CN1204421C - 高双折射保偏光纤及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤通信领域或传感器及纤维光学器件领域应用的高双折射保偏光纤，特别涉及高双折射保偏光纤的结构及其制造方法。该光纤包括纤芯和包覆纤芯的包层，在包层中纤芯的两侧对称设置截面形状为三角形的应力元。在包层中还可设置应力微孔。该方法的特点是采用OVD工艺将芯棒和应力棒组合件外喷上包层，使芯棒和应力棒被包覆于包层中，然后再拉丝成纤。本发明不仅简化了制造工艺方法，降低了制造成本，易于实施和操作，而且有效地提高了保偏光纤的轴向均匀性和光纤强度；可以自由地实现各种微孔形状的波导结构。保偏光纤可获得更高的双折射，使其具备优良的保偏性能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域或传感器及纤维光学器件领域应用的高双折射保偏光纤，特别涉及高双折射保偏光纤的结构及其制造方法。
背景技术
标准单模光纤传输的横向空间模式HE11，实际上是两个正交模式HE11 x和HE11 y的简并模式(由于βx≈βy)。实际的单模光纤由于几何尺寸并非理想的圆形，以及其它的缺陷包括外界应力作用、弯曲和扭转等因素的影响，导致模态简并的破坏，两种模态传输常数βx、βy不同，从而产生模态双折射，导致正交模分量间产生相位差，以及产生传输的时延差，即偏振模色散(PMD)。
保偏光纤就是人为地引入双折射(几何双折射和应力双折射)，使正交模态之间传播常数差(Δβ＝βx-βy)增大，减小模态的耦合，从而维持光在光纤中传输的偏振状态。携带三维信息(信息-时间-空间)的保偏光纤极有可能取代常规单模光纤进行相干光通信，且彻底解决高速传输系统(10Gbit/s及以上速率)中的偏振模色散问题。
90年代以来，保偏光纤偏振器技术研究取得了重大突破，为相关的光纤传感器的实用化提供了技术保障，并且随着电子信息技术的进步，光纤陀螺、光纤偏振器、光纤偏振耦合器、波分复用器、调制器、水听器等对偏振保持光纤的需求量越来越大。目前，已存在几种类型的保偏光纤，其中，应力施加型的保偏光纤实例包括熊猫型(panda)、蝴蝶结型(bow-tie)、椭圆纤芯型(elliptical core)、椭圆包层型(ellipticalclad)及椭圆套层型(elliptical jacket)等。在这些保偏光纤类型中，熊猫型的制作工艺较为简单，且具较为优良的偏振保持特性和较低的损耗。
现有技术中制造保偏光纤的工艺方法为两种：管套棒(RIT)法和钻孔法，管套棒法是通过将芯棒和应力棒装在套管中然后加温拉丝成纤，如CN99127132.7中所介绍的熊猫保偏光纤的制备方法，管套棒法存在拉丝过程中波导结构容易变形，工艺重复性差的问题；钻孔法的预成型件是通过在包覆层单元中形成插入孔然后将应力棒插入到插入孔中而形成。钻孔法需要高精度的机械精加工，加工成本高，长度上有一定的限制，对光纤的强度也会产生一些影响。由于保偏光纤制造工艺一直相对滞后，保偏光纤的性能较差，保偏光纤的轴向均匀性一直没有能够有效解决，导致保偏光纤一直没有能够产业化。因此，高保偏性能的波导结构设计，以及制造高轴向均匀性和较好强度的保偏光纤制造工艺是保偏光纤亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是设计出一种具有高双折射和优良保偏性能的保偏光纤波导结构。
