CN108845389A - 一种保偏光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种保偏光纤，涉及光纤领域，保偏光纤由内到外依次包括纤芯、石英包层、内涂层和外涂层，所述石英包层位于所述纤芯的外围，所述石英包层和纤芯之间设有两个应力区，且两个所述应力区沿所述纤芯的中心对称分布；所述纤芯由内到外依次包括圆形的中心芯区和至少一个与所述中心芯区同心设置的环形区，所述中心芯区和环形区的折射率不同；所述内涂层和外涂层均为双层结构，每层所述内涂层和外涂层的模量均不同，且由内到外模量依次增大。本发明提供的保偏光纤，提供了更稳定、更高性能的串音输出和光纤衰减性能。

Description

一种保偏光纤
技术领域
本发明涉及光纤领域，具体涉及一种保偏光纤。
背景技术
由于光纤陀螺和其他类型陀螺相比较具有启动时间短、结构简单、重量轻、没有活动元件、环境适应能力强等诸多优点，近年来光纤陀螺发展非常迅速，在飞机、汽车和船舶的导航系统和运动检测等诸多领域得到广泛应用，更随着其精度提升与结构小型化的发展，已逐步成为各种高技术导航和定位的关键惯性部件。
常见的光纤陀螺由光学表头和电路两部分组成。光学表头由光源、光波导、耦合器、光纤敏感器、探测器组成。光学表头是敏感角速度的关键，是光纤陀螺的核心部分。而光学表头中由保偏光纤绕制而成的光纤环更是光纤陀螺中最核心的敏感单元，其性能优劣决定了光纤陀螺的性能表现。
保偏光纤(Polarization Maintaining Optical Fiber，全称为偏振保持光纤)是一种在实现光的单模传输特性的同时保持其线偏振状态的特种光纤。由于保偏光纤具有应力双折射效应，因此保偏光纤能够在传输线偏振光时良好地保持偏振态。保偏光纤的线偏振保持能力在许多与偏振相关的应用领域具有使用价值，例如多维复用相干通信、光纤陀螺技术、电流互感技术、光纤水听器和偏振传感等。
随着光纤陀螺向高精度和小型化方向发展，保偏光纤作为光纤陀螺系统中必不可少的关键部件，迫切需要向细芯径、高精度、大长度、高稳定性和环境适应性方向发展，保偏光纤的细径化趋势不可避免。
目前市面是存在的细径保偏光纤，如专利公开号CN104536085B提供的一种细径保偏光纤，其仍存在受环境性能影响较大的问题，还难以同时兼顾小型化和高精度的光纤陀螺的研制需求，无法满足光纤陀螺日益发展的需求。
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保偏光纤，提供了更稳定、更高性能的串音输出和光纤衰减性能。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种保偏光纤，由内到外依次包括纤芯、石英包层、内涂层和外涂层，所述石英包层位于所述纤芯的外围，所述石英包层和纤芯之间设有两个应力区，且两个所述应力区沿所述纤芯的中心对称分布；
所述纤芯由内到外依次包括圆形的中心芯区和至少一个与所述中心芯区同心设置的环形区，所述中心芯区和环形区的折射率不同；
所述内涂层和外涂层均为双层结构，每层所述内涂层和外涂层的模量均不同，且由内到外模量依次增大。
在上述技术方案的基础上，所述中心芯区的折射率为n1，所述环形区的折射率为n2，所述石英包层的折射率为n3，所述中心芯区相对于石英包层的折射率为△n1，所述环形区相对于石英包层的折射率为△n2，△n1＜△n2，其中，△n1的取值范围为0.4％～1.3％，△n2的取值范围为0.6％～1.5％。
在上述技术方案的基础上，所述中心芯区的直径为d1，所述环形区的外径为d2，所述应力区的直径为d3，所述石英包层的外径为d4，且d1＜d2＜d3＜d4，其中d1的取值范围为4.0um～5.0um，d2的取值范围为5.0um～6.0um，d3的取值范围为22.0um～26.0um，d4的取值范围为79.0um～81.0um。
在上述技术方案的基础上，所述应力区的材质为掺三氧化二硼的石英材质，其中，所述应力区掺三氧化二硼的浓度范围为1％～3％mol。
在上述技术方案的基础上，所述中心芯区和环形区均为掺锗的石英材质，且所述中心芯区和环形区掺锗的浓度不同。
在上述技术方案的基础上，所述内涂层由内到外依次包括第一内涂层和第二内涂层，所述外涂层由内到外依次包括第一外涂层和第二外涂层。
