任意偏振保持的新型高双折射率保偏光纤及其制造方法

摘要

本发明公开了一种任意偏振态保持的新型高双折射率保偏光纤。该光纤中存在快轴和慢轴，以及快轴--慢轴0度对接的转换面。转换面将光纤分成光纤段，单个光纤段的长度应小于其所在空间温度场沿光纤的光传播方向的梯度的倒数，同时在光纤的温度梯度的倒数的长度范围内，编号为奇数的光纤段长度总和与编号为偶数的光纤段的长度的总和的差值引起的光的两个轴向分量之间的光程差小于相干长度。该光纤可通过在拉制光纤的过程中改变应力施加区的位置来获得，也可以将现成高双折射率保偏光纤截开，然后将光纤段采用快轴--慢轴对接并熔接起来制成。本发明的保偏光纤能够实现对任意偏振态的偏振保持，加上辅助设备，能够实现鲁棒的偏振保持的通信信道。

权利要求

1.一种光纤，包括快轴和慢轴，所述快轴和慢轴方向位于垂直于该光纤光传播方向的平面上，且快慢轴方向相互垂直，其特征在于，该光纤包括多个垂直于光纤的光传播方向的转换面，位于所述转换面的一边的光纤部分的快轴与位于该转换面的另一边的光纤部分的慢轴进行0度对接，所述光纤由所述多个转换面分隔的多个光纤段组成，其中，当给光纤段按照顺序从

1开始编号后，编号为奇数的光纤段的长度总和与编号为偶数的光纤段的长度总和的差δLsum满足 其中d为光纤的拍长，λ为入射到光纤的激光的波长，l为入射光束的相干长度，n为光纤芯材的折射率。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述δLsum满足

3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤由偶数个光纤段组成，每个光纤段的长度相等。

4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述每个光纤段的长度L满足 其中Γ为所述光纤的光传播方向的空间温度梯度。

5.如权利要求4所述的光纤，其特征在于，所述每个光纤段的长度L满足

6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在长度为 的范围内，编号为奇数的光纤段长度总和与编号为偶数的光纤段的长度的总和的差值δLΓ满足下式：其中Γ为所述光纤的光传播方向的空间温度梯度。

7.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述 满足

8.一种制造权利要求1-7中任一项所述的光纤的方法，其特征在于，包括如下步骤：根据石英管或预制棒研磨法来制备光纤：在研磨石英衬底或者预制棒时，不断改变研磨的部位，使得研磨的部分在相互垂直的两个方向之间不断变化；按照常规的工艺沉积包层和纤芯；高温缩棒，拉制光纤。

9.一种制造权利要求1-7中任一项所述的光纤的方法，其特征在于，包括如下步骤：基于管套棒法制备光纤：在制作光纤预制棒的时候，将衬底分段设置，将应力棒和基底材料棒插入每段衬底中，在每一段衬底中，应力棒和基底材料棒的排列位置相对于相邻衬底段旋转90度；应力棒连线方向在一对正交的方向之间切换；将多个衬底段首尾相接后拉制成预制棒；将预制棒拉丝制成光纤。

10.一种制造权利要求1-7中任一项所述的光纤的方法，其特征在于，包括如下步骤：将不具有所述0度对接的转换面的光纤截开成为长度相同的光纤段；取偶数光纤段，按照所述0度对接的方式连接成光纤。

11.如权利要求10所述的制造光纤的方法，其特征在于，所述连接方法为焊接。

说明书

任意偏振保持的新型高双折射率保偏光纤及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种任意偏振保持的新型高双折射率保偏光纤及其制造方法。

背景技术

[0002] 光纤是目前通信(包括经典通信和量子通信)领域的重要信道。由于普通光纤拉制的工艺不完美，拉制的单模光纤不是理想的圆形，光纤中会出现微弱的双折射效应，单模光纤中理论上简并的两个偏振模式会相互串扰，因此普通单模光纤不能实现光束偏振保持。

[0003] 保偏光纤能实现沿光纤轴向偏振的光束偏振保持。目前常用的保偏光纤主要有领带结型、熊猫型、椭圆包层型，其光纤截面如图1所示。保偏光纤是通过在光纤中引入强的双折射效应，使得沿快(慢)轴偏振的光束不会串扰到慢(快)轴方向，最终实现偏振保持。

