CN108897094A - 一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤，其特征为它包括纤芯、下陷内包层、应力区和包层，纤芯位于包层中心，在纤芯外层设置有下陷内包层，两个应力区对称分布在纤芯的两侧，应力区靠近纤芯的一端内凹为月牙形。本发明还涉及该应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的制备方法。本发明具有的优点为在面积较小的应力区作用下，产生较大的应力双折射效应，降低应力区所占光纤截面积的面积比，提高保偏光纤温度稳定性；并通过调整应力施加区几何尺寸及内凹程度，能灵活调节细径熊猫型保偏光纤的应力双折射性能，为高精度光纤陀螺提供可靠的熊猫型保偏光纤产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种熊猫型保偏光纤，尤其涉及一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤及制备方法。
背景技术
保偏光纤，即偏振保持光纤，用于传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量；保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤电流互感器，光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统，是一种具有广泛应用价值的特种光纤类型。
保偏光纤产生双折射的机理主要是指来自材料内部的热应力和材料外部的机械应力，材料在受到应力引起材料折射率的变化即光弹效应而产生双折射。其设计原理是对光纤芯区施加应力，保偏光纤产品包括几何双折射保偏光纤和应力双折射保偏光纤。几何双折射保偏光纤实例是椭圆芯保偏光纤，将芯做成椭圆形，破坏光纤的圆对称性，提高光纤的双折射，增加两个正交偏振模的相速度差，达到保偏效果。椭圆芯形保偏光纤由于其在熔接上的困难，在传感系统中使用难度增大，不易与其他类型的常规光纤进行熔接。应力双折射保偏光纤按应力施加区的结构不同，可分熊猫型、领结型、椭圆包层型等多种结构，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。其中，熊猫型保偏光纤由于其熔接上的优势，应用的最为广泛。
熊猫型保偏光纤结构包括纤芯、应力区和包层 ，纤芯位于包层中心，两个圆柱状的应力区对称分布在纤芯的两侧。在制备过程中，需要在纤芯两边进行机械打孔，再插入应力棒。为避免打孔过程中破坏纤芯，打孔的位置无法靠纤芯太近；若想提供足够的双折射性能，必须适当增大应力区面积。应力区面积所占光纤截面积比例过大，将会影响保偏光纤温度稳定性，因此，熊猫型保偏光纤目前大多只能应用于中低精度光纤陀螺。
随着传感器件体积小型化的趋势，光纤的直径也从125μm逐步减小到80μm或更小，要想实现大的应力双折射，且保持优异的温度稳定性，需要提升应力区的有效利用率来实现。在中国专利201010184969.0中描述了一种下陷包层结构的熊猫型保偏光纤，在下陷包层结构中采用的是氟元素和锗元素掺杂的设计，可以降低应力区打孔过程中预制棒芯层所受到的外界机械应力导致炸裂的几率，但未阐明细径熊猫型保偏光纤应力施加改善及温度性能的优化情况。在中国专利201510005831.2中描述了一种细径熊猫型保偏光纤，对折射率折射率和直径参数进行了详细描述，采用了渐变折射率设计的应力区结构，但没有阐述通过应力区形状优化来增加应力施加效果的情况。在中国专利201610845759.9中描述了一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫型保偏光纤，建立应力施加通道，使用较小的应力区面积实现较大的应力区施加，但圆形应力区仍有很大一部分并没有真正对纤芯产生双折射作用，更有部分应力区的作用相互抵消。
发明内容
针对以上缺点，本发明的目的在于提供一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤，其在面积较小的应力区作用下，产生较大的应力双折射效应，降低应力区所占光纤截面积的面积比，提高保偏光纤温度稳定性；并通过调整应力施加区几何尺寸及内凹程度，能灵活调节细径熊猫型保偏光纤的应力双折射性能，为高精度光纤陀螺提供可靠的熊猫型保偏光纤产品。
本发明的技术内容为，一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤，其特征为它包括纤芯、下陷内包层、应力区和包层 ，纤芯位于包层中心，在纤芯外层设置有下陷内包层，两个应力区对称分布在纤芯的两侧， 应力区靠近纤芯的一端内凹为月牙形；纤芯的直径D1为5μm～7μm，包层的直径D4为50μm～70μm，下陷内包层的直径D2为6μm～10μm，应力区的直径D3为12μm～14μm，应力区内凹弧圆心角α为90度，应力区外圆切线与内凹弧切线的间距D32= k·D3，k为0.5～1，系数K与应力区内凹程度呈反比，应力区圆心和纤芯圆心之间的连线与应力区外圆切线及内凹弧切线分别相互垂直；所述应力区中心与纤芯中心的间距D31为8μm～14μm，所述应力区的面积占光纤截面积的百分比为6～10。
