阅读说明：本技术 一种保偏光纤及其制备方法 (Polarization maintaining optical fiber and preparation method thereof ) 是由 徐律 缪振华 冯术娟 赵霞 侯树虎 卞新海 韩婷婷 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：一种保偏光纤及其制备方法,包括位于中心的纤芯,所述纤芯的截面为椭圆形；所述纤芯的外侧为包围所述纤芯的环状内包层,所述内包层的外侧为截面为矩形的应力区；所述应力区的外侧为与应力区的形状相匹配的截面为环形的外包层；所述外包层的外侧为包层；所述纤芯、内包层、应力区、外包层以及包层均同心设置；并且应力区所包围的部分的截面面积与光纤截面的面积之比小于10％。该保偏光纤及其制备方法,将纤芯设计成椭圆型,使光纤同时具备几何型双折射以及应力型双折射,两者现象叠加,可以在保证同等的双折射情况下,继续减少应力区面积,优化其温度稳定性。且椭圆度也不需要太大既能保持同等的双折射,不影响光纤光学参数。(A polarization maintaining optical fiber and a preparation method thereof comprise a fiber core positioned in the center, wherein the section of the fiber core is elliptical; the outer side of the fiber core is an annular inner cladding surrounding the fiber core, and the outer side of the inner cladding is a stress region with a rectangular cross section; the outer side of the stress region is an outer cladding layer which is matched with the stress region in shape and has an annular cross section; the outer side of the outer cladding layer is a cladding layer; the fiber core, the inner cladding, the stress region, the outer cladding and the cladding are all concentrically arranged; and the ratio of the cross-sectional area of the portion surrounded by the stress region to the area of the cross-section of the optical fiber is less than 10%. According to the polarization maintaining optical fiber and the preparation method thereof, the fiber core is designed into an elliptical shape, so that the optical fiber has geometric birefringence and stress birefringence simultaneously, the two phenomena are superposed, the area of a stress area can be continuously reduced under the condition of ensuring the same birefringence, and the temperature stability of the optical fiber is optimized. And the ovality is not required to be too large, the equal birefringence can be kept, and the optical parameters of the optical fiber are not influenced.)

一种保偏光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种保偏光纤及其制备方法。

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。

保偏光纤产生双折射的机理主要是指来自材料内部的热应力和材料外部的机械应力，材料在受到应力引起材料折射率的变化即光弹效应而产生双折射。其设计原理是对光纤芯区施加应力，保偏光纤产品包括应力双折射保偏光纤和几何双折射保偏光纤。

几何双折射保偏光纤实例是椭圆芯保偏光纤，将芯做成椭圆形，破坏光纤的圆对称性，提高光纤的双折射，增加两个正交偏振模的相速度差，达到保偏效果。由于没有应力区结构，光纤的温度稳定性较好，然而，几何型保偏光纤的双折射一般都不高，不适合使用在干涉时光纤陀螺中。

应力双折射保偏光纤按应力施加区的结构不同，可分熊猫型、领结型、“一”字型等多种结构。这类光纤的特点是在光纤的包层中引入具有高膨胀系数的应力区挤压纤芯产生双折射效应。通过引入高膨胀系数的硼材料最为应力区，可以大大增加光纤的双折射。然而，硼对纤芯的应力也会随着温度的变化而变化，进而影响光纤陀螺的温度稳定性。

熊猫型保偏光纤在制备过程中，需要在纤芯两边进行机械打孔，再***应力棒。为避免打孔过程中破坏纤芯，打孔的位置无法靠纤芯太近；若想提供足够的双折射性能，必须适当增大应力区面积。应力区面积所占光纤截面积比例过大(约20％)，将会影响保偏光纤温度稳定性，因此，熊猫型保偏光纤目前大多只能应用于中低精度光纤陀螺。

