保偏光纤环圈的结构与制备技术

保偏光纤环圈的结构与制备技术

0光纤螺钉系统的应用前景展望保偏光纤环圈是光纤螺钉的重要组成部分。其中，保偏纤维的弹性指数对光纤螺母的性能起着决定性作用。光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一，因其具有无运动部件、工艺简单、精度覆盖面广、动态范围大、启动快、寿命长、抗冲击、耐过载等优点，在航空、航天、航海、兵器等军用领域和地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用前景目前，国外光纤陀螺的技术已经比较成熟，形成了高、中、低精度满足不同军事需求的系列产品，并实现批量供应。随着光纤陀螺的迅猛发展，对保偏光纤的性能也提出了更高要求。为了适应光纤陀螺系统向小型化、高精度、高稳定方向发展的趋势，保偏光纤的研制也朝着细直径、高精度、大长度、高稳定性和良好复杂环境适应性的方向发展。本文对保偏光纤小型化方面的研究进展进行介绍。1保偏光纤的特性单模光纤在受到外界因素（如振动、弯曲和温度等）影响时，其输出光的偏振态会发生无规律的变化，从而限制了它在光纤陀螺仪、相干光外差接收大容量长距离通信、光纤电流计等方面的应用。与此相对，保偏光纤中传输光的偏振态受外界因素影响较小，其输出光的偏振态相对稳定。常见的光纤陀螺用保偏光纤主要有熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆包层型保偏光纤三种，三者端面结构示意图如图1所示。1.1保偏光纤预制棒工艺熊猫型保偏光纤端面结构如图1(a）所示，纤芯位于中间，两侧对称分布着两个圆形应力区，纤芯直径2a，应力区直径t，包层直径2b，应力区内边缘与纤芯中心的距离r，应力区夹角θ。熊猫型保偏光纤预制棒采用组装法制作，工艺流程如图2所示。首先采用合适的制作方法制备单模母棒和应力母棒，而后采用套管法制备适用于打孔镶嵌工艺的单模预制棒，然后对单模预制棒进行打孔，再将应力母棒进行机械加工与单模预制棒上的孔尺寸匹配，最后将加工好的应力母棒嵌入已打孔的单模预制棒，上塔拉制成保偏光纤。1.2保偏光纤预制棒的制作领结型保偏光纤端面结构如图1(b）所示，纤芯位于中间，两侧对称分布着两个扇形应力区，纤芯直径2a，包层直径2b，应力区外边缘与纤芯中心的距离t，应力区内边缘与纤芯中心的距离r，扇形夹角θ。领结型保偏光纤预制棒采用改进的化学气相沉积法（MCVD）制作，工艺流程如图3所示。首先采用合适的石英管作为衬管沉积外包层、应力区后，将应力区对称蚀刻开，然后再依次沉积内包层、芯层，最后高温熔缩成保偏光纤预制棒，上塔拉制成保偏光纤。1.3保偏光纤预制棒的制作椭圆包层型保偏光纤端面结构如图1(c）所示。纤芯位于中间，周围对称分布着一个椭圆形应力区，纤芯直径2a，应力区长轴2m，短轴2n，应力区内边缘与纤芯中心的距离r。椭圆包层型保偏光纤预制棒采用MCVD法制作，工艺流程如图4所示。首先采用合适的石英管作为衬管沉积外包层、应力区、内包层、芯层，然后高温熔缩成光纤预制棒母棒，最后将外径研磨成“跑道”形光纤预制棒，上塔拉制成保偏光纤。以上三种类型保偏光纤在不同的场合有不同的用处，均可用于制作细径保偏光纤，可根据系统设计习惯、价格、工艺适应性等多种因素进行最终确定。2国内外保偏光纤的研究进展光纤陀螺在当代军事上发挥着重要作用，由于保偏光纤是其核心部件，这就使其曾被西方发达国家列入对我国禁运的清单，美、日、德、法等国家都在此领域对我国进行技术封锁。目前，我国保偏光纤制造技术已经相对成熟，但产品在综合性能、高精度等方面对比国外还有一定的差距。自20世纪80年代保偏光纤成功推出以来，受到光纤陀螺技术需求的推动，保偏光纤的外形尺寸经历了逐步细径化的演变国际上研制保偏光纤的主要是一些在光纤通信领域具有很强研发实力的公司（如日本藤仓、Nufern、康宁、Fibercore）以及法国、俄罗斯等国家的研究单位，并且已形成系列化保偏光纤产品，具有稳定的生产技术，可以提供批量产品我国从事保偏光纤研究的单位有北玻院、中国电科23所，中国电科46所、长飞、法尔胜、长盈通、烽火等，各单位也都有其独有的细径化光纤产品目前国际上能生产40μm细径保偏光纤的仅有俄罗斯、法国、中国、美国等较少的几家单位。表5对比了国内外40μm细径保偏光纤产品的主要技术指标，可见目前主要集中在850nm波段，今后将会逐步扩展到其他波段，扩充光纤家族的成员。随着国内外光纤陀螺的快速发展和逐步成熟，保偏光纤的使用也由研究试制逐步转向工程化应用阶段。保偏光纤是一类特殊的单模光纤，而采用保偏光纤线圈的光纤陀螺具有广泛的军事应用背景，且对保偏光纤的使用环境和条件要求也较为苛刻。随着保偏新技术的飞速发展和新产品的不断开发，光纤陀螺用保偏光纤将沿着以下几个方向发展：a．设计光子晶体光纤等新结构保偏光纤；b．开发温度适应性更好的保偏光纤，以适应航空航天等领域环境的要求；c．开发超细径保偏光纤，适应光纤陀螺高精度、小型化的要求。3特种光纤技术随着保偏光纤在光纤陀螺中的应用不断拓展创新，保偏光纤技术将向着小型化、高可靠性、适用环