一种椭圆包层保偏光纤的制备方法及产品

技术领域

本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种椭圆包层保偏光纤的制备方法及产品。

背景技术

随着国内对光纤陀螺仪的需求越来越旺盛，对保偏光纤的要求越来越高。目前，主要应用的保偏光纤根据应力区差异可分为：熊猫型、领结型、椭圆包层型保偏光纤和椭圆芯保偏光纤。其中：熊猫型、领结型、椭圆包层型保偏光纤为应力双折射保偏光纤，椭圆芯保偏光纤为几何双折射，但是由于芯层椭，容易出现熔接损耗偏大的问题，而且其双折射性能比应力双折射性能要低。因此光纤陀螺仪常采用应力双折射光纤。

由于光纤陀螺仪未来为了进一步提高精度，在同样体积条件下，光纤长度更长，因此光纤外径会越来越小，同时还需保持较高的双折射性能。根据理论分析得出，随着光纤外径减小，应力区也会随之减小，对于领结型和熊猫型保偏光纤达到双折射效应要求的难度就会加大，很难满足光纤陀螺仪的要求；但相比对比椭圆包层保偏光纤应力区面积减小，可以通过椭圆包层应力区结构保持其双折射性能。另外在制备耦合器的过程中，领结型和熊猫型保偏光纤的耦合需要进行拉锥，光纤包层直径从125μm减小到40μm时，光纤拉锥会非常困难且耦合损耗较大，但椭圆包层保偏光纤拉锥和耦合相对容易。综上所述，椭圆包层型保偏光纤更适应光纤陀螺仪小型化、高性能的发展方向。

不同于具有椭圆包层和椭圆芯层的椭圆芯保偏光纤，具有圆形芯层和椭圆包层的椭圆包层保偏光纤制备工艺较为困难，一般是利用非圆形的芯棒和圆形套管在压力控制下熔缩或者拉丝制得的。例如，EP0381473B1专利中采用MCVD制备芯棒，再用打磨法制备椭圆包层，但是从拉制出的光纤参数来看，存在光纤包层不圆度很大的问题，这会影响光纤后续使用过程中需要熔接或拉锥性能。中国专利CN102295407A提供了一种椭圆包层保偏光纤的制备方法，采用拼接法制备椭圆包层，导致椭圆包层形成的用于沉积芯层的内表面不规整，最终制备的椭圆包层保偏光纤其芯层不圆度较高，且需要反复从沉积炉取下，生产效率低。也有直接用负压法制备出椭圆包层型保偏光纤，但是由于是一次性制备芯层、椭圆包层、外包层，导致最终芯圆度和包层不圆度很大，影响后端使用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种椭圆包层保偏光纤的制备方法及产品，其目的在于采用套棒法，将具有圆形外轮廓的椭圆包层的实心棒与芯层用于形成芯层的圆形玻璃棒进行同轴配合，制作过圆包层光纤预制棒并拉质为椭圆包层光纤，由此解决现有的椭圆包层保偏光纤外包层和芯层不圆度较高、芯包同心度不佳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种椭圆包层保偏光纤的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备椭圆包层实心棒：使用于形成保偏光纤应力包层的玻璃件处于熔融状态下，施加直径方向的正压或者负压，形成横截面为类椭圆的实心棒，机加工磨圆后制得横截面外轮廓为圆形的椭圆包层实心棒；

