一种多用途保偏光纤及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及保偏光纤，尤其涉及一种熊猫型保偏光纤及其制备方法。


背景技术：

[0002]
保偏光纤，即偏振保持光纤，用于传输线偏振光，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，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领结型保偏光纤、熊猫型保偏光纤和椭圆包层型保偏光纤等。
[0003]
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。
[0004]
根据保偏光纤的应用特点，其主要应用于两大块：一是光纤陀螺系统，二是保偏光纤器件。根据光纤使用场合的不同，光纤也有所差异。当应用于光纤陀螺系统中时，所涉及的光纤高双折射光纤，其特点主要为应力区的大有效面积及硼元素的高浓度掺杂，以此来保证光纤绕环之后的高偏振串音。相应的，当应用于保偏光纤器件中时，工艺涉及对光纤端面进行机械研磨，这就对保偏光纤应力区的大小及硼元素的浓度有一定的要求，应力区的大有效面积和b元素的高浓度掺杂本身会造成应力区和包层在研磨过程中发生截面开裂现象，这是因为高浓度的b掺杂虽然可以显著降低应力区的相对折射率，但同时也会造成应力区的热膨胀系数相比包层大幅升高，在研磨过程中容易在界面引起开裂，这就导致了适用于光纤陀螺系统中的光纤往往无法适用于光纤器件的加工。
[0005]
目前，国内光纤陀螺用保偏光纤已基本实现国内自主，而器件用保偏光纤由于上述工艺原因市场容量相对较小，国内光纤器件用保偏光纤主要还是依赖进口光纤。
[0006]
中国专利cn103145349a公开了“一种应用于耦合的低应力保偏光纤的制作方法”，该低应力保偏光纤主要是通过对原有保偏光纤进行端头剥除裸光纤部分的一种处理方式，通过一种平台的搭建及粘接剂的涂覆，以减小粘接剂在高温和低温状态时由于应力对保偏光纤产生影响而导致消光比恶化。该发明是通过改进保偏光纤的后加工方式来实现光纤的低应力，未涉及光纤本身的改变。
[0007]
中国专利cn106291807a公开了“一种防开裂熊猫型保偏光纤”，该种光纤主要是通过在应力层边缘设置折射率渐变过渡层，使应力层边缘的应力得到分解和缓释，从而避免了光纤端面研磨应力层边沿的开裂，使保偏光纤的使用性能得到优化。该文献从保偏光纤应力区设计的角度对原有保偏光纤进行了优化，提升了光纤的耐磨性能，但是通过设置折射率渐变过渡层会影响光纤的双折射性能，从而影响绕环的精度要求，牺牲了应用于光纤陀螺的性能。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是要设计一款保偏光纤，尤其是一种熊猫型保偏光纤，在不牺牲双折射性能的前提下，还能够适应研磨、拉锥工艺，使该光纤能够在光纤陀螺和光纤器件领域都能够得到应用。
[0009]
本发明的研究主要包括：
[0010]
(1)通过适当降低光纤应力区的热膨胀系数，减小内应力，降低由于应力区内应力过大造成光纤在研磨时端面开裂的风险。
[0011]
(2)通过在内外包层中通过掺杂磷，降低内外包层的黏度，从而降低光纤内外包层的软化温度，使适于光纤拉锥工艺的实施。进一步的，研究控制内外包层中p的掺杂比例，一方面提高拉锥体验，另一方面保证研磨效果，满足光纤器件应用领域的拉锥和研磨工艺要求。
[0012]
(3)在外包层p掺杂时，使用渐变掺杂设计，重点降低应力区附近的石英黏度，减小应力区所在的内包层与外包层界面的黏度差，增强应力区与石英包层的适配性，可以进一步降低光纤研磨时应力区边缘开裂的风险。
[0013]
本发明所采用的具体技术方案为：一种多用途保偏光纤，由内而外依次为芯层、内包层、外包层和涂覆层，
[0014]
所述芯层为掺锗的石英玻璃，直径为d1，锗的掺杂摩尔百分比3～8mol.％，折射率n1为1.46～1.48；
[0015]
所述内包层(2)为掺磷的石英玻璃，直径为d2，折射率为n2为1.4565～1.4570；
[0016]
所述外包层(3)为掺磷的石英玻璃，直径为d3，折射率n3为1.4565～1.4570；
[0017]
所述内包层(2)内设置两个应力区(4)，直径为d4，分别为掺硼、氟的石英玻璃，折射率n4为1.34～1.48，两个所述应力区(4)对称设置在所述芯层(1)两侧；
[0018]
所述芯层(1)和所述内包层(2)的折射率差n
