一种扭转光纤及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种扭转光纤及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 光纤由于良好的绝缘性、天然的抗电磁干扰能力、紧凑性以及可以低损耗地传输 光信号等特点，被广泛用于传感中，如电流互感器等。通常的传感光纤环由低双折射光纤绕 环形成，其中传输的偏振光容易受制备缺陷（纤芯椭圆化、非对称性应力等）和外界因素 (温度、弯曲、震动等）的影响，从而导致测试结果不准确甚至错误。目前被广泛研究和应用 的是旋转光纤，其原理是在常规保偏光纤（即线性偏振保持光纤）的基础上，通过轴线旋转 引入圆双折射，与光纤本身的线性双折射一起共同形成椭圆双折射。在旋转速率足够高时 可以认为其为保圆光纤，即圆偏振保持光纤。
[0003] 光纤的基模有两个偏振态，设它们的传播常数分别为^和β2，传播常数即波数 β，β=2π·η#/λ，nrff为模式有效折射率，λ为工作波长。双折射光纤中两个偏振 态的传播常数之差较大，即传播速度相差较大，随着传播距离增加，模式间的延 时差（即对应相位差）线性增加。复合偏振态的重复周期即拍长LB=2JI/Δβ，Δβ= βfβ2。每段长为LB/2的旋转光纤可看成一段长LB/4的双折射光纤连接另一段长LB/4的 双折射光纤，后一段双折射光纤的主轴方向相对于前者旋转了η/2。这样，这两段光纤的模 式延时可以完全抵消，最大相位差也减小了 一半。
[0004] 旋转光纤的旋转程度可以用ξ= 2π/Lspun表示，意为光纤单位长度上的旋 转角度，单位为rad/m，匕_为光纤旋转周期。旋转光纤的偏振态和双折射特性可以用 Poincar6 上的向量異=夺 + ?表亦（"Spunellipticallybirefringentphotoniccrystal fibre"，Opt.Express，Vol. 15,No. 4, 2007)，其中，I到=，LB，表示旋转光纤两个基模 偏振态变化的周期，而其圆拍长（或者说包络周期）为C 向量|;7| = 4/?，表示普 通保偏光纤；向量M= 表示旋转引起的圆偏振，系数2表示光纤旋转一周对应P〇incar6 球上的偏振态旋转4 31，向量f和rT方向垂直。
[0005]均勾旋转光纤可以采用McIntyreandSnyder提出的分片堆积的方法分析[1]。具 体将一段旋转光纤平均细分为若干个片段，各片段内的双折射是均匀的，各片段（除第一 段）的主轴相对于前一个片段主轴均偏移一定角度，片段之间的光场的变化采用耦合模理 论分析。在不考虑残余应力的情况下，采用这种方法计算不同旋转率ξ/Αβ对光纤最大 局部模式间相位差的影响，见图1。Δ梦=冗/2时为线性偏振保持光纤，?炉=0时为圆偏 振保持光纤，〇 <Δρ<Τ/2时为椭圆偏振保持光纤，越小，光纤越接近圆偏振保持光纤。
[0006] 根据图1可以看出扭转偏振光纤不能实现真正意义上的保圆特性，其圆拍长不是 无穷大，因此应用中旋转光纤的最佳长度应该为其长周期的整数倍。专利US6721469Β2 和US7095911Β2中公开的螺旋手性光纤，虽然其螺旋节距在波长量级，可以视为准保圆光 纤，但只能通过与光纤手性一致的圆偏振光。
[0007] 专利CN1041129C及其系列专利中提出了一种关于光纤中心对称的四应力区结 构，其特点是光纤的无线偏振保偏特性，因此较低的旋转率即可实现圆偏振保持效果，而应 力区的存在可以降低光纤对外部的应力敏感性。但其制备过程较复杂需要制备四根（或三 根）应力棒，以及旋转拉丝过程中需要抽真空或者需要采用对烧腐蚀法。
[0008] 文中涉及参考文献：
[0009] [1]Lightpropagationintwistedanisotropicmedia:Applicationto photoreceptors.J0SA,Vol. 68,No. 2, 1978.
【发明内容】
[0010] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种制备简单、且可实现圆偏振保持功 能的扭转光纤及其制备方法。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0012] -、一种旋转光纤，从内向外依次为纤芯、包层和涂覆层，包层中包含环形应 力区，环形应力区与纤芯接触或不接触；环形应力区的面积和热膨胀系数满足条件 Δα|Xζ彡 〇. 2,其中
，ζ=Ssap/SflbCT，α_和aclad分别为环 形应力区和包层的热膨胀系数，Ssap为环形应力区横截面积，SflbCT为旋转光纤横截面积。
[0013] 上述环形应力区通过对包层进行掺杂获得。
[0014] 二、扭转光纤的制备方法，包括步骤：
[0015] 步骤1，制备光纤预制棒，具体为：
[0016] 衬管内依次沉积包层、纤芯，缩棒烧实得光纤预制棒；沉积纤芯前，对包层进行掺 杂获得环形应力区，环形应力区与纤芯接触或不接触；环形应力区的尺寸和热膨胀系数满 足 |Δα|Xζ彡 〇. 2,其中
ζ=Ssap/SflbCT，α_和aclad分别为 环形应力区和包层的热膨胀系数，Ssap为环形应力区横截面积，SflbCT为旋转光纤横截面积；
[0017] 步骤2,制备扭转光纤，具体为：
[0018] 使光纤预制棒旋转，对光纤预制棒依次进行拉丝、涂覆，获得扭转光纤；或保持光 纤预制棒不旋转，对光纤预制棒依次进行拉丝、涂覆；然后通过加热扭转的后处理方式获得 扭转光纤。
[0019] 作为优选，光纤预制棒的旋转周期不大于30mm。
[0020] 步骤1中，可采用PCVD(离子体化学气相沉积法）、MCVD(改良的化学气相沉积法） 或FCVD(流体化学气相沉积法）制备光纤预制棒，并对包层进行掺杂。
[0021] 作为一种具体实施，采用B203或Ge02掺杂包层获得环形应力区，此时，环形应力区 的热膨胀系数高于包层的热膨胀系数。
[0022] 作为另一种具体实施，采用Ti02掺杂包层获得环形应力区，此时，环形应力区的热 膨胀系数低于包层的热膨胀系数。
[0023] 和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0024] 1、在光纤预制棒包层中引入环形应力区，拉丝过程中，通过沿中轴线旋转预制棒 引入圆双折射，使得所制备光纤具备良好的圆偏振保持特性，同时对外界应力有抗干扰性。
[0025] 2、本发明可采用现有成熟的管内沉积法直接生成环形应力区，制备方法简单可 靠，降低了生产难度，提高了产品质量，并可实现光纤的圆偏振保持功能。
[0026] 3、本发明旋转光纤可代替电流互感器等传感应用中的传统低双折射光纤，可避免 传统低双折射光纤性能受制备缺陷（例如，纤芯椭圆化、非对称性应力等）和外界因素（例 如，温度、弯曲、震动等）等的影响；同时，由于本发明旋转光纤具有较低的限制损耗（4dB/ min@1310nm，2dB/min@1550nm)，从而可提高电流互感器等传感应用的测试结果准确度和可 靠性。
【附图说明】
[0027] 图1为不同旋转率ξ/Δβ对光纤最大局部模式相位差Δρ的影响曲线；
[0028] 图2为实施例1和2所制备扭转光纤的结构示意图，图中未显示涂覆层；
[0029] 图3为实施例3所制备扭转光纤的结构示意图，图中未显示涂覆层。
[0030] 图中，1