阅读说明：本技术 一种椭圆芯保偏光纤的制造方法 (Method for manufacturing elliptical core polarization maintaining optical fiber ) 是由 朱婷婷 汪杰 赵霞 徐丹 吴浩 姜恺铭 史连凤 张慧 张冬梅 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种椭圆芯保偏光纤的制造方法,包括以下步骤：步骤一、选择合适芯棒的基管,进行预处理；步骤二、制造芯棒,芯棒包括内包层与芯层；步骤三、在芯棒的芯层沉积结束后,先进行芯层内壁一侧的定向刻蚀,刻出月牙型；然后对相对侧刻出相同弧度的月牙型,最终基管内空心圆由最初的圆形刻蚀为椭圆形；步骤四、芯棒沉积、刻蚀结束后,对基管进行正向和反向塌缩,制成一根实心椭圆芯光棒；步骤五、将芯棒放置在沉积后的石英套管中,组合构成椭圆芯保偏光棒；步骤六、光棒进行拉丝,拉制成细径裸光纤,并在裸光纤外表面涂覆光纤涂料,得到最终椭圆芯保偏光纤。本发明通过定向刻蚀,一次成型,减少工艺的程序,稳定性、可靠性提高。(The invention relates to a method for manufacturing an elliptical core polarization maintaining optical fiber, which comprises the following steps: firstly, selecting a base pipe with a proper mandrel for pretreatment; manufacturing a core rod, wherein the core rod comprises an inner cladding and a core layer; step three, after the core layer deposition of the core rod is finished, firstly, performing directional etching on one side of the inner wall of the core layer to etch a crescent shape; then, the opposite sides are engraved with crescent shapes with the same radian, and finally, the hollow circle in the base tube is etched into an ellipse from the initial circle; after the deposition and the etching of the core rod are finished, collapsing the base tube in the forward direction and the reverse direction to manufacture a solid elliptical core rod; placing the core rod in the deposited quartz sleeve, and combining to form an elliptical core polarization maintaining rod; and sixthly, drawing the optical rod into a thin-diameter bare optical fiber, and coating an optical fiber coating on the outer surface of the bare optical fiber to obtain the final elliptic core polarization maintaining optical fiber. The invention reduces the process procedures and improves the stability and the reliability through directional etching and one-step molding.)

一种椭圆芯保偏光纤的制造方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种椭圆芯保偏光纤的制造方法。

背景技术

保偏光纤是一种特殊的单模光纤，通过在单模光纤中引入双折射，使得两正交传播常数差别较大，从而减小两模式的耦合几率，实现当线偏振光沿光纤其中的一个主轴注入时，能保持光的偏振态在传输一段距离后不发生改变。从双折射产生的原理上看常用的有应力致双折射、几何形状致双折射。

国内目前应力致双折射中使用最广泛的是熊猫型保偏光纤。它具有易耦合、制作简单的特点。通常通过增加应力区直径、掺硼浓度提高光纤的偏振性能。但因其大的应力区尺寸使其全温范围内的温度稳定性较差。

几何形状致双折射型，利用材料几何结构的不对称性，从而导致光纤折射率在不同的方向上存在差异性，引起双折射。其中，较为常见的是椭圆芯保偏光纤，椭圆芯保偏光纤纤芯椭圆度由椭圆芯长短轴计算而出，e＝α/b，α为椭圆芯长轴长度，b为椭圆芯短轴长度。椭圆芯保偏光纤基于几何结构不对称性产生双折射，比较应力型致偏，其具有良好的温度稳定性，可用于光纤式电流互感器、高精度陀螺领域。通过对椭圆芯保偏光纤纤芯椭圆度的设计，可实现较高的双折射，从而保持光纤的偏振性能。

目前，制备椭圆芯保偏光纤主要通过机械加工处理形成成形品。如中国专利文献CN106199827Α公开了“一种椭圆芯熊猫型保偏光纤及其制作方法”，其对含有圆形纤芯的预制棒进行处理，使其外表层扁平，形成预加工成形品，再通过加热拉伸预加工成椭圆芯保偏光纤。但此方法对精确控制椭圆芯椭圆度难度较大，另外，需要对预制棒进行多次机械处理，加工难度较大；再者中国专利CN105985015Α公开了“一种椭圆芯保偏光纤及其制造方法”，其包括使用菱形结构靶棒，采用外喷工艺对石英玻璃套管进行沉积，去掉靶棒后形成纯石英玻璃菱形内孔套管。再机械加工芯棒，使之与纯石英玻璃菱形内孔套管的内表面相切，构成保偏光纤预制棒。其对加工工艺要求极高，且工艺复杂。

