专利名称：一种小弯曲半径保偏光纤及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光纤制造领域，尤其涉及一种小弯曲半径保偏光纤及其制造方法。
背景技术：
PMF (Polarization Maintaining Optical Fiber,偏振保持光纤)简称保偏光纤，随着光通信领域的深入发展，保偏光纤以其优良的双折射效应和线偏振保持能力得到了广泛应用。目前，较为常见的保偏光纤包括包层，其内部设有纤芯和沿纤芯半径方向相对设置的应力附加部。纤芯和包层的相对折射率差为0. 3% 0. 5%,相对设置的应力附加部之间的间隔为6 ii m 17 ii m,每个应力附加部的直径为21 y m 32 y m。该保偏光纤不仅具有优良的偏振保持特性，而且具有较低的连接损耗。随着光纤传感器件(例如光纤陀螺)逐渐向小型化方向发展，光纤传感器件对保偏光纤的弯曲半径提出了更高的要求。但是，上述保偏光纤在保证附加衰减的情况下，其最小弯曲半径大于7. 5mm。当保偏光纤的弯曲半径在7. 5mm以下时，保偏光纤的附加衰减不仅会达到ldB/km (分贝/千米)以上，附加衰减较高，而且保偏光纤的串音大于_20dB/km，串音特性较低，保偏光纤串音的变化值大于5dB。由于上述保偏光纤难以在弯曲半径较小的同时保证其性能，因此上述保偏光纤难以制作出尺寸较小的光纤传感器件，光纤传感器件难以向小型化方向发展，无法满足人们的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种小弯曲半径保偏光纤及其制造方法。通过本发明的方法制造出的保偏光纤能够在弯曲半径较小的情况下，实现保偏光纤的低损耗信息传输，保偏光纤不仅能够保证其附加衰减较低，而且串音特性较好，能够制作出尺寸较小的光纤传感器件，满足了人们的需求。为达到以上目的，本发明提供的小弯曲半径保偏光纤包括掺氟的第三石英包层环，还包括石英包层、掺锗的芯层、第二石英包层环和两个掺硼的应力猫眼；所述石英包层内由内至外依次设有芯层、第二石英包层环、第三石英包层环和应力猫眼，所述应力猫眼沿芯层中心对称设置，所述保偏光纤的弯曲半径小于5mm ;所述保偏光纤的工作波长为1310nm，其附加衰减在0. 6dB/km以下；所述保偏光纤的工作波长为1550nm，其附加衰减在
0.4dB/km 以下。在上述技术方案的基础上，所述第二石英包层环和石英包层的折射率相同。在上述技术方案的基础上，所述第二石英包层环与芯层的半径比值为1. 5 1. 0，所述第三石英包层环与芯层的半径比值为1. 5 3. 0，两个应力猫眼之间最短距离的一半与芯层半径的比值为2. 0 4. 0，所述应力猫眼与芯层的半径比值为2. 0 8. O。在上述技术方案的基础上，所述芯层与石英包层的相对折射率差为0.32% 1.5%，所述第三石英包层环与石英包层的相对折射率差为-1. 5% -0. 3%，所述应力猫眼与石英包层的相对折射率差为-1. 0% -0. 3%。在上述技术方案的基础上，所述石英包层的半径为20um、40um或62. 5um。本发明提供的保偏光纤的制造方法，包括以下步骤A、在芯棒外部套上套管，形成实心棒，所述套管形成石英包层；所述芯棒包括芯层、第二石英包层环和第三石英包层环；B、在实心棒上轴向开设两个应力通孔，所述应力通孔沿芯层中心对称设置；分别将两个掺硼的应力棒与一个应力通孔结合形成应力猫眼；C、在2000°C 2300°C的温度下,将所述实心棒熔融后拉制成裸光纤,拉制速度为50m/min 350m/min，拉制张力为50g 180g ;拉制过程中控制所述应力猫眼内的气压相同，保持应力猫眼内的气压与外界气压的压差值为0. OOOlMpa 0. OlMpa ；D、在1200°C 1800°C的温度下，将裸光纤退火消除应力，在裸光纤外部由内至外依次涂覆内层涂料和外层涂料，形成保偏光纤；所述保偏光纤的弯曲半径小于5mm，所述保偏光纤的工作波长为1310nm，其附加衰减在0.6dB/km以下；所述保偏光纤的工作波长为1550nm,其附加衰减在0. 4dB/km以下。在上述技术方案的基础上，步骤A中所述芯棒采用等离子体化学气相沉积法结合套管法制成。