CN102910812B - 一种保偏光纤的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种保偏光纤的制备方法，涉及光纤的制备领域，包括步骤：S1.采用PCVD工艺制备保偏芯棒和两根掺硼应力棒，保偏芯棒具有芯子和包层；S2.将保偏芯棒用石英套管在2000℃~2200℃的高温下熔融并拉细得到保偏母棒；S3.在保偏母棒的中心线的两侧，纵向加工一对对称的圆孔，圆孔中心线与保偏母棒中心线平行且位于同一平面；S4.将两根掺硼应力棒分别嵌入两圆孔中，组合成保偏光纤预制棒；S5.将保偏光纤预制棒在熔融状态下拉丝成保偏光纤；所述保偏光纤中，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例在2.0~4.0之间。本发明工艺简便，制作成本低，轴向均匀性好，利于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及光纤的制备领域，具体来讲是一种保偏光纤的制备方法。
背景技术
偏振保持光纤（Polarization Maintaining Optical Fiber）简称保偏光纤（PMF），由于将双折射引入到光纤中，使兼并的HEx11与HEy11两正交模式的传播常数差别增大，两模式耦合几率减小，从而线偏振光能保持其偏振态在光纤中进行传输。随着光通信系统和光纤传感等领域幅度调制向相位、偏振态调制的深入发展，光纤技术取得了进展。保偏光纤所具有的线偏振保持能力，使得保偏光纤在许多与偏振相关的应用领域具有使用价值，如复用相干通信，光纤陀螺仪，偏振传感、调制器等。
保偏光纤产品包括几何双折射和应力双折射保偏光纤。几何双折射实例是椭圆芯子保偏光纤，这种保偏光纤的芯子是椭圆形的，利用这种不对称结构产生双折射效应。而目前的应力双折射保偏光纤，包括熊猫型（panda）、蝴蝶结型（bow-tie）、椭圆包层（elliptical clad）等。这类光纤的特点在于在光纤的包层中引入了具有高膨胀系数的应力区挤压芯子从而产生应力双折射。
现有技术中保偏光纤制备多采用开槽法和打孔法。开槽法是通过对芯棒侧向开槽，并将掺硼应力棒放置于槽中最后进行套管组合拉丝，如CN101033112A中介绍的保偏光纤制备方法，开槽法在拉丝过程中，波导结构容易变形，工艺重复性差，且需要对缝隙进行填充，过程繁琐。而打孔法即首先采用PCVD（plasma chemical vapor deposition等离子化学气相沉积）工艺制备保偏芯棒和掺硼应力棒；然后将保偏芯棒已经与合适的套管通过高温作用形成保偏母棒，通过枪钻工艺在保偏母棒两侧对称打出两个平行孔；然后将掺硼应力棒外磨至匹配尺寸；再将两根外磨后的掺硼应力棒嵌入保偏母棒中组合成保偏光纤预制棒，最后进行拉丝即得到保偏光纤。但是传统的打孔法制备保偏光纤具有下列不足：
第一：由于石英玻璃预制棒的硬度非常高，打孔的深度和直径受到限制，打孔深度一般在150mm左右，且需要高精度机械精加工，成本高，同时对光纤的强度也会产生一些影响。
第二：受到掺硼应力棒和孔的尺寸限制，一般打孔组合光纤预制棒的直径偏小，单根光棒生产长度在40km以下，这对于大规模生产是不利的。
第三：受到加工精度影响，传统的打孔法所加工的双孔后续需要进行抛光处理才能满足下游工序需求，增加了工序成本。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种保偏光纤的制备方法，该工艺简便，制作成本低，轴向均匀性好，成品率高，利于大规模生产；制造的保偏光纤强度好、质量高。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种保偏光纤的制备方法，包括如下步骤：S1.采用等离子体化学气相沉积工艺制备保偏芯棒和两根掺硼应力棒，保偏芯棒具有芯子和包层；S2.将所述保偏芯棒用石英套管在2000℃~2200℃的高温下熔融成实心棒，并将其拉细得到保偏母棒，其中保偏芯棒的包层和石英套管高温熔融后形成保偏母棒的石英包层；S3.将保偏母棒安装在精密数控机床上，采用枪钻在保偏母棒的中心线的两侧，即芯子中心线的两侧，纵向加工一对对称的圆孔，圆孔中心线与保偏母棒中心线平行且位于同一平面上；S4.将所述两根掺硼应力棒分别嵌入保偏母棒中心线两侧的圆孔中，两根掺硼应力棒的中心线和保偏母棒中心线位于同一平面，且距离相等，组合成保偏光纤预制棒；S5.将所述保偏光纤预制棒安置在光纤拉丝塔上，在熔融状态下将保偏光纤预制棒拉丝成保偏光纤；所述保偏光纤中，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例在2.0~4.0之间。
在上述技术方案的基础上，所述掺硼应力棒的掺杂成分是B2O3，掺硼应力棒与石英玻璃的相对折射率差在-0.40%~-0.80%之间。
在上述技术方案的基础上，所述S3中对称的圆孔平行度偏差小于0.5mm，进口偏差小于0.05mm，出口偏差小于0.3mm。
在上述技术方案的基础上，所述采用枪钻加工圆孔一次性成型，圆孔的内表面粗糙度为0.8微米以下。
在上述技术方案的基础上，所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为3.9mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为30mm~35mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.40%，掺硼应力棒直径为8.5mm~10.5mm，保偏母棒的圆孔直径为9mm~11mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为2.0，圆孔的深度为400mm；制成保偏光纤的100m串音为-38dB。