[0004] 保偏光纤能实现沿光纤快慢轴方向的偏振保持，但不能对非轴向偏振的光束实现偏振保持。光束在保偏光纤中传播时，光束看成沿光纤两个轴向偏振的分量相干叠加而成。由于保偏光纤中强的双折射，当光束通过一段光纤之后，光的快、慢轴方向的分量之间就会引入一定光程差，当光的线宽比较宽，且光通过的光纤长度比较长时，光的两个光分量之间的光程差可能达到与光束的相干长度相当甚至更长的水平，此时光的偏振特性就会被破坏。因此保偏光纤对于非其快、慢轴方向偏振的光束不仅不能实现偏振保持，还有可能破坏性地影响入射光束的偏振特性。

[0005] 光纤在使用中会受到外界环境的影响，此时光纤中的光信号的偏振态会发生改变，导致通信的误码率增加。其中保偏光纤受环境(特别是外力和温度)的影响尤为严重。

[0006] 图2是现有的一种制造保偏光纤的方法的示意图，该图展现的方法是采用石英管或预制棒研磨法来制备椭圆包层光纤。该方法是在用MCVD法在沉积包层和纤芯之前，先把石英衬底管相对两侧边磨扁平，然后沉积硼硅酸盐包层和纤芯，高温缩棒时，表面张力使预制棒外表成圆形而包层呈椭圆形。如果是先制成预制棒，则将预制棒两侧磨平，再拉成光纤。

[0007] 图3是现有的管套棒法制备光纤的示意图。管套棒法是制备熊猫型和领带结型保偏光纤的主要方式。该方法是将7根预制棒集成一束插入到石英衬底中。这7根棒中4根是纯石英棒，2根为掺铝或者硼的应力棒，1根为纤芯棒。这样的装配然后高温缩棒，拉制成预制棒，最后拉制成光纤。

[0008] 目前有大量基于光子极化编码的通信方案，但是由于上述的各种光纤的不完美性，远距离的、基于极化编码的通信方案难以在现有的光纤系统中实现。

发明内容

[0009] (一)要解决的技术问题

[0010] 本发明所要解决的技术问题是提出一种任意偏振态保持的新型高双折射率保偏光纤及其制作方法，以克服传统保偏光纤偏振保持方向自由度小，受环境影响大，不适于远距离、基于极化编码的通信等缺点。

[0011] (二)技术方案

[0012] 为解决上述技术问题，本发明提出一种光纤，包括快轴和慢轴，所述快轴和慢轴方向位于垂直于该光纤光传播方向的平面上，且快慢轴方向相互垂直，其特征在于，该光纤包括多个垂直于光纤长度方向的转换面，位于所述转换面的一边的光纤部分的快轴与位于该转换面的另一边的光纤部分的慢轴进行0度对接。

[0013] 根据本发明的一种具体实施方式，所述光纤由所述多个转换面分隔的多个光纤段组成，其中，当给光纤段按照顺序从1开始编号后，编号为奇数的光纤段的长度总和与编号为偶数的光纤段的长度总和的差δLsum满足 其中d为光纤的拍长，λ为入射到光纤的激光的波长，l为入射光束的相干长度，n为光纤芯材的折射率。

[0014] 根据本发明的一种具体实施方式，所述δLsum满足

[0015] 根据本发明的一种具体实施方式，所述光纤由偶数个光纤段组成，每个光纤段的长度相等。

[0016] 根据本发明的一种具体实施方式，所述每个光纤段的长度L满足 其中Γ为所述光纤在最终的使用条件中的光传播方向的空间温度梯度。

[0017] 根据本发明的一种具体实施方式，所述每个光纤段的长度L满足[0018] 根据本发明的一种具体实施方式，在所述的温度梯度倒数 的长度范围内，由编号为奇数的光纤段和编号为偶数的光纤段的各自长度综合的差引起的光的两个光轴分量之间的光程差δLΓ满足

