专利名称：具有低偏振模色散的光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤的制造方法，据此方法光纤从一预制棒的熔化端拉出，接着受一扭矩作用，使此光纤的一部分绕其纵向轴线扭转并赋以一自旋。
本发明还涉及一种光纤，它有由光学包层部包围的芯部，而包层自身又为保护涂层所围。具体地说，本发明涉及的是具有低偏振模色散的光纤。
“偏振模色散”(PMD)一词指的是在光纤(特别是单模光纤)中传输的信号因光纤芯部的双折射而引起的色散。此种双折射通常是因光纤的不完善，如纤芯截面的轻度不圆，侧应力不对称，等等所致，并表现为被传输信号的两个正交偏振模的有效折射率不同。在没有PMD的完善光纤的情况下，此两个偏振模以共同的速度彼此独立地传播，而在有PMD的情况下，此二模之间会积累起相当大的相差。
已知的一种减轻PMD的方法是在从预制棒拉制光纤时精细地扭转热的光纤，如此就可在它冷却时将一机械自旋“冻结”于其中。这样在光纤中形成的应力会在所传输信号的两个正交偏振模之间引起连续的模耦合，由此能抑制在此二模之间积累起显著的相位滞后，结果使光纤的PMD显著降低。
本说明书开始段落所明确的方法已在美国专利5,298,047号中述及，其中使拉制的光纤通过一转轴可以摇动的滑轮，使得此滑轮可绕与其转轴垂直的轴线来回摆动。此滑轮有一柱形表面，沿其二圆形边缘为一突出的护持凸缘所界定，运动的光纤即在此二凸缘之间穿过。滑轮的摇摆运动使光纤在沿其长度相当大的部分上引起扭转。特别是，以此方法扭转的部分热光纤当其组成材料随后冷却时将会具有一固定扭转(自旋)。
上述专利文件规定，给予光纤的自旋最好应具有一变化的空间频率。这可通过使滑轮作非周期性的往复摆动来实现。依此方式，上述方法可实现小于0.5微微秒/公里1/2(PS/km1/2)的PMD。
此种已知的方法有许多缺点，例如，尽管有护持凸缘，但运动的光纤很容易从摇动的滑轮上滑脱，特别是以高速拉丝时。由于这一原因，回转角和摇动频率都必须较小，这继而又限制了光纤可扭转的程度。加之，滑轮的摇动还会引起运动光纤作过量的振动，例如，会导致涂层不精确。此类问题通常只能借助另设稳定滑轮来缓解减轻。此外，由于要求滑轮作非周期性地来回摇动，一般还需要有非直接式的驱动装置，例如，由电子随机数字发生器控制的致动机构。
本发明的目的之一在于减轻这类问题的影响，具体地说，本发明的目的在于提供一种方法，用此方法能以高度受控和均匀的方式使光纤能作很大的自旋而无滑脱的危险。此外，本发明的另一个目的在于提供不会引起光纤作不适当振动的方法。本发明的又一个目的在于使此新方法能让光纤本身具有均匀的周期性的自旋，而同时仍能很显著的减小PMD。
使用开始段落所述的方法可以达到上述的以及其他的目的，此方法的特征在于，扭矩是通过使光纤在两个绕不同转轴作相互反向转动的轮子之间运动而施加的，每个轮子具有一圆周曲面，这对轮子设置成，使光纤通过时基本上与二轮的圆周曲面相切并在其间受压，这两个轮子在基本上与光纤垂直的方向上相互相对作前后运动，以使光纤在所述两曲面之间也往复滚动。
此处所用的词“轮子”应作广义的解释，它包括这样一些物体，如轮子、鼓、线轴、短管、辊轮、滚筒，等等。所述轮子的转动可以是被动的或是主动的，即转动可以是由光纤在上述曲面间的线性运动引起，或至少有一个轮子是主动驱动的，例如由马达驱动的；在后一情况下，轮子的转动可用于导致光纤的线性运动，以便将其从预制棒中拉出。规定二轮依“相互反向”转动的意思是说，相对某一观察方向而言，当一个轮以顺时针方向转动时，另一个则以反时针方向转动。“圆周曲面”一词指的是围绕轮子周边的表面，该表面在垂直于轮子的转轴的任意平面上观察时，有一基本上为圆形的截面。此表面最好是柱形的，但例如也可以是(部分的)锥形或球形。光纤在该两曲面间“受压”的程度只需要足以保证光纤在轮子前后摆动时能在其间滚动而不滑脱即可。要求轮子“相互相对作前后运动”仅仅是指二轮的相对运动即无论这种相对运动是通过相对固定构架移动一个轮子还是移动两个轮子来实现，都是可选择的。
