CN106154402A - 一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤 - Google Patents

一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，在现有光子晶体光纤的包层内设置应力缓冲结构实现。光子晶体光纤包层内，设中心排列的至少三层空气孔的区域为中心区域，中心区域之外的区域为外部区域。本发明在外部区域设置应力缓冲结构。所设置的应力缓冲结构为空气孔，且应力缓冲结构分别关于x轴和y轴对称，实现光纤在力学上的各向同性。本发明在一定程度上改善了光子晶体光纤在绕环、应力条件下的误差，在制成陀螺后可以省去磁屏蔽罩的部分，大大减小了陀螺的质量，有利于提高陀螺集成度，拓展了陀螺的应用范围，比目前商用光子晶体光纤方案，可降低光纤陀螺的温度敏感性，在一定尺寸限度内大幅提高了陀螺精度。

Description

一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤
技术领域
本发明属于卫星导航领域，具体地说，是指一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤的包层与传统光纤不同，其内部含有许多按照一定规则排布的空气孔，通过调节光纤中空气孔的数量、大小、间距等结构参数即可获得不同的包层折射率与纤芯折射率，且两折射率的差异可以大范围自由调节，这大大提高了光纤结构设计上的灵活性。可通过改变包层空气孔的形状、大小、排布方式等加以控制，从而设计出同时满足陀螺多种要求，并与其它器件匹配的光纤。如图1所示，PM1550光纤的包层空气孔，至少包括三层，其中有两个大孔，设直径为D，其余小孔的直径为d，相邻空气孔的间距为Λ。孔状结构内部是空气Air。
光子晶体光纤中央区域的空气圆孔排列决定了其折射率、损耗等参数。光纤在制成陀螺的过程中要受到绕环或者温度变化带来的外部应力，这些外部应力包括压力、拉力、剪切力、弯矩等，如图2所示，示例了两种受力情况。由于光纤的材料SiO2的机械强度不高，当光纤受到外部的应力的时候，其中心空气圆孔的排列间隔将发生不规则改变，从而改变了光纤的光学参数。此外，为了破坏光纤的六角对称性，让传输光在两个方向的折射率不同，光纤在设计时通常采取不对称的空气圆孔排列，这使得其某一方向上的机械性能会明显弱于其它方向，这将加剧其受力后的形变。同时光纤材料SiO2是一种弹性体，在力的作用下会发生弹光效应，使得其本身的折射率也发生了变化。
以上这些因素会降低光子晶体光纤的性能，增大光纤陀螺的磁敏感性，从而增大光纤陀螺在宇宙空间中的磁场误差。目前，对于磁敏感性的通用解决方案是对绕环光纤增加磁场屏蔽罩，在某些中小型陀螺中，屏蔽罩的质量要占到陀螺总质量的1/3甚至更多，这极大地限制了光纤陀螺的应用。
发明内容
为了解决以上问题，必须设计一种新结构的光子晶体光纤，使得其中心圆孔排列和双折射效应在受力的情况下具有较好的稳定性，从而能在绕环后保持良好的光学特性，制成低磁敏感性的光纤陀螺。本发明提供了一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤。
本发明的基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，在现有光子晶体光纤的包层内设置应力缓冲结构实现。光子晶体光纤包层内，设中心排列的至少三层空气孔的区域为中心区域，中心区域之外的区域为外部区域。本发明在外部区域设置应力缓冲结构。所述的应力缓冲结构为空气孔，且应力缓冲结构分别关于x轴和y轴对称，实现光纤在力学上的各向同性。
优选地，本发明提供的一种应力缓冲结构的实施例是：所述的应力缓冲结构包括四个半月牙区域，每个半月牙为一段扇环，位于x方向的左右两段扇环关于y轴对称，位于y方向的上下两段扇环关于x轴对称，4段扇环位于一个圆环上，具有相同的宽度和弯曲半径。
本发明的优点与积极效果在于：
(1)本发明设计出一种带应力缓冲区的实芯保偏光子晶体光纤，可以在一定程度上改善光子晶体光纤在绕环、应力条件下的误差。
(2)本发明相比于目前商用光纤方案，在制成陀螺后可以省去磁屏蔽罩的部分，大大减小了陀螺的质量，有利于提高陀螺集成度，拓展了陀螺的应用范围。
(3)本发明设计的带应力缓冲区的实芯保偏光子晶体光纤，适用于轻小型光纤陀螺，相比于目前商用光子晶体光纤方案可提高光纤陀螺的温度性能，提高光纤双折射的温度稳定性，降低光纤陀螺的温度敏感性，可以在一定尺寸限度内大幅提高陀螺精度。
附图说明
图1是PM1550光纤中包层空气孔的结构示意图；
图2是PM1550光纤受到外部应力的示意图，(a)和(b)为受到不同外力F情况；
图3是本发明基于应力缓冲区的光子晶体光纤的一个实现示例图；
图4是图3中光子晶体光纤与普通光子晶体光纤在受力时变形的等高线示意图；(a)为普通光子晶体光纤的受力变形情况，(b)为图3中光子晶体光纤的受力变形情况；
图5是本发明基于应力缓冲区的光子晶体光纤的三种实现方式示意图；
图6是采用堆积拉制光纤方式制备图3所示光子晶体光纤的示意图；
图7是剪切力和压力/拉力对双折射的影响的数量级示意图；
图8是图3所示光子晶体光纤的制备参数示意图；
