保持圆偏振态的光纤和它的制备方法技术

本发明专利技术将揭示一种能保持圆偏振态的光纤，其保偏机制不同于已知的将光纤在“冷”状态下硬行旋扭以产生光弹效应的机制，而是在拉成的光纤内部形成一条环绕纤轴旋转的螺旋形应力作用体，用以产生圆双折射。此特种光纤甚易用成熟的光纤工艺设备和工艺方法制成，即所用预制棒含一根偏离中心轴线的应力柱体，在“热”拉丝中旋转此预制棒而拉成上述的高圆双折射光纤结构。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种特殊光纤及其制备方法和应用，尤其是涉及一种能保持圆偏振态的光纤及其制备方法和应用。在光纤的研究与发展中，由于圆偏振光传输具有优于线偏振光传输的不少优点，特别是在光纤连接方面的极大方便，早在1980年就有法国光纤专家L.JeunhommeandM.Monerie先生在期刊Electron.Lett.vol.16，No.24，PP.921-922(1980)发表的题为“Polarization-maintainingsingle-modefibrecabledesign”文章中提出过在光纤传输系统中用圆偏振光取代线偏振光的设想。问题的关键于是归结为能否找到一种具有保持圆偏振态能力的特种光纤。常规光纤在理想条件下应该既可传线偏振光，亦同样可传圆偏振光。但在实际上存在有不可避免的各种扰动的条件下，常规光纤无论传线偏振光或传圆偏振光都不稳定。于是，从七十年代末到现在约十五个年头，光纤专家付出过很大努力寻求能够稳定住光纤偏振态(无论线偏振态或圆偏振态)的特别结构。在寻求保持线偏振态光纤的努力中，已取得了很了不起的成就，其中特别是英国的“领结光纤”，日本的“熊猫光纤”和“古河光纤”，美国的“康宁光纤”和贝尔的“偏椭圆光纤”，等等。可惜的是，在寻求保持圆偏振态光纤的努力中，从七十年代末八十年代初到现在，却是未获任何进展。原始的早在七十年代末八十年代初就知道的一种方法，即在“冷”状态下将光纤硬行旋扭的方法，到现在仍然是光纤专家所知道的唯一方法。可惜的是，这种将光纤硬扭的方法，虽然在短光纤弱微扰情况下，可以产生一定的保持圆偏振态的功能，但其保持圆偏振态的能力很弱，和现有所谓“保偏光纤”之保持线偏振态的能力比较，相差悬殊。由于光纤玻璃材料的强度限制，硬扭过头会使光纤裂断。由于这个固有的原因，除开少数特定情况，硬扭光纤未能见诸实用，尽管有几家世界上一流的公司在八十年代初曾经付出好几年的努力尝试用硬扭光纤传输圆偏振光。除上述强度限制外，硬扭光纤的一个附带的实际问题，是硬扭后如何将硬扭状态加以保存和固定。本专利技术的目的是提供一种能保持圆偏振态的特种光纤及其制备方法，此种光纤可利用现成的光纤工艺设备、原材料和技术，再加上本专利技术的方法而制成，完全不存在硬扭光纤所固有的困难问题。本专利技术的进一步目的是提供对上述能保持圆偏振态的特种光纤的各种应用。附图说明图1表示保圆光纤的结构(放大)示意图。图2表示保圆光纤预制棒的结构示意图。图3表示利用保圆光纤和保圆元件器件构成的全光纤陀螺系统。本专利技术所涉及的一种能保持圆偏振态的光纤，其特征是，在已拉成的光纤内部形成一条环绕纤轴旋转的螺旋形应力作用体，用以产生圆双折射。本专利技术所涉及的一种制备能保持圆偏振态的光纤(简称“保圆”光纤)的方法，其特征是，所用预制棒含有一偏离中心轴线的应力作用柱体，在光纤拉丝过程中，旋转此预制棒，即将应力柱体拉成一螺旋线，从而制出所需的高圆双折射特种光纤(即保圆光纤)。下面将参照附图，结合本专利技术的实施例对本专利技术加以详细描述。图1所示的特种光纤是一种参量沿传输方向Z作周期性变化的波导结构。图中1表示光纤截面;2表示纤芯;3表示螺旋线形状的应力作用体;4表示整条保圆光纤。这种波导结构在任何一横截面上都可确定其本地直角坐标系(x，y);设x轴为穿过应力作用区和纤芯的直线，则和此直线相垂直的直线为y轴。设本地模式为ax和ay，其传播常数分别为βx和βy，则此二模式由于应力作用区在Z方向沿一螺旋线绕动而发生耦合。此耦合系数C正比于螺旋线的旋转角速度τ，即c＝ξτ，比例常数ξ决定于光纤横截面的几何关系和折射率与应力分布关系。