CN1093174A - 十字形保偏光纤和它的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是揭示一种新型保偏光纤(称为十字形光 纤)，其结构上的特点是上述光纤含有几何正交的二 对应力作用体，其中一对的热膨胀系数较石英玻璃衬 管的为高，另一对的热膨胀系数则较石英玻璃衬管的 为低，从而产生比现有各种保偏光纤均为更强的双折 射。本发明的十字形光纤甚易利用已成熟的光纤工 艺方法和设备制成。

Description

本发明涉及一种可产生强双折射的特种保偏光纤，称为十字形光纤以及制备此种光纤的工艺方法。

光纤技术发展到现在，单模光纤和多模光纤相比，占有绝对的优势。通常所谓单模光纤，实际上并非纯粹单模，而是“双模”，这是因为，常规（几何圆对称）光纤中存在有两个简并的、偏振态正交的模式。在实际条件下，由于不可避免的各种不规则性和扰动，在常规单模光纤中，会发生两个简并模式的相互变换和再变换，使得光的偏振态不稳定，因而在许多依赖于偏振态的光纤系统中造成了麻烦。

现有的光纤系统一般均采用线偏振光。在寻求保持线偏振态光纤的努力中，从七十年代末期到现在，已经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”光纤和贝尔实验室的扁椭光纤，等等。这些光纤保持线偏振态的能力已经达到了相当高的水平，但对有些高灵敏度的光纤系统，如高灵敏度陀螺环，则尚不能满足要求。因而，进一步提高保偏光纤的线双折射，在应用上具有实际意义。

在结构上，除上述扁椭光纤所含应力作用体是连续分布的外，其它多种线保偏光纤都含有一对分立的（即不连续分布的）应力作用体。此一对分立的应力体是用同一材料（高度掺硼或掺铝的玻璃材料）做成，其位置是在纤芯两边几何对称。

英国南安普顿（Southampton）的科学家瓦尔汉M.P.Varnham等人在期刊光波技术杂志（J.Lightwave    Tech.，LT-1    1983，No.2，pp.332-339）上发表的题为“保偏光纤热应力双折射的解析解”“Analytic    solution    for    the    birefringence    produced    by    thermal    stress    in    polarization-maintaining    optical    fibers”论文中，证明了他们所发明的领结光纤（领结外径≈0.76×衬管管径，领结夹角≈90°）是产生高度线对折射的最优结构。熊猫光纤、“古河”光纤、“康宁”光纤等这些成功的保偏光纤，其几何结构在理论上虽非最佳，但在实际上其保偏性能也都达到很高水平。

既然英国科学家已在理论上证明了领结光纤的结构为最佳，似乎意味着现有（线）保偏光纤的保偏能力已经达到了最高的程度，无法进一步提高。其实不然。原因是，英国科学家的理论分析主要是基于光纤中含一对几何对称于纤芯的应力体的情况，而且，不言而喻，他们在分析中假定了各应力体均是用同一材料做成。

本发明的新型保偏光纤，其出发点则突破了英国科学家理论中所含的前提和限制。本发明的光纤结构并非仅含一对应力体，而是含二对几何正交的应力体;而且，特别关键的是，此二对应力体是用不同材料做成，其中一对应力体材料的热膨胀系数高于衬管的热膨胀系数，而另一对应力体材料的热膨胀系数则低于衬管的热膨胀系数。这是以往没有人提出过的新颖的光纤结构。过去，外国科学家，如上述瓦尔汉（Varnham）等人的论文中和澳大利亚科学家朱柏濂P.L.Chu等人在J.Lightwave    Tech.1984，PP.650-662的论文中，都曾在理论上研究过含二对应力体的光纤的应力特性，然而，他们也都只考虑二对应力体是用同一材料做成，且第二对应力体的内径是在第一对应力体的外径之外这些情况，和本发明的十字形保偏光纤的构思有根本的不同。

