CN104678487A - 气体包层偏振保持光纤 - Google Patents

Abstract

一种气体包层偏振保持光纤，它属于光纤技术领域，其特征在于它包括长方形光纤芯，包裹在长方形光纤芯外的固体包层和包裹在固体包层外的外保护涂层，在固体包层靠近长方形光纤芯的上、下表面处设置有第一内气体孔和第二内气体孔，构成上下结构的内气体包层；在固体包层中还设置环绕长方形光纤芯和内气体包层的六个以周期性循环规则设置的外气体孔，构成外气体包层。本发明与光子晶体光纤相比，传输性能、温度性能和抗射线辐射性能几乎相同，但偏振保持性能更加优异，而且本发明的生产工艺技术简单，适宜批量的低成本生产。

Description

气体包层偏振保持光纤

技术领域：

本发明涉及一种气体包层偏振保持光纤，它属于光纤技术领域。

背景技术：

光纤应用于通信和数据信息传播引发了全球信息大爆炸及通信技术大革命，促进了世界经济和人类文明飞速发展。1979年Kaminow等人在通信光纤的基础上提出了偏振保持光纤的概念，通过在光纤芯附近引入两个对称的应力区来增大两个偏振模之间的折射率差，从而减少模式耦合效应。由于偏振保持光纤具有极低的传输色散；被传输的偏振光电磁分量对环境和形态的极度敏感，1986年美国Utah大学利用偏振保持光纤发明了光纤陀螺仪，近几年又出现了光纤高压电力电流、电压互感器等等偏振保持光纤传感器件，偏振保持光纤应用范围愈来愈广。

偏振保持光纤系统应用要求光纤具有高双折射、短拍长、高消光比和稳定性，而目前市场销售的各种偏振保持光纤产品，无论是熊猫型、领结型和椭圆芯型，其双折射率有限。然而光纤内应力对温度却十分敏感，因此应用系统的温度稳定性能和防射线辐射性能都不能满足高精度光纤陀螺和光纤高压电力电流、电压互感器等传感产品的技术要求。1996年J.C.Knight在OFC会议发表了光子晶体光纤的文章，2000年Bath大学报道了成功研制的光子晶体偏振保持光纤和各项技术特性。与传统结构偏振保持光纤相比光子晶体光纤具有明显的技术优势：

1).双折射能够做到10^-3，比传统偏振保持光纤高一个数量级。

2).光纤产生的双折射是几何光学双折射，不是应力产生的双折射，所以双折射不随环境温度上升而减小。此特性对光纤应用于传感领域非常重要。

3).无论芯或包层都是选用的超高纯石英玻璃，在强射线辐射下不会产生芯中掺杂物质向包层扩散、渗透等现象，强射线辐射不会改变光子晶体偏振保持光纤的传输性能。

但是，光子晶体偏振保持光纤的偏振保持性能对芯周围小孔的尺寸波动非常敏感，这些小孔沿轴向的几何尺寸变化严重损害光纤的偏振保持性能和传输性能，并且光子晶体光纤的制造工艺技术十分复杂，制造成本也非常昂贵，到目前无论J.C.Knight等人、Bath大学还是世界各地的研究小组针对光子晶体光纤制造技术研究、开发仍然停留在实验室里和论文的探索上。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单，适应于大规模生产，成本较低的气体包层偏振保持光纤。

本发明的目的是这样实现的：

一种气体包层偏振保持光纤，其特征在于它包括长方形光纤芯，包裹在长方形光纤芯外的固体包层和包裹在固体包层外的外保护涂层，在所述的固体包层靠近长方形光纤芯的上、下表面处设置有第一内气体孔和第二内气体孔，构成上下结构的内气体包层；在所述的固体包层中还设置环绕长方形光纤芯和内气体包层的六个以周期性循环规则设置的外气体孔，构成外气体包层。

所述的外气体孔是横截面为圆角梯形的气孔。

所述的长方形光纤芯为单层结构。

所述的长方形光纤芯是单层无水超高纯熔融石英玻璃。

所述的长方形光纤芯为三层结构的光纤芯。

所述的长方形光纤芯为三层结构的光纤芯，其中间层是低折射率的光纤级的熔融石英玻璃，在低折射率的光纤级的熔融石英玻璃的上、下分别是两片无水超高纯熔融石英玻璃薄片。

所述的长方形光纤芯为多层结构的光纤芯。

所述的多层结构的光纤芯是在低折射率的光纤级的熔融石英玻璃的上、下表面分别设置无水超高纯熔融石英玻璃薄片，在所述的无水超高纯熔融石英玻璃薄片外还叠加有低折射率的光纤级的熔融石英玻璃和无水超高纯熔融石英玻璃薄片。

