一種細徑保偏光纖的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及特種光纖領域，具體涉及一種細徑保偏光纖。
【背景技術】
[0002] PMF(PolarizationMaintainingOpticalFiber，偏振保持光纖，簡稱保偏光纖） 是一種在實現光的單模傳輸特性的同時保持其線偏振狀態的特種光纖。由于PMF具有應力 雙折射效應，因此PMF能夠在傳輸線偏振光時良好地保持偏振態。PMF的線偏振保持能力在 許多與偏振相關的應用領域具有使用價值（例如多維復用相干通信、光纖陀螺技術、電流 互感技術、光纖水聽器和偏振傳感等）。
[0003]PMF在光纖陀螺中使用時，將PMF繞制為光纖環進行應用。光纖環是光纖陀螺中的 核心部件，光纖環的性能直接決定光纖陀螺的性能表現，光纖環中光纖的長度決定光纖陀 螺的精度，光纖自身性能決定光纖環圈環境適應性的關鍵，進而決定了光纖陀螺的環境適 應性表現。采用PMF的光纖陀螺與一般通信用光纖的使用環境和過程均不一樣，采用PMF 的光纖陀螺重點在于關注光纖的力學、光學偏振和環境適應性等性能指標（主要包括常溫 串音、全溫串音、常溫損耗、全溫附加損耗變化、模場直徑、拍長、張力篩選、包層直徑、涂敷 直徑等）。
[0004] PMF的類別主要包括幾何雙折射保偏光纖和應力雙折射保偏光纖。幾何雙折射保 偏光纖主要為橢圓纖芯保偏光纖，幾何雙折射保偏光纖使用時，利用纖芯的幾何不對稱來 實現雙折射效應控制光的線偏振態。應力雙折射保偏光纖主要包括領結型保偏光纖、橢圓 包層型保偏光纖和熊貓型保偏光纖；雙折射保偏光纖使用時，通過在光纖的包層引入和包 層材料膨脹系數相差巨大的材料形成應力區，通過應力來壓縮纖芯傳輸的光的模場實現雙 折射效應，以保持光的線偏振特性。
[0005] 自熊貓型保偏光纖成功推出以來，受到光纖陀螺的技術需求的推動，自熊貓 型保偏光纖的包層直徑/涂層直徑的演變過程為：200ym/400ym、125ym/245ym、 80ym/165ym。自熊貓型保偏光纖的包層直徑在80ym時，其涂層直徑最小達到165ym 左右，與125ym/245ym的常規光纖相比，80ym/165ym的自熊貓型保偏光纖的涂層直徑 (165ym)減小了 30%以上，體積減小了 50%以上。
[0006] 綜上所述，將80ym/165ym的自熊貓型保偏光纖作為光纖陀螺的光纖環的外形 尺寸較小，進而為光纖陀螺的應用帶來了一系列好處，其中以對光纖環溫度性能的改善效 果最為顯著。但是，隨著光纖陀螺技術的進一步發展，以及智能電網用電流互感技術的應用 發展要求，光纖環需要更好的溫度性能和更小的尺寸。
[0007] 面對這一新的要求，有必要研宄出更小外形尺寸的保偏光纖；傳統的減小保偏光 纖外形尺寸的方法一般為單純的直接降低光纖的直徑。但是，因為光纖的直徑越小、涂層越 薄，進而導致光纖抗外界干擾能力下降的困擾，所以傳統的減小保偏光纖外形尺寸的方法 難以應用于精度需求較高的光纖陀螺。
[0008] 因此，如何發展出即與常規通信光纖和保偏光纖具有良好熔接性能，還具有更細 小的體積，同時還具有優良的幾何與光學性能的保偏光纖成為諸多更高性能的光纖陀螺、 互感器等應用技術急需解決的難題。
[0009] 眾所周知，當光纖環中某一段光纖存在時變溫度擾動時，兩束反向傳播光波在不 同時間經過該光纖時，會因溫度擾動而經歷不同的相移，該相移為環境溫度引起的非互易 相移（即Shupe效應）。Shupe效應帶來的光纖陀螺的測量誤差稱之為Shupe誤差。
[0010] 某段光纖上的溫度變化率通常由環境溫度引起的光纖環內側、外側的溫度梯度造 成，表征Shupe誤差的溫度速率靈敏度也稱為溫度梯度靈敏度。環境溫度引起的光纖陀螺 偏置漂移是由溫度變化率引起的，由于這種Shupe誤差與旋轉引起的Sagnac效應相移難以 區分，因此必須采取措施抑制光纖陀螺的溫度漂移。
[0011] 現在抑制光纖陀螺的溫度漂移的方法一般為：通過四極法或八極法等對稱繞制方 法來繞制光纖環，通過使相鄰兩對對稱的光纖層層序相反，以補償徑向溫度場梯度。該方法 對光纖陀螺中的Shupe誤差起到了非常有效的抑制效果，但受工藝設備所限，光纖環繞制 狀態依然存在非理想性，在中高精度的光纖陀螺應用中，殘余溫度漂移仍是不可忽略的。
[0012] 細徑保偏光纖可以抑制光纖陀螺的溫度漂移，細徑保偏光纖包層直徑為80ym或 更小，涂層直徑從90?140ym不等。與80/165ym(包層直徑/涂層直徑）的保偏光纖相 比，細徑保偏光纖的抗彎曲性能較好；同樣長度的光纖可以繞制更小尺寸的環，同時光纖在 陀螺結構上的層數也相應減少，光纖環內外側的溫度差降低，從而可以有效抑制光纖陀螺 的Shupe誤差，提高光纖陀螺的全溫性能。與此同時，對于幾何尺寸確定的光纖陀螺而言， 使用細徑保偏光纖可以繞制長度更長的光纖環，能大幅提高同等尺寸下光纖陀螺的極限精 度，滿足了中高精度光纖陀螺的小型化應用需求。
