熊貓型保偏光纖用高摻硼應(yīng)力預(yù)制棒制備工藝實驗研究

葛 欣，衣永青，沈一澤

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220）

0 引 言

保偏光纖是目前應(yīng)用最廣泛的特種光纖，保偏光纖按結(jié)構(gòu)分為熊貓型保偏光纖、一字型保偏光纖等。熊貓型保偏光纖是 20世紀(jì) 80年代發(fā)展起來的一種特種光纖，由于具有優(yōu)良的保偏特性，被廣泛應(yīng)用于相干通信及相干光纖傳感器領(lǐng)域[1]。其主要工作原理是在光纖的橫截面上人為地引入幾何各項異性，使得2個模式的有效折射率不同，從而產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。利用偏振保持光纖的雙折射效應(yīng)就可以保證光信號以偏振光的形式在光纖中傳輸，其主要應(yīng)用于各類高精度傳感領(lǐng)域。因為光纖陀螺和其他類型陀螺相比較具有啟動時間短、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、沒有活動元件、維修少、環(huán)境適應(yīng)性強、動態(tài)范圍寬等諸多優(yōu)點，所以光纖陀螺發(fā)展非常迅速，已成為當(dāng)前和今后各種導(dǎo)航的主要慣性部件[2-3]。隨著光纖陀螺應(yīng)用技術(shù)向小型化、高精度發(fā)展，對保偏光纖的雙折射提出了更高的要求。為提高保偏光纖的偏振特性，除了光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計之外，非常關(guān)鍵的就是需要有效提高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力，通過應(yīng)力區(qū)更大的應(yīng)力施加，增強保偏光纖的偏振特性。本文基于深入研究高應(yīng)力預(yù)制棒的特性，開展了高應(yīng)力預(yù)制棒的研究和制備工作，通過技術(shù)措施有效研制出大尺寸、高摻硼的高應(yīng)力預(yù)制棒，并有效抑制了高應(yīng)力預(yù)制棒的炸裂問題，顯著提高了保偏光纖的偏振特性。

1 制備工藝過程

高摻硼應(yīng)力預(yù)制棒的制備采用 MCVD工藝，利用 MCVD工藝制作應(yīng)力棒的技術(shù)方案如下：利用高純 O2攜帶 SiCl4、GeCl4、BBr3等原材料通入高純石英管內(nèi)，同時用氫氧焰加熱石英管，原材料和高純O2在石英管內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

反應(yīng)后生成的 SiO2、GeO2、B2O3等物質(zhì)會一層一層均勻地沉積在石英反應(yīng)管的內(nèi)壁，并在高溫下玻璃化，形成摻入其他組分的石英基的材料。通過調(diào)整原材料的流量和沉積的層數(shù)來達(dá)到所需的沉積層總厚度和沉積層材料的摻雜劑濃度。芯層沉積結(jié)束后，縮管、收棒制成應(yīng)力預(yù)制棒。

2 實 驗

熊貓型保偏光纖是一種應(yīng)力施加型保偏光纖，光纖中2個應(yīng)力區(qū)是構(gòu)成光纖偏振特性的重要因素，同單模母棒一樣是不可或缺的一部分。為了實現(xiàn)保偏光纖良好的偏振特性，必須增加應(yīng)力預(yù)制棒的應(yīng)力，采用三氧化二硼作為摻雜劑制作應(yīng)力預(yù)制棒，通過提高三氧化二硼的摻雜濃度來提高應(yīng)力區(qū)對纖芯的應(yīng)力，同時還要盡可能增大應(yīng)力區(qū)的直徑，達(dá)到提高模雙折射差的目的。

通過開展提高應(yīng)力預(yù)制棒芯部B2O3摻雜濃度的研究，采用提高摻雜劑的物料溫度、改變各種反應(yīng)物之間的流量配比關(guān)系等辦法，有效提高了應(yīng)力棒硼的摻雜比例。據(jù)資料報道，隨著石英玻璃中三氧化二硼濃度的增加，其折射率不斷下降，一般為-0.0005/（mol%），即三氧化二硼每增加 1mol%，折射率下降0.0005。可以根據(jù) P104折射率分析儀判斷應(yīng)力預(yù)制棒中 B2O3的摻雜濃度。經(jīng)過工藝試驗，保持三溴化硼的流量不變，逐漸提高摻雜劑原料三溴化硼供料溫度，從 19℃提高到 25℃，通過 P104折射率分析儀判斷應(yīng)力預(yù)制棒中 B2O3的摻雜濃度。圖 1為供料溫度與摻雜濃度的對應(yīng)關(guān)系，從圖中可以看出，隨著供料溫度的提高，B2O3摻雜濃度逐漸提高，但到 23℃以后，再提高物料溫度摻雜濃度提高不明顯，分析認(rèn)為23℃以后，物料的濃度達(dá)到飽和，通過增加物料溫度無法再繼續(xù)增加濃度。然后在 23℃的料溫下合理調(diào)節(jié)三溴化硼和四氯化硅的載氣流量，最終達(dá)到了進(jìn)一步提高 B2O3摻雜濃度的目的。目前制備的應(yīng)力預(yù)制棒折射率差從之前的-0.0080降低到-0.010以下，應(yīng)力預(yù)制棒中 B2O3的摻雜濃度提高到 20mol%以上，應(yīng)力提高作用明顯。圖 2為調(diào)整后研制的應(yīng)力預(yù)制棒折射率分布圖，可以看出應(yīng)力預(yù)制棒的折射率有了明顯的降低，芯部的B2O3摻雜濃度顯著提高。

在應(yīng)力預(yù)制棒的制備過程中，同時開展了退火工藝實驗研究。通過實驗調(diào)整退火工藝參數(shù)，與應(yīng)力預(yù)制棒的應(yīng)力相匹配，制棒過程中退火從 2000℃到1000℃，制棒完成后退火從 1000℃到常溫。該工藝成功降低了高摻硼應(yīng)力預(yù)制棒的炸裂幾率。

圖1 料溫與B2O3摻雜濃度的關(guān)系Fig.1 Relationship between material temperature and doping concentration

圖2 應(yīng)力母棒折射率分布圖Fig.2 The refractive index distribution of stress perform

3 結(jié) 論

采用上述工藝使應(yīng)力預(yù)制棒的折射率和應(yīng)力區(qū)直徑都顯著提高，而且有效防止了高應(yīng)力的炸裂問題，主要體現(xiàn)在我們制作熊貓型保偏光纖的偏振性能上。目前研制的熊貓型保偏光纖器，偏振串音從之前的-23dB/km 提高到最低達(dá)到-28dB/km，有效提高了熊貓型保偏光纖的偏振保持特性，為我國光纖陀螺的研制，特別是高精度光纖陀螺的研制提供了偏振性能優(yōu)良的保偏光纖產(chǎn)品。