一种高精度保偏光纤及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度保偏光纤及其制备方法。所述保偏光纤由内而外依次设置有芯层和石英包层，所述石英包层内设有两个沿所述芯层呈中心对称的应力区；光纤横截面应力区中心连线为慢轴，光纤横截面与慢轴方向相垂直的直径方向为快轴。在室温下光纤芯层快轴方向具有压应力，光纤芯层区域在快轴方向上的压应力绝对值最大值大于17MPa，芯层慢轴方向具有张应力，且光纤芯层区域在慢轴方向上的张应力绝对值最大值大于12MPa。其制备方法包括步骤：将石英玻璃基质的光纤预制棒加热至粘弹态甚至熔融态，拉丝冷却定形成为光纤。本发明专利技术设计了一种新的保偏光纤的组成结构，通过拉丝过程中的张力和强制冷却速率控制，将拉丝过程中的残余应力的一部分留存于光纤中，合理调节保偏光纤快轴、慢轴方向的压、张应力值，从而优化双折射效应，改善了保偏光纤的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度保偏光纤及其制备方法
本专利技术属于传感光纤领域，更具体地，涉及一种高精度保偏光纤。
技术介绍
在传感和控制领域，需要对磁场、温度、应力、惯性等物理量进行测量和控制，因此研制了多种光纤传感器。其中应用最深入的是光纤陀螺，其优势在于，启动时间短、结构简单、重量轻、没有活动元件、环境适应能力强，克服了环形激光陀螺的锁定现象，而且不需要防机械抖动措施，光纤陀螺成为实现载体姿态和轨迹控制关键技术的核心装置。另外，光纤水听器用于惯导和声纳，在军事上具有极高的应用价值。光纤陀螺和水听器其中的敏感元件都是保偏光纤器件，因此保偏光纤的特性决定了传感器的性能。保偏光纤(PolarizationMaintainingOpticalFiber，偏振保持光纤，简称保偏光纤)是一种在实现光的单模传输特性的同时保持其线偏振状态的特种光纤。保偏光纤在单模光纤中人为地引入双折射，造成单模光纤的纤芯不同方向存在有效折射率差，增大HE11x和HE11y模式的传播常数差别，进而实现光纤的偏振保持特性。常用的保偏光纤为应力型保偏光纤，其优点是双折射系数足够高，缺点是容易受到温度的扰动，影响了保偏光纤的精度。而传感器件向着高敏感度和高精度方向发展，要求器件在具有敏感性、稳定性的同时，提高其精度。现有技术无法兼顾这些性能，为解决此问题，因此本专利技术提出一种高精度保偏光纤产品及其制造方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高精度保偏光纤及其制备方法，其目的在于精确的控制熊猫型保偏光纤在快轴和慢轴方向上的应力分布，从而使得保偏光纤在400到680nm、850nm、1310nm和1550nm波长下，具有良好的衰减和优良的消光比性能，从而使得传感器件兼顾保偏光纤的敏感性和稳定性，提高其精度，由此解决现有的保偏光纤在由于衰减过大或消光比性能不佳，导致传感器件敏感性或稳定性较低，最终导致传感器的精度不高的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种高精度保偏光纤，为熊猫型保偏光纤，由内而外依次设置有芯层和石英包层，所述石英包层内设有两个沿所述芯层呈中心对称的应力区；光纤横截面应力区中心连线为慢轴，光纤横截面与慢轴方向相垂直的直径方向为快轴。在室温下光纤芯层快轴方向具有压应力，光纤芯层区域在快轴方向上的压应力绝对值最大值大于17MPa，芯层慢轴方向具有张应力，且光纤芯层区域在慢轴方向上的张应力绝对值最大值大于12MPa。优选地，所述高精度保偏光纤，其所述光纤芯层区域在快轴方向上的压应力绝对值最大值大于30MPa，优选30MPa到50MPa；所述光纤芯层区域在慢轴方向上的张应力绝对值最大值大于19MPa，优选19MPa到35MPa，更优选所述保偏光纤应力区在慢轴方向上的张应力绝对值最大值为25MPa到35MPa。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种高精度保偏光纤，由内而外依次设置有芯层和石英包层，所述石英包层内设有两个沿所述芯层呈中心对称的应力区；光纤横截面应力区中心连线为慢轴，光纤横截面与慢轴方向相垂直的直径方向为快轴；所述保偏光纤在沿慢轴方向张应力分布满足以下关系：在慢轴上与光纤中心的距离为x处的张应力f，芯层半径为r1，包层半径为r0，由下式表示的慢轴张应力值F为1MPa·μm-1以上且40MPa·μm-1以下；优选的F值为3MPa·μm-1以上且35MPa·μm-1以下更优选的F值为10MPa·μm-1以上且30MPa·μm-1以下。