專利名稱：一種小彎曲半徑保偏光纖及其制造方法
技術領域：
本發明涉及光纖制造領域，尤其涉及一種小彎曲半徑保偏光纖及其制造方法。
背景技術：
PMF (Polarization Maintaining Optical Fiber,偏振保持光纖)簡稱保偏光纖，隨著光通信領域的深入發展，保偏光纖以其優良的雙折射效應和線偏振保持能力得到了廣泛應用。目前，較為常見的保偏光纖包括包層，其內部設有纖芯和沿纖芯半徑方向相對設置的應力附加部。纖芯和包層的相對折射率差為0. 3% 0. 5%,相對設置的應力附加部之間的間隔為6 ii m 17 ii m,每個應力附加部的直徑為21 y m 32 y m。該保偏光纖不僅具有優良的偏振保持特性，而且具有較低的連接損耗。隨著光纖傳感器件(例如光纖陀螺)逐漸向小型化方向發展，光纖傳感器件對保偏光纖的彎曲半徑提出了更高的要求。但是，上述保偏光纖在保證附加衰減的情況下，其最小彎曲半徑大于7. 5mm。當保偏光纖的彎曲半徑在7. 5mm以下時，保偏光纖的附加衰減不僅會達到ldB/km (分貝/千米)以上，附加衰減較高，而且保偏光纖的串音大于_20dB/km，串音特性較低，保偏光纖串音的變化值大于5dB。由于上述保偏光纖難以在彎曲半徑較小的同時保證其性能，因此上述保偏光纖難以制作出尺寸較小的光纖傳感器件，光纖傳感器件難以向小型化方向發展，無法滿足人們的需求。
發明內容
針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種小彎曲半徑保偏光纖及其制造方法。通過本發明的方法制造出的保偏光纖能夠在彎曲半徑較小的情況下，實現保偏光纖的低損耗信息傳輸，保偏光纖不僅能夠保證其附加衰減較低，而且串音特性較好，能夠制作出尺寸較小的光纖傳感器件，滿足了人們的需求。為達到以上目的，本發明提供的小彎曲半徑保偏光纖包括摻氟的第三石英包層環，還包括石英包層、摻鍺的芯層、第二石英包層環和兩個摻硼的應力貓眼；所述石英包層內由內至外依次設有芯層、第二石英包層環、第三石英包層環和應力貓眼，所述應力貓眼沿芯層中心對稱設置，所述保偏光纖的彎曲半徑小于5mm ;所述保偏光纖的工作波長為1310nm，其附加衰減在0. 6dB/km以下；所述保偏光纖的工作波長為1550nm，其附加衰減在
0.4dB/km 以下。在上述技術方案的基礎上，所述第二石英包層環和石英包層的折射率相同。在上述技術方案的基礎上，所述第二石英包層環與芯層的半徑比值為1. 5 1. 0，所述第三石英包層環與芯層的半徑比值為1. 5 3. 0，兩個應力貓眼之間最短距離的一半與芯層半徑的比值為2. 0 4. 0，所述應力貓眼與芯層的半徑比值為2. 0 8. O。在上述技術方案的基礎上，所述芯層與石英包層的相對折射率差為0.32% 1.5%，所述第三石英包層環與石英包層的相對折射率差為-1. 5% -0. 3%，所述應力貓眼與石英包層的相對折射率差為-1. 0% -0. 3%。在上述技術方案的基礎上，所述石英包層的半徑為20um、40um或62. 5um。