本發(fā)明屬于保偏光纖
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種橢圓芯熊貓型保偏光纖及其制作方法。
背景技術(shù)：
：干涉式光纖陀螺是一種用于慣性導(dǎo)航的光纖傳感器，因?yàn)闆](méi)有活動(dòng)部件，也稱為固態(tài)陀螺儀。干涉式光纖陀螺的敏感部件是保偏光纖環(huán)和Y型波導(dǎo)，通常保偏光纖環(huán)采用熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓包層型、橢圓芯型和保偏光子晶體光纖。盡管光纖的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)差異較大，但是主要分成兩類：(1)應(yīng)力區(qū)型保偏光纖；(2)幾何型雙折射保偏光纖。其中，應(yīng)力區(qū)型保偏光纖內(nèi)引入了一對(duì)高膨脹系數(shù)材料的應(yīng)力區(qū)，對(duì)稱分布在高折射率的纖芯兩邊。應(yīng)力區(qū)一般采用硼硅玻璃，取代了石英材料；光纖在高溫拉制成型后冷卻，不同材料使延應(yīng)力區(qū)軸方向的應(yīng)力產(chǎn)生變化，同時(shí)纖芯的應(yīng)力區(qū)軸方向的相對(duì)折射率降低。這種被引入的應(yīng)力使纖芯有兩種折射率而產(chǎn)生雙折射。應(yīng)力區(qū)型保偏光纖中存在三種以上的元素，即石英，硼，鍺等。石英摻雜材料的熱膨脹系數(shù)滿足：S(d)＝m*Sd+(1-m)S0，它也可以用于摻硼石英材料，其中Sd表示純B2O3玻璃的熱膨脹系數(shù)，Sd＝10×10-6/℃，S0為純石英玻璃的熱膨脹系數(shù)，S0≈5×10-7/℃，m表示玻璃中B2O3的摩爾含量，其中硼材料熱膨脹系數(shù)大于石英材料和氧化鍺材料，同時(shí)硼材料的摻雜摩爾濃度越高，熱膨脹系數(shù)越大。光纖陀螺如果使用熊貓型保偏光纖，尤其是高摻雜硼材料的應(yīng)力區(qū)型光纖，纖芯的應(yīng)力會(huì)隨溫度的變化而變化，進(jìn)而造成光纖陀螺的穩(wěn)定性差。另一方面，硼材料摻雜過(guò)高，盡管光纖的雙折射可以提高(10-3量級(jí))，但是也帶來(lái)了光纖損耗提高和光纖端面難以研磨處理。幾何型雙折射保偏光纖使用光纖纖芯快慢軸尺寸不一樣的結(jié)構(gòu)，無(wú)硼硅玻璃應(yīng)力區(qū)，光纖纖芯材料摻鍺，包層材料是純石英。因?yàn)闆](méi)有應(yīng)力區(qū)的結(jié)構(gòu)，光纖陀螺在溫度變化的環(huán)境中使用，陀螺輸出的零偏較穩(wěn)定，同時(shí)這類光纖的端面容易進(jìn)行研磨處理，但是幾何型雙折射保偏光纖的雙折射一般并不高(10-4量級(jí))，不適宜使用在干涉式光纖陀螺環(huán)中。光纖陀螺系統(tǒng)互易性光路中使用的是兩種截然不同的保偏光纖組成：繞環(huán)使用的光纖需要較強(qiáng)的雙折射效應(yīng)，為了實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的雙折射效應(yīng)，一般做法是增加應(yīng)力區(qū)的摻雜濃度；而Y型波導(dǎo)尾纖，由于使用時(shí)需要研磨，為保證研磨過(guò)程應(yīng)力區(qū)不開(kāi)裂，需降低應(yīng)力區(qū)摻雜濃度。繞環(huán)使用的光纖與Y波導(dǎo)尾纖不一樣，破壞了光路的互易性，并且兩種光纖之間存在熔接點(diǎn)，熔接點(diǎn)會(huì)影響偏振串?dāng)_，進(jìn)而影響零偏精度和標(biāo)度因素。另外，熔接點(diǎn)封裝體積大于30mm，也限制了光纖陀螺體積。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有光纖陀螺中繞環(huán)和波導(dǎo)所用光纖存在無(wú)法一體化的問(wèn)題，提出一種橢圓芯熊貓型保偏光纖及其制作方法，解決了繞環(huán)和波導(dǎo)無(wú)法一體化用纖的技術(shù)難題，光纖損耗低，雙折射性能強(qiáng)，在保持偏振性能的同時(shí)，增加了可研磨性能。