本发明的构思可用明晰的物理概念来描述。常规含一对应力体的线保偏光纤，应力体的热膨胀系数高于衬管的热膨胀系数，其应力作用是使二应力体连线方向成为双折射慢轴，而与此连线垂直的方向则为双折射快轴。设若二应力体的热膨胀系数低于衬管的热膨胀系数，则其应力作用是使二应力体连线方向成为双折射快轴，而与之垂直的方向则为双折射慢轴。本发明的线保偏光纤，所含二对应力体系几何正交，而其热膨胀系数则一对高，一对低，故所产生的应力效应相一致，均为使低膨胀系数二应力体连线方向成为双折射快轴，使高膨胀系数二应力体连线方向或为双折射慢轴，于是总的应力效应是使双折射加强。

本发明目的在于提供一种可产生强双折射的特种保偏光纤及其制备方法。

本发明揭示的一种增强线双折射的新型保偏光纤（称为十字形光纤），其特征是，在光纤的每一主轴上均有几何对称于纤芯的一对应力体，此两对几何正交的应力体产生相辅相成的应力效应，即同时使某一主轴成为双折射之快轴，使另一主轴成为双折射之慢轴，从而产生比仅有一对应力体为更强的线双折射。

本发明还揭示一种制备十字形保偏光纤的工艺方法，其特征是，在利用“改良化学气相沉积”（MCVD）法制作预制棒的工序中，在形成第一对应力体所需的硼或铝掺杂及其部分腐蚀之后，增加两道工序，即沉积某种热膨胀系数低的材料（如钛掺杂）的工序和对此沉积层在正交方向进行部分腐蚀的工序，接着进行缓冲层和纤芯的沉积，收成含有几何正交的二对应力体的预制棒，拉丝而成十字形光纤。

本发明还揭示一种制备十字形保偏光纤的工艺方法，其特征是，利用“应力柱埋入法”在常规圆对称预制棒中埋入二对几何正交且均对称于纤芯的应力柱体，其中一对是用热膨胀系数高的材料，另一对是用热膨胀系数低的材料，以此种预制棒拉丝而成十字形光纤。

本发明还揭示一种制备十字形保偏光纤的工艺方法，其特征是，利用“粗管套细柱法”在衬管中套入几何正交且均对称于纤芯的应力柱体，其中一对是用热膨胀系数高的材料，另一对是用热膨胀系数低的材料，以此种预制棒拉丝而成十字形光纤。

下面将参照附图，对本发明的十字形光纤加以详细描述。

图1示十字形保偏光纤的结构之一。

图2示十字形保偏光纤的结构之二。

图3示十字形保偏光纤的广义型式。

图4示单偏单模窗口随双折射提高而加宽的特性。

图1是将“改良化学气相沉积”（MCVD）法用于制造十字形光纤的示意性模型。图中1示衬管，半径为R;2为纤芯，半径为a;左右两个数字3示用同一材料（硼或铝掺杂B₂O₃/Al₂O₃·SiO₂）做出的一对领结形应力作用体，其热膨胀系数均为a₁;上下两个数字4示用另一相同材料（如钛掺杂，TiO₂·SiO₂）做出的另一对领结形应力作用体，其热膨胀系数均为a₂;r₀及r分别示领结形应力体的内、外半径。

用改良化学气相沉积（MCVD）法制造十字形保偏光纤（其制造工序细节如下文所述），预制棒收棒后所出现的结构几何形状，未必如图1所示的一样整齐规矩。例如，二对应力体未必成为全都一样的领结形状，其夹角和内外径也未必全等，等等。不过，只要每对领结（或类似领结）的分立区域本身所含二应力体是几何对称于纤芯，则所得光纤的强双折射并无定性的改变。

根据上述南安普顿（Southampton）的理论文章，图1中由于热应力而产生的偏振模式双折射，其值可表示为：

$\mathrm{B=}\frac{2}{\pi }\frac{\mathrm{EC}}{\mathrm{1-v}}{\mathrm{(a}}_1\mathrm{-a}{}_2\mathrm{)Tsin\; 2\phi \; ｛ln(}\frac{r}{r_0}\frac{r^4}{r_0}\frac{r^4{}_0}{R^4}\mathrm{)\; ｝\; (1)}$

