一种一体化保偏光纤及其制备方法和包含其的集成化陀螺与流程

本发明属于特种光纤制备，具体涉及一种一体化保偏光纤及其制备方法和包含其的集成化陀螺。

背景技术：

1、在惯导系统中，光纤陀螺的应用十分广泛，随着行业的发展，光纤陀螺也逐步向高精度、低成本、小型化等方向发展。常规光纤陀螺包含ase光源、耦合器、探测器、y波导和光纤环，随着集成电路和光器件芯片的发展，ase光源、耦合器、探测器、y波导四个独立的部件开始进行集成，形成由光器件芯片化+电路asic化+光纤环圈小型化所组成的新型光纤陀螺集成化设计方案。

2、根据集成化陀螺的结构特征，所用的保偏光纤往往需满足以下几个特征：特征一、光纤具有高双折射性能，1310nm和1550nm工作波段，拍长小于等于2.5mm，光纤具有优异绕环性能；特征二、光纤端面可研磨，研磨后光纤端面出现开裂的概率不大于2%；特征三、光纤研磨后的端面与光学器件芯片耦合，需要模场匹配，耦合损耗不大于3db。特征四、光纤弯曲直径小，满足陀螺小型化，在5mm弯曲直径，打10圈条件下，1310nm和1550nm波段宏弯损耗不大于0.1db。

3、目前，国内陀螺用的保偏光纤通常分绕环型和波导型两个大类，可研磨的波导型光纤双折射性能差，不能用于绕制光纤环；可用于绕光纤环的绕环型光纤双折射性强，但不具备研磨性能，且在弯曲直径为5mm条件下宏弯损耗大。也正因如此，常规的保偏光纤很难有效满足集成化陀螺的应用需求；虽然现有技术中针对保偏光纤的结构进行了针对性地改进，但改进后的保偏光纤也存在或多或少的问题，很难完美适配前述四个特征，进而影响了集成化光纤陀螺的发展和应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种一体化保偏光纤及其制备方法和包含其的集成化陀螺，能够有效满足集成化陀螺所需光纤的四个特征，充分满足保偏光纤在集成化陀螺中的应用需求，并充分简化了一体化保偏光纤的制备过程，降低了集成化陀螺用保偏光纤的应用成本。

2、为实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种一体化保偏光纤，包括纤芯和在所述纤芯外侧由内自外依次设置的内包层和外包层，且所述外包层中以所述纤芯对称设置有两应力区；

3、所述纤芯为椭圆形纤芯，两所述应力区对称分设于所述纤芯的长轴方向两侧；且

4、所述纤芯的椭圆率范围处于[20%,35%]之间；所述内包层短轴直径d2与所述纤芯短轴直径d1的比值介于[2,3]之间；以及

5、所述内包层的相对折射率差δ2处于[-0.35%,-0.2%]之间；所述应力区的相对折射率差δ3处于[-0.85%，-0.7%]之间。

6、作为本发明的进一步改进，该一体化保偏光纤的裸纤拉丝后，在涂覆前进行有500~700℃温度环境下的退火作业。

7、作为本发明的进一步改进，所述裸纤在退火作业后，在其外周由内至外依次涂覆有内涂层和外涂层。

8、作为本发明的进一步改进，所述应力区边缘到所述纤芯边缘的距离大于1.5μm。

9、作为本发明的进一步改进，两所述应力区横截面积之和与裸纤横截面积的比值介于13.5%~20.5%之间。

10、作为本发明的进一步改进，所述应力区边缘位置处的折射率剖面进行有渐变设计。

11、本发明的另一个方面，还提供了一种集成化陀螺用一体化保偏光纤的制备方法，其包括如下过程：

12、（1）制备芯棒；由外至内依次沉积掺f的内包层和ge、f共掺的芯层，并控制内包层直径与芯层直径的比值介于[2,3]之间，以及控制内包层的相对折射率差δ2处于[-0.35%,-0.2%]之间；

13、（2）根据一体化保偏光纤的纤芯椭圆度范围确定芯棒的打磨尺寸，并将芯棒的外表面两侧对称打磨成月牙形；所述纤芯椭圆度范围为[20%,35%]；

14、（3）将打磨后的芯棒嵌入相应的石英套管中进行拉伸，制得椭圆芯保偏实心光棒；

15、（4）制备应力棒，控制应力棒的相对折射率差δ3处于[-0.85%,-0.7%]之间，并将制得的应力棒打磨至所需尺寸；

16、（5）在所述椭圆芯保偏实心光棒的芯层长轴方向两侧确定应力区打孔的位置并对称钻孔；

17、（6）将打磨后的两应力棒组合嵌入实心光棒上的开孔中，并对组合后的光棒进行拉伸，制得椭圆芯熊猫型保偏光纤预制棒；

18、（7）利用所述椭圆芯熊猫型保偏光纤预制棒拉丝制备集成化陀螺用一体化保偏光纤。

19、作为本发明的进一步改进，在过程（1）中，芯棒的制备过程包括先后进行的芯棒沉积过程和芯棒熔缩过程；且

20、在所述芯棒沉积过程中，内包层与芯层的沉积速率控制在0.5~1.5g/min范围内，且管内温度＜1200℃，管内压力控制在10~20mbar；

21、和/或

22、在所述芯棒熔缩过程中，采用微正压，低速，低功率的工艺进行芯棒熔缩，熔缩时管内压力控制在高于大气压5~20mbar，熔缩速度控制在10~20mm/min，熔缩功率控制在5~10kw。