本發明提供的保偏光纖的制造方法，包括以下步驟A、在芯棒外部套上套管，形成實心棒，所述套管形成石英包層；所述芯棒包括芯層、第二石英包層環和第三石英包層環；B、在實心棒上軸向開設兩個應力通孔，所述應力通孔沿芯層中心對稱設置；分別將兩個摻硼的應力棒與一個應力通孔結合形成應力貓眼；C、在2000°C 2300°C的溫度下,將所述實心棒熔融后拉制成裸光纖,拉制速度為50m/min 350m/min，拉制張力為50g 180g ;拉制過程中控制所述應力貓眼內的氣壓相同，保持應力貓眼內的氣壓與外界氣壓的壓差值為0. OOOlMpa 0. OlMpa ；D、在1200°C 1800°C的溫度下，將裸光纖退火消除應力，在裸光纖外部由內至外依次涂覆內層涂料和外層涂料，形成保偏光纖；所述保偏光纖的彎曲半徑小于5mm，所述保偏光纖的工作波長為1310nm，其附加衰減在0.6dB/km以下；所述保偏光纖的工作波長為1550nm,其附加衰減在0. 4dB/km以下。在上述技術方案的基礎上，步驟A中所述芯棒采用等離子體化學氣相沉積法結合套管法制成。在上述技術方案的基礎上，步驟B中所述應力棒采用等離子體法在二氧化硅中摻硼制成。在上述技術方案的基礎上，步驟C中所述控制所述應力貓眼內的氣壓相同的過程包括將兩個應力通孔分別接續一根尾管，每根尾管分別通過一個抽壓裝置控制氣壓，所有抽壓裝置控制均通過一個壓力控制器協調控制。在上述技術方案的基礎上，步驟D中所述內層涂料的楊氏模量為0.1Mpa 50Mpa，所述外層涂料的楊氏模量為0. 3Gpa 1. OGpa0本發明的有益效果在于(I)本發明的保偏光纖在芯層和應力貓眼之間設有摻氟的第三石英包層環，第三石英包層環不僅能夠有效提升保偏光纖的抗彎曲能力，而且減少了保偏光纖受到的除應力貓眼之外的其他應力干擾，減輕了因外界因素變化帶來的的保偏光纖串音的擾動，有效提升了保偏光纖的串音穩定性能。 ( 2 )本發明的保偏光纖在制造過程中，兩個應力貓眼分別與兩個抽壓裝置連接，兩個抽壓裝置均通過一個壓力控制器控制。在實心棒拉制成裸光纖的過程中，每個抽壓裝置獨立控制一個應力貓眼內的氣壓，一旦兩個應力貓眼內的氣壓不同，可通過壓力控制器對兩個抽壓裝置進行調整。因此保偏光纖在制造時能夠時刻保證兩個應力貓眼內的氣壓相同，不僅能夠實現兩個應力貓眼的大小一致，而且使兩個應力貓眼的大小均保持在合理的范圍內。綜上所述，本發明的保偏光纖不僅串音特性較好，而且保偏光纖的串音在彎曲和溫度變化時的穩定性較好。(3)本發明的保偏光纖在制造過程中，在1200°C 1800°C的溫度下，將裸光纖退火后消除應力貓眼之外的其他干擾應力，保偏光纖的芯層受到的絕大部分應力來自于應力貓眼；而且應力貓眼退火后會變得鈍化，應力貓眼在端面研磨時不僅能夠保持穩定，不會發生炸裂。
(4)本發明的保偏光纖的彎曲不敏感特性和串音穩定特性較好，保偏光纖最小的彎曲半徑在5mm以下。當保偏光纖的工作波長為1310nm時,其附加損耗在0. 6dB以下,其彎曲半徑為5mm時的串音與彎曲半徑為60mm時的串音相比，彎曲半徑為5mm時的串音變化在3dB/km以下；當保偏光纖的工作波長為1550nm時，其附加損耗在0. 4dB以下，其彎曲半徑為5mm時的串音與彎曲半徑為60mm時的串音相比，彎曲半徑為5mm時的串音變化在3dB/km以下。
圖1為本發明的保偏光纖的結構示意圖；圖2為本發明的保偏光纖的波導結構示意圖；圖3為本發明的保偏光纖拉制成型的結構示意圖；圖4為本發明的保偏光纖的工作波長為1310nm時的示意圖；圖5為本發明的保偏光纖的工作波長為1550nm時的不意圖。圖中1-石英包層，2-芯層，3-第二石英包層環，4-應力貓眼，5-第三石英包層環，6-實心棒，7-應力棒，8-尾管，9-錐端，10-抽壓裝置，11-壓力控制器，12-裸光纖，13-保溫裝置，14-測試儀，15-涂覆裝置，16-固化裝置，17-轉向輪，18-張力計，19-牽引輪，20-導纖輪，21-定位輪，22-收絲盤具，23-加熱裝置。