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種橢圓芯熊貓型保偏光纖，包括纖芯、應(yīng)力區(qū)、包層和外部涂層，其特征在于，纖芯設(shè)置1個(gè)，應(yīng)力區(qū)設(shè)置2個(gè)，纖芯橫截面為橢圓形(實(shí)現(xiàn)幾何型雙折射特性)，纖芯設(shè)置于包層的中心，纖芯橫截面中心點(diǎn)位置與光纖橫截面中心點(diǎn)位置重合，2個(gè)應(yīng)力區(qū)對(duì)稱分布在橢圓形的纖芯沿長(zhǎng)軸方向的兩側(cè)(實(shí)現(xiàn)應(yīng)力區(qū)型雙折射現(xiàn)象)，并置于包層中，包層外側(cè)設(shè)置外部涂層。按上述方案，橢圓形的纖芯橫截面長(zhǎng)寬比(長(zhǎng)軸和短軸的尺寸比例)為2:1～4:1，長(zhǎng)寬比持續(xù)增加時(shí)，制造出的保偏光纖的拍長(zhǎng)越短，同時(shí)波導(dǎo)支持的光模式增加。按上述方案，光纖傳導(dǎo)的光模式為單模，工作波長(zhǎng)由光纖的材料、纖芯橫截面的長(zhǎng)寬比、應(yīng)力區(qū)折射率差決定。按上述方案，應(yīng)力區(qū)為圓形硼硅玻璃，應(yīng)力區(qū)的中心點(diǎn)距離纖芯的距離為16～18微米，應(yīng)力區(qū)直徑為22～26微米，硼元素?fù)诫s濃度為16％至20％；應(yīng)力區(qū)相對(duì)石英玻璃折射率差為-0.010～-0.013，光纖的雙折射性能由纖芯的長(zhǎng)寬比和應(yīng)力區(qū)直徑或應(yīng)力區(qū)硼元素?fù)诫s濃度共同決定。按上述方案，所述外部涂層包括光纖內(nèi)層涂料和光纖外層涂料，外部涂層材料和通訊光纖類似(或者根據(jù)應(yīng)用要求換成其他涂層材料)。本發(fā)明還提供了一種上述橢圓芯熊貓型保偏光纖的制作方法，包括以下步驟：步驟一，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法準(zhǔn)備芯棒，利用MCVD或FCVD制備大芯徑高數(shù)值孔徑的芯棒，根據(jù)芯徑和數(shù)值孔徑控制光纖的模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)；步驟二，對(duì)芯棒進(jìn)行扁平打磨拉伸；步驟三，將芯棒整形成橢圓芯芯棒，在橢圓芯芯棒的長(zhǎng)軸方向打孔(根據(jù)打孔間距調(diào)整光纖應(yīng)力雙折射性能和衰減)，打孔的位置和纖芯的間距越近，光纖的拍長(zhǎng)越短，即光纖具有更高的雙折射效果；打孔間距越遠(yuǎn)，效果反之；然后在短軸方向整形，確保光纖包層的圓度；步驟四，制備兩根應(yīng)力棒，根據(jù)步驟三的打孔孔徑打磨成圓柱形低摻雜應(yīng)力棒(根據(jù)應(yīng)力棒芯徑控制光纖中應(yīng)力區(qū)直徑，從而控制雙折射性能)；步驟五，將橢圓芯芯棒和兩根圓柱形應(yīng)力棒置于純硅包層中，芯棒、應(yīng)力棒和包層整體形成光纖預(yù)制棒，對(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行套管(RIT)拉絲，最終在光纖預(yù)制棒外側(cè)設(shè)置外部涂層，制成所述橢圓芯熊貓型保偏光纖。按上述方案，所述步驟二中芯棒外圍打磨至合適尺寸后，按照不同芯徑打磨比進(jìn)行長(zhǎng)短軸扁平打磨，然后進(jìn)行拉伸，拉伸過(guò)程中，芯區(qū)變橢，外圓變圓，根據(jù)扁平打磨比例控制光纖芯徑長(zhǎng)短軸比例，從而控制附加拍長(zhǎng)。按上述方案，所述步驟二中芯棒的芯徑打磨比為2:1～4:3，拉伸比例為2:1～4:1。