CN117800588A - 螺旋光纤的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种螺旋光纤的制备方法，两个夹具带动预制棒旋转，在靠近预制棒任意一端的位置加热使预制棒局部开始熔融；以加热点为参考位置，预制棒的两端沿预制棒的轴向差速运动对预制棒进行拉伸形成一段直光纤；预制棒的两端差速旋转，使得光纤开始逐步产生螺旋；维持预制棒两端的旋转速度差形成固定节距的螺旋光纤；预制棒的一端以特定的旋转加速度改变速率，直至预制棒两端的旋转速率相同；维持预制棒两端相同的旋转速度，同时以拉伸加速度使得拉伸速率变化至v2，然后继续拉伸一段时间后停止。通过控制光纤旋转和拉伸过程中的速度变化率，平滑了光纤在螺旋和拉伸过程中的曲率和模场，降低了螺旋光纤的插损、波长相关损耗，增加了回损。
Description
技术领域
本发明涉及光纤加工技术领域，具体地，涉及一种螺旋光纤的制备方法。
背景技术
螺旋光纤光栅最早由Kopp等人于2003年提出，它由截面非圆对称的石英光纤在熔融状态下高速扭转制作而成，其沿角向和纵向传播方向都存在周期性折射率调制，是一种新型的光波导结构。其不仅具有传统光纤光栅的波长选择特性，还具有传统光纤光栅所不具备的偏振敏感特性，基于它的圆偏振起偏器在相干光通信、电流传感、光纤陀螺中都有重要应用(Z.Lin,A.Wang,L.Xu,and et al.,Generation of optical vortices usingahelical fiber Bragg grat ing,Journal of Lightwave Technology,32(11):2152-2156(2014))。螺旋光纤光栅在激光器、滤波、传感等领域具有潜在的应用前景，目前已经有商用化石英基螺旋光纤光栅器件诞生。
制造螺旋光纤光栅的关键在于光纤的旋转，目前的主要制造方法有以下几种，一是在光纤上缠绕铜线，通过铜线施加应力造成光纤扭曲的方法生成螺旋折射率分布；二是高速旋转熔融状态的光纤预制棒或商用石英光纤来实现光纤的扭转；三是通过单面曝光技术对纤芯折射率进行螺旋形调制。
现有公开号为CN112665518A的中国专利申请文献，其公开了一种基于多芯螺旋光纤光栅的级联式形变传感器，该传感器通过在多芯光纤上制备扭转区域，形成多芯螺旋光纤，所述的光纤光栅可以制备在同一根多芯光纤上，也可以制备在不同的多芯光纤上然后通过熔接的方式进行级联。
现有技术中的多芯螺旋光栅为在多芯光纤上制备扭转区域，但是直接将光纤进行加热扭转形成的螺旋光纤插损高、波长损耗大，且螺旋过程难以控制，存在待改进之处。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种螺旋光纤的制备方法。
根据本发明提供的一种螺旋光纤的制备方法,包括如下：使用夹具分别将预制棒的两端夹持，且两个夹具带动预制棒旋转，在靠近预制棒任意一端的位置加热使预制棒局部开始熔融，此时，预制棒两端的旋转速度差为u1＝0；以加热点为参考位置，预制棒的两端沿预制棒的轴向差速运动对预制棒进行拉伸形成一段直光纤，预制棒两端沿预制棒轴向的移动速率差为v1；预制棒的一端以特定的旋转加速度β1改变速率使预制棒的两端差速旋转，预制棒两端的旋转速度差为u2，使得光纤开始逐步产生螺旋，此段光纤为螺旋平滑过渡段光纤；维持预制棒两端的旋转速度差形成固定节距的螺旋光纤；预制棒的一端以特定的旋转加速度β2改变速率，直至预制棒两端的旋转速率相同，将螺旋光纤重新平滑到直光纤，此段光纤是螺旋平滑过渡段光纤；维持预制棒两端相同的旋转速度，同时以拉伸加速度α使得拉伸速率变化至v2，然后继续拉伸一段时间后停止，此段光纤为直光纤。
优选地，在预制棒的拉伸过程中，按照一定的拉伸加速度或者减速度，使得纤芯直径的变化是平滑的。
优选地，加热区的温度为800℃至1800℃。
优选地，所述预制棒包括多芯光纤预制棒或偏心光纤预制棒。
优选地，拉伸光纤的长度L可以用以下公式表示：
其中，t1为预制棒两端差速拉伸运动的加工时间，t2为螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t3为形成固定节距的螺旋光纤的加工时间，t4为形成螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，所述t5为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸的加速度时间，t6为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸加速完成后继续拉伸的一端时间；
v2＝v1+αt5。
优选地，拉伸光纤的旋转角度θ可以用以下公式表示：