(2)制备光纤预制棒：将步骤(1)制备的椭圆包层实心棒的中心打孔，套入用于形成所述保偏光纤芯层的圆形玻璃棒，制得所述保偏光纤的预制棒；

(3)制备所述椭圆包层保偏光纤：将步骤(2)制备的保偏光纤的预制棒拉丝，制得所述椭圆包层保偏光纤。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其步骤(1)椭圆包层实心棒的外轮廓圆形与类椭圆的实心棒共中轴。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其步骤(1)在类椭圆的实心棒两端共中轴熔接圆柱体接头，将两端圆柱形接头夹持在车床两端的三爪接头上，使得所述实心棒中轴与车床主轴重合地装夹进行旋转机加工。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其步骤(1)在熔融状态下，采用平直模型施加直径方向的正压，即模压形成具有平行侧面的横截面为类椭圆的实心棒；夹持横截面为类椭圆的实心棒的平行侧面，使其与所述圆柱体接头熔接，优选竖向熔接。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其所述圆柱体接头的横截面直径小于等于所述类椭圆的实心棒的短轴且与之相当。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其所述用于形成保偏光纤包层的玻璃件为圆形衬管管内沉积法制得。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其所述用于形成保偏光纤应力包层的玻璃件具有多层，形成类椭圆的实心棒的相应层，其中至少有一层为硼掺杂应力包层，所述硼掺杂层中同心嵌套有纯石英或掺氟内包层。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其步骤(2)中心打孔的直径不超过硼掺杂应力包层的短轴，优选不超过纯石英芯层的短轴。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其所述椭圆包层的相对折射率在-1.6～-0.7％之间，椭圆包层的长轴与外包层直径的比值≤0.7；椭圆包层的椭圆率在0.3～0.7之间，椭圆率为椭圆的长轴短轴长度的差与和的比值；慢轴方向上椭圆包层距离芯层最短距离与芯层直径比例为0.1～1.2。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其所述用于形成所述保偏光纤芯层的圆形玻璃棒包括芯层，所述芯层相对折射率差Δ1％在0.5～1.3％之间。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤的制备方法，其所述圆形玻璃棒具有多层嵌套的折射率剖面结构，具体所述圆形玻璃棒的芯层外侧具有相邻包层，相邻包层相对折射率Δ2％在-0.8～0％之间。

按照本发明的另一个方面，提供了一种椭圆包层保偏光纤，具有共轴的圆形外包层、椭圆包层、圆形芯层；

所述椭圆包层与所述圆形芯层的芯包同心度在≤0.5μm，优选≤0.3μm，包层不圆度≤1，优选≤0.5。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤，其所述椭圆包层的相对折射率在-1.6～-0.7％之间，椭圆包层的长轴与外包层直径的比值≤0.7；椭圆包层的椭圆率在0.3～0.7之间，椭圆率为椭圆的长轴短轴长度的差与和的比值；慢轴方向上椭圆包层距离芯层最短距离与圆形芯层直径比例为0.1～1.2。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤，其所述圆形芯层相对折射率差在0.5～1.3％之间。

优选地，所述椭圆包层保偏光纤，其所述圆形芯层外侧具有相邻包层，相邻包层相对折射率在-0.8～0％之间。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的椭圆包层保偏光纤的制备方法，将具有圆形外轮廓的椭圆包层实心棒和同样具有圆形外轮廓的用于形成芯层的玻璃棒采用套棒法制作椭圆包层光纤预制棒，一方面由于圆形套棒技术成熟，具有良好的同心度；另一方面，芯层和椭圆包层分别成型，径向变形制作椭圆包层的工艺不影响芯层玻璃棒的圆形外轮廓，芯层不圆度不会明显下降，明显优于现有的椭圆包层光纤。因此本发明制得的椭圆包层保偏光纤，具有良好的同心度以及芯层不圆度。

同时采用径向压力形成椭圆包层，相对于堆积成型的椭圆包层，明显更为规整，工艺简化。

附图说明

图1是本发明提供的椭圆包层保偏光纤的制备方法示意图；

图2为本发明实施例提供的椭圆包层保偏光纤端面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的椭圆包层保偏光纤的快轴方向折射率剖面示意图；

图4是椭圆包层实心棒与圆棒同心对接示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1是芯层，2是相邻包层，3是椭圆包层，4是外包层，5是内涂层，6是外涂层，7是车床，8是烤灯，9是三爪接头，10是平直接头，11是圆棒，12是类椭圆实心棒，13是百分表；

D1是芯层直径，D2是相邻包层直径，D3是椭圆包层长轴直径，D4是光纤外包层直径，D5是光纤内涂层直径，D6是光纤外涂层直径，D7是椭圆包层距离芯层最短距离，D8是椭圆包层短轴直径；Δ1％是芯层相对折射率，Δ2％是相邻包层相对折射率，Δ3％是椭圆包层相对折射率差，Δ4％是光纤外包层相对折射率差。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中相对折射率差计算方式为Δ＝[(n