在上述技术方案的基础上，步骤B中所述应力棒采用等离子体法在二氧化硅中掺硼制成。在上述技术方案的基础上，步骤C中所述控制所述应力猫眼内的气压相同的过程包括将两个应力通孔分别接续一根尾管，每根尾管分别通过一个抽压装置控制气压，所有抽压装置控制均通过一个压力控制器协调控制。在上述技术方案的基础上，步骤D中所述内层涂料的杨氏模量为0.1Mpa 50Mpa，所述外层涂料的杨氏模量为0. 3Gpa 1. OGpa0本发明的有益效果在于(I)本发明的保偏光纤在芯层和应力猫眼之间设有掺氟的第三石英包层环，第三石英包层环不仅能够有效提升保偏光纤的抗弯曲能力，而且减少了保偏光纤受到的除应力猫眼之外的其他应力干扰，减轻了因外界因素变化带来的的保偏光纤串音的扰动，有效提升了保偏光纤的串音稳定性能。 ( 2 )本发明的保偏光纤在制造过程中，两个应力猫眼分别与两个抽压装置连接，两个抽压装置均通过一个压力控制器控制。在实心棒拉制成裸光纤的过程中，每个抽压装置独立控制一个应力猫眼内的气压，一旦两个应力猫眼内的气压不同，可通过压力控制器对两个抽压装置进行调整。因此保偏光纤在制造时能够时刻保证两个应力猫眼内的气压相同，不仅能够实现两个应力猫眼的大小一致，而且使两个应力猫眼的大小均保持在合理的范围内。综上所述，本发明的保偏光纤不仅串音特性较好，而且保偏光纤的串音在弯曲和温度变化时的稳定性较好。(3)本发明的保偏光纤在制造过程中，在1200°C 1800°C的温度下，将裸光纤退火后消除应力猫眼之外的其他干扰应力，保偏光纤的芯层受到的绝大部分应力来自于应力猫眼；而且应力猫眼退火后会变得钝化，应力猫眼在端面研磨时不仅能够保持稳定，不会发生炸裂。
(4)本发明的保偏光纤的弯曲不敏感特性和串音稳定特性较好，保偏光纤最小的弯曲半径在5mm以下。当保偏光纤的工作波长为1310nm时,其附加损耗在0. 6dB以下,其弯曲半径为5mm时的串音与弯曲半径为60mm时的串音相比，弯曲半径为5mm时的串音变化在3dB/km以下；当保偏光纤的工作波长为1550nm时，其附加损耗在0. 4dB以下，其弯曲半径为5mm时的串音与弯曲半径为60mm时的串音相比，弯曲半径为5mm时的串音变化在3dB/km以下。
图1为本发明的保偏光纤的结构示意图；图2为本发明的保偏光纤的波导结构示意图；图3为本发明的保偏光纤拉制成型的结构示意图；图4为本发明的保偏光纤的工作波长为1310nm时的示意图；图5为本发明的保偏光纤的工作波长为1550nm时的不意图。图中1-石英包层，2-芯层，3-第二石英包层环，4-应力猫眼，5-第三石英包层环，6-实心棒，7-应力棒，8-尾管，9-锥端，10-抽压装置，11-压力控制器，12-裸光纤，13-保温装置，14-测试仪，15-涂覆装置，16-固化装置，17-转向轮，18-张力计，19-牵引轮，20-导纤轮，21-定位轮，22-收丝盘具，23-加热装置。
具体实施例方式以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。首先说明相对折射率差的计算方法。相对折射率差米用公式为A = (nl_n2) / (nl+n2) *100%上述公式中A代表相对折射率差，n2代表石英包层I的折射率；当计算芯层2和石英包层I之间的相对折射率差时，上述公式中的nl代表芯层2的折射率；当计算第三石英包层环5和石英包层I之间的相对折射率差时，上述公式中的nl代表第三石英包层环5的折射率；当计算应力猫眼4和石英包层I之间的相对折射率差时，上述公式中的nl代表应力猫眼4的折射率。参见图1所示，本发明实施例中的保偏光纤包括石英包层I，石英包层I内部由内至外依次设有掺锗的芯层2、第二石英包层环3、掺氟的第三石英包层环5和掺硼的应力猫眼4 ;应力猫眼4为两个，两个应力猫眼4沿芯层2中心对称设置。保偏光纤的弯曲半径小于5mm ;保偏光纤的工作波长为1310nm，其附加衰减在0. 6dB/km以下；保偏光纤的工作波长为1550nm，其附加衰减在0. 4dB/km以下。