CN105403952B - 一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，涉及光子晶体光纤领域，包括中心纤芯，中心纤芯的外部由内到外依次设有空气孔层、石英包层和涂覆层；中心纤芯包括纯硅纤芯和包覆于纯硅纤芯外部的深掺氟下凹内包层；空气孔层由内至外包括由空气孔组成的四层环圈，第1层环圈由2个大空气孔和多个小空气孔组成，第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈均由多个小空气孔组成，四层环圈的空气孔均呈正六边形排列，所有空气孔之间通过石英连接壁连接。本发明在实现双折射的同时，具备良好的低损耗和抗辐照性能，能够满足例如航天航空等特殊环境应用场合下的使用需求。

Description

一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤领域，具体来讲是一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤。

背景技术

在通信、传感等领域高双折射光纤有着广泛的应用。以保偏光纤为核心元件的光纤传感技术，特别是光纤陀螺技术和光纤水听技术受到更多的重视。保偏光纤具有优良的双折射效应，使在其内部传输的基模的两个正交组成模式HEx11与HEy11的传播常数差别增大，减小了这两个正交模式的耦合几率，从而在传输线偏振光时能良好地保持其偏振态。随着光通信系统和光纤传感等领域从幅度调制向相位或偏振态调制的深入发展，光纤技术取得了长足的进展。保偏光纤所具有的线偏振保持能力，使得保偏光纤在许多与偏振相关的应用领域具有使用价值。

但是，由于常规保偏光纤需要采用芯层掺锗，应力区掺硼的结构设计，因此其对外界的环境干扰比较敏感。当前以常规保偏光纤为核心元件的光纤陀螺器件最关心的问题之一就包括其温度特性。因为当保偏光纤的温度由高到低或由低到高发生变化时，由于其内部的各个区域的材料的应力特性不一样，因此在温度变化时，各个区域间将因此产生应力起伏，造成不同区域的光信号传输的特性不同。虽然人们相继发明四极、八极等对称绕法，但仍无法完全避免该问题。另外，由于常规保偏光纤为了保证在芯层形成全反射，需要在芯层掺入一定量的锗，这也导致其在辐照环境下会发生衰减劣化，给光信号的传输带来影响。

为了解决上述问题，目前新兴的技术是光子晶体光纤(Photonic CrystalFibers，PCF)。光子晶体光纤具备许多独特而新颖的物理特性，这些特性是常规石英单模光纤(保偏光纤)很难或无法实现的。利用光子晶体光纤的灵活特性，可以通过在包层排布空气孔，实现芯层单模传输，同时利用特殊的空气孔排布结构，可以实现光信号在芯层传输时因排布结构的几何双折射从而带来良好的双折射效应。相比常规保偏光纤采用应力区或非圆纤芯的方法，光子晶体光纤由于结构的灵活性，可以采用多种不同的方法获得具有不同模场面积、双折射大小和色散等特性的光纤。这些潜在的优势，从传输特性、结构、性能价格比、工作波段扩展等诸多方面为保偏光纤产品更新换代奠定了基础。

但是，现有的光子晶体光纤还局限在对常规保偏光纤性能的简单代替上，即通过空气孔的排布实现良好的双折射效应以替代常规保偏光纤的双折射效应。而对于光纤损耗的降低，抗辐照性能的提升都还存在一定的限制，使现有的光子晶体光纤无法满足例如航天航空等特殊环境应用场合下的使用需求，因此，也迟迟未能有适合于更高精度光纤陀螺研制的双折射光子晶体光纤的实用化研究成果。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，在实现双折射的同时，具备良好的低损耗和抗辐照性能，能够满足例如航天航空等特殊环境应用场合下的使用需求。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，包括中心纤芯，中心纤芯的外部由内到外依次包覆有空气孔层和石英包层，石英包层的外部涂覆有涂覆层，其中，所述中心纤芯包括纯硅纤芯和包覆于纯硅纤芯外部的深掺氟下凹内包层；所述空气孔层由内至外包括由空气孔组成的四层环圈：第1层环圈、第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈，所述空气孔分为大空气孔和小空气孔，第1层环圈由2个大空气孔和多个小空气孔组成，第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈均由多个小空气孔组成，四层环圈的空气孔均呈正六边形排列，所有空气孔之间通过石英连接壁连接；所述双折射光子晶体光纤的工作波长为1550nm时，其衰减达到1dB/km以下，串音达到-25dB/km；在100krad总辐照剂量下，1550nm感生损耗增加值小于2dB/km。