具體實施例方式以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。首先說明相對折射率差的計算方法。相對折射率差米用公式為A = (nl_n2) / (nl+n2) *100%上述公式中A代表相對折射率差，n2代表石英包層I的折射率；當計算芯層2和石英包層I之間的相對折射率差時，上述公式中的nl代表芯層2的折射率；當計算第三石英包層環5和石英包層I之間的相對折射率差時，上述公式中的nl代表第三石英包層環5的折射率；當計算應力貓眼4和石英包層I之間的相對折射率差時，上述公式中的nl代表應力貓眼4的折射率。參見圖1所示，本發明實施例中的保偏光纖包括石英包層I，石英包層I內部由內至外依次設有摻鍺的芯層2、第二石英包層環3、摻氟的第三石英包層環5和摻硼的應力貓眼4 ;應力貓眼4為兩個，兩個應力貓眼4沿芯層2中心對稱設置。保偏光纖的彎曲半徑小于5mm ;保偏光纖的工作波長為1310nm，其附加衰減在0. 6dB/km以下；保偏光纖的工作波長為1550nm，其附加衰減在0. 4dB/km以下。參見圖1、圖2所示，芯層2的半徑為rl、其折射率為nl ;第二石英包層環3的半徑為r2、其折射率為n2 ;第三石英包層環5的半徑為r3、其折射率為n3 ;兩個應力貓眼4之間最短距離的一半為r4、其折射率為n4 ;應力貓眼4的半徑為r5、其折射率為n5 ;石英包層I的半徑為r6、其折射率為n6 ;其中n2、n4和n6的折射率相同。石英包層I的半徑為20um、40um或62. 5um ;為了實現保偏光纖波導的彎曲不敏感特性、以及良好的串音與拍長性能，第二石英包層環3與芯層2的半徑比值為1. 5 1. 0，第三石英包層環5與芯層2的半徑比值為1. 5 3. 0，兩個應力貓眼4之間最短距離的一半與芯層2半徑的比值為2. O 4. O，應力貓眼4與芯層2的半徑比值為2. O 8. O。為了實現保偏光纖良好的模場直徑、截止波長、串音性能和拍長等性，第二石英包層環3和石英包層I的折射率相同；芯層2與石英包層I之間的相對折射率差為0. 32% 1. 5%，第三石英包層環5和石英包層I之間的相對折射率差為-1. 5% -0. 3%，應力貓眼4和石英包層I之間的相對折射率差為-1. 0% -0. 3%。參見圖1、圖3所示，本發明實施例中保偏光纖的制造方法，包括以下步驟SlOl :采用等離子體化學氣相沉積法結合套管法制作芯棒，芯棒包括芯層2、第二石英包層環3和第三石英包層環5，在芯棒外部套上套管，形成實心棒6，套管形成石英包層
IoS102 :在實心棒6上軸向開設兩個應力通孔，所述應力通孔沿芯層2中心對稱設置，開設應力通孔時采用金剛石鉆頭、并結合機械定位、紅外感應定位和電子調控。S103 :采用等離子體法在二氧化硅中摻硼制成兩個摻硼的應力棒7，采用等離子體法制成的應力棒7的均勻性較好。將應力棒7的表面進行處理，使應力棒7的外徑小于應力通孔的孔徑0.1 mm 0. 2mm,將每個應力棒7與一個應力通孔結合形成應力貓眼4。S104 :將實心棒6上每個應力通孔的頂端或底端接續一根尾管8，尾管8由石英制成；將實心棒6與尾管8熔融為一體。S105 :將實心棒6沒有尾管8的一端在車床上拉制成錐端9，以便拉制保偏光纖。