CN114956543B - 椭圆芯保偏光纤的预制棒及光纤的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种椭圆芯保偏光纤的预制棒及光纤的制备方法，包括芯棒和套管，芯棒的外表面包括沿其直径对称的第一圆柱面和第二圆柱面以及连接第一圆柱面和第二圆柱面的第三面和第四面；第三面和第四面为芯棒短轴方向对应的面；套管具有中心通孔，芯棒适配在所述中心通孔中，中心通孔的直径与芯棒的长轴相当，套管的外表面包括沿其直径对称的第五圆柱面和第六圆柱面以及连接第五圆柱面和第六圆柱面的第七曲面和第八曲面；第七曲面和第八曲面也为套管短轴方向对应的面；当芯棒适配在所述中心通孔中时，芯棒短轴所在的方向和套管短轴所在的方向相垂直。本发明的椭圆芯保偏光纤具有芯区长短轴比值大，光的偏振保持性能好，光纤几何性能优良的特点。

Description

椭圆芯保偏光纤的预制棒及光纤的制备方法

技术领域

本发明属于光纤制备的技术领域，具体涉及一种椭圆芯保偏光纤的预制棒及光纤的制备方法。

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。由于其具有良好的偏振态保持能力，被广泛应用于各种光纤传感器件，如光纤陀螺的敏感环圈。

从引入双折射方式的不同，可将保偏光纤分为应力型保偏光纤和几何型保偏光纤。

应力型保偏光纤的典型代表为熊猫型保偏光纤，其主要是依靠纤芯两侧应力区材料和光纤纤芯材料的热膨胀系数差异而产生热应力，在热应力的作用下导致纤芯在不同方向上材料的折射率发生变化，从而产生双折射效应。

几何型保偏光纤主要是由于材料几何结构上的不对称性导致光纤纤芯折射率的改变，从而产生双折射效应，典型的为椭圆芯光纤。椭圆芯光纤相比于目前行业普遍应用的熊猫型保偏光纤具有热稳定性好、制造过程简单、成本低等优点。正因为以上优点，椭圆芯光纤在光纤电流传感器等方面的应用也越来越普遍。

目前，针对椭圆芯光纤提出的制备方法也比较多。

专利CN 1376935A公开了一种通过加工椭圆芯光纤的方法，该方法为对在圆形外敷层中央有一个圆形芯的原始成形品进行处理，使其外表层变平，形成预加工成形品，在加热拉伸预加工成形品成为椭圆芯光纤。本专利方法采用直接拉伸外表磨平的预加工成形品，虽然可以根据打磨量得到所需要的特定尺寸芯结构的椭圆芯光纤，但是其光纤的外包层圆度难以得到控制。

专利CN 105985015 B公开了一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法，其主要方法为制备内孔为菱形的石英玻璃套管，然后对芯棒的包层进行机械加工，将芯棒放置在菱形的石英玻璃套管中，使芯棒的包层的圆形外表面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。对保偏光纤预制棒进行熔缩、拉伸，然后进行机械外圆打磨及抛光，形成保偏预制棒，拉丝成椭圆芯保偏光纤。该方法需要用到外喷工艺制备异性结构的菱形套管，成本较高，难度较大。

专利CN 107417090 A公开了一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法，其主要方法为在包含包层和芯层的单模预制棒的两边，打两个平行对称的圆形通孔，再通过延伸塔上真空高温熔缩，机械外圆打磨及抛光和拉丝过程制备椭圆芯光纤，该方法具有能精确控制椭圆芯保偏光纤预制棒的芯层的椭圆度，提高椭圆芯保偏光纤的性能稳定性的优点，但是其实施过程需要用到石英棒打孔设备和延伸塔设备等大型配套设备。

专利CN 111620558 A 公开了一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法，该方法为在芯棒的制造过程中，在芯层沉积完之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，得到实心椭圆芯光棒，最后将芯棒放置在沉积后的石英套管中拉丝得到椭圆芯光纤。该方法的核心为对芯层的定向刻蚀，但是该刻蚀方法对管材的批次性、刻蚀时的温度、管内的压力等参数较为敏感，工艺难度高。