在上述应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤中，所述纤芯的材料组成为SiO2、GeO2、F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为79～95，GeO2所占摩尔百分比为4～20，F所占摩尔百分比为0.5～2；纤芯与纯石英玻璃的相对折射率差Δ1为0.5～1.5；下陷内包层的材料组成为SiO2、GeO2、F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为93～98，GeO2所占摩尔百分比为0.1～2，F所占摩尔百分比为0.1～5；下陷内包层与纯石英玻璃的相对折射率差Δ2为-0.1～-1.0；应力区的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比其中SiO2所占摩尔百分比为64～80, GeO2所占摩尔百分比为0.1～2，B2O3所占摩尔百分比为19～35；应力区与纯石英玻璃的相对折射率差Δ3为-0.5～-2.0。
纯石英玻璃材料折射率n0=1.457、芯区折射率n1、下陷内包层折射率n2、应力区折射率n3；
。
本发明还涉及上述应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的制备方法。
一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
（1）、使用MCVD法分别制备包覆有下陷内包层的芯棒及圆形应力棒；
（2）、将上述制得的芯棒插入相匹配的石英套管，使用卧式套管机进行套管成为母棒；
（3）、在步骤（2）中制得的母棒的纤芯两侧对称的打出两个纵向贯通与纤芯相平行的孔；将步骤（1）中制得的圆形应力机械棒加工成月牙形；将纯石英棒机械加工成与月牙形应力棒凹口相对应的卵形；再将加工好的月牙形应力棒与卵形纯石英棒组装，并插入母棒中对称的双孔中，形成组合光纤预制棒；
（4）、将步骤（3）中制得的组合光纤预制棒清洗干燥后，上光纤拉丝塔进行拉丝，制成应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤。
在上述应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的制备方法中，芯棒、圆形应力棒及母棒的制备采用常规工艺；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、将圆形应力区形状整形成月牙形设计，去除对纤芯产生负面作用的应力区，相比于圆形应力区设计，能在面积较小的应力区作用下，产生较大的应力双折射效应。减少应力区面积，增大双折射效应。
2、通过月牙形应力区设计，在获得同等双折射效应前提下，将应力区所占光纤截面积面积比从20%下降至6～10%，提高保偏光纤温度稳定性。
3、并通过调整应力施加区几何尺寸及内凹程度，灵活调节细径熊猫型保偏光纤的应力双折射性能，为高精度光纤陀螺提供可靠的熊猫型保偏光纤产品设计。
附图说明
图1为本发明中应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的结构示意图。
图2为本发明中应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的x轴方面的光纤折射分布图。
图3为本发明中应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的y轴方面的光纤折射分布图。
图4为本发明的制备方法中在母棒的纤芯两侧对称打孔的示意图。
图5为本发明的制备方法中圆形应力机械棒加工成月牙形的示意图。
图6为本发明的制备方法中月牙形应力棒与卵形纯石英棒组装后的示意图。
具体实施方式
如图3、图4和图5所示，一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
（1）、使用MCVD法分别制备包覆有下陷内包层202的芯棒205及圆形应力棒203；
（2）、将上述制得的芯棒205插入相匹配的石英套管204，使用卧式套管机进行套管成为母棒200；
（3）、如图4所示在步骤（2）中制得的母棒200的纤芯201两侧对称的打出两个纵向贯通与纤芯201相平行的孔210；如图5所示将步骤（1）中制得的圆形应力棒203机械棒加工成月牙形；将纯石英棒机械加工成与月牙形应力棒凹口相对应的卵形；如图6所示再将加工好的月牙形应力棒203与卵形纯石英棒206组装，并插入母棒中对称的双孔中，形成组合光纤预制棒；
（4）、将步骤（3）中制得的组合光纤预制棒清洗干燥后，上光纤拉丝塔进行拉丝，制成应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤；
该应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤如图1、图2和图3所示，其特征为它包括纤芯101、下陷内包层102、应力区103和包层104，纤芯101位于包层104中心，在纤芯101外层设置有下陷内包层102，两个应力区103对称分布在纤芯101的两侧， 应力区103靠近纤芯101的一端内凹为月牙形；纤芯101的直径D1为5μm～7μm，包层104的直径D4为50μm～70μm，下陷内包层102的直径D2为6μm～10μm，应力区103的直径D3为10μm～16μm，应力区103内凹弧圆心角α为90度，外圆切线与内凹弧切线的间距D32= k·D3，k为0.5～1，系数K与应力区103内凹程度呈反比，应力区圆心和纤芯圆心之间的连线与应力区外圆切线及内凹弧切线分别相互垂直；所述应力区103中心与纤芯101中心的间距D31为8μm～14μm，所述应力区103的面积占光纤截面积的百分比为6～10。
