專利名稱：實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特種光纖及其制備方法和應(yīng)用，尤其涉及一種實(shí)用保持圓偏振態(tài)的光纖及其制備方法以及采用該實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖的光纖元器件和光纖系統(tǒng)。
在尋求保持線偏振態(tài)光纖的努力中，已取得了很了不起的成就，其中特別是英國(guó)的“領(lǐng)結(jié)光纖”，日本的“熊貓光纖”和“古河光纖”，美國(guó)的“康寧光纖”和貝爾的“扁橢內(nèi)包層光纖”，等等?？墒?，在尋求保持圓偏振態(tài)光纖的努力中，從七十年代末到九十年代初卻是未獲實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。原始的早在七十年代末八十年代初就知道的一種方法是在“冷”狀態(tài)下將光纖硬行旋扭，可是，這種將光纖硬扭的方法，雖然可以產(chǎn)生一定的保持圓偏振態(tài)的功能，但有兩項(xiàng)不可克服的缺點(diǎn)。一是由于光纖玻璃材料的強(qiáng)度限制，硬扭過頭會(huì)使光纖裂斷；二是硬扭光纖在操作上極不方便，且硬扭狀態(tài)難以保持。由于這兩個(gè)固有的原因，除了少數(shù)特定情況，硬扭光纖未能見諸實(shí)用，盡管有幾家世界上一流的公司在八十年代初曾經(jīng)付出好幾年的努力嘗試用硬扭光纖傳輸圓偏振光。
于1997年6月27日授權(quán)給本申請(qǐng)同一申請(qǐng)人的第92108598.2號(hào)中國(guó)發(fā)明專利披露了一種“保持圓偏振態(tài)的光纖和它的制備方法”。其中，光纖預(yù)制棒含一根偏離中心軸線的應(yīng)力柱體，在“熱”拉絲中旋轉(zhuǎn)該預(yù)制棒，從而在拉成的光纖內(nèi)部形成一條環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體，用以產(chǎn)生圓雙折射。采用該項(xiàng)專利制備的“保持圓偏振態(tài)”光纖從根本上解決了上述硬扭光纖所固有的缺陷。于1998年6月26日授權(quán)給本申請(qǐng)同一申請(qǐng)人的第92113821.0號(hào)中國(guó)發(fā)明專利則進(jìn)一步披露上述的應(yīng)力作用體并不局限于一條，并圖示了在削弱固有的線雙折射的條件下，在已拉成的光纖內(nèi)部形成兩條或四條環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體的情況。
在上述兩項(xiàng)發(fā)明專利的構(gòu)思中已歸納出對(duì)于保持圓偏振態(tài)的光纖，在光纖預(yù)制棒中，應(yīng)力分布要求其殘余線雙折射盡量小，而在旋轉(zhuǎn)拉出的光纖中則要求螺旋形應(yīng)力作用體所產(chǎn)生的圓雙折射盡量強(qiáng)。如能做到使光纖的圓雙折射遠(yuǎn)大于殘余線雙折射，則此光纖即成為具有實(shí)用性的保持圓偏振態(tài)的光纖。
本發(fā)明的另一目的在于提供制備實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供實(shí)用保持圓偏振態(tài)的光纖元件或器件。
本發(fā)明的另一目的在于提供工作于圓偏振態(tài)的光纖系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種保持圓偏振態(tài)的光纖，其中，在已拉成的光纖內(nèi)部形成三條環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體，由此產(chǎn)生圓雙折射。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了制備保持圓偏振態(tài)的光纖的方法，其中，使所述光纖的預(yù)制棒含有三根偏離纖軸軸線的應(yīng)力作用體，在光纖拉絲過程中，旋轉(zhuǎn)此預(yù)制棒即將應(yīng)力作用體拉成螺旋形，從而制出所需的高圓雙折射保持圓偏振態(tài)的光纖。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了保持圓偏振態(tài)的光纖元件或器件，其中的光纖元件或器件由上述保持圓偏振態(tài)的光纖構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了工作于圓偏振態(tài)的光纖系統(tǒng)，所述系統(tǒng)含有上述保持圓偏振態(tài)的光纖和保持圓偏振態(tài)的光纖元件或器件。
對(duì)本發(fā)明的含三條應(yīng)力作用體的保持圓偏振態(tài)光纖進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，此光纖可經(jīng)受彎曲或環(huán)繞(例如，形成直徑短至3公分的彎曲或環(huán)繞)而不影響其園偏振光(或旋進(jìn)線偏振光)的傳輸，故已具有實(shí)用價(jià)值。在其它條件相同的情況下，含三條應(yīng)力作用體的保持圓偏振態(tài)光纖其有效圓雙折射即抗干擾性更強(qiáng)。
圖2是表示本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖的預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是表示利用本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖及其元器件構(gòu)成的全光纖電流傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是表示利用本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖構(gòu)成的光纖陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是表示利用本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖構(gòu)成的相干通信系統(tǒng)的示意圖。