综上所述，现有常规技术中的椭圆芯保偏光纤制作方法机械处理程序繁杂，导致加工难度大、稳定性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一次成型、温度性能稳定且自由可控制椭圆芯椭圆度的保偏光纤制造方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种椭圆芯保偏光纤的制造方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、选择合适芯棒的基管，并对基管进行预处理，一方面实现预热的目的，另一方面去除基管内壁杂质等附着物。

步骤二、用化学气相沉积法制造芯棒，芯棒包括内包层与芯层。芯棒沉积先沉积内包层，再沉积锗磷共掺的芯层，沉积厚度为L。芯层尺寸为1～3mm，掺杂元素为锗磷，其相对折射率差为0.8％～1.6％；内包层直径与芯层直径比为3:1～6:1，其中内包层掺杂元素为氟，折射率差为-0.5％～-0.1％。基管层由纯硅制造，其相对折射率差为0。

步骤三、在芯棒的锗磷共掺层沉积结束后，基管内空心圆的半径为r。此时先进行一侧锗磷共掺层的定向刻蚀，基管内通入含氟的腐蚀性气体，基管外使用火头沿基管轴向来回移动刻蚀。最终将芯层一侧刻出月牙型。然后将衬管旋转180度后，按之前同样步骤刻出相同的弧度，最终基管内空心圆由最初的圆形刻蚀为椭圆形。刻蚀厚度ΔL由火头移动往返次数控制。

步骤四、芯棒沉积、刻蚀结束后，对基管进行正向和反向塌缩，制成一根实心椭圆芯光棒，由塌缩前后横截面积(CSA)公式可得出，塌缩完成后椭圆芯椭圆度e满足其中，L为芯层沉积的厚度，r为基管内空心圆的半径，n为火头往返腐蚀的次数，ΔL₁为平均每次刻蚀的厚度。通过控制刻蚀的厚度，可精确控制椭圆芯椭圆度，最终实现椭圆芯的长短轴之比e的范围为2:1～5:1。

步骤五、将芯棒放置在沉积后的石英套管中，组合构成椭圆芯保偏光棒。

步骤六、按上步骤完成后的光棒进行拉丝，拉制成细径裸光纤，并在裸光纤外表面涂覆两层丙烯酸树脂光纤涂料，得到最终椭圆芯保偏光纤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、在工作温度范围内，实现稳定的温度性能，抗外界干扰能力强。

2、可通过刻蚀面积大小，精确控制椭圆芯保偏光纤的椭圆度，从而控制光纤偏振度。

3、通过定向刻蚀，一次成型，减少工艺的程序，稳定性、可靠性提高。

附图说明

图1为本发明实例中芯棒沉积完成后的横截面示意图。

图2为本发明实例中芯棒刻蚀完成后的横截面示意图。

图3为本发明实例中芯棒塌缩完成后的横截面示意图。

图4为本发明实例中椭圆芯芯棒套管完成后的横截面示意图。

图5为本发明实例中椭圆芯保偏光纤横截面示意图。

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。

实施例1，用化学气相沉积法在MCVD车床上首先进行基管3预处理，然后沉积芯棒：先沉积掺氟的内包层2，再沉积锗磷共掺的芯层1，沉积完成结构如图1所示；然后进行定向刻蚀，通入六氟化硫腐蚀性气体，在基管外使用火头沿基管轴向来回移动刻蚀，并依据刻蚀尺寸，控制加热时长，最终将锗磷共掺的芯层1刻蚀成椭圆形，刻蚀完成后结果如图2所示；其次进行正向塌缩、反向塌缩工序，制得椭圆芯光棒，如图3所示；再对椭圆芯光棒进行套管，套管4为纯硅玻璃，组合构成椭圆芯保偏光棒，如图4所示。其椭圆芯的长短轴之比e的范围为2:1～5:1。

将实施例1制得的椭圆芯保偏光棒拉制成裸光纤直径为80μm的石英光纤，控制拉丝参数，严格保证椭圆芯形状一致性，拉丝具体参数如下表1。并在拉丝过程中在线涂上两层丙烯酸酯类涂料，经过紫外固化处理，制得直径为135μm的椭圆芯保偏光纤，如图5。其中椭圆芯保偏光纤椭圆芯长轴α1＝2α*10^-6，短轴b1＝2b*10^-6。该椭圆芯保偏光纤的主要技术指标如下表2。

表1

工艺参数	指标范围
		真空度(mBαr)	100～200
拉丝张力(N)	1.40-1.80
		拉丝温度(℃)	1650～1750
拉丝速度(m/min)	100-300

表2

指标名称	性能指标
		工作波长(nm)	1310
截止波长(nm)	1100-1290
		筛选强度(kpsi)	100
纤芯椭圆度	2.0-5.0
		拍长(mm)(@1310nm)	≤3.0
偏振串音(dB)	≤-25
		工作温度(℃)	-55-85
全温范围偏振串音变化量(dB)	≤2.0

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。