CN102096144B - 一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤及其制作方法，属于光纤技术领域。该双包层光纤由纤芯、对称分布于纤芯两侧的两个应力区、内包层、外包层和涂覆层构成。其制作技术方法为：首先制作具有一定厚度包层的一支芯棒和两支掺B棒和若干纯石英棒。其次选取直径较大的高纯石英棒，并在此石英棒上沿轴向螺旋开矩形槽。然后将高温软化后的芯棒、掺B棒和纯石英棒以掺B棒、芯棒、掺B棒、纯石英棒的顺序嵌入到螺旋矩形槽中，形成螺旋结构的偏振保持光纤预制棒。最后将制成的预制棒拉丝，得到具有螺旋结构的偏振保持双包层光纤。这种光纤不仅具有偏振保持的特性，而且还可以打破泵浦光的螺旋效应，提高光纤纤芯对泵浦光的吸收效率。

Description

一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体地说是一种具有螺旋结构的偏振保持双包层光纤及其制作方法。
背景技术
偏振保持光纤是一种具有沿光的传播方向保持其线偏振方向的特种光纤。偏振保持光纤的应用领域十分广泛，如：光纤激光器、光纤陀螺仪、光纤水听器、复用相干通信、偏振传感等。
理想中的普通光纤，其纤芯和包层均具有圆对称结构。如果不考虑外界因素对光纤的影响，则对于入射的线偏振光，在光纤出射端亦保持线偏振状态。但是，当考虑到使用环境对光纤的随机影响时，则对于入射的线偏振光，在光纤出射端，其偏振特性亦会产生随机的变化。而且光纤在制造过程中会产生随机的偏离理想圆对称的扰动，加上光纤在使用过程中作用在其上的应力沿径向和轴向的随机变动，导致这种光纤在输出端不能保持对输入线偏振光的偏振特性。偏振保持光纤由于人为引入了双折射，使光纤纤芯存在两个偏振主轴——快轴和慢轴。当线偏振光耦合进入偏振保持光纤时，如果线偏振光的偏振方向和偏振保持光纤的偏振主轴重合，则线偏振光可以在传输过程中一直保持其线偏振方向直至保偏光纤的输出端。引起光纤双折射的原因很多，各种几何和应力的不均匀性均会引起双折射。偏振保持光纤的类型有多种，常见的有熊猫型、领结型、椭圆包层型、椭圆芯型、类矩型和一字型等结构。
基于偏振保持光纤的优良特性，可以制作各种光器件，如利用具有偏振保持特性的双包层泵浦的掺杂光纤制作光纤激光器的谐振腔，以稳定在谐振腔内传输光的偏振方向，从而获得窄线宽高稳定输出功率的激光。但是如果采用纤芯处于光纤中心的偏振保持掺杂光纤，由于存在泵浦光的螺旋效应，使得只有沿子午线方向传输的泵浦光才可以被耦合进入纤芯被掺杂的稀土离子吸收，从而限制了泵浦光的耦合效率和激光的输出功率。针对这一问题，人们提出采用不规则内包层的双包层光纤结构，如D形、内接多边形，梅花形等。其目的就是要打破泵浦光的螺旋线传输，使得泵浦光易于耦合进入光纤纤芯而被稀土离子所吸收。但是上述特殊内包层结构的双包层光纤，需要在拉丝过程中严格控制石墨炉温度，这不仅使拉丝工艺复杂化，而且还会降低光纤的强度，不利于光纤的使用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种螺旋结构的偏振保持光纤，该光纤纤芯偏离光纤中心，即研制偏心的螺旋结构偏振保持双包层掺杂光纤，解决了泵浦光耦合效率低的问题。
本发明采取了如下技术方案：本发明中的螺旋结构的偏振保持双包层光纤包括纤芯、对称分布在纤芯两侧的应力区、内包层、外包层和涂覆层，纤芯和应力区沿光纤轴向呈螺旋状分布于内包层中，且在光纤任一横截面内，芯棒和应力区的中心在同一条直线上，且这条直线通过光纤中心。所述的沿光纤轴向呈螺旋结构分布于内包层中的纤芯1和应力区2至少为一组，当多于一组时，各组之间相对于光纤中心4对称分布。