参见图1、图2所示，芯层2的半径为rl、其折射率为nl ;第二石英包层环3的半径为r2、其折射率为n2 ;第三石英包层环5的半径为r3、其折射率为n3 ;两个应力猫眼4之间最短距离的一半为r4、其折射率为n4 ;应力猫眼4的半径为r5、其折射率为n5 ;石英包层I的半径为r6、其折射率为n6 ;其中n2、n4和n6的折射率相同。石英包层I的半径为20um、40um或62. 5um ;为了实现保偏光纤波导的弯曲不敏感特性、以及良好的串音与拍长性能，第二石英包层环3与芯层2的半径比值为1. 5 1. 0，第三石英包层环5与芯层2的半径比值为1. 5 3. 0，两个应力猫眼4之间最短距离的一半与芯层2半径的比值为2. O 4. O，应力猫眼4与芯层2的半径比值为2. O 8. O。为了实现保偏光纤良好的模场直径、截止波长、串音性能和拍长等性，第二石英包层环3和石英包层I的折射率相同；芯层2与石英包层I之间的相对折射率差为0. 32% 1. 5%，第三石英包层环5和石英包层I之间的相对折射率差为-1. 5% -0. 3%，应力猫眼4和石英包层I之间的相对折射率差为-1. 0% -0. 3%。参见图1、图3所示，本发明实施例中保偏光纤的制造方法，包括以下步骤SlOl :采用等离子体化学气相沉积法结合套管法制作芯棒，芯棒包括芯层2、第二石英包层环3和第三石英包层环5，在芯棒外部套上套管，形成实心棒6，套管形成石英包层
IoS102 :在实心棒6上轴向开设两个应力通孔，所述应力通孔沿芯层2中心对称设置，开设应力通孔时采用金刚石钻头、并结合机械定位、红外感应定位和电子调控。S103 :采用等离子体法在二氧化硅中掺硼制成两个掺硼的应力棒7，采用等离子体法制成的应力棒7的均匀性较好。将应力棒7的表面进行处理，使应力棒7的外径小于应力通孔的孔径0.1 mm 0. 2mm,将每个应力棒7与一个应力通孔结合形成应力猫眼4。S104 :将实心棒6上每个应力通孔的顶端或底端接续一根尾管8，尾管8由石英制成；将实心棒6与尾管8熔融为一体。S105 :将实心棒6没有尾管8的一端在车床上拉制成锥端9，以便拉制保偏光纤。S106 :将每根尾管8与一个抽压装置10连接，所有抽压装置10均与一个压力控制器11连接，形成保偏光纤预制棒。S107 :将保偏光纤预制棒放置在拉丝塔上，经加热装置23在2000°C 2300°C的温度下高温熔融后拉制形成裸光纤12 ;拉制过程中，当石英包层I的半径为62. 5um时，拉制速度为50m/min 300m/min,拉制张力为60g 180g ;当石英包层I的半径为40um时,拉制速度为50m/min 350m/min,拉制张力为50g 150g ;当石英包层I的半径为20um时，拉制速度为50m/min,拉制张力为50g。拉制过程中，通过抽压装置10控制尾管8和与尾管8对应的应力猫眼4的气压，保持两个应力猫眼4的气压与外界气压的压差值均为0. OOOlMpa 0. OlMpa,以便良好的控制两个应力猫眼4的直径大小。拉制过程中如发现两个应力猫眼4内的气压不同，可通过压力控制器11对抽压装置10进行调节，以保证两个应力猫眼4内的气压相同。S108 :将裸光纤12经过温度为1200°C 1800°C的保温装置13，裸光纤12在保温装置13内进行退火和消除应力，以使得裸光纤12内只有应力猫眼4产生的应力。S109 :将裸光纤12经测试仪14测试后依次经过两个涂覆装置15，两个涂覆装置15由内至外依次对裸光纤12涂覆内层涂料和外层涂料；涂覆内层涂料和外层涂料时，采用的涂覆工艺为湿加湿涂覆工艺或干加湿涂覆工艺，采用的固化方式为紫外固化方式或热固化方式。涂覆有内层涂料和外层涂料的裸光纤12经固化装置16固化后，形成保偏光纤；保偏光纤的弯曲半径小于5mm，保偏光纤的工作波长为1310nm时，其附加衰减在0. 6dB/km以下；保偏光纤的工作波长为1550nm时，其附加衰减在0. 4dB/km以下。保偏光纤依次经过转向轮17、张力计18、牵引轮19、和导纤轮20后，由定位轮21按给定程序收丝在收丝盘具22上。内层涂料的杨氏模量为0.1Mpa 50Mpa，内层涂料的杨氏模量较低，能够缓冲保偏光纤受到的外界的应力。外层涂覆材料根据不同的需求，可以为常温工作的涂层材料，也可以为耐高温工作涂层材料；外层涂料的杨氏模量为0. 3Gpa 1. OGpa，外层涂料的杨氏模量较高，能够形成刚性结构，进而承受外界产生的应力，减少保偏光纤受到外界的干扰。