因此，需要开发一种光纤几何性能好，芯区长短轴比值大，光的偏振保持性能优良，且工艺简单的椭圆芯保偏光纤及其制备方法。

发明内容

本发明的一个目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种椭圆芯保偏光纤的预制棒，通过该预制棒制备的光纤具有几何性能好、芯区长短轴比值大以及光的偏振保持性能优良的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种椭圆芯保偏光纤的预制棒，包括芯棒和套管，芯棒的外表面包括沿其直径对称的第一圆柱面和第二圆柱面以及连接第一圆柱面和第二圆柱面的第三面和第四面；其中，第一圆柱面和第二圆柱面为芯棒长轴方向对应的面，第三面和第四面为芯棒短轴方向对应的面；套管具有中心通孔，芯棒适配在所述中心通孔中，中心通孔的直径与芯棒的长轴相当，所述套管的外表面包括沿其直径对称的第五圆柱面和第六圆柱面以及连接第五圆柱面和第六圆柱面的第七曲面和第八曲面；其中，第五圆柱面和第六圆柱面为套管长轴方向对应的面，第七曲面和第八曲面也为套管短轴方向对应的面；

当芯棒适配在所述中心通孔中时，芯棒短轴所在的方向和套管短轴所在的方向相垂直。

进一步地，所述第三面和所述第四面对称且两者均为内凹圆柱面。

进一步地，所述第三面和所述第四面对称且两者为双曲面。

进一步地，所述第三面和所述第四面为对称的平面。

进一步地，芯棒截面的短轴与长轴长度之比为1：1～1：4。

进一步地，第七曲面和第八曲面为对称的椭圆面或圆柱面。

进一步地，中心通孔为圆孔。

进一步地，套管的短轴与长轴的长度之比为1：1～1：2 。

本发明的另一个目的是提供一种根据上述的椭圆芯保偏光纤的预制棒制备光纤的方法，包括如下步骤：

步骤1，根据光纤的参数选择合适的芯棒和套管；

步骤2，保持芯棒外表面上其中两段对称的圆柱面不变，沿轴向对芯棒外表面上另外两段对称圆柱面进行打磨加工，打磨后的芯棒外表面包括长轴方向对应的第一圆柱面和第二圆柱面以及短轴方向对应的第三面和第四面；

步骤3，选择和芯棒相匹配的套管，套管上具有中心通孔，保持套管外表面上其中两段对称的圆柱面不变，沿轴向对芯棒外表面上另外两段对称的圆柱面进行打磨加工从而使得打磨完成后的套管外表面包括长轴方向对应的第五圆柱面和第六圆柱面以及短轴方向对应的第七曲面和第八曲面；

步骤4，对加工好的芯棒和套管分别进行延接；

步骤5，将芯棒适配到套管的中心通孔中，并使得位于套管中的芯棒短轴所在的方向和套管短轴所在的方向相垂直，从而获得预制棒；

步骤6，将以上组装好的预制棒进行拉丝，拉丝温度保持在2000℃以上，拉丝时对预制棒内部进行抽真空，使真空度稳定在10mbar以内，在拉丝过程中芯棒与中心通孔中的空隙被芯棒外壁和套管内壁熔融的材料填充，最终得到性能优良以及芯区长短轴比值大的椭圆芯保偏光纤。

进一步地，在对芯棒和套管进行打磨时，选择形状和尺寸适配的砂轮进行打磨。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在制备光纤时，将芯棒的左右圆柱面保留，而对上下圆柱面进行打磨，从而将上下圆柱面打磨成半径小于左右圆柱面且具有内凹的圆柱面、椭圆面或平面，而套管的中心通孔的直径与芯棒左右圆柱面的直径相当，这样当芯棒插入到套管中进行拉丝时，由于补偿原理有利于芯棒形成长短轴比值变大的椭圆形芯区结构，而芯区结构为椭圆形的长短轴比越大，光纤的偏振保持性能越好；此外，由于芯棒与套管的中心通孔之间具有间隙且芯棒的短轴与套管的短轴垂直，在高温拉伸的过程中，由于套管的长轴方向会向内收缩补充间隙部分从而使得其在拉制成光纤后光纤的长轴方向会相对缩短，因此，本发明预先将套管的上下圆柱面打磨以抵消上述套管长轴会在拉丝过程相对缩短的现象，从而有利于形成表面圆度较好的光纤；另外，本发明无需复杂的设备仪器，没有复杂难控的工艺过程，仅通过常规光纤的制造方法以及简单的机械打磨加工就能制造出光纤拍长小、芯区长短轴比值大且偏振保持性能优良的椭圆芯保偏光纤。