圖1中，參照號(hào)1表示光纖橫截面，參照號(hào)2表示纖芯，參照號(hào)3表示應(yīng)力作用體，參照號(hào)4表示光纖的縱向結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，實(shí)際光纖中有三條螺旋形應(yīng)力作用體3，為使圖1清晰，避免線條太多而顯雜亂，圖1中僅畫出一條螺旋形應(yīng)力作用體3，可含“舉一反三”之意。在預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)角速度適當(dāng)高的情況下，所拉成的光纖中的傳輸模式趨近于圓偏振模式。
制造本發(fā)明的保持圓偏振態(tài)光纖，可利用現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)備和常規(guī)工藝加以補(bǔ)充和變通。在常規(guī)的工藝方法中，重要的有三種，即，“改良化學(xué)氣相沉積”(MCVD)法，和“應(yīng)力柱埋入預(yù)制棒”法或與后者類似的“粗管套細(xì)柱”法。
關(guān)鍵的工藝是制造預(yù)制棒，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。同樣，為使圖2清晰，避免線條太多而顯雜亂，圖中僅畫出一條柱形應(yīng)力作用體3。有了預(yù)制棒，則拉絲不成問題。用MCVD法制造保持圓偏振態(tài)光纖預(yù)制棒，和用此法制造領(lǐng)結(jié)光纖預(yù)制棒，在工藝方法上基本相同。制造領(lǐng)結(jié)光纖預(yù)制棒主要有四道工序(沉積緩沖層等常規(guī)工序不算)，即沉積應(yīng)力體(如氧化硼B(yǎng)2O3)、部分腐蝕、沉積芯體(如氧化鍺GeO2)和收棒。沉積B2O3工序中，裝在玻璃車床上的預(yù)制棒管以管軸為軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，管外的火頭沿管的長(zhǎng)度方向來回運(yùn)行。腐蝕工序中，預(yù)制棒管停止轉(zhuǎn)動(dòng)而處于靜止?fàn)顟B(tài)，管中通以腐蝕性氣體(如氟)，火頭沿靜止的棒管仍然來回運(yùn)行。制造本發(fā)明保持圓偏振態(tài)光纖所用的預(yù)制棒，其工序與上述相同，只不過在第二道腐蝕工序上需要加以改變。首先是火頭需改變，或只用一只，或用三只互隔120°。在此腐蝕工序完成后，和制造領(lǐng)結(jié)光纖的后兩道工序一樣，接著進(jìn)行第二次(GeO2)沉積和最后的收棒。所制成的此種預(yù)制棒不同于領(lǐng)結(jié)光纖預(yù)制棒之點(diǎn)在于它含三根偏軸的應(yīng)力作用體。預(yù)制棒制成后，剩下的拉絲技術(shù)則比較簡(jiǎn)單。在常規(guī)拉絲塔上端裝一馬達(dá)，在拉絲過程中將預(yù)制棒加以旋轉(zhuǎn)即成。馬達(dá)的轉(zhuǎn)速是恒定的，技術(shù)要求不苛刻。
按上述MCVD法制成的圓雙折射預(yù)制棒以及拉絲后所成的保持圓偏振態(tài)光纖，其應(yīng)力體截面近于扇形，視工藝條件而定。圖1所示保持圓偏振態(tài)光纖和圖2所示預(yù)制棒，其中應(yīng)力體的截面均簡(jiǎn)單繪為圓形。不言而喻，圖1和圖2是原理性示意圖，普遍適用于各種情況，不管應(yīng)力體截面是圓形，或是非圓形(例如此處所述的類似扇形)。
用“應(yīng)力柱埋入預(yù)制棒”法或“粗管套細(xì)柱”法制造本發(fā)明保持圓偏振態(tài)光纖所用預(yù)制棒，和制造熊貓或類似熊貓光纖所用預(yù)制棒的所有工序基本相同，其區(qū)別在于預(yù)制棒(或預(yù)制管)中需埋入(或套入)三根應(yīng)力柱體。拉絲的方法與熊貓光纖拉絲的不同之點(diǎn)在于邊拉絲邊旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒。
本發(fā)明實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖用于光纖網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個(gè)光纖元件器件的互連極大地得到簡(jiǎn)化。這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，不光是在工藝技術(shù)上省時(shí)省事，而且有利于光纖系統(tǒng)的穩(wěn)定和正確工作。由現(xiàn)有所謂保偏光纖(即保持線偏振態(tài)的光纖)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如果某一接點(diǎn)兩邊保偏光纖主軸即使稍微錯(cuò)開了幾度，往往也會(huì)影響光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。作為保持圓偏振態(tài)光纖系統(tǒng)之一例，圖3示出了用本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖和元器件構(gòu)成的全光纖電流傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)其測(cè)量精度和穩(wěn)定性甚高。
參見圖3，圖3所示的全光纖電流傳感系統(tǒng)包括激光源31，圍繞一大電流匯流排32繞制的光纖感應(yīng)環(huán)33，光電檢測(cè)器36，以及連接在光纖感應(yīng)環(huán)33與光電檢測(cè)器36之間的一光纖四分之一波片35。其中，光纖感應(yīng)環(huán)33是利用本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖繞成的，而光纖四分之一波片35則采用本申請(qǐng)同一申請(qǐng)人于2001年4月20日提交的第01112680.9號(hào)中國(guó)專利申請(qǐng)所披露的一種寬帶光纖波片。光纖四分之一波片35連接光纖感應(yīng)環(huán)33的一端為快旋端，連接光電檢測(cè)器36的一端為不旋端。由本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖制成的光纖感應(yīng)環(huán)33，其保持圓偏振態(tài)特性在應(yīng)用到基于法拉第旋轉(zhuǎn)的電流傳感器方面是目前唯一的，為常規(guī)光纖和其他所有特殊光纖所不能實(shí)現(xiàn)的。
