保偏光纖環圈的結構與制備技術

保偏光纖環圈的結構與制備技術

0光纖螺釘系統的應用前景展望保偏光纖環圈是光纖螺釘的重要組成部分。其中，保偏纖維的彈性指數對光纖螺母的性能起著決定性作用。光纖陀螺是光纖傳感領域最重要的成就之一，因其具有無運動部件、工藝簡單、精度覆蓋面廣、動態范圍大、啟動快、壽命長、抗沖擊、耐過載等優點，在航空、航天、航海、兵器等軍用領域和地質、石油勘探等民用領域具有廣闊的應用前景目前，國外光纖陀螺的技術已經比較成熟，形成了高、中、低精度滿足不同軍事需求的系列產品，并實現批量供應。隨著光纖陀螺的迅猛發展，對保偏光纖的性能也提出了更高要求。為了適應光纖陀螺系統向小型化、高精度、高穩定方向發展的趨勢，保偏光纖的研制也朝著細直徑、高精度、大長度、高穩定性和良好復雜環境適應性的方向發展。本文對保偏光纖小型化方面的研究進展進行介紹。1保偏光纖的特性單模光纖在受到外界因素（如振動、彎曲和溫度等）影響時，其輸出光的偏振態會發生無規律的變化，從而限制了它在光纖陀螺儀、相干光外差接收大容量長距離通信、光纖電流計等方面的應用。與此相對，保偏光纖中傳輸光的偏振態受外界因素影響較小，其輸出光的偏振態相對穩定。常見的光纖陀螺用保偏光纖主要有熊貓型保偏光纖、領結型保偏光纖、橢圓包層型保偏光纖三種，三者端面結構示意圖如圖1所示。1.1保偏光纖預制棒工藝熊貓型保偏光纖端面結構如圖1(a）所示，纖芯位于中間，兩側對稱分布著兩個圓形應力區，纖芯直徑2a，應力區直徑t，包層直徑2b，應力區內邊緣與纖芯中心的距離r，應力區夾角θ。熊貓型保偏光纖預制棒采用組裝法制作，工藝流程如圖2所示。首先采用合適的制作方法制備單模母棒和應力母棒，而后采用套管法制備適用于打孔鑲嵌工藝的單模預制棒，然后對單模預制棒進行打孔，再將應力母棒進行機械加工與單模預制棒上的孔尺寸匹配，最后將加工好的應力母棒嵌入已打孔的單模預制棒，上塔拉制成保偏光纖。1.2保偏光纖預制棒的制作領結型保偏光纖端面結構如圖1(b）所示，纖芯位于中間，兩側對稱分布著兩個扇形應力區，纖芯直徑2a，包層直徑2b，應力區外邊緣與纖芯中心的距離t，應力區內邊緣與纖芯中心的距離r，扇形夾角θ。領結型保偏光纖預制棒采用改進的化學氣相沉積法（MCVD）制作，工藝流程如圖3所示。首先采用合適的石英管作為襯管沉積外包層、應力區后，將應力區對稱蝕刻開，然后再依次沉積內包層、芯層，最后高溫熔縮成保偏光纖預制棒，上塔拉制成保偏光纖。1.3保偏光纖預制棒的制作橢圓包層型保偏光纖端面結構如圖1(c）所示。纖芯位于中間，周圍對稱分布著一個橢圓形應力區，纖芯直徑2a，應力區長軸2m，短軸2n，應力區內邊緣與纖芯中心的距離r。橢圓包層型保偏光纖預制棒采用MCVD法制作，工藝流程如圖4所示。首先采用合適的石英管作為襯管沉積外包層、應力區、內包層、芯層，然后高溫熔縮成光纖預制棒母棒，最后將外徑研磨成“跑道”形光纖預制棒，上塔拉制成保偏光纖。以上三種類型保偏光纖在不同的場合有不同的用處，均可用于制作細徑保偏光纖，可根據系統設計習慣、價格、工藝適應性等多種因素進行最終確定。2國內外保偏光纖的研究進展光纖陀螺在當代軍事上發揮著重要作用，由于保偏光纖是其核心部件，這就使其曾被西方發達國家列入對我國禁運的清單，美、日、德、法等國家都在此領域對我國進行技術封鎖。目前，我國保偏光纖制造技術已經相對成熟，但產品在綜合性能、高精度等方面對比國外還有一定的差距。自20世紀80年代保偏光纖成功推出以來，受到光纖陀螺技術需求的推動，保偏光纖的外形尺寸經歷了逐步細徑化的演變國際上研制保偏光纖的主要是一些在光纖通信領域具有很強研發實力的公司（如日本藤倉、Nufern、康寧、Fibercore）以及法國、俄羅斯等國家的研究單位，并且已形成系列化保偏光纖產品，具有穩定的生產技術，可以提供批量產品我國從事保偏光纖研究的單位有北玻院、中國電科23所，中國電科46所、長飛、法爾勝、長盈通、烽火等，各單位也都有其獨有的細徑化光纖產品目前國際上能生產40μm細徑保偏光纖的僅有俄羅斯、法國、中國、美國等較少的幾家單位。表5對比了國內外40μm細徑保偏光纖產品的主要技術指標，可見目前主要集中在850nm波段，今后將會逐步擴展到其他波段，擴充光纖家族的成員。隨著國內外光纖陀螺的快速發展和逐步成熟，保偏光纖的使用也由研究試制逐步轉向工程化應用階段。保偏光纖是一類特殊的單模光纖，而采用保偏光纖線圈的光纖陀螺具有廣泛的軍事應用背景，且對保偏光纖的使用環境和條件要求也較為苛刻。隨著保偏新技術的飛速發展和新產品的不斷開發，光纖陀螺用保偏光纖將沿著以下幾個方向發展：a．設計光子晶體光纖等新結構保偏光纖；b．開發溫度適應性更好的保偏光纖，以適應航空航天等領域環境的要求；c．開發超細徑保偏光纖，適應光纖陀螺高精度、小型化的要求。3特種光纖技術隨著保偏光纖在光纖陀螺中的應用不斷拓展創新，保偏光纖技術將向著小型化、高可靠性、適用環