一种细径保偏光纤的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及特种光纤领域，具体涉及一种细径保偏光纤。
【背景技术】
[0002] PMF(PolarizationMaintainingOpticalFiber，偏振保持光纤，简称保偏光纤） 是一种在实现光的单模传输特性的同时保持其线偏振状态的特种光纤。由于PMF具有应力 双折射效应，因此PMF能够在传输线偏振光时良好地保持偏振态。PMF的线偏振保持能力在 许多与偏振相关的应用领域具有使用价值（例如多维复用相干通信、光纤陀螺技术、电流 互感技术、光纤水听器和偏振传感等）。
[0003]PMF在光纤陀螺中使用时，将PMF绕制为光纤环进行应用。光纤环是光纤陀螺中的 核心部件，光纤环的性能直接决定光纤陀螺的性能表现，光纤环中光纤的长度决定光纤陀 螺的精度，光纤自身性能决定光纤环圈环境适应性的关键，进而决定了光纤陀螺的环境适 应性表现。采用PMF的光纤陀螺与一般通信用光纤的使用环境和过程均不一样，采用PMF 的光纤陀螺重点在于关注光纤的力学、光学偏振和环境适应性等性能指标（主要包括常温 串音、全温串音、常温损耗、全温附加损耗变化、模场直径、拍长、张力筛选、包层直径、涂敷 直径等）。
[0004] PMF的类别主要包括几何双折射保偏光纤和应力双折射保偏光纤。几何双折射保 偏光纤主要为椭圆纤芯保偏光纤，几何双折射保偏光纤使用时，利用纤芯的几何不对称来 实现双折射效应控制光的线偏振态。应力双折射保偏光纤主要包括领结型保偏光纤、椭圆 包层型保偏光纤和熊猫型保偏光纤；双折射保偏光纤使用时，通过在光纤的包层引入和包 层材料膨胀系数相差巨大的材料形成应力区，通过应力来压缩纤芯传输的光的模场实现双 折射效应，以保持光的线偏振特性。
[0005] 自熊猫型保偏光纤成功推出以来，受到光纤陀螺的技术需求的推动，自熊猫 型保偏光纤的包层直径/涂层直径的演变过程为：200ym/400ym、125ym/245ym、 80ym/165ym。自熊猫型保偏光纤的包层直径在80ym时，其涂层直径最小达到165ym 左右，与125ym/245ym的常规光纤相比，80ym/165ym的自熊猫型保偏光纤的涂层直径 (165ym)减小了 30%以上，体积减小了 50%以上。
[0006] 综上所述，将80ym/165ym的自熊猫型保偏光纤作为光纤陀螺的光纤环的外形 尺寸较小，进而为光纤陀螺的应用带来了一系列好处，其中以对光纤环温度性能的改善效 果最为显著。但是，随着光纤陀螺技术的进一步发展，以及智能电网用电流互感技术的应用 发展要求，光纤环需要更好的温度性能和更小的尺寸。
[0007] 面对这一新的要求，有必要研宄出更小外形尺寸的保偏光纤；传统的减小保偏光 纤外形尺寸的方法一般为单纯的直接降低光纤的直径。但是，因为光纤的直径越小、涂层越 薄，进而导致光纤抗外界干扰能力下降的困扰，所以传统的减小保偏光纤外形尺寸的方法 难以应用于精度需求较高的光纤陀螺。
[0008] 因此，如何发展出即与常规通信光纤和保偏光纤具有良好熔接性能，还具有更细 小的体积，同时还具有优良的几何与光学性能的保偏光纤成为诸多更高性能的光纤陀螺、 互感器等应用技术急需解决的难题。
[0009] 众所周知，当光纤环中某一段光纤存在时变温度扰动时，两束反向传播光波在不 同时间经过该光纤时，会因温度扰动而经历不同的相移，该相移为环境温度引起的非互易 相移（即Shupe效应）。Shupe效应带来的光纤陀螺的测量误差称之为Shupe误差。
[0010] 某段光纤上的温度变化率通常由环境温度引起的光纤环内侧、外侧的温度梯度造 成，表征Shupe误差的温度速率灵敏度也称为温度梯度灵敏度。环境温度引起的光纤陀螺 偏置漂移是由温度变化率引起的，由于这种Shupe误差与旋转引起的Sagnac效应相移难以 区分，因此必须采取措施抑制光纤陀螺的温度漂移。
[0011] 现在抑制光纤陀螺的温度漂移的方法一般为：通过四极法或八极法等对称绕制方 法来绕制光纤环，通过使相邻两对对称的光纤层层序相反，以补偿径向温度场梯度。该方法 对光纤陀螺中的Shupe误差起到了非常有效的抑制效果，但受工艺设备所限，光纤环绕制 状态依然存在非理想性，在中高精度的光纤陀螺应用中，残余温度漂移仍是不可忽略的。
[0012] 细径保偏光纤可以抑制光纤陀螺的温度漂移，细径保偏光纤包层直径为80ym或 更小，涂层直径从90?140ym不等。与80/165ym(包层直径/涂层直径）的保偏光纤相 比，细径保偏光纤的抗弯曲性能较好；同样长度的光纤可以绕制更小尺寸的环，同时光纤在 陀螺结构上的层数也相应减少，光纤环内外侧的温度差降低，从而可以有效抑制光纤陀螺 的Shupe误差，提高光纤陀螺的全温性能。与此同时，对于几何尺寸确定的光纤陀螺而言， 使用细径保偏光纤可以绕制长度更长的光纤环，能大幅提高同等尺寸下光纤陀螺的极限精 度，满足了中高精度光纤陀螺的小型化应用需求。