在上述技术方案的基础上，所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为4.2mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为35mm~40mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.80%，掺硼应力棒直径为10.5mm~12.5mm，保偏母棒的圆孔直径为11mm~13mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为2.2，圆孔的深度为600mm；制成保偏光纤的100m串音为-42dB。
在上述技术方案的基础上，所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为4.4mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为40mm~45mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.60%，掺硼应力棒直径为12.5mm~14.5mm，保偏母棒的圆孔直径为13mm~15mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为2.5，圆孔的深度为800mm；制成保偏光纤的100m串音为-39dB。
在上述技术方案的基础上，所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为4.5mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为45mm~50mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.72%，掺硼应力棒直径为14.5mm~16.5mm，保偏母棒的圆孔直径为15mm~17mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为3.0，圆孔的深度为1000mm；制成保偏光纤的100m串音为-38dB。
在上述技术方案的基础上，所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为4.6mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为50mm~60mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.55%，掺硼应力棒直径为16.5mm~17.5mm，保偏母棒的圆孔直径为17mm~18mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为4.0，圆孔的深度为1000mm；制成保偏光纤的100m串音为-34dB。
在上述技术方案的基础上，所述掺硼应力棒内具有应力区。
本发明的有益效果在于：
1、通过精确控制：每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例，进而控制拉丝形成的保偏光纤串音。
2、采用枪钻加工圆孔一次性成型，圆孔的内表面粗糙度为0.8微米以下，无需后续研磨抛光处理，降低工序成本。
3、圆孔平行度偏差小于0.5mm，进口偏差小于0.05mm，出口偏差小于0.3mm，保证纵向均匀性，有利于大规模制备高保偏性能的光纤。
4、采用PCVD工艺制备保偏芯棒和两根掺硼应力棒，设计更为精准，能够制备大尺寸掺硼应力棒，尺寸最大可达20mm，有利于大规模生产。
附图说明
图1为本发明一种保偏光纤的制备方法中保偏芯棒结构图；
图2为本发明一种保偏光纤的制备方法中保偏芯棒插入石英套管后的横截面图；
图3为本发明一种保偏光纤的制备方法中保偏芯棒插入石英套管后形成保偏母棒后的结构图；
图4为本发明一种保偏光纤的制备方法中保偏母棒钻孔后的结构图；
图5为图4的横截面图；
图6为本发明一种保偏光纤的制备方法中掺硼应力棒的部分立体图；
图7为本发明一种保偏光纤的制备方法中保偏光纤预制棒的结构示意图；
图8为本发明每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离与芯子半径之间的比例，与保偏光纤串音关系图。
附图标记：保偏芯棒1，芯子11，包层12；掺硼应力棒2，应力区21；石英套管3；保偏母棒4，石英包层41，圆孔42；保偏光纤预制棒5。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
一种保偏光纤的制备方法，包括如下步骤：
S1.如图1和图6所示，采用PCVD工艺制备保偏芯棒1和两根掺硼应力棒2，保偏芯棒1具有芯子11和包层12；所述掺硼应力棒2的掺杂成分是B2O3，掺硼应力棒2与石英玻璃的相对折射率差在-0.40%~-0.80%之间，掺硼应力棒2内具有应力区21。
S2.如图2和图3所示，将所述保偏芯棒1用石英套管3在2000℃~2200℃的高温下熔融成实心棒，并将其拉细得到保偏母棒4，其中保偏芯棒1的包层12和石英套管3高温熔融后形成保偏母棒4的石英包层41。
S3.如图4和图5所示，将保偏母棒4安装在精密数控机床上，采用枪钻在保偏母棒4的中心线的两侧，即芯子11中心线的两侧，纵向加工一对对称的圆孔42，圆孔中心线与保偏母棒中心线平行且位于同一平面上；对称的圆孔42平行度偏差小于0.5mm，进口偏差小于0.05mm，出口偏差小于0.3mm，所述采用枪钻加工圆孔42一次性成型，圆孔42的内表面粗糙度为0.8微米以下。