本发明方法的优点是多方面的。例如-由于运动的光纤是压在上述二轮的两曲面间，就不可能在其间滑脱；-按照本发明方法滚动此光纤时，如果需要则可将其扭转很大的程度。例如，对于一根在绕彼此平行轴线转动的二柱形轮之间受压的直径为250微米的已涂层的光纤而言，只要此二轴线的相对平行位移达1.6毫米就能导致光纤扭转整整360°；-本发明的方法不会造成光纤过分的振动，这是因为轮子与光纤间保持着均匀的、受控的接触。
本发明的方法的一个重要方面是，不管给予光纤的自旋是否具有恒定的空间周期还是不恒定的，都能极其显著地减少PMD。在此新方法的试验中，本发明人已制出平均PMD值为0.033微微秒/公里1/2(在成缆后所测的)的单模光纤，该值大大小于前面引用的先有技术所提供的标准值0.5微微秒/公里1/2；作为参考，在制造时没有采取措施减少PMD的同类光纤其PMD值往往高达1微微秒/公里1/2。特别是，本发明甚至对具有恒定空间周期的光纤自旋来说也达到了如此良好的结果，这是一个很大的优点，因为它这就不需(像先有技术中的那样)以不规则方式来扭转光纤而随之使操作和自动化复杂。结果，本发明的方法能使所述这对轮子的一前一后的运动是均匀地有周期性的，这相对已知方法来说是一相当大的简化。
光纤和轮子之间的机械接触最好是发生在光纤涂过保护层的部位，因为这样可使损坏光纤的风险减至最小。在这一部位扭转光纤，就能在预制棒和两轮之间的全部光纤长度上，也就是在光纤仍然热的那个区域(恰在预制棒的下方)形成相关的扭转。在本项技术中最为常见的保护涂层包括，例如是UV(紫外)固化树脂，它可利用在光纤拉过一涂层浴中时涂覆上并随后暴露于光化学辐射下；或例如是含碳物质，它当在存在有如乙烯那样的有机气体中加热光纤时而被涂到光纤之上。
本发明可成功地与本项技术中惯常使用的各种光纤材料一起使用。这些材料包括，例如天然硅石、石英玻璃和塑料，无论是已掺杂的或是未掺杂的，还包括各种涂层树脂，如UV固化的丙烯酸酯树脂。
按照本发明方法的一个最佳实施例，其特征在于，在所述的至少一个轮的圆周曲面上包覆以一种比光纤材料更软的柔软材料。这可有助于光纤在两轮之间滚动，因为它保证了在光纤与这样涂覆过的轮子曲面间有良好的摩擦接触。此外，它还有助于减少光纤表面受到机械磨损的危险。自然在需要时，二个轮子均可依此方式涂覆。应该指出的是，若没有这样的软涂层，则可用增大轮子施加于光纤上的压力来补偿。还有，轮子的圆周曲面可适当地粗糙化或加以仿形切削。
在另一实施例中，将至少一个轮子全部由比光纤更软的材料制成。
在前面两段所讨论的实施例中使用的典型软材料包括，例如，多种类型的橡胶、塑料、纺织品和毛毡。一专用的这样一种材料是尿烷橡胶材料VULCALAN K639(菲利普斯公司)。另外的此类材料包括，例如，聚丙烯、低密度聚丙烯、聚氯乙烯、棉织绒布、丝绒，等等。
如前面已说明的，本发明的方法获得了极好的效果，无论赋与成品光纤的自旋是周期性的还是非周期性的都能如此。在有周期性自旋的情况下，此新方法的一个具体的实施例的特征在于，所述这对轮子绕枢轴装于一连杆上的一对轴转动，而连杆自身又可相对一位于此二轴的轴线间一基点而转动，操纵此连杆相对基点往复移动可使这对轴前后运动。在这一实施例中，连杠可利用例如一简单的马达作周期性的移动，而这种移动的幅度决定光纤所受扭转的幅角。在此特定方法的一个最佳实施例中，将连杆上的一点经由一臂连于一驱动轮上的非中心部位，就可往复地移动此点。对于一给定的光纤拉丝速率而言，驱动轮的速率将影响赋予光纤的自旋周期，而至上述非中心点的半径将决定自旋幅度。
已讨论过怎样用本发明方法在二轮间扭转光纤而在轮与预制棒之间的这部分光纤中形成一相关的扭转。在同样的方式下，在这对轮与收丝卷轴间的光纤部分也被扭转。为了避免已扭转过的光纤缠绕到此收丝卷轴上，可在轮与收丝卷轴之间的光纤通道中安装一拉丝卷盘。这种拉丝卷盘最好有一绕周边的V形(或U形)槽，光纤可置入其中，光纤最好与卷盘四周的相当大的部分接触(例如，1/4或更大)。