在上述应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤中，所述纤芯101的材料组成为SiO2、GeO2、F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为79～95，GeO2所占摩尔百分比为4～20，F所占摩尔百分比为0.5～2；纤芯101与纯石英玻璃的相对折射率差Δ1为0.5～1.5；下陷内包层102的材料组成为SiO2、GeO2、F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为93～98，GeO2所占摩尔百分比为0.1～2，F所占摩尔百分比为0.1～5；下陷内包层102与纯石英玻璃的相对折射率差Δ2为-0.1～-1.0；应力区103的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比其中SiO2所占摩尔百分比为64～80, GeO2所占摩尔百分比为0.1～2，B2O3所占摩尔百分比为19～35；应力区103与纯石英玻璃的相对折射率差Δ3为-0.5～-2.0。
下面结合表1的具体试验数据对本专利的应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤进行说明：
表1
表1为六根不同结构设计的熊猫型保偏光纤，光纤的应力区直径、内凹程度、应力区中心与纤芯中心距离大小不同。实施例1与实施例2均采用圆形应力区设计，结果表明要获得高的双折射，必须通过增大应力区面积来实现，但温度稳定性较差，实施例1的1km长、60mm直径带张力小环高低温（-55℃~85℃）串音变化范围有8个dB，实施例2的松绕偏振串音值只有21dB，拍长为2.8 mm。实施例3、实施例4、实施例5均采用月牙形小应力区设计，相对于实施例2，应力区直径相同，但拍长降低至2.3、2.1和2.4mm，松绕偏振串音值也达到29、31、27dB，表明通过月牙形应力区设计，较小的应力区占比也可提供较大的双折射，且温度稳定性较好，1km长、60mm直径带张力小环高低温（-55℃~85℃）串音变化范围只有2个dB。实施例6采用月牙形应力区设计，但应力区所占光纤截面面积比为12%，其1km长、60mm直径带张力小环高低温（-55℃~85℃）串音变化范围为6个dB；表1结果表明，当应力区直径为13μm时，例3和例4的双折射性能及温度稳定性最佳。
Claims (3)
1.一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤，其特征为它包括纤芯、下陷内包层、应力区和包层 ，纤芯位于包层中心，在纤芯外层设置有下陷内包层，两个应力区对称分布在纤芯的两侧， 应力区靠近纤芯的一端内凹为月牙形；纤芯的直径D1为5μm～7μm，包层的直径D4为50μm～70μm，下陷内包层的直径D2为6μm～10μm，应力区的直径D3为12μm～14μm，应力区内凹弧圆心角α为90度，应力区外圆切线与内凹弧切线的间距D32= k·D3，k为0.5～1，系数K与应力区内凹程度呈反比，应力区圆心和纤芯圆心之间的连线与应力区外圆切线及内凹弧切线分别相互垂直；所述应力区中心与纤芯中心的间距D31为8μm～14μm，所述应力区的面积占光纤截面积的百分比为6～10。
2.根据权利要求1所述的应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤，其特征为所述纤芯的材料组成为SiO2、GeO2、F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为79～95，GeO2所占摩尔百分比为4～20，F所占摩尔百分比为0.5～2；纤芯与纯石英玻璃的相对折射率差Δ1为0.5～1.5；下陷内包层的材料组成为SiO2、GeO2、F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为93～98，GeO2所占摩尔百分比为0.1～2，F所占摩尔百分比为0.1～5；下陷内包层与纯石英玻璃的相对折射率差Δ2为-0.1～-1.0；应力区的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比其中SiO2所占摩尔百分比为64～80, GeO2所占摩尔百分比为0.1～2，B2O3所占摩尔百分比为19～35；应力区与纯石英玻璃的相对折射率差Δ3为-0.5～-2.0。
3.一种应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
（1）、使用MCVD法分别制备包覆有下陷内包层的芯棒及圆形应力棒；
（2）、将上述制得的芯棒插入相匹配的石英套管，使用卧式套管机进行套管成为母棒；
（3）、在步骤（2）中制得的母棒的纤芯两侧对称的打出两个纵向贯通与纤芯相平行的孔；将步骤（1）中制得的圆形应力机械棒加工成月牙形；将纯石英棒机械加工成与月牙形应力棒凹口相对应的卵形；再将加工好的月牙形应力棒与卵形纯石英棒组装，并插入母棒中对称的双孔中，形成组合光纤预制棒；
（4）、将步骤（3）中制得的组合光纤预制棒清洗干燥后，上光纤拉丝塔进行拉丝，制成应力区高效利用的细径熊猫型保偏光纤。
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