本發(fā)明屬于光纖，更具體地，涉及一種熊貓型保偏光纖及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、保偏光纖廣泛用于航天、航空、航海、工業(yè)制造及通信等領(lǐng)域，在以光學(xué)相干檢測為基礎(chǔ)的干涉型光纖傳感器中，使用保偏光纖能夠保證線偏振方向不變，提高相干信噪比，以實(shí)現(xiàn)對物理量的高精度測量。保偏光纖作為一種特種光纖，主要應(yīng)用于光纖陀螺、光纖水聽器等傳感器和密集波分復(fù)用(dense?wavelength?division?multiplexing，dwdm)、摻鉺光纖放大器(erbium-doped?fiber?amplifiers，edfa)等光纖通信系統(tǒng)，是一種具有廣泛應(yīng)用價值的特種光纖。

2、然而，現(xiàn)有的熊貓型保偏光纖主要存在以下問題：(1)光纖的研磨性能較差；(2)光纖的全溫性能較差；(3)光纖的穩(wěn)定性或抵抗形變的能力有待提高；(4)光纖內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻?，F(xiàn)有的熊貓型保偏光纖的制備方法主要存在制備工序復(fù)雜或?qū)嶋H操作性差的問題。

3、例如，專利cn104445912a公開的技術(shù)方案包括：制作光纖芯棒、保偏應(yīng)力棒，將兩根保偏應(yīng)力棒按照應(yīng)力分布需求對稱固定在芯棒的兩側(cè)，采用外部沉積法對芯棒和保偏應(yīng)力棒進(jìn)行外包層沉積，獲得預(yù)制棒疏松體，對預(yù)制棒疏松體進(jìn)行燒結(jié)，獲得截面為圓形的保偏光纖預(yù)制棒。上述方法實(shí)際操作性差，且存在明顯缺陷，兩根應(yīng)力棒通過夾具對稱固定在芯棒兩邊進(jìn)行沉積，然后燒結(jié)過程中棒子會進(jìn)行收縮，會導(dǎo)致應(yīng)力棒位置發(fā)生變化，因此實(shí)際操作過程中很難保證對稱性，使得光纖應(yīng)力分布不均勻。

4、例如，專利cn112305664a公開的技術(shù)方案包括：先采用管內(nèi)氣相沉積的方法制備芯棒，然后在芯棒外面采用外部氣相沉積的方式制備內(nèi)包層和包層，得到保偏母棒。上述方法工序復(fù)雜，且芯棒、內(nèi)包層和外包層采用不同的制備工藝，會導(dǎo)致芯棒與內(nèi)包層界面應(yīng)力差異大。

5、例如，專利cn102910812b和專利cn112327405a公開的技術(shù)方案類似，主要包括：采用pcvd工藝制備保偏芯棒和兩根摻硼應(yīng)力棒，將保偏芯棒用石英套管在高溫下熔融并拉細(xì)得到保偏母棒，在保偏母棒上打孔，將摻硼應(yīng)力棒嵌入孔中組合成保偏光纖預(yù)制棒，將保偏光纖預(yù)制棒在熔融狀態(tài)下拉絲成保偏光纖。上述方法是國內(nèi)常規(guī)通用方法，但是存在多個缺陷，包括：1、pcvd制備芯棒后，需要通過套套管進(jìn)行拉伸得到保偏母棒，制備流程復(fù)雜；2、在高溫熔融拉伸過程中會額外引入熱應(yīng)力，且軸向熱應(yīng)力大小會具有差異，導(dǎo)致母棒應(yīng)力不均勻，而應(yīng)力會影響材料折射率變化，導(dǎo)致拉制的光纖光學(xué)參數(shù)一致性差；3、芯棒套套管，實(shí)際上芯棒與套管內(nèi)孔之間有間隙，拉伸過程中無法保證芯棒絕對中間位置，會導(dǎo)致光纖芯包同心度幾何偏差大；3、由于套管橫截面面積大，芯棒面積小，制備芯棒過程中沉積內(nèi)包層的寬度有限；4、通過套管法拉伸得到的保偏母棒參數(shù)，受到套管參數(shù)影響，套管自身圓度，偏壁度均會影響保偏母棒的幾何參數(shù)。目前國內(nèi)套管生產(chǎn)工藝尚不成熟，絕大多數(shù)情況下套管均依賴于進(jìn)口，造成成本上升，并且原材料可控性差；5、拉伸準(zhǔn)備過程中容易造成芯棒的二次污染，造成衰減、強(qiáng)度等方面的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明通過提供一種熊貓型保偏光纖及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中熊貓型保偏光纖的制備工序復(fù)雜、光纖性能有待改善的問題。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種熊貓型保偏光纖，包括：纖芯、內(nèi)包層、應(yīng)力區(qū)和外包層；所述應(yīng)力區(qū)對稱間隔分布在所述纖芯的兩側(cè)，所述內(nèi)包層將整個所述應(yīng)力區(qū)包裹住。

