CN106199821A - 一种基于13芯结构的保偏光子带隙光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，采用改变纤芯椭圆度的方式，改变纤芯的六重对称性，从而得到较大的双折射，达到保偏的目的，但并非采取气压控制强行改变纤芯椭圆度，而是与普通光子带隙光纤采用同样的制作工艺，采用改变光纤预制棒的堆积结构，采取去掉纤芯13芯而不再是传统的7芯或19芯的预制棒制作方式，从而得到13芯光子带隙光纤，最终采用普通光子带隙光纤的拉制工艺，拉制成13芯保偏光子带隙光纤。相对与其他方法而言，无需加入特殊控制，无需添加额外的结构材料，制作方法与普通光子带隙光纤制作基本相同，并且由于纤芯的扩大，一定程度上减小了光子带隙光纤的散射损耗，更易得到较低损耗的保偏光子带隙光纤。

Description

一种基于13芯结构的保偏光子带隙光纤

技术领域

本发明涉及一种基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，属于光纤结构设计技术领域。

背景技术

光子带隙光纤是一种基于光子带隙效应的新型微结构光纤，通过SiO₂和空气孔的周期性排列形成二维光子晶体结构，产生光子带隙效应，从而限制光波在中心空气孔缺陷(纤芯)中传播。这种结构和导光机理上的独特性使得光子带隙光纤具有众多不同于传统光纤的特性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感等。因此，光子带隙光纤是解决光纤传感器适应性问题的理想选择。从光子带隙光纤研制出现至今，对其科学研究逐渐深入，尤其是对其模式、损耗及偏振特性的研究，其偏振特性对光纤传感领域，尤其是对光纤陀螺意义重大。光纤陀螺常工作在复杂的环境条件下，因此需要其具有较强的环境适应性，采用传统熊猫光纤所绕制的光纤环极大程度上影响了光纤陀螺的环境适应性，一定程度上限制了光纤陀螺的发展。

以光纤陀螺为例，在长单模光纤中，光波无法保持线偏振态传输，导致光纤陀螺的零位漂移和信号衰落，采用保偏光纤作为陀螺敏感环，由弯曲、扭转以及结构非均匀性引起的偏振扰动被内部高双折射所淹没，从而减小由于偏振引起的光纤陀螺零位漂移和信号衰落，可见保偏光子带隙光纤的研制对光纤传感、尤其是光纤陀螺领域意义重大。目前商用的光子带隙光纤大部分为非保偏的光子带隙光纤，由于其不具有保偏特性，导致其无法直接应用于光纤陀螺及其他光纤传感领域，由于非保偏光子带隙光纤制造已经较难，因此现有的保偏光子带隙光纤制造更为复杂，极大的限制光子带隙光纤的商业化及其推广。

保偏光子带隙光纤目前有两种拉制方法，其中一种方式为改变纤芯缺陷区域的壁厚，这种方法增加了预制棒的制作的难度，并且增加了光线拉制过程中参数控制的难度了，而且纤芯壁厚不均匀的增加会使光子带隙光纤的损耗及特性恶化；另一种通过光纤拉制过程中的气压控制从而改变纤芯椭圆度，但这种方案需要更为精细的气压控制，并且由于强行的改变纤芯，使得包层结构收到挤压，对包层结构存在较大的破坏，尤其是对传输有较大影响的第一层结构改变非常明显。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了在不增加光纤制作难度、不大幅度改变光纤结构的前提下实现光子带隙光纤的保偏特性的光子带隙光纤结构。

本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，包括石英毛细管、石英毛细棒与石英套管。其中，石英毛细管采用六边形堆积形式进行堆积，形成具有中空区域的带隙光纤堆积结构。所述中空区域为剔除中心13根毛细管形成，所剔除的13根毛细管包括第一层毛细管、第二层毛细管与第三层毛细管。第一层毛细管为堆积结构中心处的一根毛细管。第二层毛细管为第一层外围相邻六根毛细管。第三层毛细管为由第一层毛细管和第二层毛细管所围成的六边形毛细管堆积结构中，与三排相互平行的毛细管中两端毛细管相邻的，且位于同排的毛细管，共六根。

上述带隙光纤堆积结构固定安装在石英毛细棒内，并将石英毛细棒轴向固定于石英套管内，形成带隙光纤预制棒。通过堆积-拉制法对上述结构带隙光纤预制棒进行拉制，形成包层晶格周期为3.9μm，空气孔直径为3.8μm的13芯保偏光子带隙光纤。

本发明的优点在于：

(1)本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，不需要添加额外的结构或材料，降低了预制棒制作的复杂程度；

(2)本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，只需使用常用的光子带隙光纤拉制方法，降低了拉制参数控制需求；

(3)本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤中，纤芯得以放大，一定程度上减小散射损耗，提高传输效率。