本发明的方法可用于生产一种新型的光纤，它是本发明人未能使用由先有技术所获知的方法制造出来的。此种光纤包括由一光学包层所包围的芯部，包层自身为一保护涂层所围，其特征在于，此光纤绕其纵向轴线交替地以相反的方向显示出一自旋，以及它包括至少一个纵向的部分，沿该部分自旋大小为360°(整整一周)。这意味着在此种光纤中的自旋幅角Ф将至少是360°。作为对比，已知的方法所能形成的通常自旋幅角Ф仅为大约几十度。本发明获得大的自旋幅角，这正是本发明的光纤的特点，与已知方法所赋予的非常小的自旋幅角相比，它使PMD更其显著的减少。
当本发明光纤中的自旋基本上为沿整个光纤的纵向位置的均匀周期函数时可达极好的效果。特别是，此种光纤是容易制作的，因为本发明方法中所用一对轮子能以一恒定频率前后运动，并能使其在整个拉丝作业中都与光纤接触。
上述本发明光纤的一个具体的实施例的特征在于所述纵向部分的长度l0不大于0.33米。这意味着光纤每米长度上的完整自旋的转数至少是三(不管转动的方向如何)。本发明人已获得这样一种光纤，它一般显示出很低的PMD。不过，条件l0≤0.33米对于使PMD减少到满意程度来说不是严格的要求。
应指出的是，根据本发明所述方法，使用的这对轮子并非必须与运动的光纤时刻接触；在有需要时，这对轮子可以规则间隔或不规则间隔从光纤回撤，从而使光纤上存在有未被扭转的部分。另外，可让轮子与光纤接触而中止轮子的一前一后的运动，这样，光纤就不再在此两轮之间受到扭转。自然，这对轮子不必是相同大小或是相同形状，也不必是由同样的材料构成。
本发明及其有关的优点可借助于示范性的实施例和示意性附图(不是相同尺度的)得到进一步的说明，附图中
图1是根据本发明方法制造光纤的装置的正视图；图2是图1内容一部分的平面图；图3给出本发明的光纤的一部分的正视图；图4给出图3内容的横截面图。
实施例1图1和2关系到本发明方法的一个具体的实施例，图中示明了适用于实施该方法的装置的各个部件的情况。二图中相应部件均以相同标号示出。
图1描述从预制棒1拉制光纤7的部分装置。预制棒1的端部3利用电力装置5加热至熔融状态，接着将光纤7以线速度Vf从此端部3拉出。刚拉制出的光纤包括有芯部和一或多个外围的光学包层。
随后，光纤7穿过涂覆装置9，在该处被涂上一保护涂层。此后，根据本发明，使光纤7在一对轮子11a、11b之间穿过，二轮分别绕二个不同的转动轴13a、13b以相反的方向转动。每个轮子11a、11b各有圆周曲面15a、15b，此处，曲面涂以一层VULCALAN K639橡胶。设置轮子11a、11b，使光纤7穿过时基本上与曲面15a、15b相切，并在其间受压。
图2根据一个具体的实施例给出轮子11a、11b的一个平面图。此圆周曲面15a、15b为圆柱形，把各自的轴13a、13b的轴线作为圆柱的中心线。轮子11a、11b可绕各自的轴17a、17b转动，将二轴在其各自的支点21a、21b处装于一连杆19上。连杆19自身又可绕一基点23转动，在此情况中基点位于轴线13a、13b的中部。
连杆19的一个端部经由一回转接头27连于臂25的一端。臂25的另一端经由第二回转接头27连到驱动轮31上的偏离中心的点29处。
轮子11a、11b的半径以及轴线13a、13b的间隔设置成使光纤7可在曲面15a、15b之间受压。如果需要的话，这可通过使用弹性装置将轴17a、17b中的一个推向另外一个(然而，如果两曲面15a、15b中至少有一个含有柔软材料，例如橡胶层，同时两曲面的间隔又已精确地调节好，则上述弹性装置并不是必需的)。由于光纤7在曲面15a、15b之间受压，光纤7的线运动便导致轮子11a、11b的转动，由此使轮子11a顺时针转动，而轮子11b则反时针转动(当沿方向d观察时)。换言之，在此情况中，轮子的转动是被动的。