3、優(yōu)選的，所述應(yīng)力區(qū)的直徑d3∈[0.25d4，0.3d4]，d4為所述外包層的直徑。

4、優(yōu)選的，所述應(yīng)力區(qū)從內(nèi)至外依次包括平坦層和漸變層。

5、優(yōu)選的，所述漸變層的單邊厚度為0.1d3，d3為所述應(yīng)力區(qū)的直徑。

6、優(yōu)選的，所述應(yīng)力區(qū)的黏度小于所述纖芯的黏度，所述纖芯的黏度小于所述內(nèi)包層的黏度，所述內(nèi)包層的黏度小于所述外包層的黏度。

7、優(yōu)選的，所述內(nèi)包層為摻氟內(nèi)包層，所述內(nèi)包層的相對折射率δ2∈[-0.2％，-0.1％]；所述的纖芯為氟鍺共摻纖芯，通過氟摻雜量調(diào)節(jié)纖芯粘度，所述纖芯中氟的相對折射率貢獻(xiàn)量δ∈[-0.15％，-0.05％]。

8、第二方面，本發(fā)明提供一種如上述的熊貓型保偏光纖的制備方法，包括以下步驟：

9、通過pcvd大棒工藝，在襯管內(nèi)依次沉積內(nèi)包層和芯層，并對沉積完畢的襯管進(jìn)行熔縮、燒實(shí)得到保偏母棒，所述保偏母棒的內(nèi)包層將整個應(yīng)力區(qū)包裹住；其中，采用的pcvd大棒工藝的車床諧振腔內(nèi)孔尺寸大于或等于45mm，pcvd的高頻系統(tǒng)電源功率大于或等于10kw；

10、在所述保偏母棒的中心線的兩側(cè)縱向加工一對對稱的圓孔，圓孔中心線與所述保偏母棒的中心線平行且位于同一平面；

11、制備兩根應(yīng)力棒，對所述應(yīng)力棒進(jìn)行打磨和腐蝕處理；

12、將兩根處理后的應(yīng)力棒分別嵌入所述保偏母棒的兩側(cè)圓孔中，組合得到熊貓型保偏光纖預(yù)制棒；

13、將所述熊貓型保偏光纖預(yù)制棒在熔融狀態(tài)下拉絲，得到熊貓型保偏光纖。

14、優(yōu)選的，沉積所述內(nèi)包層時，向所述襯管內(nèi)通入四氯化硅、氧氣和六氟乙烷的混合氣體，反應(yīng)生成摻氟的二氧化硅在襯管沉積；

15、沉積所述內(nèi)包層時，四氯化硅的流量為100-1000sccm，氧氣的流量為1000-3000sccm，六氟乙烷的流量為10-100sccm，溫度為1000-1500℃，沉積層數(shù)為19000-20000層。

16、優(yōu)選的，沉積所述芯層時，向所述襯管內(nèi)通入四氯化硅、四氯化鍺、氧氣和六氟乙烷的混合氣體，反應(yīng)生成摻氟的二氧化硅、二氧化鍺在襯管沉積；

