CN102103228A - 一种双波导并列式保偏光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双波导并列式保偏光纤及其制造方法，包括两根波导结构相同的保偏光纤，其特征在于所述的两根保偏光纤相对称的一侧并列相联或并列相联成一体，且两根保偏光纤的光纤波导的应力区方向与并列方向一致，或与并列方向相垂直，在两根保偏光纤外包覆涂覆层，涂覆层的横截面呈圆滑扁平形。本发明将两根保偏光纤预制棒并列安装到一台光纤拉丝炉中或将两根保偏光纤预制棒分别安装到两台并列放置的光纤拉丝炉中，对两根保偏光纤预制棒同时加温，经高温熔融，拉丝成纤。本发明不但可以提高使用于光纤陀螺和光纤传感领域的光纤环圈的制作精度，改善光纤环圈的应力和温度敏感性，同时也有助于光纤环圈制作工艺的改进和提高。

Description

一种双波导并列式保偏光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种双波导并列式保偏光纤及其制造方法，属于光纤陀螺和光纤传感技术领域。

背景技术

保偏光纤是特种光纤的一类。保偏光纤，即线偏振保持光纤，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，光纤传感等。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，会成为圆或椭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纤芯保偏光纤，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。

由于保偏光纤的应用主要在光纤陀螺或者光纤电流互感器等技术领域，在这些相关应用领域，相当长度的保偏光纤需要被绕制成光纤环圈，作为敏感元件，通过不同的物理效应，如Sagnac效应或者Faraday效应，测量物体的角加速度或者通过导体的电流大小。为了保障这些保偏光纤的光纤环圈具有良好的温度和应力稳定性，需要采用特殊的绕环技术，一般使用四极绕法绕制光纤陀螺使用的光纤环圈。在光纤环圈的绕制过程中，要求精确控制被绕制光纤的长度、位置和绕纤张力，以最大确保光纤环圈在结构上保持良好的光学互易性。

使用现有的圆形截面保偏光纤产品，在光纤环圈的绕制过程中，存在下列问题：首先由于圆形结构，上层光纤必然会顺着下层光纤形成的V形槽缠绕，如图4所示，无法按照四极绕法的要求上层光纤位于下层光纤之上；第二由于上层光纤沿着下层光纤形成的V形槽内缠绕前进，当光纤从一圈V形槽向相邻的一圈V形槽跃进时，上下层光纤之间会出现一个交叉搭接点，这个交叉点的存在对光纤环圈的性能产生显著的影响，如何处理绕环过程中出现的交叉点是光纤环圈绕制的技术难点；第三，由于使用了圆形截面结构的光纤，在光纤环的缠绕过程中，难以保证圆形截面光纤不产生扭转，而这种光纤扭转会由于地磁Faraday效应对光纤环圈的精度产生负面影响；第四，由于光纤环圈绕制对于光纤长度、光纤位置和张力的控制非常严格，因此需要绕制的光纤越长，光纤环圈的绕制质量越难保证。上述问题的出现与现有保偏光纤的形态和结构直接相关，同时也是制约光纤环圈绕制质量的一些关键点。

为了解决上述问题，美国专利US6215933，Bifilar fog coil winding pattern with improvedshupe bias canceling properties，揭示了一种双光纤绕制的方法：即采用并行排列的双纤进行绕环，同时采用四极绕法，通过同时绕制两根光纤，可以有效地减少绕制光纤的长度，但使用该技术，仍然无法解决光纤位置的有效控制和绕制过程中光纤的扭转问题。另一个美国专利US5848213，Low shupe bias fiber optic rotation sensor coil，揭示了一种使用并带光纤绕制光纤环的方法：即使用并带光纤进行绕环，将并带的头子按照一定顺序熔接在一起形成环圈。这样可以保证绕环的时候光纤上下层层叠平行，而且更减少了需要绕制光纤的长度。但这种方法在环圈绕制的过程中，增加了许多的光纤熔接接头，会导致传感线圈的性能不稳定。同时使用这种方法绕制光纤环圈，引入了光纤并带胶等其他高分子材料，对光纤环圈的温度稳定性带来了负面的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提出了一种双波导并列式保偏光纤及其制造方法，该保偏光纤不但可以提高使用于光纤陀螺和光纤传感领域的光纤环圈的制作精度，改善光纤环圈的应力和温度敏感性，同时也有助于光纤环圈制作工艺的改进和提高。

