專利名稱：：一種熊貓型保偏光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種在光纖制導(dǎo)和光纖傳感領(lǐng)域使用的熊貓型保偏光纖，通過對(duì)保偏光纖的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠使得其應(yīng)用在高精度傳感領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：光纖陀螺是利用光纖傳感技術(shù)測(cè)量空間慣性轉(zhuǎn)動(dòng)率的一種新型傳感器，目前已發(fā)展成為慣性
技術(shù)領(lǐng)域：
具有劃時(shí)代特征的新型主流儀表，它與通常使用的機(jī)械陀螺和近年來開發(fā)的激光陀螺相比，具有更高的精度，且成本低，體積小，重量輕。光纖陀螺的應(yīng)用前景十分廣闊，它不僅用于飛機(jī)、船舶的導(dǎo)航，導(dǎo)彈制導(dǎo)，宇宙飛船的高精度位置控制，而且在民用上還可以應(yīng)用于高級(jí)轎車的導(dǎo)向，以及機(jī)器人和自動(dòng)化控制系統(tǒng)等。保偏光纖是光纖陀螺的傳感核心，對(duì)保偏光纖的設(shè)計(jì)，主要是應(yīng)力區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在使用最普遍的是熊貓應(yīng)力型保偏光纖，其他的還有橢圓芯層型保偏光纖，橢圓包層型保偏光纖等結(jié)構(gòu)。由于熊貓應(yīng)力型保偏光纖的大量成熟使用，其他類型的保偏光纖已經(jīng)越來越少使用。對(duì)于高精度傳感來說，保偏光纖的性能需要對(duì)保偏光纖的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，方能實(shí)現(xiàn)高精度傳感的要求。一方面需要實(shí)現(xiàn)高的雙折射性能，使得光纖能夠保持更穩(wěn)定的保偏性能，另外還需要光纖芯層的應(yīng)力不能太大，否則將會(huì)影響保偏光纖在傳感系統(tǒng)中的操作使用，而且對(duì)保偏光纖的抗彎曲性能也需要進(jìn)行一定的優(yōu)化，這對(duì)繞環(huán)使用的傳感器的性能非常重要。對(duì)保偏光纖的設(shè)計(jì)已存在有不少相關(guān)的專利，具體分析如下美國(guó)專利US5482525，題目為MethodofProducingEllipticCoreTypePolarization-MaintainingOpticalFiber，其中描述的是一種橢圓芯型保偏光纖及其制造方法，該專利將保偏光纖的芯層設(shè)計(jì)和制備成橢圓形狀來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力雙折射，同時(shí)重點(diǎn)介紹了芯層的制造方法。橢圓芯層型保偏光纖由于其在接續(xù)上的困難，在傳感系統(tǒng)中使用的難度增大，不易與其他類型的常規(guī)光纖進(jìn)行接續(xù)。因此這篇專利所描述的保偏光纖類型不適合于在高精度傳感領(lǐng)域使用。美國(guó)專利US7110647，題目為MultimodePolarizationMaintainingDoubleCladFiber，其中主要描述了一種多模保偏光纖，使用在激光領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)的是保偏光纖的光學(xué)參數(shù)，例如模場(chǎng)直徑、數(shù)值孔徑、使用波長(zhǎng)等參數(shù)。同時(shí)光纖采用雙包層結(jié)構(gòu)，塑料包層結(jié)構(gòu)增大了內(nèi)包層的數(shù)值孔徑，使得內(nèi)包層可以作為多模光纖進(jìn)行激光的傳輸。這種結(jié)構(gòu)對(duì)保偏光纖的雙折射穩(wěn)定性和精度沒有做詳細(xì)的描述。美國(guó)專利US7177512，題目為SolidTypePolarizationMaintainingFiberandApparatus，這篇專利描述了一種新型芯層設(shè)計(jì)的保偏光纖，橢圓芯層保偏光纖，針對(duì)光纖芯層的設(shè)計(jì)，提出了長(zhǎng)、短軸的直徑比例，折射率變化值，并對(duì)保偏光纖的拍長(zhǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。