专利名称：超低双折射光纤的制造方法及旋转拉伸塔的制作方法
技术领域：
本发明涉及低双折射光纤，具体地指一种超低双折射光纤的制造方法及用于该方法的旋转拉伸塔。
背景技术：
自从光纤被发明以来，已经在许多技术领域获得使用，尤其在光纤通信领域，各种光纤产品，包括多模光纤、单模光纤、色散补偿光纤等已经被大量使用。在传感领域，光纤也表现出其独特的作用。传感光纤技术包括多个方面，利用光纤对于不同物理量的敏感性，有针对不同物理量进行测量的光纤传感产品被研发，例如温度、湿度、PH值、折射率、应力、以及角速度等光纤传感器。众所周知，单模光纤只能传导一个模式，即LPtll模式。但是从偏振态的角度分析， LP01模式事实上包括两个偏振模式，即LP:和LPc/模式，因此实际上单模光纤传输两个偏振模式，不是真正的单模传输。在一般的通信光纤中，由于各种非对称因素的存在，如纤芯和包层的非圆对称性、光纤的弯曲、外部应力的非对称性、甚至温度的变化等，均会使得单模光纤两个偏振模式的折射率不同，因而导致IiVx和UVy模式在光纤中的传输速率不同， 产生所谓的偏振模色散(PMD Polarization Mode Dispersion)。光纤中这种不同偏振模式的折射率差异，被称为光纤的双折射现象，IiVx和UVy模式的折射率差，被称为光纤的双折射。根据光纤的双折射大小，将光纤分为高双折射光纤和低双折射光纤。一般来说，双折射大于10_6的光纤被认为是高双折射光纤，而双折射低于10_6的光纤被认为是低双折射光纤。保偏光纤是一类典型的高双折射光纤，其双折射一般大于10_5 ；而单模通信光纤属于低双折射光纤产品，其双折射一般在10_8到10_6之间。在某些应用领域，如相干通信和光纤传感领域中，需要超低双折射的光纤材料，即要求光纤的双折射小于10_9，甚至达到10_1(1。这种超低双折射要求对于常规光纤制造工艺而言是难以达到的，必须采取特殊的光纤拉丝工艺或者特殊的光纤结构设计。当前，制造超低双折射光纤的方法一般是在光纤拉丝的同时旋转光纤预制棒来降低光纤的双折射；在光纤结构方面，超低双折射光纤一般为两种结构， 即普通的单模光纤结构和在光纤包层部分包含有应力单元的所谓圆偏振保持光纤结构。为此，一些光纤及其制造工艺已经被提出。授权公告号为CN 1036488的中国专利《保持圆偏振态的光纤和它的制备方法》、授权公告号为CN 1041129的中国专利《保持圆偏振态的光纤和它的制备方法》以及授权公告号为CN 1242280的中国专利《实用保持圆偏振态光纤及其制造方法》提出了多种圆偏振保持光纤结构和其制造工艺，主要特点包括在光纤中加以离心的应力单元，应力单元的数量可以是一个、两个或者多个，并通过在光纤的拉丝过程中旋转预制棒使得离心的应力单元围绕纤芯旋转，引导线偏振模式转变成圆偏振模式而获得圆偏振保持光纤产品。公开号为CN 1663922的中国专利申请《拉制期间旋转光纤预型的光纤生产设备和方法》提出了在拉丝的过程中转动光纤预制棒的方法，降低光纤的双折射大小。通过转动预制棒工艺可以使得所制备光纤的双折射降低到10_『10_7。上述专利所提出的圆偏振保持光纤及其制造工艺存在一些无法克服的问题由于在光纤之中使用了不定数量的应力单元，使得光纤预制棒的制造过程、拉丝过程和后续的光纤熔接处理过程都比较困难，尤其是异形预制棒的制造困难，容易炸裂报废。另外，通过转动光纤预制棒降低光纤双折射的方法，在实际的光纤生产过程中也难以实现。正如公开号为CN 1663922的专利申请文件所指出的，由于拉丝过程中的预制棒在拉丝炉中的部分被加热到1800°C以上而呈熔融状态，预制棒的任何旋转动作所产生的离心力都会使其偏离中心线位置而影响到光纤的质量，实践证明拉丝状态下的预制棒旋转速度必须被控制在 100r/min以下，否则预制棒的高温熔融部分可能被甩离中心线而导致拉丝炉报废，考虑到双折射光纤的旋转节距(旋转节距被定义为光纤周期性转动的长度)在3mm左右，因此通过转动预制棒的方法，光纤拉丝速度仅在0. 