为解决上述问题，本发明提出的技术方案为：包括两根波导结构相同的保偏光纤，所述的两根保偏光纤相对称的一侧并列相联或并列相联成一体，且两根保偏光纤的光纤波导的应力区方向(即慢轴方向)与并列方向一致，或与并列方向相垂直，在两根保偏光纤外包覆涂覆层，涂覆层的横截面呈圆滑扁平形。

按上述方案，所述的保偏光纤波导结构包括纤芯和围绕纤芯的包层，纤芯的折射率大于包层折射率，形成全内反射的波导结构，在包层内纤芯两侧存在硼掺杂的应力区，对纤芯施加非对称的应力，以使得光纤波导获得线偏振保持功能。

按上述方案，所述的保偏光纤为熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆包层型保偏光纤、椭圆纤芯型保偏光纤或光子晶体型保偏光纤。圆形截面保偏光纤的包层直径均为125微米或者80微米。

按上述方案，所述的两根保偏光纤相对称的一侧并列相联或并列相联成一体的联接接触面对应弧度为0～π/18，常用的为π/36～π/18。

按上述方案，所述的涂覆层为双层或单层涂覆层，所述的涂覆层的横截面呈椭圆形或腰圆形。

本发明上述光纤制造方法的技术方案为：

采用常规的保偏光纤制造工艺制备两根具有相同波导结构的保偏光纤预制棒，两根保偏预制棒分别包括纤芯、包层和应力区，

将两根保偏光纤预制棒并列安装到一台光纤拉丝炉中，或将两根保偏光纤预制棒分别安装到两台并列放置的光纤拉丝炉中，两根保偏光纤预制棒在光纤拉丝炉中安装的方位相对应或相同，且两根保偏光纤预制棒的光纤波导的应力区方向(即慢轴方向)与光纤并列方向一致，或与光纤并列方向相垂直，

光纤拉丝炉对两根保偏光纤预制棒同时加温，经高温熔融，拉丝成纤，

在裸光纤冷却固化前穿入并带模具，使两根裸光纤在并带模具中并列相联或并列相联成一体，

然后并列相联的两根裸光纤穿入光纤涂覆装置，完成涂覆层的加工即成。

按上述方案，所述的并带模具与光纤涂覆装置相联成一体，构成光纤并带/涂覆装置，使并带和涂覆合成一道工序完成。

按上述方案，光纤的拉丝温度控制在1850℃或1850℃以下；拉丝温度和拉丝速度具有一定的匹配关系，在低温拉丝情况下，拉丝速度控制在400m/min或400m/min以下，较低的拉丝速度也有利于控制拉丝过程中波导的扭转。低温拉制的双波导并列保偏光纤具有光纤间弱粘连的特点，在后续的使用过程中，可以较为容易地将光纤的双波导拆开。

按上述方案，当两根保偏光纤预制棒并列安装到一台光纤拉丝炉中，将两根保偏光纤预制棒相并列的对应一侧接触面磨削成平面，用以避免在拉丝过程中两光纤产生相对的转动；所述的保偏光纤预制棒对应一侧接触面的平面对应弧度为π/36～π/18。

按上述方案，在两根保偏光纤预制棒分别安装到两台并列放置的光纤拉丝炉时，保持两台光纤拉丝炉的拉丝温度和拉丝速度相同。

按上述方案，所述的并列相联的两根裸光纤进行的涂覆层加工为单层涂覆，或双层涂覆；所述的涂覆层的横截面呈椭圆形或腰圆形或其它扁平形；涂覆材料可以包括树脂、橡胶、以及金属薄膜等各种涂覆材料。