当驱动轮31转动时，使臂25沿方向d往复运动。继而，这又导致连杆19相对于基点23往复移动。结果是，轴17a、17b，从而轮子11a、11b就沿轴线13a、13b前后运动。因为轴17a、17b位于基点23的两侧，所以轮子11a、11b就相互以相反的方向运动，具体地说，若轮子11a沿方向d运动，则轮11b就沿方向d′同时运动，反之亦然。
由于光纤7在曲面15a、15b之间受压，轮子11a、11b的前述的一前一后的运动将使运动的光纤相对表面15a、15b以频率f往复滚动，从而使光纤相对其纵向轴线扭转。当轮子11a沿方向d运动时，光纤7将沿顺时针方向扭转(从上往下看)；反之，当11a沿方向d′运动时，光纤7就沿反时针方向扭转。
再次参看图1，光纤7在轮子11a、11b之间的此种扭转将使光纤7在轮子11a、11b和预制棒1之间的它的整个长度z上扭转。特别是，光纤7的恰位于预制棒1的端部3下方的、仍是熔化的那部分也将受到扭转。当此部分从预制棒1继续离开时，它将冷却而使其材料中的扭转成为永久性的，这种扭转以后就称为自旋。这一情况发生于上述部分到达轮子11a、11b之前。
现在回到图2，扭转的幅角Ψ，即光纤7在轮子11a、11b之间被扭转的最大角度ψ，将取决于轮子11a、11b沿轴线13a、13b前后运动的幅度。对于一直径为D的光纤7来说，轮子11a、11b沿轴线13a、13b的相对位移y将产生一数值为ψ＝1/2×360y/πD(度)扭转的空间周期，即在轮子11a、11b的一个完全往复摆动过程中光纤7从预制棒1拉出的长度则具有下述数值L＝Vf/f这样Ψ值便分布于光纤的L/2长度上。
由于光纤7在预制棒1的熔融端部3处略可转动，它将随同轮子11a、11b所赋予的扭转而共同转动。结果使自旋幅角Ф，即赋予光纤的最大自旋角φ，将小于相应的Ψ值。通常，Ф的精确值将取决于Ψ、Vf、f、z的值，以及光纤材料的粘滞性。
例如，对于一直径D＝250微米(已涂层过)的石英光纤，且y＝5毫米，f＝5.6秒-1，V＝5 m/s-1和z≈10米时，本发明人已获得Ф≈900°(2.5周)，而相应的Ψ近似为1150°(3.2个全扭转)。Ф和Ψ二者的空间周期L均为0.89米。实施例2在此实施例中，除轮子11a、11b中至少有一个是绕轴线13a、13b主动转动的(例如，用图中未示明的马达)外，其他方面都与实施例1相同，利用此轮的主动转动给予光纤7以拉制速率Vf。在此情况下，轮子11a、11b的角速度应为27πVf。实施例3图3和4是本发明的光纤的一个具体实施例的一部分的示意图。这两个图中相应的部件以相同标号示出。
图3是根据本发明的方法制造的光纤70的一部分的正视图。光纤70具有一如图所示的固有机械自旋φ，它是光纤70长度的周期函数。此自旋交替地有正和负的极性，这是由于图1和2中所示轮子11a、11b往复运动的结果。
自旋φ的空间周期L是光纤70具有相同自旋态(幅角、符号和梯度φ)的相邻点之间的长度。如此图所示，AC段对应于一个单一空间周期L，此AC段可再区分为二相邻段AB和BC，二者均为L/2长。在AB段中自旋的方向为i(顺时针)；相反，BC段自旋有相反的方向j(反时针)。
从图中可以看到，光纤70在每一AB，BC段中有两个完整的扭转第一个顺时针，接着反时针(沿光纤向下看)。在此情况，自旋φ的幅角Ф为720°。
图4给出图3内容一部分的横截面图。光纤70包括一芯部72，它依次被光学包层部74、机械包层部76和保护涂层78所包围。芯部72的折射率大于光学包层部74的折射率。机械包层部76相当于预制棒1中所用的衬底管和至少是一种任选的护套管。
有一参考径向矢量u绘出于所示光纤70的平端部71处。此矢量u可设想为对紧靠的包围光纤材料是保持相对固定的。当沿此光纤行进时，可见到此矢量u将因赋予光纤70以自旋φ而转动。当距平端71的距离I增加时，φ值的大小和符号均将改变。设平端部71位于图3中的A点处，则当l＝L/2(B点处)时，φ＝Ф，此后φ将再度减小，在l＝L(C点处)变为0。
此种沿光纤的φ循环，根据需要或是沿着整个长度或是以某种间距间断，并周期性地重复。