圖4表示本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖應(yīng)用于光纖陀螺系統(tǒng)的示意圖。圖中，參照號(hào)41表示光源，參照號(hào)C1和C2表示定向耦合器，參照號(hào)D和L分別表示探測(cè)器和匹配端，參照號(hào)45表示光纖四分之一波片，參照號(hào)43表示陀螺環(huán)。其中，至少陀螺環(huán)43用本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖制成，而光纖陀螺系統(tǒng)及光纖四分之一波片45的原理已在前述第92113821.0號(hào)中國(guó)專利以及第01112680.9號(hào)中國(guó)專利申請(qǐng)中分別作了介紹，這里不再重復(fù)。光纖陀螺在美國(guó)已經(jīng)利用保持線偏振態(tài)的光纖制成，這是眾所周知的。相比之下，如圖4所示采用本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖制成的光纖陀螺將至少具有兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)其一為系統(tǒng)中各部分的連接易于操作；其二為光纖陀螺環(huán)繞在圓柱筒上不要求解決主軸平行的難題。
圖5表示本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖應(yīng)用于光纖相干通信系統(tǒng)的示意圖。圖中，光纖相干通信系統(tǒng)包括光源51、傳輸線部分55、探測(cè)器59以及分別連接在光源51與傳輸線部分55之間和連接在傳輸線部分55與探測(cè)器59之間的光纖四分之一波片53和57。其中，傳輸線部分55采用本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)的光纖，它克服了采用保持線偏振態(tài)光纖作傳輸線時(shí)所要求的主軸對(duì)準(zhǔn)的難題。傳輸線55兩端的光纖四分之一波片用以完成線偏振光至圓偏振光的變換或相反，以便分別與光源51和探測(cè)器59相連接。
以上通過典型實(shí)施例描述了本發(fā)明的實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖及其制備方法和應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的上述構(gòu)思，本領(lǐng)域的熟練人員還可對(duì)此作出各種變換和修改，但這種變換和修改均屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種保持圓偏振態(tài)的光纖，其特征在于，在已拉成的光纖內(nèi)部形成三條環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體，用以產(chǎn)生圓雙折射。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述三條環(huán)繞纖軸旋轉(zhuǎn)的螺旋形應(yīng)力作用體偏離所述纖軸的軸線并相互隔開120度。
3.一種制備保持圓偏振態(tài)的光纖的方法，其特征在于，使所述光纖的預(yù)制棒含有三根偏離纖軸軸線的應(yīng)力作用體，在光纖拉絲過程中，旋轉(zhuǎn)此預(yù)制棒即將應(yīng)力作用體拉成螺旋形，從而制出所需的高圓雙折射保持圓偏振態(tài)的光纖。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，使所述三根偏離纖軸軸線的應(yīng)力作用體相互隔開120度。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述三根應(yīng)力作用體是在“改良化學(xué)氣相沉積”法中利用氣相部分腐蝕技術(shù)而制成。
6.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述三根應(yīng)力作用體是用“應(yīng)力柱埋入法”或用“粗管套細(xì)柱法”埋入或套入此三根應(yīng)力作用體而制成。
7.一種保持圓偏振態(tài)的光纖元件或器件，其特征在于，所述光纖元件或器件由權(quán)利要求1或2所述的保持圓偏振態(tài)的光纖構(gòu)成。
8.一種工作于圓偏振態(tài)的光纖系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)含有權(quán)利要求1或2所述的保持圓偏振態(tài)的光纖和權(quán)利要求7所述的保持圓偏振態(tài)的光纖元件或器件。
全文摘要
一種實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖及其制備方法，其中，使所述光纖的預(yù)制棒含有三根偏離纖軸軸線的應(yīng)力作用體。在光纖拉絲過程中，旋轉(zhuǎn)此預(yù)制棒即將應(yīng)力作用體拉成螺旋形，從而制出所需的高圓雙折射保持圓偏振態(tài)的光纖。對(duì)此含三條應(yīng)力作用體的保持圓偏振態(tài)光纖進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，此光纖可經(jīng)受彎曲或環(huán)繞，例如，形成直徑短至3公分的彎曲或環(huán)繞而不影響其圓偏振光或旋進(jìn)線偏振光的傳輸，故具有實(shí)用價(jià)值。在其它條件相同的情況下，含三條應(yīng)力作用體的保持圓偏振態(tài)光纖其有效圓雙折射即抗干擾性更強(qiáng)。
文檔編號(hào)C03B37/012GK1417601SQ0113210
公開日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2001年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月5日
發(fā)明者黃宏嘉 申請(qǐng)人:黃宏嘉