[发明专利]用于制造保偏光纤的掺硼应力棒及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及掺硼应力棒，具体涉及用于制造保偏光纤的掺硼应力棒及其制造方法。

背景技术

光纤陀螺是利用光纤传感技术测量空间惯性转动率的一种新型传感器，目前已发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，它与通常使用的机械陀螺和近年来开发的激光陀螺相比，具有更高的精度，且成本低，体积小，重量轻。不仅用于飞机、船舶的导航，导弹制导，宇宙飞船的高精度位置控制，而且在民用上还可以应用于高级轿车的导向，以及机器人和自动化控制系统等。保偏光纤是光纤陀螺的传感核心，现在使用最普遍的是熊猫应力型保偏光纤，其原理是利用硼掺杂玻璃热膨胀系数与石英的巨大差异来对芯区施加应力达到优异的光纤双折射效应，硼掺杂应力棒是生产制造熊猫保偏光纤的重要组件。

为了方便理解本发明，将本发明涉及的专业术语集中定义如下：

沉积：光纤原材料在一定的环境下发生化学反应生成掺杂的石英玻璃的工艺过程。

熔缩：将沉积后的空心玻璃管在一定的热源下逐渐烧成实心玻璃棒的工艺过程。

衬底管：用于沉积的高纯石英玻璃管。

掺杂区域：B₂O₃掺杂的SiO₂区域。

相对折射率(Δ％)：其中n_i为第i层光纤材料的折射率，n₀为纯石英玻璃的折射率。

d：沉积掺杂区域的半径，2d即为沉积掺杂区域的直径。

D：掺硼应力棒的外径。

Δ2a：掺杂区域中心相对折射率。

Δ2b：掺杂区域外边缘相对折射率。

PCVD：等离子化学气相沉积。

MCVD：改进的化学气相沉积。

现有的熊猫保偏光纤制造方法中应力区沉积一般有MCVD(改进化学气相沉积)和PCVD(等离子体化学气相沉积)两种工艺，如美国专利USGB2122599B采用MCVD法，用BBr₃为原料与SiCl₄以及高纯氧反应沉积掺硼应力区，但是该方法受到工艺条件的限制，其沉积的应力区掺杂浓度无法达到较高的水平，同时应力棒的尺寸受到限制。

再如公开号为CN200810197408.7中国专利提及，其采用PCVD(等离子体化学气相沉积)法制备硼掺杂应力棒应用于熊猫型保偏光纤。虽然能够大幅提高掺杂区的掺杂浓度，正如公开号为US5152818美国专利所提到的，应力棒中氧化硼浓度较高会使得应力棒粘度迅速下降，这样在拉丝时会导致应力棒发生变形，使得光纤中应力分布不均匀。同时还会出现掺杂区粘度与衬底管粘度不匹配导致融缩时应力区发生截面不圆的情况，这样在熊猫保偏光棒装配时导致两个猫眼施加应力不同，所生产的掺硼应力棒成品率低，生产的熊猫型保偏光纤在光纤切割时经常会出现熊猫眼、包层碎裂的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决熊猫保偏光纤应力区掺杂浓度较低，或者出现光纤中应力分布不均匀、光纤切割时容易出现熊猫眼、包层碎裂的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种用于制造保偏光纤的掺硼应力棒，包括掺杂硼的石英芯棒，所述石英芯棒的中心折射率Δ2a满足-0.8％≤Δ2a≤-0.1％、外缘折射率Δ2b满足-0.8％≤Δ2b≤-0.1％、折射率分布系数α大于等于1.0、几何不圆度≤2％，所述石英芯棒中硼与石英的质量比为3％～35％。

上述用于制造保偏光纤的掺硼应力棒，所述石英芯棒的折射率根据公式呈弧形分布，所述公式为折射率其中r为所述石英芯棒的折射率剖面图中拟合点距石英芯棒中心的距离，d为掺杂区域半径，n_2a为掺杂区域中心的折射率，α为拟合出的折射率分布参数，该折射率分布参数α为1.0～5.0。

本发明还提供了一种用于制造保偏光纤的掺硼应力棒，包括掺杂硼的石英芯棒和包裹在所述石英芯棒外圆周表面上的石英包层，所述石英包层的外径D为12mm～25.5mm，且所述石英包层的外径与所述石英芯棒的半径d之间满足1.0＜D/2d≤1.5，所述石英芯棒的中心折射率Δ2a满足-0.8％≤Δ2a≤-0.1％、外缘折射率Δ2b满足-0.8％≤Δ2b≤-0.1％、折射率分布系数α大于等于1.0、几何不圆度≤2％。

上述用于制造保偏光纤的掺硼应力棒，所述石英芯棒中硼与石英的质量比为3％～35％。