用于制造扇型保偏光纤的光纤预制棒及扇型保偏光纤的制造工艺的制作方法

本发明与光纤技术有关，具体属于一种用于制造扇型保偏光纤的光纤预制棒及扇型保偏光纤的制造工艺，以解决利用传统工艺制成的类似结构的预制棒小以及重复性差的问题。

背景技术：

保偏光纤的种类很多，典型的有熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆包层型保偏光纤、椭圆芯保偏光纤、光子晶体保偏光纤等。目前，在国内应用最广泛且技术最成熟的保偏光纤就是熊猫型保偏光纤。这种保偏光纤的生产工艺比较稳定，而且基本性能一致。

但是，不同结构的光纤具有不同的优缺点，前述这些保偏光纤总的来说可以分为两大类，一种是应力型保偏光纤，前面所述的熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆包层型保偏光纤就属于应力型保偏光纤；另一种是非应力型光纤，前面所述的椭圆芯保偏光纤、光子晶体保偏光纤就属于非应力型保偏光纤。

不同的应用场景对光纤性能的影响也是不一样的，单单从光纤电流传感器和光纤陀螺的应用角度来分析，总体的发展趋势基本是：(1)从大应力区型光纤向小应力区型光纤发展；(2)应力区更靠近光纤芯区。

其中，目前应用最多的熊猫型保偏光纤的应力区仍然比较大，相比之下，椭圆包层型保偏光纤和领结型保偏光纤的应力区则设计的都相对较小。顾名思义，领结型保偏光纤就是该光纤的应力区在光纤的剖面内呈领结型分布，如图1所示。在此基础上，通过改变一些工艺条件可以并且已经把领结型保偏光纤做成了所谓的“一字”型保偏光纤，如图2所示。

但是，不管是领结型保偏光纤还是一字型保偏光纤，二者的制造工艺特征都存在两个不足之处，其中一个是工艺的重复性较差，另一个是很难做成大预制棒，只能拉成10-20公里的光纤。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于制造扇型保偏光纤的光纤预制棒及扇型保偏光纤的制造工艺，可以解决现有的小应力区型光纤(如领结型保偏光纤)生产过程中无法制成大预制棒以及重复性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的用于制造扇型保偏光纤的光纤预制棒，包含一根母棒、m根包层棒、n根应力棒和一根包层套管；

所述母棒位于所述包层套管内，且所述母棒的中心线与所述包层套管的中心线重合；

所述包层棒的半径和所述应力棒的半径相等，所述包层棒分成数量为m/2的两组，所述应力棒分成数量为n/2的两组，两组包层棒和两组应力棒分别对称地位于所述母棒和所述包层套管的内壁之间的间隙中，且所述包层棒的中心线和所述应力棒的中心线均平行于所述母棒的中心线；

所述母棒的半径r1、所述包层棒和所述应力棒的半径r2、所述包层套管的内半径r3、所述包层棒的数量m以及所述应力棒的数量n之间的关系式如下：

8≤m+n≤12

︱n－m︱≤4

r3＝r1+2r2

其中，m和n均为偶数。

优选地，所述光纤预制棒包含四根应力棒和四根包层棒。

优选地，所述光纤预制棒包含四根应力棒和六根包层棒。

优选地，所述光纤预制棒包含六根应力棒和四根包层棒。

优选地，所述光纤预制棒包含六根应力棒和六根包层棒。

优选地，所述光纤预制棒包含四根应力棒和八根包层棒。

其中，所述母棒包括光纤芯和包层区，所述包层区将所述光纤芯包裹在内部。

优选地，所述母棒的直径为所述光纤芯的直径的3-6倍。

同时，本发明还提供扇型保偏光纤的制造工艺，具体包括如下步骤：

步骤1，制作扇型保偏光纤的母棒，所述母棒包括光纤芯以及包裹所述光纤芯的包层区，同时制作m根包层棒和n根应力棒，所述包层棒的半径和所述应力棒的半径相等，所述母棒的半径r1、所述包层棒和所述应力棒的半径r2、所述包层棒的数量m以及所述应力棒的数量n之间的关系式如下：

8≤m+n≤12

︱n－m︱≤4

其中，m和n均为偶数；

步骤2，制作包层套管，所述包层套管的内半径r3、所述母棒的半径r1、所述包层棒和所述应力棒的半径r2之间的关系式为r3＝r1+2r2；

步骤3，将所述母棒插入所述包层套管内，并使所述母棒的中心线与所述包层套管的中心线重合；

步骤4，将所述包层棒分成数量为m/2的两组，将所述应力棒分成数量为n/2的两组，将两组包层棒和两组应力棒分别对称地插入所述母棒和所述包层套管的内壁之间的间隙中，并使所述包层棒的中心线和所述应力棒的中心线均平行于所述母棒的中心线，制成光纤预制棒；