附图说明

图1为本发明实施例1原始芯棒的截面示意图；

图2为本发明实施例2打磨后芯棒的截面示意图；

图3为本发明实施例2打磨后套管的截面示意图；

图4为本发明实施例2将芯棒装配到套管中的截面示意图；

图5为本发明实施例2将芯棒装配到套管中的结构示意图；

图6为本发明实施例2制备的光纤的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明提供一种椭圆芯保偏光纤的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，根据椭圆芯光纤工作波长、包层直径、拍长等指标需要，预备合适的芯棒和套管；

步骤2，取圆柱形的芯棒，保持芯棒原有左右两侧的圆柱面不变，沿轴向对芯棒上下圆柱面进行机械打磨加工，打磨完成后上下圆柱面变为完全对称的曲面或平面，其中，曲面可以是双曲面、内凹圆柱面等各种曲面。即打磨后的芯棒外表面包括长轴方向对应的第一圆柱面和第二圆柱面以及短轴方向对应的第三面和第四面。打磨后的芯棒横截面的短轴和长轴的比值在1：1到1：4之间，具体取决于椭圆芯光纤的拍长指标要求。

步骤3，选择和芯棒相匹配的套管，套管具有中心通孔，该中心通孔为圆孔且其直径与芯棒的长轴相当，芯棒刚好可以插入到中心通孔中；

保持套管左右圆柱面不变，之后对套管外表面的上下圆柱面进行机械打磨，打磨完成后的上下圆柱面变为关于套管的直径对称的椭圆凸面或者圆柱面，即加工后的套管的外表面包括长轴方向对应的第五圆柱面和第六圆柱面以及短轴方向对应的第七曲面和第八曲面，其第七曲面和第八曲面为椭圆凸面或圆柱面。套管的长轴同其原有外径相当，短轴打磨后仍为曲面，打磨后短轴的尺寸和长轴的尺寸比值在1：1到1：2之间，具体取决于打磨后芯棒短轴和长轴的比值。

步骤4，对以上加工好的芯棒和套管分别进行延接；

步骤5，对以上延接好的芯棒和套管进行清洗和干燥；

步骤6，将芯棒插入到套管的中心通孔中得到预制棒，其中，组装好的芯棒的第一圆柱面与套管的第七曲面对应设置，芯棒的第二圆柱面与套管的第八曲面对应设置，即组装好的芯棒短轴方向和套管短轴方向相垂直；

步骤7，将以上组装好的预制棒在拉丝塔拉丝，拉丝温度保持在2000℃以上，拉丝时对预制棒内部进行抽真空，使真空度稳定在10mbar以内，在预制棒内外压差和石英材料高温粘度降低的条件下，拉丝过程中芯棒与套管中心通孔之间的空隙被芯棒表层和套管内壁熔融的材料所填充，最终得到性能优良以及芯区长短轴比值大的椭圆芯保偏光纤。

下面采用具体的实例对本发明进行说明：

实施例1

一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，其步骤如下：

1.单模芯棒制备

用化学气相沉积法制造单模芯棒，如图1所示，单模芯棒包括芯层1和芯棒的包层2；其中芯层1的直径为3.3mm，折射率为1.4794，芯棒的包层2为纯二氧化硅，折射率为1.4575，包层2的外径为22mm；

2.芯棒打磨

对芯棒进行打磨，打磨后的芯棒上下两个面为内凹的圆柱面，是由直径为44mm的砂轮沿着芯棒的轴线移动所磨成（砂轮面和芯棒的轴向相垂直），两个圆柱面间的最小距离为11mm，左右两侧的弧面为单模芯棒原始的圆柱面；

3.套管打磨

选用外径55mm，壁厚16mm，内径23的套管，将套管打磨成类似椭圆的形状，即左右两侧的圆柱面为原始的圆柱面，将上下两个面打磨为椭圆面，打磨后该套管的长轴不变为55mm，短轴为51mm，短轴打磨曲面的要求不高，只要为连续的弧面即可；

