CN106597602A - 一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤及其制作方法，该光纤包括包层、纤芯、包层与纤芯之间的空气层，纤芯的横截面为椭圆形，包层与纤芯材质相同，纤芯通过与其相同材质的玻璃片悬挂在包层中，玻璃片的两端固定在包层的内径上，纤芯固定在玻璃片上，纤芯横截面椭圆形的长轴与玻璃片是同一方向。本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，其保偏振态的能力是通过椭圆形微结构悬挂芯的形式实现，制造成本较低，适合批量生产。同时使用单一材料的微结构椭圆芯光纤来实现光的保偏性能，此光纤无应力区，这样应力区型光纤的多种材料热膨胀系数差异的问题就得到解决。与多孔微结构光纤相比，此光纤的预制棒不需要通过大量毛细管堆叠来实现，制作过程简便。

Description

一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤及其制作方法

技术领域

本发明属于保偏光纤技术领域，尤其涉及一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤及其制作方法。

背景技术

干涉式光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器，因为没有活动部件，也称为固态陀螺仪。干涉式光纤陀螺的敏感部件是保偏光纤环。通常保偏光纤环采用全实芯的熊猫型和领结型保偏光纤。实芯保偏光纤引入了一对掺高膨胀系数材料的应力区，对称分布在高折射率的纤芯周围。应力区取代了石英材料，因此光纤在高温拉制成型冷却后，纤芯带有应力。这种被引入的应力使得纤芯有两种垂直的折射率而产生双折射。这类实芯保偏光纤中存在三种以上的元素，即石英，硼，锗等，这几种材料热膨胀系数有差异，使用光纤过程中如果周围温度变化，纤芯的应力会随之变化。所以这类光纤设计对温度变化敏感，会造成光纤陀螺在变温度环境中稳定性差。实芯几何双折射保偏光纤使用椭圆芯结构，无应力区，但是也是芯区材料掺锗与包层材料是纯石英，所以热膨胀系数不同，会对陀螺在变化温度过程中使用的稳定性有影响。

实芯保偏光子晶体光纤采用单一材料，通过几何双折射实现保偏性能，其双折射优于实芯应力区型保偏光纤，可以达到10^-4量级。但是光子晶体光纤是通过毛细管排管法，制造工艺较繁琐且用时长。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤及其制作方法，受温度影响较小，制作流程简化，制造成本较低，适合批量生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，包括包层、纤芯、包层与纤芯之间的空气层，纤芯的横截面为椭圆形，包层材质为与纤芯材质相同的导光材料，纤芯通过玻璃片悬挂在包层中，玻璃片材质为与纤芯材质相同的导光材料，玻璃片的两端固定在包层的内径上，纤芯固定在玻璃片上，纤芯横截面椭圆形的长轴与玻璃片是同一方向。

按上述技术方案，纤芯的数量为1，纤芯横截面中心点位置与光纤横截面中心点位置重合。

按上述技术方案，玻璃片厚度d与纤芯的椭圆形横截面的长轴长度m之间的关系为：0<d<m/4，并且玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长。

按上述技术方案，纤芯的椭圆形横截面的长轴尺寸和光纤的传导光波长相同，同时，纤芯的椭圆形横截面的长轴与短轴之间的长度关系为，长轴和短轴的尺寸比例为2：1。(在1310nm波长范围光纤拍长小于2mm，小于熊猫型保偏光纤拍长。长轴和短轴的尺寸比例可以持续增加，能够制造出拍长极端的保偏光纤。)

按上述技术方案，包层、纤芯、玻璃片的材质为石英玻璃或硼酸盐玻璃或铅酸盐玻璃或硫系玻璃或导光塑料。

本发明还提供一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的制作方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在石英套管中，插入一片石英玻璃片，石英玻璃片的长度与石英套管的内径匹配，并固定在石英套管的内径上；步骤二，截面为圆形或正方形的纤芯棒固定在石英玻璃片上，纤芯棒为石英玻璃材质，石英玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长；步骤三，将石英套管、石英玻璃片、纤芯棒组成的预制棒整体放入高温炉内，加热至石英玻璃软化温度，纤芯棒与石英玻璃片软化后熔接在一起，形成纤芯横截面为椭圆形的保偏光纤，光纤拉制过程中，预制棒被加热，纤芯棒因为表面张力作用形成椭圆形。