3m/min左右，如此低速度拉制的光纤在机械性能上是无法满足实际使用的需求的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种超低双折射光纤的制造方法及用于该方法的旋转拉伸塔，能够根据使用要求制造出低双折射和超低双折射光纤。为解决上述技术问题，本发明提供的一种超低双折射光纤的制造方法，包括光纤预制棒的制作步骤和和光纤预制棒的拉丝步骤，其特别之处在于它还包括在光纤预制棒的拉丝步骤之前，将制作好的光纤预制棒至少局部加热软化并沿轴向旋转和拉伸，在光纤预制棒的冷却过程中将形成的旋转和拉伸固定。上述技术方案中，所述光纤预制棒的制作步骤中采用MCVD、PCVD、OVD以及VAD中的一种沉积方法。上述技术方案中，所述加热的方式为感应电炉加热、激光加热、等离子体加热中的一种。上述技术方案中，所述光纤预制棒的旋转过程为仅一端旋转或者两端沿相反方向旋转。进一步地，所述光纤预制棒任一端的旋转速度为(T500r/min。上述技术方案中，所述光纤预制棒的冷却过程所固定的旋转为左旋或者右旋。上述技术方案中，所述光纤预制棒的拉伸速度为0. Imm/min。上述技术方案中，所述光纤预制棒冷却后的外径为广10mm，旋转节距为单一节距或者变化的节距，旋转节距为0. O广10mm。本发明提供的一种用于超低双折射光纤的制造的旋转拉伸塔，包括竖直布置的上端夹头和下端夹头，分别用于夹持光纤预制棒的上端和下端，所述上端夹头和下端夹头可分别绕光纤预制棒的轴线旋转，且上端夹头和下端夹头可分别沿光纤预制棒的轴线平移； 所述上端夹头和下端夹头之间还设有可沿光纤预制棒的轴线平移的加热炉，用于至少局部加热软化光纤预制棒。上述技术方案中，所述加热炉为感应加热炉、石墨炉、高功率激光器或者高温等离子体发生器中的一种。本发明的有益效果在于
41)采用本发明工艺及设备所制造的超低双折射光纤为光纤预制棒在软化状态下旋转拉伸，并被冷却固化，然后在光纤拉丝塔上被拉制成的光纤产品，由于光纤预制棒的旋转拉伸过程与光纤拉丝过程完全分离，所以所制造的超低双折射光纤能够保持普通光纤的所有光学和力学特点，使成品光纤具有长期的可靠性和稳定性，满足传感光纤在恶劣环境下使用的要求；
2)所制造的超低双折射光纤具有和其他光纤产品相同的预制棒沉积和拉丝工艺、以及除旋转之外相同的其他结构特点，如截面形状、光纤材质、折射率分布等，便于所制造光纤的处理使用，并容易与其他的光纤产品兼容，便于超低双折射光纤的集成应用；
3)所制造光纤的旋转节距可以在小于一毫米至几十毫米之间被自由调整，最小甚至可以达到0. 5mm以下，远小于拉丝过程中旋转预制棒或旋转光纤可获得的旋转节距，因此本发明所制造的超低双折射光纤的双折射可以根据使用要求在10_1(1至10_6之间进行调节，完全可以被用于全光纤结构的光纤器件和光纤系统，比较于传统复合结构(一般均包括光纤、 晶体材料、镀膜材料等)的光纤器件和光纤系统，具有更好的性能稳定性和使用可靠性；
4)本发明提供的超低双折射光纤的制造方法，完全兼容于传统光纤制造工艺流程，具有连续自动化制造的特点，可以满足大长度超低双折射光纤的生产，并可以实现该光纤的规模化生产需求；
5)使用本发明方法及旋转拉伸塔制造的大长度超低双折射光纤可以满足光纤陀螺等对于连续几百米到几公里超低双折射光纤的使用需求，对于研制高稳定性、高精度光纤陀螺具有重要的意义。