下面通过三个具体实施例对本发明进行具体说明。实施例1 :石英包层I的半径为40um。采用等离子体化学气相沉积法结合套管法制作芯棒，芯棒包括芯层2、第二石英包层环3和第三石英包层环5 ;在芯棒外部套上套管，形成实心棒6，套管形成石英包层I。在实心棒6上轴向开设两个应力通孔，所述应力通孔沿芯层2中心对称设置，开设应力通孔时采用金刚石钻头、并结合机械定位、红外感应定位和电子调控。采用等离子体法在二氧化硅中掺硼制成两个掺硼的应力棒7，采用等离子体法制成的应力棒7的均匀性较好。将应力棒7的表面进行处理，使应力棒7的外径小于应力通孔的孔径0.1 mm，将每个应力棒7与一个应力通孔结合形成应力猫眼4。将实心棒6上每个应力通孔的顶端(首端)接续一根尾管8，尾管8由石英制成；将实心棒6与尾管8熔融为一体。将实心棒6底端(尾端)在车床上拉制成锥端9，以便拉制保偏光纤。将每根尾管8与一个抽压装置10连接，所有抽压装置10均与一个压力控制器11连接，形成保偏光纤预制棒。将保偏光纤预制棒放置在拉丝塔上，经加热装置23在2000°C 2300°C的温度下高温熔融后拉制形成裸光纤12，拉制速度为50m/min 350m/min,拉制张力为50g 150g。拉制过程中，通过抽压装置10控制尾管8和应力猫眼4内的气压均为-0. OlMpa ;如发现一个应力通孔收缩后小于另一个应力通孔，导致芯层2变形时，通过压力控制器11调节与较小应力通孔对应的抽压装置10，将该抽压装置10输出的压力调小。拉制过程中如发现两个应力猫眼4内的气压不同，可通过压力控制器11对抽压装置10进行调节，以保证两个应力猫眼4内的气压相同。拉制保偏光纤预制棒的尾端时，两根尾管8内的气压需要减小，此时控制压力控制器11，使得两根尾管8内气压减小的最低值为-0. OOlMpa0将裸光纤12经过保温装置13，保温装置13靠近上方的温度为1800°C，靠近下方的温度为1500°C，裸光纤12在保温装置13内进行退火和消除应力；将裸光纤12由内至外涂覆内层涂料和外层涂料，内层涂料的杨氏模量为0.1Mpa 50Mpa，外层涂料的杨氏模量为0. 3Gpa 1. OGpa0涂覆有内层涂料和外层涂料的裸光纤12经固化装置16固化后，形成保偏光纤；保偏光纤依次经过转向轮17、张力计18、牵引轮19、和导纤轮20后，由定位轮21按给定程序收丝在收丝盘具22上。现采用上述方法制出五个保偏光纤，其参数见表I所示，其附加衰减和附加损耗参见图4、图5所示(图4和图5中纵向坐标代表附加衰减，横向坐标代表附加损耗)。参见表1、图4和图5可知，对于工作波长在1310nm的光纤I和光纤5而言，光纤I和光纤5的附加衰减分别为0. 53dB/km和0. 43dB/km,均小于0. 6dB/km。在弯曲半径为5mm的条件下，光纤I和光纤5的附加损耗分别为0. 71dB和0. 75dB,小于0. 8dB ;光纤I和光纤5在弯曲半径为5mm时的串音相对于弯曲半径为60mm的绝对值变化量分别为2. 78dB/km和2. 75dB/km,均小于3. OdB/km。对于工作波长在1550nm的光纤2、光纤3和光纤4而言,光纤2、光纤3和光纤4的附加衰减分别为0. 35dB/km、0. 39dB/km和0. 38dB/km,均小于0. 4dB/km。在弯曲半径为5mm的条件下，光纤2、光纤3和光纤4的弯曲附加损耗分别为0. 80dB、0. 85dB和0. 91dB ;光纤2、光纤3和光纤4在弯曲半径为5mm时的串首相对于弯曲半径为60mm的串音的绝对值变化量分别为2. 73dB/km, 2. 75dB/km和2. 77dB/km。表I石英包层I半径为40um的保偏光纤参数表
权利要求
1.一种小弯曲半径保偏光纤，其特征在于包括掺氟的第三石英包层环(5)，还包括石英包层(I)、掺锗的芯层(2)、第二石英包层环(3)和两个掺硼的应力猫眼(4);所述石英包层(I)内由内至外依次设有芯层(2)、第二石英包层环(3)、第三石英包层环(5)和应力猫眼(4)，所述应力猫眼(4)沿芯层(2)中心对称设置，所述保偏光纤的弯曲半径小于5mm ;所述保偏光纤的工作波长为1310nm，其附加衰减在O. 6dB/km以下；所述保偏光纤的工作波长为1550nm,其附加衰减在O. 4dB/km以下。