“一”字型保偏光纤，由于应力区离纤芯较近，只需较小的应力区就可以实现较高的双折射，可应用于高精度光纤陀螺中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在保证光纤的双折射性能并且提高了光纤的温度稳定性的椭圆芯“一”字型保偏光纤。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种保偏光纤，包括

位于中心的纤芯，所述纤芯的截面为椭圆形；

所述纤芯的外侧为包围所述纤芯的环状内包层，所述内包层的外形为与所述纤芯的截面形状相匹配的椭圆形；

所述内包层的外侧为截面为矩形的应力区；

所述应力区的外侧为与应力区的形状相匹配的截面为环形的外包层；

所述外包层的外侧为包层；

所述包层的截面即整个光纤的截面形状为圆形；

所述纤芯、内包层、应力区、外包层以及包层均同心设置；

并且应力区所包围的部分的截面面积与光纤截面的面积之比小于10％。

优选的，所述内包层的截面为厚度均一的环形；所述外包层的截面为厚度均一的环形。

优选的，所述纤芯的长轴为5um-8um，短轴为3um-6um；

所述内包层的厚度为0.5um-1.2um；

所述应力区的长为20μm-25μm，宽为7μm-10μm；

所述外包层的厚度为0.5um-1.2um；

整个光纤的直径为50um-70um。

优选的，所述纤芯的成分为SiO2、GeO2和F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为80～95，GeO2所占摩尔百分比为5～20，F所占摩尔百分比为0.5～2；

所述内包层的成分为SiO2、GeO2和F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为95～98，GeO2所占摩尔百分比为0.1～2，F所占摩尔百分比为0.1～5；

所述应力区的成分为SiO2、GeO2和B2O3，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比其中SiO2所占摩尔百分比为64～80,GeO2所占摩尔百分比为0.1～2，B2O3所占摩尔百分比为20～35；

外包层的成分为SiO2、P和F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为96～98，P所占摩尔百分比为0.1～3，F所占摩尔百分比为0.1～2。

上述保偏光纤的制备方法，其特征在于：

1)基管预处理；

2)在基管内侧沉积外包层；

3)在外包层内侧沉积应力区；

4)定向刻蚀应力区，使得应力区形成分离的两半；

5)在应力区内侧沉积内包层；

6)在内包层内侧沉积纤芯；

7)对基管进行正向塌缩；

8)对基管进行反向塌缩，制成实心的保偏光棒；

9)对保偏光棒进行抛光，制成芯棒；

10)将芯棒拉丝成光纤。

优选的，上述步骤1)中，对基管进行酸洗和预热，去除基管内壁的杂质和气泡。

优选的，上述步骤4)中的定向刻蚀，具体为在基管两端设置氢氧金属灯头产生热源，并且将灯头沿基管的长度方向来回移动，管内通入SF₆使管内壁进行腐蚀反应，将应力区逐渐刻蚀。

优选的，上述步骤7)中正向塌缩的遍数为4-6遍，步骤8)中反向塌缩的遍数为1-2遍。

与现有技术相比，本发明的优点在于该保偏光纤及其制备方法，将纤芯设计成椭圆型，使光纤同时具备几何型双折射以及应力型双折射，两者现象叠加，可以在保证同等的双折射情况下，继续减少应力区面积，优化其温度稳定性。通过调控塌缩工艺中的管内压力，塌缩速度，进而可以灵活调节椭圆芯的椭圆度。在减少应力区所占截面占比情况下，并且由于椭圆芯效应叠加，双折射效应并不会减弱，大大提高光纤的温度稳定性。且椭圆度也不需要太大既能保持同等的双折射，不影响光纤光学参数。

附图说明

图1为本发明实施例的保偏光纤的截面示意图；

图2为本发明实施例的保偏光纤的制备流程图。

图3为本发明实施例的保偏光纤的沉积流程示意图，图3a为沉积外包层后的示意图，图3b为沉积应力区后的示意图，图3c为刻蚀应力区后的示意图，图3d为沉积内包层后的示意图，图3e为沉积纤芯后的示意图。