按上述方案，所述步驟三中芯棒整形成橢圓芯芯棒采用以下三種方式中的任意一種實(shí)現(xiàn)：1)采用圓形套管對(duì)芯棒熔縮打孔整形成橢圓芯芯棒，熔縮后在橢圓芯芯棒的長(zhǎng)軸方向按照不同間距打孔；2)采用菱形套管對(duì)芯棒熔縮打孔整形成橢圓芯芯棒，熔縮后在橢圓芯芯棒的長(zhǎng)軸方向按照不同間距打孔；3)三孔組合拉絲法，采用純硅棒打孔整形成橢圓芯芯棒，在橢圓芯芯棒的長(zhǎng)軸方向的同一直線上打三個(gè)孔，中間為適用于纖芯的小孔，兩邊為適用于應(yīng)力棒的大孔。按上述方案，所述步驟四中應(yīng)力棒摻雜濃度等同于Y型波導(dǎo)尾光纖應(yīng)力區(qū)摻雜濃度(也可根據(jù)應(yīng)用，靈活調(diào)整)。本發(fā)明橢圓芯熊貓保偏光纖相比傳統(tǒng)保偏光纖，具有如下有益效果：1、光纖損耗低，雙折射性能強(qiáng)，傳統(tǒng)保偏光纖為了保證雙折射性能，應(yīng)力區(qū)到芯徑距離較近，硼材料擴(kuò)散造成光纖衰減變大，而本發(fā)明中的光纖的纖芯是橢圓形，屬于幾何型雙折射，同樣的摻雜濃度的應(yīng)力區(qū)，相對(duì)雙折射性能等同于或者優(yōu)于應(yīng)力區(qū)型保偏光纖，可以達(dá)到10-2量級(jí)，光纖的輸出串音受溫度影響小，適用于制作光纖陀螺中的光纖環(huán)；幾何型雙折射和應(yīng)力區(qū)型雙折射現(xiàn)象疊加，則可以加大應(yīng)力區(qū)到纖芯距離，從而減少了硼材料擴(kuò)散引起的附加衰減；2、達(dá)到同樣的光纖雙折射效果，橢圓芯的長(zhǎng)寬比例不需要很大；3、光纖的切割簡(jiǎn)單，不易出現(xiàn)切割時(shí)應(yīng)力區(qū)開(kāi)裂；同時(shí)光纖可以用來(lái)繞制光纖陀螺環(huán)，光纖端面也可以研磨處理，解決了繞環(huán)纖無(wú)法制作波導(dǎo)，波導(dǎo)纖無(wú)法滿足繞環(huán)需求的問(wèn)題，光纖的雙折射性能達(dá)到繞環(huán)性能要求，其可研磨性符合波導(dǎo)要求，時(shí)繞環(huán)和波導(dǎo)一體化，可以用于Y型波導(dǎo)的制作；陀螺環(huán)和波導(dǎo)光纖使用同一根光纖提高光纖陀螺系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)減小了由于熔接封裝而增加的陀螺體積，使得小型化光纖陀螺成為可能；同時(shí)，無(wú)熔點(diǎn)可保證光路的互易性，且互易性光路中沒(méi)有熔點(diǎn)引入的偏振串?dāng)_，可進(jìn)一步提高光纖陀螺系統(tǒng)的精度；4、溫度性能好，由于芯區(qū)為橢圓芯型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硼硅玻璃應(yīng)力區(qū)的硼摻雜濃度低于同等雙折射熊貓光纖，受溫度影響較小，低摻雜濃度的硼硅玻璃的熱膨脹系數(shù)和石英接近，使光纖在繞環(huán)后溫度敏感性低，適合復(fù)雜環(huán)境使用要求；5、普通熊貓光纖制作是先制備芯棒，然后加套管直接熔縮打孔，而本發(fā)明橢圓芯熊貓型保偏光纖制作過(guò)程是制備芯棒后，先要扁平打磨后拉伸，再熔縮打孔，且打孔位置需特定在橢圓芯長(zhǎng)軸方向，芯棒芯包比和套管尺寸也不同于普通熊貓保偏光纖，適合批量生產(chǎn)。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明橢圓芯型熊貓保偏光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施橢圓芯型熊貓保偏光纖的光纖預(yù)制棒結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中光纖制備方法之一的芯棒制備及拉伸示意圖；圖中，1-纖芯，2-應(yīng)力區(qū)，3-包層，4-光纖內(nèi)層涂料，5-光纖外層涂料。