專(zhuān)利名稱(chēng)：高雙折射保偏光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信領(lǐng)域或傳感器及纖維光學(xué)器件領(lǐng)域應(yīng)用的高雙折射保偏光纖，特別涉及高雙折射保偏光纖的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸?shù)臋M向空間模式HE11，實(shí)際上是兩個(gè)正交模式HE11x和HE11y的簡(jiǎn)并模式(由于βx≈βy)。實(shí)際的單模光纖由于幾何尺寸并非理想的圓形，以及其它的缺陷包括外界應(yīng)力作用、彎曲和扭轉(zhuǎn)等因素的影響，導(dǎo)致模態(tài)簡(jiǎn)并的破壞，兩種模態(tài)傳輸常數(shù)βx、βy不同，從而產(chǎn)生模態(tài)雙折射，導(dǎo)致正交模分量間產(chǎn)生相位差，以及產(chǎn)生傳輸?shù)臅r(shí)延差，即偏振模色散(PMD)。
保偏光纖就是人為地引入雙折射(幾何雙折射和應(yīng)力雙折射)，使正交模態(tài)之間傳播常數(shù)差(Δβ＝βx-βy)增大，減小模態(tài)的耦合，從而維持光在光纖中傳輸?shù)钠駹顟B(tài)。攜帶三維信息(信息-時(shí)間-空間)的保偏光纖極有可能取代常規(guī)單模光纖進(jìn)行相干光通信，且徹底解決高速傳輸系統(tǒng)(10Gbit/s及以上速率)中的偏振模色散問(wèn)題。
90年代以來(lái)，保偏光纖偏振器技術(shù)研究取得了重大突破，為相關(guān)的光纖傳感器的實(shí)用化提供了技術(shù)保障，并且隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)步，光纖陀螺、光纖偏振器、光纖偏振耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、水聽(tīng)器等對(duì)偏振保持光纖的需求量越來(lái)越大。目前，已存在幾種類(lèi)型的保偏光纖，其中，應(yīng)力施加型的保偏光纖實(shí)例包括熊貓型(panda)、蝴蝶結(jié)型(bow-tie)、橢圓纖芯型(elliptical core)、橢圓包層型(ellipticalclad)及橢圓套層型(elliptical jacket)等。在這些保偏光纖類(lèi)型中，熊貓型的制作工藝較為簡(jiǎn)單，且具較為優(yōu)良的偏振保持特性和較低的損耗。
現(xiàn)有技術(shù)中制造保偏光纖的工藝方法為兩種管套棒(RIT)法和鉆孔法，管套棒法是通過(guò)將芯棒和應(yīng)力棒裝在套管中然后加溫拉絲成纖，如CN99127132.7中所介紹的熊貓保偏光纖的制備方法，管套棒法存在拉絲過(guò)程中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)容易變形，工藝重復(fù)性差的問(wèn)題；鉆孔法的預(yù)成型件是通過(guò)在包覆層單元中形成插入孔然后將應(yīng)力棒插入到插入孔中而形成。鉆孔法需要高精度的機(jī)械精加工，加工成本高，長(zhǎng)度上有一定的限制，對(duì)光纖的強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生一些影響。由于保偏光纖制造工藝一直相對(duì)滯后，保偏光纖的性能較差，保偏光纖的軸向均勻性一直沒(méi)有能夠有效解決，導(dǎo)致保偏光纖一直沒(méi)有能夠產(chǎn)業(yè)化。因此，高保偏性能的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及制造高軸向均勻性和較好強(qiáng)度的保偏光纖制造工藝是保偏光纖亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)出一種具有高雙折射和優(yōu)良保偏性能的保偏光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提出一種制造保偏光纖的工藝方法，它不僅工藝簡(jiǎn)便、制作成本低，而且易于控制保偏光纖軸向均勻性，保偏光纖的強(qiáng)度高。
本發(fā)明保偏光纖的技術(shù)方案為包括纖芯1和包覆纖芯的包層3，在包層中纖芯的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置應(yīng)力元2，其不同之處在于所述的應(yīng)力元截面形狀為三角形。