设ax＝Axexp(-jβZ)，ay＝Ayexp(-jβZ)，β＝(βx+βy)/2，则本地模式的耦合方程组可以表示为dAx/dZ＝j(△β/2)Ax+cAy(1)dAy/dZ＝-cAx-j(△β/2)Ay(2)式中△β＝(βx-βy)/2＝2π/Lb，Lb为不旋拍波长;c＝ξ(2π/Ls)，Ls代表螺旋线的旋距。以Wx和Wy代表超模式。超模式和本地模式之间有下列变换关系式Ax＝cosψWx+jsinψWy(3)Ay＝jsinψWx+cosψWy(4)式中ψ＝0.5arctg(2c/△β)。超模式适合下列独立方程dWx/dZ＝jgWx(5)dWy/dZ＝-jgWy(6)其解分别为Wx＝exp(jgZ)和Wy＝exp(-jgZ)，式中g＝〔(△β/2)2+C2〕1/2。在C＞＞△β的条件下，ψ→45°。从(3)和(4)式可见，在本地坐标系中，光在光纤中的传输既可视为二互相耦合的线偏振态本地模式，同时亦可视为二独立(不耦合)的本地简正模式，它们分别为左旋和右旋圆偏振光，即 对于ψ≠45°的实际情况，所得到的本地简正模式解分别是左旋与右旋椭圆偏振光，方位分别在本地坐标系的x和y轴上，椭圆度均为tgψ，ψ＜45°。图1所示特种光纤，在C＞＞△β条件下的圆双折射等于2g=2Lb〔 1+4ξ2(Lb 2Lg)2〕1/2(9)]]>于是，此特种光纤具有保持圆偏振态的特性，其拍波长Λb可以表为Ab(圆)＝πLb(线) 〔1+4ξ2(Lb/Lg)2〕-12(10)]]>用本专利技术光纤可制作能保持圆偏振态的各种光纤元件和器件。作为举例，图3所示陀螺系统中的保持圆偏态的定向耦合器D即可利用本专利技术光纤制成。从工艺技术的角度看，保圆光纤元件器件要比现有的所谓“保偏光纤”(即保持线偏振态，或“保线”)光纤元件器件容易制造得多。这是因为，对于保圆光纤元件器件，不要求主轴对准。而保线光纤元件器件，则主轴对准，特别是多根光纤加工部分的纤内主轴对准，恐怕是制造此种元件器件的最大难题。本专利技术“保圆”光纤适用于要求偏振态稳定的光纤网络和系统，其独特的优点是使网络系统中各个光纤元件器件的互连极大地得到简化。这一独特优点，不光是在工艺技术上省时省事的问题，而且有利于光纤系统的稳定和正确工作。由现有所谓保偏光纤(即保持线偏振态的光纤)所构成的网络系统，如果某一接点两边保偏光纤主轴即使稍微错开了几度，往往也会影响光纤网络系统的正常运行。作为保圆光纤系统之一例，图3示用“保圆”光纤和元件器件构成的全光纤陀螺结构。图中S表示超辐射发光二极管光源(SLD);PPCo表示无源光纤偏振态控制变换器;C表示保圆定向耦合器;D表示检测器;L表示匹配负载;Gyro表示陀螺环;Ω表示陀螺环的角转速。该全光纤陀螺结构使用一个无源偏振态控制变换器PPC。将光源S发射的线偏振光变换为圆偏振光。这在本专利技术人的中国专利申请92108559.1中已揭示。除此以外，图3中所示的整个光路，包括陀螺环，全部都工作于圆偏振态。用“保线”光纤(即通常所谓的保偏光纤)绕制陀螺环，除非用贝尔实验室创制的那种扁形保偏光纤，绕在陀螺环绕筒上的光纤其主轴方位很难做到处处排列整齐一致，而由于保线偏振态光纤主轴在绕筒上形成的无规排列，就使陀螺环转动时所产生的Sagnac效应有所减弱。用保圆光纤绕制陀螺环，则不存在这个缺点。至于用保圆光纤绕成的陀螺环其直径能做成多小，则要看结构设计，所用掺杂材料和工艺技术等条件而定，即由光纤圆双折射能达到如何水平而定。保持线偏振态光纤已经研究了约十五年，而保圆光纤则刚刚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能保持圆偏振态的光纤，其特征是，在已拉成的光纤内部形成一条环绕纤轴旋转的螺旋形应力作用体，用以产生圆双折射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄宏嘉，
申请(专利权)人：黄宏嘉，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]