[发明专利]制备特种光纤的“几何工艺法”

说明书

本发明是揭示制备“特种”光纤，或称“非常规”光纤的一种新颖的、行之有效、且适用范围广的简易工艺方法。根据此种方法在工艺过程中的特点，称之为“特种光纤的几何工艺法”(GeometricalMethod of Special Fiber Fabrication)。

从光纤技术的研究与发展看，在常规光纤研究的基础上开展特种光纤的研究，其最主要的动力是因为，常规光纤(其截面结构圆对称)不能实现稳定的偏振模传输，于是许多光纤系统(如光纤相干通讯、光纤陀螺、光阡干涉仪)要求特种光纤，使得传输光能保持在一个稳定的偏振模式上。通常所谓“单模”光纤，即常规单模光纤，实际上是“双模”光纤，在光纤中存在着互相正交的两个简并偏振模，于是实际光纤所经受的任何微扰都会在双模间产生功率的转换和再转换，或者说，产生偏振态的变化。正是由于常规单模光纤存在着这个固有的麻烦问题，所以，光纤研究者不得不付出努力，以寻求各种各样的特种光纤。

在工艺上，制备各种特种光纤要比制备常规(圆对称)光纤有不同程度的难度。光纤研究者熟知的MCVD(改良化学气相沉积)法是AT&TBell的Mc Chesney博士所发明；英国南安普顿大学在MCVD法的基础上，利用部分(气相氟)腐蚀法，成功地制出了“领结”形特种光纤，被公认为一项很了不起的成就。在日本，采取了另一种制备特种光纤的工艺途径，它是在VAD(气相轴向沉积)法制成的单模预制棒内沿轴线钻出两个柱体形状的空管，(其几何位置对称于轴心)，然后将二应力棒贴紧埋入空管；用此法制成的特种光纤，称为“熊猫”光纤，也很成功。在日本，另一种成功的特种光纤是(外圆)内椭圆包层光纤，其工艺方法是在MCVD法的基础上引入“减压收棒”技术，而不用部分腐蚀技术。在美国，康宁(Corning)公司用的又是一种工艺方法，其主要技术是在石英玻璃衬管内部沿轴线插入芯棒，在芯棒两边插入几何对称的两根应力棒，并在衬管内部的空白部分塞满玻璃棒，从而构成可用来拉丝的特种光纤预制棒。这种工艺方法也是一种成功的方法，称为康宁技术(CorningTechnique)，拉丝出来的光纤，其结构形状类似于熊猫光纤(应力区一般不很圆，但不影响其保持偏振态的性能)。在美国，另一吸引人的发明是AT&T Bell的扁形椭圆内包层光纤，其主要优点是易于确定主轴方位；制备此种光纤的工艺方法是将椭圆内包层预制棒在椭圆的短轴方向加热压扁，然后将此压扁了的预制棒在低温下拉丝。

国际上采用的制备特种光纤的工艺方法，不外是上述几种。除这些有代表性的、基本的工艺方法外，也还有一些改良性的工艺方法，例如，在澳大利亚，将部分“弱”腐蚀与“减压收棒”二者结合，利用MCVD法制成优于普通椭圆内包层光纤的保持偏振态特种光纤。在国内，模仿国外研制“领结”“椭圆内包层”与“熊描”光纤的工作亦已开展了很多年。关于用MCVD法加上部分腐蚀技术制备领结光纤，所存在的技术问题之一是较难保证纤芯的圆度，这是因为，此法在收棒过程中由于应力区从两边向芯子施加应力，而芯子又处于热融熔状态，故易于变成不同程度的椭圆形状。关于熊猫光纤的制造，要求原始的单模棒较粗，以利于钻孔。国外报导用超声技术进行钻孔，此种技术条件在国内尚有困难(国内超声钻孔一般不够深，精度也不易达到要求)。关于制备类熊猫光纤的康宁技术，因康宁公司严格保密，故国内尚未能掌握，亦未见有这方面实际工作的报导。该技术从原理上说并不复杂，但在实践上则有难度，因为芯棒及应力棒在套管中的位置经过全部拉丝过程需严格保持三点一线，二应力棒相对于纤芯需严格对称，填充玻璃棒需互相紧贴，等等。上述几种有代表性的工艺技术，其中制备领结光纤和椭圆内包层光纤所用预制棒的引棒是实心玻璃棒，而熊猫光纤和康宁套管光纤的预制棒引棒则需用空心玻璃管，且管壁上带有排气孔，以便在加热拉丝过程中排除预制棒内部各贴合面间气隙中的气泡。

关于AT&T Bell用热压法制造扁椭光纤的工艺，国内迄今尚未掌握。热压预制棒的方法想像起来很简单，但实际上难度很大。从物理概念上看，掺硼应力层的软化点和熔融点比掺锗芯子的要低。比石英外包层的更低，所以，加热加工过程中，掺硼内包层最先软化，于是芯子可在应力区中移动，其最终所在位置决定于温度和压力施加情况。温度、压力不够高，则预制棒压不扁，而在温度、压力超过限度或其分布失调时，则拉出光纤的芯子不居中，甚至整个光纤结构遭受破坏。

本发明的目的在于提供一种新颖而且实用的制备特种光纤的工艺方法。