本发明主要依靠长方形狭窄的光纤芯阻止模式间相互耦合及完美的平面几何折射和全反射保持注入光的偏振态，周期性规则的外气体包层有效地将光场中心控制在光纤芯轴心，阻止光场向外扩展，与光子晶体光纤相比，传输性能、温度性能和抗射线辐射性能几乎相同，但偏振保持性能更加优异，而且本发明的生产工艺技术简单，适宜批量的低成本生产。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明的纵向内部结构示意图

图3为本发明的光线在气包层和光纤芯之间的反射和折射的示意图

图4为本发明的实施例2的结构示意图

图5为本发明的实施例2纵向内部结构示意图

图6为本发明的实施例2的光线在气包层和光纤芯之间的反射和折射的示意图

图7为本发明的实施例3的结构示意图

图8为本发明的实施例3纵向内部结构示意图

具体实施方式：

下面结合附图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，对本发明进行进一步的说明：

实施例1，如图1、图2和图3中所示。

在本实施例中，本发明包括长方形光纤芯6，包裹在长方形光纤芯6外的固体包层2和包裹在固体包层2外的外保护涂层1，所述外保护涂层1与现有技术的相同。在所述的固体包层2靠近长方形光纤芯6的上、下表面处设置有第一内气体孔3和第二内气体孔5，构成上下结构的内气体包层；在所述的固体包层2中还设置环绕长方形光纤芯和内气包层的六个周期性规则均匀设置的外气体孔4，构成外气体包层。由上述结构可以看出，本发明是一个具有双气体包层结构的偏振保持光纤。在本实施例中所述的外气体孔4是横截面为圆角梯形的气孔。下面进一步的解释本发明的结构和工作原理。

本发明所采用的长方形的光纤芯破坏了横模和纵模之间的平衡，有效地阻止了横模和纵模相互交叉耦合，长方形光纤芯上下两条平行、平整、非常光滑的镜面与气体包层构成了完美的平面偏振光波导；六个外气体孔4周期性规则环绕在光纤芯的周围，有效地控制着偏振光模场中心落在光纤芯轴上，因此，本发明不但具有光子晶体偏振保持光纤的所有优点，而且消光比更高、拍长更短、制作工艺技术简单，适用于批量商业化生产。

本发明的长方形光纤芯可以有多种结构，在本实施例中所述的长方形光纤芯6为单层结构，即单芯结构。单芯结构呈现了无比优越的温度性能和抗宇宙射线辐射性能。

所述的长方形的光纤芯上、下两条平行长边远远大于两则与固体包层2相连的短边，平直狭长的矩形光纤芯迫使注入光的两个基模HE^x ₁₁和HE^y ₁₁的传播常数β_x和β_y相差甚多，β_x＞＞β_y，阻止了模式间的交叉耦合，从而保持被传输光的偏振状态。长方形光纤芯上、下二个长边是及平直又光滑、轴向无限长的完美镜面，与气体包层接合形成了优异的平面反射，保持了传输的偏振光的电矢量相对于传播方向以固定的方式振动。长方形光纤芯左右两侧短边直接与固体外包层2相连，且要求长方形光纤芯6与固体外包层选用的材料相同，均为超高纯熔融石英玻璃，它们之间没有明显的界限，因此从长方形光纤芯进入到固体包层2的绝大多数光线再没有机会返回矩形的芯中，最终被高折射率的保护涂层吸收，丧失了与横模交叉耦合和向前传播的机会。在本实施例中第一内气体孔3和第二内气体孔5中含有的高纯气体的折射率与空气相同。本实施例中第一内气体孔3和第二内气体孔5内可以是超高纯氩气Ar或超高纯氮气N₂，折射率约是1，光纤芯的材料采用的是羟基(HO^–)含量几乎为零的超高纯熔融石英玻璃，折射率约是1.457，超大的数值孔径迫使注入光纤芯中的光线在两个完美平行的平面光学介面上反复产生全反射，沿光纤轴向前传播。所有进入光纤芯的光线经过数次完美的平面反射后其电矢量相对于光的传播的方向都以一相同的固定的方式振动，保持着偏振特性。

除注入光纤的偏振光之外，即使某些杂散光闯入长方形的光纤芯，经过数次完美的平面反射后绝大多数闯入的杂散光其电矢量相对于沿光纤轴传播的方向都会与相同的固定方式振动，也变成了偏振光，如图3所示。

本发明有效地将光场中心控制在光纤芯轴心，阻止光场向外扩展，与光子晶体光纤(PCF^s)原理基本相同，然而本发明主要依靠长方形狭窄的光纤芯阻止模式间相互耦合及完美的平面几何折射和全反射保持注入光的偏振态，与光子晶体光纤相比，传输性能、温度性能和抗射线辐射性能几乎相同，但偏振保持性能更加优异。

本发明的的主要技术参数和性能：

A.传输波长范围：168nm～3500nm

B.工作环境温度：-60℃～+360℃

C.几何参数：

1.外径：60μm～600μm

2.外径不圆度：＜2％

3.预涂层厚度：20μm±5μm～200μm±10μm

4.芯厚度：2μm～50μm

5.芯有效横截面积：20μm²～2000μm²

D.光学性能：(室温)

