專利名稱：便于繞制的熊貓型保偏光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保偏光纖，具體地指一種便于繞制的熊貓型保偏光纖及其制造方法， 適用于保偏光纖器件制造。
背景技術(shù)：
保偏光纖是特種光纖的一類。保偏光纖，即偏振保持光纖，是具有保持所傳輸光線的線偏振方向的一類光纖。保偏光纖可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如復(fù)用相干通信、光纖陀螺儀、光纖水聽器、偏振傳感等，是一種具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的特種光纖類型。在普通通信光纖中，由于其圓對稱性結(jié)構(gòu)，入射的線偏振光在經(jīng)過一定距離的傳輸后，由于不同偏振模式的耦合，能量交換，會(huì)成為橢圓或圓偏振光而無法保持線偏振態(tài)。 而當(dāng)一線偏振光被耦合進(jìn)入保偏光纖時(shí)，如果線偏振光的偏振方向和保偏光纖的偏振主軸重合，則線偏振光可以在傳輸過程中保持其線偏振方向直至離開保偏光纖，即保偏光纖的雙折射現(xiàn)象。引起光纖雙折射現(xiàn)象的原因很多，各種幾何和應(yīng)力的不均勻性均會(huì)引入雙折射。相應(yīng)地，保偏光纖產(chǎn)品也包括幾何雙折射和應(yīng)力雙折射保偏光纖。幾何雙折射保偏光纖的實(shí)例是橢圓芯子保偏光纖，這種保偏光纖的纖芯是橢圓形的，利用這種幾何的不對稱性產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。應(yīng)力雙折射保偏光纖主要有蝶結(jié)型保偏光纖、熊貓型保偏光纖和橢圓包層型保偏光纖三種。這類光纖的特點(diǎn)是在光纖的包層中引入具有高膨脹系數(shù)的應(yīng)力區(qū)擠壓纖芯產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。上述應(yīng)力雙折射保偏光纖中，熊貓型保偏光纖應(yīng)用得最為廣泛，其結(jié)構(gòu)包括纖芯、 應(yīng)力區(qū)和包層部分，其中纖芯位于包層的中心部分，而兩個(gè)圓柱狀的應(yīng)力區(qū)分布在纖芯的兩側(cè)。纖芯一般為鍺氟共摻雜的石英玻璃、應(yīng)力區(qū)一般為硼摻雜的石英玻璃、而包層一般為純石英玻璃材料。由于硼石英具有比純石英更大的熱膨脹性能，所以應(yīng)力區(qū)能夠產(chǎn)生壓應(yīng)力作用于纖芯部分，從而產(chǎn)生所謂的應(yīng)力雙折射使得保偏光纖具有線偏振保持性能。當(dāng)前一般使用的熊貓型保偏光纖的橫截面為圓形結(jié)構(gòu)，即光纖的纖芯和包層均為旋轉(zhuǎn)對稱圓形波導(dǎo)。這種圓形波導(dǎo)由于和普通的通信光纖結(jié)構(gòu)相似，因此在使用中易于和普通通信光纖產(chǎn)品接續(xù)兼容，在實(shí)際中被廣泛使用。但使用圓形結(jié)構(gòu)的保偏光纖，在某些應(yīng)用環(huán)境下，也會(huì)帶來技術(shù)問題，如在保偏光纖環(huán)的繞制過程中，若被纏繞光纖發(fā)生扭轉(zhuǎn)，會(huì)由于地磁所引發(fā)的法拉第效應(yīng)而給光纖陀螺帶來零偏誤差。由于圓形光纖的旋轉(zhuǎn)對稱性， 無法分辨和消除光纖的扭轉(zhuǎn)，從而降低了光纖環(huán)的品質(zhì)，在高精度光纖環(huán)的繞制過程中，這一問題尤其嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種便于繞制的熊貓型保偏光纖及其制造方法，能夠適用于高精度光纖陀螺等光學(xué)器件。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種便于繞制的熊貓型保偏光纖，包括纖芯、 應(yīng)力區(qū)和包層，其特別之處在于在光纖的橫截面上，所述包層呈由優(yōu)弧和弦構(gòu)成的D形；所述纖芯位于包層的優(yōu)弧所在圓的中心；兩個(gè)圓形應(yīng)力區(qū)對稱分布在纖芯兩側(cè)，所述包層的弦與兩個(gè)應(yīng)力區(qū)圓心的連線平行。上述技術(shù)方案中，在光纖的橫截面上，所述弦與纖芯中心的距離L滿足r < L