同時(shí)提出了一種研制這種光纖的工藝，采用側(cè)邊預(yù)制棒凹槽磨削的辦法進(jìn)行預(yù)制棒的加工，得到橢圓芯型結(jié)構(gòu)。這種光纖使用在特定領(lǐng)域，而且其芯層為橢圓結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)其兼容性有影響。中國(guó)專利CN1379256，題目為偏振保持光纖及偏振保持光纖預(yù)成型件的生產(chǎn)方法，其中描述的內(nèi)容為熊貓型保偏光纖的打孔工藝，以及保證高精度打孔精度的方法和重要。主要是對(duì)工藝技術(shù)和參數(shù)進(jìn)行專利申請(qǐng)，對(duì)光纖的設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容很少?，F(xiàn)有的熊貓型保偏光纖的光纖結(jié)構(gòu)如圖1所示。在光纖芯層兩側(cè)，對(duì)稱分布著應(yīng)力區(qū)，其余部分為石英包層。通過應(yīng)力區(qū)面積的增大和應(yīng)力區(qū)摻雜量的增大能夠增大保偏光纖的雙折射性能。然而，應(yīng)力區(qū)面積的增大，會(huì)導(dǎo)致保偏光纖機(jī)械性能的下降，同時(shí)會(huì)降低保偏光纖的溫度穩(wěn)定性和端面打磨一致性；同時(shí)應(yīng)力區(qū)面積的增大和應(yīng)力區(qū)摻雜量的增大，將會(huì)給應(yīng)力棒的制造帶來較大的工藝難度，降低應(yīng)力棒的制造成品率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可滿足高精度性能要求，同時(shí)又便于制作及工藝實(shí)施的熊貓型保偏光纖。本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術(shù)方案為包括有芯層和純石英包層，在純石英包層中芯層的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置應(yīng)力區(qū)，其不同之處在于在所述的芯層外設(shè)置下陷內(nèi)包層，縮小應(yīng)力區(qū)與芯層邊界的間距，使得應(yīng)力區(qū)邊界與芯層邊界之間的間距d保持37μm。按上述方案，所述的下陷內(nèi)包層的厚度為518μπι，且下陷內(nèi)包層相對(duì)于純石英層的相對(duì)折射率差為-0.1%-1%。按上述方案，所述的應(yīng)力區(qū)朝向芯層的邊界位于下陷內(nèi)包層內(nèi)，即應(yīng)力區(qū)一側(cè)與下陷內(nèi)包層存在相重疊區(qū)域。按上述方案，所述的下陷內(nèi)包層采用粘度摻雜匹配，摻雜元素組分可以為純摻氟，氟元素的摻雜比例為0.lmol%5mol%；也可以采用鍺氟共摻來實(shí)現(xiàn)，其中鍺元素的摻雜比例為0.Imol10mol%，氟元素的摻雜比例為0.ImolIOmol%0即在不改變相對(duì)折射率差的情況下，通過調(diào)節(jié)摻雜元素的比例來進(jìn)行應(yīng)力的改變。按上述方案，所述的下陷內(nèi)包層與芯層的界面為應(yīng)力梯度漸變摻雜界面。本發(fā)明的光纖預(yù)制棒制備過程中兩個(gè)對(duì)稱應(yīng)力區(qū)先進(jìn)行機(jī)械打孔，然后將制備好的應(yīng)力棒插入在芯層兩側(cè)以機(jī)械方法加工得到的兩個(gè)對(duì)稱的孔中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果在于1、通過將應(yīng)力區(qū)與光纖芯層的距離減小，增大應(yīng)力區(qū)對(duì)光纖芯層的應(yīng)力作用效果，提高熊貓型保偏光纖的雙折射性能，可以滿足高精度陀螺的性能要求；2、通過下陷內(nèi)包層的引入，可以在保持光纖光學(xué)性能(特別是模場(chǎng)直徑與截止波長(zhǎng))的情況下，降低光纖芯層的摻雜量，減小光纖芯層的本征應(yīng)力，減少