CN100453995C - 不同应力区结构保偏光纤的拍长测算方法 - Google Patents

Abstract

不同应力区结构保偏光纤的拍长测算方法，本发明涉及一种测算偏振保持光纤拍长的方法。它解决了因应力区和芯区掺杂形状各异，偏振保持光纤的拍长很难用通用理论公式计算的问题。本发明通过下述步骤实现：一、获取含有偏振保持光纤的包层区、应力区和芯区的光纤横截面图片；二、在计算机中建立该图片的平面坐标系，确定图片中每个像素点的坐标值同时确定芯区中心位置的坐标，通过计算机依次读取该图片每个像素点的像素值，利用包层区与应力区和芯区内像素点的像素值差异，弃掉包层区的像素点，把应力区和芯区内的每个像素点代入公式计算每个像素点坐标的微分值。本发明中测算方法不受应力区和光纤芯部掺杂区形状的影响。

Description

不同应力区结构保偏光纤的拍长测算方法

技术领域

本发明涉及一种测算偏振保持光纤拍长的方法。

背景技术

偏振保持光纤(即保偏光纤)一般用于相干光通信和干涉型光纤传感器等场合。偏振保持光纤由于对线偏振光具有较强的偏振保持能力和对一般单模光纤极好的兼容性，在光纤通信和传感系统中的应用极其广泛。目前最常用的三种偏振保持光纤是领结型、熊猫型和椭圆包层型。这三种类型的偏振保持光纤都有相应的拍长数值理论计算公式。但是，随着我国光通信水平的发展，对自主研制的偏振保持光纤的性能提出了新的要求，各种新型的偏振保持光纤相继问世，例如类矩形偏振保持光纤、一字型偏振保持光纤等。这些偏振保持光纤由于其应力区和芯区掺杂形状各异，其拍长很难用通用的理论公式计算。同时，拍长是偏振保持光纤的重要性能指标，直接对应偏振保持光纤的应力双折射和消光比，对拍长的计算可以指导光纤结构设计和优化生产工艺。因此，提供一种偏振保持光纤拍长的测算方法，并以此为基础设计新型偏振保持光纤具有很强的实用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同应力区结构保偏光纤的拍长测算方法，以解决因应力区和芯区掺杂形状各异，偏振保持光纤的拍长很难用通用理论公式计算的问题。本发明通过下述步骤实现：一、获取含有偏振保持光纤的包层区、应力区和芯区的光纤横截面图片；二、在计算机中建立该图片的平面坐标系，确定图片中每个像素点的坐标值同时确定芯区中心位置的坐标，通过计算机依次读取该图片每个像素点的像素值，利用包层区与应力区和芯区内像素点的像素值差异，弃掉包层区的像素点，把应力区和芯区内的每个像素点代入下列公式计算每个像素点坐标的微分值：

$\mathrm{dB}=\frac{\mathrm{cE\ϵ}}{(1-\mathrm{\υ})}\·\frac{{(x-x^{\′})}^2-{(y-y^{\′})}^2}{{[{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{\′})}^2]}^2}{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}$

其中x、y对应该点坐标，x′、y′对应光纤芯区中心位置的坐标，c代表应力光弹系数；E代表杨氏模量；v代表泊松比。

ε＝(α₁-α₂)T

α₁——为掺杂区的热膨胀系数     α₁＝mS_d+(1-m)S_o

α₂——为包层的热膨胀系数       α₂＝S₀

S_o——SiO₂的热膨胀系数          0.5×10^-6/℃

S_d——掺杂成份的热膨胀系数

其中掺杂成份为B₂O₃时   S_d＝10×10^-6/℃

掺杂成份为Ge₂O₃时      S_d＝7×10^-6/℃

m——掺杂区掺杂成份的摩尔百分数

T——650℃

三、对应力区和芯区内所有像素点坐标的微分值进行累加从而得到偏振保持光纤的应力双折射B，进而根据下述公式计算其拍长L_p，

$L_p=\frac{\mathrm{\λ}}{B}$

其中λ为光波长，使用1.55μm或1.31μm。

本发明的方法先获取偏振保持光纤横截面图像，再分析图像中的像素数据，利用微元算法来计算偏振保持光纤拍长。由于偏振保持光纤包层区、应力区和芯区的掺杂元素不同，根据衬度原理，会表现颜色及对比度上的差异，这样根据像素值即可判断出该点在偏振保持光纤中的位置(包层区、应力区或芯区)。本发明采用累加的方法计算微元算法积分，避免了复杂掺杂区形状在数学上“不可积”的问题，因此，不受偏振保持光纤掺杂区形状的限制，即可计算任意偏振保持光纤的拍长。同时，本方法完全由计算机完成计算，避免了理论公式计算的繁琐性。该方法不受偏振保持光纤的应力区和芯区的形状的限制，可用来测算任何应力区与芯区结构的偏振保持光纤的拍长，并指导新型偏振保持光纤的设计。本发明图片的获取可以选用扫描电镜的方法得到，但不仅仅局限于扫描电镜方法，对于偏振保持光纤横截面中包层区、应力区与芯区具有明显颜色衬度的图片均可分析计算。

