CN111620558A - 一种椭圆芯保偏光纤的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，包括以下步骤：步骤一、选择合适芯棒的基管，进行预处理；步骤二、制造芯棒，芯棒包括内包层与芯层；步骤三、在芯棒的芯层沉积结束后，先进行芯层内壁一侧的定向刻蚀，刻出月牙型；然后对相对侧刻出相同弧度的月牙型，最终基管内空心圆由最初的圆形刻蚀为椭圆形；步骤四、芯棒沉积、刻蚀结束后，对基管进行正向和反向塌缩，制成一根实心椭圆芯光棒；步骤五、将芯棒放置在沉积后的石英套管中，组合构成椭圆芯保偏光棒；步骤六、光棒进行拉丝，拉制成细径裸光纤，并在裸光纤外表面涂覆光纤涂料，得到最终椭圆芯保偏光纤。本发明通过定向刻蚀，一次成型，减少工艺的程序，稳定性、可靠性提高。

Description

一种椭圆芯保偏光纤的制造方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种椭圆芯保偏光纤的制造方法。

背景技术

保偏光纤是一种特殊的单模光纤，通过在单模光纤中引入双折射，使得两正交传播常数差别较大，从而减小两模式的耦合几率，实现当线偏振光沿光纤其中的一个主轴注入时，能保持光的偏振态在传输一段距离后不发生改变。从双折射产生的原理上看常用的有应力致双折射、几何形状致双折射。

国内目前应力致双折射中使用最广泛的是熊猫型保偏光纤。它具有易耦合、制作简单的特点。通常通过增加应力区直径、掺硼浓度提高光纤的偏振性能。但因其大的应力区尺寸使其全温范围内的温度稳定性较差。

几何形状致双折射型，利用材料几何结构的不对称性，从而导致光纤折射率在不同的方向上存在差异性，引起双折射。其中，较为常见的是椭圆芯保偏光纤，椭圆芯保偏光纤纤芯椭圆度由椭圆芯长短轴计算而出，e＝α/b，α为椭圆芯长轴长度，b为椭圆芯短轴长度。椭圆芯保偏光纤基于几何结构不对称性产生双折射，比较应力型致偏，其具有良好的温度稳定性，可用于光纤式电流互感器、高精度陀螺领域。通过对椭圆芯保偏光纤纤芯椭圆度的设计，可实现较高的双折射，从而保持光纤的偏振性能。

目前，制备椭圆芯保偏光纤主要通过机械加工处理形成成形品。如中国专利文献CN106199827Α公开了“一种椭圆芯熊猫型保偏光纤及其制作方法”，其对含有圆形纤芯的预制棒进行处理，使其外表层扁平，形成预加工成形品，再通过加热拉伸预加工成椭圆芯保偏光纤。但此方法对精确控制椭圆芯椭圆度难度较大，另外，需要对预制棒进行多次机械处理，加工难度较大；再者中国专利CN105985015Α公开了“一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法”，其包括使用菱形结构靶棒，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，去掉靶棒后形成纯石英玻璃菱形内孔套管。再机械加工芯棒，使之与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，构成保偏光纤预制棒。其对加工工艺要求极高，且工艺复杂。

综上所述，现有常规技术中的椭圆芯保偏光纤制作方法机械处理程序繁杂，导致加工难度大、稳定性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一次成型、温度性能稳定且自由可控制椭圆芯椭圆度的保偏光纤制造方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、选择合适芯棒的基管，并对基管进行预处理，一方面实现预热的目的，另一方面去除基管内壁杂质等附着物。

步骤二、用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括内包层与芯层。芯棒沉积先沉积内包层，再沉积锗磷共掺的芯层，沉积厚度为L。芯层尺寸为1～3mm，掺杂元素为锗磷，其相对折射率差为0.8％～1.6％；内包层直径与芯层直径比为3:1～6:1，其中内包层掺杂元素为氟，折射率差为-0.5％～-0.1％。基管层由纯硅制造，其相对折射率差为0。

步骤三、在芯棒的锗磷共掺层沉积结束后，基管内空心圆的半径为r。此时先进行一侧锗磷共掺层的定向刻蚀，基管内通入含氟的腐蚀性气体，基管外使用火头沿基管轴向来回移动刻蚀。最终将芯层一侧刻出月牙型。然后将衬管旋转180度后，按之前同样步骤刻出相同的弧度，最终基管内空心圆由最初的圆形刻蚀为椭圆形。刻蚀厚度ΔL由火头移动往返次数控制。

步骤四、芯棒沉积、刻蚀结束后，对基管进行正向和反向塌缩，制成一根实心椭圆芯光棒，由塌缩前后横截面积(CSA)公式可得出，塌缩完成后椭圆芯椭圆度e满足

其中，L为芯层沉积的厚度，r为基管内空心圆的半径，n为火头往返腐蚀的次数，ΔL₁为平均每次刻蚀的厚度。通过控制刻蚀的厚度，可精确控制椭圆芯椭圆度，最终实现椭圆芯的长短轴之比e的范围为2:1～5:1。