图4为本发明实施例的保偏光纤截面上折射率分布图。

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，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，为该保偏光纤的截面图，包括位于中心的纤芯1，所述纤芯1的截面为椭圆形，纤芯1的长轴D1为5um-8um，短轴D2为3um-6um，纤芯1的外侧设有内包层2，内包层2围绕纤芯1设置，所述内包层2的外形为与所述纤芯1的截面形状相匹配的椭圆形，因此该内包层2位为宽度一致的环状结构，因此，内包层2和纤芯1所组成的纤芯的整体形状的截面与纤芯1相匹配，均为椭圆。内包层3的厚度D3为2um-5um。内包层2的外侧即纤芯的外侧为应力区3，该应力区3的截面形状为一字型长条，即矩形，长L1为20μm-25μm，宽L2为7μm-10μm，并且应力区3所包围的部分的面积，即应力区内的纤芯以及应力区的截面总面积与光纤截面的面积比小于等于10％。外包层4位于应力区3的外侧并且形状与应力区3相匹配，该外包层4为厚度均一的环形，并且厚度约为0.5um-1.2um，外包层4的外侧为包层5，该包层直径D4为50um-70um。所述纤芯、内包层、应力区、外包层和包层的中心均重合，即同心设置。

上述保偏光纤，纤芯1的成分为SiO2、GeO2和F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为80％～95％，GeO2所占摩尔百分比为5％～20％，F所占摩尔百分比为0.5％～2％；纤芯1与纯石英玻璃的折射率差Δ1为0.0120～0.0165；内包层2的成分为SiO2、GeO2和F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为95％～98％，GeO2所占摩尔百分比为0.1％～2％，F所占摩尔百分比为0.1％～5％；内包层2与纯石英玻璃的折射率差Δ2为-0.0005～-0.0025；应力区3的成分为SiO2、GeO2和B2O3，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比其中SiO2所占摩尔百分比为64％～80％,GeO2所占摩尔百分比为0.1％～2％，B2O3所占摩尔百分比为20～35；应力区3与纯石英玻璃的折射率差Δ3为-0.0150～-0.0195。外包层4的成分为SiO2、P和F，采用均质掺杂设计，其中SiO2所占摩尔百分比为96％～98％，P所占摩尔百分比为0.1％～3％，F所占摩尔百分比为0.1％～2％；外包层4与纯石英玻璃的折射率几乎相等。

如图4所示，为折射率之间的差距示意图。

纯石英玻璃材料的折射率n0＝1.457、纤芯的折射率n1、内包层的折射率n2、应力区的折射率n3；

Δ₁＝n₁-n₀；Δ₂＝n₂-n₀；Δ₃＝n₃-n₀。

该椭圆芯“一”字型保偏光纤的制备方法，其包括如下步骤：

(1)基管10的预处理：基管酸洗、基管预热，有效消除基管内壁的杂质和气泡。该基管，即为上述结构中的包层5。

(2)沉积外包层4，外包层4的成分为SiO₂、P和F，采用均质掺杂设计，其中SiO₂所占摩尔百分比为92％～98％，P所占摩尔百分比为0.1％～2％，F所占摩尔百分比为0.1％～2％。沉积后的基管10与外包层4，如图3a所示。

(3)沉积应力区3，应力区的成分为SiO₂、GeO₂和B₂O₃，采用均质掺杂设计，其中SiO₂所占摩尔百分比其中SiO₂所占摩尔百分比为64％～80％，GeO₂所占摩尔百分比为0.1％～2％，B₂O₃所占摩尔百分比为20％～35％。通过改变应力区沉积层数可以调控应力区面积所占截面比。沉积应力区后的结构，如图3b所示。