一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤的制作方法，该方法包括如下步骤：首先在纯石英棒上沿轴向至少开一个螺旋矩形槽；然后将软化后的芯棒、掺B棒和纯石英棒以掺B棒、芯棒、掺B棒、纯石英棒的顺序分别嵌入到螺旋矩形槽中，形成螺旋结构的偏振保持光纤预制棒；然后拉丝，内涂层为比纯石英棒折射率低的树脂，或制成光子晶体结构；从而得到具有螺旋结构的偏振保持双包层光纤。
相对于现有技术而言，本发明所提出的光纤集偏心的双包层光纤及偏振保持光纤的优点于一体，并使其纤芯和应力区沿光纤的轴线呈螺旋分布。这种光纤不仅具有偏振保持的特性，而且还可以打破泵浦光的螺旋效应，提高光纤纤芯对泵浦光的吸收效率。另外还可将制作光纤预制棒、拉丝和成缆过程中产生的几何或应力不均匀性平均化，仅体现出应力双折射所导致的光纤的偏振特性，由此达到提高光纤消光比及消光比稳定性的目的。
附图说明
图1为稀土离子掺杂芯棒和掺B棒横截面结构示意图；
图2为石英棒开槽与旋转示意图；
图3为螺旋结构偏振保持双包层光纤预制棒及其截面图；
图4为螺旋结构偏振保持双包层光纤及其截面图；
图5为双螺旋结构的偏振保持双包层光纤及其截面图；
图中：1、纤芯，2、应力区，3、光纤预制棒填充物，4、光纤中心，5、内包层，6、外包层，7、涂覆层，8、双包层光纤。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图3、图4所示，本发明中的螺旋结构的偏振保持双包层光纤包括纤芯1、对称分布在纤芯两侧的应力区2、内包层5、外包层6和涂覆层7，纤芯1和应力区2沿双包层光纤8轴向呈螺旋状分布于内包层5中，且在双包层光纤8的任一横截面内，纤芯1和应力区2的中心在同一条直线上，且这条直线通过双包层光纤8的中心4。沿双包层光纤8的轴向呈螺旋结构分布于内包层中的纤芯1和应力区2至少为一组，当多于一组时，各组之间相对于光纤中心4对称分布。
这种光纤的制作技术要领是，首先制作具有一定厚度包层的一支稀土离子掺杂芯棒1和两支应力区掺B棒2和若干纯石英棒，如图1所示。其次选取直径较大的纯石英棒，并在此石英棒上沿轴向螺旋开至少一个矩形槽，螺旋节距和矩形槽的深度可以根据实际需要确定，如图2所示。然后采用氢氧焰将高温软化后的芯棒、掺B棒和纯石英棒以掺B棒、芯棒、掺B棒、纯石英棒的顺序嵌入到螺旋矩形槽中，形成螺旋结构的偏振保持光纤预制棒，如图3所示。最后将制成的预制棒拉丝，内涂层为比纯石英棒折射率低的树脂，或制成光子晶体结构，得到具有螺旋结构的偏振保持双包层光纤，如图4所示。
光纤中可以包含有一组或多组呈对称结构分布的螺旋结构的纤芯和应力区，对应于石英棒上的矩形槽为双螺旋或多螺旋形状。
本发明将制作光纤预制棒、拉丝和成缆过程中产生的几何或应力不均匀性平均化，仅体现出应力双折射所导致的光纤的偏振特性，由此提高光纤消光比及消光比稳定性。
本发明中的螺旋结构的偏振保持双包层光纤可以采用熊猫型、领结型、类矩型和一字型等应力区结构，具体采用的应力区结构与制作工艺的复杂度以及偏振保持光纤的性能有关。下面以熊猫型应力区结构为例，阐述螺旋结构的双包层偏振保持光纤的具体实现方法。
实施例一
1)采用MCVD法(改进的化学气象沉积法)制作纤芯掺杂稀土离子的光纤预制棒，测试其芯区的直径和折射率分布。将其包层腐蚀到一定的厚度并抛光，将其作为芯棒，如图1所示。
2)采用MCVD法制作纤芯掺B的光纤预制棒，测试其芯区的直径和折射率分布。将其包层腐蚀到一定的厚度，并将其从中间截断，作为保偏光纤的两个应力区，如图1所示。
3)制作若干根纯石英棒，并以此为光纤预制棒填充物3使用。
4)根据测试的芯棒芯区直径和折射率分布计算石英预制棒的直径，并根据计算所得的数值选取相应的纯石英棒。在此石英棒上沿轴向螺旋开矩形槽，在开槽过程中，要时刻满足矩形槽底边的垂直平分线通过石英棒的轴线，如图2所示。矩形槽的宽度为腐蚀后的芯棒和掺B棒中的最大直径，螺旋节距和矩形槽的深度可以根据实际需要确定。