本发明的有益效果在于：1、在光纤陀螺或者光纤互感器技术领域，当使用保偏光纤制作作为传感头的光纤环圈时，要求保偏光纤的缠绕位置和张力控制精确，不允许光纤在缠绕中出现扭转的现象，且一般采用四极绕法绕制光纤环圈，对于光纤的对称性要求严格，因此如何绕制高质量的保偏光纤环圈一直是相关技术领域的难点之一。本发明提出的双波导并列式保偏光纤，由于外部形状是椭圆或者扁平形结构，因此在环圈绕制过程中可以消除光纤扭转的情况出现，加之在拉丝过程中确保两波导的相对方位，因此可以提高光纤环圈的制作精度，改善光纤环圈的应力和温度敏感性，同时也有助于光纤环圈制作工艺的改进和提高。另外由于扁平形状，可以保证光纤环圈的每圈之间、以及层与层之间位置精确控制，而避免圆柱形光纤缠绕出现的交叉搭接点，可以更精确的控制光纤的位置和绕纤张力；而且由于光纤的双波导结构，因此需要绕制的光纤长度可以相对于单波导结构的保偏光纤减少一半，对于绕制大长度、高精度的保偏光纤环圈意义重要。2、在一些要求小型化的应用领域，使用本发明的双波导保偏光纤，可以有效的减少光纤的空间要求，有利于小型化光纤器件的集成。如对用于小型光纤陀螺的Y波导器件，由于几何大小有限，分离的多根光纤尾纤的处理比较困难，而使用本发明的双波导尾纤，由于双波导的快慢轴方向一致，而且紧密接触，因此对于空间和偏振态的控制相对于分离的光纤尾纤更为简易，对制造高质量的小型化光纤集成器件有着重要的意义。

附图说明

图1为本发明一个实施例的横截面结构示意图，其中应力区“一”字型排列。

图2为本发明第二个实施例的横截面结构示意图，其中应力区“二”字型排列。

图3为本发明第三个实施例的横截面结构示意图，其中应力区“一”字型排列。

图4为本发明第四个实施例的横截面结构示意图，其中应力区“二”字型排列。

图5是现有圆柱形保偏光纤四极绕法光纤位置示意图。

图6为本发明制造方法的工艺流程框图。

图7是本发明绕制在陀螺用光纤环圈的示意图。

图8是本发明绕制的光纤互感器用光纤环圈示意图。

图9为本发明制造时单拉丝炉加工的示意图。

图10为本发明制造时双拉丝炉加工的示意图。

具体实施方式

下面通过附图进一步说明本发明的实施例。

附图1～8主要给出了双波导光纤的结构设计，以及其在光纤陀螺用光纤环中的使用方式。图9～10给出了双波导光纤拉丝工艺的两种方式。图9使用单拉丝炉设计，两根组合保偏预制棒14和15根据预先设计的要求被置入光纤拉丝炉16中，加热到设定温度后，从两根预制棒锥部拉出双波导光纤进入光纤并带/涂覆装置18后，涂敷上保护树脂后得到双波导光纤17。图10是双拉丝炉工艺设计，两根组合预制棒14、15被分别置入两个并联安设的拉丝炉16中，两根预制棒分别被拉出两根光纤19，然后两根光纤19被置入光纤并带/涂覆装置18中，两根光纤的相对位置根据设计要求，由于涂覆材料在涂覆装置中具有中心定位稳定的作用，两根光纤19被涂覆形成双波导光纤17。

