CN115385567B - 一种可变应力区形状保偏光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可变应力区形状保偏光纤的制备方法包括，步骤一、制备掺杂芯棒；步骤二、制备光纤母棒：在芯棒外部套上石英套管，并烧结为一体形成光纤母棒；步骤三、打孔：沿着光纤母棒轴向，在芯棒外侧加工基孔；步骤四、应力区镗孔：在基孔的基础上向外镗孔，蹚出应力区造型孔，在光纤母棒前端预留一段基孔作为定位孔，在光纤母棒前端拉锥；步骤五、制备应力棒：将应力棒的尺寸加工到与步骤三的基孔匹配；步骤六、预制棒组装：将步骤五制备的应力棒从光纤母棒末端、沿着应力区造型孔穿入，一直向前直至达到定位孔，在光纤母棒末端接上延长管，延长管外接真空泵对光纤母棒保持负压状态；步骤七、拉丝；步骤八、涂覆。

Description

一种可变应力区形状保偏光纤及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤及其制造技术领域，尤其涉及应力区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，当一线偏振光被耦合进入保偏光纤时，如果线偏振光的偏振方向和保偏光纤的偏振主轴重合，则线偏振光可以在传输过程中保持其线偏振方向直至离开保偏光纤，即保偏光纤的双折射现象。引起光纤双折射现象的原因很多，几何和应力的不均匀性均会引入双折射，应力双折射保偏光纤主要有领结型保偏光纤、熊猫型保偏光纤和椭圆包层型保偏光纤等。
保偏光纤广泛应用于航天、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。
专利公开号CN1632629A的专利文献公开的一字型保偏光纤及其生产方法涉及一种应力区为长方形的保偏光纤制备方法，其主要工艺是通过使用MCVD车床对基管预处理后进行沉积，在应力层沉积工序结束后进行定向刻蚀，随后进行塌缩抛光制备出一体成型的应力区为一字型的预制棒。专利公开号CN1410375A的专利文献公开了椭圆夹克型光纤预制棒和保偏光纤的结构和制造方法，其方法与一字型保偏光纤制备方法相似。
使用刻蚀法进行一字型或领结夹克型等进行制备保偏光纤预制棒时，最主要的缺点就是应力区形状控制无法保持每次都一致，并且制备合格率低，单棒产量低，同时应力区浓度控制难，质量一致性无法得到完全的控制。
发明内容
基于传统熊猫型保偏光纤的制备工艺，本发明通过对母棒打孔工艺的优化以及应力棒制备工艺的优化，根据不同应用的需求进行针对性的应力区结构设计加工，从而制备出符合要求的定制化保偏光纤。本发明设计的多形状应力区制备工艺，可以针对不同形状需求的保偏光纤的进行结构设计，并且工艺稳定性及产量能够显著提升。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种可变应力区形状保偏光纤的制备方法，包括：
步骤一、制备掺杂芯棒：准备纯石英基管，在基管内化学沉积掺杂二氧化硅疏松体，沉积结束后塌缩成实心的芯棒，芯棒对应光纤的纤芯；
步骤二、制备光纤母棒：在芯棒外部套上石英套管，并烧结为一体形成光纤母棒，芯棒位于光纤母棒的中心位置；
步骤三、打孔：沿着光纤母棒轴向，在芯棒外侧加工基孔，基孔有多个，对称分布在芯棒外侧；
步骤四、应力区镗孔：根据光纤应力区的形状，在基孔的基础上向外镗孔，蹚出应力区造型孔，应力区造型孔应覆盖基孔，在光纤母棒前端预留一段基孔作为定位孔，并在光纤母棒前端拉锥；
步骤五、制备应力棒：另准备纯石英基管，在基管内化学沉积应力区掺杂二氧化硅疏松体，沉积结束后塌缩成实心的应力棒，并磨削去掉外部的纯石英层，将应力棒的尺寸加工到与步骤三的基孔匹配；
步骤六、预制棒组装：将步骤五制备的应力棒从光纤母棒末端、沿着应力区造型孔穿入，一直向前直至达到定位孔，确保应力棒贯穿应力区造型孔，在光纤母棒末端接上延长管，延长管外接真空泵对光纤母棒内部尤其是应力区造型孔抽真空使应力区造型孔内保持负压状态；
步骤七、拉丝：将预制棒拉细成光纤，在拉丝过程中应力棒熔融填满应力区造型孔；
步骤八、涂覆：在光纤外表面先后涂上并固化涂层。
优选地，步骤四中，应力区造型孔为多变形或者扇形，基孔是应力区造型孔的最大内切圆。应力区的造型孔可以根据实际需要设计，重复性高。
优选地，步骤五中，应力棒外部的纯石英层厚度不大于0.1mm。应力棒/应力区行业内普遍选择含硼石英，并在应力区外部设置石英层(基管)作为外包层，因为含硼石英的软化点低于纯石英，利用外包层可以避免含硼石英在拉丝过程中优先熔融而给生产带来不稳定的情况。而本申请不同，本申请应尽可能的去掉纯石英的外包层，在拉丝过程中，让应力棒优先熔融软化，配合拉丝的形变构成，软化的应力棒将填满应力区造型孔，从而获得所设计的应力区造型，实现了应力区造型的可控。
