專利名稱：保持圓偏振態(tài)的光纖和它的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特殊光纖及其制備方法和應(yīng)用，尤其是涉及一種能保持圓偏振態(tài)的光纖及其制備方法和應(yīng)用。
在光纖的研究與發(fā)展中，由于圓偏振光傳輸具有優(yōu)于線偏振光傳輸?shù)牟簧賰?yōu)點(diǎn)，特別是在光纖連接方面的極大方便，早在1980年就有法國光纖專家L.JeunhommeandM.Monerie先生在期刊Electron.Lett.vol.16，No.24，PP.921-922(1980)發(fā)表的題為“Polarization-maintainingsingle-modefibrecabledesign”文章中提出過在光纖傳輸系統(tǒng)中用圓偏振光取代線偏振光的設(shè)想。問題的關(guān)鍵于是歸結(jié)為能否找到一種具有保持圓偏振態(tài)能力的特種光纖。常規(guī)光纖在理想條件下應(yīng)該既可傳線偏振光，亦同樣可傳圓偏振光。但在實(shí)際上存在有不可避免的各種擾動(dòng)的條件下，常規(guī)光纖無論傳線偏振光或傳圓偏振光都不穩(wěn)定。于是，從七十年代末到現(xiàn)在約十五個(gè)年頭，光纖專家付出過很大努力尋求能夠穩(wěn)定住光纖偏振態(tài)(無論線偏振態(tài)或圓偏振態(tài))的特別結(jié)構(gòu)。
在尋求保持線偏振態(tài)光纖的努力中，已取得了很了不起的成就，其中特別是英國的“領(lǐng)結(jié)光纖”，日本的“熊貓光纖”和“古河光纖”，美國的“康寧光纖”和貝爾的“偏橢圓光纖”，等等?？上У氖牵趯で蟊３謭A偏振態(tài)光纖的努力中，從七十年代末八十年代初到現(xiàn)在，卻是未獲任何進(jìn)展。原始的早在七十年代末八十年代初就知道的一種方法，即在“冷”狀態(tài)下將光纖硬行旋扭的方法，到現(xiàn)在仍然是光纖專家所知道的唯一方法。可惜的是，這種將光纖硬扭的方法，雖然在短光纖弱微擾情況下，可以產(chǎn)生一定的保持圓偏振態(tài)的功能，但其保持圓偏振態(tài)的能力很弱，和現(xiàn)有所謂“保偏光纖”之保持線偏振態(tài)的能力比較，相差懸殊。由于光纖玻璃材料的強(qiáng)度限制，硬扭過頭會(huì)使光纖裂斷。由于這個(gè)固有的原因，除開少數(shù)特定情況，硬扭光纖未能見諸實(shí)用，盡管有幾家世界上一流的公司在八十年代初曾經(jīng)付出好幾年的努力嘗試用硬扭光纖傳輸圓偏振光。除上述強(qiáng)度限制外，硬扭光纖的一個(gè)附帶的實(shí)際問題，是硬扭后如何將硬扭狀態(tài)加以保存和固定。
本發(fā)明的目的是提供一種能保持圓偏振態(tài)的特種光纖及其制備方法，此種光纖可利用現(xiàn)成的光纖工藝設(shè)備、原材料和技術(shù)，再加上本發(fā)明的方法而制成，完全不存在硬扭光纖所固有的困難問題。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供對(duì)上述能保持圓偏振態(tài)的特種光纖的各種應(yīng)用。


圖1表示保圓光纖的結(jié)構(gòu)(放大)示意圖。
圖2表示保圓光纖預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3表示利用保圓光纖和保圓元件器件構(gòu)成的全光纖陀螺系統(tǒng)。
本發(fā)明所涉及的一種能保持圓偏振態(tài)的光纖，其特征是，在已拉成的光纖內(nèi)部形成一條環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體，用以產(chǎn)生圓雙折射。
本發(fā)明所涉及的一種制備能保持圓偏振態(tài)的光纖(簡(jiǎn)稱“保圓”光纖)的方法，其特征是，所用預(yù)制棒含有一偏離中心軸線的應(yīng)力作用柱體，在光纖拉絲過程中，旋轉(zhuǎn)此預(yù)制棒，即將應(yīng)力柱體拉成一螺旋線，從而制出所需的高圓雙折射特種光纖(即保圓光纖)。
下面將參照附圖，結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)描述。
圖1所示的特種光纖是一種參量沿傳輸方向Z作周期性變化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