其中，t1为预制棒两端差速拉伸运动的加工时间，t2为螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t3为形成固定节距的螺旋光纤的加工时间，t4为形成螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，所述t5为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸的加速度时间，t6为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸加速完成后继续拉伸的一端时间，u1＝0。
优选地，所述预制棒的一端保持初始旋转速率，所述预制棒的另一端可以变速旋转；
拉伸速率＝10毫米/秒，预制棒两端的初始旋转速率均为1圈/秒，预制棒具有变速旋转的一端的终止旋转速率为1.5圈/秒，节距＝10÷(1.5-1)＝20毫米。
优选地，旋转变速时间为30秒，则旋转加速度＝(1.5-1)÷30＝0.0167圈/平方秒，螺旋平滑区长度＝10×30＝300毫米。
优选地，预制棒直径400微米，有效长度200毫米，预期获得的目标光纤直径125微米，长度2米；
以加热点为参考位置，预制棒的两端沿预制棒的轴向差速运动过程中，当以10毫米/秒拉伸时，温度控制1050℃，芯直径从光纤预制棒的28.8微米变为目标光纤的芯直径9微米。
优选地，在维持预制棒两端相同的旋转速度，同时以拉伸加速度α使得拉伸速率变化至v2，然后继续拉伸一段时间后停止的过程中；当温度提升至1150℃时，拉伸速度从10毫米/秒逐步变为15毫米/秒，变速时间5秒，获得的目标光纤芯直径为6um，过渡段长度62.5毫米。此时螺旋光纤的一端匹配9微米芯直径的光纤，螺旋光纤芯直径9微米，另外一端则匹配6微米芯直径的光纤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过控制光纤旋转和拉伸过程中的速度变化率，平滑了光纤在螺旋和拉伸过程中的曲率和模场，降低了螺旋光纤的插损、波长相关损耗，增加了回损。
2、本发明通过调整拉伸速率和加热区温度，调整了光纤两头的模场大小，使得与螺旋光纤匹配的输入输出光纤能够很好的匹配，降低了插损、波长相关损耗，增加了回损
3、本发明通过在拉伸过程中，将光纤拉细到特定的直径，可以减小光纤中的模场振荡，从而降低波长相关损耗，提升产品一致性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明主要体现本申请的熔融拉伸示意图；
图2为本发明主要体现光纤结构示意图；
图3为本发明主要体现不同节距螺旋光纤的组合示意图；
图4为本发明主要体现螺旋光纤过渡段示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、图2、图3以及图4所示，根据本发明提供的一种螺旋光纤的制备方法，包括如下：
使用夹具分别将预制棒的两端夹持，且两个夹具带动预制棒旋转，在靠近预制棒任意一端的位置加热使预制棒局部开始熔融，此时，预制棒两端的旋转速度差为u1＝0。具体地，预制棒包括A头和B头，两个夹具将预制棒的A头和B头分别夹持住，同时开始旋转并在靠近B头一侧的特定位置加热，使预制棒局部开始熔融，此时的旋转速度差u1＝0。
以加热点为参考位置，预制棒的两端沿预制棒的轴向差速运动对预制棒进行拉伸形成一段直光纤。具体地，以加热点为位置参考点，B头开始以较大速率移动，A头开始以较小速率移动，A头和B头的移动方向为同向，拉伸速率v1＝B头移动速率-A头移动速率，此时拉伸出来的是直光纤，直径比预制棒小。
预制棒的一端以特定的旋转加速度β1改变速率使预制棒的两端差速旋转，预制棒两端的旋转速度差为u2，使得光纤开始逐步产生螺旋，此段光纤为螺旋平滑过渡段光纤。具体地，拉伸到一定长度后，维持拉伸速率，B头按照特定的旋转加速度β1增加或减少旋转速度，使得旋转速度差为u2，使得光纤开始逐步产生螺旋。此段光纤为螺旋平滑过渡段光纤。
维持预制棒两端的旋转速度差形成固定节距的螺旋光纤。具体地，维持B头旋转速率一段时间，此段光纤为固定节距的螺旋光纤。
预制棒的一端以特定的旋转加速度β2改变速率，直至预制棒两端的旋转速率相同，将螺旋光纤重新平滑到直光纤，此段光纤是螺旋平滑过渡段光纤。具体地，B头按照特定的旋转加速度β2减少或增加旋转速度，并最终等于A头的旋转速度，将螺旋光纤重新平滑到直光纤，此段光纤也是螺旋平滑过渡段光纤。
维持预制棒两端相同的旋转速度，同时以拉伸加速度α使得拉伸速率变化至v2，然后继续拉伸一段时间后停止，此段光纤为直光纤。具体地，维持A头、B头相同的旋转速度，同时以拉伸加速度α使得速度提升或者减少或者不变至v2，然后继续拉伸一段时间后停止，此段光纤为直光纤。
需要说明的是，在实际加工生产中可以对本申请的制备方法的顺序进行合理的调整。
本申请的预制棒可以是两芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、七芯光纤、八芯光纤、十九芯光纤以及偏心光纤等。