优选地，所述高精度保偏光纤，其所述石英包层折射率为n0，芯层折射率为n1，芯层与石英包层的相对折射率差Δ10的取值范围是0.3％～1.5％，优选Δ10处于0.35％～0.6％，其中：优选地，所述高精度保偏光纤，其芯层掺有锗，其摩尔含量百分比为2到15mol％，优选3到6mol％；优选其芯层还掺有氟，且氟的含量小于锗含量的10％；其应力区掺有硼，以B2O3计其摩尔含量百分比为1到35mol％，优选3％～25％，更优选10％～23％，再优选15％～21％。优选地，所述高精度保偏光纤，其截止波长小于1530nm，或者小于1295nm，或者小于830nm。优选地，所述高精度保偏光纤，其保偏光纤石英包层直径为d0；当124.0μm≤d0≤126.0μm时，所述保偏光纤具有内、外双涂层结构，其中内涂层直径为d4、以及外涂层直径为d5分别满足：170.0μm≤d4≤205.0μm，235.0μm≤d5≤250.0μm；所述内涂层的杨氏模量小于所述外涂层的杨氏模量，优选所述内涂层的杨氏模量为0.5Mpa～2.5Mpa且所述外涂层的杨氏模量为450Mpa～1550Mpa；当79.0μm≤d0≤81.0μm且所述保偏光纤具有内、外双涂层结构时，其中内涂层直径为d4、以及外涂层直径为d5分别满足：115.0μm≤d4≤135.0μm，150.0μm≤d5≤170.0μm；所述内涂层的杨氏模量小于所述外涂层的杨氏模量，优选所述内涂层的杨氏模量为0.5Mpa～2.5Mpa且所述外涂层的杨氏模量为450Mpa～1550Mpa；当79.0μm≤d0≤81.0μm且所述保偏光纤具有单涂层结构时，所述涂层的直径d满足：134.0μm≤d≤180.0μm；所述涂层杨氏模量为80Mpa～750Mpa，优选杨氏模量为80Mpa～350Mpa，更优选为80Mpa～230Mpa；当58.0μm≤d0≤62.0μm且所述保偏光纤具有内、外双涂层结构时，其中内涂层直径为d4、以及外涂层直径为d5分别满足：70.0μm≤d4≤90.0μm，90.0μm≤d5≤120.0μm；所述内涂层的杨氏模量小于所述外涂层的杨氏模量，优选所述内涂层的杨氏模量为0.5Mpa～2.5Mpa且所述外涂层的杨氏模量为450Mpa～1550Mpa；当58.0μm≤d0≤62.0μm且所述保偏光纤具有单涂层结构时，所述涂层的直径d满足：90.0μm≤d≤120.0μm；所述涂层杨氏模量为80Mpa～750Mpa，优选杨氏模量为80Mpa～350Mpa，更优选为80Mpa～230Mpa；当38.0μm≤d0≤42.0μm时，所述保偏光纤具有单涂层结构，所述涂层的直径d满足：70.0μm≤d≤100.0μm；所述涂层杨氏模量为80Mpa～750Mpa，优选杨氏模量为80Mpa～350Mpa，更优选为80Mpa～230Mpa。按照本专利技术的另一个方面提供了所述保偏光纤的制备方法，其包括以下步骤：将石英玻璃基质的光纤预制棒加热至粘弹态甚至熔融态，拉丝冷却定形成为光纤；拉丝速率在100米/分钟以上；光纤从拉丝炉到达收线装置过程中经过强制冷却，冷却速率1550℃/s到5800℃/s，优选1550℃/s到4000℃/s，更优选1550℃/s到3000℃/s。按照本专利技术的另一个方面提供了所述保偏光纤的制备方法，其包括以下步骤：将石英玻璃基质的光纤预制棒加热至粘弹态甚至熔融态，拉丝冷却定形成为光纤；拉丝过程中，未经涂覆的裸光纤在粘弹态下承受本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度保偏光纤，其特征在于，为熊猫型保偏光纤，由内而外依次设置有芯层和石英包层，所述石英包层内设有两个沿所述芯层呈中心对称的应力区；光纤横截面应力区中心连线为慢轴，光纤横截面与慢轴方向相垂直的直径方向为快轴；在室温下光纤芯层快轴方向具有压应力，光纤芯层区域在快轴方向上的压应力绝对值最大值大于17MPa，芯层慢轴方向具有张应力，且光纤芯层区域在慢轴方向上的张应力绝对值最大值大于12MPa。/n