双波导结构的保偏光纤产品的几种结构如图1、2、3、4所示。该保偏光纤包括具有相同结构的两根保偏光纤波导，每根波导均包括纤芯和围绕纤芯的包层，其中纤芯的折射率大于包层折射率，形成全内反射的波导结构，在包层内，纤芯两侧存在硼掺杂的应力区，对纤芯施加非对称的应力，以使得光纤波导获得线偏振保持功能。两根保偏光纤波导的包层直径均为125微米或者80微米，根据设计要求，两根保偏光纤波导平行排列，排列方向可以与光纤波导的应力区方向(即慢轴方向)一致或者垂直于波导的应力区方向(即快轴方向)，见图1、2、3、4不同波导排列方向的双波导保偏光纤示意图。本发明提出的双波导结构保偏光纤共用涂覆层，涂覆层组成可以是双层涂覆或者单层涂覆，涂覆层的几何形状为椭圆结构或者类矩形结构。

本发明具体实施例如下：

实施例1-2：

根据图6所指出的制造工艺流程，首先沉积制造符合设计要求的光纤芯棒以及应力棒，然后将光纤芯棒插入一根套管，在预制棒拉伸塔上将芯棒和套管拉制成几何尺寸合乎设计要求的预制棒，该预制棒包括纤芯和包层部分，然后采用机械打孔技术，在预制棒纤芯两侧对称打出两个纵向贯通预制棒的孔，并将两根应力棒插入孔中得到保偏预制棒，按照相同的工艺制造另一根相同设计和尺寸的保偏预制棒。为了获得图1和图2结构的保偏光纤样品，将所制造的两根外表面为圆形的保偏预制棒截成两根，长度为原来长度的一半，按照图1、2所给出的结构分别组装成两根组合的保偏光纤预制棒，其中一根组合预制棒的四个应力区成“一”字型排列，即保偏预制棒的排列方向与应力区的慢轴方向一致，而另一根组合预制棒的应力区成“二”字型排列，即保偏预制棒的排列方向与应力区的快轴方向一致。然后将组合预制棒上拉丝塔，根据保偏光纤拉丝程序拉制成双波导并列结构的保偏光纤，它们的几何结构分别如图1、2所示。两根保偏光纤相对称的一侧并列相联且两根保偏光纤的光纤波导的应力区方向(即慢轴方向)与并列方向一致，或与并列方向相垂直，其中的两个波导具有相同大小的纤芯1和包层2，两个波导的四个应力区3也拥有相似的几何大小，该光纤的两个波导拥有共同的内涂覆层4和外涂覆层5，为双涂覆层，涂覆层的横截面呈椭圆形。表1是对实施例1和2双波导结构保偏光纤的几何和光学测试结果。

表1：实施例1和2双波导保偏光纤测试结果

由表1可知，实施例1和2的双波导结构保偏光纤的几何大小及几何控制精度与单波导结构的圆柱形保偏光纤相似，而且每根波导的衰减、模场直径和偏振串音的大小也与普通保偏光纤的性能指标相似，同时测试表明两根波导之间并没有功率的耦合串扰现象。根据上述测试结果表明，双波导保偏光纤中每根波导的几何和光学指标与单波导的保偏光纤产品是一致的，完全可以满足保偏光纤的应用需求，同时由于采用了低温拉丝工艺，双波导保偏光纤的两根波导可以方便的分离，对于其在光纤陀螺，光纤电流互感器和保偏耦合器方面的使用相当便利。图7是使用实施例1、2双波导保偏光纤，采用四极绕法所绕制的光纤陀螺用环圈的结构示意图，双波导保偏光纤被绕制在骨架10上。在光纤绕制时，如果采用单波导圆柱形保偏光纤，上下层光纤的位置安排如图5所示，光纤7处于下层光纤所形成的V形槽8内，光纤之间填充固化胶9以避免光纤的位置变动。而使用双波导结构的保偏光纤，由于其外形为椭圆形或者类矩形，其光纤的排列如图7所示，上层光纤准确的位于下层光纤之上，同一层光纤之间紧密排列，完全符合四极绕法的相关要求。当光纤环圈绕制完成后，光纤的两个端头11，12处于图7所示的右上角，然后将两个端头中标注有“×”号的波导熔接，即可得到一个闭合光路的陀螺用光纤环圈，剩下的两个标注有“+”号的光纤用于光纤环圈的输入输出端。测试结果表明，该光纤环圈的温度稳定性优于具有相同光纤长度的单波导保偏光纤环圈的温度稳定性，可以满足中精度光纤陀螺的使用需求。

