CN102213790A - 便于绕制的熊猫型保偏光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种便于绕制的熊猫型保偏光纤，包括纤芯、应力区和包层，在光纤的横截面上，包层呈由优弧和弦构成的D形；纤芯位于包层的优弧所在圆的中心；两个圆形应力区对称分布在纤芯两侧，包层的弦与两个应力区圆心的连线平行。上述保偏光纤的制造方法，包括光纤预制棒的制作和对光纤预制棒进行拉丝的操作，其中光纤预制棒的制作步骤为：1)采用常规工艺制作圆形熊猫型保偏光纤预制棒，它包括圆柱状的预制棒包层、位于预制棒包层中心的芯棒和对称分布在芯棒两侧的圆柱状应力棒；2)对步骤1)制作的预制棒的预制棒包层进行磨削形成预制棒平面，使得在磨削后的光纤预制棒的横截面上，预制棒包层呈由优弧和弦构成的D形，且弦与两个应力棒圆心的连线平行。

Description

便于绕制的熊猫型保偏光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及保偏光纤，具体地指一种便于绕制的熊猫型保偏光纤及其制造方法，适用于保偏光纤器件制造。

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，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，即保偏光纤的双折射现象。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。相应地，保偏光纤产品也包括几何双折射和应力双折射保偏光纤。几何双折射保偏光纤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。

上述应力双折射保偏光纤中，熊猫型保偏光纤应用得最为广泛，其结构包括纤芯、应力区和包层部分，其中纤芯位于包层的中心部分，而两个圆柱状的应力区分布在纤芯的两侧。纤芯一般为锗氟共掺杂的石英玻璃、应力区一般为硼掺杂的石英玻璃、而包层一般为纯石英玻璃材料。由于硼石英具有比纯石英更大的热膨胀性能，所以应力区能够产生压应力作用于纤芯部分，从而产生所谓的应力双折射使得保偏光纤具有线偏振保持性能。

当前一般使用的熊猫型保偏光纤的横截面为圆形结构，即光纤的纤芯和包层均为旋转对称圆形波导。这种圆形波导由于和普通的通信光纤结构相似，因此在使用中易于和普通通信光纤产品接续兼容，在实际中被广泛使用。但使用圆形结构的保偏光纤，在某些应用环境下，也会带来技术问题，如在保偏光纤环的绕制过程中，若被缠绕光纤发生扭转，会由于地磁所引发的法拉第效应而给光纤陀螺带来零偏误差。由于圆形光纤的旋转对称性，无法分辨和消除光纤的扭转，从而降低了光纤环的品质，在高精度光纤环的绕制过程中，这一问题尤其严重。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种便于绕制的熊猫型保偏光纤及其制造方法，能够适用于高精度光纤陀螺等光学器件。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种便于绕制的熊猫型保偏光纤，包括纤芯、应力区和包层，其特别之处在于：在光纤的横截面上，所述包层呈由优弧和弦构成的D形；所述纤芯位于包层的优弧所在圆的中心；两个圆形应力区对称分布在纤芯两侧，所述包层的弦与两个应力区圆心的连线平行。

上述技术方案中，在光纤的横截面上，所述弦与纤芯中心的距离L满足：r＜L＜R，r为应力区半径，R为包层的优弧半径。

进一步地，在光纤的横截面上，所述弦与纤芯中心的距离L满足：(R+3r)/4＜L＜(3R+r)/4，r为应力区半径，R为包层的优弧半径。

本发明提供的一种上述便于绕制的熊猫型保偏光纤的制造方法，包括光纤预制棒的制作和对光纤预制棒进行拉丝的操作，其特别之处在于，所述光纤预制棒的制作步骤为：

1)采用常规工艺制作圆形熊猫型保偏光纤预制棒，常规圆形熊猫型保偏光纤预制棒包括圆柱状的预制棒包层、位于预制棒包层中心的芯棒和对称分布在芯棒两侧的圆柱状应力棒；

2)对步骤1)制作的圆形熊猫型保偏光纤预制棒的预制棒包层进行磨削，形成预制棒平面，使得在磨削后的光纤预制棒的横截面上，预制棒包层呈由优弧和弦构成的D形，且弦与两个应力棒圆心的连线平行。

上述技术方案的所述步骤2)中，在光纤预制棒的横截面上，所述弦与芯棒中心的距离L’满足：r’＜L’＜R’，r’为应力棒半径，R’为预制棒包层的优弧半径。

进一步地，所述步骤2)中，在光纤预制棒的横截面上，所述弦与芯棒中心的距离L’满足：(R’+3r’)/4＜L’＜(3R’+r’)/4，r’为应力棒半径，R’为预制棒包层的优弧半径。