[0019] 根据本发明的一种具体实施方式，所述δLΓ满足

[0020] 根据本发明的一种具体实施方式，包括如下步骤：根据石英管或预制棒研磨法来制备光纤：在研磨石英衬底或者预制棒时，不断改变研磨的部位，使得研磨的部分在相互垂直的两个方向之间不断变化；按照常规的工艺沉积包层和纤芯；高温缩棒，拉制光纤。

[0021] 根据本发明的一种具体实施方式，包括如下步骤：基于管套棒法制备光纤：在制作光纤预制棒的时候，将衬底分段设置，将应力棒和基底材料棒插入每段衬底中，在每一段衬底中，应力棒和基底材料棒的排列位置相对于相邻衬底段旋转90度；应力棒连线方向在一对正交的方向之间切换；将多个衬底段首尾相接后拉制成预制棒；将预制棒拉丝制成光纤。

[0022] 根据本发明的一种具体实施方式，包括如下步骤：将不具有所述0度对接的转换面的光纤截开成为长度相同的光纤段；取偶数光纤段，按照所述0度对接的方式连接成光纤。

[0023] 根据本发明的一种具体实施方式，所述连接方法为焊接或其他光纤熔接方式。

[0024] (三)有益效果

[0025] 采用本发明的方法制作的光纤，在一定条件下能够实现对任意偏振态的偏振保持；配合一些辅助的补偿系统，能够实现鲁棒的任意偏振态偏振保持的通信信道。

附图说明

[0026] 图1是现有的高双折射率保偏光纤的截面图；

[0027] 图2是现有的预制棒研磨法制备椭圆包层光纤的示意图；

[0028] 图3是现有的管套棒法制备熊猫型保偏光纤和领带结型保偏光纤的示意图；

[0029] 图4是本发明的保偏光纤的快慢轴交错正交对接方式示意图；

[0030] 图5是本发明的保偏光纤中的光轴在一对正交的方向之间交错切换的示意图；

[0031] 图6是光在本发明的光纤的一个周期性结构中传播时的偏振态变化示意图；

[0032] 图7是本发明的基于椭圆包层光纤制作工艺的光纤制作方法示意图；

[0033] 图8是本发明的基于管套棒法制备新偏光纤的示意图。

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0035] 光纤整体结构、保偏原理及工艺要求

[0036] 本发明提出的任意偏振态保持的新型保偏光纤基于传统的保偏光纤，但不同于传统的保偏光纤。光纤一般包括快轴和慢轴，快轴和慢轴方向位于垂直于该光纤长度方向的平面上，且快慢轴方向相互垂直。在传统保偏光纤中，光轴在光纤中连续；而在本发明提出的任意偏振态保持的新型保偏光纤中，光轴在光纤中不连续。本发明的光纤包括多个垂直于光纤的长度方向的转换面，位于所述转换面的一边的光纤部分的快轴与位于该转换面的另一边的光纤部分的慢轴进行0度对接。所谓0度对接就是指位于转换面的一边的光纤部分的快轴方向与转换面的另一边的光纤部分的慢轴方向之间的夹角为0度。由此，转换面将光纤分成多个光纤段。

[0037] 图4是本发明提出的任意偏振态保持的保偏光纤中光纤段的连接示意图，该图以熊猫型保偏光纤为例进行说明。熊猫型保偏光纤是当前最为常用的保偏光纤，光纤端面如图1中所示，光纤中存在两个应力棒(图中端面上两个较大圆形区域)，会给中间的纤芯施加一个压力。两个应力棒的连接方向是光纤的慢轴，而与之垂直的方向则是光纤的快轴。从图3中可以形象看，本发明的相邻光纤段的快轴--慢轴0度对接起来。光纤整体由多个光纤段如图连接而成。

[0038] 本发明提出的光纤中，各个光纤段的长度可以相等，也可以不等。为了提高制作工艺的效率，优选为每个光纤段长度都相等。但是，即使在制作过程中设定了要求达到长度相等的光纤段，但由于实际制作过程中必然会出现一定的偏差，而这样的一些偏差结合入射光纤的激光的一些特性以及环境的一些因素，最终会影响到光纤对光的偏振保持度，因此依据光束特性和实际使用环境中可能遇到的一些因素，本发明对光纤和光纤段的长度具有一定的要求。