图1为单模光纤的结构示意图。图2为旋转光纤结构示意图，其旋转节距为Li。图3为旋转拉伸后的光纤预制棒结构示意图，其旋转节距为L2。图4为旋转拉伸塔一个实施例的结构示意图。图中1 一包层，2—纤芯，3—单模光纤，4一旋转光纤，5—旋转，6—预制棒包层， 7—芯棒，8—预制棒旋转，9 一旋转拉伸后的光纤预制棒，10—光纤预制棒，11 一上端夹头， 12—下端夹头，13—加热炉，14 一旋转拉伸塔。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。如图1所示，一般单模光纤3至少包括包层1和纤芯2，这里的包层1和纤芯2均为圆旋转对称结构，且包层1和纤芯2同心。该单模光纤包括IiVx和UVy两个偏振模式， 当光纤3由于存在结构和应力等非对称状况时，IiVx和LPc/模式的折射率不相等，其折射率差Inuwx-IkroiyI即为单模光纤3的双折射。如图2所示，利用本发明制造方法所制造的旋转光纤4仍然为包层1和纤芯2的结构，与普通单模光纤3不同，该旋转光纤4中固化有旋转5，其旋转节距Ll 一般在0. 5mnTlm， 最小可达到0. 5mm以下。旋转节距Ll指固化于旋转光纤4的两个相邻旋转5之间的间距。如图3所示，要拉丝形成图2所示的旋转光纤4，本发明采用在光纤预制棒的拉丝步骤之前，将制作好的光纤预制棒至少局部加热软化并沿轴向旋转和拉伸，在光纤预制棒的冷却过程中将形成的旋转和拉伸固定的方法。旋转拉伸后的光纤预制棒9包括预制棒包层6和芯棒7，其外径一般为广10mm，并固化有左旋或者右旋的预制棒旋转8，其旋转节距为 L2可以是单一周期性的，也可以是变周期的，同时旋转节距为L2可以是单一节距或者变化的节距，旋转节距L2为0. 0广10mm，旋转节距为L2指固化于旋转拉伸后的光纤预制棒9的两个相邻预制棒旋转8之间的间距。图4示意出了本发明的一种用于超低双折射光纤的制造的旋转拉伸塔14，它包括竖直布置的上端夹头11和下端夹头12，分别用于夹持光纤预制棒10的上端和下端。上端夹头11和下端夹头12可分别绕光纤预制棒10的轴线旋转，且上端夹头11和下端夹头12 可分别沿光纤预制棒10的轴线平移。在上端夹头11和下端夹头12之间还设有加热炉13， 用于至少局部加热软化光纤预制棒10。本实施例的加热炉13采用感应加热炉。该设备针对的是用MCVD、PCVD, OVD以及VAD等常规沉积方法制造好的光纤预制棒10。加热炉13至少局部加热软化光纤预制棒10，上端夹头11和下端夹头12旋转以带动光纤预制棒10的软化部分产生旋转，旋转过程为上端夹头11或下端夹头12中的一个旋转或者两个夹头11、12沿相反方向旋转，上端夹头11和下端夹头12各自的旋转速度为 (T500r/min，这样为缩短旋转节距为L2，当两个夹头11、12沿相反方向旋转时，光纤预制棒 10软化部分的复合旋转速度可达到lOOOr/min。与此同时，上端夹头11和下端夹头12沿光纤预制棒10的轴线平移以0. 5 ^2mm/min速度拉长或者缩短光纤预制棒10的软化部分， 当加热炉13关闭或离开时，光纤预制棒10冷却，得到图3所示旋转拉伸后的光纤预制棒9。 旋转拉伸后的光纤预制棒9经拉丝处理即可制成双折射在10,至10_6的光纤，所制成的光纤可用于光纤耦合器、光纤光栅、全光纤波片、全光纤隔离器等光纤器件的制造。相应的光纤器件具有全光纤结构的特点，容易与集成光学器件集成使用，此外，还可用于光纤电流互感器、光纤陀螺等光纤传感系统以及相干光纤通信系统。旋转拉伸塔14的控制被集成到其控制平台中，其中两个夹头11、12的旋转速度和平移速度、加热炉13的温度和平移速度，以及其他辅助功能，如加热炉13密封惰性气体的流速和流量、冷却水的流速和流量等，均可由计算机自动控制，以优化各参数以制造出达到设计要求的低折射率光纤产品。实施例广9