步骤5，对所述光纤预制棒进行高温熔融，所述两组应力棒熔融形成两个对称的扇型应力区，所述n根包层棒与所述包层套管以及所述母棒的包层区熔合在一起形成整体的光纤包层；

步骤6，拉丝制成高双折射的扇型保偏光纤。

优选地，在步骤1中，制作四根应力棒和四根包层棒。

优选地，在步骤1中，制作四根应力棒和六根包层棒。

优选地，在步骤1中，制作六根应力棒和四根包层棒。

优选地，在步骤1中，制作六根应力棒和六根包层棒。

优选地，在步骤1中，制作四根应力棒和八根包层棒。

与现有的小应力区型光纤相比，其中主要以领结型保偏光纤为代表，本发明的光纤预制棒采用母棒和套管相结合的结构，并且在母棒和套管之间的间隙中对称地排布数量相同的两组应力棒(由纯石英掺杂三氧化二硼形成)和两组包层棒(一般为纯石英棒)，这样在光纤预制棒高温熔融缩棒的过程中，对称分布的两组应力棒熔融在一起形成两个对称分布在光纤芯两侧的扇型应力区，而所有的包层棒和套管以及母棒中的包层区熔合在一起形成光纤包层，采用本发明的方法可以制作形成大的预制棒，从而保证扇型保偏光纤的生产过程具有良好的工艺重复性。

附图说明

图1为现有的领结型保偏光纤的结构示意图；

图2为现有的一字型保偏光纤的结构示意图；

图3为本发明中用于制造扇型保偏光纤的光纤预制棒的尺寸关系图；

图4为本发明制造扇型保偏光纤的工艺的流程图；

图5为本发明第一实施例中光纤预制棒的结构示意图，其中光纤预制棒包含四根应力棒和四根包层棒；

图6为采用本发明第一实施例的光纤预制棒拉制扇型保偏光纤的示意图；

图7为本发明第二实施例中光纤预制棒的结构示意图，其中光纤预制棒包含四根应力棒和六根包层棒；

图8为采用本发明第二实施例的光纤预制棒拉制扇型保偏光纤的示意图；

图9为本发明第三实施例中光纤预制棒的结构示意图，其中光纤预制棒包含六根应力棒和四根包层棒；

图10为采用本发明第三实施例的光纤预制棒拉制扇型保偏光纤的示意图；

图11为本发明第四实施例中光纤预制棒的结构示意图，其中光纤预制棒包含四根应力棒和八根包层棒；

图12为采用本发明第四实施例的光纤预制棒拉制扇型保偏光纤的示意图；

图13为本发明第五实施例中光纤预制棒的结构示意图，其中光纤预制棒包含六根应力棒和六根包层棒；

图14为采用本发明第五实施例的光纤预制棒拉制扇型保偏光纤的示意图；

其中附图标记说明如下：

1为包层套管；2为母棒；21为光纤芯；22为包层区；3为应力棒；4为包层棒。

具体实施方式

下面结合附图通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，本领域技术人员在不背离本发明的精神下可以进行各种类似推广和替换。

第一实施例

在本实施例中，用于制造扇型保偏光纤的光纤预制棒，包含一根母棒、m根包层棒、n根应力棒和一根包层套管；

所述母棒位于所述包层套管内，且所述母棒的中心线与所述包层套管的中心线重合；

所述包层棒的半径和所述应力棒的半径相等，所述包层棒分成数量为m/2的两组，所述应力棒分成数量为n/2的两组，两组包层棒和两组应力棒分别对称地位于所述母棒和所述包层套管的内壁之间的间隙中，且所述包层棒的中心线和所述应力棒的中心线均平行于所述母棒的中心线；

