边孔高双折射光纤的研究与制造

 

 

 

 

Abstract: The side-hole optical fiber has two holes at the both sides of the core. Compared with the panda fiber, it is higher on the thermal stability, because the stress zones of the high thermal expansion coefficient are replaced by the two holes. Meanwhile, the anisotropic stress will be generated in the fiber core by the isotropic pressure from the external due to the existing of the side holes. The value of the intrinsic birefringence is an important parameter. The research reported that it can be more than 10^－５. Recently we made the side-hole fiber by this technology   with the geometric size as follow: the diameter of the core is 7.3 u m, the diameter of the cladding is 125 u m, the distance between the core and hole is 25 u m, the maximum diameter of the hole is 28.1 u m.

 

Key words: side hole, birefringence, fiber grating, pressure sensitivity

 

摘要:边孔光纤在芯的两侧对称分布两个孔，与熊猫光纤相比由于纤芯两侧高热膨胀系数的应力区由两个空孔所代替，因而具有较高的热稳定性，同时由于边孔的存在，可以使得光纤外部各向同性的压力在纤芯内部产生各向异性的应力，从而可以产生较大的应力双折射。固有双折射的大小是限制边孔光纤广泛应用的一个重要参量，研究结果表明边孔光纤的双折射可大于１０^－５。最近我们通过这种工艺制作的边孔光纤几何尺寸为:纤芯直径7.3u m，包层直径125u m，纤芯和孔的中心距25u m，边孔径长轴28.1u m。

 

关键词：边孔 双折射 光栅 压力敏感

 

标准偏振保持光纤（SMPM）主要是椭圆芯型、椭圆内包层型或熊猫型，这些光纤通常对压力比较不敏感，而对温度十分敏感。边孔光纤在芯的两侧对称分布两个孔，与熊猫光纤相比，由于纤芯两侧高热膨胀系数的应力区由两个空孔所代替，因而具有较高的热稳定性^[1]，同时由于边孔的存在，可以使得光纤外部各向同性的压力在纤芯内部产生各向异性的应力，从而可以产生较大的应力双折射。

边孔光纤具有特殊的双折射特性,用其制作的边孔光纤光栅可克服压力与温度交叉敏感问题,在水下压力测量、采油井在线检测等光纤压力传感中具有广泛的应用前景,已经引起国内外研究机构的极大兴趣。边孔光纤光栅对不同偏振态LP₀₁^X和LP₀₁^y形成两个反射峰，两峰的中心波长随温度而变，约为5.9 pm/K，但两峰的中心波长间隔受温度影响极小。边孔光纤对光纤所受应力较为敏感，对偏振态LP₀₁^X为1.93 pm/MPa，对偏振态LP₀₁^y为5.37 pm/MPa。利用这种偏振模敏感程度的巨大差异，还可以通过监测两个偏振模，实现同时对温度和压力传感。但是，固有双折射的大小是限制边孔光纤广泛应用的一个重要参量，研究结果表明边孔光纤的双折射可大于１０^－５。^[2]

根据光纤中的弹光理论，在应力作用下，两个偏振方向的折射率分别表示为:

                                      (1)

其中C₁ 和C₂ 为应力弹光系数,n_xO和n_yO均为不存在应力时x 和y 方向的有效折射率，σ_x、σ_y 和σ_z为应力的三个分量。将光纤的双折射B 定义为两个偏振方向折射率的差值，因此根据(1)式、(2) 式，双折射可表示为:

 (3) 式的第一项主要是指不存在应力时由于光纤的几何结构所引起的双折射，称为几何双折射B_g ; 第二项是指由于光纤内部的应力所导致的双折射，因此称为应力双折射B_s。根据光纤理论，光纤的几何双折射主要是由光纤纤芯形状的椭圆度所决定，对于圆芯型边孔光纤而言B_g =0。^[3]因此，忽略几何双折射，光纤内部的双折射B 的计算公式可以表示为:

其中C = C₁ - C₂ 为材料的相对应力光学常量，对于石英光纤而言C = 3.36 ×10^-5mm²/kg。

在边孔光纤拉制的过程中，由于纤芯材料和包层材料热膨胀系数的差别使得纤芯和包层内部存在热应力，而边孔的存在改变了光纤自身结构的对称性，使得热应力分布不再具有圆对称性，在光纤纤芯内出现了非对称性的应力分布，从而出现了应力双折射。光纤纤芯内部应力分量的数值随着距离的增加而变化，且两者都为正值，表明光纤纤芯内部存在一个向外的拉应力。与不存在边孔的单模光纤的应力分布相比，由于边孔的存在使得边孔光纤纤芯区域的σ_x和σ_y 不再相等，从而导致了光纤双折射的产生。

理论模拟发现圆芯圆孔型边孔光纤的固有双折射随边孔张角的增加而成指数关系增长，通过增大边孔半径和减小双孔间距可以提高光纤的双折射。还有研究表明,在光纤涂覆层的玻璃化温度附近,光纤对温度的敏感性会出现较大的突变,这是由于保护涂层的影响,研究同时给出了理论上优化的涂层模型以消除这种负面影响。这种涂层结构由较厚的内涂层和较薄的外涂层构成。^[4]

 

边孔光纤的制作流程是首先在光纤预制棒上按照设计要求加工两个对称的高精度空心边孔，然后在拉丝机上利用改进的工艺拉制边孔光纤。单模预制棒的制作我们采用MCVD工艺制作低损耗的单模母棒，芯层材料组成为GeO₂- SiO₂,内包层材料的组成为F-P₂O₅-SiO₂，外包层材料为SiO₂，然后对单模母棒进行多次加套，达到要求的外径。采用打孔法制作光纤预制棒，并对内孔表面进行适当的磨抛，最后通过石墨电阻拉丝炉拉制外径125 u m的光纤。

 

 

示意图2从左到右依次为单模母棒、加套好的单模棒、加工好的双孔预制棒和预制棒拉丝示意图。图3为最近我们通过这种工艺制作的边孔光纤的截面图，光纤编号为DH-uv-sm01-2-b,几何尺寸为：纤芯直径7.3u m，包层直径125u m，纤芯和孔的中心距25u m，边孔径长轴28.1u m、短轴26.0u m。

可以看出通过适当的工艺方案，使得边孔光纤纤芯、包层和边孔的形状均保持较好，并且在内部拉应力的作用下，边孔的形状微扁。然而由于内部拉应力，导致纤芯不圆度增大，光纤损耗增大。当然，我们相信通过优化边孔光纤的中心距和孔径参数，完善工艺方案，边孔光纤的各项性能参数将得到进一步提高。同时，由于拍长较长，我们现有的方法测量困难，所以还需要找到一种能够准确测量较长拍长的合适方法，才能准确反映双折射的实际大小。