[0039] 首先，要保证光纤本身不会对光的偏振态造成破坏性的影响。这要求当光经过光纤后，光沿光纤轴向的两个分量在通过光纤后光程差要小于光的相干长度。具体在光纤设计好后，在制作光纤过程中应确保由光纤段制作过程中长度误差足够小，以至于由该误差引起的光的两个轴向分量之间的光程差远小于光纤中光的相干长度。

[0040] 数学分析如下：设入射的激光的波长为λ，线宽为δλ，则该激光的相干长度为设上述的光纤段的长度误差为δL，光纤的拍长(拍长是保偏光纤中描述光纤的强的双折射效应而采取的一个概念，定义为沿着光纤的长度方向传播的光分量相位差2π时对应的光纤长度)为d，光纤介质的折射率为n，设 为了不使该因素成为限制光纤偏振保持特性的主要因素，我们必须保证α＞＞1，具体的取值将会依据需求来定。

[0041] 在具体设计光纤时，设定光纤中共有m个光纤段(m必定为偶数)，若给光纤段按照排布顺序编号(从1开始)，则编号为奇数的光纤段长度总和与编号为偶数的光纤段的长度的总和的差足够小。设定这个差值为δLsum，则需要 为适应比较恶劣环境，建议[0042] 其次，环境温度梯度是影响光纤稳定的一个重要因素，这将对光纤中每一个光纤段的长度提出了要求。需要确保单段光纤的长度以保证温度的影响通过光纤的结构来充分补偿，即“光纤段”的长度将要小于温度梯度的倒数值；同时在长度为光纤使用环境的温度梯度的倒数的长度范围内，光纤能够自身补偿，因此需要由编号为奇数以及编号为偶数的光纤段的各自长度总和的差值引起的光的两个轴向分量之间的光程差要小于光的相干长度。

[0043] 假设沿着光纤的传播方向的空间温度梯度为 则针对每一段小光纤的长度为L，有如下的一些要求：

[0044] 同时，设定在特定空间处长度为 的范围内，编号为奇数的光纤段长度总和与编号为偶数的光纤段的长度的总和的差值为δLΓ，则同样需要由δLΓ引起的光的两个轴向分量之间的光程差小于相干长度，即满足下式：

[0045]

[0046] 这是一些最基本的要求。具体的取值可以根据实际情况来定，欲使光纤在比较复杂的条件下依然能够达到需要的偏振保持特性，建议

[0047] 还有，必须考虑到加载在光纤上的环境应力的改变，这需要在光纤外层加上保护层以减少应力的影响。

[0048] 光纤的具体实施例

[0049] 下面通过一个具体实施例来进一步描述本发明的光纤。在本发明的一个实施例中，光纤包括N+1个(N为转换面的个数，N为奇数)长度相等的熊猫型光纤段，相邻两个光纤段在转换面处连接，如图3所示，在转换面处快轴慢轴0度对接。在不考虑光纤本身扭曲的情况下，光纤可以看成是由一个转换面及其连接的两个光纤段组成的光纤周期重复排列构成，也因此可以看到光纤中快轴(慢轴)在一对正交的方向上不断切换。

[0050] 图5是本实施例的保偏光纤中的光轴在一对正交的方向之间交错切换的示意图。该图5中显示了其中三个光纤段的连接，如图所示，光纤的快轴在光纤的长度方向上具有“垂直、水平、垂直、水平……”的周期性排列。

[0051] 图6是本实施例的保偏光纤中一个周期的光纤结构示意图，该图中以熊猫型保偏光纤为例进行说明，同时，偏振光以45度角入射为例，展现整个光纤偏振保持的原理。

[0052] 从图6中可以看出，对于本发明的光纤，入射光束在一个光纤周期内传播时，两个轴向分量在光纤中经过同样的长度的快轴和慢轴距离，光纤周期中的前一光纤段对光的偏振态的影响由后一段光纤来补偿，入射光的快、慢轴分量在光纤周期出射处没有光程差，光束以入射光纤时的原有的偏振输出，光纤周期对光的偏振态没有影响。由于整个光纤是由上述周期性结构重复组成的，而且光纤段的长度、光纤段之间的补偿满足上述的条件，温度和光纤本身双折射效应对光的偏振的影响大大减弱，因此光纤整体在理想情况下对光的偏振不会有影响。