图9是y、x两个方向上受到压力后的双折射变化示意图，(a)为y方向，(b)为x方向；
图10是不同半径弯矩下光纤的损耗示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明实现的基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，通过设置应力缓冲结构，在受到外力时缓冲结构会变形来吸收外力，从而保护中心区域。
如图3所示，设光子晶体光纤包层内，中心排列的至少三层空气孔的区域为中心区域，这三层空气孔之外的区域为外部区域。中心区域设置的空气孔是为了实现光纤传输光的光学特性。本发明所要设置的应力缓冲结构必须位于外部区域，从而可改善力学性能，而不影响光的传输特性的区域，或者仅是微乎其微的影响。若在中心区域设置类似结构，则将会影响光学特性，不在本发明的保护范围内。
所设置的应力缓冲结构是空气塌陷区，通过在光纤中移除一部分二氧化硅形成的结构。空气塌陷区是指，在制造过程中没有任何固体的物质填充，光纤制造完成后该位置会自然而然被空气填满。但应力缓冲结构也可以人为地填充各种气体，例如甲烷、乙烯等，但不被固体物质填充。
设置坐标系xoy，o点位于光纤中心，x轴指向水平方向，y轴指向竖直方向。本发明所设置的应力缓冲结构通常是分别关于x轴和y轴对称，且在x、y两个方向上的分布有差异。因为光纤受到的外力是随机的，所以设置应力缓冲结构是对称的，以保证在各种情况下都能保护光纤。又因为中心区域为了形成双折射，设计了一个在x、y方向上差别很大的结构，如图1中，在x方向有两个大孔，所以外部的保护在x、y两个方向上也要形成相反的差别来进行弥补。总而言之，设置的应力缓冲结构的目的就是为实现光纤在力学上的各向同性。
经过仿真模拟，六角形光子晶体光纤的稳定性最弱(在该方向上受力后双折射变化最大)的方向为y轴方向，其次是x方向，然后是垂直于六角形边缘的方向，最强的是45度角方向。本发明实现了一种如图3所示的新型光纤，在原本的中心区域之外，增加了4个半月形的空气塌陷保护结构，在不影响光纤温度传导的情况下大大提升了光纤参数的稳定性。该结构在光纤受力发生形变的时候会产生明显的变形，起到吸收应力的作用，使得中心区域圆孔的排列变化趋于保持不变，进而令双折射变化明显减少，并且使光纤在各方向上的受力特性趋于一致。如图4所示，为图3所示的增加了应力缓冲结构的光子晶体光纤与普通的光子晶体光纤在受力时的变形情况，可见，增加了应力缓冲结构的光子晶体光纤，其中心区域的空气孔形变大大减小。
本发明所设置的应力缓冲结构可根据实际情况，设置为多种形式，可以通过仿真实验来选取最优形状及参数。如图5所示，为三种增加了应力缓冲结构的光子晶体光纤的示例。左边第一种在y方向上，关于x轴对称地左右各设置了两个圆空气孔和一个半月形空气塌陷区。中间第二种在y方向上，关于x轴对称地左右各设置了若干圆空气孔，空气孔呈扇形排列。右边第三种在中心区域的空气孔的基础上，继续在外部区域排列一层或一层以上的圆空气孔，在y方向的比x方向多。因此，只要能满足光纤在力学上的各向同性，在外部区域设置的应力缓冲结构可以是多种形式。
可根据需要，采用现有任意方法来制作空气塌陷区和空气孔等应力缓冲结构。本发明实施例采用堆积-拉伸(stack and draw)法进行图3所示的光子晶体光纤制作。如图5所示，先将芯区玻璃毛细管堆积，用芯区套管固定，再根据仿真优选的参数来制备具有应力缓冲区的套管，空气塌陷区可通过在套管上拆割、腐蚀等方式来实现，将应力缓冲区套管固定在芯区套管上，最后将外包层套管固定在应力缓冲区套上，实现了具有扇形缓冲区的光子晶体光纤。
考虑到光纤拉制中的玻璃棒堆积过程，本发明在设计光子晶体光纤时所采取的参数通常是离散的，某几个特殊数值的整数倍，以简化光纤拉制的工艺。出于同样的理由，本发明对x轴和y轴上的半月形保护结构选取了相同的厚度d'和弯曲半径r，仅通过调节位于x方向的扇环的圆心角θx和位于y方向的扇环的圆心角θy来达成弥补各向异性的目的。
初步仿真结果表明，光子晶体光纤绕环后在-40～70度的变化温度中的受力范围大约是0～2N，在这一范围内，剪切力对双折射的影响大约在10-9数量级，压力/拉力对双折射的影响大约在10-5数量级，两者相差4个数量级，如图7所示。所以在进行保护结构的参数仿真，本发明主要考虑的是其对压力的吸收作用。通过初步仿真确定保护效果较好的区间，然后在区间内进行进一步仿真寻找最优结构。
如图8所示，为本发明图3所示光子晶体光纤的参数示意图，应力缓冲区有四个半月牙区域，每个半月牙为一段扇环，位于x方向的左右两段扇环关于y轴对称，位于y方向的上下两段扇环关于x轴对称，4段扇环位于一个圆环上，圆环的中心为xoy坐标系的o点坐标。扇环的宽度d'和弯曲半径r都相同，通过仿真，最终确定的最优参数如表1所示。
表1仿真获得的扇环区域的参数
r 30.63um
d' 8.37um
θx 30度
θy 40度
对使用本发明设置了应力缓冲区的光子晶体光纤和未应力缓冲区的设置光子晶体光纤的性能进行仿真，仿真结果如图9和图10所示。由图中可见，在添加应力缓冲保护结构之后，光子晶体光纤在压力下的双折射变化得到了明显的改善，减小至原本的50～60％；剪切力下的双折射变化仅为压力下的0.01％，可以忽略不计；由弯矩造成的损耗也远小于无保护结构的光纤。

