一种环形应力区-双折射保偏光纤及其制备方法与流程

本发明涉及一种环形双折射光纤，具体涉及一种环形应力区-双折射保偏光纤及其制备方法。
背景技术：
：光纤电流传感器是用Sagnac干涉法检测光波相位差,具有高灵敏度、稳定性好等特点的高档检测仪表，当前圆保偏光纤是制备此仪表的优选，现我国只有少许样品，国外进口，则价高于黄金，因巨大市场诱惑，许多厂家外购。低双折射光纤，代之圆保偏光纤制备光纤电流传感器，可是此光纤不抗干扰，电流传感器性能难以达标。中国专利CN102295407A公开了一种保偏光纤的制造方法，所述的保偏光纤为椭圆包层型保偏光纤，其横截面结构由外到里分别是外包层、应力作用区、内包层和芯层，其特征在于：应力作用区的形状为椭圆型，该保偏光纤的制作方法为拼片法。此应力作用区的形状为椭圆形，存在非圆对称应力区，应力区的椭圆度的存在使得其制作方法较为复杂。对比专利方法制成的薄片光纤，芯是椭圆形，该专利的剖面图芯呈圆形，而实际和应力区一样呈椭圆形，不符合做圆保偏光纤要求。中国专利CN10734852A公开了一种纺锤型保偏光纤预制棒，该预制棒从内到外包括纤芯、内包层、应力区和外包层，纤芯层圆形结构，内包层包裹在纤芯的外围，内包层外设置两对称的纺锤型应力区，应力区的外围为外包层，外包层含基管。由于应力区为纺锤型，制作过程中要进行蚀刻。此种光纤因刻蚀失去圆对称，芯不呈正圆形，无法用来制备圆保偏光纤。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抗干扰能力强、生产效率高、成本低的环形应力区-双折射保偏光纤及其制备方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种环形应力区-双折射保偏光纤，从内到外包括纤芯、内包层、应力区和外包层，所述的纤芯横截面呈圆形，内包层包裹在纤芯的外围，所述的应力区为截面呈圆环形的折射率匹配型或折射率非匹配型的环形应力区，包裹在内包层的外围，所述的外包层包在环形应力区的外围。所述的折射率非匹配型的环形应力区的材料为SiO2和B2O3的混合物，其中B2O3的含量为15～16wt％；所述的折射率匹配型的环形应力区的材料为SiO2、B2O3和GeO2的混合物，所述的混合物为在SiO2中掺入15～16wt％B2O3基础上，掺入GeO2，让其折射率与外包层SiO2的折射率持平。所述的环形应力区的厚度为纤芯直径的1.5-2.5倍。环形应力区若太薄则幅度应力小，太厚则会影响光纤强度。所述的纤芯中包括高磁化率的金属元素的氧化物，所述的高磁化率的金属元素的氧化物包括Tb2O3、Ce2O3或PbO等。所述的内包层的厚度为纤芯半径的2～3倍。一种环形应力区-双折射保偏光纤的制备方法，包括MCVD工艺制备有环形应力区的光纤预制棒和将预制棒拉制成光纤的过程，具体包括以下步骤：(1)沉积外包层：控制沉积温度1800～1900℃，反应过程中通入POCl3降低温度，在反应管内沉积SiO2、P2O5和F，其折射率控制与SiO2折射率近同；(2)沉积应力区：将折射率非匹配型或折射率匹配型的应力区材料沉积在步骤(1)得到的外包层的内表面，形成截面呈圆环的环形应力区；(3)沉积内包层：控制折射率呈匹配型，将内包层材料SiO2、P2O5和F同时沉积，沉积层折射率与SiO2折射率近同；(4)制备纤芯和缩棒：将预制的掺入高磁化率的金属氧化物的纤芯棒置入反应管中央或通过气相掺杂技术将高磁化率的金属元素的氧化物沉积在内包层的内侧形成纤芯，然后收缩成光纤预制棒；(5)拉制光纤：在1950-2100℃的温度下，控制光纤旋距4～6mm，光纤预制棒旋速800～2000转/分钟，拉丝速度3～12米/分钟进行拉丝，制得环形应力区-双折射保偏光纤。其中，掺入高磁化率的金属离子为Tb3+时，加入中间体Al2O3(5N)，可让稀土 离子在芯部均匀分布，防止产生“团簇”，导致光猝灭。与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明是在低双折射光纤内包层之外加一环形应力区，用以对纤芯产生辐射压应力，致纤芯密度加大(比重提高约0.88％，折射率增加△n＝1.5～2.0×10-3)，可有效遏制外界对极度敏感的低双折射(B＝1.0×10-8～10-9)光纤的微扰，从而提高此光纤的抗扰能力，让传输的偏振光，其偏振态得以保持。本发明的环形应力区，预先让纤芯加大密度(提高折射率)，降低光纤对外干扰的敏感性，用式：∑＝P/E(其中P为辐射应力)和(其中E为芯杨式模量；d为芯密度)表示，经实践，有明显效果，可成百倍的降低超低双折射光纤对微扰的敏感度，使之适用做电流传感器。与此同时，本发明在纤芯掺入了加大Verdet常数的金属离子铅(Pb2+)或稀土铽(Tb3+)铈(Ce3+)等，从而成倍的加大了光纤的法拉第效应，可减少光纤电流传感器的用纤长度，并提高测量的灵敏度，将让此低双折射光纤显示出很强的抗干扰能力和较大的Verdet常数，适合用于制备光纤电流传感器。环形应力区至纤芯的间距要合理设计，防止应力区折射率下凹，导致内包层与纤芯呈现多模传输，其原理同Bow-Tie、Panda等应力型高双折射保偏光纤一样用应力区辐射应力，增大纤芯密度，所不同的是用环形应力区，让纤芯均匀的沿周长方向增大密度，即可提高光纤的抗干扰能力，但不会产生快慢轴(不会产生高双折射)。经计算和实践证明，辐射应力致纤芯密度的改变，是温度变化(-50～+75℃)导致纤芯密度变化的100倍以上(是+75℃时干扰变量的320倍,-50℃时的215倍).让原低双折射光纤对干扰的抵抗力成百倍的提高。预制棒制作简单，结构均匀性好，易实现均匀双折射。