在上述技术方案的基础上，所述第1层环圈包括2个大空气孔和4个小空气孔，2个大空气孔以中心纤芯为中心对称分布；第2层环圈由12个小空气孔组成；第3层环圈、第4层环圈均由18个小空气孔组成，且第4层环圈所排列成的正六边形的六角处留有空隙。

在上述技术方案的基础上，所述小空气孔的半径为1.2um～3.0um；所述大空气孔的半径为2.4um～4.8um。

在上述技术方案的基础上，所述纯硅纤芯与深掺氟下凹内包层之间的相对折射率差为-0.50％～-0.05％；所述石英连接壁的折射率与纯硅纤芯的折射率相等。

在上述技术方案的基础上，所述纯硅纤芯的半径为2.0um～4.0um；所述深掺氟下凹内包层的半径为2.5um～5.0um；所述石英连接壁的半径为2.5um～5.0um。

在上述技术方案的基础上，所述石英包层的直径为80um～135um；所述涂覆层的直径为135um～250um。

在上述技术方案的基础上，所述大空气孔、小空气孔采用分区独立气压控制，经高温熔融成型而成；大空气孔的控制气压大于小空气孔的控制气压。

在上述技术方案的基础上，所述大空气孔的控制气压与小空气孔的控制气压的比值为1.0～1.3。

在上述技术方案的基础上，所述涂覆层为单层的涂层，其采用聚酰亚胺材料，并经热固化处理而成。

在上述技术方案的基础上，所述涂覆层为双层的涂层，其内涂层的杨氏模量为0.2MPa～10MPa，其外涂层的杨氏模量为450MPa～2000MPa，且内涂层、外涂层均经热固化或紫外线固化处理而成。

本发明的有益效果在于：

1、本发明对传统的光子晶体光纤的空气孔层进行了优化排列设计，形成了由空气孔组成的四层环圈结构，其中，第1层环圈由2个大空气孔和多个小空气孔组成，第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈均由多个小空气孔组成，四层环圈的空气孔均呈正六边形排列，能在实现双折射的同时，有效将光约束在纤芯区域，实现低损耗的光信号传输，进而使得本发明的光子晶体光纤在1550nm时的衰减控制在1dB/km(分贝/千米)以内，串音可达到－25dB～－30dB/km，拍长可达到0.5～4.5mm。

在此基础上，本发明的纤芯采用纯硅纤芯，其外包覆有深掺氟下凹内包层。与现有技术相比，纯硅纤芯避免了“色心”材料的引入，可有效实现抗辐照特性，且设计的深掺氟下凹内包层不但可以阻挡部分外界污染的浸入，还进一步保证了光纤的抗辐照性能，使得本发明的光子晶体光纤在100krad总辐照剂量下，1550nm感生损耗增加值小于2dB/km。

综上所述，本发明通过空气孔的优化设计、纯硅纤芯及深掺氟下凹内包层的设计，使得光子晶体光纤在实现双折射的同时，具备良好的低损耗和抗辐照性能，能够满足例如航天航空等特殊环境应用场合下的使用需求。

2、本发明中，纯硅纤芯的半径为2.0um～4.0um，深掺氟下凹内包层的半径为2.5um～5.0um，石英连接壁的半径为2.5um～5.0um，在结合优化的空气孔结构设计下，光子晶体光纤可以在极小弯曲半径下良好工作，当弯曲半径达2mm时，光纤在1550nm的串音仍可达到-25dB/km以下，附加衰减小于0.5dB，从而可绕制更小尺度的光纤环。

3、本发明中，石英包层的外部涂覆有单层或双层的涂覆层。若为单层的涂覆层时，该涂覆层采用聚酰亚胺材料，并经热固化处理；若为双层的涂覆层时，内涂层涂覆杨氏模量为0.2MPa～10MPa的材料，外涂层涂覆杨氏模量为450MPa～2000MPa的材料，且内涂层、外涂层均经热固化或紫外线固化处理而成。特殊的涂层组分设计，可使制得的双折射光子晶体光纤具有优良的全温性能，在-45℃～85℃范围内，1550nm全温串音变化量小于0.5dB，可以在太空、核辐照等恶劣环境下良好工作。