本发明所要解决的另一个技术问题是提出一种制造保偏光纤的工艺方法，它不仅工艺简便、制作成本低，而且易于控制保偏光纤轴向均匀性，保偏光纤的强度高。
本发明保偏光纤的技术方案为：包括纤芯1和包覆纤芯的包层3，在包层中纤芯的两侧对称设置应力元2，其不同之处在于所述的应力元截面形状为三角形。
按上述方案，所述的纤芯截面形状为圆形；所述的应力元截面形状为等腰三角形或等边三角形，对称设置在纤芯的两侧；该三角形的顶角位于包层的内侧并指向纤芯的圆心，该三角形的底边位于包层的外侧并与纤芯半径相垂直；该三角形的顶角为40-150°，通常为40-90°。
为了引入更大的双折射，可在包层中纤芯的上下方对称设置应力微孔4，应力微孔方位与应力元的相位差为90°，上下方应力微孔位于一条纤芯直径延长线上，应力微孔的孔径相等，与纤芯的距离相等，应力微孔通常为圆形，也可以是其他几何形状。
本发明保偏光纤制造方法的技术方案如下：
(1)首先采用PCVD(等离子体化学气相沉积法)工艺制造出保偏光纤芯棒，
(2)将芯棒加工成特定形状(圆形、或其它形状)芯棒，
(3)采用MCVD(改进的化学气相沉积法)制造掺杂B2O3应力棒，并加工成特定的形状(如三角形或其它形状)，
(4)按预定形状的波导结构将芯棒和应力棒组合在一起，并调节好应力棒和芯棒的相对位置，
(5)采用OVD(外部气相沉积法)工艺，将上述芯棒和应力棒组合件外喷上包层，使芯棒和应力棒被包覆于包层中，同时保证沉积的粉末预制棒截面最终为圆形，
(6)进行脱水烧结，将粉末预制棒烧结成透明的保偏光纤预制棒，
(7)采用常规方法进行拉丝成纤。
按上述方案，在预制棒包层沉积过程中，旋转的角速度可以是匀速或变速的，变速的角速度可以是角位移坐标的函数，也可以是多种组合。在包层中制造应力微孔时，可以选择一定形状的包层区靶棒，与芯棒和应力棒相组合，在OVD外包完成后，抽去靶棒，然后经过脱水烧结成透明的预制棒。
本发明的有益效果在于：
1、本发明保偏光纤的三角形应力元以及引入的应力微孔可以在光纤纤芯中产生更大的应力，从而获得更高的双折射，使其具备优良的保偏性能；
2、采用OVD外包工艺不仅克服了现有保偏光纤制造工艺的复杂性和工艺重复性差等缺陷，简化了制造工艺方法，降低了制造成本，易于实施和操作，而且有效地提高了保偏光纤的轴向均匀性和光纤强度；
3、采用OVD外包工艺，脱去靶棒后，可以自由地实现各种微孔形状的波导结构。
附图说明
图1为本发明保偏光纤一个实施例的径向截面剖图。
图2为本发明保偏光纤第三个实施例的径向截面剖图。
图3为常规熊猫型保偏光纤的径向截面剖图。
图4为本发明制造方法中组合后的芯棒和应力棒采用OVD工艺，外喷上包层后的粉末预制棒立体结构图示。
具体实施方式
以下结合附图列举部分实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
保偏光纤的波导结构如图1所示，包括有一圆形截面的纤芯1，在纤芯外包覆有以纤芯为中心的圆形截面包层3，在包层中纤芯的两侧对称设置横截面形状为等边三角形的应力元2，该三角形ABC应力元的顶角A位于包层的内侧并指向纤芯的圆心，该三角形应力元的底边BC位于包层的外侧并与纤芯半径相垂直，两三角形应力元截面大小相等，并与纤芯等长。
