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，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。但在實際上存在有不可避免的各種擾動的條件下，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，卻是未獲實質(zhì)性進(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是在“冷”狀態(tài)下將光纖硬行旋扭，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，硬扭過頭會使光纖裂斷。由于這個固有的原因，除開少數(shù)特定情況，硬扭光纖未能見諸實用，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，硬扭光纖的一個附帶的實際問題，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)一步目的是提供對上述能保持圓偏振態(tài)的特種光纖的各種應(yīng)用。
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)部形成一條或一條以上環(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(簡稱“保圓”光纖)的方法，其特征是，所用預(yù)制棒含有一根或一根以上偏離中心軸線的應(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)力柱體拉成螺旋線，從而制出所需的高圓雙折射特種光纖(即保圓光纖)。


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)。
圖4(a)表示含兩根應(yīng)力作用體的預(yù)制棒的橫截面示意圖，此二應(yīng)力體與纖芯連線互相正交;圖4(b)示含四根應(yīng)力作用體的預(yù)制棒的橫截面示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述已在前項專利申請92108598.2中參照附圖給出。圖1中，數(shù)字符號1表示光纖截面，2表示纖芯，3表示應(yīng)力作用體，4表示整條保圓光纖。在預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)角速度足夠高的情況下，所拉成的光纖中的傳輸模式趨近于圓偏振模式。如預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)角速度不夠高，則為橢圓偏振模式。圓偏振模式的拍長依賴于旋轉(zhuǎn)角速度和光纖的拉絲線速度，即依賴于旋距。同時，此拍長亦依賴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。
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。這是因為，對于保圓光纖元件器件，不要求主軸對準(zhǔn)。而保線光纖元件器件，則主軸對準(zhǔn)，特別是多根光纖加工部分的纖內(nèi)主軸對準(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)點是使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個光纖元件器件的互連極大地得到簡化。這一獨(dú)特優(yōu)點，不光是在工藝技術(shù)上省時省事的問題，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)，如果某一接點兩邊保偏光纖主軸即使稍微錯開了幾度，往往也會影響光纖網(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);PPC。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92108559.1中已揭示。除此以外，圖3中所示的整個光路，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)，除非用貝爾實驗室創(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)動時所產(chǎn)生的Sagnac效應(yīng)有所減弱。用保圓光纖繞制陀螺環(huán)，則不存在這個缺點。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，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，對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)缺點權(quán)衡比較，為時稍早。在上述本發(fā)明人的中國專利申請(92108559.7)中，所揭示的無源偏振態(tài)自動穩(wěn)定的全光纖陀螺，在現(xiàn)時，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，管外兩邊對燒的兩個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)動而處于靜止?fàn)顟B(tài)，管中通以腐蝕性氣體(如氟)，兩個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，需將兩個火頭之中的一個熄滅，并將所剩的一個火頭相對于預(yù)制棒管的方位轉(zhuǎn)過90°(一般是火頭不動，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，管中通氟，單個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)制棒之點僅在于它只含半個領(lǐng)結(jié)，或只含一個偏軸的應(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。
接上述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)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在于邊拉絲邊旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒。
從既簡單而且又實用的角度出發(fā)，在本發(fā)明人的前項專利申請92108598.2說明書中已闡述了所發(fā)明的含一條螺旋形應(yīng)力體的保圓光纖及其制造方法，有關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1，2。基于本發(fā)明進(jìn)一步構(gòu)思，本發(fā)明之保圓光纖亦可含多條螺旋形應(yīng)力體，條件為，此多條螺旋形應(yīng)力體之幾何布置應(yīng)不引入線雙折射。圖4(a)，(b)分別示含兩條和四條螺旋形應(yīng)力體的光纖的預(yù)制棒橫截面簡圖，圖中符號意義同前。原理上，如符合上述條件，含更多條應(yīng)力體的保圓光纖亦屬可能，但其工藝相當(dāng)復(fù)雜。
本專利申請揭示了所發(fā)明的特種保圓光纖及其制造方法，并簡述了典型的應(yīng)用例。顯然，本發(fā)明申請書中所揭示的保圓光纖若干型式其基本構(gòu)思是統(tǒng)一的，由此構(gòu)思尚可加以推理演繹而形成某些不同的變化樣式。此類基于同一構(gòu)思的變化或修改樣式，不能視為獨(dú)立于本發(fā)明的新創(chuàng)造，而系本專業(yè)人員顯而易得之結(jié)果，故亦屬本發(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)部形成一條或一條以上環(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(簡稱“保圓”光纖)的方法，其特征是，所用預(yù)制棒含有一根或一根以上偏離中心軸線的應(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所述的制備保圓光纖的方法，其特征是，所用含一個或一個以上偏軸應(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，加以部分腐蝕而制成。
4.按權(quán)利要求2所述制備保圓光纖的方法，其特征是，所用含一個或一個以上偏軸應(yīng)力體的預(yù)制棒是用“應(yīng)用柱埋入法”，或用“粗管套細(xì)柱”法埋入或套入一根或一根以上偏軸應(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
本專利申請是前項申請92108598.2的繼續(xù)，構(gòu)思和原理以前項申請所揭示的內(nèi)容為依據(jù)，即在拉成光纖內(nèi)部因含形成環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體而產(chǎn)生圓雙折射，本專利申請所進(jìn)一步補(bǔ)充揭示的內(nèi)容是此種螺旋形應(yīng)力體不限于一條，而在不引入固有的線雙折射的條件下，可以是兩條或多條。
文檔編號C03B37/018GK1088894SQ9211382
公開日1994年7月6日 申請日期1992年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月26日
發(fā)明者黃宏嘉 申請人:黃宏嘉