应力区是MCVD工艺沉积而成，有极好的圆对称性。在旋转拉丝中，将光纤旋距控为4～6mm，拉速可达到12米/分钟，是光纤电流器制备的优选光纤之一。此光纤有防辐射设计，防辐射设计是指在光纤的外层涂层中，可变价金属元素的氧化物，在光纤的外包层中掺入可变价金属元素的氧化物和用于将外包层的折射率与SiO2持平，在纤芯中掺入主掺杂剂的同时掺入可变价金属元素的氧化物，从而形成三道抗辐射防线，所述的可变价金属元素包括Ce、Eu、Ti或Pb。本发明可为我国光纤电流传感器产业化提供廉价可用的新型光纤，即：光纤电流传感器专用-OCT光纤，带有环形应力区，芯掺有高Verdet值金属离子的低双折射光纤，可传输线或圆偏振光，有较强的抗扰能力，且制备成本较低，生产效率高， 更加实用。附图说明图1为本发明环形应力区-双折射保偏光纤的截面示意图；图中，1为纤芯，2为内包层，3为环形应力区，4为外包层。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1一种环形应力区-双折射保偏光纤的制备方法，具体包括以下步骤：(1)沉积外包层：控制沉积温度为1850℃和折射率匹配，在Φ30×2.5×500mm的反应管内，通入SiCl4(300mL/min)、POCl3(30mL/m)、CCl2F2(5mL/m)和O2(1800mL/min)反应生成SiO2、P2O5和硅氟化物；(2)沉积应力区：外包层沉积好以后，通入SiCl4(220mL/min)、BBr3(400mL/min)及O2(1800mL/min)，在1800℃的温度下反应生成SiO2和B2O3沉积在步骤(1)得到的外包层的内表面，形成截面呈圆环的环形应力区；(3)沉积内包层：控制折射率呈匹配型，通入SiCl4(300mL/min)、POCl3(40mL/min)、CCl2F2(5mL/min)和O2(1800mL/min)在1850℃的温度下的反应生成SiO2、P2O5和硅氟化物沉积在步骤(2)得到的环形应力区的内表面；(4)制备纤芯和缩棒：由于采用的是常规的MCVD系统，将预制的包括Ce2O3的纤芯置入反应管中央，然后在1900℃的温度下收缩成光纤预制棒；(5)拉制光纤：在2000℃的温度下下，控制光纤旋距5mm，光纤预制棒旋速1000转/分钟,拉丝速度9米/分钟进行拉丝，其预制棒转速，光纤旋距，拉速与预制棒结构的均一性直接相关，即要消除其各向异性，达到高度各向同性。最终制得环形应力区-双折射保偏光纤，如图1所示，从内到外包括纤芯1、内包层2、应力区3和外包层4，纤芯1横截面呈圆形，内包层2包裹在纤芯1的外围，应力区3为截面呈圆环形的折射率非匹配型的环形应力区，包裹在内包层2的外围，所述的外包层1包裹在环形应力区的外围，且内包层的厚度为纤芯直径的2.5倍，环形应力区的厚度为纤芯直径的2倍。光纤参数按表1要求检测并达标。表1参数项单位参数1截止波长λμm1100-1290mm2光纤直径μm125±13涂复外径μm245±54模场直径μm8.5±0.55损耗(特征)dB/km＜106保圆度％＞907光纤芯/包同心度差μm＜0.38纤芯直径μm8.0±0.59光纤长度m＞10010光纤强度Kpsi＞80实施例2本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(2)中同时通入的还有5mL/min的GeCl4，反应生成的产物为SiO2、B2O3和GeO2的混合物，折射率与外包层SiO2的折射率持平。实施例3本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例采用的MCVD工艺系统带有气相掺杂的专用设备，步骤(4)为将SiCl4(300mL/min)、GeCl4(30mL/min)和O2(1800mL/min)在1850℃的温度下反应生成SiO2和GeO2，沉积在内包层的内侧形成纤芯，然后1900℃的温度下收缩成光纤预制棒。实施例4本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(4)中将预制的包括Tb2O3的纤芯置入反应管中央，然后在1900℃的温度下收缩成光纤预制棒.实施例5本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(4)中将预制的包括Tb2O3和中间体Al2O3(5N)的纤芯置入反应管中央，然后在1900℃的温度下收缩成光纤预制棒。实施例6本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(4)中将预制的包括PbO 的纤芯置入反应管中央，然后在1900℃的温度下收缩成光纤预制棒。实施例7本实施与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例得到的光纤的内包层的厚度为纤芯直径的2倍，环形应力区的厚度为纤芯直径的1.5倍。实施例8本实施与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例得到的光纤的内包层的厚度为纤芯直径的3倍，环形应力区的厚度为纤芯直径的2.5倍。实施例9本实施与实施例1基本相同，不同之处在于步骤(5)中的拉制光纤是在1950℃的温度下下，控制光纤旋距4mm，光纤预制棒旋速800转/分钟,拉丝速度3米/分钟进行拉丝。实施例10本实施与实施例1基本相同，不同之处在于步骤(5)中的拉制光纤是在2100℃的温度下下，控制光纤旋距6mm，光纤预制棒旋速2000转/分钟,拉丝速度12米/分钟进行拉丝。当前第1页1 2 3