本发明提供的椭圆包层保偏光纤的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)制备椭圆包层实心棒：使用于形成保偏光纤应力包层的玻璃件处于熔融状态下，施加直径方向的正压或者负压，形成横截面为类椭圆的实心棒，机加工磨圆后制得横截面外轮廓为圆形的椭圆包层实心棒；

所述用于形成保偏光纤包层的玻璃件为圆形衬管管内沉积法制得，经烧实熔缩获得用于形成保偏光纤应力包层的玻璃件。在熔缩时，玻璃件处于熔融状态下，可直接施加直径方向的正压或者负压，形成横截面为类椭圆的实心棒。管内沉积法，可以方便的形成玻璃件不同成分掺杂的多层结构，有序方案，用于形成保偏光纤应力包层的玻璃件具有多层，形成类椭圆的实心棒的相应层，其中至少有一层为硼掺杂应力包层，所述硼掺杂层中同心嵌套有纯石英层。内嵌的纯石英芯层具有良好的加工性能，在进行打孔工艺时，不容易引起玻璃件炸裂，提高成品率。故中心打孔的直径不超过硼掺杂应力包层的短轴，优选不超过纯石英芯层的短轴。

为了确保制得的包层保偏光纤其芯层处于光纤应力包层的中心，椭圆包层实心棒的外轮廓圆形与类椭圆的实心棒共中轴，如图4所示，以保证在接下来的打孔及套棒工艺中，用于形成芯层的圆形玻璃棒处于椭圆包层实心棒的中心。

然而，类椭圆的实心棒在进行机加工磨圆时，车床的装夹精度和稳固程度相较于圆柱形实心棒不佳，为了保证机加工磨圆的加工精度，尤其是椭圆包层实心棒的外轮廓圆形与类椭圆的实心棒共中轴的精度，优选在类椭圆实心棒两端共中轴熔接圆柱体接头，将两端圆柱形接头夹持在车床两端的三爪接头上，使得所述实心棒中轴与车床主轴重合地装夹进行旋转机加工，提高各层的同心度。优选方案，所述圆柱体接头为纯石英玻璃，一方面使类椭圆的实心棒稳固装夹，另一方面圆棒可以通过卡百分表有效检查同心度和跳动，便于校准。

由上可知，在机加工工艺中，横截面为类椭圆的实心棒被稳定的夹持是关键之一。当采用模压成型，即在使用于形成保偏光纤应力包层的玻璃件处于熔融状态下，施加直径方向的正压，若采用平直模具，能形成具有平行侧面的横截面为类椭圆的实心棒，夹持平行侧面能更加稳定。优选方案，夹持横截面为类椭圆的实心棒的平行侧面，使其与所述圆柱体接头竖向熔接，避免由于重力引起的熔融端面流动，而导致圆柱体接头与类椭圆的实心棒的熔接发生偏移。

圆柱体接头的横截面直径一般不能超过类椭圆的实心棒的短轴，在此前提下尽可能的大，优选方案与所述类椭圆的实心棒的短轴相当。

所述椭圆包层的相对折射率Δ3％在-1.6～-0.7％之间，椭圆包层的长轴D3与外包层直径D4的比值D3/D4≤0.7；椭圆包层的椭圆率(D3-D8)/(D3+D8)在0.3～0.7之间；慢轴方向上椭圆包层距离芯层最短距离D7与芯层直径比例D7/D1为0.1～1.2。