步骤五、将芯棒放置在沉积后的石英套管中，组合构成椭圆芯保偏光棒。

步骤六、按上步骤完成后的光棒进行拉丝，拉制成细径裸光纤，并在裸光纤外表面涂覆两层丙烯酸树脂光纤涂料，得到最终椭圆芯保偏光纤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、在工作温度范围内，实现稳定的温度性能，抗外界干扰能力强。

2、可通过刻蚀面积大小，精确控制椭圆芯保偏光纤的椭圆度，从而控制光纤偏振度。

3、通过定向刻蚀，一次成型，减少工艺的程序，稳定性、可靠性提高。

附图说明

图1为本发明实例中芯棒沉积完成后的横截面示意图。

图2为本发明实例中芯棒刻蚀完成后的横截面示意图。

图3为本发明实例中芯棒塌缩完成后的横截面示意图。

图4为本发明实例中椭圆芯芯棒套管完成后的横截面示意图。

图5为本发明实例中椭圆芯保偏光纤横截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1，用化学气相沉积法在MCVD车床上首先进行基管3预处理，然后沉积芯棒：先沉积掺氟的内包层2，再沉积锗磷共掺的芯层1，沉积完成结构如图1所示；然后进行定向刻蚀，通入六氟化硫腐蚀性气体，在基管外使用火头沿基管轴向来回移动刻蚀，并依据刻蚀尺寸，控制加热时长，最终将锗磷共掺的芯层1刻蚀成椭圆形，刻蚀完成后结果如图2所示；其次进行正向塌缩、反向塌缩工序，制得椭圆芯光棒，如图3所示；再对椭圆芯光棒进行套管，套管4为纯硅玻璃，组合构成椭圆芯保偏光棒，如图4所示。其椭圆芯的长短轴之比e的范围为2:1～5:1。

将实施例1制得的椭圆芯保偏光棒拉制成裸光纤直径为80μm的石英光纤，控制拉丝参数，严格保证椭圆芯形状一致性，拉丝具体参数如下表1。并在拉丝过程中在线涂上两层丙烯酸酯类涂料，经过紫外固化处理，制得直径为135μm的椭圆芯保偏光纤，如图5。其中椭圆芯保偏光纤椭圆芯长轴α1＝2α*10^-6，短轴b1＝2b*10^-6。该椭圆芯保偏光纤的主要技术指标如下表2。

表1

工艺参数	指标范围
		真空度(mBαr)	100～200
拉丝张力(N)	1.40-1.80
		拉丝温度(℃)	1650～1750
拉丝速度(m/min)	100-300

表2

指标名称	性能指标
		工作波长(nm)	1310
截止波长(nm)	1100-1290
		筛选强度(kpsi)	100
纤芯椭圆度	2.0-5.0
		拍长(mm)(@1310nm)	≤3.0
偏振串音(dB)	≤-25
		工作温度(℃)	-55-85
全温范围偏振串音变化量(dB)	≤2.0

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、选择合适芯棒的基管，并对基管进行预处理；

步骤二、用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括内包层与芯层；

步骤三、在芯棒的芯层沉积结束后，先进行芯层内壁一侧的定向刻蚀，刻出月牙型；然后对相对侧刻出相同弧度的月牙型，最终基管内空心圆由最初的圆形刻蚀为椭圆形；

步骤四、芯棒沉积、刻蚀结束后，对基管进行正向和反向塌缩，制成一根实心椭圆芯光棒；

步骤五、将芯棒放置在沉积后的石英套管中，组合构成椭圆芯保偏光棒；

步骤六、按上步骤完成后的光棒进行拉丝，拉制成细径裸光纤，并在裸光纤外表面涂覆光纤涂料，得到最终椭圆芯保偏光纤。

2.根据权利要求1所述的一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，其特征在于：所述芯层尺寸为1～3mm，掺杂元素为锗磷，其相对折射率差为0.8％～1.6％；内包层直径与芯层直径比为3:1～6:1，其中内包层掺杂元素为氟，折射率差为-0.5％～-0.1％。

3.根据权利要求2所述的一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，其特征在于：在步骤三定向刻蚀时，往基管内通入含氟的腐蚀性气体，基管外使用火头沿基管轴向来回移动刻蚀，最终将芯层一侧刻出月牙型，然后将衬管旋转180度后，按之前同样步骤刻出相同弧度月牙型。

4.根据权利要求1所述的一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，其特征在于：塌缩完成后椭圆芯椭圆度e满足

其中，L为芯层沉积的厚度，r为基管内空心圆的半径，n为火头往返腐蚀的次数，ΔL₁为平均每次刻蚀的厚度。

5.根据权利要求4所述的一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，其特征在于：通过控制刻蚀的厚度，精确控制椭圆芯椭圆度，最终实现椭圆芯的长短轴之比e的范围为2:1～5:1。

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