附图说明

图1是自行设计的偏振保持光纤的横截面图片，图2是计算机程序流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式可对自行设计的新型应力元结构的保偏光纤的拍长进行计算，通过下述步骤实现：一、设计含有偏振保持光纤的包层区1、应力区3和芯区2的光纤横截面图片。图片文件通常分为文件头信息和数据两部分。不同的图片格式有不同的文件头形式和编码方式，利用图像处理软件读取光纤横截面图片中芯区中心的坐标，如果芯区的形状不规则，则利用实验的方法取得光纤横截面的光波导中心作为芯区中心的坐标。利用相应图像处理软件，例如Matlab读取图片的文件头信息，从中获得光纤图片的实际尺寸m×n，然后建立m×n的矩阵data[m][n]来存储图片数据，在这个矩阵中，下标表示数据点的横纵坐标，数值代表该点的像素值，例如data[1][1]数据表示(2，2)点的像素值(计算机中计数是从0开始的)。通过这种方法便可以读取任何一点的像素值，并判断该点是否处在偏振保持光纤的应力区或芯区，然后对其进行相应的计算。二、在计算机中建立该图片的平面坐标系，确定图片中每个像素点的坐标值，通过计算机依次读取该图片每个像素点的像素值，利用包层区与应力区和芯区内像素点的像素值差异，弃掉包层区的像素点，把应力区和芯区内的每个像素点代入下列公式计算每个像素点坐标的微分值：

$\mathrm{dB}=\frac{\mathrm{cE\ϵ}}{(1-\mathrm{\υ})}\·\frac{{(x-x^{\′})}^2-{(y-y^{\′})}^2}{{[{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{\′})}^2]}^2}{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}$

其中x、y对应该点坐标，x′、y′对应光纤芯区中心位置的坐标，c代表应力光弹系数；E代表杨氏模量；v代表泊松比。

ε＝(α₁-α₂)T

α₁——为掺杂区的热膨胀系数    α₁＝mS_d+(1-m)S_o

α₂——为包层的热膨胀系数      α₂＝S₀

S_o——SiO₂的热膨胀系数         0.5×10^-6/℃

S_d——掺杂成份的热膨胀系数

其中掺杂成份为B₂O₃时S_d＝10×10^-6/℃

掺杂成份为Ge₂O₃时    S_d＝7×10^-6/℃

m——掺杂区掺杂成份的摩尔百分数

T——温度650℃

如图2所示，计算程序从图片像素矩阵中逐点读取数值，根据像素值判断该点位置，并将处于应力区与芯区的像素点坐标带入微元算法积分公式累加计算偏振保持光纤的应力双折射B。

三、进而根据下述公式计算其拍长L_p，

$L_p=\frac{\mathrm{\λ}}{B}$

其中λ为光波长，一般使用1.55μm或1.31μm。

具体实施方式二：本实施方式可对任何应力元结构的实际保偏光纤的产品进行测算，获取其拍长数值。本实施方式与实施方式一的不同点是：在步骤一中，获取含有偏振保持光纤的包层区1、应力区3和芯区2的光纤横截面背散射图片。具体获取方法是：对光纤的横截面进行喷碳或喷金处理，然后利用扫描电镜获取含有偏振保持光纤的包层区、应力区和芯区的光纤横截面背散射图片；由于偏振保持光纤应力区和芯区的掺杂元素不同，根据衬度原理，由扫描电镜获取的背散射图片上会表现颜色及对比度上的差异，这样根据像素值即可判断出该点在偏振保持光纤中的位置。本实施方式与实施方式一不同的点还在于，在步骤一中不采用图像处理软件，而是利用自行编制的程序，确定光纤芯区中心的坐标，如图2中所示。其它的步骤与实施方式一相同。

Claims (2)

1.不同应力区结构保偏光纤的拍长测算方法，其特征在于该方法通过下述步骤实现：一、获取含有偏振保持光纤的包层区、应力区和芯区的光纤横截面图片；

二、在计算机中建立该图片的平面坐标系，确定图片中每个像素点的坐标值同时确定芯区中心位置的坐标，通过计算机依次读取该图片每个像素点的像素值，利用包层区与应力区和芯区内像素点的像素值差异，弃掉包层区的像素点，把应力区和芯区内的每个像素点代入下列公式计算每个像素点坐标的微分值：

$\mathrm{dB}=\frac{\mathrm{cE\ϵ}}{(1-\mathrm{\υ})}\·\frac{{(x-x^{\′})}^2-{(y-y^{\′})}^2}{{[{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{\′})}^2]}^2}d{x}^{\′}d{y}^{\′}$

其中x、y为图片中每个像素点的坐标，x′、y′对应光纤芯区中心位置的坐标，c代表应力光弹系数；E代表杨氏模量；v代表泊松比，

ε＝(α₁-α₂)T

α₁——为掺杂区的热膨胀系数        α₁＝mS_d+(1-m)S_o

α₂——为包层区的热膨胀系数        α₂＝S₀

S_o——SiO₂的热膨胀系数              0.5×10^-6/℃

S_d——掺杂成份的热膨胀系数

其中掺杂成份为B₂O₃时    S_d＝10×10^-6/℃

掺杂成份为Ge₂O₃时       S_d＝7×10^-6/℃

m——掺杂区掺杂成份的摩尔百分数

T——温度650℃

三、对应力区和芯区内所有像素点坐标的微分值进行累加从而得到偏振保持光纤的应力双折射B，进而根据下述公式计算其拍长L_p，

$L_p=\frac{\mathrm{\λ}}{B}$

其中λ为光波长，为1.55μm或1.31μm。

2、根据权利要求1所述的不同应力区结构保偏光纤的拍长测算方法，其特征在于在步骤一中，对光纤的横截面进行喷碳或喷金处理，然后利用扫描电镜获取含有偏振保持光纤的包层区、应力区和芯区的光纤横截面背散射图片。

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