(2)制备光纤预制棒：将步骤(1)制备的椭圆包层实心棒的中心打孔，套入用于形成所述保偏光纤芯层的圆形玻璃棒，制得所述保偏光纤的预制棒；

所述用于形成所述保偏光纤芯层的圆形玻璃棒，包括芯层，所述芯层相对折射率差在0.5～1.3％之间。

优选所述圆形玻璃棒，具有多层嵌套的折射率剖面结构，具体所述圆形玻璃棒芯层外侧具有相邻包层，相邻包层相对折射率在-0.8～0％之间。

(3)制备所述椭圆包层保偏光纤：将步骤(2)制备的保偏光纤的预制棒拉丝，制得所述椭圆包层保偏光纤。

按照本发明提供的椭圆包层保偏光纤的制备方法制备的椭圆包层保偏光纤，典型结构包括圆形外包层、椭圆硼掺杂包层、圆形芯层；一般在椭圆硼掺杂包层和圆形芯层之间具有椭圆纯石英层；优选在圆形芯层外侧具有相邻包层；所述椭圆包层与所述圆形芯层的芯包同心度在≤0.5μm，优选≤0.3μm，包层不圆度≤1，优选≤0.5。目前椭圆包层光芯层包同心度一般水平在1μm左右，本发明给提供的椭圆包层保偏光纤，其光芯层包同心度、包层不圆度(即裸光纤的不圆度)改善，而芯层不圆度则从毫无疑问的与现有的熊猫芯保偏光纤、领结型保偏光纤等相当，相对于现有的椭圆包层保偏光纤具有明显优势。

所述椭圆包层的相对折射率Δ3％在-1.6～-0.7％之间，椭圆包层的长轴D3与外包层直径D4的比值D3/D4≤0.7；椭圆包层的椭圆率(D3-D8)/(D3+D8)在0.3～0.7之间；慢轴方向上椭圆包层距离芯层最短距离D7与圆形芯层直径比例D7/D1为0.1～1.2。

所述圆形芯层相对折射率差在0.5～1.3％之间；优选方案，所述圆形芯层外侧具有相邻包层，相邻包层相对折射率在-0.8～0％之间。

以下为实施例：

实施例中：

芯/包层同心度误差：采用IEC 60793-1-20标准测试；

包层不圆度：采用IEC 60793-1-20标准测试；

双折射率，B＝λ/beatlength，λ为波长，beatlength为拍长，拍长采用IEC 60793-1-60标准测试；

实施例1

本发明提供的椭圆包层保偏光纤的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备椭圆包层实心棒：使用于形成保偏光纤应力包层的玻璃件处于熔融状态下，施加直径方向的正压形成横截面为类椭圆的实心棒，机加工磨圆后制得横截面外轮廓为圆形的椭圆包层实心棒；

(1-1)管内沉积法制备形成保偏光纤包层的玻璃件：

采用PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺分别制备硼掺杂层和纯硅芯层或掺氟芯层；具体地，本申请中芯棒采用SiCl

其中，硼掺杂层制备工艺过程中SiCl

(1-2)加热熔缩并成型：

将沉积完的管材下棒到熔缩车床，加热至1950℃，通过高温加热管材产生表面张力使其管材收缩成实心棒。

采用加热装置将实心棒加热至2000℃，通过平直磨具施加压力，产生形变一定距离后停止，进而形成了类椭圆包层实心棒。

实施例1-5中原棒外径为40.5mm，热压的距离分别是5mm、7mm、9mm、11mm、13mm。

(1-3)机加工：

首先将类椭圆包层实心棒通过平直夹具夹持，同时将圆棒用三爪接头夹持后，通过火焰加热熔融对接后，松掉三爪接头，通过卡百分表有效检查同心度，控制跳动≤0.1mm；

待棒冷却后，调换夹持点，即通过三爪接头夹持类椭圆包层实心棒的圆棒处，另一头换成三爪接头夹持另一根原棒，通过火焰加热熔融对接后，松掉另一头原棒的三爪夹头，通过卡表分表有效检查未夹持的原棒的跳动，控制其≤0.1mm后，停止校棒。

最后将两端的圆柱体头装夹在车床的三爪接头上，将类椭圆实心棒进行磨圆，实施例1-5中的圆棒外径和打磨外径分别是35mm、33mm、31mm、29mm、27mm。

(2)制备光纤预制棒：将步骤(1)制备的椭圆包层实心棒的中心打孔，套入用于形成所述保偏光纤芯层的圆形玻璃棒，制得所述保偏光纤的预制棒；

(2-1)制备圆形玻璃棒：

采用PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺分别制备芯层和相邻包层；具体地，本申请中芯层采用SiCl