按上述方案，所述的纖芯截面形狀為圓形；所述的應(yīng)力元截面形狀為等腰三角形或等邊三角形，對(duì)稱(chēng)設(shè)置在纖芯的兩側(cè)；該三角形的頂角位于包層的內(nèi)側(cè)并指向纖芯的圓心，該三角形的底邊位于包層的外側(cè)并與纖芯半徑相垂直；該三角形的頂角為40-150°，通常為40-90°。
為了引入更大的雙折射，可在包層中纖芯的上下方對(duì)稱(chēng)設(shè)置應(yīng)力微孔4，應(yīng)力微孔方位與應(yīng)力元的相位差為90°，上下方應(yīng)力微孔位于一條纖芯直徑延長(zhǎng)線(xiàn)上，應(yīng)力微孔的孔徑相等，與纖芯的距離相等，應(yīng)力微孔通常為圓形，也可以是其他幾何形狀。
本發(fā)明保偏光纖制造方法的技術(shù)方案如下(1)首先采用PCVD(等離子體化學(xué)氣相沉積法)工藝制造出保偏光纖芯棒，(2)將芯棒加工成特定形狀(圓形、或其它形狀)芯棒，(3)采用MCVD(改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法)制造摻雜B2O3應(yīng)力棒，并加工成特定的形狀(如三角形或其它形狀)，(4)按預(yù)定形狀的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將芯棒和應(yīng)力棒組合在一起，并調(diào)節(jié)好應(yīng)力棒和芯棒的相對(duì)位置，(5)采用OVD(外部氣相沉積法)工藝，將上述芯棒和應(yīng)力棒組合件外噴上包層，使芯棒和應(yīng)力棒被包覆于包層中，同時(shí)保證沉積的粉末預(yù)制棒截面最終為圓形，(6)進(jìn)行脫水燒結(jié)，將粉末預(yù)制棒燒結(jié)成透明的保偏光纖預(yù)制棒，(7)采用常規(guī)方法進(jìn)行拉絲成纖。
按上述方案，在預(yù)制棒包層沉積過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的角速度可以是勻速或變速的，變速的角速度可以是角位移坐標(biāo)的函數(shù)，也可以是多種組合。在包層中制造應(yīng)力微孔時(shí)，可以選擇一定形狀的包層區(qū)靶棒，與芯棒和應(yīng)力棒相組合，在OVD外包完成后，抽去靶棒，然后經(jīng)過(guò)脫水燒結(jié)成透明的預(yù)制棒。
本發(fā)明的有益效果在于1、本發(fā)明保偏光纖的三角形應(yīng)力元以及引入的應(yīng)力微孔可以在光纖纖芯中產(chǎn)生更大的應(yīng)力，從而獲得更高的雙折射，使其具備優(yōu)良的保偏性能；2、采用OVD外包工藝不僅克服了現(xiàn)有保偏光纖制造工藝的復(fù)雜性和工藝重復(fù)性差等缺陷，簡(jiǎn)化了制造工藝方法，降低了制造成本，易于實(shí)施和操作，而且有效地提高了保偏光纖的軸向均勻性和光纖強(qiáng)度；3、采用OVD外包工藝，脫去靶棒后，可以自由地實(shí)現(xiàn)各種微孔形狀的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明保偏光纖一個(gè)實(shí)施例的徑向截面剖圖。
圖2為本發(fā)明保偏光纖第三個(gè)實(shí)施例的徑向截面剖圖。
圖3為常規(guī)熊貓型保偏光纖的徑向截面剖圖。
圖4為本發(fā)明制造方法中組合后的芯棒和應(yīng)力棒采用OVD工藝，外噴上包層后的粉末預(yù)制棒立體結(jié)構(gòu)圖示。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖列舉部分實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
該保偏光纖的制造方法為首先采用PCVD制造出單模芯棒，芯棒直徑2mm；采用MCVD工藝制造摻雜B2O3應(yīng)力棒(SAP)，摻雜摩爾濃度范圍12％～40％，然后加工成為邊長(zhǎng)為15.4mm的等邊三角形截面的應(yīng)力棒；將一對(duì)三角形應(yīng)力棒6和芯棒5組合在一起，調(diào)整應(yīng)力棒和芯棒的相對(duì)位置，使得三角形應(yīng)力棒頂角尖與光纖芯棒中心的距離為2.7mm，即OA＝2.7mm；然后將它們固定在OVD沉積車(chē)床上；啟動(dòng)OVD沉積系統(tǒng)，在上述組合件上噴上SiCl4粉末，沉積成包層7；在沉積開(kāi)始時(shí)，組合件的旋轉(zhuǎn)速度隨著角位移的變化而變化，如圖4所示，DD′方向時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度不同于EE′方向時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)包層的沉積截面形狀為圓形后，開(kāi)始均勻旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)進(jìn)行SiCl4粉末沉積到預(yù)定的尺寸和重量；沉積完成后，進(jìn)入燒結(jié)爐，燒結(jié)成透明的保偏光纖預(yù)制棒，預(yù)制棒直徑為27.8mm；最后進(jìn)入拉絲階段，拉絲溫度2150℃。制成的保偏光纖性能典型值如表-1。
