应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤的制作方法

本发明涉及一种熊猫型保偏光纤，尤其是涉及一种应力增强施加于芯区，提高应力施加效果，提升双折射参数的高双折射性能细径熊猫型保偏光纤，属于光纤
技术领域：
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背景技术：
：保偏光纤，即偏振保持光纤，用于传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域，在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量；保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤电流互感器，光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统，是一种具有广泛应用价值的特种光纤类型。在普通通信光纤中，由于其圆对称性结构，入射的线偏振光在经过一定距离的传输后，由于不同偏振模式的耦合，能量交换，会成为椭圆或圆偏振光而无法保持线偏振态；而当一线偏振光被耦合进入保偏光纤时，如果线偏振光的偏振方向和保偏光纤的偏振主轴重合，则线偏振光可以在传输过程中保持其线偏振方向直至离开保偏光纤，即保偏光纤的双折射现象。引起光纤双折射现象的原因很多，各种几何和应力的不均匀性均会引入双折射，应力双折射保偏光纤主要有蝶结型保偏光纤、熊猫型保偏光纤和椭圆包层型保偏光纤三种。其中，熊猫型保偏光纤应用得最为广泛，其结构包括纤芯、应力区和包层部分，其纤芯位于包层的中心部分，而两个圆柱状的应力区分布在纤芯的两侧。纤芯一般为锗氟共掺杂的石英玻璃玻璃、应力区一般为硼掺杂的石英玻璃玻璃、而包层一般为纯石英玻璃玻璃材料。由于硼石英玻璃具有比纯石英玻璃更大的热膨胀系数，当光纤预制棒从拉丝炉中2000℃高温区被迅速拉出至20℃室温，骤冷的过程，使得应力区急剧收缩，不同的热膨胀系数材料，导致非对称的收缩应力施加在光纤的芯区，从而产生所谓的应力双折射使得保偏光纤具有线偏振保持性能。随着传感器件的体积小型化的趋势，光纤的直径也从125μm逐步减小到80μm或更小，在减小的光纤直径的范围内，要想实现大的应力双折射，则无法通过增大应力区的面积来实现。在中国专利201010184969.0中描述了一种下陷内包层结构的熊猫型保偏光纤，但并没有设计应力通道环的概念，同时没有说明纤芯区、应力施加区、应力通道环的热膨胀系数关系，并在下陷内包层采用的是氟元素和锗元素掺杂的设计，最终未阐明细径熊猫型保偏光纤应力施加的改善优化情况。在中国专利201510119462.X中描述了一种耐弯曲的熊猫型保偏光纤，对应力施加部的热膨胀系数进行了要求，但没有对芯区和内包覆层的热膨胀系数和材料结构进行说明，主要集中在折射率的说明中，同时没有阐述80μm或更小光纤直径的熊猫型保偏光纤的应力双折射性能的优化方案。在中国专利201510005831.2中描述了一种细径熊猫型保偏光纤，对折射率和直径参数进行了详细的描述，采用了渐变折射率设计的应力区结构，没有阐述通过优化应力施加通道来增强应力施加效果的情况。在中国专利201510768179.X中描述了一种带空气孔的熊猫型保偏光纤，在有空气孔的情况下，光纤的拉丝工艺控制和几何圆度控制难度会增大很多，同时空气孔也将成为保偏光纤可靠性的风险因素。在细径熊猫型保偏光纤的设计中，受限于整体端面面积的减少，需要优化光纤的结构设计，建立应力施加的通道，使用较小的应力区面积实现最大的应力施加，从而产生较强的应力双折射效应，达到应用的需求。技术实现要素：本发明的目的是提供一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，该熊猫型保偏光纤能够实现在细径熊猫型保偏光纤较小的端面面积区域内产生较大的应力双折射效应；并能通过应力施加通道和应力施加区的热膨胀系数和几何尺寸的结构参数调整，灵活调节细径熊猫型保偏光纤的应力双折射性能，为不同应用需求的领域提供合适的保偏光纤产品设计，在小型光纤陀螺、光纤水听器和光纤放大器等领域扩展熊猫型保偏光纤的应用。本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，所述光纤包含有包裹于包层中心的纤芯，纤芯外围的应力通道环，所述包层还设置有应力施加区，该应力施加区对称设置于纤芯的两侧，应力施加区需交叉覆盖应力通道环。应力施加区的材料应力，通过应力通道环能够更有效传导至纤芯区；通过调整纤芯区、应力通道环、应力施加区的热膨胀系数和几何结构，可以对作用在纤芯区的应力双折射系数进行优化，达到使用需求。本发明一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，所述纤芯区的直径D1∈（3μm，9μm）、应力通道环的直径D2∈（4μm，30μm）、应力施加区的直径D3∈（10μm，35μm）、包层区直径D4∈（58μm，83μm）。本发明一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，所述纤芯区的材料组成为掺杂Ge和F元素的石英玻璃，采用均质掺杂设计，其热膨胀系数β101∈（20×10-7，100×10-7）；所述应力通道环的材料组成为掺杂B和F元素的石英玻璃，采用均质掺杂设计，其热膨胀系数β102∈（15×10-7，50×10-7）；所述应力施加区的材料组成为掺杂Ge和B元素的石英玻璃，采用均质掺杂设计，其热膨胀系数β103∈（50×10-7，500×10-7）。本发明一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，所述应力施加区的外圆边界与纤芯区的外圆边界的间距D31∈（（D1）/4，（D2-D1））。