专利名称：：一种熊猫型保偏光纤的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种在光纤制导和光纤传感领域使用的熊猫型保偏光纤，通过对保偏光纤的优化设计，能够使得其应用在高精度传感领域。
背景技术：
：光纤陀螺是利用光纤传感技术测量空间惯性转动率的一种新型传感器，目前已发展成为惯性
技术领域：
具有划时代特征的新型主流仪表，它与通常使用的机械陀螺和近年来开发的激光陀螺相比，具有更高的精度，且成本低，体积小，重量轻。光纤陀螺的应用前景十分广阔，它不仅用于飞机、船舶的导航，导弹制导，宇宙飞船的高精度位置控制，而且在民用上还可以应用于高级轿车的导向，以及机器人和自动化控制系统等。保偏光纤是光纤陀螺的传感核心，对保偏光纤的设计，主要是应力区域的结构设计及实现，现在使用最普遍的是熊猫应力型保偏光纤，其他的还有椭圆芯层型保偏光纤，椭圆包层型保偏光纤等结构。由于熊猫应力型保偏光纤的大量成熟使用，其他类型的保偏光纤已经越来越少使用。对于高精度传感来说，保偏光纤的性能需要对保偏光纤的设计进行优化，方能实现高精度传感的要求。一方面需要实现高的双折射性能，使得光纤能够保持更稳定的保偏性能，另外还需要光纤芯层的应力不能太大，否则将会影响保偏光纤在传感系统中的操作使用，而且对保偏光纤的抗弯曲性能也需要进行一定的优化，这对绕环使用的传感器的性能非常重要。对保偏光纤的设计已存在有不少相关的专利，具体分析如下美国专利US5482525，题目为MethodofProducingEllipticCoreTypePolarization-MaintainingOpticalFiber，其中描述的是一种椭圆芯型保偏光纤及其制造方法，该专利将保偏光纤的芯层设计和制备成椭圆形状来实现应力双折射，同时重点介绍了芯层的制造方法。椭圆芯层型保偏光纤由于其在接续上的困难，在传感系统中使用的难度增大，不易与其他类型的常规光纤进行接续。因此这篇专利所描述的保偏光纤类型不适合于在高精度传感领域使用。美国专利US7110647，题目为MultimodePolarizationMaintainingDoubleCladFiber，其中主要描述了一种多模保偏光纤，使用在激光领域，强调的是保偏光纤的光学参数，例如模场直径、数值孔径、使用波长等参数。同时光纤采用双包层结构，塑料包层结构增大了内包层的数值孔径，使得内包层可以作为多模光纤进行激光的传输。这种结构对保偏光纤的双折射稳定性和精度没有做详细的描述。美国专利US7177512，题目为SolidTypePolarizationMaintainingFiberandApparatus，这篇专利描述了一种新型芯层设计的保偏光纤，椭圆芯层保偏光纤，针对光纤芯层的设计，提出了长、短轴的直径比例，折射率变化值，并对保偏光纤的拍长进行了设计。同时提出了一种研制这种光纤的工艺，采用侧边预制棒凹槽磨削的办法进行预制棒的加工，得到椭圆芯型结构。这种光纤使用在特定领域，而且其芯层为椭圆结构，会对其兼容性有影响。中国专利CN1379256，题目为偏振保持光纤及偏振保持光纤预成型件的生产方法，其中描述的内容为熊猫型保偏光纤的打孔工艺，以及保证高精度打孔精度的方法和重要。主要是对工艺技术和参数进行专利申请，对光纤的设计涉及的内容很少。现有的熊猫型保偏光纤的光纤结构如图1所示。在光纤芯层两侧，对称分布着应力区，其余部分为石英包层。通过应力区面积的增大和应力区掺杂量的增大能够增大保偏光纤的双折射性能。然而，应力区面积的增大，会导致保偏光纤机械性能的下降，同时会降低保偏光纤的温度稳定性和端面打磨一致性；同时应力区面积的增大和应力区掺杂量的增大，将会给应力棒的制造带来较大的工艺难度，降低应力棒的制造成品率。
发明内容本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种结构设计优化，可满足高精度性能要求，同时又便于制作及工艺实施的熊猫型保偏光纤。本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为包括有芯层和纯石英包层，在纯石英包层中芯层的两侧对称设置应力区，其不同之处在于在所述的芯层外设置下陷内包层，缩小应力区与芯层边界的间距，使得应力区边界与芯层边界之间的间距d保持37μm。按上述方案，所述的下陷内包层的厚度为518μπι，且下陷内包层相对于纯石英层的相对折射率差为-0.1%-1%。按上述方案，所述的应力区朝向芯层的边界位于下陷内包层内，即应力区一侧与下陷内包层存在相重叠区域。按上述方案，所述的下陷内包层采用粘度掺杂匹配，掺杂元素组分可以为纯掺氟，氟元素的掺杂比例为0.lmol%5mol%；也可以采用锗氟共掺来实现，其中锗元素的掺杂比例为0.Imol10mol%，氟元素的掺杂比例为0.ImolIOmol%0即在不改变相对折射率差的情况下，通过调节掺杂元素的比例来进行应力的改变。按上述方案，所述的下陷内包层与芯层的界面为应力梯度渐变掺杂界面。本发明的光纤预制棒制备过程中两个对称应力区先进行机械打孔，然后将制备好的应力棒插入在芯层两侧以机械方法加工得到的两个对称的孔中，实现应力结构。本发明的有益效果在于1、通过将应力区与光纤芯层的距离减小，增大应力区对光纤芯层的应力作用效果，提高熊猫型保偏光纤的双折射性能，可以满足高精度陀螺的性能要求；2、通过下陷内包层的引入，可以在保持光纤光学性能(特别是模场直径与截止波长)的情况下，降低光纤芯层的掺杂量，减小光纤芯层的本征应力，减少预制棒包层传导到芯层的应力，从而在不增加工艺制备的难度的情况下有效降低在应力区打孔过程中预制棒芯层炸裂的几率；3、下陷内包层采用粘度掺杂匹配的设计，增强下陷内包层在机械打孔过程中对机械应力的承受和缓解能力，进一步降低应力区打孔过程中预制棒芯层所受到的外界机械应力导致炸裂的几率；而下陷内包层与芯层的界面采用应力梯度渐变掺杂分布如图4所示，也可进一步减小芯层界面的应力集中程度；4、应力区一侧与下陷内包层存在相重叠区域，可避免应力区所打孔在下陷内包层的边界过渡面上，防止机械应力在边界本征应力集中点上产生作用。