1-n2＝0.005～0.020；
[0019]
所述内包层(2)和所述应力区(4)的折射率差n
2-n4＝0.008～0.015。
[0020]
作为本申请的实施方式之一：所述应力区(4)的硼掺杂摩尔百分比20～35mol.％，氟的掺杂摩尔百分比0.5～2mol.％，氟和硼的掺杂摩尔比∈(0.025，0.05)；所述应力区(4)的热膨胀系数1.5*10-5
～5*10-5
。
[0021]
作为本申请的实施方式之一：所述内包层(2)的磷掺杂摩尔浓度0.1～0.8mol.％，所述内包层(2)的软化温度为1500℃～1600℃；所述外包层(3)的磷掺杂摩尔浓度0.2～1.6mol.％，所述外包层(3)的软化温度为1600℃～1700℃。所述内包层(2)和外包层(3)的磷掺杂摩尔浓度比∈(1，2)。
[0022]
作为本申请的实施方式之一：所述内包层(2)的磷掺杂为均匀掺杂，所述外包层(3)的磷掺杂摩尔浓度随半径方向呈渐变式，以与所述内包层(2)的边界为起始由内向外掺杂摩尔浓度逐渐减小。
[0023]
作为本申请的实施方式之一：所述涂覆层包括内涂覆层(5)和外涂覆层(6)，所述内涂覆层(5)的模量为0.5mpa～50mpa，所述外涂覆层(6)的模量为500mpa～1200mpa。
[0024]
作为本申请的实施方式之一：所述芯层(1)的直径d1为4～6μm，所述内包层(2)的直径d2为20～120μm，所述外包层(3)的直径d3为60～125μm，所述应力区(4)的直径d4为12～50μm。
[0025]
上述保偏光纤具有如下特点：
[0026]
(1)芯层设计掺ge，内包层设计掺p，通过控制掺杂比例，使芯层与内包层的折射率差值保持在0.005～0.020，以确保的折射性能，使光纤具有良好的传播性能。在此前提下，内包层掺p后，将内包层的软化温度从1750℃降低至约1550℃，即降低了内包层的黏度，使光纤能够匹配光纤器件的拉锥工艺。
[0027]
(2)应力区设计b、f共掺杂，b与f都具备降低折射率的作用，但二者的热膨胀系数不同，f的热膨胀系数明显低于b的热膨胀系数，通过控制sf6及bcl3的掺杂比例，可以调节应力区的折射率，满足应力区与包层折射率差值在0.008～0.015范围内，同时也能随机的调节应力区的热膨胀系数，以减小应力区的内应力，由此降低由于光纤应力区内应力过大造成的研磨时光纤端面开裂的风险，使光纤能够匹配光纤器件的研磨工艺。
[0028]
(3)外包层设计掺p，可以降低外包层的软化温度，即降低了外包层的黏度，且优选渐变式的p掺杂浓度，由此不仅可提高内包层和外包层的拉锥操作性，而且能够降低应力区附近的石英黏度，减小应力区与附近的黏度差，增强应力区与外包层的适配性，可以进一步降低光纤研磨时应力区边缘开裂的风险。
[0029]
上述多用途保偏光纤的制备方法，包括如下步骤
[0030]
(1)芯棒制备：掺锗石英预制棒制备；
[0031]
(2)内外包层制备：在芯部外侧依次完成掺磷石英内包层和掺磷石英外包层的成型；
[0032]
(3)应力棒制备：氟硼共掺石英预制棒制备；
[0033]
(4)应力棒组装：在步骤(2)制备的预制棒的内包层钻两个通孔，取两根步骤(3)制备的应力棒分别塞入所述通孔内，两应力棒相对芯棒对称设置；
[0034]
(5)将预制棒拉丝成石英光纤；
[0035]
(6)在石英光纤外侧涂覆固化形成涂覆层。
[0036]
具体的，步骤(1)采用管内气相沉积的方式进行掺锗石英料的管内沉积，以车床氢氧焰为加热源，向管内通入sicl4和gecl4，在管内反应生成二氧化硅和二氧化锗颗粒利用热泳原理沉积在管的内壁并同时玻璃化，沉积结束后塌缩成实心的芯棒。
[0037]
具体的，步骤(2)采用外部气相沉积的方式，通过氢氧焰喷灯将sicl4、pocl3原料蒸气喷射至旋转的芯棒上，原料蒸气在氢氧火焰中产生反应，生成亚微米级的含磷石英微粒沉积在芯棒表面形成芯棒的内外包层，沉积过程中通过控制pocl3和sicl4的流量比，以调节磷的掺杂浓度，以在芯棒外层制备内包层和外包层。
[0038]
具体的，步骤(3)采用管内气相沉积的方式进行掺氟、硼石英料的管内沉积，利用车床氢氧焰为加热源，向管内通入sf6、bc
l3
、sicl4，在管内反应生成含有硼和氟的二氧化硅颗粒沉积在管的内壁并同时玻璃化，沉积结束后塌缩成实心的芯棒即为应力棒；氟和硼都能够降低应力区的折射率，氟的热膨胀系数小于硼，通过调整氟与硼的比例来平衡应力棒的折射率与热膨胀系数。