本发明一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，上述纤芯层与纯石英玻璃材料的相对折射率差△1∈（0.6%，1.2%），应力施加区与纯石英玻璃材料的相对折射率差△3∈（-0.6%，-1.8%），应力通道环与纯石英玻璃材料的相对折射率差△2∈（-0.5%，-0.9%）。本发明一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，上述纤芯区、应力通道环、应力施加区的分别热膨胀系数β102、β101、β103满足关系：β102<β101<β103。一种细径熊猫保偏光纤的应力优化方法，针对纤芯直径D1∈（3μm，9μm）光纤，在包裹于纤芯外层的包层设置有应力施加区和应力通道环，应力施加区与应力通道环有部分面积交叉覆盖；纤芯区的材料组成为掺杂Ge和F元素的石英玻璃，其热膨胀系数β101∈（20×10-7，100×10-7）；应力通道环的材料组成为掺杂B和F元素的石英玻璃，其热膨胀系数β102∈（15×10-7，50×10-7）；应力施加区的材料组成为掺杂Ge和B元素的石英玻璃，其热膨胀系数β103∈（50×10-7，500×10-7）；上述纤芯区、应力通道环、应力施加区的分别热膨胀系数β102、β101、β103满足关系：β102<β101<β103。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、在应力施加区与纤芯区中间设计了应力通道环，通过纤芯区、应力通道环、应力施加区的热膨胀系数的优化设计，能够将应力施加区在拉丝过程中急剧冷却条件下的收缩应力，最大限度地传导到芯区；同时芯区能够在应力施加的情况下产生较大的应力双折射；2、应力施加区覆盖应力通道环的部分面积，将应力施加通过通道，更加有效的传导至芯区，增加了应力施加的效果和效率；3、在减小了端面面积的细径熊猫型保偏光纤的设计中，能够利用有限的面积空间，在保证光纤光学性能的同时，尽量有效地利用应力施加空间，提升保偏光纤的应力双折射性能，满足使用的需求；还可为后续进一步减小直径的超细径熊猫型保偏光纤提供设计参照。附图说明图1为本发明实施例中应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤的结构简图。图2为图1的保偏光纤的x轴方向的光纤折射率分布图。图3为图1的保偏光纤的y轴方向的光纤折射率分布图。其中：纤芯101、应力通道环102、应力施加区103、包层区104、收缩应力105。具体实施方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。参见图1~3，本发明涉及的一种应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，所述光纤包含有包裹于包层104中心的纤芯101，所述包层104还设置有应力施加区103，该应力施加区103对称设置于纤芯101的两侧，该纤芯外层设置有应力通道环102，应力施加区103与应力通道环102有部分面积覆盖；上述纤芯101的直径D1∈（3μm，9μm）、应力通道环102的直径D2∈（4μm，30μm）、包层104的直径D4∈（58μm，83μm）、应力施加区103的直径D3∈（10μm，35μm）；同时，上述纤芯101与纯石英玻璃材料的相对折射率差△1∈（0.6%，1.2%）；纯石英玻璃材料折射率n2=1.457；应力通道环102与纯石英玻璃材料的相对折射率差△2∈（-0.5%，-0.9%）。具体的讲，上述纤芯区101的材料组成为掺杂Ge和F元素的石英玻璃，采用均质掺杂设计，其热膨胀系数β101∈（20×10-7，100×10-7）；所述应力通道环102的材料组成为掺杂B和F元素的石英玻璃，采用均质掺杂设计，其热膨胀系数β102∈（15×10-7，50×10-7）；所述应力施加区103的材料组成为掺杂Ge和B元素的石英玻璃，采用均质掺杂设计，其热膨胀系数β103∈（50×10-7，500×10-7），上述纤芯区、应力通道环、应力施加区的分别热膨胀系数β101、β102、β103需满足关系：β102<β101<β103。下面结合具体实验数据对本专利的应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤进行说明：表1：光纤参数实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5应力通道环直径D2（μm）625151020应力通道环热膨胀系数β102（×10-7）1520304050应力施加区直径D3（μm）2025161228应力施加区热膨胀系数β103（×10-7）200300350500400纤芯直径D1（μm）44.5335纤芯热膨胀系数β101（×10-7）20308010090包层直径D4（μm）8080706080光纤串音（dB，1km）-26-29-31-30-32光纤拍长（mm，630nm）2.31.91.91.81.8表1为五根不同结构设计的本发明应力通道优化、应力施加增强型细径熊猫保偏光纤，光纤的几何结构和应力通道环、应力施加区、纤芯的直径、热膨胀系数大小不同，结果表明5根光纤的偏振串音均达到-26dB/km以上，拍长均小于2.3mm。同时，对不同细径（60μm、70μm、80μm等等）熊猫型保偏光纤，均能实现较高的应力双折射性能。将5根各500m长的光纤松绕成20mm直径的光纤环，测试光纤环的常温串音和温度变化时串音变化性能均能够满足中精度光纤陀螺的应用，满足系统使用要求。除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。当前第1页1 2 3