CN1036488C - 保持圆偏振态的光纤和它的制备方法 - Google Patents

Abstract

本专利申请将揭示所发明的一种能保持圆偏态的光纤，其保偏机制不同于已知的将光纤在“冷”状态下硬行旋扭以产生光弹效应的机制，而是在拉成的光纤内部形成一条环绕纤轴旋转的螺旋形应力作用体，用以产生圆双折射。此特种光纤甚易用成熟的光纤工艺设备和工艺方法制成，即所用预制棒含一根偏离中心轴线的应力柱体，在“热”拉丝中旋转此预制棒而拉成上述的高圆双折射光纤结构。

Description

保持圆偏振态的光纤和它的制备方法

本发明涉及一种特殊光纤及其制备方法和应用，尤其是涉及一种能保持圆偏振态的光纤及其制备方法和应用。

在光纤的研究与发展中，由于圆偏振光传输具有优于线偏振光传输的不少优点，特别是在光纤连接方面的极大方便，早在1980年就有法国光纤专家L.Jeunhomme and M.Monerie先生在期刊Electron.Lett.vol.16，No.24，PP.921-922(1980)发表的题为“Polarization-maintaining single-mode fibre cable design”文章中提出过在光纤传输系统中用圆偏振光取代线偏振光的设想。问题的关键于是归结为能否找到一种具有保持圆偏振态能力的特种光纤。常规光纤在理想条件下应该既可传线偏振光，亦同样可传圆偏振光。但在实际上存在有不可避免的各种扰动的条件下，常规光纤无论传线偏振光或传圆偏振光都不稳定。于是，从七十年代末到现在约十五个年头，光纤专家付出过很大努力寻求能够稳定住光纤偏振态(无论线偏振态或圆偏振态)的特别结构。

在寻求保持线偏振态光纤的努力中，已取得了很了不起的成就，其中特别是英国的“领结光纤”，日本的“熊猫光纤”和“古河光纤”，美国的“康宁光纤”和贝尔的“偏椭圆光纤”，等等。可惜的是，在寻求保持圆偏振态光纤的努力中，从七十年代末八十年代初到现在，却是未获任何进展。原始的早在七十年代末八十年代初就知道的一种方法，即在“冷”状态下将光纤硬行旋扭的方法，到现在仍然是光纤专家所知道的唯一方法。可惜的是，这种将光纤硬扭的方法，虽然在短光纤弱微扰情况下，可以产生一定的保持圆偏振态的功能，但其保持圆偏振态的能力很弱，和现有所谓“保偏光纤”之保持线偏振态的能力比较，相差悬殊。由于光纤玻璃材料的强度限制，硬扭过头会使光纤裂断。由于这个固有的原因，除开少数特定情况，硬扭光纤未能见诸实用，尽管有几家世界上一流的公司在八十年代初曾经付出好几年的努力尝试用硬扭光纤传输圆偏振光。除上述强度限制外，硬扭光纤的一个附带的实际问题，是硬扭后如何将硬扭状态加以保存和固定。

本发明的目的是提供一种能保持圆偏振态的特种光纤及其制备方法，此种光纤可利用现成的光纤工艺设备、原材料和技术，再加上本发明的方法而制成，完全不存在硬扭光纤所固有的困难问题。本发明的进一步目的是提供对上述能保持圆偏振态的特种光纤的各种应用。

图1表示保圆光纤的结构(放大)示意图。

图2表示保圆光纤预制棒的结构示意图。

图3表示利用保圆光纤和保圆元件器件构成的全光纤陀螺系统。

本发明所涉及的一种能保持圆偏振态的光纤，其特征是，在已拉成的光纤内部形成一条环绕纤轴旋转的螺旋形应力作用体，用以产生圆双折射。

本发明所涉及的一种制备能保持圆偏振态的光纤(简称“保圆”光纤)的方法，其特征是，所用预制棒含有一偏离中心轴线的应力作用柱体，在光纤拉丝过程中，旋转此预制棒，即将应力柱体拉成一螺旋线，从而制出所需的高圆双折射特种光纤(即保圆光纤)。

下面将参照附图，结合本发明的实施例对本发明加以详细描述。

图1所示的特种光纤是一种参量沿传输方向Z作周期性变化的波导结构。

图中1表示光纤截面；2表示纤芯；3表示螺旋线形状的应力作用体；4表示整条保圆光纤。这种波导结构在任何一横截面上都可确定其本地直角坐标系(x，y)；设x轴为穿过应力作用区和纤芯的直线，则和此直线相垂直的直线为y轴。设本地模式为a_x和a_y，其传播常数分别为β_x和β_y，则此二模式由于应力作用区在Z方向沿一螺旋线绕动而发生耦合。此耦合系数C正比于螺旋线的旋转角速度r，即c＝ξτ，比例常数ξ决定于光纤横截面的几何关系和折射率与应力分布关系。设a_x＝A_xexp(-jβZ)，a_y＝A_yexp(-jβZ)，β＝(β_x+3_y)/2，则本地模式的耦合方程组可以表示为

    dA_x/dZ＝j(Δβ/2)A_x＋cA_y     (1)

    dA_y/dZ＝-cA_x－j(Δβ/2)A_y     (2)式中Δβ＝(β_x－β_y)/2＝27π/L_b，L_b为不旋拍波长；c＝ξ(2π/L_s)，L_s代表螺旋线的旋距。