<R，r為應(yīng)力區(qū)半徑，R為包層的優(yōu)弧半徑。進(jìn)一步地，在光纖的橫截面上，所述弦與纖芯中心的距離L滿足(R+3r)/4 < L
<(3R+r)/4，r為應(yīng)力區(qū)半徑，R為包層的優(yōu)弧半徑。本發(fā)明提供的一種上述便于繞制的熊貓型保偏光纖的制造方法，包括光纖預(yù)制棒的制作和對光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲的操作，其特別之處在于，所述光纖預(yù)制棒的制作步驟為1)采用常規(guī)工藝制作圓形熊貓型保偏光纖預(yù)制棒，常規(guī)圓形熊貓型保偏光纖預(yù)制棒包括圓柱狀的預(yù)制棒包層、位于預(yù)制棒包層中心的芯棒和對稱分布在芯棒兩側(cè)的圓柱狀應(yīng)力棒；2)對步驟1)制作的圓形熊貓型保偏光纖預(yù)制棒的預(yù)制棒包層進(jìn)行磨削，形成預(yù)制棒平面，使得在磨削后的光纖預(yù)制棒的橫截面上，預(yù)制棒包層呈由優(yōu)弧和弦構(gòu)成的D形， 且弦與兩個(gè)應(yīng)力棒圓心的連線平行。上述技術(shù)方案的所述步驟2、中，在光纖預(yù)制棒的橫截面上，所述弦與芯棒中心的距離L’滿足r，< L’ < R’，r’為應(yīng)力棒半徑，R’為預(yù)制棒包層的優(yōu)弧半徑。進(jìn)一步地，所述步驟2)中，在光纖預(yù)制棒的橫截面上，所述弦與芯棒中心的距離 L’滿足(R’ +3r' )/4 < L’ < (3R’ +r' )/4, r'為應(yīng)力棒半徑，R’為預(yù)制棒包層的優(yōu)弧半徑。上述技術(shù)方案中，所述對光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲的步驟中，拉絲速度大于或等于 100m/mino本發(fā)明的有益效果在于1、適合于繞制高精度光纖陀螺用保偏光纖環(huán)。高精度光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性要求小于0.001度/小時(shí)。在這種零偏穩(wěn)定性要求下，保偏光纖的法拉第效應(yīng)會(huì)對其產(chǎn)生顯著的影響，并因而降低光纖陀螺的穩(wěn)定性。因此高精度保偏光纖環(huán)的繞制過程中必須控制光纖的扭轉(zhuǎn)，即要求無扭轉(zhuǎn)繞制光纖。由于圓形結(jié)構(gòu)的保偏光纖無法分辨光纖的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此就無法控制光纖的扭轉(zhuǎn)。使用本發(fā)明的D形保偏光纖，由于其結(jié)構(gòu)的非旋轉(zhuǎn)對稱性，可以通過識別其光纖平面方向的變化來辨別光纖是否存在扭轉(zhuǎn)，因此可以在光纖繞制過程中識別并控制光纖的扭轉(zhuǎn)問題。這樣，使用本發(fā)明的D形保偏光纖，可以保持光纖在繞制過程中不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，以適應(yīng)高精度光纖陀螺的應(yīng)用需求。2、適合于研制高指標(biāo)的保偏光纖耦合器。使用普通保偏光纖制造耦合器時(shí)，存在幾個(gè)問題一是為了使兩根光纖的傳導(dǎo)模式充分發(fā)生耦合，兩根光纖需要在高溫下被拉長拉細(xì)，因此所制造的耦合器的可靠性較差，容易發(fā)生斷裂；二是由于光纖被拉伸的較長，所制備的耦合器的幾何尺寸較大，小型化困難。使用本發(fā)明的D形保偏光纖制造保偏光纖耦合器，由于其光纖平面距離纖芯較近，因此光纖只需稍微拉伸，兩根光纖的導(dǎo)模就會(huì)發(fā)生耦合，這樣，所制備的保偏光纖耦合器由于對原有光纖的損害較小，因此器件的可靠性大為增加，同時(shí)由于光纖拉伸較少，可以制造小型化的保偏光纖耦合器，這對于小型化光纖系統(tǒng)的研制具有重要的意義。