具體實(shí)施方式下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明所述的橢圓芯熊貓保偏光纖的光纖預(yù)制棒結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例中，提供一種橢圓芯熊貓型保偏光纖，包括纖芯1、應(yīng)力區(qū)2、包層3和外部涂層，纖芯設(shè)置1個(gè)，應(yīng)力區(qū)設(shè)置2個(gè)，纖芯1橫截面為橢圓形(實(shí)現(xiàn)幾何型雙折射特性)，纖芯1設(shè)置于包層3的中心，纖芯1橫截面中心點(diǎn)位置與光纖橫截面中心點(diǎn)位置重合，2個(gè)應(yīng)力區(qū)2對(duì)稱分布在橢圓形的纖芯1沿長(zhǎng)軸方向的兩側(cè)(實(shí)現(xiàn)應(yīng)力區(qū)型雙折射現(xiàn)象)，并置于包層3中，包層3外側(cè)設(shè)置外部涂層，外部涂層包括光纖內(nèi)層涂料4和光纖外層涂料5，外部涂層材料和通訊光纖類似或者根據(jù)應(yīng)用要求換成其他涂層材料；幾何型雙折射和應(yīng)力區(qū)型雙折射現(xiàn)象疊加，使保偏光纖的雙折射效果更強(qiáng)。圖1中，L1為光纖外層涂料5直徑，L2為光纖內(nèi)層涂料4直徑，L3為純硅包層3厚度。橢圓形的纖芯1橫截面長(zhǎng)寬比(長(zhǎng)軸和短軸的尺寸比例)為2:1～4:1，長(zhǎng)寬比持續(xù)增加時(shí)，制造出的保偏光纖的拍長(zhǎng)越短，但是同時(shí)波導(dǎo)支持的光模式增加。光纖傳導(dǎo)的光模式為單模，工作波長(zhǎng)由光纖的材料、纖芯1橫截面的長(zhǎng)寬比、應(yīng)力區(qū)2折射率差決定。應(yīng)力區(qū)2為圓形硼硅玻璃，應(yīng)力區(qū)2的中心點(diǎn)距離纖芯1的距離為16～18微米，應(yīng)力區(qū)2直徑為22～26微米，硼元素?fù)诫s濃度為16％至20％；應(yīng)力區(qū)2相對(duì)石英玻璃折射率差為-0.010～-0.013，光纖的雙折射性能由纖芯1的長(zhǎng)寬比和應(yīng)力區(qū)2直徑或應(yīng)力區(qū)2硼元素?fù)诫s濃度共同決定，橢圓芯熊貓型保偏光纖各個(gè)參數(shù)性能如表1所示。表1橢圓芯熊貓型保偏光纖各個(gè)參數(shù)性能表打磨比例應(yīng)力區(qū)直徑應(yīng)力區(qū)到纖芯距離應(yīng)力區(qū)摻雜濃度拍長(zhǎng)損耗@13104:3至2:122至26微米16至18微米16％至20％1.5至3.0mm0.4至0.6本發(fā)明實(shí)施例中，還提供幾種保偏光纖的制作方法。實(shí)施例1：橢圓芯熊貓型保偏光纖的制作方法包括以下步驟：步驟一，采用ChemicalVapourDeposition(CVD)技術(shù)準(zhǔn)備芯棒，利用ModifiedChemicalVapourDeposition(MCVD)或FurnaceChemicalVapourDeposition(FCVD)制備大芯徑高數(shù)值孔徑NumericalAperture(NA)芯棒，根據(jù)芯徑和數(shù)值孔徑NA控制光纖的模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)；步驟二，芯棒扁平打磨拉伸，芯棒外圍打磨至合適尺寸后，按照不同比例進(jìn)行長(zhǎng)短軸扁平打磨，然后進(jìn)行拉伸，拉伸過(guò)程中，芯區(qū)由圓形變橢圓形，外圓變圓，根據(jù)扁平打磨比例控制光纖芯徑長(zhǎng)短軸比例，從而控制附加拍長(zhǎng)；步驟三，如圖3所示，熔縮打孔整形，選用合適圓形套管熔縮，熔縮后在長(zhǎng)軸方向按照不同間距打孔，打孔的位置和纖芯的間距越近，光纖的拍長(zhǎng)越短，即光纖具有更高的雙折射效果；打孔間距越遠(yuǎn)，效果反之；然后在短軸方向整形，確保光纖包層的圓度，根據(jù)打孔間距調(diào)整光纖應(yīng)力雙折射性能和衰減；步驟四，應(yīng)力棒制備，打磨，制備低摻雜應(yīng)力棒，摻雜濃度根據(jù)應(yīng)用，靈活調(diào)整，可以等同于Y型波導(dǎo)尾光纖應(yīng)力區(qū)摻雜濃度，然后按照打孔孔徑打磨應(yīng)力棒，根據(jù)應(yīng)力棒芯徑控制光纖中應(yīng)力區(qū)直徑，從而控制雙折射性能；步驟五，將橢圓芯芯棒和兩根圓柱形應(yīng)力棒置于純硅包層中，芯棒、應(yīng)力棒和包層整體形成光纖預(yù)制棒，如圖2所示，對(duì)光纖預(yù)制棒套管RIT拉絲，光纖預(yù)制棒組合抽真空拉絲，拉絲工藝和現(xiàn)有保偏光纖類似；最終在光纖預(yù)制棒外側(cè)設(shè)置外部涂層，制成橢圓芯熊貓型保偏光纖。