其中，芯层制备工艺过程中SiCl

将沉积完的管材下棒到熔缩车床，加热至1950℃，通过高温加热管材产生表面张力使其管材收缩成实心棒。

将芯棒外径腐蚀至9mm，以便后续套棒操作。

(2-2)打孔：

采用打孔车床，将椭圆包层实心棒中心打孔至10mm后，进行去油、清洗和干燥。

(2-3)套棒：

采用RIT法，将圆形玻璃棒套入打过孔的椭圆包层实心棒。

(3)制备所述椭圆包层保偏光纤：将步骤(2)制备的保偏光纤的预制棒拉丝，制得所述椭圆包层保偏光纤。

拉丝炉温1900～2100℃，拉丝速度200～600m/min，拉丝张力20～90g。

光纤端面结构如图2所示，由内而外依次包括：圆形芯层、相邻包层、椭圆包层、外包层、内涂层、外涂层，其中圆形芯层直径为D1，相邻包层直径为D2，椭圆包层长轴直径为D3，光纤外包层直径为D4，光纤内涂层直径为D5，光纤外涂层直径为D6，椭圆包层距离芯层最短距离为D7，椭圆包层短轴直径为D8，折射率剖面如图3所示，其参数如下：

实施例2

本发明提供的椭圆包层保偏光纤的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备椭圆包层实心棒：使用于形成保偏光纤应力包层的玻璃件处于熔融状态下，通过熔缩时施加负压，进而可以形成横截面为类椭圆的实心棒，机加工磨圆后制得横截面外轮廓为圆形的椭圆包层实心棒；

(1-1)管内沉积法制备形成保偏光纤包层的玻璃件：

采用PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺分别制备硼掺杂层和纯硅芯层或掺氟芯层；具体地，本申请中芯棒采用SiCl

其中，硼掺杂层制备工艺过程中SiCl

(1-2)加热熔缩并成型：

将沉积完的管材下棒到熔缩车床，加热至1950℃，通过高温加热管材产生表面张力使其管材收缩，通过采用负压烧实，进而制备出类椭圆包层实心棒。其短轴外径分别是34mm、32mm、30mm、28mm、26mm；

(1-3)机加工：

首先将类椭圆包层实心棒通过平直夹具夹持，同时将圆棒用三爪接头夹持后，通过火焰加热熔融对接后，松掉三爪接头，通过卡百分表有效检查同心度，控制跳动≤0.1mm；

待棒冷却后，调换夹持点，即通过三爪接头夹持类椭圆包层实心棒的圆棒处，另一头换成三爪接头夹持另一根原棒，通过火焰加热熔融对接后，松掉另一头原棒的三爪夹头，通过卡表分表有效检查未夹持的原棒的跳动，控制其≤0.1mm后，停止校棒。

最后将两端的圆柱体头装夹在车床的三爪接头上，将类椭圆实心棒进行磨圆，实施例1-5中的圆棒和类椭圆实心棒磨圆后直径分别是34mm、32mm、30mm、28mm、26mm。(2)制备光纤预制棒：将步骤(1)制备的椭圆包层实心棒的中心打孔，套入用于形成所述保偏光纤芯层的圆形玻璃棒，制得所述保偏光纤的预制棒；

(2-1)制备圆形玻璃棒：

采用PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺分别制备芯层和相邻包层；具体地，本申请中芯层采用SiCl

其中，芯层制备工艺过程中SiCl

将沉积完的管材下棒到熔缩车床，加热至1950℃，通过高温加热管材产生表面张力使其管材收缩成实心棒。

将芯棒外径腐蚀至9mm以便后续套棒操作。

(2-2)打孔：

采用打孔车床，将椭圆包层实心棒中心打孔10mm后去油、清洗和干燥。

(2-3)套棒：

采用RIT法，将圆形玻璃棒套入打过孔的椭圆包层实心棒。

(3)制备所述椭圆包层保偏光纤：将步骤(2)制备的保偏光纤的预制棒拉丝，制得所述椭圆包层保偏光纤。

拉丝炉温1900～2100℃，拉丝速度200～600m/min，拉丝张力20～90g。

光纤端面结构如图2所示，由内而外依次包括：圆形芯层、相邻包层、椭圆包层、外包层、内涂层、外涂层，其中圆形芯层直径为D1，相邻包层直径为D2，椭圆包层长轴直径为D3，光纤外包层直径为D4，光纤内涂层直径为D5，光纤外涂层直径为D6，椭圆包层距离芯层最短距离为D7，椭圆包层短轴直径为D8，折射率剖面如图3所示，光纤参数如下：

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。