(4)定向刻蚀：在应力区沉积工序结束后进行定向刻蚀，使用在基管两端对称设置的氢氧金属灯头，通过调整氢氧流量和移动速度来调整刻蚀光斑大小为基管10直径的1/4。通过刻蚀灯头产生热源，并且将灯头沿基管纵向移动，管内通入SF₆使管内壁进行腐蚀反应，将应力区逐渐刻蚀，直至完全分离成两半。由于两边刻蚀灯头不可能完全一致，为保证刻蚀的对称性，就采用分成多遍刻蚀来进行，每刻一遍就翻转180°，刻基管的另一边。由于应力区含硼，所以在刻蚀时会产生流动，刻蚀后的应力区3，如图3c所示。

(5)沉积内包层：内包层的材料组成为SiO₂、GeO₂、F，采用均质掺杂设计，其中SiO₂所占摩尔百分比为95％～98％，GeO₂所占摩尔百分比为0.1％～2％，F所占摩尔百分比为0.1％～5％。如图3d所示。

(6)纤芯的沉积，纤芯1的成分为SiO₂、GeO₂和F，采用均质掺杂设计，其中SiO₂所占摩尔百分比为80％～95％，GeO₂所占摩尔百分比为5％～20％，F所占摩尔百分比为0.5％～2％。如图3e所示。

(7)对基管进行正向塌缩，正向塌缩遍数为4-6遍，由于应力区粘度小，容易挤压变形，且会带动内包层，纤芯形状改变。管内压力越小，灯头速度越快，纤芯椭圆度越大。根据不同椭圆度，控制管内压力在0.40torr-0.60torr；灯头速度15mm/min-20mm/min，分多次进行正向塌缩是为了保证基管整体的形状为圆形。

(8)反向塌缩，反向塌缩遍数为1-2遍，控制管内压力在0.10torr-0.30torr，灯头速度6mm/min-10mm/min，制成应力区为“一”字型的实心的保偏光棒。

(9)保偏光棒进行抛光，制得芯棒；如图1所示。

(10)将芯棒上光纤拉丝塔进行拉丝，制成椭圆芯“一”字型保偏光纤。

该光纤的性能如表1所示：

实施例1采用用较大的正向塌缩压力以及较慢正向塌缩灯头速度，制备出来的光纤纤芯接近圆形。为保证足够的双折射，需要较大的应力区，沉积应力区层数为15层，应力区面积所占截面占比为9.60％。1km长、60mm直径带张力小环高低温(-55℃～85℃)串音变化范围为18.5～20.6dB，变化范围为2.1dB。模场直径，截止波长等光学参数数据合格。

相对比实施例1，实施例2采用较小的正向塌缩压力以及较快正向塌缩灯头速度，制备出来的光纤纤芯椭圆度约为1.37。由于椭圆芯效果叠加，可适当减少应力区面积，沉积应力区层数为12层，应力区面积所占截面占比为7.70％。1km长、60mm直径带张力小环高低温(-55℃～85℃)串音变化范围为19.6-20.2dB，变化范围为0.6dB。相比实施例1，其温度稳定性大大提升。模场直径，截止波长等光学参数数据合格。

相对实施例2，实施例3采用更小的正向塌缩压力以及更快正向塌缩灯头速度，制备出来的光纤纤芯椭圆度约为1.72。沉积应力区层数为10层，应力区面积所占截面占比为6.48。1k m长、60mm直径带张力小环高低温(-55℃～85℃)串音变化范围为17.8-18.5dB，变化范围为0.7dB，相对比实施例1，虽温度稳定性能有所提升，但是双折射性能有所下降。

该保偏光纤及其制备方法，将纤芯设计成椭圆型，使光纤同时具备几何型双折射以及应力型双折射，两者现象叠加，可以在保证同等的双折射情况下，继续减少应力区面积，优化其温度稳定性。通过调控塌缩工艺中的管内压力，塌缩速度，进而可以灵活调节椭圆芯的椭圆度。在减少应力区所占截面占比情况下，并且由于椭圆芯效应叠加，双折射效应并不会减弱，大大提高光纤的温度稳定性。且椭圆度也不需要太大既能保持同等的双折射，不影响光纤光学参数。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。