23、作为本发明的进一步改进，在过程（3）中，拉伸过程的拉伸炉功率控制在40~50kw，拉伸速度控制在10~20mm/min，制得直径为50±1mm，棒圆度≤1%的椭圆芯保偏实心光棒。

24、作为本发明的进一步改进，在过程（4）中，两打磨后应力棒的横截面积之和与椭圆芯保偏实心光棒的横截面积的比值介于13.5%~20.5%之间。

25、作为本发明的进一步改进，在过程（4）中，应力棒相对折射率差δ3的控制通过约束应力棒中b2o3的摩尔掺杂含量来实现，该摩尔掺杂含量的范围为18%~22%。

26、作为本发明的进一步改进，在过程（6）中，组合后光棒的拉伸过程采用低温、低速、低压的拉伸工艺，拉伸炉功率控制在5~10kw，拉伸速度控制在2~5mm/min，管内压力控制在0~50mbar。

27、作为本发明的进一步改进，在过程（7）中，在裸纤拉丝后、涂覆前，还进行有裸纤的退火作业，退火温度设置为500~700℃。

28、本发明的另一个方面，还提供了一种集成化陀螺，其包括卷轴和缠绕在该卷轴上的一体化保偏光纤；

29、所述一体化保偏光纤通过所述的集成化陀螺用一体化保偏光纤的制备方法制备得到。

30、作为本发明的进一步改进，所述卷轴的直径介于5~30mm之间，且该卷轴上的一体化保偏光纤的长度不大于300m；

31、或者

32、所述卷轴的直径大于30mm，且该卷轴上缠绕设置的一体化保偏光纤的长度不大于3000m。

33、上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

34、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

35、（1）本发明的一体化保偏光纤，其通过优选保偏光纤的结构形式，在椭圆芯的长轴方向两侧对称设置应力区，再通过对纤芯椭圆率、内包层短轴直径与纤芯短轴直径比值、内包层和应力区相对折射率差的优选设计，使得一体化保偏光纤可以有效满足集成化陀螺用光纤的特征要求，进而满足集成化光纤陀螺的设置要求，实现光纤陀螺的小型化设计，降低光纤陀螺的使用成本。

36、（2）本发明的一体化保偏光纤，其通过在裸纤外周涂覆作业前对裸纤进行退火作业，并进一步优选应力区边缘到纤芯边缘的距离，可以进一步改善一体化保偏光纤的性能，降低光纤的本征衰耗和拍长，使之更好地复合集成化光纤陀螺的使用需求，进一步提升光纤的使用性能。

37、（3）本发明的集成化陀螺用一体化保偏光纤的制备方法，其步骤简单，控制简便，通过在一体化保偏光纤预制棒制备过程中对芯层的椭圆度、芯层与内包层短轴直径的比值、内包层与应力区中掺杂物及其掺量进行优选，使得制备后的光纤预制棒可以准确制得一体化保偏光纤，有效保证一体化保偏光纤满足集成化陀螺所需光纤的四个特征，充分满足集成化光纤陀螺的光纤需求，提升光纤制备的效率的同时，有效降低集成化光纤陀螺的应用成本。

38、（4）本发明的集成化陀螺用一体化保偏光纤的制备方法，其通过优选设置芯棒的成型过程以及芯层、内包层、应力层的掺杂元素和掺杂比例，可以充分满足一体化保偏光纤各部位结构特征的设置要求，快速实现一体化保偏光纤预制棒的成型；同时，通过在拉丝塔的尾端与涂覆机构之间设置退火保温炉，利用裸纤退火温度的优选，可以充分保证一体化保偏光纤的制备效率和制备质量。

39、（5）本发明的集成化陀螺，其包括卷轴和对应缠绕设置在该卷轴上的一体化保偏光纤，通过对一体化保偏光纤性能参数的设计以及制备工艺的优选设计，能够确保一体化保偏光纤能够充分满足集成化陀螺小型化、智能化的设置需求，充分保证集成化陀螺的产品性能，降低集成化陀螺的使用成本，推动集成化陀螺以及相关产业的发展。

40、（6）本发明的一体化保偏光纤，其结构简单，制备便捷，能够有效满足集成化光纤陀螺制备所需光纤的四个特征，充分满足一体化保偏光纤在集成化陀螺中的应用需求，提升集成化光纤陀螺的制备效率和制备精度，降低集成化光纤陀螺的制备和应用成本，具有较好的经济价值和实用价值。