S4.如图6和图7所示，将所述两根掺硼应力棒2分别嵌入保偏母棒4中心线两侧的圆孔42中，两根掺硼应力棒2的中心线和保偏母棒中心线位于同一平面，且距离相等，组合成保偏光纤预制棒5。
S5.将所述保偏光纤预制棒5安置在光纤拉丝塔上，在熔融状态下将保偏光纤预制棒5拉丝成保偏光纤；如图5所示，所述保偏光纤中，每根掺硼应力棒2靠近芯子11的内边缘和芯子11中心之间的距离R，与芯子半径r之间的比例在2.0~4.0之间。
下面通过实施例具体对本发明作详细说明。
实施例一：
如图1至图7所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备保偏芯棒1和两根掺硼应力棒2，保偏芯棒1的直径为21mm，芯子直径为3.9mm。然后将保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套熔融、拉细得到保偏母棒4，保偏母棒4的尺寸30~35mm，掺硼应力棒2的掺杂深度在-0.40%，掺硼应力棒直径为8.5~10.5mm；保偏母棒4上加工的每个圆孔42直径为9~11mm，每根掺硼应力棒2靠近芯子11的内边缘和芯子11中心之间的距离R，与芯子半径之间r的比例为2.0，即R/r=2.0，圆孔的深度为400mm；最后将外磨后的两根掺硼应力棒2分别嵌入保偏母棒4的两个圆孔42中，进行组合拉丝，所拉制的保偏光纤典型指标见表1。所述保偏光纤在1310nm波长条件下衰减为0.46dB/km、拍长1.4mm；保偏光纤在1550nm波长条件下衰减为0.39dB/km、拍长1.6mm；保偏光纤的100m串音为-39dB。
表1
实施例二：
如图1至图7所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备保偏芯棒1和两根掺硼应力棒2，保偏芯棒1的直径为21mm，芯子直径为4.2mm。然后将保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套熔融、拉细得到保偏母棒4，保偏母棒4的尺寸35~40mm，掺硼应力棒2的掺杂深度在-0.80%，掺硼应力棒直径为10.5~12.5mm；保偏母棒4上加工的每个圆孔42直径为11~13mm，每根掺硼应力棒2靠近芯子11的内边缘和芯子11中心之间的距离R，与芯子半径之间r的比例为2.2，即R/r=2.2，圆孔的深度为600mm；最后将外磨后的两根掺硼应力棒2分别嵌入保偏母棒4的两个圆孔42中，进行组合拉丝，所拉制的保偏光纤典型指标见表2。所述保偏光纤在1310nm波长条件下衰减为0.42dB/km、拍长1.6mm；保偏光纤在1550nm波长条件下衰减为0.33dB/km、拍长1.8mm；保偏光纤的100m串音为-42dB。
表2
实施例三：
如图1至图7所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备保偏芯棒1和两根掺硼应力棒2，保偏芯棒1的直径为21mm，芯子直径为4.4mm。然后将保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套熔融、拉细得到保偏母棒4，保偏母棒4的尺寸40~45mm，掺硼应力棒2的掺杂深度在-0.60%，掺硼应力棒直径为12.5~14.5mm；保偏母棒4上加工的每个圆孔42直径为13~15mm，每根掺硼应力棒2靠近芯子11的内边缘和芯子11中心之间的距离R，与芯子半径之间r的比例为2.5，即R/r=2.5，圆孔的深度为800mm；最后将外磨后的两根掺硼应力棒2分别嵌入保偏母棒4的两个圆孔42中，进行组合拉丝，所拉制的保偏光纤典型指标见表3。所述保偏光纤在1310nm波长条件下衰减为0.39dB/km、拍长1.8mm；保偏光纤在1550nm波长条件下衰减为0.32dB/km、拍长2.0mm；保偏光纤的100m串音为-39dB。
表3
实施例四：
如图1至图7所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备保偏芯棒1和两根掺硼应力棒2，保偏芯棒1的直径为21mm，芯子直径为4.5mm。然后将保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套熔融、拉细得到保偏母棒4，保偏母棒4的尺寸45~50mm，掺硼应力棒2的掺杂深度在-0.72%，掺硼应力棒直径为14.5~16.5mm；保偏母棒4上加工的每个圆孔42直径为15~17mm，每根掺硼应力棒2靠近芯子11的内边缘和芯子11中心之间的距离R，与芯子半径之间r的比例为3.0，即R/r=3.0，圆孔的深度为1000mm；最后将外磨后的两根掺硼应力棒2分别嵌入保偏母棒4的两个圆孔42中，进行组合拉丝，所拉制的保偏光纤典型指标见表4。所述保偏光纤在1310nm波长条件下衰减为0.45dB/km、拍长2.0mm；保偏光纤在1550nm波长条件下衰减为0.44dB/km、拍长2.2mm；保偏光纤的100m串音为-38dB。
表4
实施例五：
如图1至图7所示，本实施例中，先采用PCVD工艺制备保偏芯棒1和两根掺硼应力棒2，保偏芯棒1的直径为21mm，芯子直径为4.6mm。然后将保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套熔融、拉细得到保偏母棒4，保偏母棒4的尺寸50~60mm，掺硼应力棒2的掺杂深度在-0.55%，掺硼应力棒直径为16.5~17.5mm；保偏母棒4上加工的每个圆孔42直径为17~18mm，每根掺硼应力棒2靠近芯子11的内边缘和芯子11中心之间的距离R，与芯子半径之间r的比例为4.0，即R/r=4.0，圆孔的深度为1000mm；最后将外磨后的两根掺硼应力棒2分别嵌入保偏母棒4的两个圆孔42中，进行组合拉丝，所拉制的保偏光纤典型指标见表5。所述保偏光纤在1310nm波长条件下衰减为0.45dB/km、拍长2.0mm；保偏光纤在1550nm波长条件下衰减为0.44dB/km、拍长2.2mm；保偏光纤的100m串音为-34dB。