表-1保偏光纖典型性能指標(biāo)

實(shí)施例二實(shí)施例二與實(shí)施例一的主要差異在于在包層3中纖芯1的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置橫截面形狀為等腰三角形的應(yīng)力元2，該三角形應(yīng)力元的頂角為90°，位于包層的內(nèi)側(cè)并指向纖芯的圓心，該三角形應(yīng)力元的底邊位于包層的外側(cè)并與纖芯半徑相垂直，兩個(gè)腰角均為45°，其它結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同。
本實(shí)施例的制造方法與上一實(shí)施例相同，采用PCVD制造單模芯棒，芯棒直徑為2mm；用MCVD制造摻雜應(yīng)力棒，然后加工成兩條邊的邊長(zhǎng)均為12.6mm(即AC＝AB＝12.6mm)，另一條邊為17.8mm(即BC＝17.8)的等腰直角三角形，將芯棒、應(yīng)力棒組合成如圖1所示的橫截面結(jié)構(gòu)，等腰直角三角形應(yīng)力棒頂角位于包層的內(nèi)側(cè)并指向芯棒的圓心，調(diào)整三角形應(yīng)力棒與芯棒圓心的距離為3.1mm，將其安裝在OVD車(chē)床上，然后進(jìn)行OVD外噴，當(dāng)沉積到預(yù)定的尺寸和形狀后，沉積完畢；進(jìn)入燒結(jié)爐，經(jīng)過(guò)脫水燒結(jié)后為透明的預(yù)制棒。拉絲后測(cè)試保偏光纖的性能典型值如表-2。
表-2保偏光纖的典型性能指標(biāo)

實(shí)施例三本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例保偏光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它與實(shí)施例一的主要差異在于在包層3中纖芯1的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置橫截面形狀為等腰三角形的應(yīng)力元2，該三角形應(yīng)力元的頂角為50°，位于包層的內(nèi)側(cè)并指向纖芯的圓心，該三角形應(yīng)力元的底邊位于包層的外側(cè)并與纖芯1半徑相垂直，兩個(gè)腰角均為65°；此外，在包層中纖芯的上下方對(duì)稱(chēng)設(shè)置應(yīng)力微孔4，應(yīng)力微孔方位與應(yīng)力元的相位差為90°，上下方應(yīng)力微孔位于一條纖芯直徑上，應(yīng)力微孔的孔徑相等，與纖芯的距離相等，應(yīng)力微孔為圓形。
本實(shí)施例的制造方法采用PCVD制造單模芯棒，芯棒直徑為2mm；用MCVD制造摻雜應(yīng)力棒，然后加工成兩條邊的邊長(zhǎng)均為7.4mm(即AC＝AB＝7.4mm)，另一條邊為6.3mm(即BC＝6.3)的等腰三角形，等腰直角三角形頂角位于包層的內(nèi)側(cè)并指向芯棒的圓心，等腰三角形的頂角為50°，調(diào)整三角形應(yīng)力棒與芯棒圓心的距離為3.3mm，底邊BC與芯棒半徑相垂直，AC與經(jīng)過(guò)頂角的芯棒半徑的夾角為25°；將兩直徑為4.4mm的陶瓷靶棒對(duì)稱(chēng)安裝在芯棒的上下方，與應(yīng)力棒的相位差為90°，靶棒中心與芯棒中心距離為6mm，將芯棒、應(yīng)力棒和陶瓷靶棒組合成如圖2所示的橫截面結(jié)構(gòu)，安裝在OVD車(chē)床上，然后進(jìn)行OVD外噴，噴上SiCl4粉末，沉積成包層；冷卻脫去靶棒，經(jīng)過(guò)脫水燒結(jié)成透明的保偏光纖預(yù)制棒。隨后在2120℃溫度下進(jìn)行拉絲，形成如圖2所示橫截面結(jié)構(gòu)的保偏光纖，其典型性能指標(biāo)如表-3。
表-3保偏光纖的典型性能指標(biāo)