[0013] 然而，隨著光纖幾何尺寸的不斷縮小，如何在減小光纖包層直徑和涂層直徑的同 時保持保偏光纖的優異性能成為光纖設計和制造過程中的一大難題。

【發明內容】

[0014] 針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種細徑保偏光纖，不僅具 有優良的衰減和串音穩定特性，而且具有優良的長期工作穩定特性，能夠為高精度光纖陀 螺的研制提供更好的光纖環，進而為光纖陀螺向小型化、高精度方向的發展奠定基礎。
[0015] 為達到以上目的，本發明提供的：一種細徑保偏光纖，包括石英光纖，石英光纖的 外圍設置有內涂層和外涂層，石英光纖的內部設置有光纖芯層和石英包層，石英包層位于 光纖芯層的外圍；光纖芯層和石英包層之間設置有2個應力區，2個應力區沿光纖芯層的中 心對稱分布；所述內涂層和外涂層之間設置有緩沖涂層，每個應力區外圍均設置有與應力 區同心的緩沖層；
[0016] 所述光纖芯層的折射率為n光，所述緩沖層的折射率為n緩，所述石英包層的折射 率為n石；所述應力區的折射率為n應，應力區外圍的折射率為n應外，應力區中心的折射 率為n應中；
[0017] n光與n石的相對折射率差A n光為0. 5%?1. 3%，n緩與n石的相對折射率差 An緩為-0. 1%?-0.4% ;n應外與n石的相對折射率差An應外為-0. 1%?-0.4%，n 應中與n石的相對折射率差An應中為-1. 2%?-0. 8% ;
[0018] 所述細徑保偏光纖的工作波長為1310nm時，其衰減達到0. 5dB/km以下，串音達 到一 35dB/km;所述細徑保偏光纖的工作波長為1550nm時，其衰減達到0. 4dB/km以下，串 音達到一 30dB/km。
[0019] 在上述技術方案的基礎上，所述光纖芯層的直徑為d光，所述緩沖層的直徑為d 緩，所述石英光纖的直徑為d石，所述應力區的直徑為d應；d光與d石的比值為0. 05? 0. 08,d緩與d應的比值為1. 0?1. 2,d應與d石的比值為0. 2?0. 4。
[0020] 在上述技術方案的基礎上，所述內涂層的直徑為d內，所述緩沖涂層的直徑為d緩 涂，所述外涂層的直徑為d外，d內與d外的比值為0. 65?0. 85,d緩涂與d外的比值為 0. 75 ?0. 9。
[0021] 在上述技術方案的基礎上，所述石英光纖的直徑d石為50um或80um，所述d外為 90um?140um。
[0022] 在上述技術方案的基礎上，所述內涂層的楊氏模量為0. 05Mpa?20Mpa，所述外涂 層的楊氏模量為〇. 5Gpa?1. 5Gpa;所述緩沖涂層的楊氏模量為0.IMpa?600MPa、且緩沖 涂層的楊氏模量在內涂層和外涂層之間。
[0023] 在上述技術方案的基礎上，所述內涂層、緩沖涂層和外涂層制作時，所述內涂層采 用單模具涂覆、并經紫外線固化后，再經雙模具同時涂覆緩沖涂層和外涂層，最后將緩沖涂 層和外涂層同時通過紫外線固化。
[0024] 在上述技術方案的基礎上，所述相對折射率差的計算公式為：A= (n折-n石）/ (n折+n石）? 100%，其中A為相對折射率差；當計算光纖芯層與石英包層相對折射率差 時，上述公式中n折為n光；當計算緩沖層與石英包層的相對折射率差時，上述公式中n折 為n緩；當計算應力區外圍與石英包層的相對折射率差時，上述公式中n折為n應外；當計 算應力區中心與石英包層的相對折射率差時，上述公式中n折為n應中。
[0025] 在上述技術方案的基礎上，所述光纖芯層采用摻鍺的方式制成，所述緩沖層采用 淺摻硼的方式制成，所述應力區采用深摻硼的方式制成。
[0026] 與現有技術相比，本發明的優點在于：
[0027] (1)本發明設計了一種新的保偏光纖的波導結構，保偏光纖的應力區周圍設置有 一層緩沖層，應力區采用平滑拋物線型波導結構，芯區為拋物線結合平臺型的波導結構。因 此，本發明能夠在光纖包層直徑減小的情況下，解決由于應力區占整個石英區的比例偏大 時造成的衰減偏大問題。
[0028] 與此同時，本發明在常規的內涂層和外涂層之間設計有一層很薄的緩沖涂層，從 而能夠有效解決薄涂層情況下，由于涂層變薄造成的保偏光纖的串音難以優良控制的問 題。
[0029] 綜上所述，本發明通過緩沖層和緩沖涂層的雙重緩沖設計，為保偏光纖的直徑的 進一步變細提供基礎，本發明中具有雙重緩沖設計的細徑保偏光纖不僅具有優良的衰減和 串音穩定特性，而且具有優良的長期工作穩定特性，能夠為高精度光纖陀螺的研制提供更 好的光纖環，進而為光纖陀螺向小型化、高精度方向的發展奠定基礎。
[0030] (2)本發明為良好的實現內涂層、緩沖涂層和外涂層（可形象的理解為三明治式 涂層），開發出干+濕+濕的全新涂覆技術，即內涂層為單模具涂覆，緩沖涂層和外涂層則采 用雙模具同時涂覆，從而在光纖具有三層涂層結構的情況下，仍可使用兩道涂覆固化技術 即可實現光纖的良好固化，對于具有優良衰減和串音特性的保偏光纖的研制提供了可行的 技術方案。
【附圖說