預(yù)制棒包層傳導(dǎo)到芯層的應(yīng)力，從而在不增加工藝制備的難度的情況下有效降低在應(yīng)力區(qū)打孔過程中預(yù)制棒芯層炸裂的幾率；3、下陷內(nèi)包層采用粘度摻雜匹配的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)下陷內(nèi)包層在機(jī)械打孔過程中對(duì)機(jī)械應(yīng)力的承受和緩解能力，進(jìn)一步降低應(yīng)力區(qū)打孔過程中預(yù)制棒芯層所受到的外界機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致炸裂的幾率；而下陷內(nèi)包層與芯層的界面采用應(yīng)力梯度漸變摻雜分布如圖4所示，也可進(jìn)一步減小芯層界面的應(yīng)力集中程度；4、應(yīng)力區(qū)一側(cè)與下陷內(nèi)包層存在相重疊區(qū)域，可避免應(yīng)力區(qū)所打孔在下陷內(nèi)包層的邊界過渡面上，防止機(jī)械應(yīng)力在邊界本征應(yīng)力集中點(diǎn)上產(chǎn)生作用。圖1為現(xiàn)有一般熊貓型保偏光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有一般熊貓型保偏光纖折射率分布示意圖。圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光纖折射率分布示意圖。圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中不包含應(yīng)力區(qū)的折射率分布示意圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1采用如圖3和圖4所示的光纖折射率分布設(shè)計(jì)和光纖幾何設(shè)計(jì)，制備熊貓型保偏光纖，包括有芯層101和純石英包層104，在芯層外設(shè)置下陷內(nèi)包層103，在純石英包層中芯層的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置應(yīng)力區(qū)102；光纖芯層直徑a、光纖芯層的相對(duì)折射率差這兩個(gè)參數(shù)保持與普通結(jié)構(gòu)熊貓型保偏光纖一致，通過設(shè)置下陷內(nèi)包層和調(diào)節(jié)如下參數(shù)來進(jìn)行光纖預(yù)制棒的應(yīng)力結(jié)構(gòu)優(yōu)化與光纖雙折射性能的優(yōu)化(1)下陷內(nèi)包層厚度b;(2)下陷內(nèi)包層相對(duì)于純石英包層的相對(duì)折射率差值Δ；(3)應(yīng)力區(qū)邊界與芯層邊界的間距d；(4)應(yīng)力區(qū)的直徑C;(5)應(yīng)力區(qū)相對(duì)純石英包層的相對(duì)折射率差值e(這個(gè)參數(shù)只作為應(yīng)力大小的參考，考慮到不同摻雜成分，可以在不改變相對(duì)折射率差的情況下，通過調(diào)節(jié)摻雜元素的比例來進(jìn)行應(yīng)力的改變)。采用改進(jìn)的等離子體氣相沉積工藝進(jìn)行光纖芯層和下陷內(nèi)包層的制備，芯層和下陷內(nèi)包層沉積制備完之后，將預(yù)制棒打孔得到打孔芯棒，將制備好的應(yīng)力棒插入打孔芯棒拉絲制得熊貓型保偏光纖。所采用的參數(shù)下陷內(nèi)包層厚度b為ΙΟμπι，下陷內(nèi)包層相對(duì)于純石英層的相對(duì)折射率差值Δ為-0.1%；應(yīng)力區(qū)直徑c為35μm;應(yīng)力區(qū)邊界與芯層邊界的間距d為5μm；應(yīng)力區(qū)相對(duì)純石英包層的相對(duì)折射率差值e為0.8%。采用以上參數(shù)和制備工藝制備出的熊貓型保偏光纖的主要雙折射性能如下偏振串音為-32.8dB/km,1550nm工作波長(zhǎng)的拍長(zhǎng)為2.185mm。