CN112456789A - 一种葫芦型保偏光纤及其制备方法 - Google Patents

一种葫芦型保偏光纤及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种葫芦型保偏光纤及其制备方法，属于保偏光纤技术领域。光纤截面由内向外依次为纤芯(101)、内包层(102)、包层(104)，所述包层(104)内设置一对葫芦型应力区(103)，两葫芦型应力区(103)对称设置在所述纤芯(101)的两侧，各所述葫芦型应力区(103)包括内外间隔设置的应力区Ⅰ和应力区Ⅱ，面积较小的所述应力区Ⅰ位于内侧而更靠近所述纤芯(101)，所述葫芦型应力区(103)占光纤截面积的面积比小于10％。与熊猫型保偏光纤相比，产生同等应力双折射效应的前提下，本发明光纤的应力区面积比更小，光纤的温度敏感性较低。与一字型保偏光纤相比，该造型的光纤与Y波导熔接时易对轴，克服了一字型保偏光纤熔接难的技术难题。

Description

一种葫芦型保偏光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及保偏光纤及其制备方法。
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，保偏光纤产品包括应力双折射保偏光纤和几何双折射保偏光纤。
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。由于没有应力区结构，光纤的温度稳定性较好，然而，几何型保偏光纤的双折射一般都不高，不适合使用在干涉时光纤陀螺中。
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。通过引入高膨胀系数的硼材料作为应力区，可以大大增加光纤的双折射。然后，硼对纤芯的应力也会随着温度的变化而变化，即对温度的敏感性较高，很容易受到温度的影响，导致其应用的光纤陀螺的温度稳定性不理想。
熊猫型保偏光纤在制备过程中，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；而为了获得足够的双折射性能，就需要适当增大应力区的面积。应力区面积所占光纤截面积比例过大(达到约20％)，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。
领结型保偏光纤由于应力区离芯层较近，只需较小的应力区就可以实现较高的双折射，可应用于高精度光纤陀螺中。“一”字型保偏光纤，作为改良版的领结型保偏结构，在保证光纤的双折射性能达到国际先进水平的前提下，实现了更小应力区占比(约6％)的保偏光纤，大大提高了光纤的温度稳定性，广泛应用于高精度光纤陀螺。但相比熊猫型保偏光纤，“一”字型保偏光纤与Y波导熔接时不易对轴，使“一”字型保偏光纤在使用受到一定限制。
发明内容
本发明的目的是要提供一种葫芦型保偏光纤，结合熊猫型保偏光纤与一字型保偏光纤的优点，而规格它们的主要缺点。对比熊猫型保偏光纤，该光纤能够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。对比一字型保偏光纤，该光纤与Y波导熔接时易对轴，解决了一字型保偏光纤熔接难的问题。
该发明能够为高精度光纤陀螺提供可靠的葫芦型保偏光纤产品。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种葫芦型保偏光纤，其截面由内向外依次为纤芯、内包层、包层，所述纤芯位于所述包层中心，所述内包层包围住纤芯，所述包层内设置一对葫芦型应力区，两葫芦型应力区对称设置在所述纤芯的两侧，各所述葫芦型应力区包括内外间隔设置的应力区Ⅰ和应力区Ⅱ，面积较小的所述应力区Ⅰ位于内侧而更靠近所述纤芯。
进一步地，所述应力区Ⅰ的截面形状为不规则方型，可视为短“一”字型应力区(应力区I的造型具体由制备方法决定)，所述应力区Ⅱ的截面形状为圆形，一大一小的应力区Ⅰ和应力区Ⅱ构成所述葫芦型应力区，所述葫芦型应力区占光纤截面积的面积比小于10％。
优选地，所述纤芯的直径D1为5μm～7μm；所述内包层的圆环厚度D2为1-2μm；所述应力区Ⅰ长L1为2-4μm，宽L2为5-7μm；所述应力区Ⅱ具有圆形截面，直径D3为14～18μm；所述包层的直径D4为70-90μm。
