CN107315221A - 一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，光纤截面为圆形，从外向内的结构依次为涂覆层，石英包层，包层空气孔和纤芯；包层空气孔分为两层，第一层空气孔包括第一层大孔、第一层小孔，第二层空气孔包括第二层大孔、第二层小孔；以光纤截面圆心为原点，第一层空气孔的圆心以光纤截面圆心为中心，呈正六边形排列，第一层大孔为2个，在横向上对称，第一层小孔为4个，在第一层空气孔的外围，第二层空气孔的圆心以光纤截面圆心为中心，呈正六边形排列，第二层大孔为2个，在纵向上对称，第二层小孔为10个，本发明可大幅降低光纤几何尺寸，从而减轻光纤环重量，减小光纤环尺寸，有利于陀螺小型化,提高光纤器件集成度。

Description

一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤

技术领域

本发明属于微结构光纤技术领域，具体涉及一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤。

背景技术

实芯光子晶体光纤的纤芯是由SiO₂制成的，SiO₂的折射率比空气高很多，由于包层中存在着一定数量的空气孔，致使包层折射率比纤芯的折射率低，光在纤芯中的传输原理与传统阶跃型光纤的导光机理相似，均采用全内反射原理，故实芯光子晶体光纤亦可称作全内反射型光子晶体光纤(TIR-PCF)。不同于传统阶跃型光纤，TIR-PCF的包层中存在着一定数量的空气孔，因而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。通过改变包层空气孔的形状、大小、排布方式等，从而设计出同时满足应用要求，并与其它器件匹配的光纤。并且由于光纤材料单一，无需掺杂，无需应力区，使得光纤具有更好的环境适应性，尤其适用于恶劣环境中的光纤传感与通信，空间用光纤陀螺即是典型的应用实例。

光纤陀螺作为迅速发展的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽；抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低以及适合大批量生产等，已经广泛用于各领域。随着光纤陀螺应用领域的不断扩展，正向轻小型、高精度的方向迈进，因此提高敏感环的稳定性，降低敏感环重量及尺寸是陀螺小型化的必然要求。光子晶体光纤为这一问题的解决提供了全新的道路，相比于传统熊猫保偏光纤，保偏光子晶体光纤具有以下优点：

1)、通常由单一材料的结构不对称形成几何双折射，纤芯、包层的力学性质完全匹配，对温度的敏感性比传统光纤低100～1000倍，大幅提高了陀螺的温度性能。

2)、传统光纤在弯曲半径较小时易发生泄露，限制了光纤陀螺的小型化。保偏光子晶体光纤弯曲损耗低，易于实现陀螺小型化。

3)、保偏光子晶体光纤中无应力区，保偏性能与光纤尺寸关系相对薄弱，可研制细径高双折射光纤。

因而采用保偏光子晶体光纤对于光纤陀螺性能的提升非常重要。

光纤陀螺灵敏度可用如下公式表示：

从公式(1)得知，为了提高陀螺精度，要延长光纤环的长度L，增大光纤环的直径D，并减小所用光源的波长λ。通常情况下，直径D用户确定，不能改变；而光源的波长λ减小，光路的损耗会变大，从而信噪比下降。对于轻小型光纤陀螺，尤其是中低精度的光纤陀螺(>0.1°/h)，延长光纤的长度最为有效。由于光纤陀螺的体积由用户确定，所以，为了尽可能在有限体积内提高光纤陀螺的精度，延长光纤环的长度，必须尽可能减小光纤直径。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中：包层与涂覆层直径大，不能满足小型化陀螺使用的问题，提出了一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤结构。

一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，光纤截面为圆形，从外向内的结构依次为涂覆层，石英包层和包层空气孔；