S106 :將每根尾管8與一個抽壓裝置10連接，所有抽壓裝置10均與一個壓力控制器11連接，形成保偏光纖預制棒。S107 :將保偏光纖預制棒放置在拉絲塔上，經加熱裝置23在2000°C 2300°C的溫度下高溫熔融后拉制形成裸光纖12 ;拉制過程中，當石英包層I的半徑為62. 5um時，拉制速度為50m/min 300m/min,拉制張力為60g 180g ;當石英包層I的半徑為40um時,拉制速度為50m/min 350m/min,拉制張力為50g 150g ;當石英包層I的半徑為20um時，拉制速度為50m/min,拉制張力為50g。拉制過程中，通過抽壓裝置10控制尾管8和與尾管8對應的應力貓眼4的氣壓，保持兩個應力貓眼4的氣壓與外界氣壓的壓差值均為0. OOOlMpa 0. OlMpa,以便良好的控制兩個應力貓眼4的直徑大小。拉制過程中如發現兩個應力貓眼4內的氣壓不同，可通過壓力控制器11對抽壓裝置10進行調節，以保證兩個應力貓眼4內的氣壓相同。S108 :將裸光纖12經過溫度為1200°C 1800°C的保溫裝置13，裸光纖12在保溫裝置13內進行退火和消除應力，以使得裸光纖12內只有應力貓眼4產生的應力。S109 :將裸光纖12經測試儀14測試后依次經過兩個涂覆裝置15，兩個涂覆裝置15由內至外依次對裸光纖12涂覆內層涂料和外層涂料；涂覆內層涂料和外層涂料時，采用的涂覆工藝為濕加濕涂覆工藝或干加濕涂覆工藝，采用的固化方式為紫外固化方式或熱固化方式。涂覆有內層涂料和外層涂料的裸光纖12經固化裝置16固化后，形成保偏光纖；保偏光纖的彎曲半徑小于5mm，保偏光纖的工作波長為1310nm時，其附加衰減在0. 6dB/km以下；保偏光纖的工作波長為1550nm時，其附加衰減在0. 4dB/km以下。保偏光纖依次經過轉向輪17、張力計18、牽引輪19、和導纖輪20后，由定位輪21按給定程序收絲在收絲盤具22上。內層涂料的楊氏模量為0.1Mpa 50Mpa，內層涂料的楊氏模量較低，能夠緩沖保偏光纖受到的外界的應力。外層涂覆材料根據不同的需求，可以為常溫工作的涂層材料，也可以為耐高溫工作涂層材料；外層涂料的楊氏模量為0. 3Gpa 1. OGpa，外層涂料的楊氏模量較高，能夠形成剛性結構，進而承受外界產生的應力，減少保偏光纖受到外界的干擾。下面通過三個具體實施例對本發明進行具體說明。實施例1 :石英包層I的半徑為40um。采用等離子體化學氣相沉積法結合套管法制作芯棒，芯棒包括芯層2、第二石英包層環3和第三石英包層環5 ;在芯棒外部套上套管，形成實心棒6，套管形成石英包層I。在實心棒6上軸向開設兩個應力通孔，所述應力通孔沿芯層2中心對稱設置，開設應力通孔時采用金剛石鉆頭、并結合機械定位、紅外感應定位和電子調控。采用等離子體法在二氧化硅中摻硼制成兩個摻硼的應力棒7，采用等離子體法制成的應力棒7的均勻性較好。將應力棒7的表面進行處理，使應力棒7的外徑小于應力通孔的孔徑0.1 mm，將每個應力棒7與一個應力通孔結合形成應力貓眼4。將實心棒6上每個應力通孔的頂端(首端)接續一根尾管8，尾管8由石英制成；將實心棒6與尾管8熔融為一體。將實心棒6底端(尾端)在車床上拉制成錐端9，以便拉制保偏光纖。將每根尾管8與一個抽壓裝置10連接，所有抽壓裝置10均與一個壓力控制器11連接，形成保偏光纖預制棒。將保偏光纖預制棒放置在拉絲塔上，經加熱裝置23在2000°C 2300°C的溫度下高溫熔融后拉制形成裸光纖12，拉制速度為50m/min 350m/min,拉制張力為50g 150g。