优选地，所述纤芯(101)与纯石英玻璃的相对折射率差Δ1为0.5～1.5；所述内包层(102)与纯石英玻璃的相对折射率差Δ2为-0.1～-1.0；所述应力区(103)与纯石英玻璃的相对折射率差Δ3为-0.5～-2.0；所述包层(104)为纯石英玻璃；按照纯石英玻璃折射率n0＝1.457、纤芯折射率n1、内包层折射率n2、应力区折射率n3；
Figure BDA0002795666510000031
优选地，所述纤芯(101)的材料组成为SiO2、GeO2、F，其中GeO2所占摩尔百分比为5～20％，F所占摩尔百分比为0.5～2％，余量为SiO2，均质掺杂；或者所述内包层(102)的材料组成为SiO2、GeO2、F，其中GeO2所占摩尔百分比为0.1～2％，F所占摩尔百分比为0.1～5％，余量为SiO2，均质掺杂；或者所述应力区(103)的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3，其中GeO2所占摩尔百分比为0.1～2％，B2O3所占摩尔百分比为20～35％，余量为SiO2，均质掺杂。
应力区II和应力区I的相对折射率相同，材料组分也相同，不同的在于他们在光纤中的布局和面积占比不同。
本发明的另一目的是要提供上述葫芦型保偏光纤的制备方法，包括如下步骤：
(1)基管的预处理：基管经酸洗、预热，消除基管内壁的杂质和气泡；
(2)在基管内壁沉积应力区Ⅰ：应力区Ⅰ的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3；
(3)定向刻蚀：对步骤(2)沉积的环形应力圈进行定向刻蚀，保持基管不再转动，在基管内通入腐蚀性气体，在基管外用两束火源沿基管的轴向来回移动加热基管两壁，对基管内的环形应力圈的相对两壁分别加热，腐蚀性气体再对应力圈的加热部位腐蚀使被逐渐刻蚀，两火头始终在基管外对称，火头来回移动的次数即为刻蚀遍数，刻蚀遍数15-20，每刻蚀一遍将基管翻转180℃以保证应力圈两壁刻蚀的一致性，直至将两壁完全刻通而获得两个完全分离的月牙状的应力区I；
(4)在应力区I内壁沉积内包层：内包层的材料组成为SiO2、GeO2、F；
(5)在内包层内壁沉积纤芯层：纤芯的材料组成为SiO2、GeO2、F；
(6)控制管内压力在0.40-0.5torr，灯头轴向移动速度15-20mm/min，对基管进行若干遍正向塌缩；
(7)反向塌缩，将基管最终塌缩成一根实心的保偏光棒，两月牙状的应力区I经过正反向塌缩后，在表面张力作用下形成短一字型矩形结构；
(8)保偏光棒进行抛光，制得呈透明状的保偏光棒芯棒；
(9)、准备两根圆形应力棒，材料匹配应力区Ⅱ；
(10)、将步骤(8)制得的保偏光棒芯棒插入尺寸匹配的石英套管内，熔缩为母棒；
(11)、在步骤(10)制得的母棒的纤芯慢轴两侧对称的打出两个纵向贯通与纤芯相平行的孔，孔位于应力区Ⅰ的外侧，将步骤(9)制得的圆形应力棒分别插入双孔中，形成组合光纤预制棒；
(12)、将组合光纤预制棒清洗干燥后，上光纤拉丝塔进行拉丝，制成葫芦型保偏光纤。
优选地，步骤(2)中，采用均质掺杂设计，沉积应力区Ⅰ对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：50-100sccm、BBr3流量：800-1000sccm，沉积温度为1700-1900℃，压力0.4-0.6torr。
优选地，步骤(4)中，采用均质掺杂设计，沉积内包层对应的SiO2流量：300-400sccm、GeCl4流量：40-50sccm、F流量：1-5sccm，沉积温度为1900-2100℃，压力0.6-0.8torr。
优选地，步骤(5)中，采用均质掺杂设计，沉积芯层对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：300-500sccm、F流量：1-5sccm，沉积温度为1900-2100℃，压力0.6-0.8torr。
优选地，步骤(9)圆形应力棒采用MCVD法制备，包括如下步骤
(9.1)另准备基管，对基管预处理，消除基管内壁的杂质和气泡；
(9.2)在基管内壁沉积应力区Ⅱ，应力区Ⅱ的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3，采用均质掺杂设计，GeO2所占摩尔百分比为0.1～2％，B2O3所占摩尔百分比为20～35％，余量为SiO2；沉积应力区Ⅱ对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：50-100sccm、BCl3流量：800-1000sccm，沉积温度为1700-1900℃，压力0.4-0.6torr；