圖中1表示光纖截面;2表示纖芯;3表示螺旋線形狀的應(yīng)力作用體;4表示整條保圓光纖。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在任何一橫截面上都可確定其本地直角坐標(biāo)系(x，y);設(shè)x軸為穿過應(yīng)力作用區(qū)和纖芯的直線，則和此直線相垂直的直線為y軸。設(shè)本地模式為ax和ay，其傳播常數(shù)分別為βx和βy，則此二模式由于應(yīng)力作用區(qū)在Z方向沿一螺旋線繞動(dòng)而發(fā)生耦合。此耦合系數(shù)C正比于螺旋線的旋轉(zhuǎn)角速度τ，即c＝ξτ，比例常數(shù)ξ決定于光纖橫截面的幾何關(guān)系和折射率與應(yīng)力分布關(guān)系。設(shè)ax＝Axexp(-jβZ)，ay＝Ayexp(-jβZ)，β＝(βx+βy)/2，則本地模式的耦合方程組可以表示為dAx/dZ＝j(luò)(△β/2)Ax+cAy(1)dAy/dZ＝-cAx-j(△β/2)Ay(2)式中△β＝(βx-βy)/2＝2π/Lb，Lb為不旋拍波長;c＝ξ(2π/Ls)，Ls代表螺旋線的旋距。
以Wx和Wy代表超模式。超模式和本地模式之間有下列變換關(guān)系式Ax＝cosψWx+jsinψWy(3)Ay＝j(luò)sinψWx+cosψWy(4)式中ψ＝0.5arctg(2c/△β)。
超模式適合下列獨(dú)立方程dWx/dZ＝j(luò)gWx(5)dWy/dZ＝-jgWy(6)其解分別為Wx＝exp(jgZ)和Wy＝exp(-jgZ)，式中g(shù)＝〔(△β/2)2+C2〕1/2。
在C＞＞△β的條件下，ψ→45°。從(3)和(4)式可見，在本地坐標(biāo)系中，光在光纖中的傳輸既可視為二互相耦合的線偏振態(tài)本地模式，同時(shí)亦可視為二獨(dú)立(不耦合)的本地簡(jiǎn)正模式，它們分別為左旋和右旋圓偏振光，即
對(duì)于ψ≠45°的實(shí)際情況，所得到的本地簡(jiǎn)正模式解分別是左旋與右旋橢圓偏振光，方位分別在本地坐標(biāo)系的x和y軸上，橢圓度均為tgψ，ψ＜45°。
圖1所示特種光纖，在C＞＞△β條件下的圓雙折射等于2g=2Lb〔 1+4ξ2(Lb 2Lg)2〕1/2(9)]]>于是，此特種光纖具有保持圓偏振態(tài)的特性，其拍波長Λb可以表為Ab(圓)＝πLb(線) 〔1+4ξ2(Lb/Lg)2〕-12(10)]]>用本發(fā)明光纖可制作能保持圓偏振態(tài)的各種光纖元件和器件。作為舉例，圖3所示陀螺系統(tǒng)中的保持圓偏態(tài)的定向耦合器D即可利用本發(fā)明光纖制成。從工藝技術(shù)的角度看，保圓光纖元件器件要比現(xiàn)有的所謂“保偏光纖”(即保持線偏振態(tài)，或“保線”)光纖元件器件容易制造得多。這是因?yàn)椋瑢?duì)于保圓光纖元件器件，不要求主軸對(duì)準(zhǔn)。而保線光纖元件器件，則主軸對(duì)準(zhǔn)，特別是多根光纖加工部分的纖內(nèi)主軸對(duì)準(zhǔn)，恐怕是制造此種元件器件的最大難題。
本發(fā)明“保圓”光纖適用于要求偏振態(tài)穩(wěn)定的光纖網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個(gè)光纖元件器件的互連極大地得到簡(jiǎn)化。這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，不光是在工藝技術(shù)上省時(shí)省事的問題，而且有利于光纖系統(tǒng)的穩(wěn)定和正確工作。由現(xiàn)有所謂保偏光纖(即保持線偏振態(tài)的光纖)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如果某一接點(diǎn)兩邊保偏光纖主軸即使稍微錯(cuò)開了幾度，往往也會(huì)影響光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。作為保圓光纖系統(tǒng)之一例，圖3示用“保圓”光纖和元件器件構(gòu)成的全光纖陀螺結(jié)構(gòu)。
圖中S表示超輻射發(fā)光二極管光源(SLD);PPCo表示無源光纖偏振態(tài)控制變換器;C表示保圓定向耦合器;D表示檢測(cè)器;L表示匹配負(fù)載;Gyro表示陀螺環(huán);Ω表示陀螺環(huán)的角轉(zhuǎn)速。