1.光纤衰耗：1310nm 0.31dB/km；1550nm 0.13dB/km

2.消光比：1550nm 48dB±2dB

3.拍长：1550nm 0.4066

E.机械性能:(室温)

1.筛选张力9N

2.伸长率＞1％

3.抗拉强度≥100KPSI

实施例2

如附图4、图5和图6中所示。

长方形光纤芯几何尺寸与光纤的传输性能及偏振保持性能直接相关，在设定范围内减小与固体包层相连短边的几何尺寸会大幅度提高光纤的偏振保持性能，但是减小两则短边的几何尺寸会大幅度减少芯的横截面积，不但明显降低了光纤传输的饱和功率而且使得光的注入、耦合变得困难，降低耦合效率，为了解决此问题，本发明采用了三层复合结构的光纤芯。

在本实施例中，所述的长方形光纤芯为三层结构的光纤芯，其中间层是低折射率的光纤级的熔融石英玻璃62，在低折射率的光纤级的熔融石英玻璃62的上、下分别设置有无水超高纯熔融石英玻璃薄片61、63。也就是在上、下两片无水超高纯熔融石英玻璃薄片61、63中间融夹一片低折射率的(掺氟或其它元素)光纤级的熔融石英玻璃62。

理论上三层复合结构的长方形光纤芯是由两个相同平行的平面光波导组成，每个波导的横截面都是非常完美的长方几何图形，但与单芯的横截面图相比，两侧短边几何尺寸更小，光纤偏振保持性能更好；芯横截面总面积是由二个波导的横截面相加，具有三层结构光纤芯的本发明在优异的偏振保持性能基础上又大幅度提高了传输饱和功率。

本实施例的其他部分与实施例1相同。

实施例3

如附图7和图8中所示：

在本实施例中，本发明的长方形光纤芯采用了多层结构的光纤芯，即所述的多层结构的光纤芯是在低折射率的光纤级的熔融石英玻璃62的上、下表面分别设置无水超高纯熔融石英玻璃薄片61、63，在所述的无水超高纯熔融石英玻璃薄片61外还叠加有低折射率的光纤级的熔融石英玻璃62和无水超高纯熔融石英玻璃薄片65。

光纤芯的多层复合结构是由多个无水超高纯熔融石英玻璃薄片融夹非常薄的掺杂的低折射率石英玻璃层组成的。多个不同折射率的超透光的石英玻璃薄片组合成了完美的偏振晶体结构，因此气体包层偏振保持光纤的多层复合芯结构具有十分优异的偏振保持性能；高传输饱和功率和高的耦合效率。

本实施例的其他部分与实施例1相同。

Claims (8)

1.一种气体包层偏振保持光纤，其特征在于它包括长方形光纤芯(6)，包裹在长方形光纤芯(6)外的固体包层(2)和包裹在固体包层(2)外的外保护涂层(1)，在所述的固体包层(2)靠近长方形光纤芯(6)的上、下表面处设置有第一内气体孔(3)和第二内气体孔(5)，构成上下结构的内气体包层；在所述的固体包层(2)中还设置环绕长方形光纤芯和外气体包层的六个以周期性循环规则设置的外气体孔(4)，构成外气体包层。

2.如权利要求书1中所述的气体包层偏振保持光纤，其特征在于所述的外气体孔(4)是横截面为圆角梯形的气孔。

3.如权利要求书1中所述的气体包层偏振保持光纤，其特征在于所述的长方形光纤芯(6)为单层结构。

4.如权利要求书3中所述的气体包层偏振保持光纤，其特征在于所述的长方形光纤芯(6)是单层无水的超高纯熔融石英玻璃。

5.如权利要求书1中所述的气体包层偏振保持光纤，其特征在于所述的长方形光纤芯(6)为三层结构的光纤芯。

6.如权利要求书5中所述的气体包层偏振保持光纤，其特征在于所述的长方形光纤芯为三层结构的光纤芯，其中间层是低折射率的光纤级的熔融石英玻璃(62)，在低折射率的光纤级的熔融石英玻璃(62)的上、下分别是两片无水超高纯熔融石英玻璃薄片(61、63)。

7.如权利要求书1中所述的气体包层偏振保持光纤，其特征在于所述的长方形光纤芯为多层结构的光纤芯。

8.如权利要求书7中所述的气体包层偏振保持光纤，其特征在于所述的多层结构的光纤芯是在低折射率的光纤级的熔融石英玻璃(62)的上、下表面分别设置无水超高纯熔融石英玻璃薄片(61、63)，在所述的无水超高纯熔融石英玻璃薄片(61)外还叠加有低折射率的光纤级的熔融石英玻璃(62)和无水超高纯熔融石英玻璃薄片(65)。