上述技术方案中，所述对光纤预制棒进行拉丝的步骤中，拉丝速度大于或等于100m/min。

本发明的有益效果在于：

1、适合于绕制高精度光纤陀螺用保偏光纤环。高精度光纤陀螺的零偏稳定性要求小于0.001度/小时。在这种零偏稳定性要求下，保偏光纤的法拉第效应会对其产生显著的影响，并因而降低光纤陀螺的稳定性。因此高精度保偏光纤环的绕制过程中必须控制光纤的扭转，即要求无扭转绕制光纤。由于圆形结构的保偏光纤无法分辨光纤的转动，因此就无法控制光纤的扭转。使用本发明的D形保偏光纤，由于其结构的非旋转对称性，可以通过识别其光纤平面方向的变化来辨别光纤是否存在扭转，因此可以在光纤绕制过程中识别并控制光纤的扭转问题。这样，使用本发明的D形保偏光纤，可以保持光纤在绕制过程中不发生扭转，以适应高精度光纤陀螺的应用需求。

2、适合于研制高指标的保偏光纤耦合器。使用普通保偏光纤制造耦合器时，存在几个问题：一是为了使两根光纤的传导模式充分发生耦合，两根光纤需要在高温下被拉长拉细，因此所制造的耦合器的可靠性较差，容易发生断裂；二是由于光纤被拉伸的较长，所制备的耦合器的几何尺寸较大，小型化困难。使用本发明的D形保偏光纤制造保偏光纤耦合器，由于其光纤平面距离纤芯较近，因此光纤只需稍微拉伸，两根光纤的导模就会发生耦合，这样，所制备的保偏光纤耦合器由于对原有光纤的损害较小，因此器件的可靠性大为增加，同时由于光纤拉伸较少，可以制造小型化的保偏光纤耦合器，这对于小型化光纤系统的研制具有重要的意义。

3、可以增加保偏光纤耦合的速度，提高器件制造效率。使用本发明的D形保偏光纤对位保偏器件的尾纤，如高消光比波导调制器的尾纤时，由于其光纤平面方向即为保偏光纤的慢轴方向，因此在尾纤方向的调整过程中，可以很快达到消光比指标要求，加快尾纤角度调整的速度，并进而提高D形保偏光纤尾纤型器件的生产效率。

附图说明

图1为现有熊猫型保偏光纤的立体示意图；

图2为本发明一种便于绕制的熊猫型保偏光纤的立体示意图；

图3为图2所示保偏光纤的预制棒结构示意图；

图4为由图2所示保偏光纤绕制的光纤环的剖面图；

图5为由图2所示保偏光纤制造的光纤耦合器结构示意图；

图中：1-包层，2-应力区，3-纤芯，4-预制棒(其中：4.1-预制棒包层，4.2-应力棒，4.3-芯棒)，5-预制棒平面，6-便于绕制的熊猫型保偏光纤，7-光纤环骨架，8-光纤平面，a-熔融拉锥区。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图1为现有熊猫型保偏光纤的结构示意图，它主要包括圆柱状包层1、位于包层1中心的纤芯3和对称分布在纤芯3两侧的圆柱状应力区2。

图2即为本发明的一种便于绕制的熊猫型保偏光纤6，与现有熊猫型保偏光纤不同，在光纤的横截面上，其包层1呈由优弧和弦构成的D形，且弦与两个应力区2圆心的连线平行。为确保应力区2的正常设置，弦与纤芯3中心的距离L满足：r＜L＜R，优选(R+3r)/4＜L＜(3R+r)/4，其中：r为应力区2半径，R为包层1的优弧半径。相应的，在整根光纤的包层1上，存在一个光纤平面8。

图3为本发明便于绕制的熊猫型保偏光纤6的预制棒4示意图，它包括横截面呈D形的预制棒包层4.1、两根圆柱状应力棒4.2以及芯棒4.3。该图还示意出了本发明的光纤制造方法，即用常规工艺制作现有圆形熊猫型保偏光纤预制棒后，对其预制棒包层4.1进行磨削，形成预制棒平面5，使得在磨削后的光纤预制棒4的横截面上，预制棒包层4.1呈由优弧和弦构成的D形，且弦与两个应力棒4.2圆心的连线平行。为确保应力棒4.2的正常设置，弦与芯棒4.3中心的距离L’满足：r’＜L’＜R’，优选(R’+3r’)/4＜L’＜(3R’+r’)/4，其中：r’为应力棒4.2半径，R’为预制棒包层4.1的优弧半径。预制棒4制作完成后，上拉丝塔拉丝，即可得到本发明的便于绕制的熊猫型保偏光纤6。拉丝的速度要求不低于100m/min，以减少预制棒4熔融部分在拉丝炉中的时间，有助于拉丝后光纤形状保持预制棒4的D形结构。拉丝后的保偏光纤使用双层涂覆，由于涂覆材料在涂覆模具中温度大于50℃，粘度很低，因此涂覆后光纤的结构仍可以保持D形。