4、本发明中，石英包层的直径为80um～135um，涂覆层的直径为135um～250um，可根据不同的应用需求形成不同直径的双折射光子晶体光纤，适用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例中低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤的结构示意图；

图2为本发明实施例中低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤端面的结构示意图；

图3为本发明实施例中中心纤芯及第1层环圈的结构示意图；

图4为本发明实施例中纯硅纤芯的波导结构示意图。

附图标记：1－中心纤芯，11－纯硅纤芯，12－深掺氟下凹内包层；2－空气孔层，21－大空气孔，22－小空气孔；3－石英包层；4－涂覆层。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，包括中心纤芯1，中心纤芯1的外部由内到外依次包覆有空气孔层2和石英包层3，石英包层3的外部涂覆有单层或双层的涂覆层4。其中，中心纤芯1、空气孔层2和石英包层3组成光纤的石英部分。

参见图2和图3所示，中心纤芯1包括纯硅纤芯11和包覆于纯硅纤芯11外部的深掺氟下凹内包层12，该深掺氟下凹内包层12可以阻挡部分外界污染的浸入，具有一定的抗辐照性能，还可以为光子晶体光纤的低损耗传输提供更好的设计基础。空气孔层2由内至外包括由空气孔组成的四层环圈：第1层环圈、第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈，所述空气孔分为大空气孔21和小空气孔22，大空气孔21的半径大于小空气孔22的半径，第1层环圈由2个大空气孔21和多个小空气孔22组成，第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈均由多个小空气孔22组成，四层环圈的空气孔均呈正六边形排列，且所有空气孔之间通过石英连接壁连接。

具体来说，第1层环圈紧挨中心纤芯1设置，包括2个大空气孔21和4个小空气孔22，2个大空气孔21以中心纤芯1为中心对称分布；第2层环圈由12个小空气孔22组成；第3层环圈、第4层环圈均由18个小空气孔22组成，且第4层环圈所排列成的正六边形的六角处留有空隙。四层环圈的空气孔总数为54个，其中，大空气孔21数量为2个，小空气孔22数量为52个。本实施例中，小空气孔22的半径r_小为1.2um～3.0um；大空气孔21的半径r_大为2.4um～4.8um。

参见图3和图4所示，设纯硅纤芯11的折射率为n_纤(由于为纯硅芯，则其对应纯硅芯石英折射率值)，半径为r_纤；设深掺氟下凹内包层12的折射率为n_包，半径为r_包；设石英连接壁的折射率为n_壁，半径为r_壁。

双折射光子晶体光纤的相对折射率差的计算公式为：Δ＝(n1-n2)/(n1+n2)*100％，其中Δ为相对折射率差。当计算纯硅纤芯11与深掺氟下凹内包层12之间的相对折射率差△n_包纤时，上述公式中n2取值为纯硅纤芯11的折射率n_纤，n1的取值为深掺氟下凹内包层12折射率n_包。

在此基础上，参见图4所示，纯硅纤芯11的波导结构为折射率引导型波导结构，纯硅纤芯11与深掺氟下凹内包层12之间的相对折射率差△n_包纤为-0.50％～-0.05％，石英连接壁的折射率n_壁与纯硅纤芯11的折射率n_纤相等，使得光子晶体光纤可实现1550nm附近的优良的双折射效应。同时，纯硅纤芯11的半径r_纤为2.0um～4.0um，深掺氟下凹内包层12的半径r_包为2.5um～5.0um，石英连接壁的半径r_壁为2.5um～5.0um，在结合优化的空气孔结构设计下，光子晶体光纤可以在极小弯曲半径下良好工作，当弯曲半径达2mm时，光纤在1550nm的串音仍可达到-25dB/km以下，附加衰减小于0.5dB，从而可以绕制更小尺度的光纤环。

本发明实施例中，石英包层3的直径为80um～135um，涂覆层4的直径为135um～250um，可根据不同的应用需求形成不同直径的双折射光子晶体光纤。

进一步地，所述大空气孔21、小空气孔22采用分区独立气压控制，经高温熔融成型而成。其中，大空气孔21的控制气压P1大于小空气孔22的控制气压P2，从而使光纤成型过程中由大空气孔21形成的中心孔的膨胀比例大于由小空气孔22组成的外层环圈的膨胀比例。具体来说，大空气孔21的控制气压P1与小空气孔22的控制气压P2的比值为1.0～1.3。