該全光纖陀螺結(jié)構(gòu)使用一個(gè)無源偏振態(tài)控制變換器PPC。將光源S發(fā)射的線偏振光變換為圓偏振光。這在本發(fā)明人的中國專利申請(qǐng)92108559.1中已揭示。除此以外，圖3中所示的整個(gè)光路，包括陀螺環(huán)，全部都工作于圓偏振態(tài)。用“保線”光纖(即通常所謂的保偏光纖)繞制陀螺環(huán)，除非用貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)制的那種扁形保偏光纖，繞在陀螺環(huán)繞筒上的光纖其主軸方位很難做到處處排列整齊一致，而由于保線偏振態(tài)光纖主軸在繞筒上形成的無規(guī)排列，就使陀螺環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的Sagnac效應(yīng)有所減弱。用保圓光纖繞制陀螺環(huán)，則不存在這個(gè)缺點(diǎn)。至于用保圓光纖繞成的陀螺環(huán)其直徑能做成多小，則要看結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所用摻雜材料和工藝技術(shù)等條件而定，即由光纖圓雙折射能達(dá)到如何水平而定。保持線偏振態(tài)光纖已經(jīng)研究了約十五年，而保圓光纖則剛剛發(fā)明出來，因此，在現(xiàn)時(shí)，對(duì)兩種截然不同的光纖(保線光纖、保圓光纖)用于繞制陀螺環(huán)這一具體專門技術(shù)，要做出較全面的優(yōu)缺點(diǎn)權(quán)衡比較，為時(shí)稍早。在上述本發(fā)明人的中國專利申請(qǐng)(92108559.7)中，所揭示的無源偏振態(tài)自動(dòng)穩(wěn)定的全光纖陀螺，在現(xiàn)時(shí)，是一種采用圓偏振態(tài)和線偏振態(tài)混合的折衷性方案。除光纖陀螺外，保圓光纖用于各種干涉儀型光纖傳感器和其它要求有穩(wěn)定偏振態(tài)的光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，亦能發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)越性。
關(guān)于本發(fā)明保圓光纖是否適用于長距離光纖傳輸?shù)膯栴}，將主要取決于制造此種光纖之成本最后能降到如何程度，當(dāng)然也決定于保圓光纖和現(xiàn)有各種光纖在傳輸特性方面的優(yōu)缺點(diǎn)比較和權(quán)衡。至于應(yīng)用于光纖元件器件和要求穩(wěn)定偏振態(tài)的光纖系統(tǒng)，則本發(fā)明之保圓光纖無疑具有特別的吸引力，也許會(huì)在不少光纖應(yīng)用領(lǐng)域中引起帶有根本性質(zhì)的技術(shù)變革，即在不少光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中以圓偏振光取代線偏振光，亦即在不少系統(tǒng)中以保圓光纖取代現(xiàn)有的保偏光纖。
制造本發(fā)明的保圓光纖，可利用現(xiàn)成的常規(guī)設(shè)備和常規(guī)工藝，再加上本發(fā)明方法，比較容易操作實(shí)現(xiàn)。在常規(guī)的工藝方法中，重要的不外是“改良化學(xué)氣相沉積”(MCVD)法，和“應(yīng)力柱埋入預(yù)制棒”法或與后者類似的“粗管套細(xì)柱”法。
關(guān)鍵的工藝是制造預(yù)制棒，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中1表示光纖截面;2表示纖芯;3表示柱形應(yīng)力作用體;有了預(yù)制棒，則拉絲不成問題。用MCVD法制造保圓光纖預(yù)制棒，和用此法制造領(lǐng)結(jié)光纖預(yù)制棒，在工藝方法上基本相同。制造領(lǐng)結(jié)光纖預(yù)制棒主要有四道工序(沉積緩沖層等常規(guī)工序不算)，即沉積氧化硼(B2O3)、對(duì)燒腐蝕、第二次沉積氧化鍺(GeO2)和收棒。沉積B2O3工序中，裝在玻璃車床上的預(yù)制棒管以管軸為軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，管外兩邊對(duì)燒的兩個(gè)火頭沿管的長度方向來回運(yùn)行。腐蝕工序中，預(yù)制棒管停止轉(zhuǎn)動(dòng)而處于靜止?fàn)顟B(tài)，管中通以腐蝕性氣體(如氟)，兩個(gè)火頭沿靜止的棒管仍然來回運(yùn)行。制造本發(fā)明保圓光纖所用的預(yù)制棒，其工序與上述相同，只不過在第二道腐蝕工序上需要加以改進(jìn)。原因是，本發(fā)明要求預(yù)制棒中僅含一個(gè)應(yīng)力作用體，故在上述領(lǐng)結(jié)光纖的腐蝕工序之后，需將兩個(gè)火頭之中的一個(gè)熄滅，并將所剩的一個(gè)火頭相對(duì)于預(yù)制棒管的方位轉(zhuǎn)過90°(一般是火頭不動(dòng)，將預(yù)制棒管在玻璃車床上轉(zhuǎn)過90°)，然后繼續(xù)再一次進(jìn)行腐蝕(管不轉(zhuǎn)動(dòng)，管中通氟，單個(gè)火頭沿管長方向來回運(yùn)行)。在此工序完成后，和制造領(lǐng)結(jié)光纖的后兩道工序一樣，接著進(jìn)行第二次(GeO2)沉積和最后的收棒。所制成的此種預(yù)制棒不同于領(lǐng)結(jié)光纖預(yù)制棒之點(diǎn)僅在于它只含半個(gè)領(lǐng)結(jié)，或只含一個(gè)偏軸的應(yīng)力作用體。預(yù)制棒制成后，剩下的拉絲技術(shù)則比較簡(jiǎn)單。在常規(guī)拉絲塔上端裝一馬達(dá)，在拉絲過程中將預(yù)制棒加以旋轉(zhuǎn)即成。馬達(dá)的轉(zhuǎn)速是恒定的，技術(shù)要求不苛刻。