在上述技术方案的基础上，所述第一内涂层的模量为0.6Mpa～1.2Mpa，所述第二内涂层的模量为1.5Mpa～10Mpa，所述第一外涂层的模量为450Mpa～650Mpa，所述第二外涂层的模量为1200Mpa～1980Mpa。
在上述技术方案的基础上，所述第一内涂层的直径为d5，所述第二内涂层的的直径为d6，所述第一外涂层的直径为d7，所述第二外涂层的直径为d8，其中，d5的取值范围为90.0um～95.0um，d6的取值范围为100.0um～105.0um，d7的取值范围为110.0um～115.0um，d8的取值范围为127.0um～133.0um。
在上述技术方案的基础上，所述保偏光纤的工作波长为1310nm时，截止波长为1050nm～1270nm，拍长≤3mm，偏振串音≤-25.0dB/km，模场直径为5.5um～6.5um，光纤损耗小于0.6dB/km，弯曲半径为15mm，弯曲圈数为20时，弯曲损耗小于0.1dB，芯包同心度≤0.5um，包层不圆度≤2.0％，筛选强度为100kpsi，工作温度范围为-55℃～85℃，全温串音变化≤3dB。
在上述技术方案的基础上，所述保偏光纤的工作波长为1550nm时，截止波长为1300nm～1500nm，拍长≤4mm，偏振串音≤-25.0dB/km，模场直径为6.5um～7.0um，光纤损耗小于0.6dB/km，弯曲半径为15mm，弯曲圈数为20时，弯曲损耗小于0.1dB，芯包同心度≤0.5微米，包层不圆度≤2.0％，筛选强度为100kpsi，工作温度范围为-55℃～85℃，全温串音变化≤3dB。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的保偏光纤中，纤芯由内到外依次包括圆形的中心芯区和至少一个与所述中心芯区同心设置的环形区，使保偏光纤传输的光信号的模式特性更趋向中间，减少高斯模式的旁瓣，从而降低涂层减薄后，外界干扰带来的模式变化的影响；同时内涂层和外涂层均为双层结构，每层内涂层和外涂层的模量均不同，且由内到外模量依次增大，一方面可以充分使用极软内涂缓冲外界干扰，极硬外层抵抗外界干扰；另一方面避免了直接使用极软内层和极硬外层时带来的模量失配造成的涂层材料后续长时间使用的可靠性降低问题，从而可为薄涂层的保偏光纤长时间可靠性使用奠定良好基础；从而使得保偏光纤具有更稳定、更高性能的串音输出和光纤衰减性能。
附图说明
图1为本发明实施例中保偏光纤的横向截面示意图；
图2为本发明实施例中保偏光纤的横向折射率示意图。
图中：1-纤芯，10-中心芯区，11-环形区，2-石英包层，3-内涂层，30-第一内涂层，31-第二内涂层，4-外涂层，40-第一外涂层，41-第二外涂层，5-应力区。
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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
参见图1所示，本发明实施例提供一种保偏光纤，由内到外依次包括纤芯1、石英包层2、内涂层3和外涂层4，所述石英包层2位于所述纤芯1的外围，所述石英包层2和纤芯1之间设有两个应力区5，且两个所述应力区5沿所述纤芯1的中心对称分布；
所述纤芯1由内到外依次包括圆形的中心芯区10和至少一个与所述中心芯区10同心设置的环形区11，所述中心芯区10和环形区11的折射率不同；
所述内涂层3和外涂层4均为双层结构，每层所述内涂层3和外涂层4的模量均不同，且由内到外模量依次增大。
本发明的保偏光纤中，纤芯1由内到外依次包括圆形的中心芯区10和至少一个与所述中心芯区10同心设置的环形区11，使保偏光纤传输的光信号的模式特性更趋向中间，减少高斯模式的旁瓣，从而降低涂层减薄后，外界干扰带来的模式变化的影响；同时内涂层3和外涂层4均为双层结构，每层内涂层3和外涂层4的模量均不同，且由内到外模量依次增大，一方面可以充分使用极软内涂缓冲外界干扰，极硬外层抵抗外界干扰；另一方面避免了直接使用极软内层和极硬外层时带来的模量失配造成的涂层材料后续长时间使用的可靠性降低问题，从而可为薄涂层的保偏光纤长时间可靠性使用奠定良好基础；从而使得保偏光纤具有更稳定、更高性能的串音输出和光纤衰减性能。
实施例2
参见图2所示，本实施例和实施例1的区别在于：所述中心芯区10的折射率为n1，所述环形区11的折射率为n2，所述石英包层2的折射率为n3，所述应力区5的折射率为n4，且n4＜n3＜n1＜n2。