另外，通过确保轮子11a、11b作不规则的往复运动(假设拉丝速率Vf是恒定的)，可给予光纤一种完全非周期性的φ振动。实施例4本发明人已开发了一种用以检测本发明方法所赋予光纤的自旋性质的有效技术。在此项技术中，在预制棒的外表面设有一短的刻线，基本上沿预制棒的纵向轴线延伸。随后，从此预制棒的这一刻痕部分拉制出的检测光纤将显示出轻微的横向不对称，此种不对称随着光纤被扭转而将和光纤材料一起转动。
当将此检测光纤用化学方法剥去其保护层，然后用一激光束(例如氦氖激光)横向照射时，此激光在置于光纤被照射部位后方的屏上便产生一衍射图样。上述横向不对称的存在产生一带有干涉极大和极小的特征衍射图样，用手将此光纤沿其纵向轴线轻轻转动时，这些极大极小将出现一可见的移动。当沿光纤给定的一段长度，缓慢扫描此激光束，并同时监测光纤必须用手转动以保持衍射图样不变的角度时，Ф和L二者即可测定。
实施例5这是一个与实施例3相同的实施例，部分72、74、76和78的构成如下72合成(PCVD)石英玻璃，掺杂以大约氟(F)1原子％和二氧化锗(GeO2)5摩尔％直径9微米(μm)。
74合成(PCVD)石英玻璃，掺杂以约氟1原子％和二氧化锗1摩尔％。
直径42微米。
76天然硅石直径125微米。
78UV固化的丙烯酸酯树脂直径248微米。
权利要求
1.一种光纤的制造方法，据此方法，一光纤从一预制棒的熔融端部拉出，接着受一扭矩作用，使此光纤的一部分绕其纵向轴线扭转并被赋予自旋，特征在于，此扭矩是通过在一对绕不同转轴、相互以相反方向转动的轮子间拉动光纤而施加的，每个轮子具有一圆周曲面，这对轮子设置成，使得光纤在通过时基本上与上述二轮的圆周曲面相切并在其间受压，这两个轮子在基本上与光纤垂直的方向相互相对作前后运动，以使光纤在所述两圆周曲面间往复滚动。
2.如权利要求1所述的方法，特征在于所述这对轮子的相互相对前后运动是均匀地有周期性的。
3.如权利要求1或2所述的方法，特征在于至少一个所述轮的曲面覆盖有比此光纤材料更软的柔软材料。
4.如权利要求3所述的方法，特征在于上述柔软材料是从橡胶、塑料、纺织品和毛毡构成的一组材料中选择。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，特征在于所述这对轮子绕枢转装于一连杆上的一对轴转动，而此连杆自身又可相对于此二轴的轴线间的一基点转动，操纵此连杆相对此基点往复移动就可使上述这对轴前后运动。
6.如权利要求5所述的方法，特征在于通过将所述连杆上的一点经由一臂与驱动轮上的非中心部位相连就可将此点往复地移动。
7.一种光纤，包括一个为光学包层部所围的芯部，此包层部自身又围以保护涂层，特征在于此光纤绕其纵向轴线，交替地以相反的方向显示出自旋，并且，此光纤还包括至少一个纵向段，沿该纵向段的自旋值是360°。
8.如权利要求7所述的光纤，特征在于上述自旋是基本上沿此光纤全长的纵向位置的均匀周期函数。
9.如权利要求7所述的一种光纤，特征在于上述纵向段的长度不大于0.33米。
全文摘要
光纤的制造方法，据此方法光纤(7)从预制棒(1)的熔融的端部(3)拉出，接着受一扭矩作用，使此光纤的一部分绕其纵向轴线扭转并被赋予自旋。据此方法，扭矩是通过在绕二不同转轴(13a，13b)，相互以相反的方向转动的一对轮子(11a，11b)间拉动此光纤(7)而施加的，每个轮子(11a，11b)具有一圆周曲面(15a，15b)，轮子(11a，11b)如此设置，使得光纤(7)通过时基本上与二轮的曲面(15a，15b)相切并在其间受压，轮子(11a，11b)在基本上与光纤(7)垂直的方向(d，d′)上一个相对另一个前后运动，以使光纤(7)在轮子的曲面(15a，15b)之间往复滚动。
文档编号C03B37/027GK1166165SQ96191183
公开日1997年11月26日 申请日期1996年8月12日 优先权日1995年8月16日
发明者R·E·M·基特曼 申请人:等离子光纤维股份有限公司