该保偏光纤的制造方法为：首先采用PCVD制造出单模芯棒，芯棒直径2mm；采用MCVD工艺制造掺杂B2O3应力棒(SAP)，掺杂摩尔浓度范围12％～40％，然后加工成为边长为15.4mm的等边三角形截面的应力棒；将一对三角形应力棒6和芯棒5组合在一起，调整应力棒和芯棒的相对位置，使得三角形应力棒顶角尖与光纤芯棒中心的距离为2.7mm，即OA＝2.7mm；然后将它们固定在OVD沉积车床上；启动OVD沉积系统，在上述组合件上喷上SiCl4粉末，沉积成包层7；在沉积开始时，组合件的旋转速度随着角位移的变化而变化，如图4所示，DD′方向时的旋转速度不同于EE′方向时的旋转速度，当包层的沉积截面形状为圆形后，开始均匀旋转，继续进行SiCl4粉末沉积到预定的尺寸和重量；沉积完成后，进入烧结炉，烧结成透明的保偏光纤预制棒，预制棒直径为27.8mm；最后进入拉丝阶段，拉丝温度2150℃。制成的保偏光纤性能典型值如表-1。
表-1 保偏光纤典型性能指标
| 技术参数 | 技术指标 | ||
| 通信窗口波长nm | 850 | 1310 | 1550 |
| 截止波长 nm | 810 | 1285 | 1520 |
| 模场直径 μm | 4.5 | 9.5 | 10.5 |
| 衰减 dB/km | ≤3 | ≤1 | ≤0.5 |
| 拍长 mm | ≤2 | ||
| 偏振串音 dB/100m | ≤-35 | ||
实施例二
实施例二与实施例一的主要差异在于在包层3中纤芯1的两侧对称设置横截面形状为等腰三角形的应力元2，该三角形应力元的顶角为90°，位于包层的内侧并指向纤芯的圆心，该三角形应力元的底边位于包层的外侧并与纤芯半径相垂直，两个腰角均为45°，其它结构与实施例一相同。
本实施例的制造方法与上一实施例相同，采用PCVD制造单模芯棒，芯棒直径为2mm；用MCVD制造掺杂应力棒，然后加工成两条边的边长均为12.6mm(即AC＝AB＝12.6mm)，另一条边为17.8mm(即BC＝17.8)的等腰直角三角形，将芯棒、应力棒组合成如图1所示的横截面结构，等腰直角三角形应力棒顶角位于包层的内侧并指向芯棒的圆心，调整三角形应力棒与芯棒圆心的距离为3.1mm，将其安装在OVD车床上，然后进行OVD外喷，当沉积到预定的尺寸和形状后，沉积完毕；进入烧结炉，经过脱水烧结后为透明的预制棒。拉丝后测试保偏光纤的性能典型值如表-2。
表-2 保偏光纤的典型性能指标
| 技术参数 | 技术指标 | ||
| 通信窗口波长 nm | 850 | 1310 | 1550 |
| 截止波长 nm | 795 | 1290 | 1495 |
| 模场直径 μm | 4.3 | 9.4 | 10.4 |
| 衰减 dB/km | ≤3 | ≤1 | ≤0.5 |
| 拍长 mm | ≤3 | ||
| 偏振串音 dB/100m | ≤-35 | ||
实施例三
本发明第三个实施例保偏光纤的波导结构如图2所示，它与实施例一的主要差异在于在包层3中纤芯1的两侧对称设置横截面形状为等腰三角形的应力元2，该三角形应力元的顶角为50°，位于包层的内侧并指向纤芯的圆心，该三角形应力元的底边位于包层的外侧并与纤芯1半径相垂直，两个腰角均为65°；此外，在包层中纤芯的上下方对称设置应力微孔4，应力微孔方位与应力元的相位差为90°，上下方应力微孔位于一条纤芯直径上，应力微孔的孔径相等，与纤芯的距离相等，应力微孔为圆形。