所述中心芯区10相对于石英包层2的折射率为△n1，所述环形区11相对于石英包层2的折射率为△n2，△n1＜△n2，其中，△n1的取值范围为0.4％～1.3％，△n2的取值范围为0.6％～1.5％。
本发明实施例中，述中心芯区10的折射率n1小于所述环形区11的折射率n2，即纤芯形成U型结构设计，使保偏光纤传输的光信号的模式特性更趋向中间，减少高斯模式的旁瓣，从而降低涂层减薄后，外界干扰带来的模式变化的影响。
实施例3
本实施例和实施例1的区别在于：所述中心芯区10的直径为d1，所述环形区11的外径为d2，所述应力区5的直径为d3，所述石英包层2的外径为d4，且d1＜d2＜d3＜d4，其中d1的取值范围为4.0um～5.0um，d2的取值范围为5.0um～6.0um，d3的取值范围为22.0um～26.0um，d4的取值范围为79.0um～81.0um。优选地，所述石英包层2的外径为80um。
实施例4
本实施例和实施例1的区别在于：所述应力区5的材质为掺三氧化二硼的石英材质，其中，所述应力区5掺三氧化二硼的浓度范围为1％～3％mol。
所述中心芯区10和环形区11均为掺锗的石英材质，且所述中心芯区10和环形区11掺锗的浓度不同。
实施例5
所述内涂层3由内到外依次包括第一内涂层30和第二内涂层31，所述外涂层4由内到外依次包括第一外涂层40和第二外涂层41。所述内涂层3和外涂层4均为聚丙烯酸树脂涂层。
所述第一内涂层30的模量为0.6Mpa～1.2Mpa，所述第二内涂层31的模量为1.5Mpa～10Mpa，所述第一外涂层40的模量为450Mpa～650Mpa，所述第二外涂层41的模量为1200Mpa～1980Mpa。
所述第一内涂层30的直径为d5，所述第二内涂层31的的直径为d6，所述第一外涂层40的直径为d7，所述第二外涂层41的直径为d8，其中，d5的取值范围为90.0um～95.0um，d6的取值范围为100.0um～105.0um，d7的取值范围为110.0um～115.0um，d8的取值范围为127.0um～133.0um。优选地，所述第二外涂层41的外径为130um。
本发明实施例中，最内层的第一内涂层30可以使用模量低达1MPa的内层涂料，第二外涂层41使用达到近2GPa的极高模量，一方面可以充分使用极软内涂缓冲外界干扰，极硬外层抵抗外界干扰；另一方面避免了直接使用极软内层和极硬外层时带来的模量失配造成的涂层材料后续长时间使用的可靠性降低问题，从而可为薄涂层的保偏光纤长时间可靠性使用奠定良好基础。
实施例6
所述保偏光纤的工作波长为1310nm时，截止波长为1050nm～1270nm，拍长≤3mm，偏振串音≤-25.0dB/km，模场直径为5.5um～6.5um，光纤损耗小于0.6dB/km，弯曲半径为15mm，弯曲圈数为20时，弯曲损耗小于0.1dB，芯包同心度≤0.5um，包层不圆度≤2.0％，筛选强度为100kpsi，工作温度范围为-55℃～85℃，全温串音变化≤3dB。
所述保偏光纤的工作波长为1550nm时，截止波长为1300nm～1500nm，拍长≤4mm，偏振串音≤-25.0dB/km，模场直径为6.5um～7.0um，光纤损耗小于0.6dB/km，弯曲半径为15mm，弯曲圈数为20时，弯曲损耗小于0.1dB，芯包同心度≤0.5微米，包层不圆度≤2.0％，筛选强度为100kpsi，工作温度范围为-55℃～85℃，全温串音变化≤3dB。
在本实施例中，筛选率为100％，全温串音变化为在-55℃～85℃的全温变化范围内，长度为500m时，偏振串音最大与最小值间差值。
实施例7
所述中心芯区10的直径为d1，所述环形区11的外径为d2，所述应力区5的直径为d3，所述石英包层2的外径为d4，所述第一内涂层30的直径为d5，所述第二内涂层31的的直径为d6，所述第一外涂层40的直径为d7，所述第二外涂层41的直径为d8，所述应力区5掺三氧化二硼的浓度为N，所述中心芯区10相对于石英包层2的折射率为△n1，所述环形区11相对于石英包层2的折射率为△n2，所述第一内涂层30的模量为M1，所述第二内涂层31的模量为M2，所述第一外涂层40的模量为M3，所述第二外涂层41的模量为M4。
本发明实施例提供了工作波长为1310nm时光纤结构结构及其性能参数示意如下表1所示：
表1工作波长为1310nm时光纤结构结构及其性能参数表
在本实施例中经过优化后的保偏光纤，其具有更稳定、更高性能的串音输出和光纤衰减性能。
实施例8