以W_x和W_y代表超模式。超模式和本地模式之间有下列变换关系式：

    A_x＝cosψW_x＋jsinψW_y    (3)

    A_y＝jsinψW_x＋cosψW_y    (4)式中ψ＝0.5 arctg(2c/Δβ)。

超模式适合下列独立方程：

        dW_x/dZ＝jgW_x     (5)

        dW_y/dZ＝-jgW_y    (6)其解分别为W_x＝exp(jgZ)和W_y＝exp(-jgZ)，式中g＝〔(Δβ/2)²＋C²〕^1/2。

在C＞＞Δβ的条件下，ψ→45°。从(3)和(4)式可见，在本地坐标系中，光在光纤中的传输既可视为二互相耦合的线偏振态本地模式，同时亦可视为二独立(不耦合)的本地简正模式，它们分别为左旋和右旋圆偏振光，即

对于ψ≠45°的实际情况，所得到的本地简正模式解分别是左旋与右旋椭圆偏振光，方位分别在本地坐标系的x和y轴上，椭圆度均为tgψ，ψ＜45°。

图1所示特种光纤，在C＞＞Δβ条件下的圆双折射等于 $2g=\frac{2}{L_b}[1+4{\mathrm{\ξ}}^2{\left(\frac{{L_b}^2}{L_s}\right)}^2{]}^{1/2}$

于是，此特种光纤具有保持圆偏振态的特性，其拍波长Λ_b可以表为

用本发明光纤可制作能保持圆偏振态的各种光纤元件和器件。作为举例，图3所示陀螺系统中的保持圆偏态的定向耦合器D即可利用本发明光纤制成。从工艺技术的角度看，保圆光纤元件器件要比现有的所谓“保偏光纤”(即保持线偏振态，或“保线”)光纤元件器件容易制造得多。这是因为，对于保圆光纤元件器件，不要求主轴对准。而保线光纤元件器件，则主轴对准，特别是多根光纤加工部分的纤内主轴对准，恐怕是制造此种元件器件的最大难题。

本发明“保圆”光纤适用于要求偏振态稳定的光纤网络和系统，其独特的优点是使网络系统中各个光纤元件器件的互连极大地得到简化。这一独特优点，不光是在工艺技术上省时省事的问题，而且有利于光纤系统的稳定和正确工作。由现有所谓保偏光纤(即保持线偏振态的光纤)所构成的网络系统，如果某一接点两边保偏光纤主轴即使稍微错开了几度，往往也会影响光纤网络系统的正常运行。作为保圆光纤系统之一例，图3示用“保圆”光纤和元件器件构成的全光纤陀螺结构。

图中S表示超辐射发光二极管光源(SLD)；PPC。表示无源光纤偏振态控制变换器；C表示保圆定向耦合器；D表示检测器；L表示匹配负载；Gyro表示陀螺环；Ω表示陀螺环的角转速。

该全光纤陀螺结构使用一个无源偏振态控制变换器PPC。将光源S发射的线偏振光变换为圆偏振光。这在本发明人的中国专利申请92108559.1中已揭示。除此以外，图3中所示的整个光路，包括陀螺环，全部都工作于圆偏振态。用“保线”光纤(即通常所谓的保偏光纤)绕制陀螺环，除非用贝尔实验室创制的那种扁形保偏光纤，绕在陀螺环绕筒上的光纤其主轴方位很难做到处处排列整齐一致，而由于保线偏振态光纤主轴在绕筒上形成的无规排列，就使陀螺环转动时所产生的Sagnac效应有所减弱。用保圆光纤绕制陀螺环，则不存在这个缺点。至于用保圆光纤绕成的陀螺环其直径能做成多小，则要看结构设计，所用掺杂材料和工艺技术等条件而定，即由光纤圆双折射能达到如何水平而定。保持线偏振态光纤已经研究了约十五年，而保圆光纤则刚刚发明出来，因此，在现时，对两种截然不同的光纤(保线光纤、保圆光纤)用于绕制陀螺环这一具体专门技术，要做出较全面的优缺点权衡比较，为时稍早。在上述本发明人的中国专利申请(92108559.7)中，所揭示的无源偏振态自动稳定的全光纤陀螺，在现时，是一种采用圆偏振态和线偏振态混合的折衷性方案。除光纤陀螺外，保圆光纤用于各种干涉仪型光纤传感器和其它要求有稳定偏振态的光纤网络系统，亦能发挥其独特的优越性。