17、沉積所述芯層時，四氯化硅的流量為100-1000sccm，四氯化鍺的流量為2-100sccm，氧氣的流量為300-3000sccm，六氟乙烷的流量為2-100sccm，溫度為1000-1500℃，沉積層數(shù)為500-4800層。

18、優(yōu)選的，對沉積完畢的襯管進(jìn)行熔縮時，將管內(nèi)壓力調(diào)為微正壓或微負(fù)壓，壓力范圍為-50mbar至+20mbar，調(diào)節(jié)溫度為1600-2000℃，調(diào)節(jié)加熱爐的移動速度為20-100mm/min，控制襯管每層縮進(jìn)量為1-5mm；燒實(shí)時，將管內(nèi)壓力調(diào)為微負(fù)壓，壓力范圍為-950mba至0mbar，調(diào)節(jié)溫度為1800-2200℃，調(diào)節(jié)加熱爐的移動速度為10-40mm/min。

19、本發(fā)明中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

20、在光纖設(shè)計方面，現(xiàn)有常規(guī)的熊貓型保偏光纖的內(nèi)包層的寬度較小，僅能把應(yīng)力區(qū)的內(nèi)邊緣包裹住，做不到整個應(yīng)力區(qū)都在內(nèi)包層里面。而本發(fā)明的內(nèi)包層極寬，能夠?qū)?yīng)力區(qū)全部包裹在內(nèi)包層的里面，且應(yīng)力區(qū)從內(nèi)至外依次包括平坦層和漸變層(即應(yīng)力區(qū)邊緣位置采用漸變設(shè)計)，因此能夠降低應(yīng)力區(qū)外邊緣與內(nèi)包層界面位置的黏度差，改善光纖研磨應(yīng)力區(qū)邊緣易開裂的情況，提高光纖的研磨性能。

21、此外，考慮到保偏光纖用于陀螺領(lǐng)域時，光纖全溫性能是制約陀螺精度的重要因素，而保偏光纖全溫性能差主要是由于材料膨脹導(dǎo)致對纖芯產(chǎn)生壓應(yīng)力或張應(yīng)力，本發(fā)明提供的保偏光纖包括極寬的摻氟內(nèi)包層，由于sio2的膨脹系數(shù)為0.5×10-6/℃，摻氟玻璃的膨脹系數(shù)約為0.3×10-6/℃，因此本發(fā)明通過增加摻氟內(nèi)包層直徑來增加摻氟內(nèi)包層的有效面積可以降低光纖包層膨脹系數(shù)，從而減小溫度變化材料膨脹對纖芯張應(yīng)力或壓應(yīng)力，提高光纖全溫性能，同時摻氟石英玻璃在強(qiáng)度和彈性模量方面表現(xiàn)出相對純石英玻璃更高的性能，強(qiáng)度和彈性模量的提高意味著摻氟石英玻璃在受到外力作用時能夠保持更好的形狀穩(wěn)定性，具有更高的抵抗形變的能力。

22、常規(guī)保偏光纖的應(yīng)力區(qū)為硼硅玻璃，粘度很?。欢鼘訛榧児璨Ａ?，粘度很大，使得應(yīng)力區(qū)界面位置粘度差異大，導(dǎo)致應(yīng)力區(qū)界面位置應(yīng)力大，光纖受到外界應(yīng)力，如光纖研磨易造成應(yīng)力區(qū)界面位置開裂，影響光纖可靠性。本發(fā)明對光纖黏度匹配進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，通過摻氟極寬內(nèi)包層將整個應(yīng)力區(qū)進(jìn)行包裹設(shè)計，減小應(yīng)力區(qū)邊界外界包層的粘度，從而減小應(yīng)力區(qū)邊界位置內(nèi)側(cè)和外側(cè)的粘度差，從而優(yōu)化光纖應(yīng)力區(qū)界面應(yīng)力，提高光纖可靠性。