另外，对于应力区为圆形的光纤，应力棒也相应的为圆形。本领域技术人员知晓，组分相同、造型不同的应力区对纤芯产生的应力效果也不同，为了满足市场需要，有时候需要设计三角形等多边形的应力区，由于带有外包层的多边形应力棒目前还无法直接沉积获得，必须通过机械磨削加工成相应造型，去掉外包层，将掺杂的应力组织磨削成对应造型，此过程存在两点缺陷：其一是，由于掺杂区组织自身应力大，在对应力组织机械磨削过程中，极容易产生裂纹，并向内部延伸，这些裂纹甚至引起应力棒炸裂，或者与母棒装配后，给母棒内部带入难以去除的气泡，影响光纤本身的性能或者造成拉丝过程中发生断纤；其二，应力棒是气相沉积的，截面方向掺杂浓度是梯度分布的即掺杂是不均匀的，对应力区机械磨削后，会造成磨削后应力棒的掺杂浓度的波动，且截面应力分布也不均，实际应力效果的计算更加复杂。基于前述原因，将应力棒磨削成多边形的应力区造型然后和母棒组装的方式会给生产和最终的产品带来很多不稳定因素。
优选地，步骤一中，芯棒为参锗石英，芯棒中CeO2的摩尔百分比mol％为5～20。当然，也可根据光纤功率的不同，选择掺Er、Al、Ce、P、F、Pb中的一种或多种。
优选地，步骤一中，利用MCVD气相沉积，在基管内通入SiCl4和GeCl4气氛，以氢氧焰作为加热源，反应生成二氧化硅和氧化锗颗粒，沉积在基管内壁并同时玻璃化，沉积温度为1900-2100℃，SiCl4流量：200-300sccm、GeCl4流量：300-500sccm。
优选地，步骤五中，应力棒为参B石英，应力棒中B2O3的摩尔百分比mol％为15～40。
优选地，步骤五中，利用MCVD气相沉积在基管内通入SiCl4和BCl3气氛，以氢氧焰作为加热源，反应生成二氧化硅和氧化硼颗粒，沉积在基管内壁并同时玻璃化，沉积温度为1700-1900℃，SiCl4流量：200-300sccm、BBr3流量：700-1200sccm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使用打孔及内孔再加工技术，结合应力棒制备工艺的优化，可以实现应力区结构的精准加工设计，不仅可以控制应力区的大小，而且可以提高应力区造型结构的精准控制，可重复性高，提升生产效率以及合格率，并且工艺控制更加稳定。
附图说明
图1为本发明实施例中光纤母棒的结构示意图；
图2为本发明实施例中具有四边形应力区的保偏光纤截面示意图；
图3为本发明实施例中具有三角形应力区的保偏光纤截面示意图；
图中，1定位孔、2四边形镗孔、3延伸管、4真空泵连接头、5应力棒、6三角形镗孔。
具体实施方式
以下结合实施例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。
本实施例的保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：
(1)母棒制备：通过使用车床将石英基管进行化学气相沉积，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Si Cl4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。芯棒插入相匹配的石英套管，使用卧式套管车床进行套管，烧结一体成为母棒。
(2)母棒打/镗孔：沿着光纤母棒轴向，在芯棒外侧加工双对称基孔，孔径根据设计需求进行定制化加工，本次实施例基孔直径为14mm。在基孔的基础上向外镗孔，蹚出应力区造型孔，本次实施例1在基孔的基础上镗出长为22mm，宽为14mm的双对称长方形应力孔以及实施例2的底为30.8mm高为20mm的三角形应力孔，本次实施例涉及的应力区面积保持一致。造型孔均应覆盖基孔，在光纤母棒前端预留一段基孔作为定位孔，并在光纤母棒前端拉锥。另外加工了一根圆形孔应力区母棒作为参考项，该孔直径为20mm，应力区面积与长方形及三角形孔相当。
(3)应力棒制备：通过使用车床将石英基管进行化学气相沉积，应力棒的材料组成为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；沉积对应的SiCl4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。沉积结束后塌缩成实心的应力棒，并磨削去掉外部的纯石英层。
(4)组装，将制备的应力棒从光纤母棒末端、沿着镗孔穿入，一直向前直至达到定位孔，在光纤母棒末端接上延长管，延长管外接真空泵对光纤母棒内部尤其是应力区造型孔抽真空使应力区造型孔内保持负压状态，得到预制棒，将预制棒清洗干燥后，分别组装完成，上光纤拉丝塔进行拉丝，制成出不同形状的保偏光纤。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。
(5)在光纤外表面涂覆丙烯酸树脂涂层。
实施例1