实施例3-4：

根据图6所指出的制造工艺流程，首先沉积制造符合设计要求的光纤芯棒以及应力棒，然后将光纤芯棒插入一根套管，在预制棒拉伸塔上将芯棒和套管拉制成几何尺寸合乎设计要求的预制棒，该预制棒包括纤芯和包层部分，然后采用机械打孔技术，在预制棒纤芯两侧对称打出两个纵向贯通预制棒的孔，并将两根应力棒插入孔中得到保偏预制棒，按照相同的工艺制造另一根相同设计和尺寸的保偏预制棒。将所制造的两根外表面为圆形的保偏预制棒截成两根，长度为原来长度的一半，并将四根预制棒的圆柱形外表面加以磨削，使其外表面成为“D”形，其中“D”形的平面位置根据图3、4所示波导结构确定。然后按照图3、4所给出的结构分别组装成两根组合的保偏光纤预制棒，组合保偏预制棒“D”形平面位置紧密接触，对应一侧接触面的平面对应弧度为π/20。组合保偏预制棒中一根组合预制棒的四个应力区成“一”字型排列，即保偏预制棒的排列方向与应力区的慢轴方向一致，而另一根组合预制棒的应力区成“二”字型排列，即保偏预制棒的排列方向与应力区的快轴方向一致。然后将组合预制棒上拉丝塔，根据保偏光纤拉丝程序拉制成双波导结构的保偏光纤，两根保偏光纤相对称的一侧并列相联成一体，且两根保偏光纤的光纤波导的应力区方向(即慢轴方向)与并列方向一致，或与并列方向相垂直，它们的几何结构分别如图3、4所示。其中的两个波导具有相同大小的纤芯1和包层2，两个波导的四个应力区3也拥有相似的几何大小，该光纤的两个波导拥有共同的内涂覆层4和外涂覆层5，涂覆层的横截面呈椭圆形。表2是对实施例3和4双波导结构保偏光纤的几何和光学测试结果。

表2：实施例3和4双波导保偏光纤测试结果

由表2可知，实施例3和4的双波导结构保偏光纤的几何大小及几何控制精度与单波导结构的圆柱形保偏光纤相似，而且每根波导的衰减、模场直径和偏振串音的大小也与普通保偏光纤的性能指标相似，同时测试表明两根波导之间并没有功率的耦合串扰现象。根据上述测试结果表明，双波导保偏光纤中每根波导的几何和光学指标与单波导的保偏光纤产品是一致的，完全可以满足保偏光纤的应用需求，同时由于采用了低温拉丝工艺，双波导保偏光纤的两根波导可以方便的分离，对于其在光纤陀螺，光纤电流互感器和保偏耦合器方面的使用相当便利。图8是使用实施例3、4双波导保偏光纤，采用四极绕法所绕制的光纤电流互感器用传感头的结构示意图，双波导保偏光纤被绕制在骨架10上。在光纤绕制时，如果采用单波导圆柱形保偏光纤，上下层光纤的位置安排如图5所示，上层光纤7处于下层光纤所形成的V形槽8内，光纤之间填充固化胶9以避免光纤的位置变动。而使用双波导结构的保偏光纤时，由于其外形为椭圆形或者类矩形，其光纤的排列如图8所示，上层光纤准确的位于下层光纤之上，同一层光纤之间紧密排列，完全符合四极绕法的相关要求。当光纤环圈绕制完成后，光纤的两个端头11，12处于图8所示的右上角，然后将两个端头中标注有“×”号的波导熔接，即可得到一个闭合光路的光纤电流互感器用传感头，剩下的标注有“+”号的波导端头被镀上反射膜或者熔接光纤反射镜，另一个没有任何标注的波导端头用于环圈的输入输出端，如此则完成一个反射式电流互感器敏感头的制作。测试结果表明，该光纤敏感头的温度稳定性优于单波导保偏光纤敏感头，可以满足光纤电流传感器的使用需求。