按上述技术方案，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为1900～1980℃时，纤芯的椭圆形横截面长轴和短轴比例为2:1，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为2000～2100℃时，长轴短轴比例为3:1。光纤拉制在光纤拉丝塔上完成，预制棒垂直进入高温熔炉。在一个大气压环境下石英玻璃的熔点大约1715摄氏度，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为1960摄氏度。当预制棒最下端进入高温炉后，迅速软化，纤芯棒和玻璃片结合，形成椭圆型纤芯，其长轴和短轴比例为2:1。当温度升高至2000摄氏度，长轴短轴比例可达到3:1。温度持续升高可形成长轴短轴尺寸比例更大的椭圆纤芯。

本发明产生的有益效果是：本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，其保偏振态的能力是通过椭圆形微结构悬挂芯的形式实现，应用于干涉式光纤陀螺，气体或液体频谱分析等。此光纤制造成本较低，适合批量生产。本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤使用单一材料的微结构椭圆芯光纤来实现光的保偏性能，此微结构椭圆悬挂芯保偏光纤无应力区，并且只有单一材料，即：石英玻璃，或其它单一导光材料。这样应力区型光纤的多种材料热膨胀系数差异的问题就得到解决。另外，与光子晶体光纤相比，此光纤的预制棒不需要通过大量毛细管堆叠来实现。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的预制棒结构示意图；

图2是本发明实施例微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，包括包层、纤芯、包层与纤芯之间的空气层，纤芯的横截面为椭圆形，包层材质为与纤芯材质相同的导光材料，纤芯通过玻璃片悬挂在包层中，玻璃片材质为与纤芯材质相同的导光材料，玻璃片的两端固定在包层的内径上，纤芯固定在玻璃片上，纤芯横截面椭圆形的长轴与玻璃片是同一方向。

进一步地，纤芯的数量为1，纤芯横截面中心点位置与光纤横截面中心点位置重合。

本发明实施例中，进一步地，玻璃片厚度d与纤芯的椭圆形横截面的长轴长度m之间的关系为：0<d<m/4，并且玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长。

进一步地，纤芯的椭圆形横截面的长轴尺寸和光纤的传导光波长相同，同时，纤芯的椭圆形横截面的长轴与短轴之间的长度关系为，长轴和短轴的尺寸比例为2：1。在1310nm波长范围光纤拍长小于2mm，小于熊猫型保偏光纤拍长。长轴和短轴的尺寸比例可以持续增加，能够制造出拍长极端的保偏光纤。

按上述技术方案，包层、纤芯、玻璃片的材质为石英玻璃或硼酸盐玻璃或铅酸盐玻璃或硫系玻璃或导光塑料。

本发明实施例中，还提供一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的制作方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在石英套管中，插入一片石英玻璃片，石英玻璃片的长度与石英套管的内径匹配，并固定在石英套管的内径上；步骤二，截面为圆形或正方形的纤芯棒固定在石英玻璃片上，纤芯棒为石英玻璃材质，石英玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长；步骤三，将石英套管、石英玻璃片、纤芯棒组成的预制棒整体放入高温炉内，加热至石英玻璃软化温度，纤芯棒与石英玻璃片软化后熔接在一起，形成纤芯横截面为椭圆形的保偏光纤，光纤拉制过程中，预制棒被加热，纤芯棒因为表面张力作用形成椭圆形。

进一步地，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为1900～1980℃时，纤芯的椭圆形横截面长轴和短轴比例为2:1，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为2000～2100℃时，长轴短轴比例为3:1。

传统的光纤的主要材料是纯石英玻璃，因为石英玻璃的损耗低，适用于长距离光的传输。光纤的纤芯是锗为主的材料，拥有比石英玻璃高的折射率，光是在高折射率材料中传导，形成波导。本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤使用单一材料，折射率差是通过把光纤纤芯悬挂在空气中，利用空气的低折射率而形成波导。微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的纤芯是悬挂在光纤正中，周围被空气包围，所以通过合理设计纤芯尺寸，光会在纤芯中传导并有相对低的损耗。纤芯的尺寸是根据传导波长确定，因为保偏光纤主要应用是在光纤陀螺领域，陀螺使用的波长是1310nm、1550nm为主，为确保本微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的单模性质，椭圆形纤芯的长轴尺寸需要和光纤的使用波长匹配。同时，椭圆形纤芯的椭圆长轴、短轴的长度比需要根据要求的保偏光纤拍长决定，如：长边等于短边的2倍。