进一步说明：在预制棒的拉伸过程中，按照一定的拉伸加速度或者减速度，使得纤芯直径的变化是平滑的。调整拉伸速率，影响加热区的停留时间和温度，改变光纤的拉伸比例，从而改变光纤的纤芯直径，以匹配设计要求。拉伸过程中，按照一定的拉伸加速度或者减速度，使得纤芯直径的变化是平滑的。
以上的旋转加速度和拉伸加速度，可以有效的提升光纤变化(螺旋弯曲、模场)过程中的平滑度，从而减小了光纤的损耗、波长相关损耗，增加了回波损耗。
加热区的温度为800℃至1800℃。同类型的光纤熔融温度有差异，一般为熔融温度以上50～500℃。预制棒包括多芯光纤预制棒或偏心光纤预制棒。
拉伸光纤的长度L可以用以下公式表示：
其中，t1为预制棒两端差速拉伸运动的加工时间，t2为螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t3为形成固定节距的螺旋光纤的加工时间，t4为形成螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t5为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸的加速度时间，t6为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸加速完成后继续拉伸的一端时间；v2＝v1+αt5。
拉伸光纤的旋转角度θ可以用以下公式表示：
其中，t1为预制棒两端差速拉伸运动的加工时间，t2为螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t3为形成固定节距的螺旋光纤的加工时间，t4为形成螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t5为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸的加速度时间，t6为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸加速完成后继续拉伸的一端时间，u1＝0。
需要说明的是：螺旋加速度和拉伸加速度，可以是正的，也可以是负的，正的表示加速，负的表示减速；加速度可以是0，表示匀速，也可以是常数，表示匀加速或者匀减速；加速度也可以随着时间变化。以上6个步骤，可以是完整的，也可以根据要求任意组合或者调整位置。预制棒的一端保持初始旋转速率，预制棒的另一端可以变速旋转。
本申请提出一种可行的实施方式：拉伸速率＝10毫米/秒，预制棒两端的初始旋转速率均为1圈/秒，预制棒具有变速旋转的一端的终止旋转速率为1.5圈/秒，节距＝10÷(1.5-1)＝20毫米。旋转变速时间为30秒，则旋转加速度＝(1.5-1)÷30＝0.0167圈/平方秒，螺旋平滑区长度＝10×30＝300毫米。预制棒直径400微米，有效长度200毫米，预期获得的目标光纤直径125微米，长度2米。以加热点为参考位置，预制棒的两端沿预制棒的轴向差速运动过程中，当以10毫米/秒拉伸时，温度控制1050℃，芯直径从光纤预制棒的28.8微米变为目标光纤的芯直径9微米。在维持预制棒两端相同的旋转速度，同时以拉伸加速度α使得拉伸速率变化至v2，然后继续拉伸一段时间后停止的过程中，温度提升至1150℃时，拉伸速度从10毫米/秒逐步变为15毫米/秒，变速时间5秒，获得的目标光纤芯直径为6um，过渡段长度62.5毫米。此时螺旋光纤的一端匹配9微米芯直径的光纤，螺旋光纤芯直径9微米，另外一端则匹配6微米芯直径的光纤。此段可以减少插入损耗0.7dB，原6微米与9微米芯直径光纤失配产生的损耗。
本申请通过控制光纤旋转和拉伸过程中的速度变化率，平滑了光纤在螺旋和拉伸过程中的曲率和模场，降低了螺旋光纤的插损、波长相关损耗，增加了回损。通过调整拉伸速率和加热区温度，调整了光纤两头的模场大小，使得与螺旋光纤匹配的输入输出光纤能够很好的匹配，降低了插损、波长相关损耗，增加了回损。通过在拉伸过程中，将光纤拉细到特定的直径(比仅存在基模时的直径，小0.1～3um)，可以减小光纤中的模场振荡，从而降低波长相关损耗，提升产品一致性。
该过程可以表述为：
其中α1为加速段，表示光纤被拉细，α2为减速段，又恢复原有直径，t表示时间。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，而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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种螺旋光纤的制备方法，其特征在于，包括如下：
使用夹具分别将预制棒的两端夹持，且两个夹具带动预制棒旋转，在靠近预制棒任意一端的位置加热使预制棒局部开始熔融，此时，预制棒两端的旋转速度差为u1＝0；
以加热点为参考位置，预制棒的两端沿预制棒的轴向差速运动对预制棒进行拉伸形成一段直光纤，预制棒两端沿预制棒轴向的移动速率差为v1；