(9.3)塌缩成实心棒。
优选地，步骤(12)中，拉丝温度为1650-1750℃，拉丝张力为0.8-1.5N、拉丝速度为200-500m/min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本申请将应力区拆分设置为应力区I和应力区II，其中靠近纤芯的应力区I的面积更小，应力区II和应力区I的应力双折射效应更强。与熊猫型保偏光纤相比，该光纤在面积较小的应力区作用下，能够产生较大的应力双折射效应，即本申请的光纤结构能够明显降低应力区所占光纤截面积的面积比，能够提高保偏光纤温度稳定性。
即与熊猫型保偏光纤相比，产生同等应力双折射效应的前提下，葫芦形保偏光纤的应力区所要求的截面积的面积比更小，光纤受温度的影响就越小。
2、本申请的葫芦型应力区由两个应力区组成，其中面积更大的应力区II截面为圆形且是通过穿插方式和光纤进行组装的，相比塌缩成型，更能够控制相对纤芯的对称性，与纤芯的距离更远。这与完全依靠塌缩成型的一字型保偏光纤相比，该造型的光纤与Y波导熔接时易对轴，克服了一字型保偏光纤熔接难的技术难题。
附图说明
图1为本发明葫芦型保偏光纤的截面结构示意图；
图2为本发明葫芦型保偏光纤与熊猫型保偏光纤和一字型保偏光纤的截面图对比；
图3为本发明葫芦型保偏光纤的x轴方向的光纤折射率分布图；
图4为本发明葫芦型保偏光纤的y轴方向的光纤折射率分布图；
图5为本发明葫芦型保偏光纤的工艺流程图；
图6为本发明葫芦型保偏光纤的结构流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本实施例中的文字描述是与附图对应的，涉及方位的描述也是基于附图的描述，不应理解为是对本发明保护范围的限制。
本实施例的葫芦型保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)基管的预处理：基管酸洗、基管预热，有效消除基管内壁的杂质和气泡。预热温度：800-1000℃，预热时间：5min-10min；
(2)沉积应力区1：应力区1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mol％为64～80,GeO2所占摩尔百分比mol％为0.1～2，B2O3所占摩尔百分比mol％为20～35；沉积应力区1对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：50-100sccm、BBr3流量：800-1000sccm。沉积温度为1700-1900℃，压力0.4-0.6torr。
(3)定向刻蚀：在应力层沉积工序结束后进行定向刻蚀，使被加热处的基管内侧的应力层被逐渐刻蚀。定向刻蚀即使基管不再转动，在基管内通有含氟的腐蚀性气体；在基管外用两边对烧的两束火头沿基管的轴向来回移动；火头来回移动的次数即为刻蚀遍数，刻蚀遍数15-20遍。为保证刻蚀的一致性需每刻蚀一遍翻转180转，直至全部刻通使应力区完全分离；
(4)内包层沉积：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mol％为92～98，GeO2所占摩尔百分比mol％为0.1～2，F所占摩尔百分比mol％为0.1～5；沉积内包层对应的SiO2流量：300-400sccm、GeCl4流量：40-50sccm、F流量：1-5sccm。沉积温度为1900-2100℃，压力0.6-0.8torr。
(5)芯层沉积：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mol％为80～95，GeO2所占摩尔百分比mol％为5～20，F所占摩尔百分比mol％为0.5～2；沉积芯层对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：300-500sccm、F流量：1-5sccm。沉积温度为1900-2100℃，压力0.6-0.8torr。
(6)对基管进行5遍正向塌缩，控制管内压力在0.40-0.5torr,灯头速度15-20mm/min。
(7)反向塌缩，制成一根实心的保偏光棒。应力区1通过刻蚀、正反向塌缩等工艺，在表面张力作用下，行程类似图1的矩形结构。
(8)保偏光棒进行抛光，制得呈石英的透明状的保偏光棒芯棒；
