棒拉制的保偏光纤长度和性能指标见表6。

表6：组合预制棒的几何大小和所拉制光纤的相关指标

使用80mm直径的打孔预制棒，其中孔的直径为26mm，使用应力区直径为24mm的应力棒插入预制棒的孔中，清洗干燥后，将组合预制棒上塔拉制80μm包层直径的保偏光纤，共生产得到300km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—25dB，光纤的双折射达到6×10^-4；拉制125μm包层直径的保偏光纤，可生产得到240km长度的合格保偏光纤产品，每公里长度此熊猫型保偏光纤的串音达到—30dB，光纤的双折射达到4×10^-4，所有保偏光纤性能指标完全可以满足通信和传感领域的应用要求。

Claims

1.一种保偏光纤大规格组合光纤预制棒的制造方法，用沉积法沉积分别制造芯棒和应力棒，芯棒和应力棒上均预留有包层，

其特征在于所述光纤预制棒的直径在30～80mm，长度在200～800mm，两侧孔的直径范围在12～27mm，所述应力棒应力区的直径范围在10～25mm，

用机械钻孔的方式在光纤预制棒的纤芯两侧打孔；

所述的机械钻孔方式为中心校准，平移打孔的方式，即装夹光纤预制棒时，使光纤预制棒的中心线与钻孔刀具的中心线相平齐，打孔过程中钻孔刀具沿钻孔方向进给，光纤预制棒被锁定，钻孔刀具的其它进给方向被锁定，在一侧的孔被打通后，钻孔刀具从孔中退回到初始位，然后，光纤预制棒沿其中心与被钻孔中心连线的相反方向平移两倍的孔距，平移到位后，进行另一侧孔的钻进；

所述机械钻孔的方式为连续切削和超声打孔工艺，钻孔刀具的转速为4500转～9000转/每分钟，孔的表面粗糙度控制在10微米以下。

2.按权利要求1所述的保偏光纤大规格组合光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的应力棒包括应力区和包层，其中应力区是掺杂有硼元素的石英玻璃，或者硼与锗元素共掺杂的石英玻璃，硼以B₂O₃的形态存在，应力棒掺B应力区B的均匀掺杂浓度达到10％wt重量比以上。