包层空气孔分为两层，第一层空气孔包括第一层大孔、第一层小孔，第二层空气孔包括第二层大孔、第二层小孔；

以光纤截面圆心为原点，第一层空气孔的圆心以光纤截面圆心为中心，呈正六边形排列，第一层大孔为2个，在横向上对称，第一层小孔为4个，在第一层空气孔的外围，第二层空气孔的圆心以光纤截面圆心为中心，呈正六边形排列，第二层大孔为2个，在纵向上对称，第二层小孔为10个，第一层和第二层相邻空气孔的间距为Λ，小孔直径为d，第一层大孔直径为D_c，第二层大孔直径为D_s

本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，可大幅降低光纤几何尺寸，从而减轻光纤环重量，减小光纤环尺寸，有利于陀螺小型化,提高光纤器件集成度。

(2)本发明一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，有利于降低光纤环中温度梯度，降低温度梯度对光纤环的影响。

(3)本发明一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，大幅减少空气孔个数，提高了光纤的力学特性，使光纤环可靠性得到提高。

(4)本发明一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，可根据实际需求调整第二层大孔直径，达到调节损耗、偏振以及高阶模的目的，大大提高了实芯光纤的设计裕度。

(5)本发明一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，大幅降低了光子晶体光纤的制作难度，提高其生产效率，减少生产成本，有利于扩大应用领域，尤其是长距离通信应用。

附图说明

图1是本发明两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤结构示意图；

图2是本发明两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤损耗特性随孔间距Λ的变化曲线；

图3是本发明两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤损耗及双折射特性随大孔直径D的关系曲线；

图4是本发明两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤基模与高阶模损耗随第二层大孔直径D_s的关系曲线；

图5是本发明两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤最优化参数范围内模场分布示意图。

图中：

1-纤芯 2-第一层大孔 3-第二层大孔

4-第二层小孔 5-空气孔包层 6-石英包层

7-涂覆层 8-第一层小孔

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。

本发明的一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，如图1所示，具体结构如下：该保偏光子晶体光纤截面为圆形，从外向内的结构依次为涂覆层7，石英包层6和包层空气孔；

涂覆层7位于包层6外围，包层空气孔分布在包层6内，包层空气孔分为两层，第一层空气孔包括第一层大孔2、第一层小孔8，第二层空气孔包括第二层大孔3、第二层小孔4；第一层空气孔与第二层空气孔之间形成空气孔包层5；

以光纤截面圆心(纤芯1)为原点，围绕中心第一层呈正六边形排列6个空气孔，其中在横向上的两个为对称的大孔，设为第一层大孔2，其余4个为小孔，设为第一层小孔8；在第一层的外围呈正六边形对称排列12个空气孔，其中纵向两个空气孔为对称的大孔，设为第二层大孔3，其余10个孔为小孔，设为第二层小孔4，第一层和第二层相邻空气孔的间距为Λ，所有共14个小孔(第一层小孔8和第二层小孔4)直径为d，第一层横向两大孔(第一层大孔2)直径为D_c，第二层纵向上两个大孔(第二层大孔3)直径为D_s。本发明中，设定D_s＝D_c＝D，在高阶模抑制时单独研究D_s的参数设计。光纤采用光子晶体光纤制作的通用方法“堆积-拉制”法拉制，除结构外其他的制作方法与光子晶体光纤制作方法相同。

为了提高光纤陀螺的精度，在一定尺寸体积下减小光纤的包层与涂覆层直径，因此，为了满足光纤使用中的强度要求，必须减少空气孔层数，对光纤的结构进行重新设计。实芯光子晶体光纤利用包层空气孔将光限制在纤芯中传输，空气孔越大、层数越多，对光的限制能力越强。因此将光纤层数减少，必然需要增加空气孔尺寸，提高占空比，但过大的占空比会导致光纤不再是单模传输。因此光纤设计需要从空气孔间距Λ、占空比d/Λ、以及大孔尺寸D_s、D_c对损耗、偏振及模式的影响，得到最优化参数。