實(shí)施例2-8:采用實(shí)施例1所描述的制備工藝，通過改變光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，制得如下7種實(shí)施例保偏光纖產(chǎn)品，其光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)與光纖雙折射性能表如下b值Id值I^H~~Δ值Ikm光纖在1550nm1550nm工作~參數(shù)和性能(Pm)(um)(um)(%)(%)工作波長(zhǎng)偏振串音波長(zhǎng)拍長(zhǎng)測(cè)測(cè)試值(dB)試值(mm)實(shí)施例110355081Ol-32.82.185實(shí)施例28304075^02-31.6225<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種熊貓型保偏光纖，包括有芯層和純石英包層，在純石英包層中芯層的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置應(yīng)力區(qū)，其特征在于在所述的芯層外設(shè)置下陷內(nèi)包層，縮小應(yīng)力區(qū)與芯層邊界的間距，使得應(yīng)力區(qū)邊界與芯層邊界之間的間距d保持3～7μm。2.按權(quán)利要求1所述的熊貓型保偏光纖，其特征在于所述的下陷內(nèi)包層的厚度為518μm，且下陷內(nèi)包層相對(duì)于純石英層的相對(duì)折射率差為-0.-1%。3.按權(quán)利要求2所述的熊貓型保偏光纖，其特征在于所述的應(yīng)力區(qū)朝向芯層的邊界位于下陷內(nèi)包層內(nèi)，即應(yīng)力區(qū)一側(cè)與下陷內(nèi)包層存在相重疊區(qū)域。4.按權(quán)利要求2和3所述的熊貓型保偏光纖，其特征在于所述的下陷內(nèi)包層采用粘度摻雜匹配，即在不改變相對(duì)折射率差的情況下，通過調(diào)節(jié)摻雜元素的比例來進(jìn)行應(yīng)力的改變。5.按權(quán)利要求2和3所述的熊貓型保偏光纖，其特征在于所述的下陷內(nèi)包層與芯層的界面為應(yīng)力梯度漸變摻雜界面。6.按權(quán)利要求2和3所述的熊貓型保偏光纖，其特征在于所述的應(yīng)力區(qū)的直徑c為2535μm。7.按權(quán)利要求6所述的熊貓型保偏光纖，其特征在于所述的應(yīng)力區(qū)相對(duì)折射率差值e為0.5%0.8%。8.按權(quán)利要求4所述的熊貓型保偏光纖，其特征在于摻雜元素組分為純摻氟，氟元素的摻雜比例為0.lmol%5mol%；或用鍺氟共摻，其中鍺元素的摻雜比例為0.lmol%IOmol%，氟元素的摻雜比例為0.Imol%1Omol%。全文摘要本發(fā)明涉及一種在光纖制導(dǎo)和光纖傳感領(lǐng)域使用的熊貓型保偏光纖，包括有芯層和純石英包層，在純石英包層中芯層的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置應(yīng)力區(qū)，其特征在于在芯層外設(shè)置下陷內(nèi)包層，縮小應(yīng)力區(qū)與芯層邊界的間距，使得應(yīng)力區(qū)邊界與芯層邊界之間的間距d保持3～7μm。本發(fā)明提高熊貓型保偏光纖的雙折射性能，可以滿足高精度陀螺的性能要求；下陷內(nèi)包層的引入，可在不增加工藝制備的難度的情況下有效降低在應(yīng)力區(qū)打孔過程中預(yù)制棒芯層炸裂的幾率；下陷內(nèi)包層采用粘度摻雜匹配的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低應(yīng)力區(qū)打孔過程中預(yù)制棒芯層所受到的外界機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致炸裂的幾率；而應(yīng)力區(qū)一側(cè)與下陷內(nèi)包層存在相重疊區(qū)域，可防止機(jī)械應(yīng)力在邊界本征應(yīng)力集中點(diǎn)上產(chǎn)生作用。文檔編號(hào)G02B6/024GK101825738SQ201010184969公開日2010年9月8日申請(qǐng)日期2010年5月21日優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日發(fā)明者汪松,涂峰,童維軍,魏紅波申請(qǐng)人:長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司