本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤和传统保偏光纤的性能比较：

(一)光纤损耗，由于传统保偏光纤，如实芯椭圆芯光纤和本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤都是使用石英玻璃等导光材料为基础原料，所以材质的损耗相同。

(二)波导损耗，传统实芯椭圆芯光纤是两种玻璃材质通过全反射形成波导，本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤是通过玻璃和空气的折射率差产生全反射形成波导。传统椭圆形保偏光纤对预制棒制备工艺要求很高，需要外部套管的内壁高度清洁，来进行化学沉积。如果有不洁净的杂质存在，则会形成光的散射，这样会增加光纤损耗。本发明中悬挂纤芯需要一片玻璃片固定，存在模场从玻璃片中泄出的可能，但是通过使用厚度为通光波长1/5以下的玻璃片，会很好的抑制光损耗。合适的尺寸的玻璃片，可以有效地避免过多的模场泄露而保证低波导损耗损耗。本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤对光纤纤芯材料的选取要求高，需要高纯度导光材料，例如高纯度石英玻璃。

(三)拍长，和传统椭圆芯保偏光纤的拍长相似，但是本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的优点在于光纤预制棒制成后可以继续根据拉丝工艺控制椭圆形的长短边尺寸。光纤拉制在光纤拉丝塔上完成，预制棒垂直进入高温熔炉。在一个大气压环境下石英玻璃的熔点大约1715摄氏度，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为1960摄氏度。当预制棒最下端进入高温炉后，迅速软化，纤芯棒和玻璃片结合，形成椭圆型纤芯，其长轴和短轴比例为2:1。当温度升高至2000摄氏度，长轴短轴比例可达到3:1。温度持续升高可形成长轴短轴尺寸比例更大的椭圆纤芯。

本发明的较佳实施例中，如图1所示，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的预制棒结构构成如下：在石英套管中，插入一片石英玻璃片2，石英玻璃片的长度与石英套管的内径匹配，并固定在石英套管的内径上。截面为圆形或正方形的纤芯棒4固定在石英玻璃片上，纤芯棒为石英玻璃材质，石英玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长。制作过程中，将石英套管5、石英玻璃片、纤芯棒组成的预制棒整体放入高温炉内，加热至石英玻璃软化温度，纤芯棒与石英玻璃片软化后熔接在一起，形成纤芯横截面为椭圆形的保偏光纤，光纤拉制过程中，预制棒被加热，纤芯棒因为表面张力作用形成椭圆形。

本发明实施例中使用外部石英玻璃管。单一材料的光纤的优势是在后期使用中不受热捧胀系数不同的多种材料影响。选择石英玻璃管是因为传统光纤采用石英玻璃，损耗低，熔接容易。但是本发明实施例并不限制于石英玻璃，也可以采用其他导光材料，如硼酸盐玻璃，铅酸盐玻璃，硫系玻璃，导光塑料等。和传统实芯椭圆纤芯保偏光纤比较，外部套管的不圆度，纯度低等对光纤的传导性能影响不大，所以有效地降低光纤制备成本。石英玻璃片的尺寸需要通过预期光纤的尺寸等比例计算，因为过厚的玻璃片会造成波导模场的损耗，而过薄的玻璃片的机械性能较差。合适的玻璃片厚度是小于传导光的波长，如1.55微米波长的光，使用小于1.55微米厚的玻璃片。本发明实施例中，单一材料光纤的特点是纤芯悬挂在空气中，空气的折射率在20℃是1，远低于石英玻璃的1.45折射率；这样空气理论上可以作为第二种材料，但是在制造工艺中无成本。预制棒纤芯可以采用高纯度石英玻璃棒或其他导光材料。外部套管的选材可以选择纯度不高的材料，但是如果制备较低损耗的微结构保偏光纤，需要使用高纯度的石英玻璃棒作为纤芯。石英玻璃棒表面需要进行抛光处理，因为粗糙表面可以造成光纤的较强的散射，不利于制备低损耗光纤。预制棒搭建完成后，整体放入高温炉内加热至玻璃软化温度，纤芯棒与玻璃片软化后熔接在一起。光纤预制棒外部的表面不需要抛光处理，因为不会影响到光纤的损耗性能。