[0013] 然而，随着光纤几何尺寸的不断缩小，如何在减小光纤包层直径和涂层直径的同 时保持保偏光纤的优异性能成为光纤设计和制造过程中的一大难题。
【发明内容】
[0014] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种细径保偏光纤，不仅具 有优良的衰减和串音稳定特性，而且具有优良的长期工作稳定特性，能够为高精度光纤陀 螺的研制提供更好的光纤环，进而为光纤陀螺向小型化、高精度方向的发展奠定基础。
[0015] 为达到以上目的，本发明提供的：一种细径保偏光纤，包括石英光纤，石英光纤的 外围设置有内涂层和外涂层，石英光纤的内部设置有光纤芯层和石英包层，石英包层位于 光纤芯层的外围；光纤芯层和石英包层之间设置有2个应力区，2个应力区沿光纤芯层的中 心对称分布；所述内涂层和外涂层之间设置有缓冲涂层，每个应力区外围均设置有与应力 区同心的缓冲层；
[0016] 所述光纤芯层的折射率为n光，所述缓冲层的折射率为n缓，所述石英包层的折射 率为n石；所述应力区的折射率为n应，应力区外围的折射率为n应外，应力区中心的折射 率为n应中；
[0017] n光与n石的相对折射率差A n光为0. 5%?1. 3%，n缓与n石的相对折射率差 An缓为-0. 1%?-0.4% ;n应外与n石的相对折射率差An应外为-0. 1%?-0.4%，n 应中与n石的相对折射率差An应中为-1. 2%?-0. 8% ;
[0018] 所述细径保偏光纤的工作波长为1310nm时，其衰减达到0. 5dB/km以下，串音达 到一 35dB/km;所述细径保偏光纤的工作波长为1550nm时，其衰减达到0. 4dB/km以下，串 音达到一 30dB/km。
[0019] 在上述技术方案的基础上，所述光纤芯层的直径为d光，所述缓冲层的直径为d 缓，所述石英光纤的直径为d石，所述应力区的直径为d应；d光与d石的比值为0. 05? 0. 08,d缓与d应的比值为1. 0?1. 2,d应与d石的比值为0. 2?0. 4。
[0020] 在上述技术方案的基础上，所述内涂层的直径为d内，所述缓冲涂层的直径为d缓 涂，所述外涂层的直径为d外，d内与d外的比值为0. 65?0. 85,d缓涂与d外的比值为 0. 75 ?0. 9。
[0021] 在上述技术方案的基础上，所述石英光纤的直径d石为50um或80um，所述d外为 90um?140um。
[0022] 在上述技术方案的基础上，所述内涂层的杨氏模量为0. 05Mpa?20Mpa，所述外涂 层的杨氏模量为〇. 5Gpa?1. 5Gpa;所述缓冲涂层的杨氏模量为0.IMpa?600MPa、且缓冲 涂层的杨氏模量在内涂层和外涂层之间。
[0023] 在上述技术方案的基础上，所述内涂层、缓冲涂层和外涂层制作时，所述内涂层采 用单模具涂覆、并经紫外线固化后，再经双模具同时涂覆缓冲涂层和外涂层，最后将缓冲涂 层和外涂层同时通过紫外线固化。
[0024] 在上述技术方案的基础上，所述相对折射率差的计算公式为：A= (n折-n石）/ (n折+n石）? 100%，其中A为相对折射率差；当计算光纤芯层与石英包层相对折射率差 时，上述公式中n折为n光；当计算缓冲层与石英包层的相对折射率差时，上述公式中n折 为n缓；当计算应力区外围与石英包层的相对折射率差时，上述公式中n折为n应外；当计 算应力区中心与石英包层的相对折射率差时，上述公式中n折为n应中。
[0025] 在上述技术方案的基础上，所述光纤芯层采用掺锗的方式制成，所述缓冲层采用 浅掺硼的方式制成，所述应力区采用深掺硼的方式制成。
[0026] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0027] (1)本发明设计了一种新的保偏光纤的波导结构，保偏光纤的应力区周围设置有 一层缓冲层，应力区采用平滑抛物线型波导结构，芯区为抛物线结合平台型的波导结构。因 此，本发明能够在光纤包层直径减小的情况下，解决由于应力区占整个石英区的比例偏大 时造成的衰减偏大问题。
[0028] 与此同时，本发明在常规的内涂层和外涂层之间设计有一层很薄的缓冲涂层，从 而能够有效解决薄涂层情况下，由于涂层变薄造成的保偏光纤的串音难以优良控制的问 题。
[0029] 综上所述，本发明通过缓冲层和缓冲涂层的双重缓冲设计，为保偏光纤的直径的 进一步变细提供基础，本发明中具有双重缓冲设计的细径保偏光纤不仅具有优良的衰减和 串音稳定特性，而且具有优良的长期工作稳定特性，能够为高精度光纤陀螺的研制提供更 好的光纤环，进而为光纤陀螺向小型化、高精度方向的发展奠定基础。
[0030] (2)本发明为良好的实现内涂层、缓冲涂层和外涂层（可形象的理解为三明治式 涂层），开发出干+湿+湿的全新涂覆技术，即内涂层为单模具涂覆，缓冲涂层和外涂层则采 用双模具同时涂覆，从而在光纤具有三层涂层结构的情况下，仍可使用两道涂覆固化技术 即可实现光纤的良好固化，对于具有优良衰减和串音特性的保偏光纤的研制提供了可行的 技术方案。
【附图说