熊貓型保偏光纖用高摻硼應力預制棒制備工藝實驗研究

葛 欣，衣永青，沈一澤

（中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220）

0 引 言

保偏光纖是目前應用最廣泛的特種光纖，保偏光纖按結構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 80年代發展起來的一種特種光纖，由于具有優良的保偏特性，被廣泛應用于相干通信及相干光纖傳感器領域[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，從而產生雙折射效應。利用偏振保持光纖的雙折射效應就可以保證光信號以偏振光的形式在光纖中傳輸，其主要應用于各類高精度傳感領域。因為光纖陀螺和其他類型陀螺相比較具有啟動時間短、結構簡單、質量輕、沒有活動元件、維修少、環境適應性強、動態范圍寬等諸多優點，所以光纖陀螺發展非常迅速，已成為當前和今后各種導航的主要慣性部件[2-3]。隨著光纖陀螺應用技術向小型化、高精度發展，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，除了光纖的結構設計之外，非常關鍵的就是需要有效提高應力區的應力，通過應力區更大的應力施加，增強保偏光纖的偏振特性。本文基于深入研究高應力預制棒的特性，開展了高應力預制棒的研究和制備工作，通過技術措施有效研制出大尺寸、高摻硼的高應力預制棒，并有效抑制了高應力預制棒的炸裂問題，顯著提高了保偏光纖的偏振特性。

1 制備工藝過程

高摻硼應力預制棒的制備采用 MCVD工藝，利用 MCVD工藝制作應力棒的技術方案如下：利用高純 O2攜帶 SiCl4、GeCl4、BBr3等原材料通入高純石英管內，同時用氫氧焰加熱石英管，原材料和高純O2在石英管內發生化學反應：

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

2 實 驗

熊貓型保偏光纖是一種應力施加型保偏光纖，光纖中2個應力區是構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。為了實現保偏光纖良好的偏振特性，必須增加應力預制棒的應力，采用三氧化二硼作為摻雜劑制作應力預制棒，通過提高三氧化二硼的摻雜濃度來提高應力區對纖芯的應力，同時還要盡可能增大應力區的直徑，達到提高模雙折射差的目的。

通過開展提高應力預制棒芯部B2O3摻雜濃度的研究，采用提高摻雜劑的物料溫度、改變各種反應物之間的流量配比關系等辦法，有效提高了應力棒硼的摻雜比例。據資料報道，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 P104折射率分析儀判斷應力預制棒中 B2O3的摻雜濃度。經過工藝試驗，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力預制棒中 B2O3的摻雜濃度。圖 1為供料溫度與摻雜濃度的對應關系，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，分析認為23℃以后，物料的濃度達到飽和，通過增加物料溫度無法再繼續增加濃度。然后在 23℃的料溫下合理調節三溴化硼和四氯化硅的載氣流量，最終達到了進一步提高 B2O3摻雜濃度的目的。目前制備的應力預制棒折射率差從之前的-0.0080降低到-0.010以下，應力預制棒中 B2O3的摻雜濃度提高到 20mol%以上，應力提高作用明顯。圖 2為調整后研制的應力預制棒折射率分布圖，可以看出應力預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。

在應力預制棒的制備過程中，同時開展了退火工藝實驗研究。通過實驗調整退火工藝參數，與應力預制棒的應力相匹配，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力預制棒的炸裂幾率。

圖1 料溫與B2O3摻雜濃度的關系Fig.1 Relationship between material temperature and doping concentration

圖2 應力母棒折射率分布圖Fig.2 The refractive index distribution of stress perform

3 結 論

采用上述工藝使應力預制棒的折射率和應力區直徑都顯著提高，而且有效防止了高應力的炸裂問題，主要體現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良的保偏光纖產品。