预制棒的一端以特定的旋转加速度β1改变速率使预制棒的两端差速旋转，预制棒两端的旋转速度差为u2，使得光纤开始逐步产生螺旋，此段光纤为螺旋平滑过渡段光纤；
维持预制棒两端的旋转速度差形成固定节距的螺旋光纤；
预制棒的一端以特定的旋转加速度β2改变速率，直至预制棒两端的旋转速率相同，将螺旋光纤重新平滑到直光纤，此段光纤是螺旋平滑过渡段光纤；
维持预制棒两端相同的旋转速度，同时以拉伸加速度α使得拉伸速率变化至v2，然后继续拉伸一段时间后停止，此段光纤为直光纤。
2.如权利要求1所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，在预制棒的拉伸过程中，按照一定的拉伸加速度或者减速度，使得纤芯直径的变化是平滑的。
3.如权利要求1所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，加热区的温度为800℃至1800℃。
4.如权利要求1所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，预制棒包括多芯光纤预制棒或偏心光纤预制棒。
5.如权利要求1所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，拉伸光纤的长度L可以用以下公式表示：
L＝∫0 t1v1dt+∫0 t2v1dt+∫0 t3v1dt+∫0 t4v1dt+(∫0 t5atdt+∫0 t6v2dt)
其中，t1为预制棒两端差速拉伸运动的加工时间，t2为螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t3为形成固定节距的螺旋光纤的加工时间，t4为形成螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t5为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸的加速度时间，t6为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸加速完成后继续拉伸的一端时间；
v2＝v1+αt5。
6.如权利要求1所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，拉伸光纤的旋转角度θ可以用以下公式表示：
＝∫0 t1u1dt+∫0 t2β1tdt+∫0 t3u2dt+∫0 t4β2tdt+∫0 t5+t6u1dt
其中，t1为预制棒两端差速拉伸运动的加工时间，t2为螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t3为形成固定节距的螺旋光纤的加工时间，t4为形成螺旋平滑过渡段光纤的加工时间，t5为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸的加速度时间，t6为维持预制棒两端相同的旋转速度同时拉伸加速完成后继续拉伸的一端时间，u1＝0。
7.如权利要求1所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，预制棒的一端保持初始旋转速率，预制棒的另一端可以变速旋转；
拉伸速率＝10毫米/秒，预制棒两端的初始旋转速率均为1圈/秒，预制棒具有变速旋转的一端的终止旋转速率为1.5圈/秒，节距＝10÷(1.5-1)＝20毫米。
8.如权利要求7所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，旋转变速时间为30秒，则旋转加速度＝(1.5-1)÷30＝0.0167圈/平方秒，螺旋平滑区长度＝10×30＝300毫米。
9.如权利要求1所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，预制棒直径400微米，有效长度200毫米，预期获得的目标光纤直径125微米，长度2米；
以加热点为参考位置，预制棒的两端沿预制棒的轴向差速运动过程中，当以10毫米/秒拉伸时，温度控制1050℃，芯直径从光纤预制棒的28.8微米变为目标光纤的芯直径9微米。
10.如权利要求9所述的螺旋光纤的制备方法，其特征在于，在维持预制棒两端相同的旋转速度，同时以拉伸加速度α使得拉伸速率变化至v2，然后继续拉伸一段时间后停止的过程中；
当温度提升至1150℃时，拉伸速度从10毫米/秒逐步变为15毫米/秒，变速时间5秒，获得的目标光纤芯直径为6um，过渡段长度62.5毫米。此时螺旋光纤的一端匹配9微米芯直径的光纤，螺旋光纤芯直径9微米，另外一端则匹配6微米芯直径的光纤。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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