实际生产中，当石英包层3的外部涂覆有单层的涂覆层4时，该涂覆层4采用聚酰亚胺材料，并经热固化处理，可使制得的光子晶体光纤的工作温度达到350度以上。当石英包层3的外部涂覆有双层的涂覆层4时，涂覆层4的内涂层的杨氏模量为0.2MPa～10MPa，涂覆层4的外涂层的杨氏模量为450MPa～2000MPa，且内涂层、外涂层均经热固化或紫外线固化处理而成，可使制得的光子晶体光纤具有优良的全温性能，在-45℃～85℃范围内，1550nm全温串音变化量小于0.5dB。

本发明实施例中的双折射光子晶体光纤的工作波长为1550nm时，其衰减达到1dB/km以下，串音达到-25dB/km，具有优良的低损耗性能；在100krad总辐照剂量下，1550nm感生损耗增加值小于2dB/km，具有优良的抗辐照性能。

本发明中的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤的设计原理如下：

双折射光子晶体光纤采用折射率引导型的波导结构设计，其与常规保偏光纤的导光机理一致，均为全反射原理。这要求纤芯的折射率高于包层的折射率。常规保偏光纤的折射率引导型实现方式为纤芯采用掺锗来抬高其折射率，包层为纯石英，从而实现纤芯的折射率高于包层的折射率。对于本发明的光子晶体光纤而言，其包层中分布有数圈空气孔，这些空气孔将会降低其所在区域的整体折射率，从而使包层的有效折射率得以降低，这样纤芯不掺锗也可以实现纤芯的折射率大于包层的折射率，从而实现全反射来传输光信号。这样就可以为耐辐照光子晶体光纤的设计提供基础。

对于光纤的耐辐照特性而言，主要的抗辐照实现方式是在导光的纤芯避免引入会造成“色心”缺陷的材料，如锗、铝等金属离子。而由于光子晶体光纤是通过包层引入空气孔的方式来大幅降低包层的有效折射率，因此，这为结合抗辐照光纤和光子晶体光纤的特性创造了条件。为此，本发明的光子晶体光纤的纤芯采用纯硅纤芯11，包层为空气孔环圈排列方式，这既可以实现全反射导光，还可以有效实现抗辐照特性(因为避免了“色心”材料的引入)。当然，在实际设计中，还需要考虑形成空气孔的毛细管排布时可能给纤芯带来的污染传递，此时需要在纤芯和空气孔之间设计特殊的阻碍层，即本发明中的深掺氟下凹内包层12，这层材料既可以阻挡部分外界污染的浸入，又使得光纤具有一定的抗辐照性能，还可以为光子晶体光纤的低损耗传输提供更好的设计基础。

本发明中，双折射光子晶体光纤的纯硅纤芯11的周围对称引入有2个与其他空气孔尺寸不一致的空气孔(即大空气孔21)。这2个空气孔的尺寸比其他空气孔的尺寸要大，从而在其所处的区域充分压低包层有效折射率，使这2个空气孔连线方向的纤芯传输的模场被压缩，从而使在纤芯传输模场为椭圆模场，进而实现双折射。在此基础上，由于大空气孔21的尺寸与周围小空气孔22的尺寸比例不同时，会带来不同的双折射效应，传光特性也会有不同，再结合纤芯周围的空气孔环圈的数量，则会有更优的双折射光子晶体光纤的设计。

基于上述原理，本发明对空气孔的排列、环圈数量等进行了优化设计，形成了由空气孔组成的四层环圈，四层环圈的空气孔均呈正六边形排列，能有效实现低损耗特性，再结合前述的深掺氟下凹内包层12设计，进而实现一种具备良好的低损耗和抗辐照性能的双折射光子晶体光纤，满足了例如航天航空等特殊环境应用场合下的使用需求。

下面通过2个实施例具体说明本发明的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤。

实施例1：采用双层的涂覆层4，经紫外线固化处理的5种双折射光子晶体光纤：光纤1、光纤2、光纤3、光纤4和光纤5，光纤1、光纤2、光纤3、光纤4和光纤5的具体参数见表1。