[0053] 光纤制作方法概述

[0054] 为了制造本发明的光纤，依据现有的高双折射率的保偏光纤制作工艺，本发明提出了制作上述光纤的方法。

[0055] 高双折射率保偏光纤是目前主流的保偏光纤。高折射率保偏光纤保偏的原理是通过几何或者应力的方式增加光纤中双折射效应，使得两个轴向的偏振模式无法串扰。目前常用的保偏光纤是通过增加应力双折射来使得光纤中形成高的双折射。

[0056] 本发明提出的保偏光纤具体可以通过以下两种方法来实现：

[0057] 1)改变制作工艺法

[0058] 对于由应力双折射而产生高双折射效应的保偏光纤，在制作过程中周期性地改变应力施加区位置(应力施加区沿一对正交方向交错改变)；

[0059] 2)后处理法

[0060] 利用现有的保偏光纤制作工艺制作保偏光纤后将该保偏光纤分成长度相等的小段；取偶数段，采用保偏光纤“快轴-慢轴”0度对接的方式将各段保偏光纤连接。

[0061] 光纤制作方法的具体实施例

[0062] 下面通过与现有技术的比较，以制造上述的具体实施例中的光纤结构来说明本发明提出的光纤的制作方法。

[0063] 图7是根据石英管或预制棒研磨法来制备本发明的光纤的示意图。图7所示方法与现有的方法不同之处在于研磨石英衬底或者预制棒时，周期性地改变研磨的部位，使得研磨的部分在相互垂直的两个方向之间不断周期性变化。通过这样的处理，再按照常规的工艺沉积包层和纤芯，最后高温缩棒，拉制光纤即可得到上述实施例中的光纤结构。

[0064] 图8是基于管套棒法制备本发明的实施例光纤结构的示意图。如图所示，在制作光纤预制棒的时候，将衬底分段设置，将应力棒和基底材料棒插入每段衬底中，在每一段衬底中，应力棒和基底材料棒的排列位置相对于相邻衬底段都旋转90度。应力棒将不再连续，而是如图所示的被切成“段”摆放在纤芯的不同位置，由此，其他的基底材料棒也将不连续，且呈周期性变化。应力棒连线方向(拉成光纤之后将是光纤慢轴方向)在一对正交的方向(图中展现的是水平和竖直方向)之间周期性切换。

[0065] 然后，将偶数个衬底段首尾相接后拉制成预制棒，将预制棒拉丝制成光纤。

[0066] 此外，也可以对现有的保偏光纤进行后处理法得到本发明的保偏光纤，可以通过如下手段来实现：先用普通的高双折射率保偏光纤制作方法制作保偏光纤；将光纤截开，分成长度相等的光纤段；取其中偶数个光纤段采用“快轴-慢轴”0度对接的方式将光纤连接起来。根据本发明，具体的操作方式可采用焊接或者其他的相关的光纤熔接手段。

[0067] 制成之后具体的光纤结构与图5展现的一样。

[0068] 本发明提出的光纤结构的要求的重点是两类光纤段的各自长度总和的差值以及单段光纤的长度和精度需要满足一定的要求，因此，虽然上述实施例均是以等长偶数个光纤段构成的光纤进行说明，但是本领域普通技术人员应当了解，只要最后制作的光纤满足本发明说明书中所提出的光纤段和光纤长度的工艺尺寸要求，本发明的光纤也可以由不等长的任意多个光纤段构成。例如光纤使用环境中温度变化，温度梯度，通过光的波长等条件非常确定，那么在制作光纤中可以在不同的地方，光纤段的长度可以不一样，只要保证以上提到的条件即可。本光纤可以存在多种光纤结构，具体可以依据具体的需求和制作的难易程度来选取。

[0069] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。本发明的精神在于采用保偏光纤快轴和慢轴0度对接，同时附加对光纤段长度的限制条件来补偿保偏光纤的双折射效应。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。