Claims (7)

1.一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，其特征在于，在光子晶体光纤包层内设置应力缓冲结构；光子晶体光纤包层内，设中心排列的至少三层空气孔的区域为中心区域，中心区域之外的区域为外部区域；所述的应力缓冲结构设置在外部区域；所述的应力缓冲结构为空气塌陷区，且应力缓冲结构分别关于x轴和y轴对称，实现光纤在力学上的各向同性。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，其特征在于，所述的光子晶体光纤，其包层内中心排列的三层空气孔的区域为中心区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，其特征在于，所述的空气塌陷区，在制造过程中没有任何固体的物质填充。
4.根据权利要求1所述的一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，其特征在于，所述的应力缓冲结构包括四个半月牙区域，每个半月牙为一段扇环，位于x方向的左右两段扇环关于y轴对称，位于y方向的上下两段扇环关于x轴对称，4段扇环位于一个圆环上，具有相同的宽度和弯曲半径。
5.根据权利要求4所述的一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，其特征在于，所述的4段扇环的宽度d'为8.37um，弯曲半径r为30.63um，位于x方向的扇环的圆心角θx为30度，位于y方向的扇环的圆心角θy为40度。
6.根据权利要求1所述的一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，其特征在于，所述的应力缓冲结构包括两个以上的圆空气孔，圆空气孔关于y轴对称设置，空气孔呈扇形排列。
7.根据权利要求1所述的一种基于应力缓冲区的低磁敏感性实芯保偏光子晶体光纤，其特征在于，所述的应力缓冲结构在中心区域的空气孔的基础上，继续在外部区域排列一层或一层以上的圆空气孔，在y方向的数量多于x方向。
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