4.芯棒和套管的延接、清洗和干燥

将打磨好的芯棒一端接上延长棒，将整形好的套管一端拉锥一端接延长管，并对它们进行清洗和干燥；

5.套管和芯棒的组装

将以上清洗和干燥好的芯棒和套管进行组装，也即将芯棒插入到套管中，需要注意的是在插入组装时需保持芯棒打磨的短轴方向和套管打磨的短轴方向相垂直，至此获得预制棒，组装完之后的预制棒用留有抽真空接口的堵头对套管的延长管进行紧固密封；

6.预制棒拉丝

以上组装好的预制棒在拉丝塔拉丝，拉丝温度为2050℃，拉丝时对预制棒内部进行抽真空，使预制棒内部的真空度稳定在2mbar，在预制棒内外压差和石英材料高温粘度降低的条件下，拉丝过程中芯棒与套管中心通孔之间的空隙被芯棒表层和套管内壁被熔融的材料所填充，最终得到性能优良以及芯区长短轴比值大的椭圆芯保偏光纤。

为了说明本实例制得的光纤的效果，对光纤的各项参数进行测试，所制得椭圆芯光纤的测试结果如下表1所示；

表1为实施例1制得的椭圆芯光纤各项参数的测试结果

纤芯 短轴

纤芯 长轴

包层 直径

芯包 同心度

包层 不圆度

拍长

衰减

2.0µm

7.1µm

80µm

0.5µm

0.6%

4.3mm@1310nm

0.65dB/km@1310nm

以上80µm包层直径椭圆芯保偏光纤的纤芯长轴与短轴的比值达到了3.5:1,拍长达到了4.3mm@1310nm，其芯包同心度和包层不圆度水平接近于通信光纤，满足绝大部分应用场景对椭圆芯光纤的技术指标要求。

实施例2

1. 单模芯棒制备

用化学气相沉积法制造单模芯棒，单模芯棒3包括芯层和芯棒的包层；其中芯层的直径为2.1mm，折射率为1.4721，芯棒的包层为纯二氧化硅，折射率为1.4575，包层2的外径为22mm；

2.芯棒3打磨

对芯棒3进行打磨，如图2所示，打磨后的芯棒上下两个面31，32为内凹的椭圆面，是由外凸的椭圆形砂轮沿着芯棒的轴线移动所磨成（椭圆形砂轮面和芯棒的轴向相平行），两个椭圆面间的最小距离为13.75mm，左右两侧的圆柱面33，34为单模芯棒原始的圆柱面；

3.套管4打磨

选用外径55mm，壁厚16mm，内径23的套管，如图3所示，将套管4打磨成类似椭圆的形状，即左右两侧的圆柱面41，42为原始的圆柱面，上下两个面43，44打磨为椭圆面，该套管4的长轴不变为55mm，短轴为52mm，短轴打磨曲面的要求不高，只要为连续的弧面即可；

4.芯棒3和套管4的延接、清洗和干燥

将打磨好的芯棒3一端延接上延长棒，将整形好的套管4一端拉锥一端接延长管，并对它们进行清洗和干燥；

5.套管4和芯棒3的组装

如图4和图5所示，将以上清洗和干燥好的芯棒3和套管4进行组装，也即将芯棒3插入到套管4中，需要注意的是在插入组装时需保持芯棒3打磨的短轴方向和套管4打磨的短轴方向相垂直，至此得到预制棒，组装完之后的预制棒用留有抽真空接口的堵头对套管的延长管进行紧固密封；

6.预制棒拉丝

以上组装好的预制棒在拉丝塔拉丝，拉丝温度为2050℃，拉丝时对预制棒内部进行抽真空，使预制棒内部的真空度稳定在2mbar，在预制棒内外压差和材料遇高温粘度降低的条件下，拉丝过程中芯棒与套管中心通孔之间的空隙被芯棒表层和套管内壁被熔融的材料所填充，最终得到性能优良以及芯区长短轴比值大的椭圆芯光纤，见图6。