23、同時采用極寬摻氟內(nèi)包層，可有效提高摻氟內(nèi)包層與整個包層部分的面積占比，可降低整個光纖粘度，光纖整體黏度的降低意味著可以用更低的爐溫進(jìn)行拉絲，進(jìn)而能夠減少應(yīng)力區(qū)的硼元素在高溫下擴(kuò)散導(dǎo)致光纖衰減變化，能夠有效的提高衰減均勻性。

24、在光纖制備方面，本發(fā)明首先通過車床諧振腔內(nèi)孔尺寸大于或等于45mm、高頻系統(tǒng)電源功率大于或等于10kw的pcvd大棒工藝(例如，pcvd-r47工藝)制備保偏母棒，得到的保偏母棒具有極寬摻氟內(nèi)包層，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)包層將整個應(yīng)力區(qū)包裹??；制備兩根應(yīng)力棒；然后在保偏母棒中加工一對圓孔，之后將兩根經(jīng)打磨和腐蝕處理的應(yīng)力棒分別嵌入保偏母棒的兩側(cè)圓孔中，組合得到熊貓型保偏光纖預(yù)制棒；最后將熊貓型保偏光纖預(yù)制棒在熔融狀態(tài)下拉絲，得到熊貓型保偏光纖。以采用pcvd-r47為例，本發(fā)明能夠充分發(fā)揮pcvd-r47工藝的優(yōu)勢，基于pcvd-r47所用的諧振腔內(nèi)孔的尺寸特點(diǎn)，本發(fā)明制備的熊貓型保偏光纖中的纖芯(對應(yīng)熊貓型保偏光纖預(yù)制棒中的芯層)、內(nèi)包層以及外包層(對應(yīng)熊貓型保偏光纖預(yù)制棒中的套管)是一體成型的，相較于現(xiàn)有常規(guī)的熊貓型保偏光纖制備方法需要進(jìn)行套套管和拉伸等工序制備保偏母棒的方式，本發(fā)明能夠極大地簡化保偏母棒的制備工序，進(jìn)而能夠極大地簡化熊貓型保偏光纖的制備工序，且由于本發(fā)明由于無需進(jìn)行套棒、拉伸工序，因此可避免芯棒套套管過程中芯棒對中問題，從源頭規(guī)避光纖芯包同心度偏大問題，同時可規(guī)避拉伸過程中雜質(zhì)的引入導(dǎo)致光纖衰耗偏大問題，可避免拉伸準(zhǔn)備過程造成芯棒二次污染的問題；本發(fā)明由于不涉及高溫熔融拉伸工序，因此不會額外引入熱應(yīng)力，能夠確保母棒應(yīng)力均勻，提高光纖光學(xué)參數(shù)一致性；本發(fā)明利用pcvd-r47工藝，內(nèi)包層和芯層的沉積效率可達(dá)到100％，可對芯棒剖面進(jìn)行精準(zhǔn)控制，保證芯棒剖面與計算理論值一致，提高光纖光學(xué)性能；相較于常規(guī)的制備方法，本發(fā)明利用pcvd-r47工藝，熔縮前后面積比值更大，更有利于芯層、內(nèi)包層不圓度的控制，拉制的光纖纖芯不圓度以及內(nèi)包層不圓度均可小于0.5％，本發(fā)明相較于套管拉伸法能夠避免保偏母棒的幾何參數(shù)受到套管參數(shù)(包括套管自身圓度、偏壁度)的影響。

25、此外，本發(fā)明通過pcvd-r47工藝制備保偏母棒能夠得到極寬的內(nèi)包層，能夠確保應(yīng)力區(qū)全部包裹在內(nèi)包層的里面，結(jié)合應(yīng)力區(qū)直徑設(shè)計、應(yīng)力區(qū)邊緣位置采用漸變設(shè)計，以及內(nèi)纖芯摻氟、光纖黏度匹配設(shè)計，能夠改善熊貓型保偏光纖的相關(guān)性能，能夠提高光纖的研磨性能和機(jī)械性能，使光纖具有更好的雙折射性能、全溫性能、可靠性和抵抗形變的能力，能夠避免或改善因黏度差異大造成光纖內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻的情況，能夠有效的提高軸向一致性。