本实施例的制造方法：采用PCVD制造单模芯棒，芯棒直径为2mm；用MCVD制造掺杂应力棒，然后加工成两条边的边长均为7.4mm(即AC＝AB＝7.4mm)，另一条边为6.3mm(即BC＝6.3)的等腰三角形，等腰直角三角形顶角位于包层的内侧并指向芯棒的圆心，等腰三角形的顶角为50°，调整三角形应力棒与芯棒圆心的距离为3.3mm，底边BC与芯棒半径相垂直，AC与经过顶角的芯棒半径的夹角为25°；将两直径为4.4mm的陶瓷靶棒对称安装在芯棒的上下方，与应力棒的相位差为90°，靶棒中心与芯棒中心距离为6mm，将芯棒、应力棒和陶瓷靶棒组合成如图2所示的横截面结构，安装在OVD车床上，然后进行OVD外喷，喷上SiCl4粉末，沉积成包层；冷却脱去靶棒，经过脱水烧结成透明的保偏光纤预制棒。随后在2120℃温度下进行拉丝，形成如图2所示横截面结构的保偏光纤，其典型性能指标如表-3。
表-3 保偏光纤的典型性能指标
| 技术参数 | 技术指标 | ||
| 通信窗口波长 nm | 850 | 1310 | 1550 |
| 截止波长 nm | 820 | 1290 | 1510 |
| 模场直径 μm | 4.3 | 9.2 | 10.3 |
| 衰减 dB/km | ≤3 | ≤1 | ≤0.5 |
| 拍长 mm | ≤2 | ||
| 偏振串音 dB/100m | ≤-35 | ||
本发明所提出保偏光纤的制造方法也可应用于其它应力元波导结构的保偏光纤，如应力施加型的保偏光纤中的熊猫型、蝴蝶结型等，其加工方法是相同的。
Claims (9)
1、一种高双折射保偏光纤，包括纤芯和包覆纤芯的包层，在包层中纤芯的两侧对称设置应力元，其特征在于所述的应力元截面形状为三角形。
2、按权利要求1所述的高双折射保偏光纤，其特征在于所述的纤芯截面形状为圆形。
3、按权利要求1或2所述的高双折射保偏光纤，其特征在于所述的应力元截面形状为等腰三角形或等边三角形，对称设置在纤芯的两侧；该三角形的顶角位于包层的内侧并指向纤芯的圆心，该三角形的底边位于包层的外侧并与纤芯半径相垂直。
4、按权利要求3所述的高双折射保偏光纤，其特征在于所述的等腰三角形应力元的三角形的顶角为40-150°。
5、按权利要求1或2所述的高双折射保偏光纤，其特征在于在包层中纤芯的上下方对称设置应力微孔，应力微孔方位与应力元的相位差为90°，上下方应力微孔位于一条纤芯直径延长线上，应力微孔的孔径相等，与纤芯的距离相等。
6、按权利要求5所述的高双折射保偏光纤，其特征在于所述的应力微孔为圆形。
7、一种高双折射保偏光纤的制造方法，其特征在于
(a)首先采用等离子体化学气相沉积法工艺制造出保偏光纤芯棒，
(b)将芯棒加工成特定形状芯棒，
(c)采用改进的化学气相沉积法制造掺杂B2O3应力棒，并加工成特定的形状，
(d)按预定形状的波导结构将芯棒和应力棒组合在一起，并调节好应力棒和芯棒的相对位置，
(e)采用外部气相沉积法工艺，将上述芯棒和应力棒组合件外喷上包层，使芯棒和应力棒被包覆于包层中，同时保证沉积的粉末预制棒截面最终为圆形，
(f)进行脱水烧结，将粉末预制棒烧结成透明的保偏光纤预制棒，
(g)采用常规方法进行拉丝成纤。
8、按权利要求7所述的高双折射保偏光纤的制造方法，其特征在于在预制棒包层沉积过程中，旋转的角速度是匀速或变速的，变速的角速度为角位移坐标的函数。
9、按权利要求7或8所述的高双折射保偏光纤的制造方法，其特征在于在包层中制造应力微孔时，选择一定形状的包层区靶棒，与芯棒和应力棒相组合，在外部气相沉积法进行外包喷射完成后，抽去靶棒，然后经过脱水烧结成透明的预制棒。
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