2.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于所述第二石英包层环(3)和石英包层(O的折射率相同。
3.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于所述第二石英包层环(3)与芯层(2)的半径比值为1. 5 1. 0，所述第三石英包层环(5)与芯层(2)的半径比值为1. 5 3. 0，两个应力猫眼(4)之间最短距离的一半与芯层(2)半径的比值为2. O 4. 0，所述应力猫眼(4)与芯层(2)的半径比值为2. O 8. O。
4.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于所述芯层(2)与石英包层(I)的相对折射率差为O. 32% 1. 5%，所述第三石英包层环(5)与石英包层(I)的相对折射率差为-1. 5% -O. 3%，所述应力猫眼(4)与石英包层(I)的相对折射率差为-1. 0% -O. 3%。
5.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于所述石英包层(I)的半径为20um、40um 或 62. 5um。
6.一种基于权利要求1至5任一所述的保偏光纤的制造方法，其特征在于，包括以下步骤A、在芯棒外部套上套管，形成实心棒，所述套管形成石英包层(I);所述芯棒包括芯层(2)、第二石英包层环(3)和第三石英包层环(5)；B、在实心棒上轴向开设两个应力通孔，所述应力通孔沿芯层(2)中心对称设置；分别将两个掺硼的应力棒与一个应力通孔结合形成应力猫眼(4)；C、在2000°C 2300°C的温度下，将所述实心棒熔融后拉制成裸光纤，拉制速度为50m/min 350m/min,拉制张力为50g 180g ;拉制过程中控制所述应力猫眼(4)内的气压相同，保持应力猫眼(4)内的气压与外界气压的压差值为O. OOOlMpa O. OlMpa ；D、在1200°C 1800°C的温度下，将裸光纤退火消除应力，在裸光纤外部由内至外依次涂覆内层涂料和外层涂料，形成保偏光纤；所述保偏光纤的弯曲半径小于5mm，所述保偏光纤的工作波长为1310nm，其附加衰减在O. 6dB/km以下；所述保偏光纤的工作波长为1550nm,其附加衰减在O. 4dB/km以下。
7.如权利要求6所述的保偏光纤，其特征在于步骤A中所述芯棒采用等离子体化学气相沉积法结合套管法制成。
8.如权利要求6所述的保偏光纤，其特征在于步骤B中所述应力棒采用等离子体法在二氧化硅中掺硼制成。
9.如权利要求6所述的保偏光纤，其特征在于，步骤C中所述控制所述应力猫眼(4)内的气压相同的过程包括将两个应力通孔分别接续一根尾管，每根尾管分别通过一个抽压装置控制气压，所有抽压装置控制均通过一个压力控制器协调控制。
10.如权利要求6所述的保偏光纤，其特征在于步骤D中所述内层涂料的杨氏模量为O.1Mpa 50Mpa，所述外层涂料的杨氏模量为O. 3Gpa 1. OGpa0
全文摘要
本发明公开了一种小弯曲半径保偏光纤及其制造方法，涉及光纤制造领域。保偏光纤包括石英包层，其内部由内至外依次设有芯层、第二石英包层环、掺氟的第三石英包层环和两个应力猫眼；两个应力猫眼沿芯层中心对称设置。通过本发明制造方法制造出的保偏光纤的弯曲半径小于5mm；保偏光纤的工作波长为1310nm，其附加衰减在0.6dB/km以下；保偏光纤的工作波长为1550nm，其附加衰减在0.4dB/km以下。本发明的保偏光纤能够在弯曲半径较小的情况下，实现保偏光纤的低损耗信息传输，保偏光纤不仅能够保证其附加衰减较低，而且串音特性较好，能够制作出尺寸较小的光纤传感器件，满足了人们的需求。
文档编号G02B6/036GK103018821SQ20121054475
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者罗文勇, 李诗愈, 陈伟, 柯一礼, 胡福明, 莫琦 申请人:武汉烽火锐光科技有限公司