为了说明本实例制得的光纤的效果，对光纤的各项参数进行测试，所制得椭圆芯光纤的测试结果如下表2所示；

表2为实施例2制得的椭圆芯光纤各项参数的测试结果

纤芯 短轴

纤芯 长轴

包层 直径

芯包 同心度

包层 不圆度

拍长

衰减

3µm

7.5µm

125µm

0.3µm

0.4%

15.6mm@1310nm

0.58dB/km@1310nm

以上实例为125µm包层直径椭圆芯光纤，虽然纤芯的长轴与短轴的比值以及拍长指标不如实施例1，但仍可满足部分对指标要求不高的保偏光纤的传感应用需求。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种椭圆芯保偏光纤的预制棒，其特征在于，包括芯棒和套管，芯棒的外表面包括沿其直径对称的第一圆柱面和第二圆柱面以及连接第一圆柱面和第二圆柱面的第三面和第四面；其中，第一圆柱面和第二圆柱面为芯棒长轴方向对应的面，第三面和第四面为芯棒短轴方向对应的面；套管具有中心通孔，芯棒适配在所述中心通孔中，中心通孔的直径与芯棒的长轴相当，套管的外表面包括沿其直径对称的第五圆柱面和第六圆柱面以及连接第五圆柱面和第六圆柱面的第七曲面和第八曲面；其中，第五圆柱面和第六圆柱面为套管长轴方向对应的面，第七曲面和第八曲面也为套管短轴方向对应的面；

当芯棒适配在所述中心通孔中时，芯棒短轴所在的方向和套管短轴所在的方向相垂直。

2.根据权利要求1所述的椭圆芯保偏光纤的预制棒，其特征在于，所述第三面和所述第四面对称且两者均为内凹圆柱面。

3.根据权利要求1所述的椭圆芯保偏光纤的预制棒，其特征在于，所述第三面和所述第四面对称且两者为双曲面。

4.根据权利要求1所述的椭圆芯保偏光纤的预制棒，其特征在于，所述第三面和所述第四面为对称的平面。

5.根据权利要求1所述的椭圆芯保偏光纤的预制棒，其特征在于，芯棒截面的短轴与长轴长度之比为1：1～1：4。

6.根据权利要求1所述的椭圆芯保偏光纤的预制棒，其特征在于，第七曲面和第八曲面为对称的椭圆面或圆柱面。

7.根据权利要求1所述的椭圆芯保偏光纤的预制棒，其特征在于，中心通孔为圆孔。

8.根据权利要求1所述的椭圆芯保偏光纤的预制棒，其特征在于，套管的短轴与长轴的长度之比为1：1～1：2 。

9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的椭圆芯保偏光纤的预制棒制备光纤的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据光纤的参数选择合适的芯棒和套管；

步骤2，保持芯棒外表面上其中两段对称的圆柱面不变，沿轴向对芯棒外表面上另外两段对称圆柱面进行打磨加工，打磨后的芯棒外表面包括长轴方向对应的第一圆柱面和第二圆柱面以及短轴方向对应的第三面和第四面；

步骤3，选择和芯棒相匹配的套管，套管上具有中心通孔，保持套管外表面上其中两段对称的圆柱面不变，沿轴向对芯棒外表面上另外两段对称的圆柱面进行打磨加工从而使得打磨完成后的套管外表面包括长轴方向对应的第五圆柱面和第六圆柱面以及短轴方向对应的第七曲面和第八曲面；

步骤4，对加工好的芯棒和套管分别进行延接；

步骤5，将芯棒适配到套管的中心通孔中，并使得位于套管中的芯棒短轴所在的方向和套管短轴所在的方向相垂直，从而获得预制棒；

步骤6，将以上组装好的预制棒进行拉丝，拉丝温度保持在2000℃以上，拉丝时对预制棒内部进行抽真空，使真空度稳定在10mbar以内，在拉丝过程中芯棒与中心通孔中的空隙被芯棒外壁和套管内壁熔融的材料填充，最终得到性能优良以及芯区长短轴比值大的椭圆芯保偏光纤。

10.根据权利要求9所述的制备光纤的方法，其特征在于，在对芯棒和套管进行打磨时，选择形状和尺寸适配的砂轮进行打磨。

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