5)将开有螺旋矩形槽的石英棒、芯棒及掺B棒清洗干净，采用氢氧焰将高温软化后的芯棒、掺B棒和纯石英棒以掺B棒、芯棒、掺B棒、纯石英棒的顺序嵌入到螺旋矩形槽中，形成螺旋结构的偏振保持光纤预制棒。第一个掺B棒靠近双包层光纤的中心4，纯石英棒靠近双包层光纤的外侧面，在双包层光纤的任一个横截面内，芯棒及分布于其两侧的掺B棒的中心在同一条直线上，且这条直线通过开有螺旋结构矩形槽的石英棒的中心。其中，纯石英棒的数量以填满矩形槽为宜。如图3所示。
6)将制成的预制棒拉丝，内涂层为比纯石英棒折射率低的树脂，或光子晶体结构。从而得到具有螺旋结构的偏振保持双包层光纤，如图4所示。
实施例二
1)采用MCVD法制作纤芯掺杂稀土离子的光纤预制棒，测试其芯区的直径和折射率分布。将其包层腐蚀到一定的厚度并抛光后将其从中间截断，形成两支芯棒。
2)采用MCVD法制作纤芯掺B的光纤预制棒，测试其芯区的直径和折射率分布。将其包层腐蚀到一定的厚度，并将其截成四等份，作为保偏光纤的应力区使用。
3)制作若干根纯石英棒，并以此为光纤预制棒填充物3使用。
4)根据测试的芯棒芯区直径和折射率分布计算石英预制棒的直径，并根据计算所得的数值选取相应的纯石英棒。在此石英棒上的两侧沿轴向对称螺旋开矩形槽，形成沿轴向具有双螺旋结构的矩形槽。在开槽过程中，要时刻满足矩形槽底边的垂直平分线通过石英棒的轴线。矩形槽的宽度为腐蚀后的芯棒和掺B棒中的最大直径，螺旋节距和矩形槽的深度可以根据实际需要确定。
5)将开有双螺旋结构矩形槽的石英棒、芯棒及掺B棒清洗干净，采用氢氧焰将高温软化后的芯棒、掺B棒和纯石英棒以掺B棒，芯棒，掺B棒，纯石英棒的顺序分别嵌入到对称的双螺旋矩形槽中，形成双螺旋结构的偏振保持光纤预制棒。在任一个横截面内，芯棒及分布于其两侧的掺B棒的中心在同一条直线上，且这条直线通过开有双螺旋结构矩形槽的石英棒的中心。其中，纯石英棒的数量以填满矩形槽为宜。
6)将制成的预制棒拉丝，内涂层为比纯石英棒折射率低的树脂，或光子晶体结构。从而得到具有双螺旋结构的偏振保持双包层光纤，如图5所示。
以上对本发明所提供的一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤及其制作方法进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤，包括纤芯(1)、对称分布在纤芯(1)两侧的应力区(2)、内包层(5)、外包层(6)和涂覆层(7)，其特征在于：所述纤芯(1)和两个应力区(2)沿双包层光纤轴向呈螺旋状分布于内包层(5)中，且在双包层光纤任一横截面内，纤芯(1)和应力区(2)的中心在同一条直线上，且这条直线通过双包层光纤的中心(4)。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤，其特征在于：沿双包层光纤轴向呈螺旋结构分布于内包层中的纤芯(1)和应力区(2)至少为一组。
3.根据权利要求2所述的一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤，其特征在于：当纤芯(1)和应力区(2)大于等于两组时，各组纤芯(1)和应力区(2)相对于双包层光纤中心(4)对称分布。
4.权利要求1所述的一种螺旋结构的偏振保持双包层光纤的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：首先在纯石英棒上沿轴向至少开一个螺旋矩形槽；然后将软化后的芯棒、掺B棒和纯石英棒以掺B棒、芯棒、掺B棒、纯石英棒的顺序分别嵌入到螺旋矩形槽中，形成螺旋结构的偏振保持光纤预制棒；然后拉丝，内涂层为比纯石英棒折射率低的树脂，或制成光子晶体结构；从而得到具有螺旋结构的偏振保持双包层光纤。
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