Claims (10)

1.一种双波导并列式保偏光纤，包括两根波导结构相同的保偏光纤，其特征在于所述的两根保偏光纤相对称的一侧并列相联或并列相联成一体，且两根保偏光纤的光纤波导的应力区方向与并列方向一致，或与并列方向相垂直，在两根保偏光纤外包覆涂覆层，涂覆层的横截面呈圆滑扁平形。

2.按权利要求1所述的双波导并列式保偏光纤，其特征在于所述的保偏光纤波导结构包括纤芯和围绕纤芯的包层，纤芯的折射率大于包层折射率，形成全内反射的波导结构，在包层内纤芯两侧存在硼掺杂的应力区，对纤芯施加非对称的应力，以使得光纤波导获得线偏振保持功能。

3.按权利要求1或2所述的双波导并列式保偏光纤，其特征在于所述的保偏光纤为熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆包层型保偏光纤、椭圆纤芯型保偏光纤或光子晶体型保偏光纤。

4.按权利要求1或2所述的双波导并列式保偏光纤，其特征在于所述的两根保偏光纤相对称的一侧并列相联或并列相联成一体的联接接触面对应弧度为0～π/18。

5.按权利要求1或2所述的双波导并列式保偏光纤，其特征在于所述的涂覆层为双层或单层涂覆层，所述的涂覆层的横截面呈椭圆形或腰圆形。

6.一种双波导并列式保偏光纤的制造方法，其特征在于

采用常规的保偏光纤制造工艺制备两根具有相同波导结构的保偏光纤预制棒，两根保偏预制棒分别包括纤芯、包层和应力区，

将两根保偏光纤预制棒并列安装到一台光纤拉丝炉中，或将两根保偏光纤预制棒分别安装到两台并列放置的光纤拉丝炉中，两根保偏光纤预制棒在光纤拉丝炉中安装的方位相对应或相同，且两根保偏光纤预制棒的光纤波导的应力区方向与光纤并列方向一致，或与光纤并列方向相垂直，

光纤拉丝炉对两根保偏光纤预制棒同时加温，经高温熔融，拉丝成纤，

在裸光纤冷却固化前穿入并带模具，使两根裸光纤在并带模具中并列相联或并列相联成一体，

然后并列相联的两根裸光纤穿入光纤涂覆装置，完成涂覆层的加工即成。

7.按权利要求6所述的双波导并列式保偏光纤的制造方法，其特征在于所述的并带模具与光纤涂覆装置相联成一体，构成光纤并带/涂覆装置，使并带和涂覆合成一道工序完成。

8.按权利要求6或7所述的双波导并列式保偏光纤的制造方法，其特征在于光纤的拉丝温度控制在1850℃或1850℃以下；拉丝速度控制在400m/min或400m/min以下。

9.按权利要求6或7所述的双波导并列式保偏光纤的制造方法，其特征在于当两根保偏光纤预制棒并列安装到一台光纤拉丝炉中，将两根保偏光纤预制棒相并列的对应一侧接触面磨削成平面，所述的保偏光纤预制棒对应一侧接触面的平面对应弧度为π/36～π/18。

10.按权利要求6或7所述的双波导并列式保偏光纤的制造方法，其特征在于在两根保偏光纤预制棒分别安装到两台并列放置的光纤拉丝炉时，保持两台光纤拉丝炉的拉丝温度和拉丝速度相同。

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