[0039]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0040]
1、本发明的保偏光纤，既能够适应光纤器件制造领域的研磨、拉锥工艺，又能够适应光纤陀螺制造领域的绕环工艺，实现了一种保偏光纤多种用途。
[0041]
2、本发明的保偏光纤，通过优化应力区氟和硼的掺杂比例，能够实现保偏光纤折
射率不变的条件下，对应力区的热膨胀系数进行调整优化，可以兼顾不同应用器件的工艺要求。
[0042]
3、本发明的保偏光纤，通过内外包层分段式掺磷设计，在保证光纤光传播条件不受影响的前提下，能够有效降低光纤硅层黏度，降低熔融温度，提升光纤拉锥处理过程的可操作性。
附图说明
[0043]
图1为本发明保偏光纤的截面示意图；
[0044]
图2为本发明保偏光纤折射率剖面示意图；
[0045]
图中，芯层1、内包层2、外包层3、应力区4、内涂覆层5、外涂覆层6。
具体实施方式
[0046]
以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本实施例中的文字描述是与附图对应的，实施例的描述不应理解为是对本发明保护范围的限制。
[0047]
如图1所示，为本发明实施例中保偏光纤的截面结构，由内而外依次为芯层1、内包层2、外包层3和涂覆层，芯层1为掺锗的石英玻璃，直径为d1，折射率n1；内包层2为掺磷的石英玻璃，直径为d2，折射率n2；外包层3为掺磷的石英玻璃，直径为d3，折射率n3；内包层2内设置两个应力区4，直径为d4，分别为掺硼、氟的石英玻璃，折射率为n4，两个所述应力区4对称设置在所述芯层1两侧；芯层1和内包层2的折射率差n
1-n2＝0.005～0.020；内包层2和应力区4的折射率差n
2-n4＝0.008～0.015。
[0048]
表1为依据上述截面结构获得的实施例4和对比例1-3的参数对比
[0049]
表1
[0050]
[0051][0052]
本实施例的保偏光纤，通过在内包层sio2沉积过程中增加pocl3反应掺杂，将硅层软化温度从1750℃降低至约1550℃，能够有效提升硅层沉积效率的同时，也能提升用户在进行光纤拉锥过程的适用性。
[0053]
本实施例的保偏光纤，所述应力层为氟硼共掺，b与f都具备降低折射率的左右，但其热膨胀系数不同，并通过控制sf6及bcl3的掺杂比例，将应力区与包层折射率差值控制在0.008～0.015，相应的也能优化应力区热膨胀系数，减少内应力，降低由于光纤应力区内应力过大造成的研磨时端面炸裂的风险。
[0054]
作为一种实施方式，保偏光纤的生产工艺采用如下步骤：
[0055]
步骤一、芯棒制备：主要使用管内气相沉积的方式进行硅锗料的管内沉积，利用车床氢氧焰为加热源，前端通入不同比例的高纯四氯化硅和四氯化锗反应生成二氧化硅和二氧化锗颗粒利用热泳原理沉积在基管的内壁并同时玻璃化，沉积结束后塌缩成实心的芯棒。
[0056]
步骤二、内外包层制备：主要使用外部气相沉积的方式，通过氢氧火焰喷灯将火焰喷射至芯棒的同时，喷灯中还通有sicl4、pocl3等原料蒸气，原料蒸气在氢氧火焰产生反应，生成亚微米大小的含磷石英微粒沉积在芯棒表面形成芯棒的内外包层。此步骤中，内包层掺磷比例大于等于外包层，在不影响光纤光导条件的前提下，通过对pocl3和sicl4进行精准流量控制，具体流量可根据具体工艺要求进行调整，内包层沉积时pocl3和sicl4的浓度典型值在1:3左右，内外包层掺磷浓度比典型值控制在3:2左右。需要注意的是，内包层尺寸在沉积时需要覆盖应力区部分，如图1所示。该种设计的目的在于保证应力区处于软化温度相对较低的内包层区域，可以降低应力区边缘研磨时炸裂风险。
[0057]
步骤三、应力棒制备：主要使用管内气相沉积的方式进行氟、硼、硅料的管内沉积，利用车床氢氧焰为加热源，前端通入不同比例的高纯sf6、bcl3、sicl4反应生成含有硼和磷的二氧化硅微粒沉积在基管的内壁并同时玻璃化，沉积结束后塌缩成实心的芯棒。此步骤中，氟和硼的主要目的是为了降低折射率，由于两种原料的折射系数相仿，热膨胀系数硼大于氟，通过调整优化氟与硼的比例来控制应力棒的折射率与热膨胀系数，保证最终光纤应力区的耐研磨性能。在氟硼共掺的过程中，为了避免因氟掺杂量过大导致应力区热膨胀系数过低的情况，需要对其流量根据工艺要求进行精准控制，氟和硼的浓度比控制典型值可为1:30左右。
[0058]
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。