选用G. 652D类型的单模光纤预制棒，将光纤预制棒10置于本发明的旋转拉伸塔14上拉伸，并同时旋转光纤预制棒10，制造得到外径更小且固化了旋转的光纤预制棒，即旋转拉伸后的光纤预制棒9，然后将旋转拉伸后的光纤预制棒9置于光纤拉丝塔中拉制成具有低双折射甚至超低双折射特性的单模光纤。表1给出了在不同的拉伸旋转参数时所制造获得的单模光纤以及测试所得的各光纤的双折射大小。表一
实施 例拉伸前光纤预制棒夕卜径(mm)拉伸后光纤预制棒夕卜径(mm)光纤预制棒拉伸速度(mm/min)光纤预制棒复合旋转速度(r/min)拉制后光纤包层直径(μηι)拉制后光纤旋转节距Ll (mm)测试得到的光纤双折射140101. 6100012510 5. 3XlO-72405〇.58001251 3. IXlO-834011600125〇.1 6. 2X10-1。430101. 6100012510 3. 8 XlO-75305〇.58001251 2. 5XlO-8
权利要求
1.一种超低双折射光纤的制造方法，包括光纤预制棒的制作步骤和和光纤预制棒的拉丝步骤，其特征在于它还包括在光纤预制棒的拉丝步骤之前，将制作好的光纤预制棒至少局部加热软化并沿轴向旋转和拉伸，在光纤预制棒的冷却过程中将形成的旋转和拉伸固定。
2.根据权利要求1所述的超低双折射光纤的制造方法，其特征在于所述光纤预制棒的制作步骤中采用MCVD、PCVD, OVD以及VAD中的一种沉积方法。
3.根据权利要求1所述的超低双折射光纤的制造方法，其特征在于所述加热的方式为感应电炉加热、激光加热、等离子体加热中的一种。
4.根据权利要求1所述的超低双折射光纤的制造方法，其特征在于所述光纤预制棒的旋转过程为仅一端旋转或者两端沿相反方向旋转。
5.根据权利要求4所述的超低双折射光纤的制造方法，其特征在于所述光纤预制棒任一端的旋转速度为(T500r/min。
6.根据权利要求1所述的超低双折射光纤的制造方法，其特征在于所述光纤预制棒的冷却过程所固定的旋转为左旋或者右旋。
7.根据权利要求1所述的超低双折射光纤的制造方法，其特征在于所述光纤预制棒的拉伸速度为0. 5 2mm/min。
8.根据权利要求1所述的超低双折射光纤的制造方法，其特征在于所述光纤预制棒冷却后的外径为广10mm，旋转节距为单一节距或者变化的节距，旋转节距为0. 0广10mm。
9.一种用于超低双折射光纤的制造的旋转拉伸塔，其特征在于它包括竖直布置的上端夹头(11)和下端夹头(12)，分别用于夹持光纤预制棒(10)的上端和下端，所述上端夹头(11)和下端夹头(12)可分别绕光纤预制棒(10)的轴线旋转，且上端夹头(11)和下端夹头(12)可分别沿光纤预制棒(10)的轴线平移；所述上端夹头(11)和下端夹头(12)之间还设有可沿光纤预制棒(10)的轴线平移的加热炉(13)，用于至少局部加热软化光纤预制棒 (10)。
10.根据权利要求9所述的超低双折射光纤的制造的旋转拉伸塔，其特征在于所述加热炉(13)为感应加热炉、石墨炉、高功率激光器或者高温等离子体发生器中的一种。
全文摘要
一种超低双折射光纤的制造方法，包括光纤预制棒的制作步骤和和光纤预制棒的拉丝步骤，其特别之处在于它还包括在光纤预制棒的拉丝步骤之前，将制作好的光纤预制棒至少局部加热软化并沿轴向旋转和拉伸，在光纤预制棒的冷却过程中将形成的旋转和拉伸固定。一种用于超低双折射光纤的制造的旋转拉伸塔，包括竖直布置的上端夹头和下端夹头，分别用于夹持光纤预制棒的上端和下端，所述上端夹头和下端夹头可分别绕光纤预制棒的轴线旋转，且上端夹头和下端夹头可分别沿光纤预制棒的轴线平移；所述上端夹头和下端夹头之间还设有可沿光纤预制棒的轴线平移的加热炉，用于至少局部加热软化光纤预制棒。
文档编号C03B37/03GK102442774SQ20111031061
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者汪洪海, 皮亚斌 申请人:武汉长盈通光电技术有限公司