图2表示出微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的结构：包括包层6、纤芯9、包层与纤芯之间的空气层8，纤芯的横截面为椭圆形，包层与纤芯材质相同，纤芯通过与其相同材质的玻璃片7悬挂在包层中，玻璃片的两端固定在包层的内径上，纤芯固定在玻璃片上，纤芯横截面椭圆形的长轴与玻璃片是同一方向。外部的石英套管等比例拉丝后形成标准光纤的尺寸。外部石英套管10可能会有形变，因为受到内部玻璃片的张力拉伸。但是如果选择较厚的外部石英管，形变不会很大，并且不会影响到光纤纤芯导光。拉丝过程中，玻璃片等比例缩小。通过合理计算尺寸，玻璃片在光纤中的厚度需要小于传导光的波长，这样光纤不会有较大的模场损耗，形成低损耗的波导。空气部分作为波导中的低折射率介质，在本发明的单一材料光纤起到非常重要的作用。光纤纤芯由于表面张力的作用，形变很大。拉丝工艺使用高于玻璃软化温度的温度，小尺寸的纤芯中的玻璃会流入玻璃片，而最终形成横截面为椭圆形的纤芯。拉丝工艺要求比较高，需要不同的拉丝温度，控制玻璃材料的粘性，而来控制椭圆纤芯的尺寸。如，需要大比例长、短边椭圆纤芯，需要使用高温拉丝工艺，控制玻璃的低粘度；而需要小比例长短边的椭圆纤芯，则使用较低温度拉丝工艺，控制玻璃的高粘度。椭圆的纤芯有很强的双折射，这样通过使用椭圆纤芯的长、短边长度差异的结构，传输光从椭圆型纤芯的长边传输的折射率和垂直的短边的折射率不同实现偏振态的控制。微结构光纤的拉丝温度为1960摄氏度。椭圆型纤芯长轴和短轴比例为2:1；当温度升高至2000摄氏度，长轴短轴比例可达到3:1。温度持续升高可形成长轴短轴尺寸比例更大的椭圆纤芯。这点也是本发明专利的不同于传统椭圆纤芯保偏光纤的特点，因为传统椭圆纤芯保偏光纤的椭圆芯结构在预制棒中已经固定。椭圆微结构光纤的外部涂敷层和传统保偏光纤的涂敷一致。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，其特征在于，包括包层、纤芯、包层与纤芯之间的空气层，纤芯的横截面为椭圆形，包层材质为与纤芯材质相同的导光材料，纤芯通过玻璃片悬挂在包层中，玻璃片材质为与纤芯材质相同的导光材料，玻璃片的两端固定在包层的内径上，纤芯固定在玻璃片上，纤芯横截面椭圆形的长轴与玻璃片是同一方向。

2.根据权利要求1所述的微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，其特征在于，纤芯的数量为1，纤芯横截面中心点位置与光纤横截面中心点位置重合。

3.根据权利要求1或2所述的微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，其特征在于，玻璃片厚度d与纤芯的椭圆形横截面的长轴长度m之间的关系为：0<d<m/4，并且玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长。

4.根据权利要求1或2所述的微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，其特征在于，纤芯的椭圆形横截面的长轴尺寸和光纤的传导光波长相同，同时，纤芯的椭圆形横截面的长轴与短轴之间的长度关系为，长轴和短轴的尺寸比例为2：1。

5.根据权利要求1或2所述的微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，其特征在于，包层、纤芯、玻璃片的材质为石英玻璃或硼酸盐玻璃或铅酸盐玻璃或硫系玻璃或导光塑料。

6.一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，在石英套管中，插入一片石英玻璃片，石英玻璃片的长度与石英套管的内径匹配，并固定在石英套管的内径上；步骤二，截面为圆形或正方形的纤芯棒固定在石英玻璃片上，纤芯棒为石英玻璃材质，石英玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长；步骤三，将石英套管、石英玻璃片、纤芯棒组成的预制棒整体放入高温炉内，加热至石英玻璃软化温度，纤芯棒与石英玻璃片软化后熔接在一起，形成纤芯横截面为椭圆形的保偏光纤，光纤拉制过程中，预制棒被加热，纤芯棒因为表面张力作用形成椭圆形。

7.根据权利要求6所述的微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的制作方法，其特征在于，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为1900～1980℃时，纤芯的椭圆形横截面长轴和短轴比例为2:1，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为2000～2100℃时，长轴短轴比例为3:1。