(9)、使用MCVD法制备两根圆形应力棒。具体步骤为基管的预处理、沉积应力区2、塌缩成实心棒。应力区2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mol％为64～80,GeO2所占摩尔百分比mol％为0.1～2，B2O3所占摩尔百分比mol％为20～35；沉积应力区1对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：50-100sccm、BCl3流量：800-1000sccm。沉积温度为1700-1900℃，压力0.4-0.6torr。
(10)、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；
(11)、在母棒的纤芯慢轴两侧对称的打出两个纵向贯通与纤芯相平行的孔；将圆形应力棒插入母棒中对称的双孔中，形成组合光纤预制棒；
(12)、将组合光纤预制棒清洗干燥后，上光纤拉丝塔进行拉丝，制成葫芦型保偏光纤。对应的拉丝温度为1650-1750℃，拉丝张力为0.8-1.5N、拉丝速度为200-500m/min。
下面结合表1的具体试验数据对本实施例制造的葫芦型保偏光纤进行说明：
表1
Figure BDA0002795666510000061
Figure BDA0002795666510000071
对比例1为常规的熊猫型保偏光纤，其应力区面积占比为18.2％，模场直径、截止波长、损耗、拍长等光学参数合格，其高低温性能(-55℃～85℃)串音变化范围为1.2dB，熔接时易对轴。
对比例2为一字型保偏光纤，其应力区面积占比为6.8％，模场直径、截止波长、损耗、拍长等光学参数合格，其高低温性能(-55℃～85℃)串音变化范围为0.5dB，熔接时难对轴。
实施例3为葫芦型保偏光纤，其应力区面积占比为9.5％，模场直径、截止波长、损耗、拍长等光学参数合格，其高低温性能(-55℃～85℃)串音变化范围为0.6dB，熔接时易对轴。对比熊猫型保偏光纤，该光纤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。对比一字型保偏光纤，该光纤与Y波导熔接时易对轴，解决了一字型保偏光纤熔接难问题。
综合3个案例，实施例3整体性能更佳，即葫芦型保偏光纤最优。
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 (10)

1.一种葫芦型保偏光纤，其特征在于：其截面由内向外依次为纤芯(101)、内包层(102)、包层(104)，所述纤芯(101)位于所述包层(104)中心，所述内包层(102)包围住纤芯(101)，所述包层(104)内设置一对葫芦型应力区(103)，两葫芦型应力区(103)对称设置在所述纤芯(101)的两侧，各所述葫芦型应力区(103)包括内外间隔设置的应力区Ⅰ和应力区Ⅱ，面积较小的所述应力区Ⅰ位于内侧而更靠近所述纤芯(101)。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：所述应力区Ⅰ的截面形状为不规则方型，所述应力区Ⅱ的截面形状为圆形，应力区Ⅰ和应力区Ⅱ构成所述葫芦型应力区(103)，所述葫芦型应力区(103)占光纤截面积的面积比小于10％。
3.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：所述纤芯(101)的直径D1为5μm～7μm；所述内包层(102)的圆环厚度D2为1-2μm；所述应力区Ⅰ长L1为2-4μm，宽L2为5-7μm；所述应力区Ⅱ具有圆形截面，直径D3为14～18μm；所述包层(104)的直径D4为70-90μm。
4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：
所述纤芯(101)与纯石英玻璃的相对折射率差Δ1为0.5～1.5；
所述内包层(102)与纯石英玻璃的相对折射率差Δ2为-0.1～-1.0；
所述应力区(103)与纯石英玻璃的相对折射率差Δ3为-0.5～-2.0；
所述包层(104)为纯石英玻璃；
按照纯石英玻璃折射率n0＝1.457、纤芯折射率n1、内包层折射率n2、应力区折射率n3；
Figure FDA0002795666500000011
5.根据权利要求4所述的光纤，其特征在于：