关于本发明保圆光纤是否适用于长距离光纤传输的问题，将主要取决于制造此种光纤之成本最后能降到如何程度，当然也决定于保圆光纤和现有各种光纤在传输特性方面的优缺点比较和权衡。至于应用于光纤元件器件和要求稳定偏振态的光纤系统，则本发明之保圆光纤无疑具有特别的吸引力，也许会在不少光纤应用领域中引起带有根本性质的技术变革，即在不少光纤网络系统中以圆偏振光取代线偏振光，亦即在不少系统中以保圆光纤取代现有的保偏光纤。

制造本发明的保圆光纤，可利用现成的常规设备和常规工艺，再加上本发明方法，比较容易操作实现。在常规的工艺方法中，重要的不外是“改良化学气相沉积”(MCVD)法，和“应力柱埋入预制棒”法或与后者类似的“粗管套细柱”法。

关键的工艺是制造预制棒，其结构如图2所示，其中1表示光纤截面；2表示纤芯；3表示柱形应力作用体；有了预制棒，则拉丝不成问题。用MCVD法制造保圆光纤预制棒，和用此法制造领结光纤预制棒，在工艺方法上基本相同。制造领结光纤预制棒主要有四道工序(沉积缓冲层等常规工序不算)，即沉积氧化硼(B₂O₃)、对烧腐蚀、第二次沉积氧化锗(GeO₂)和收棒。沉积B₂O₃工序中，装在玻璃车床上的预制棒管以管轴为轴线转动，管外两边对烧的两个火头沿管的长度方向来回运行。腐蚀工序中，预制棒管停止转动而处于静止状态，管中通以腐蚀性气体(如氟)，两个火头沿静止的棒管仍然来回运行。制造本发明保圆光纤所用的预制棒，其工序与上述相同，只不过在第二道腐蚀工序上需要加以改进。原因是，本发明要求预制棒中仅含一个应力作用体，故在上述领结光纤的腐蚀工序之后，需将两个火头之中的一个熄灭，并将所剩的一个火头相对于预制棒管的方位转过90°(一般是火头不动，将预制棒管在玻璃车床上转过90°)，然后继续再一次进行腐蚀(管不转动，管中通氟，单个火头沿管长方向来回运行)。在此工序完成后，和制造领结光纤的后两道工序一样，接着进行第二次(GeO₂)沉积和最后的收棒。所制成的此种预制棒不同于领结光纤预制棒之点仅在于它只含半个领结，或只含一个偏轴的应力作用体。预制棒制成后，剩下的拉丝技术则比较简单。在常规拉丝塔上端装一马达，在拉丝过程中将预制棒加以旋转即成。马达的转速是恒定的，技术要求不苛刻。

接上述MCVD法制成的圆双折射预制棒以及拉丝后所成的保圆光纤，其应力体截面均为扇形，或近于扇形，视工艺条件而定。图1所示保圆光纤和图2所示预制棒，其中应力体的截面均简单绘为圆形。不言而喻，图1和图2是原理性示意图，普遍适用于各种情况，不管应力体截面是圆形，或是非圆形(例如此处所述的扇形)。

用“应力柱埋入预制棒”法或“粗管套细柱”法制造本发明保圆光纤所用预制棒，和制造熊猫或类似熊猫光纤所用预制棒的所有工序基本相同，其区别在于预制棒(或预制管)中只需埋入(或套入)一根应力柱体(一般为圆形截面)。拉丝的方法与熊猫光纤拉丝的不同之点在于边拉丝边旋转预制棒。

本专利申请揭示了所发明的特种保圆光纤及其制造方法。说明书中简述了本发明的典型应用例。但圆偏振态光纤传输具有普遍的科学意义和广泛的应用性。故基于本发明构思而可显而易见得到的推理和应用，亦属本发明的权利要求范围。

Claims (6)

1.一种能保持圆偏振态的光纤，其特征是，在已拉成的光纤内部形成一条环绕纤轴旋转的螺旋形应力作用体，用以产生圆双折射。

2.一种制备能保持圆偏振态的光纤的方法，其特征是，所用预制棒含有一偏离中心轴线的应力作用柱体，在光纤拉丝过程中，旋转此预制棒即将应力柱体拉成一螺旋线，从而制出所需的高圆双折射特种光纤。

3.按权利要求2所述制备保圆光纤的方法，其特征是，所用含一个偏轴应力体的预制棒，是在“改良化学气相沉积”法中利用气相腐蚀技术将氧化硼沉积层，或能形成应力体的它种材料的沉积层，加以腐蚀而制成。

4.按权利要求2所述制备保圆光纤的方法，其特征是，所用含一个偏轴应力体的预制棒是用“应力柱埋入法”，或用“粗管套细柱”法埋入或套入一根偏轴应力体而制成。

5.一种能保持圆偏振态的光纤元件或器件，其特征是，上述的元件器件是由能保持圆偏振态的光纤构成。

6.一种工作于圆偏振态的光纤系统，其特征是，该系统结构的全部或部分是使用能保持圆偏振态的光纤和能保持圆偏振态的光纤元件、器件和/或组件构成。