图4示意出了用本发明的便于绕制的熊猫型保偏光纤6，绕制在光纤环骨架7上形成的光纤环。可以看出，由于本发明的D形保偏光纤具有一个作为基准的光纤平面8，所以在绕制时可以保持光纤的该平面位于同一个方向，因而能够控制绕制过程中光纤的扭转，使得被绕制光纤从头到尾保持一个方向，即无扭转状态。这种无扭转绕制的保偏光纤环，对于高精度陀螺的使用具有重要意义。

图5为本发明的便于绕制的熊猫型保偏光纤6制备的光纤耦合器，其中a是光纤耦合器的熔融拉锥区。可以看出，该耦合器通过两个本发明的D形保偏光纤的光纤平面8接触，即可以很好的保证耦合器波导的偏振一致性；同时由于本发明的D形保偏光纤的纤芯3部分较为靠近，因此其熔融拉锥区a可以保持较短，一般小于3cm。这有利于制造小型化、高串音的保偏光纤耦合器。

本发明的具体实施例如下：

实施例1：

表1：

四根包层1直径(包层1直径即本发明的D形保偏光纤横截面上，优弧部分拟合圆的直径)为125μm的本发明保偏光纤被制造，光纤平面8与纤芯3中心的距离有所不同，其中实施例1-4是一根专为保偏光纤耦合器制造的D形保偏光纤，其拍长较大。由1000m光纤的串音测试结果可以看到，本发明的D形保偏光纤的串音结果比圆形包层熊猫型保偏光纤的串音(一般低于-30dB)略差，但均能满足光纤陀螺或者光纤耦合器的使用要求。1000m长度的实施例1-1、1-2、1-3光纤被使用四极对称绕法绕制成直径为100mm的光纤环，其常温串音均可以达到-20dB或更小，能够满足高精度光纤陀螺的要求。另外，使用实施例1-4光纤试制了保偏光纤耦合器，其串音达到-28dB，优于普通保偏光纤耦合器-20dB左右的串音性能，可以用于高精度光纤陀螺的研制。总之，四根1310nm工作波长的D形保偏光纤研制结果表明，本发明的D形保偏光纤完全满足高精度光纤陀螺的使用要求，同时在光纤环的绕制和保偏光纤耦合器的制造上性能稳定，具有更高的生产效率和产品性能。

实施例2：

表2：

四根包层1直径(包层1直径即本发明的D形保偏光纤横截面上，优弧部分拟合圆的直径)为80μm的本发明保偏光纤被制造，光纤平面8与纤芯3中心的距离有所不同，其中实施例2-4是一根专为保偏光纤耦合器制造的D形保偏光纤，其拍长较大。由1000m光纤的串音测试结果可以看到，本发明的D形保偏光纤的串音结果比圆形包层熊猫型保偏光纤的串音(一般在-30dB左右)略差，但均能满足光纤陀螺或者光纤耦合器的使用要求。1000m长度的实施例2-1、2-2、2-3光纤被使用四极对称绕法绕制成直径为100mm的光纤环，其常温串音均可以达到-19dB或更小，能够满足高精度光纤陀螺的要求。另外，使用实施例2-4光纤试制了保偏光纤耦合器，其串音达到-26dB，优于普通保偏光纤耦合器-18dB左右的串音性能，可以用于高精度光纤陀螺的研制。总之，四根1310nm工作波长的D形保偏光纤研制结果表明，本发明的D形保偏光纤完全满足高精度光纤陀螺的使用要求，同时在光纤环的绕制和保偏光纤耦合器的制造上性能稳定，具有更高的生产效率和产品性能。

实施例3：

表3：

四根包层1直径(包层1直径即本发明的D形保偏光纤横截面上，优弧部分拟合圆的直径)为125μm的本发明保偏光纤被制造，光纤平面8与纤芯3中心的距离有所不同，其中实施例3-4是一根专为保偏光纤耦合器制造的D形保偏光纤，其拍长较大。由1000m光纤的串音测试结果可以看到，本发明的D形保偏光纤的串音结果比圆形包层熊猫型保偏光纤的串音(一般低于-30dB)略差，但均能满足光纤陀螺或者光纤耦合器的使用要求。1000m长度的实施例3-1、3-2、3-3光纤被使用四极对称绕法绕制成直径为100mm的光纤环，其常温串音均可以达到-20dB或更小，能够满足高精度光纤陀螺的要求。另外，使用实施例3-4光纤试制了保偏光纤耦合器，其串音达到-27dB，优于普通保偏光纤耦合器-20dB左右的串音性能，可以用于高精度光纤陀螺的研制。总之，四根1550nm工作波长的D形保偏光纤研制结果表明，本发明的D形保偏光纤完全满足高精度光纤陀螺的使用要求，同时在光纤环的绕制和保偏光纤耦合器的制造上性能稳定，具有更高的生产效率和产品性能。