按上述MCVD法制成的圓雙折射預(yù)制棒以及拉絲后所成的保圓光纖，其應(yīng)力體截面均為扇形，或近于扇形，視工藝條件而定。圖1所示保圓光纖和圖2所示預(yù)制棒，其中應(yīng)力體的截面均簡(jiǎn)單繪為圓形。不言而喻，圖1和圖2是原理性示意圖，普遍適用于各種情況，不管應(yīng)力體截面是圓形，或是非圓形(例如此處所述的扇形)。
用“應(yīng)力柱埋入預(yù)制棒”法或“粗管套細(xì)柱”法制造本發(fā)明保圓光纖所用預(yù)制棒，和制造熊貓或類似熊貓光纖所用預(yù)制棒的所有工序基本相同，其區(qū)別在于預(yù)制棒(或預(yù)制管)中只需埋入(或套入)一根應(yīng)力柱體(一般為圓形截面)。拉絲的方法與熊貓光纖拉絲的不同之點(diǎn)在于邊拉絲邊旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒。
本專利申請(qǐng)揭示了所發(fā)明的特種保圓光纖及其制造方法。說明書中簡(jiǎn)述了本發(fā)明的典型應(yīng)用例。但圓偏振態(tài)光纖傳輸具有普遍的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用性。故基于本發(fā)明構(gòu)思而可顯而易見得到的推理和應(yīng)用，亦屬本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。
權(quán)利要求
1.一種能保持圓偏振態(tài)的光纖，其特征是，在已拉成的光纖內(nèi)部形成一條環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體，用以產(chǎn)生圓雙折射。
2.一種制備能保持圓偏振態(tài)的光纖(簡(jiǎn)稱“保圓”光纖)的方法，其特征是，所用預(yù)制棒含有一偏離中心軸線的應(yīng)力作用柱體，在光纖拉絲過程中，旋轉(zhuǎn)此預(yù)制棒即將應(yīng)力柱體拉成一螺旋線，從而制出所需的高圓雙折射特種光纖(即保圓光纖)。
3.按權(quán)利要求2所述制備保圓光纖的方法，其特征是，所用含一個(gè)偏軸應(yīng)力體的預(yù)制棒，是在“改良化學(xué)氣相沉積”(MCVD)法中利用氣相腐蝕技術(shù)將氧化硼(B2O3)沉積層，或能形成應(yīng)力體的它種材料的沉積層，加以腐蝕而制成。
4.按權(quán)利要求2所述制備保圓光纖的方法，其特征是，所用含一個(gè)偏軸應(yīng)力體的預(yù)制棒是用“應(yīng)力柱埋入法”，或用“粗管套細(xì)柱”法埋入或套入一根偏軸應(yīng)力體而制成。
5.一種能保持圓偏振態(tài)的光纖元件或器件，其特征是，上述的元件器件是由能保持圓偏振態(tài)的光纖構(gòu)成。
6.一種工作于圓偏振態(tài)的光纖系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全部或部分是使用能保持圓偏振態(tài)的光纖和能保持圓偏振態(tài)的光纖元件、器件和(或)組件構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明將揭示一種能保持圓偏振態(tài)的光纖，其保偏機(jī)制不同于已知的將光纖在“冷”狀態(tài)下硬行旋扭以產(chǎn)生光彈效應(yīng)的機(jī)制，而是在拉成的光纖內(nèi)部形成一條環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體，用以產(chǎn)生圓雙折射。此特種光纖甚易用成熟的光纖工藝設(shè)備和工藝方法制成，即所用預(yù)制棒含一根偏離中心軸線的應(yīng)力柱體，在“熱”拉絲中旋轉(zhuǎn)此預(yù)制棒而拉成上述的高圓雙折射光纖結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C03B37/018GK1085665SQ92108598
公開日1994年4月20日 申請(qǐng)日期1992年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月10日
發(fā)明者黃宏嘉 申請(qǐng)人:黃宏嘉