3、可以增加保偏光纖耦合的速度，提高器件制造效率。使用本發(fā)明的D形保偏光纖對位保偏器件的尾纖，如高消光比波導(dǎo)調(diào)制器的尾纖時(shí)，由于其光纖平面方向即為保偏光纖的慢軸方向，因此在尾纖方向的調(diào)整過程中，可以很快達(dá)到消光比指標(biāo)要求，加快尾纖角度調(diào)整的速度，并進(jìn)而提高D形保偏光纖尾纖型器件的生產(chǎn)效率。


圖1為現(xiàn)有熊貓型保偏光纖的立體示意圖；圖2為本發(fā)明一種便于繞制的熊貓型保偏光纖的立體示意圖；圖3為圖2所示保偏光纖的預(yù)制棒結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為由圖2所示保偏光纖繞制的光纖環(huán)的剖面圖；圖5為由圖2所示保偏光纖制造的光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1-包層，2-應(yīng)力區(qū)，3-纖芯，4-預(yù)制棒(其中4. 1-預(yù)制棒包層，4. 2-應(yīng)力棒，4. 3-芯棒)，5-預(yù)制棒平面，6-便于繞制的熊貓型保偏光纖，7-光纖環(huán)骨架，8-光纖平面，a-熔融拉錐區(qū)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述圖1為現(xiàn)有熊貓型保偏光纖的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要包括圓柱狀包層1、位于包層1 中心的纖芯3和對稱分布在纖芯3兩側(cè)的圓柱狀應(yīng)力區(qū)2。圖2即為本發(fā)明的一種便于繞制的熊貓型保偏光纖6，與現(xiàn)有熊貓型保偏光纖不同，在光纖的橫截面上，其包層1呈由優(yōu)弧和弦構(gòu)成的D形，且弦與兩個(gè)應(yīng)力區(qū)2圓心的連線平行。為確保應(yīng)力區(qū)2的正常設(shè)置，弦與纖芯3中心的距離L滿足r < L < R，優(yōu)選 (R+3r)/4<L< (3R+r)/4，其中r為應(yīng)力區(qū)2半徑，R為包層1的優(yōu)弧半徑。相應(yīng)的，在整根光纖的包層1上，存在一個(gè)光纖平面8。圖3為本發(fā)明便于繞制的熊貓型保偏光纖6的預(yù)制棒4示意圖，它包括橫截面呈D 形的預(yù)制棒包層4. 1、兩根圓柱狀應(yīng)力棒4. 2以及芯棒4. 3。該圖還示意出了本發(fā)明的光纖制造方法，即用常規(guī)工藝制作現(xiàn)有圓形熊貓型保偏光纖預(yù)制棒后，對其預(yù)制棒包層4. 1進(jìn)行磨削，形成預(yù)制棒平面5，使得在磨削后的光纖預(yù)制棒4的橫截面上，預(yù)制棒包層4. 1呈由優(yōu)弧和弦構(gòu)成的D形，且弦與兩個(gè)應(yīng)力棒4. 2圓心的連線平行。為確保應(yīng)力棒4. 2的正常設(shè)置，弦與芯棒4. 3中心的距離L，滿足r，< L，< R，，優(yōu)選(R，+3r，)/4 < L，< (3R，+r，)/4， 其中r’為應(yīng)力棒4. 2半徑，R’為預(yù)制棒包層4. 1的優(yōu)弧半徑。預(yù)制棒4制作完成后，上拉絲塔拉絲，即可得到本發(fā)明的便于繞制的熊貓型保偏光纖6。拉絲的速度要求不低于IOOm/ min,以減少預(yù)制棒4熔融部分在拉絲爐中的時(shí)間，有助于拉絲后光纖形狀保持預(yù)制棒4的 D形結(jié)構(gòu)。