拉制過程中，通過抽壓裝置10控制尾管8和應力貓眼4內的氣壓均為-0. OlMpa ;如發現一個應力通孔收縮后小于另一個應力通孔，導致芯層2變形時，通過壓力控制器11調節與較小應力通孔對應的抽壓裝置10，將該抽壓裝置10輸出的壓力調小。拉制過程中如發現兩個應力貓眼4內的氣壓不同，可通過壓力控制器11對抽壓裝置10進行調節，以保證兩個應力貓眼4內的氣壓相同。拉制保偏光纖預制棒的尾端時，兩根尾管8內的氣壓需要減小，此時控制壓力控制器11，使得兩根尾管8內氣壓減小的最低值為-0. OOlMpa0將裸光纖12經過保溫裝置13，保溫裝置13靠近上方的溫度為1800°C，靠近下方的溫度為1500°C，裸光纖12在保溫裝置13內進行退火和消除應力；將裸光纖12由內至外涂覆內層涂料和外層涂料，內層涂料的楊氏模量為0.1Mpa 50Mpa，外層涂料的楊氏模量為0. 3Gpa 1. OGpa0涂覆有內層涂料和外層涂料的裸光纖12經固化裝置16固化后，形成保偏光纖；保偏光纖依次經過轉向輪17、張力計18、牽引輪19、和導纖輪20后，由定位輪21按給定程序收絲在收絲盤具22上。現采用上述方法制出五個保偏光纖，其參數見表I所示，其附加衰減和附加損耗參見圖4、圖5所示(圖4和圖5中縱向坐標代表附加衰減，橫向坐標代表附加損耗)。參見表1、圖4和圖5可知，對于工作波長在1310nm的光纖I和光纖5而言，光纖I和光纖5的附加衰減分別為0. 53dB/km和0. 43dB/km,均小于0. 6dB/km。在彎曲半徑為5mm的條件下，光纖I和光纖5的附加損耗分別為0. 71dB和0. 75dB,小于0. 8dB ;光纖I和光纖5在彎曲半徑為5mm時的串音相對于彎曲半徑為60mm的絕對值變化量分別為2. 78dB/km和2. 75dB/km,均小于3. OdB/km。對于工作波長在1550nm的光纖2、光纖3和光纖4而言,光纖2、光纖3和光纖4的附加衰減分別為0. 35dB/km、0. 39dB/km和0. 38dB/km,均小于0. 4dB/km。在彎曲半徑為5mm的條件下，光纖2、光纖3和光纖4的彎曲附加損耗分別為0. 80dB、0. 85dB和0. 91dB ;光纖2、光纖3和光纖4在彎曲半徑為5mm時的串首相對于彎曲半徑為60mm的串音的絕對值變化量分別為2. 73dB/km, 2. 75dB/km和2. 77dB/km。表I石英包層I半徑為40um的保偏光纖參數表
權利要求
1.一種小彎曲半徑保偏光纖，其特征在于包括摻氟的第三石英包層環(5)，還包括石英包層(I)、摻鍺的芯層(2)、第二石英包層環(3)和兩個摻硼的應力貓眼(4);所述石英包層(I)內由內至外依次設有芯層(2)、第二石英包層環(3)、第三石英包層環(5)和應力貓眼(4)，所述應力貓眼(4)沿芯層(2)中心對稱設置，所述保偏光纖的彎曲半徑小于5mm ;所述保偏光纖的工作波長為1310nm，其附加衰減在O. 6dB/km以下；所述保偏光纖的工作波長為1550nm,其附加衰減在O. 4dB/km以下。
2.如權利要求1所述的保偏光纖，其特征在于所述第二石英包層環(3)和石英包層(O的折射率相同。
3.如權利要求1所述的保偏光纖，其特征在于所述第二石英包層環(3)與芯層(2)的半徑比值為1. 5 1. 0，所述第三石英包層環(5)與芯層(2)的半徑比值為1. 5 3. 0，兩個應力貓眼(4)之間最短距離的一半與芯層(2)半徑的比值為2. O 4. 0，所述應力貓眼(4)與芯層(2)的半徑比值為2. O 8. O。