如图3所示，所述母棒的半径r1、所述包层棒和所述应力棒的半径r2、所述包层套管的内半径r3、所述包层棒的数量m以及所述应力棒的数量n之间的关系式如下：

8≤m+n≤12

︱n－m︱≤4

r3＝r1+2r2

其中，m和n均为偶数。

在上述光纤预制棒中，母棒包括光纤芯和包层区，其中包层区将光纤芯包裹在内部。

优选地，母棒的直径为光纤芯的直径的3-6倍，而光纤芯的直径以及包层套管的外径主要根据光纤的具体性能要求而确定。

在光纤预制棒中，包层套管、母棒的包层区以及包层棒均由纯石英制成，母棒的光纤芯由纯石英掺杂二氧化锗形成，应力棒则由纯石英掺杂三氧化二硼形成。

利用上述光纤预制棒制作扇型保偏光纤的制造工艺，如图4所示，具体包括如下步骤：

步骤1，制作扇型保偏光纤的母棒，所述母棒包括光纤芯以及包裹所述光纤芯的包层区，同时制作m根包层棒和n根应力棒，所述包层棒的半径和所述应力棒的半径相等，所述母棒的半径r1、所述包层棒和所述应力棒的半径r2、所述包层棒的数量m以及所述应力棒的数量n之间的关系式如下：

8≤m+n≤12

其中，m和n均为偶数；

步骤2，制作包层套管，所述包层套管的内半径r3、所述母棒的半径r1、所述包层棒和所述应力棒的半径r2之间的关系式为r3＝r1+2r2；

步骤3，将所述母棒插入所述包层套管内，并使所述母棒的中心线与所述包层套管的中心线重合；

步骤4，将所述包层棒分成数量为m/2的两组，将所述应力棒分成数量为n/2的两组，将两组包层棒和两组应力棒分别对称地插入所述母棒和所述包层套管的内壁之间的间隙中，并使所述包层棒的中心线和所述应力棒的中心线均平行于所述母棒的中心线，制成光纤预制棒；

步骤5，对所述光纤预制棒进行高温熔融，所述两组应力棒熔融形成两个对称的扇型应力区，所述n根包层棒与所述包层套管以及所述母棒的包层区熔合在一起形成整体的光纤包层；

步骤6，拉丝制成高双折射的扇型保偏光纤。

与现有的小应力区型光纤相比，本实施例的光纤预制棒采用母棒和套管相结合的结构，并且在母棒和套管之间的间隙中对称地排布数量相同的两组应力棒(由纯石英掺杂三氧化二硼形成)和两组包层棒(一般为纯石英棒)，这样在光纤预制棒高温熔融缩棒的过程中，对称分布的两组应力棒熔融在一起形成两个对称分布在光纤芯两侧的扇型应力区，而所有的包层棒和套管以及母棒中的包层区熔合在一起形成光纤包层，采用本发明的方法可以制作形成大的预制棒，可以一次拉制100-200公里的扇型保偏光纤，而且扇型保偏光纤的生产过程具有良好的工艺重复性。

第二实施例

在实施例一的基础上，本实施例的光纤预制棒，如图5所示，包含一根母棒2、四根包层棒4、四根应力棒3和一根包层套管1；母棒2包括光纤芯21和包层区22，其中包层区22将光纤芯21包裹在内部。

所述母棒2位于所述包层套管1内，且所述母棒2的中心线与所述包层套管1的中心线重合。

所述包层棒4的半径和所述应力棒3的半径相等，所述包层棒4和所述应力棒3都分成两组，每组包层棒和每组应力棒的数量都为两根，两组包层棒4和两组应力棒3分别对称地位于所述母棒2和所述包层套管1的内壁之间的间隙中，且所述包层棒4的中心线和所述应力棒3的中心线均平行于所述母棒2的中心线。

在本实施例中，包层棒4和应力棒3的半径r2与母棒2的半径r1的关系式为r2≈0.62r1。

利用上述光纤预制棒制作扇型保偏光纤时，如图6所示，对上述光纤预制棒进行高温熔融，包层棒4与所述包层套管1以及所述母棒2的包层区22熔合在一起形成整体的光纤包层，每组应力棒3的两根应力棒熔融在一起，形成两个对称在光纤芯21两侧的扇型应力区，再拉丝制成高双折射的扇型保偏光纤。

第三实施例

在实施例一的基础上，本实施例的光纤预制棒，如图7所示，包含一根母棒2、六根包层棒4、四根应力棒3和一根包层套管1；母棒2包括光纤芯21和包层区22，其中包层区22将光纤芯21包裹在内部。

所述母棒2位于所述包层套管1内，且所述母棒2的中心线与所述包层套管1的中心线重合。

所述包层棒4的半径和所述应力棒3的半径相等，所述包层棒4和所述应力棒3都分成两组，每组包层棒4包括三根包层棒，每组应力棒3包括两根应力棒，两组包层棒4和两组应力棒3分别对称地位于所述母棒2和所述包层套管1的内壁之间的间隙中，且所述包层棒4的中心线和所述应力棒3的中心线均平行于所述母棒2的中心线。