本發(fā)明所提出保偏光纖的制造方法也可應(yīng)用于其它應(yīng)力元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的保偏光纖，如應(yīng)力施加型的保偏光纖中的熊貓型、蝴蝶結(jié)型等，其加工方法是相同的。
權(quán)利要求
1.一種高雙折射保偏光纖，包括纖芯和包覆纖芯的包層，在包層中纖芯的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置應(yīng)力元，其特征在于所述的應(yīng)力元截面形狀為三角形。
2.按權(quán)利要求1所述的高雙折射保偏光纖，其特征在于所述的纖芯截面形狀為圓形。
3.按權(quán)利要求1或2所述的高雙折射保偏光纖，其特征在于所述的應(yīng)力元截面形狀為等腰三角形或等邊三角形，對(duì)稱(chēng)設(shè)置在纖芯的兩側(cè)；該三角形的頂角位于包層的內(nèi)側(cè)并指向纖芯的圓心，該三角形的底邊位于包層的外側(cè)并與纖芯半徑相垂直。
4.按權(quán)利要求3所述的高雙折射保偏光纖，其特征在于所述的等腰三角形應(yīng)力元的三角形的頂角為40-150°。
5.按權(quán)利要求1或2所述的高雙折射保偏光纖，其特征在于在包層中纖芯的上下方對(duì)稱(chēng)設(shè)置應(yīng)力微孔，應(yīng)力微孔方位與應(yīng)力元的相位差為90°，上下方應(yīng)力微孔位于一條纖芯直徑延長(zhǎng)線(xiàn)上，應(yīng)力微孔的孔徑相等，與纖芯的距離相等。
6.按權(quán)利要求5所述的高雙折射保偏光纖，其特征在于所述的應(yīng)力微孔為圓形。
7.一種高雙折射保偏光纖的制造方法，其特征在于(a)首先采用PCVD工藝制造出保偏光纖芯棒，(b)將芯棒加工成特定形狀芯棒，(c)采用MCVD制造摻雜B2O3應(yīng)力棒，并加工成特定的形狀，(d)按預(yù)定形狀的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將芯棒和應(yīng)力棒組合在一起，并調(diào)節(jié)好應(yīng)力棒和芯棒的相對(duì)位置，(e)采用OVD工藝，將上述芯棒和應(yīng)力棒組合件外噴上包層，使芯棒和應(yīng)力棒被包覆與包層中，同時(shí)保證沉積的粉末預(yù)制棒截面最終為圓形，(f)進(jìn)行脫水燒結(jié)，將粉末預(yù)制棒燒結(jié)成透明的保偏光纖預(yù)制棒，(g)采用常規(guī)方法進(jìn)行拉絲成纖。
8.按權(quán)利要求7所述的高雙折射保偏光纖的制造方法，其特征在于在預(yù)制棒包層沉積過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的角速度是勻速或變速的，變速的角速度為角位移坐標(biāo)的函數(shù)。
9.按權(quán)利要求7或8所述的高雙折射保偏光纖的制造方法，其特征在于在包層中制造應(yīng)力微孔時(shí)，選擇一定形狀的包層區(qū)靶棒，與芯棒和應(yīng)力棒相組合，在OVD外包噴射完成后，抽去靶棒，然后經(jīng)過(guò)脫水燒結(jié)成透明的預(yù)制棒。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖通信領(lǐng)域或傳感器及纖維光學(xué)器件領(lǐng)域應(yīng)用的高雙折射保偏光纖，特別涉及高雙折射保偏光纖的結(jié)構(gòu)及其制造方法。該光纖包括纖芯和包覆纖芯的包層，在包層中纖芯的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置截面形狀為三角形的應(yīng)力元。在包層中還可設(shè)置應(yīng)力微孔。該方法的特點(diǎn)是采用OVD工藝將芯棒和應(yīng)力棒組合件外噴上包層，使芯棒和應(yīng)力棒被包覆于包層中，然后再拉絲成纖。本發(fā)明不僅簡(jiǎn)化了制造工藝方法，降低了制造成本，易于實(shí)施和操作，而且有效地提高了保偏光纖的軸向均勻性和光纖強(qiáng)度；可以自由地實(shí)現(xiàn)各種微孔形狀的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。保偏光纖可獲得更高的雙折射，使其具備優(yōu)良的保偏性能。
文檔編號(hào)G02B6/44GK1462888SQ0312809
公開(kāi)日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者劉有信, 陳偉, 李詩(shī)愈, 尹紅兵, 朱明華, 王淑斌, 李進(jìn)延 申請(qǐng)人:烽火通信科技股份有限公司