光纤参数 长方形应力区 圆形应力区
包层直径(μm) 79.8 79.8
纤芯直径(μm) 5.0 5.0
应力区面积(μm^2) 308(44*12) 308
外涂覆层直径(μm) 135 135
应力区B摩尔浓度(mol.％) 25 25
拍长@1310nm(mm) 1.9 2.0
纤芯应力 7.69×107 7.38×107
实施例2
光纤参数 三角形形应力区 圆形应力区
包层直径(μm) 79.8 79.8
纤芯直径(μm) 5.0 5.0
应力区面积(μm^2) 308(30.8*20/2) 308
外涂覆层直径(μm) 135 135
应力区B摩尔浓度(mol.％) 25 25
拍长(mm) 2.5 2.0
纤芯应力 5.686×107 7.38×107
实施例1中，常规的圆形应力棒保偏光纤，在除应力区之外所有常规参数一致的条件下，圆形应力区光纤的拍长为2.0mm，长方形应力区光纤的拍长为1.9mm，同时圆形应力区光纤的纤芯应力为7.38×107，长方形应力区光纤的纤芯应力为7.69×107。
实施例2中，常规的圆形应力棒保偏光纤，在除应力区之外所有常规参数一致的条件下，圆形应力区光纤的拍长为2.0mm，三角形应力区光纤的拍长为2.5mm，同时圆形应力区光纤的纤芯应力为7.38×107，长方形应力区光纤的纤芯应力为5.686×107。
结合两个实施例可以看出，就光纤双折射性能而言，长方形应力区光纤优于圆形应力区光纤，圆形应力区光纤优于三角形应力区光纤。
本次实施例仅选取同等参照光纤进行设计对比，通过结构的调整及比例的优化，不同形状反映出指标应各不相同。但是基于本发明工艺的基础上，不同形状应力区的光纤均能实现应力区造型结构的精准控制，具备高可重复性，能提升生产效率以及合格率，并且工艺控制更加稳定。
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 (7)

1.一种可变应力区形状保偏光纤的制备方法，其特征在于：包括，
步骤一、制备掺杂芯棒：准备纯石英基管，在基管内化学沉积掺杂二氧化硅疏松体，沉积结束后塌缩成实心的芯棒，芯棒对应光纤的纤芯；
步骤二、制备光纤母棒：在芯棒外部套上石英套管，并烧结为一体形成光纤母棒，芯棒位于光纤母棒的中心位置；
步骤三、打孔：沿着光纤母棒轴向，在芯棒外侧加工基孔，基孔有多个，对称分布在芯棒外侧；
步骤四、应力区镗孔：根据光纤应力区的形状，在基孔的基础上向外镗孔，镗出应力区造型孔，应力区造型孔应覆盖基孔，在光纤母棒前端预留一段基孔作为定位孔，并在光纤母棒前端拉锥；
步骤五、制备应力棒：另准备纯石英基管，在基管内化学沉积应力区掺杂二氧化硅疏松体，沉积结束后塌缩成实心的应力棒，应力棒为参B石英，应力棒中B2O3的摩尔百分比mol%为15~40，并磨削去掉外部的纯石英层，将应力棒的尺寸加工到与步骤三的基孔匹配；
步骤六、预制棒组装：将步骤五制备的应力棒从光纤母棒末端、沿着应力区造型孔穿入，一直向前直至达到定位孔，确保应力棒贯穿应力区造型孔，在光纤母棒末端接上延长管，延长管外接真空泵对光纤母棒内部尤其是应力区造型孔抽真空使应力区造型孔内保持负压状态；
步骤七、拉丝：将预制棒拉细成光纤，在拉丝过程中应力棒熔融填满应力区造型孔；
步骤八、涂覆：在光纤外表面先后涂上并固化涂层。
2.根据权利要求1所述的可变应力区形状保偏光纤的制备方法，其特征在于：步骤四中，应力区造型孔为多边形或者扇形，基孔是应力区造型孔的最大内切圆。
3.根据权利要求1所述的可变应力区形状保偏光纤的制备方法，其特征在于：步骤五中，应力棒外部的纯石英层厚度不大于0.1mm。
4.根据权利要求1所述的可变应力区形状保偏光纤的制备方法，其特征在于：步骤一中，芯棒为参锗石英，芯棒中Ce2O3的摩尔百分比mol%为0.1~2。
5.根据权利要求4所述的可变应力区形状保偏光纤的制备方法，其特征在于：步骤一中，利用气相沉积，在基管内通入SiCl4和GeCl4气氛，以氢氧焰作为加热源，反应生成二氧化硅和氧化锗颗粒，沉积在基管内壁并同时玻璃化，沉积温度为1900-2100℃，SiCl4流量：200-300sccm、GeCl4流量：300-500sccm。
6.根据权利要求1所述的可变应力区形状保偏光纤的制备方法，其特征在于：步骤五中，利用气相沉积在基管内通入SiCl4和BCl3气氛，以氢氧焰作为加热源，反应生成二氧化硅和氧化硼颗粒，沉积在基管内壁并同时玻璃化，沉积温度为1700-1900℃，SiCl4流量：200-300sccm、BBr3流量：800-1000sccm。
7.根据权利要求1所述的可变应力区形状保偏光纤的制备方法，其特征在于：步骤七中，预制棒竖直悬挂在拉丝塔内拉丝，加热温度由下而上逐渐递减。
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