實(shí)施例2：橢圓芯熊貓型保偏光纖的制作方法包括以下步驟：步驟一，采用CVD技術(shù)準(zhǔn)備芯棒，制備大芯徑高數(shù)值孔徑NA芯棒，根據(jù)芯徑和數(shù)值孔徑NA控制光纖的模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)；步驟二，芯棒扁平打磨拉伸，芯棒外圍打磨至合適尺寸后，然后進(jìn)行拉伸至合適尺寸；步驟三，熔縮打孔整形，選用合適菱形套管熔縮，熔縮后在長(zhǎng)軸方向按照不同間距打孔，然后在短軸方向整形，確保光纖包層的圓度，根據(jù)打孔間距調(diào)整光纖應(yīng)力雙折射性能和衰減；步驟四，應(yīng)力棒制備，打磨，制備低摻雜應(yīng)力棒，摻雜濃度根據(jù)應(yīng)用，靈活調(diào)整，可以等同于Y型波導(dǎo)尾光纖應(yīng)力區(qū)摻雜濃度，然后按照步驟三的打孔孔徑打磨應(yīng)力棒，根據(jù)應(yīng)力棒芯徑控制光纖中應(yīng)力區(qū)直徑，從而控制雙折射性能；步驟五，光纖預(yù)制棒RIT拉絲，光纖預(yù)制棒組合抽真空拉絲，拉絲工藝和現(xiàn)有保偏光纖類似；最終在光纖預(yù)制棒外側(cè)設(shè)置外部涂層，制成橢圓芯熊貓型保偏光纖。實(shí)施例3：橢圓芯熊貓型保偏光纖的制作方法包括以下步驟：步驟一，采用CVD技術(shù)準(zhǔn)備芯棒，利用MCVD或FCVD制備大芯徑高數(shù)值孔徑NA芯棒，根據(jù)芯徑和數(shù)值孔徑NA控制光纖的模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)；步驟二，芯棒扁平打磨拉伸，芯棒外圍打磨至合適尺寸后，按照不同比例經(jīng)行長(zhǎng)短軸扁平打磨，然后進(jìn)行拉伸，拉伸過(guò)程中，芯區(qū)變橢，外圓變圓，可根據(jù)扁平打磨比例控制光纖芯徑長(zhǎng)短軸比例，從而控制附加拍長(zhǎng)；步驟三，純硅棒打孔整形，選用在同一直線上打三個(gè)孔，中間為小孔，兩邊為大孔；步驟四，應(yīng)力棒制備，打磨，制備低摻雜應(yīng)力棒，摻雜濃度等同于Y型波導(dǎo)尾光纖應(yīng)力區(qū)摻雜濃度，然后按照打步驟三兩邊的大孔徑打磨應(yīng)力棒，根據(jù)應(yīng)力棒芯徑控制光纖中應(yīng)力區(qū)直徑，從而控制雙折射性能；步驟五，光纖預(yù)制棒RIT拉絲，光纖預(yù)制棒組合抽真空拉絲，拉絲工藝和現(xiàn)有保偏光纖類似；最終在光纖預(yù)制棒外側(cè)設(shè)置外部涂層，制成橢圓芯熊貓型保偏光纖。本發(fā)明利用橢圓芯光纖的幾何雙折射效應(yīng)和熊貓型保偏光纖的應(yīng)力雙折射效應(yīng)疊加，在不需過(guò)大的纖芯長(zhǎng)寬比和應(yīng)力區(qū)應(yīng)力棒摻雜濃度上，既可以達(dá)到繞環(huán)需要的雙折射效應(yīng)，也可以實(shí)現(xiàn)Y型波導(dǎo)尾光纖需要的可研磨性，將繞環(huán)使用的光纖與Y型波導(dǎo)尾光纖統(tǒng)一，在互易性光路中無(wú)熔點(diǎn)，無(wú)熔點(diǎn)封裝體積限制，使得小型化光纖陀螺成為可能；同時(shí)，無(wú)熔點(diǎn)可保證光路的互易性，且沒(méi)有熔點(diǎn)引入的偏振串?dāng)_，可進(jìn)一步提高光纖陀螺系統(tǒng)的精度。顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3