纺锤型保偏光纤预制棒及其生产方法 【技术领域】
本发明涉及一种保偏光纤预制棒及其生产方法，具体涉及一种纺锤型保偏光纤预制棒及其生产方法，应用本方法可制造出不同应用工作波长的高双折射偏振保持光纤预制棒。
背景技术
近二十多年以来，各军事大国争相开发光纤传感器技术，如光纤陀螺。主要应用在军事领域，如航天、航海、战车定位导航，各种导弹的精确制导等。在高科技领域的应用也日趋广泛。至今此项技术已达到了较高水平。美、法等国已达到实用化水平。
近年来，我国光纤陀螺技术发展迅速，并有部分产品问世。随之也促进了保偏光纤制造技术和产业化的发展。
但我国用刻蚀技术生产保偏光纤的工艺尚不成熟。光纤的几何参数尚难过关。
国产蝶结型保偏光纤纤芯呈“杏核型”降低了光纤的连结耦合效率，也增加了光纤的熔接损耗。
这对于制备高精度的导航仪表而言，带来了难以预测的长久隐患。保偏光纤是制备光纤陀螺的主体部件，它的制备工艺复杂，要求严格，影响其参数因素繁多，难度大。
本专利提出的纺锤型保偏光纤棒及其制备方案，本方法是对保偏光纤生产工艺中的刻蚀技术将是进一步的完善和补充。
【发明内容】
本发明就是为了解决上述问题，克服纤芯不圆，内阻挡层过薄的问题，提供一种纺锤型保偏光纤预制棒，并且提供了一种新的刻蚀补偿的生产方法，制出的纤芯呈圆形，应力区大小适中，全参数合格、达到国际标准的保偏光纤。该发明适用于航天、航海、战车定位导航，各种导弹的精确制导等领域。
本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：
作为本发明的第一方面，一种纺锤型保偏光纤预制棒，所述光纤预制棒从内到外包括：纤芯、内包层、应力区和外包层，其特征在于，所述纤芯呈圆形结构，所述内包层包裹在纤芯的外围，所述内包层的外设置两对称的纺锤型的应力区，所述应力区外围为外包层，外包层包含基管。
其中，所述应力区包括B2O3+SiO2，其中按质量百分比计，掺17～22％的B2O3提高应力区热膨胀系数达到：28～32×10-7/℃。
应力区的面积比为应力区面积/光纤截面为9～10％。本发明的应力区的面积比(9～10％)小于蝶结型(应力区的面积比为10～14％)，因而可提高光纤强度，弯曲性能及高低温特性。
所述应力区是以纤芯为对称的分开结构，呈纺锤型。本发明的纺锤型的应力区，较蝶结型的窄，但有足够的应力确保光纤的保偏性能。
其中，所述内包层的厚度为纤芯半径的1.5～2.0倍，可有效的防止应力区的B2O3在长久可变环境下向芯部扩散。
作为本发明的第二方面，
一种如权利要求1所述的纺锤型保偏光纤预制棒的生产方法，采用MCVD工艺系统和刻蚀技术，包括以下制备程序：
(1)、基管选用石英基管，火燃抛光，内通Cl2及SF6，在1400～1800℃下刻蚀掉基管内壁的杂质及缺陷；
(2)、沉积外包层包括SiO2+P2O5，其中P2O5为2-4％，防杂质向内扩散，参见图1；
(3)、沉积应力区层包括SiO2+B2O3，B2O3的含量按质量百分比为17～22％；
(4)、定向刻蚀：车床停转，向基管内通入SF6刻蚀气体，用于刻蚀的喷灯从一侧或以纤芯为对称两侧定向往返移动，如图2所示，在1400～1800℃下将基管的部分内层刻蚀掉，对称两边不互相连接，可见基管内壁厚度出现明显的厚度差异；
(5)、车床旋转沉积填充层包括SiO2+P2O5，其中P2O5为2-4％，其组分及含量与外包层相同，其厚度与应力区层一致，见图2；
(6)、车床停转，再次刻蚀与第一次刻蚀方向垂直90°将沉积在应力区上的沉积填充层刻蚀掉，见图3；
(7)、沉积内包层：内包层包括SiO2+P2O5+F，其中P2O5为3.5～4.5％，F为0.4～0.5％，内包层的厚度为纤芯半径的1.5～2.0倍，停止进料；
(8)、沉积纤芯：按工艺设计控制纤芯直径和折射率；
以光纤为125μm为例，光纤预制棒直径为15mm，光纤预制棒的纤芯径为：0.6～0.8mm，折射率n为：1.466～1.475。
(9)、缩棒：直至收缩成光纤预制棒，见图4。
按上述实施步骤制得的“纺锤型”偏光纤预制棒(光纤预制棒简称光棒)，通过光纤拉丝塔拉制成不同直径的保偏光纤。
本专利应用MCVD(modified chemical vapor deposition process，改进的化学气相沉积法)工艺，采用刻蚀技术，创立高双折射保偏光纤的新型结构—纺锤型。本工艺的特点是：在刻蚀应力层后，沉积一定厚度的内包层，再采用与前一次刻蚀应力层的方向成90度角再刻蚀一定厚度的内包层，使其基管四周的壁厚基本一致；这样就保证了沉积芯层的圆正性。