表5
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种保偏光纤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.采用等离子体化学气相沉积工艺制备保偏芯棒和两根掺硼应力棒，保偏芯棒具有芯子和包层；
S2.将所述保偏芯棒用石英套管在2000℃～2200℃的高温下熔融成实心棒，并将其拉细得到保偏母棒，其中保偏芯棒的包层和石英套管高温熔融后形成保偏母棒的石英包层；
S3.将保偏母棒安装在精密数控机床上，采用枪钻在保偏母棒的中心线的两侧，即芯子中心线的两侧，纵向加工一对对称的圆孔，圆孔中心线与保偏母棒中心线平行且位于同一平面上；
S4.将所述两根掺硼应力棒分别嵌入保偏母棒中心线两侧的圆孔中，两根掺硼应力棒的中心线和保偏母棒中心线位于同一平面，且距离相等，组合成保偏光纤预制棒；
S5.将所述保偏光纤预制棒安置在光纤拉丝塔上，在熔融状态下将保偏光纤预制棒拉丝成保偏光纤；所述保偏光纤中，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例在2.0～4.0之间，保偏光纤的100m串音为-42～-34dB；
所述S3中对称的圆孔平行度偏差小于0.5mm，进口偏差小于0.05mm，出口偏差小于0.3mm，所述采用枪钻加工圆孔一次性成型，圆孔的内表面粗糙度为0.8微米以下。
2.如权利要求1所述的保偏光纤的制备方法，其特征在于：所述掺硼应力棒的掺杂成分是B2O3，掺硼应力棒与石英玻璃的相对折射率差在-0.40％～-0.80％之间。
3.如权利要求1所述的保偏光纤的制备方法，其特征在于：所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为3.9mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为30mm～35mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.40％，掺硼应力棒直径为8.5mm～10.5mm，保偏母棒的圆孔直径为9mm～11mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为2.0，圆孔的深度为400mm；制成保偏光纤的100m串音为-38dB。
4.如权利要求1所述的保偏光纤的制备方法，其特征在于：所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为4.2mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为35mm～40mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.80％，掺硼应力棒直径为10.5mm～12.5mm，保偏母棒的圆孔直径为11mm～13mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为2.2，圆孔的深度为600mm；制成保偏光纤的100m串音为-42dB。
5.如权利要求1所述的保偏光纤的制备方法，其特征在于：所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为4.4mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为40mm～45mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.60％，掺硼应力棒直径为12.5mm～14.5mm，保偏母棒的圆孔直径为13mm～15mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为2.5，圆孔的深度为800mm；制成保偏光纤的100m串音为-39dB。
6.如权利要求1所述的保偏光纤的制备方法，其特征在于：所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为4.5mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为45mm～50mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.72％，掺硼应力棒直径为14.5mm～16.5mm，保偏母棒的圆孔直径为15mm～17mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为3.0，圆孔的深度为1000mm；制成保偏光纤的100m串音为-38dB。
7.如权利要求1所述的保偏光纤的制备方法，其特征在于：所述保偏芯棒直径为21mm，芯子直径为4.6mm，保偏芯棒用截面面积为3100mm2的石英套管熔融、拉细得到保偏母棒，保偏母棒直径为50mm～60mm；掺硼应力棒掺杂深度为-0.55％，掺硼应力棒直径为16.5mm～17.5mm，保偏母棒的圆孔直径为17mm～18mm，每根掺硼应力棒靠近芯子的内边缘和芯子中心之间的距离，与芯子半径之间的比例为4.0，圆孔的深度为1000mm；制成保偏光纤的100m串音为-34dB。
8.如权利要求1所述的保偏光纤的制备方法，其特征在于：所述掺硼应力棒内具有应力区。
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