表1、双层涂覆层经紫外线固化的5种光纤的参数表

参见表1所示，当涂覆层4为双层时，进行了5种光纤的实施。从实施例可以看到：在工作波长为1550nm时，其衰减控制在1dB/km以下，最优值可达到0.5dB/km，其串音可达到-25dB/km～-30dB/km，拍长可达到0.5mm～4.5mm，具有优良的低损耗性能；当弯曲半径为2mm时，光纤在1550nm的串音仍可达到-25dB/km，附加衰减仍小于0.5dB，具有优越的抗弯性能；在100krad总辐照剂量下，1550nm感生损耗增加值小于2dB/km，具有优良的抗辐照性能；在-45℃～85℃范围内，1550nm全温串音变化量小于0.5dB，具有优良的全温性能。

实施例2：采用单层的涂覆层4，经热固化处理的5种双折射光子晶体光纤：光纤6、光纤7、光纤8、光纤9和光纤10，光纤6、光纤7、光纤8、光纤9和光纤10的具体参数见表2。

表2、单层涂覆层经热固化的5种光纤的参数表

参见表2所示，当涂覆层4为单层时，同样进行了5种光纤的实施。从实施例可以看到：在工作波长为1550nm时，其衰减依然可控制在1dB/km以下，最优值可达到0.8dB/km，其串音可达到-25dB/km～-30dB/km，拍长可达到0.5mm～4.5mm，同样具有优良的低损耗性能；当弯曲半径为2mm时，光纤在1550nm的串音仍可达到-25dB/km，附加衰减仍小于0.5dB，同样具有优越的抗弯性能；在100krad总辐照剂量下，1550nm感生损耗增加值小于2dB/km，同样具有优良的抗辐照性能；在-45℃～85℃范围内，1550nm全温串音变化量小于0.5dB，同样具有优良的全温性能。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，包括中心纤芯(1)，中心纤芯(1)的外部由内到外依次包覆有空气孔层(2)和石英包层(3)，石英包层(3)的外部涂覆有涂覆层(4)，其特征在于：所述中心纤芯(1)包括纯硅纤芯(11)和包覆于纯硅纤芯(11)外部的深掺氟下凹内包层(12)；

所述空气孔层(2)由内至外包括由空气孔组成的四层环圈：第1层环圈、第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈，所述空气孔分为大空气孔(21)和小空气孔(22)，第1层环圈由2个大空气孔(21)和多个小空气孔(22)组成，第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈均由多个小空气孔(22)组成，四层环圈的空气孔均呈正六边形排列，所有空气孔之间通过石英连接壁连接；

所述双折射光子晶体光纤的工作波长为1550nm时，其衰减达到1dB/km以下，串音达到-25dB/km；在100krad总辐照剂量下，1550nm感生损耗增加值小于2dB/km。

2.如权利要求1所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述第1层环圈包括2个大空气孔(21)和4个小空气孔(22)，2个大空气孔(21)以中心纤芯(1)为中心对称分布；第2层环圈由12个小空气孔(22)组成；第3层环圈、第4层环圈均由18个小空气孔(22)组成，且第4层环圈所排列成的正六边形的六角处留有空隙。

3.如权利要求1所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述小空气孔(22)的半径为1.2um～3.0um；所述大空气孔(21)的半径为2.4um～4.8um。

4.如权利要求1所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述纯硅纤芯(11)与深掺氟下凹内包层(12)之间的相对折射率差为-0.50％～-0.05％；所述石英连接壁的折射率与纯硅纤芯(11)的折射率相等。

5.如权利要求1所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述纯硅纤芯(11)的半径为2.0um～4.0um；所述深掺氟下凹内包层(12)的半径为2.5um～5.0um；所述石英连接壁的半径为2.5um～5.0um。

6.如权利要求1所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述石英包层(3)的直径为80um～135um；所述涂覆层(4)的直径为135um～250um。

7.如权利要求1所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述大空气孔(21)、小空气孔(22)采用分区独立气压控制，经高温熔融成型而成；大空气孔(21)的控制气压大于小空气孔(22)的控制气压。

8.如权利要求7所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述大空气孔(21)的控制气压与小空气孔(22)的控制气压的比值为1.0～1.3。

9.如权利要求1至8中任一项所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述涂覆层(4)为单层的涂层，其采用聚酰亚胺材料，并经热固化处理而成。

10.如权利要求1至8中任一项所述的低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述涂覆层(4)为双层的涂层，其内涂层的杨氏模量为0.2MPa～10MPa，其外涂层的杨氏模量为450MPa～2000MPa，且内涂层、外涂层均经热固化或紫外线固化处理而成。