所述纤芯(101)的材料组成为SiO2、GeO2、F，其中GeO2所占摩尔百分比为5～20％，F所占摩尔百分比为0.5～2％，余量为SiO2，均质掺杂；
或者所述内包层(102)的材料组成为SiO2、GeO2、F，其中GeO2所占摩尔百分比为0.1～2％，F所占摩尔百分比为0.1～5％，余量为SiO2，均质掺杂；
或者所述应力区(103)的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3，其中GeO2所占摩尔百分比为0.1～2％，B2O3所占摩尔百分比为20～35％，余量为SiO2，均质掺杂。
6.一种权利要求1-5中任一权项所述光纤的制备方法，包括如下步骤：
(1)基管的预处理：基管经酸洗、预热，消除基管内壁的杂质和气泡；
(2)在基管内壁沉积应力区Ⅰ：应力区Ⅰ的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3；
(3)定向刻蚀：对步骤(2)沉积的环形应力圈进行定向刻蚀，保持基管不再转动，在基管内通入腐蚀性气体，在基管外用两束火源沿基管的轴向来回移动加热基管两壁，对基管内的环形应力圈的相对两壁分别加热，腐蚀性气体再对应力圈的加热部位腐蚀使被逐渐刻蚀，两火头始终在基管外对称，火头来回移动的次数即为刻蚀遍数，刻蚀遍数15-20，每刻蚀一遍将基管翻转180℃以保证应力圈两壁刻蚀的一致性，直至将两壁完全刻通而获得两个完全分离的月牙状的应力区I；
(4)在应力区I内壁沉积内包层：内包层的材料组成为SiO2、GeO2、F；
(5)在内包层内壁沉积纤芯层：纤芯的材料组成为SiO2、GeO2、F；
(6)控制管内压力在0.40-0.5torr，灯头轴向移动速度15-20mm/min，对基管进行若干遍正向塌缩；
(7)反向塌缩，将基管最终塌缩成一根实心的保偏光棒，两月牙状的应力区I经过正反向塌缩后，在表面张力作用下形成短一字型矩形结构；
(8)保偏光棒进行抛光，制得呈透明状的保偏光棒芯棒；
(9)、准备两根圆形应力棒，材料匹配应力区Ⅱ；
(10)、将步骤(8)制得的保偏光棒芯棒插入尺寸匹配的石英套管内，熔缩为母棒；
(11)、在步骤(10)制得的母棒的纤芯慢轴两侧对称的打出两个纵向贯通与纤芯相平行的孔，孔位于应力区Ⅰ的外侧，将步骤(9)制得的圆形应力棒分别插入双孔中，形成组合光纤预制棒；
(12)、将组合光纤预制棒清洗干燥后，上光纤拉丝塔进行拉丝，制成葫芦型保偏光纤。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，采用均质掺杂设计，沉积应力区Ⅰ对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：50-100sccm、BBr3流量：800-1000sccm，沉积温度为1700-1900℃，压力0.4-0.6torr。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，采用均质掺杂设计，沉积内包层对应的SiO2流量：300-400sccm、GeCl4流量：40-50sccm、F流量：1-5sccm，沉积温度为1900-2100℃，压力0.6-0.8torr。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，采用均质掺杂设计，沉积芯层对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：300-500sccm、F流量：1-5sccm，沉积温度为1900-2100℃，压力0.6-0.8torr。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(9)圆形应力棒采用MCVD法制备，包括如下步骤
(9.1)另准备基管，对基管预处理，消除基管内壁的杂质和气泡；
(9.2)在基管内壁沉积应力区Ⅱ，应力区Ⅱ的材料组成为SiO2、GeO2、B2O3，采用均质掺杂设计，GeO2所占摩尔百分比为0.1～2％，B2O3所占摩尔百分比为20～35％，余量为SiO2；沉积应力区Ⅱ对应的SiO2流量：200-300sccm、GeCl4流量：50-100sccm、BCl3流量：800-1000sccm，沉积温度为1700-1900℃，压力0.4-0.6torr；
(9.3)塌缩成实心棒。
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