附图说明

图1是本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤结构示意图；

图2是本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤结构中所剔除的13根毛细管；

图3是本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤损耗特性及谱宽；

图4是本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤双折射随波长变化曲线；

图5是本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤拍随波长变化曲线。

图中：

1-石英毛细管 2-石英毛细棒 3-石英套管 4-空心结构

5-第一层毛细管、 6-第二层毛细管 7-第三层毛细管

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，包括石英毛细管1、石英毛细棒2与石英套管3，如图1所示。

其中，石英毛细管1采用六边形堆积形式进行堆积，形成具有中空区域4的带隙光纤堆积结构。所述中空区域4为剔除中心13根毛细管形成。

上述所剔除的13根毛细管为堆积结构中心的13根毛细管，包括第一层毛细管5、第二层毛细管6与第三层毛细管7。如图2所示，图中网状标记毛细管为第一层毛细管5，即为堆积结构中心处的一根毛细管。图中白色标记毛细管为第二层毛细管6，即为第一层外围相邻六根毛细管。图中黑色标记毛细管为第三层毛细管7，即为由第一层毛细管5和第二层毛细管6所围成的六边形毛细管堆积结构中，与三排相互平行的毛细管中两端毛细管相邻的，且位于同排的毛细管，共六根。

上述带隙光纤堆积结构固定安装在石英毛细棒2内，并将石英毛细棒2轴向固定于石英套管3内，形成带隙光纤预制棒。通过堆积-拉制法对上述结构带隙光纤预制棒进行拉制，形成包层晶格周期为3.9μm，空气孔直径为3.8μm的13芯保偏光子带隙光纤。

针对上述13芯结构的保偏光子带隙光纤的制作方法，具体步骤如下：

步骤1：利用堆积夹具将石英毛细管1采用六边形堆积形式进行堆积，形成中部缺失13根毛细管的具有中空区域4的堆积结构；

步骤2：将石英毛细管1的堆积结构固定安装于石英毛细棒2内，并将石英毛细棒2固定于石英套管3内，形成带隙光纤预制棒；

步骤3：将带隙光纤预制棒通过堆积-拉制法进行拉制，使中空区域形成纤芯区域，全部石英毛细管1形成空气孔包层，而石英毛细棒2、石英套管3以及所加外套共同形成石英包层；且使包层晶格周期为3.9μm，空气孔直径为3.8μm；

步骤4：在石英包层外壁上涂覆保护用涂覆层。

针对本发明基于13芯结构的保偏光子带隙光纤进行建模分析，通过有限元法仿真计算光纤特性。

通过改变13芯保偏光子带隙光纤传输光波长的方式，计算得到其损耗特性及工作谱宽。

如图3可知，其在工作波长λ＝1550nm时，对光波限制较好，主要集中在纤芯空气孔中传输，此13芯保偏光子带隙光纤在工作波长λ＝1520～1570nm时，光纤的限制损耗接近甚至远小于0.2dB/km，考虑到光纤拉制参数的不稳定性，光纤的工作带宽约为300nm，足以满足光纤陀螺及其他光纤传感的应用需求。

通过改变13芯保偏光子带隙光纤工作波长的方式，计算得到不同波长下光纤的双折射特性，如图4所示，可见13芯保偏光子带隙光纤在工作波长1510～1560nm时，双折射与工作波长呈线性变化，在工作波长1550nm处，模式折射率差值约为2.5×10-4，与传统熊猫光纤相近，根据计算结果，得到光纤拍长随波长的变化曲线，如图5所示，可见在工作波段，光纤拍长在4～8mm之间，一般高双折射光纤拍长为1～10mm，可见13芯保偏光子带隙光纤属于高双折射光子带隙光纤。

本发明一种基于13芯结构的保偏光子带隙光纤是基于几何形状改变产生形状双折射效应，从而产生保偏效果，即采用13芯结构实现了高双折射的光子带隙光纤。

Claims (3)

1.一种基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，包括石英毛细管、石英毛细棒与石英套管；其特征在于：石英毛细管采用六边形堆积形式进行堆积，形成具有中空区域的带隙光纤堆积结构；所述中空区域为剔除中心13根毛细管形成，所剔除的13根毛细管包括第一层毛细管、第二层毛细管与第三层毛细管；第一层毛细管为堆积结构中心处的一根毛细管；第二层毛细管为第一层外围相邻六根毛细管；第三层毛细管为由第一层毛细管和第二层毛细管所围成的六边形毛细管堆积结构中，与三排相互平行的毛细管中两端毛细管相邻的，且位于同排的毛细管，共六根。

2.如权利要求1所述一种基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，其特征在于：带隙光纤堆积结构固定安装在石英毛细棒内，并将石英毛细棒轴向固定于石英套管内，形成带隙光纤预制棒；通过堆积-拉制法对上述结构带隙光纤预制棒进行拉制，得到13保偏光子带隙光纤。

3.如权利要求1所述一种基于13芯结构的保偏光子带隙光纤，其特征在于：所述13保偏光子带隙光纤，包层晶格周期为3.9μm，空气孔直径为3.8μm。