实施例4：

表4：

四根包层1直径(包层1直径即本发明的D形保偏光纤横截面上，优弧部分拟合圆的直径)为80μm的本发明保偏光纤被制造，光纤平面8与纤芯3中心的距离有所不同，其中实施例4-4是一根专为保偏光纤耦合器制造的D形保偏光纤，其拍长较大。由1000m光纤的串音测试结果可以看到，本发明的D形保偏光纤的串音结果比圆形包层熊猫型保偏光纤的串音(一般在-30dB左右)略差，但均能满足光纤陀螺或者光纤耦合器的使用要求。1000m长度的实施例4-1、4-2、4-3光纤被使用四极对称绕法绕制成直径为100mm的光纤环，其常温串音均可以达到-19dB或更小，能够满足高精度光纤陀螺的要求。另外，使用实施例4-4光纤试制了保偏光纤耦合器，其串音达到-25dB，优于普通保偏光纤耦合器-18dB左右的串音性能，可以用于高精度光纤陀螺的研制。总之，四根1550nm工作波长的D形保偏光纤研制结果表明，本发明的D形保偏光纤完全满足高精度光纤陀螺的使用要求，同时在光纤环的绕制和保偏耦合器的制造上性能稳定，具有更高的生产效率和产品性能。

Claims (7)

1.一种便于绕制的熊猫型保偏光纤，包括纤芯(3)、应力区(2)和包层(1)，其特征在于：在光纤的横截面上，所述包层(1)呈由优弧和弦构成的D形；所述纤芯(3)位于包层(1)的优弧所在圆的中心；两个圆形应力区(2)对称分布在纤芯(3)两侧，所述包层(1)的弦与两个应力区(2)圆心的连线平行。

2.根据权利要求1所述的便于绕制的熊猫型保偏光纤，其特征在于：在光纤的横截面上，所述弦与纤芯(3)中心的距离L满足：r＜L＜R，r为应力区(2)半径，R为包层(1)的优弧半径。

3.根据权利要求2所述的便于绕制的熊猫型保偏光纤，其特征在于：在光纤的横截面上，所述弦与纤芯(3)中心的距离L满足：(R+3r)/4＜L＜(3R+r)/4，r为应力区(2)半径，R为包层(1)的优弧半径。

4.一种便于绕制的熊猫型保偏光纤的制造方法，包括光纤预制棒(4)的制作和对光纤预制棒(4)进行拉丝的操作，其特征在于，所述光纤预制棒(4)的制作步骤为：

1)采用常规工艺制作圆形熊猫型保偏光纤预制棒，常规圆形熊猫型保偏光纤预制棒包括圆柱状的预制棒包层(4.1)、位于预制棒包层(4.1)中心的芯棒(4.3)和对称分布在芯棒(4.3)两侧的圆柱状应力棒(4.2)；

2)对步骤1)制作的圆形熊猫型保偏光纤预制棒的预制棒包层(4.1)进行磨削，形成预制棒平面(5)，使得在磨削后的光纤预制棒(4)的横截面上，预制棒包层(4.1)呈由优弧和弦构成的D形，且弦与两个应力棒(4.2)圆心的连线平行。

5.根据权利要求4所述的便于绕制的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于，所述步骤2)中，在光纤预制棒(4)的横截面上，所述弦与芯棒(4.3)中心的距离L’满足：r’＜L’＜R’，r’为应力棒(4.2)半径，R’为预制棒包层(4.1)的优弧半径。

6.根据权利要求5所述的便于绕制的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于，所述步骤2)中，在光纤预制棒(4)的横截面上，所述弦与芯棒(4.3)中心的距离L’满足：(R’+3r’)/4＜L’＜(3R’+r’)/4，r’为应力棒(4.2)半径，R’为预制棒包层(4.1)的优弧半径。

7.根据权利要求4至6中任一权利要求所述的便于绕制的熊猫型保偏光纤的制造方法，其特征在于：所述对光纤预制棒(4)进行拉丝的步骤中，拉丝速度大于或等于100m/min。

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