式中B是线双折射;C是应力·光学系数;E是杨氏模数;ν是柏桑比值;a₁和a₂分别是二对几何正交的领结形应力体的热膨胀系数;T＝T_o-T_c，T_o是周围环境温度，T_c是材料的软化温度，低于此温度时，材料可支持各间异性应力。（1）式中φ是应力体的扇形夹角，φ取90°时双折射为最大。应力体外半径的最佳值是（r/R）≈0.76。

根据巴格雷（B.G.Bagley）等人在Ch.7，Optical Fiber Telecommunications，ed.S.E.Miller and A.G.Chunoweth，Academic Press，1979，PP.187-189中所发表的数据，由于a₁（B₂O₃）-a₂（TiO₂）＞2〔a₁（B₂O₃）-a（SiO₂）〕，图1所示结构的双折射估计比常规领结光纤的双折射至少高出一倍。根据图4所示单偏单模窗口随双折射的提高而加宽的典型关系，本发明十字形保偏光纤，弯曲后其单偏单模窗口至少加宽一倍。图中横坐标代表线双折射（无量纲），纵坐标代表单偏单模窗口（单位为毫微米），数值计算所用参数为：光纤的芯子半径为2.2微米，芯子与包层的相对折射率差为0.3%，光纤的弯曲半径为2厘米。

根据马荣（M.J.Marrone）等人在“包层中含应力柱的双折射光纤的偏振特性”（“Polarization properties of birefringent fibers with stress rods in the cladding”），J.Lightwave Tech.，LT-2，1984，No.2，PP.155-160中发表的资料，若选用铝玻璃掺杂材料（Al₂O₃·SiO₂）取代B₂O₃掺杂材料，则图1所示十字形保偏光纤的双折射可进一步提高。

图2示含二对猫眼形状应力体的十字形保偏光纤（图中数字1，2，3，4与图1中的意义相同），其中一对应力体的热膨胀系数高于纤芯材料的热膨胀系数，另一对应力体的热膨胀系数低于纤芯材料的热膨胀系数。对于图2所示十字形光纤结构，在定性的意义上（1）式仍成立。故此种光纤的保偏能力亦有类似于上述估计值的提高。

图3示十字形光纤的一种广义结构型式。此种结构是在图1所含二对应力体（其中φ＝90°，r＝0.76R）之外，再增加二对应力体，其热膨胀系数分别为a₃和a₄（为简单起见，可取a₃＝a₁，a₄＝a₂）。此种结构形状和前引瓦尔汉Varnham的论文（LT-2，P.335）中图2（b）相似，区别是，本发明结构在其内外两层（共四对）应力体中，每层所含二对应力体均不仅利用了热膨胀系数高的应力体，同时还利用了热膨胀系数低的应力体，从而产生增强双折射的作用。原理上，图3所示结构比图1之双折射可进一步提高，但在工艺上则较为繁复。故本发明之着眼点以图1，2所示之较为简而易行的光纤结构为主要目标。

制造本发明的十字形保偏光纤，可利用现成的常规设备和常规工艺;对某些结构，只需在工序上加以变通运用即可。在常规工艺方法中，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。关键的工艺是制造图1，2中所示结构的预制棒。

用MCVD法制造图1所示结构的十字形光纤预制棒，和用此法制造常规领结光纤预制棒，在工艺方法上基本相同。制造常规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），对烧部分腐蚀，最后沉积氧化锗（GeO₂）和收棒。沉积B₂O₃工序中，装在玻璃车床上的预制棒衬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。部分腐蚀工序中，预制棒衬管停止转动而处于静止状态，管中通以腐蚀性气体（如氟），两个对烧火头在某一预定主轴上沿静止的衬管仍然来回运行。制造本发明十字形保偏光纤预制棒，仍然按照上述工序进行，只不过在上述部分腐蚀工序之后再增加一道沉积某种热膨胀系数低的材料（如TiO₂）的工序和随后的一道部分腐蚀工序，而且，在此道部分腐蚀工序中，两个对烧火头是处于与上述预定主轴相正交的主轴上（实际操作是火头不转，而将预制棒衬管在玻璃车床上转过90°）。在此工序完成后，和制造常规领结光纤的后两道工序一样，接着进行GeO₂沉积和最后的收棒。如前所述，用MCVD法制做含二对几何正交应力体的预制棒，收棒后所形成的结构几何形状，未必如图1所示的一样整齐规矩，但只要每对中的二应力体其形状和离开纤芯的距离均为几何对称于纤芯，则所制成的预制棒和用它拉出的光纤仍具有加强线双折射的性能。