拉絲后的保偏光纖使用雙層涂覆，由于涂覆材料在涂覆模具中溫度大于50°C，粘度很低，因此涂覆后光纖的結(jié)構(gòu)仍可以保持D形。圖4示意出了用本發(fā)明的便于繞制的熊貓型保偏光纖6，繞制在光纖環(huán)骨架7上形成的光纖環(huán)?？梢钥闯?，由于本發(fā)明的D形保偏光纖具有一個(gè)作為基準(zhǔn)的光纖平面8，所以在繞制時(shí)可以保持光纖的該平面位于同一個(gè)方向，因而能夠控制繞制過程中光纖的扭轉(zhuǎn)， 使得被繞制光纖從頭到尾保持一個(gè)方向，即無扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。這種無扭轉(zhuǎn)繞制的保偏光纖環(huán)，對于高精度陀螺的使用具有重要意義。圖5為本發(fā)明的便于繞制的熊貓型保偏光纖6制備的光纖耦合器，其中a是光纖耦合器的熔融拉錐區(qū)?？梢钥闯?，該耦合器通過兩個(gè)本發(fā)明的D形保偏光纖的光纖平面8接觸，即可以很好的保證耦合器波導(dǎo)的偏振一致性；同時(shí)由于本發(fā)明的D形保偏光纖的纖芯3 部分較為靠近，因此其熔融拉錐區(qū)a可以保持較短，一般小于3cm。這有利于制造小型化、高串音的保偏光纖耦合器。本發(fā)明的具體實(shí)施例如下實(shí)施例1 表1
光纖參數(shù)測試結(jié)果實(shí)施例1 -1實(shí)施例1 -2實(shí)施例1 -3實(shí)施例1 -4包層直徑/μηι125125125125應(yīng)力區(qū)貞徑/μηι40404040光纖平面到纖芯中心的距離/μ 45363225工作波長/nm1310131013101310拍 L<:/mm2.32.42.52.8串音/dB (1000m光纖測試)-31-30-30-28IOOOm光纖環(huán)串音/dB-24-22-20一光纖耦合器串音/dB一一一-28四根包層1直徑(包層1直徑即本發(fā)明的D形保偏光纖橫截面上，優(yōu)弧部分?jǐn)M合圓的直徑)為125 μ m的本發(fā)明保偏光纖被制造，光纖平面8與纖芯3中心的距離有所不同，其中實(shí)施例1-4是一根專為保偏光纖耦合器制造的D形保偏光纖，其拍長較大。由IOOOm光纖的串音測試結(jié)果可以看到，本發(fā)明的D形保偏光纖的串音結(jié)果比圓形包層熊貓型保偏光纖的串音(一般低于-30dB)略差，但均能滿足光纖陀螺或者光纖耦合器的使用要求。IOOOm 長度的實(shí)施例1-1、1_2、1-3光纖被使用四極對稱繞法繞制成直徑為IOOmm的光纖環(huán)，其常溫串音均可以達(dá)到_20dB或更小，能夠滿足高精度光纖陀螺的要求。另外，使用實(shí)施例1-4 光纖試制了保偏光纖耦合器，其串音達(dá)到48dB，優(yōu)于普通保偏光纖耦合器-20dB左右的串音性能，可以用于高精度光纖陀螺的研制?？傊?，四根1310nm工作波長的D形保偏光纖研制結(jié)果表明，本發(fā)明的D形保偏光纖完全滿足高精度光纖陀螺的使用要求，同時(shí)在光纖環(huán)的繞制和保偏光纖耦合器的制造上性能穩(wěn)定，具有更高的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能。實(shí)施例2 表 2
權(quán)利要求
1.一種便于繞制的熊貓型保偏光纖，包括纖芯(3)、應(yīng)力區(qū)( 和包層(1)，其特征在于在光纖的橫截面上，所述包層(1)呈由優(yōu)弧和弦構(gòu)成的D形；所述纖芯(3)位于包層(1) 的優(yōu)弧所在圓的中心；兩個(gè)圓形應(yīng)力區(qū)( 對稱分布在纖芯C3)兩側(cè)，所述包層(1)的弦與兩個(gè)應(yīng)力區(qū)(2)圓心的連線平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便于繞制的熊貓型保偏光纖，其特征在于在光纖的橫截面上，所述弦與纖芯(3)中心的距離L滿足r<L<R，r為應(yīng)力區(qū)(2)半徑，R為包層(1)的優(yōu)弧半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便于繞制的熊貓型保偏光纖，其特征在于在光纖的橫截面上，所述弦與纖芯(3)中心的距離L滿足(R+3r)/4<L< (3R+r)/4，r為應(yīng)力區(qū)(2)半徑， R為包層(1)的優(yōu)弧半徑。