其中，参数的选取：Λ>6.2μm，d/Λ>0.62，1<Ds/Λ<1.1，1.2<Dc/Λ<1.3。

光纤结构设计思路及设计过程：

如图2所示：

改变空气孔的周期，即改变空气孔间距Λ，仿真计算限制损耗的变化，可见随着周期Λ的增大、占空比d/Λ的增加，光纤限制损耗降低，为满足光纤损耗的条件，使限制损耗低于10^-4dB/km，Λ>6.2μm，d/Λ>0.62。

如图3所示：

改变大孔(此时第一层大孔与第二层大孔直径相等，D_s＝D_c＝D)的尺寸，在占空比d/Λ变化过程中损耗及光纤双折射的变化，可见占空比的变化对双折射影响很小，可以忽略有其带来的双折射变化；光纤损耗随着大孔的增加快速下降，可见大孔对光纤损耗具有较大的影响，同样的损耗标准，同时满足双折射大于2.5×10^-4最终选取D/Λ>1.1、d/Λ>0.62作为参考值。

如图4所示：

仿真计算第二层的大孔直径D_s对高阶模及基模损耗的影响，可见基模限制损耗相比于高阶模低三个数量级，为保证基模限制损耗小于10^-4，同时高阶模限制损耗大于10^-4，最终选定1<D_s/Λ<1.1作为第二层大孔的直径范围。

如图5所示：

在上述仿真的基础上，选择Λ＝6.4μm，d/Λ＝0.64，Dc/Λ＝1.2，Ds/Λ＝1；作为最终的参数进行仿真分析，其模场分布如图5所示，可见光能量被很好的限制在纤芯中。

光纤制造工艺：

同普通实芯光子晶体光纤制造工艺相同，采用“堆积-拉制”法进行光纤制造。首先选取合适尺寸的石英毛细管，进行毛细管堆积过程，将其堆积为类似光纤结构的毛细管簇，将其插入到合适尺寸的毛细管中，完成两层实芯光子晶体光纤预制棒的制作；之后采取气压控制拉制两层细径实芯保偏光子晶体光纤，裸纤直径70μm，光纤直径100μm，即涂敷层厚度15μm。

光纤特性

通过仿真分析，通过调整3第二层大孔尺寸，将高阶模限制损耗提高为0.1dB/km，同时保证光纤基模限制损耗为1.7×10^-4dB/km；在实际应用于光纤陀螺中时，由于光纤长度达到千米量级，高阶模不会对光纤陀螺带来较大的误差。双折射为3.5×10^-4，与传统熊猫保偏光纤相近，满足高双折射的需求，并且可以通过进一步增加D_c提高双折射。

本发明一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤通过将空气孔包层中的空气孔层数降低为两层，实现了光纤细径的需求，同时大幅降低了实芯光子晶体光纤拉制难度；并且在第二层通过两个大空气孔的尺寸调节，同时实现了基模损耗的降低与高阶模的抑制，实现细径实芯光子晶体光纤的低损耗、应用单模以及高双折射的需求，并且光纤尺寸还有进一步减小的空间，为实芯光子晶体推广应用以及在光纤陀螺中的应用提供了新的可能。

Claims (2)

1.一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，其特征在于，光纤截面为圆形，从外向内的结构依次为涂覆层，石英包层，包层空气孔和纤芯；

包层空气孔分为两层，第一层空气孔包括第一层大孔、第一层小孔，第二层空气孔包括第二层大孔、第二层小孔；

以光纤截面圆心为原点，第一层空气孔的圆心以光纤截面圆心为中心，呈正六边形排列，第一层大孔为2个，在横向上对称，第一层小孔为4个，在第一层空气孔的外围，第二层空气孔的圆心以光纤截面圆心为中心，呈正六边形排列，第二层大孔为2个，在纵向上对称，第二层小孔为10个，第一层和第二层相邻空气孔的间距为Λ，小孔直径为d，第一层大孔直径为D_c，第二层大孔直径为D_s。

2.根据权利要求1所述的一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤，所述的Λ>6.2μm，d/Λ>0.62，1<Ds/Λ<1.1，1.2<Dc/Λ<1.3。