本发明的有益效果：
1、纺锤型保偏光纤芯部呈圆形。本专利从原理上消除了因刻蚀作用造成的沉积管壁厚差异而导致的纤芯呈“杏核型”或“类矩形”的产生。
2、纺锤形状的应力区，且以纤芯为对称、分开。本发明地应力区的面积比小于蝶结型。
3、纺锤型保偏光纤的内包层的厚度为纤芯半径的1.5～2.0倍，可有效的防止应力区的B2O3在长久可变环境下向芯部扩散。
【附图说明】
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。附图为工艺过程中不同阶段管及棒的截面分布图。
图1为沉积应力层后管壁的截面图。
图2为刻蚀应力区后沉积好填充层时管壁的截面分布图。
图3为芯层沉积好后管壁截面分布图。
图4为保偏光纤预制棒截面图。
图中标号：1为纤芯、2为内包层、3为应力区、4为外包层，5为填充层，6为基管。
【具体实施方式】
为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。本实施步骤以基管为30(外径)×2.5(壁厚)×500(长度)mm为例。
一种纺锤型保偏光纤预制棒的生产方法，采用MCVD工艺系统和刻蚀技术，包括以下制备程序：
(1)、基管6选用高纯石英基管(德国Heraeus公司F300Tube)，火燃抛光，内通Cl2(100ml/min)及SF6(20ml/min)，在1400～1800℃高温下刻蚀掉基管1内壁的杂质；
(2)、沉积外包层4[SiO2+P2O5(P2O5为2-4％)]，通入SiCl4(1000ml/min)、POCl3(120ml/min)及O2(1500ml/min)在1800℃的高温下反应生成SiO2+P2O5，其沉积厚度为2～4层，防杂质向内扩散，参见图1；
(3)、沉积应力区2，在外包层沉积好后，通入SiCl4(180ml/min)、BBr3(800ml/min)及O2(1500ml/min)在1600～1800℃的高温下反应生成SiO2+B2O3，其沉积厚度为10～12层。
(4)、定向刻蚀：MCVD车床停转，向基管内通入SF6(80ml/min)刻蚀气体，用于刻蚀的喷灯，从一侧或以纤芯为对称两侧，定向往返移动移方向如图2的箭头所示，在1400～1800℃高温下将基管内层的部分应力区(SiO2+B2O3)刻蚀掉，对称两边的应力层不互相连接见图2，可见基管内壁厚度出现明显的厚度差异；
(5)、车床旋转沉积的填充层5(SiO2+P2O5)，其组分与外包层相同，厚度与应力区层一致，见图3；
(6)、车床停转，再次刻蚀(与第一次刻蚀方向垂直90°)将沉积在应力区层(SiO2+B2O3)上的沉积的部分填充层(SiO2+P2O5)刻蚀掉，移动方向见图3的箭头所示；
(7)、沉积内包层2：在要两次刻蚀完成后，通入SiCl4(200ml/min)、POCl3(20ml/min)、SF6(5ml/min)和O2(1500ml/min)在1800～2000℃的高温下反应生成SiO2+P2O5+F，其沉积厚度为4～6层。
(8)、沉积纤芯1：在内外层沉积完成后，通入SiCl4(50ml/min)、GeCl4(85ml/min)和O2(1200ml/min)在1800～2000℃的高温下反应生成SiO2+GeCl4，其沉积厚度为3～4层。；
(9)、缩棒：在2200～2400℃的高温下，将沉积好各层后的基管收缩成光纤预制棒，见图4。
一种纺锤型保偏光纤预制棒，预制棒从内到外包括：纤芯1、内包层2、应力区3和外包层4。参见图4。
纤芯1呈圆形结构。内包层2的厚度为纤芯半径的1.5～2.0倍。可有效的防止应力区的B2O3在长久可变环境下向芯部扩散。
应力区3的面积比为应力区面积/光纤截面为9～10％。本发明的应力区的面积比(10～14％)小于蝶结型(应力区的面积比为10～14％)，因而可提高光纤强度，弯曲性能及高低温特性。应力区3是以纤芯为对称的分开结构，呈纺锤型。本发明的纺锤型的应力区，较蝶结型的窄，但有足够的应力确保光纤的保偏性能。
本发明的创新内容为：①用沉积补偿工艺确保纤芯呈圆形，以确保光连接耦合的高效性；②纤芯呈正圆形，可保证光纤模场直径的圆正度；③应力区呈类梯形，以纤芯为对称而分离，且应力区面积仅占光纤截面积比为9-10％，较蝶结型(10-14％)要小，可提高光纤强度，而不影响保偏性能。
按上述实施步骤制得的“纺锤型”保偏光棒，通过光纤拉丝塔拉制成不同直径的保偏光纤。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。