4.一種便于繞制的熊貓型保偏光纖的制造方法，包括光纖預(yù)制棒的制作和對光纖預(yù)制棒(4)進(jìn)行拉絲的操作，其特征在于，所述光纖預(yù)制棒的制作步驟為1)采用常規(guī)工藝制作圓形熊貓型保偏光纖預(yù)制棒，常規(guī)圓形熊貓型保偏光纖預(yù)制棒包括圓柱狀的預(yù)制棒包層(4. 1)、位于預(yù)制棒包層(4. 1)中心的芯棒(4. 3)和對稱分布在芯棒 (4. 3)兩側(cè)的圓柱狀應(yīng)力棒(4. 2)；2)對步驟1)制作的圓形熊貓型保偏光纖預(yù)制棒的預(yù)制棒包層(4.1)進(jìn)行磨削，形成預(yù)制棒平面(5)，使得在磨削后的光纖預(yù)制棒的橫截面上，預(yù)制棒包層(4. 1)呈由優(yōu)弧和弦構(gòu)成的D形，且弦與兩個(gè)應(yīng)力棒(4.2)圓心的連線平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的便于繞制的熊貓型保偏光纖的制造方法，其特征在于，所述步驟2)中，在光纖預(yù)制棒的橫截面上，所述弦與芯棒(4.3)中心的距離L’滿足r’ < L’ < R’，r’為應(yīng)力棒(4. 2)半徑，R’為預(yù)制棒包層(4. 1)的優(yōu)弧半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的便于繞制的熊貓型保偏光纖的制造方法，其特征在于，所述步驟2)中，在光纖預(yù)制棒的橫截面上，所述弦與芯棒(4.3)中心的距離L’滿足 (R，+3r，)/4 < L，< (3R，+r' )/4, r'為應(yīng)力棒(4. 2)半徑，R，為預(yù)制棒包層(4. 1)的優(yōu)弧半徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一權(quán)利要求所述的便于繞制的熊貓型保偏光纖的制造方法，其特征在于所述對光纖預(yù)制棒(4)進(jìn)行拉絲的步驟中，拉絲速度大于或等于IOOm/ min0
全文摘要
一種便于繞制的熊貓型保偏光纖，包括纖芯、應(yīng)力區(qū)和包層，在光纖的橫截面上，包層呈由優(yōu)弧和弦構(gòu)成的D形；纖芯位于包層的優(yōu)弧所在圓的中心；兩個(gè)圓形應(yīng)力區(qū)對稱分布在纖芯兩側(cè)，包層的弦與兩個(gè)應(yīng)力區(qū)圓心的連線平行。上述保偏光纖的制造方法，包括光纖預(yù)制棒的制作和對光纖預(yù)制棒進(jìn)行拉絲的操作，其中光纖預(yù)制棒的制作步驟為1)采用常規(guī)工藝制作圓形熊貓型保偏光纖預(yù)制棒，它包括圓柱狀的預(yù)制棒包層、位于預(yù)制棒包層中心的芯棒和對稱分布在芯棒兩側(cè)的圓柱狀應(yīng)力棒；2)對步驟1)制作的預(yù)制棒的預(yù)制棒包層進(jìn)行磨削形成預(yù)制棒平面，使得在磨削后的光纖預(yù)制棒的橫截面上，預(yù)制棒包層呈由優(yōu)弧和弦構(gòu)成的D形，且弦與兩個(gè)應(yīng)力棒圓心的連線平行。
文檔編號G02B6/024GK102213790SQ201110185869
公開日2011年10月12日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者汪洪海, 皮亞斌 申請人:武漢長盈通光電技術(shù)有限公司