图1为现有一般熊猫型保偏光纤波导结构示意图。图2为现有一般熊猫型保偏光纤折射率分布示意图。图3为本发明一个实施例的光纤波导结构示意图。图4为本发明一个实施例的光纤折射率分布示意图。图5为本发明一个实施例中不包含应力区的折射率分布示意图。具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进一步描述。实施例1采用如图3和图4所示的光纤折射率分布设计和光纤几何设计，制备熊猫型保偏光纤，包括有芯层101和纯石英包层104，在芯层外设置下陷内包层103，在纯石英包层中芯层的两侧对称设置应力区102；光纤芯层直径a、光纤芯层的相对折射率差这两个参数保持与普通结构熊猫型保偏光纤一致，通过设置下陷内包层和调节如下参数来进行光纤预制棒的应力结构优化与光纤双折射性能的优化(1)下陷内包层厚度b;(2)下陷内包层相对于纯石英包层的相对折射率差值Δ；(3)应力区边界与芯层边界的间距d；(4)应力区的直径C;(5)应力区相对纯石英包层的相对折射率差值e(这个参数只作为应力大小的参考，考虑到不同掺杂成分，可以在不改变相对折射率差的情况下，通过调节掺杂元素的比例来进行应力的改变)。采用改进的等离子体气相沉积工艺进行光纤芯层和下陷内包层的制备，芯层和下陷内包层沉积制备完之后，将预制棒打孔得到打孔芯棒，将制备好的应力棒插入打孔芯棒拉丝制得熊猫型保偏光纤。所采用的参数下陷内包层厚度b为ΙΟμπι，下陷内包层相对于纯石英层的相对折射率差值Δ为-0.1%；应力区直径c为35μm;应力区边界与芯层边界的间距d为5μm；应力区相对纯石英包层的相对折射率差值e为0.8%。采用以上参数和制备工艺制备出的熊猫型保偏光纤的主要双折射性能如下偏振串音为-32.8dB/km,1550nm工作波长的拍长为2.185mm。实施例2-8:采用实施例1所描述的制备工艺，通过改变光纤结构参数，制得如下7种实施例保偏光纤产品，其光纤结构参数与光纤双折射性能表如下b值Id值I^H~~Δ值Ikm光纤在1550nm1550nm工作~参数和性能(Pm)(um)(um)(%)(%)工作波长偏振串音波长拍长测测试值(dB)试值(mm)实施例110355081Ol-32.82.185实施例28304075^02-31.6225<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>权利要求一种熊猫型保偏光纤，包括有芯层和纯石英包层，在纯石英包层中芯层的两侧对称设置应力区，其特征在于在所述的芯层外设置下陷内包层，缩小应力区与芯层边界的间距，使得应力区边界与芯层边界之间的间距d保持3～7μm。2.按权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于所述的下陷内包层的厚度为518μm，且下陷内包层相对于纯石英层的相对折射率差为-0.-1%。3.按权利要求2所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于所述的应力区朝向芯层的边界位于下陷内包层内，即应力区一侧与下陷内包层存在相重叠区域。4.按权利要求2和3所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于所述的下陷内包层采用粘度掺杂匹配，即在不改变相对折射率差的情况下，通过调节掺杂元素的比例来进行应力的改变。5.按权利要求2和3所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于所述的下陷内包层与芯层的界面为应力梯度渐变掺杂界面。6.按权利要求2和3所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于所述的应力区的直径c为2535μm。7.按权利要求6所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于所述的应力区相对折射率差值e为0.5%0.8%。8.按权利要求4所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于掺杂元素组分为纯掺氟，氟元素的掺杂比例为0.lmol%5mol%；或用锗氟共掺，其中锗元素的掺杂比例为0.lmol%IOmol%，氟元素的掺杂比例为0.Imol%1Omol%。全文摘要本发明涉及一种在光纤制导和光纤传感领域使用的熊猫型保偏光纤，包括有芯层和纯石英包层，在纯石英包层中芯层的两侧对称设置应力区，其特征在于在芯层外设置下陷内包层，缩小应力区与芯层边界的间距，使得应力区边界与芯层边界之间的间距d保持3～7μm。本发明提高熊猫型保偏光纤的双折射性能，可以满足高精度陀螺的性能要求；下陷内包层的引入，可在不增加工艺制备的难度的情况下有效降低在应力区打孔过程中预制棒芯层炸裂的几率；下陷内包层采用粘度掺杂匹配的设计，进一步降低应力区打孔过程中预制棒芯层所受到的外界机械应力导致炸裂的几率；而应力区一侧与下陷内包层存在相重叠区域，可防止机械应力在边界本征应力集中点上产生作用。文档编号G02B6/024GK101825738SQ201010184969公开日2010年9月8日申请日期2010年5月21日优先权日2010年5月21日发明者汪松,涂峰,童维军,魏红波申请人:长飞光纤光缆有限公司