在本实施例中，包层棒4和应力棒3的半径r2与母棒2的半径r1的关系式为r2≈0.45r1。

利用上述光纤预制棒制作扇型保偏光纤时，如图8所示，对上述光纤预制棒进行高温熔融，包层棒4与所述包层套管1以及所述母棒2的包层区22熔合在一起形成整体的光纤包层，每组应力棒3的两根应力棒熔融在一起，形成两个对称在光纤芯21两侧的扇型应力区，再拉丝制成高双折射的扇型保偏光纤。

第四实施例

在实施例一的基础上，本实施例的光纤预制棒，如图9所示，包含一根母棒2、四根包层棒4、六根应力棒3和一根包层套管1；母棒2包括光纤芯21和包层区22，其中包层区22将光纤芯21包裹在内部。

所述母棒2位于所述包层套管1内，且所述母棒2的中心线与所述包层套管1的中心线重合。

所述包层棒4的半径和所述应力棒3的半径相等，所述包层棒4和所述应力棒3都分成两组，每组包层棒4包括两根包层棒，每组应力棒3包括三根应力棒，两组包层棒4和两组应力棒3分别对称地位于所述母棒2和所述包层套管1的内壁之间的间隙中，且所述包层棒4的中心线和所述应力棒3的中心线均平行于所述母棒2的中心线。

在本实施例中，包层棒4和应力棒3的半径r2与母棒2的半径r1的关系式为r2≈0.45r1。

利用上述光纤预制棒制作扇型保偏光纤时，如图10所示，对上述光纤预制棒进行高温熔融，包层棒4与所述包层套管1以及所述母棒2的包层区22熔合在一起形成整体的光纤包层，每组应力棒3的三根应力棒熔融在一起，形成两个对称在光纤芯21两侧的扇型应力区，再拉丝制成高双折射的扇型保偏光纤。

第五实施例

在实施例一的基础上，本实施例的光纤预制棒，如图11所示，包含一根母棒2、八根包层棒4、四根应力棒3和一根包层套管1；母棒2包括光纤芯21和包层区22，其中包层区22将光纤芯21包裹在内部。

所述母棒2位于所述包层套管1内，且所述母棒2的中心线与所述包层套管1的中心线重合。

所述包层棒4的半径和所述应力棒3的半径相等，所述包层棒4和所述应力棒3都分成两组，每组包层棒4包括四根包层棒，每组应力棒3包括两根应力棒，两组包层棒4和两组应力棒3分别对称地位于所述母棒2和所述包层套管1的内壁之间的间隙中，且所述包层棒4的中心线和所述应力棒3的中心线均平行于所述母棒2的中心线。

在本实施例中，包层棒4和应力棒3的半径r2与母棒2的半径r1的关系式为r2≈0.35r1。

利用上述光纤预制棒制作扇型保偏光纤时，如图12所示，对上述光纤预制棒进行高温熔融，包层棒4与所述包层套管1以及所述母棒2的包层区22熔合在一起形成整体的光纤包层，每组应力棒3的两根应力棒熔融在一起，形成两个对称在光纤芯21两侧的扇型应力区，再拉丝制成高双折射的扇型保偏光纤。

第六实施例

在实施例一的基础上，本实施例的光纤预制棒，如图13所示，包含一根母棒2、六根包层棒4、六根应力棒3和一根包层套管1；母棒2包括光纤芯21和包层区22，其中包层区22将光纤芯21包裹在内部。

所述母棒2位于所述包层套管1内，且所述母棒2的中心线与所述包层套管1的中心线重合。

所述包层棒4的半径和所述应力棒3的半径相等，所述包层棒4和所述应力棒3都分成两组，每组包层棒4包括三根包层棒，每组应力棒3包括三根应力棒，两组包层棒4和两组应力棒3分别对称地位于所述母棒2和所述包层套管1的内壁之间的间隙中，且所述包层棒4的中心线和所述应力棒3的中心线均平行于所述母棒2的中心线。

在本实施例中，包层棒4和应力棒3的半径r2与母棒2的半径r1的关系式为r2≈0.35r1。

利用上述光纤预制棒制作扇型保偏光纤时，如图14所示，对上述光纤预制棒进行高温熔融，包层棒4与所述包层套管1以及所述母棒2的包层区22熔合在一起形成整体的光纤包层，每组应力棒3的三根应力棒熔融在一起，形成两个对称在光纤芯21两侧的扇型应力区，再拉丝制成高双折射的扇型保偏光纤。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。