图2所示十字形保偏光纤是利用“应力柱埋入预制棒”法或“粗管套细柱”法制成，其中一主轴上二猫眼形状的应力体（硼或铝掺杂材料）的热膨胀系数高于衬管（SiO₂）的热膨胀系数，而另一正交主轴上二猫眼形状应力体（如钛掺杂材料）的热膨胀系数则低于SiO₂的热膨胀系数。用“应力柱埋入预制棒”法制成的十字形预制棒和用它拉出的十字形光纤，可做到和图2几乎一样的整齐规矩。图2中四个圆柱形应力体，其直径和离开纤芯的距离并不要求全都一样，但每对中的二应力体则需几何对称于纤芯。用“粗管套细柱”法制成的十字形预制棒，并用它拉成十字形光纤，和用其它工艺方法制做此种光纤，并无本质上的不同;光纤中应力体的截面形状经过高温下拉丝可能变为不圆，但此现象并不影响用此法所制光纤的高双折射性能。

本专利申请揭示了所发明的十字形保偏光纤的结构型式和制造此类光纤的工艺方法。基于本发明的构思，可构成类似于图1，2或图3的其它强保偏光纤结构。凡基于本发明构思而可显而易见得到的推理和变型，亦属本发明的权利要求范围。

Claims (6)

1、一种增强线双折射的新型保偏光纤(称为十字形光纤)，其特征是，在光纤的每一主轴上均有几何对称于纤芯的一对应力体，此两对几何正交的应力体产生相辅相成的应力效应，即同时使某一主轴成为双折射之快轴，使另一主轴成为双折射之慢轴，从而产生比仅有一对应力体为更强的线双折射。

2、根据权利要求1所述的十字形保偏光纤，其特征是，光纤中一对应力体是用热膨胀系数高于衬管玻璃材料（SiO₂）的热膨胀系数的材料，如硼或铝掺杂材料;而另一对几何正交的应力体则是用热膨胀系数低于衬管玻璃材料的热膨胀系数的材料，如TiO₂或它种热膨胀系数低的掺杂材料。

3、根据权利要求1或权利要求2所述的十字形保偏光纤，其中近纤芯的每一应力体夹角均为90°，应力体外径r为纤径R的0.76，而在近纤芯的二对应力体之外，另有二对应力体，且在同一主轴上内外二应力体一为热膨胀系数低的掺杂材料，一为热膨胀系数高的掺杂材料，亦即四对（八个）应力体热膨胀系数分布为高低参差，从而在一定程度上进一步加强保偏光纤的双折射。

4、一种制备十字形保偏光纤的工艺方法，其特征是，在利用“改良化学气相沉积”（MCVD）法制作预制棒的工序中，在形成第一对应力体所需的硼或铝掺杂及其部分腐蚀之后，增加两道工序，即沉积某种热膨胀系数低的材料（如钛掺杂）的工序和对此沉积层在正交方向进行部分腐蚀的工序，接着进行缓冲层和纤芯的沉积，收成含有几何正交的二对应力体的预制棒，拉丝而成十字形光纤。

5、一种制备十字形保偏光纤的工艺方法，其特征是，利用“应力柱埋入法”在常规圆对称预制棒中埋入二对几何正交且均对称于纤芯的应力柱体，其中一对是用热膨胀系数高的材料，另一对是用热膨胀系数低的材料，以此种预制棒拉丝而成十字形光纤。

6、一种制备十字形保偏光纤的工艺方法，其特征是，利用“粗管套细柱法”在衬管中套入几何正交且均对称于纤芯的应力柱体，其中一对是用热膨胀系数高的材料，另一对是用热膨胀系数低的材料，以此种预制棒拉丝而成十字形光纤。

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