【技术特征摘要】
1.一种高精度保偏光纤，其特征在于，为熊猫型保偏光纤，由内而外依次设置有芯层和石英包层，所述石英包层内设有两个沿所述芯层呈中心对称的应力区；光纤横截面应力区中心连线为慢轴，光纤横截面与慢轴方向相垂直的直径方向为快轴；在室温下光纤芯层快轴方向具有压应力，光纤芯层区域在快轴方向上的压应力绝对值最大值大于17MPa，芯层慢轴方向具有张应力，且光纤芯层区域在慢轴方向上的张应力绝对值最大值大于12MPa。


2.如权利要求1所述的高精度保偏光纤，其特征在于，所述光纤芯层区域在快轴方向上的压应力绝对值最大值大于30MPa，优选30MPa到50MPa；所述光纤芯层区域在慢轴方向上的张应力绝对值最大值大于19MPa，优选19MPa到35MPa，更优选所述保偏光纤应力区在慢轴方向上的张应力绝对值最大值为25MPa到35MPa。


3.一种高精度保偏光纤，其特征在于，由内而外依次设置有芯层和石英包层，所述石英包层内设有两个沿所述芯层呈中心对称的应力区；光纤横截面应力区中心连线为慢轴，光纤横截面与慢轴方向相垂直的直径方向为快轴；所述保偏光纤在沿慢轴方向张应力分布满足以下关系：
在慢轴上与光纤中心的距离为x处的张应力f，芯层半径为r1，包层半径为r0，由下式表示的慢轴张应力值F为1MPa·μm-1以上且40MPa·μm-1以下；



优选的F值为3MPa·μm-1以上且35MPa·μm-1以下
更优选的F值为10MPa·μm-1以上且30MPa·μm-1以下。


4.如权利要求1至3任意一项所述的高精度保偏光纤，其特征在于，所述石英包层折射率为n0，芯层折射率为n1，芯层与石英包层的相对折射率差Δ10的取值范围是0.3％～1.5％，优选Δ10处于0.35％～0.6％，其中：


5.如权利要求1至3任意一项所述的高精度保偏光纤，其特征在于，其芯层掺有锗，其摩尔含量百分比为2到15mol％，优选3到6mol％；优选其芯层还掺有氟，且氟的含量小于锗含量的10％；优选其应力区掺有硼，以B2O3计其摩尔含量百分比为1到35mol％，优选3％～25％，更优选10％～23％，再优选15％～21％。


6.如权利要求1至3任意一项所述的高精度保偏光纤，其特征在于，其截止波长小于1530nm，或者小于1295nm，或者小于830nm。


7.如权利要求1至3任意一项所述的高精度保偏光纤，其特征在于，所述保偏光纤石英包层直径为d0；
当124.0μm≤d0≤126.0μm时，所述保偏光纤具有内、外双涂层结构，其中内涂层直径为d4、以及外涂层直径为d5分别满足：170.0μm≤d4≤205.0μm，235.0μm≤d5≤250.0μm；所述内涂层的杨氏模量小于所述外涂层的杨氏模量，优选所述内涂层的杨氏模量为0.5Mpa～2.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖敏，杨思美，柳涛，蔡钊，
申请(专利权)人：武汉库克光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42