4.如權利要求1所述的保偏光纖，其特征在于所述芯層(2)與石英包層(I)的相對折射率差為O. 32% 1. 5%，所述第三石英包層環(5)與石英包層(I)的相對折射率差為-1. 5% -O. 3%，所述應力貓眼(4)與石英包層(I)的相對折射率差為-1. 0% -O. 3%。
5.如權利要求1所述的保偏光纖，其特征在于所述石英包層(I)的半徑為20um、40um 或 62. 5um。
6.一種基于權利要求1至5任一所述的保偏光纖的制造方法，其特征在于，包括以下步驟A、在芯棒外部套上套管，形成實心棒，所述套管形成石英包層(I);所述芯棒包括芯層(2)、第二石英包層環(3)和第三石英包層環(5)；B、在實心棒上軸向開設兩個應力通孔，所述應力通孔沿芯層(2)中心對稱設置；分別將兩個摻硼的應力棒與一個應力通孔結合形成應力貓眼(4)；C、在2000°C 2300°C的溫度下，將所述實心棒熔融后拉制成裸光纖，拉制速度為50m/min 350m/min,拉制張力為50g 180g ;拉制過程中控制所述應力貓眼(4)內的氣壓相同，保持應力貓眼(4)內的氣壓與外界氣壓的壓差值為O. OOOlMpa O. OlMpa ；D、在1200°C 1800°C的溫度下，將裸光纖退火消除應力，在裸光纖外部由內至外依次涂覆內層涂料和外層涂料，形成保偏光纖；所述保偏光纖的彎曲半徑小于5mm，所述保偏光纖的工作波長為1310nm，其附加衰減在O. 6dB/km以下；所述保偏光纖的工作波長為1550nm,其附加衰減在O. 4dB/km以下。
7.如權利要求6所述的保偏光纖，其特征在于步驟A中所述芯棒采用等離子體化學氣相沉積法結合套管法制成。
8.如權利要求6所述的保偏光纖，其特征在于步驟B中所述應力棒采用等離子體法在二氧化硅中摻硼制成。
9.如權利要求6所述的保偏光纖，其特征在于，步驟C中所述控制所述應力貓眼(4)內的氣壓相同的過程包括將兩個應力通孔分別接續一根尾管，每根尾管分別通過一個抽壓裝置控制氣壓，所有抽壓裝置控制均通過一個壓力控制器協調控制。
10.如權利要求6所述的保偏光纖，其特征在于步驟D中所述內層涂料的楊氏模量為O.1Mpa 50Mpa，所述外層涂料的楊氏模量為O. 3Gpa 1. OGpa0
全文摘要
本發明公開了一種小彎曲半徑保偏光纖及其制造方法，涉及光纖制造領域。保偏光纖包括石英包層，其內部由內至外依次設有芯層、第二石英包層環、摻氟的第三石英包層環和兩個應力貓眼；兩個應力貓眼沿芯層中心對稱設置。通過本發明制造方法制造出的保偏光纖的彎曲半徑小于5mm；保偏光纖的工作波長為1310nm，其附加衰減在0.6dB/km以下；保偏光纖的工作波長為1550nm，其附加衰減在0.4dB/km以下。本發明的保偏光纖能夠在彎曲半徑較小的情況下，實現保偏光纖的低損耗信息傳輸，保偏光纖不僅能夠保證其附加衰減較低，而且串音特性較好，能夠制作出尺寸較小的光纖傳感器件，滿足了人們的需求。
文檔編號G02B6/036GK103018821SQ20121054475
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者羅文勇, 李詩愈, 陳偉, 柯一禮, 胡福明, 莫琦 申請人:武漢烽火銳光科技有限公司