所述中心芯区10的直径为d1，所述环形区11的外径为d2，所述应力区5的直径为d3，所述石英包层2的外径为d4，所述第一内涂层30的直径为d5，所述第二内涂层31的的直径为d6，所述第一外涂层40的直径为d7，所述第二外涂层41的直径为d8，所述应力区5掺三氧化二硼的浓度为N，所述中心芯区10相对于石英包层2的折射率为△n1，所述环形区11相对于石英包层2的折射率为△n2，所述第一内涂层30的模量为M1，所述第二内涂层31的模量为M2，所述第一外涂层40的模量为M3，所述第二外涂层41的模量为M4。
本发明实施例提供了工作波长为1550nm时光纤结构结构及其性能参数示意如下表2所示：
表2工作波长为1310nm时光纤结构结构及其性能参数表
在本实施例中经过优化后的保偏光纤，其具有更稳定、更高性能的串音输出和光纤衰减性能。
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)

1.一种保偏光纤，其特征在于，由内到外依次包括纤芯(1)、石英包层(2)、内涂层(3)和外涂层(4)，所述石英包层(2)位于所述纤芯(1)的外围，所述石英包层(2)和纤芯(1)之间设有两个应力区(5)，且两个所述应力区(5)沿所述纤芯(1)的中心对称分布；
所述纤芯(1)由内到外依次包括圆形的中心芯区(10)和至少一个与所述中心芯区(10)同心设置的环形区(11)，所述中心芯区(10)和环形区(11)的折射率不同；
所述内涂层(3)和外涂层(4)均为双层结构，每层所述内涂层(3)和外涂层(4)的模量均不同，且由内到外模量依次增大。
2.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于：所述中心芯区(10)的折射率为n1，所述环形区(11)的折射率为n2，所述石英包层(2)的折射率为n3，所述中心芯区(10)相对于石英包层(2)的折射率为△n1，所述环形区(11)相对于石英包层(2)的折射率为△n2，△n1＜△n2，其中，△n1的取值范围为0.4％～1.3％，△n2的取值范围为0.6％～1.5％。
3.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于：所述中心芯区(10)的直径为d1，所述环形区(11)的外径为d2，所述应力区(5)的直径为d3，所述石英包层(2)的外径为d4，且d1＜d2＜d3＜d4，其中d1的取值范围为4.0um～5.0um，d2的取值范围为5.0um～6.0um，d3的取值范围为22.0um～26.0um，d4的取值范围为79.0um～81.0um。
4.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于：所述应力区(5)的材质为掺三氧化二硼的石英材质，其中，所述应力区(5)掺三氧化二硼的浓度范围为1％～3％mol。
5.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于：所述中心芯区(10)和环形区(11)均为掺锗的石英材质，且所述中心芯区(10)和环形区(11)掺锗的浓度不同。
6.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于：所述内涂层(3)由内到外依次包括第一内涂层(30)和第二内涂层(31)，所述外涂层(4)由内到外依次包括第一外涂层(40)和第二外涂层(41)。
7.如权利要求6所述的保偏光纤，其特征在于：所述第一内涂层(30)的模量为0.6Mpa～1.2Mpa，所述第二内涂层(31)的模量为1.5Mpa～10Mpa，所述第一外涂层(40)的模量为450Mpa～650Mpa，所述第二外涂层(41)的模量为1200Mpa～1980Mpa。
8.如权利要求6所述的保偏光纤，其特征在于：所述第一内涂层(30)的直径为d5，所述第二内涂层(31)的的直径为d6，所述第一外涂层(40)的直径为d7，所述第二外涂层(41)的直径为d8，其中，d5的取值范围为90.0um～95.0um，d6的取值范围为100.0um～105.0um，d7的取值范围为110.0um～115.0um，d8的取值范围为127.0um～133.0um。
9.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于：所述保偏光纤的工作波长为1310nm时，截止波长为1050nm～1270nm，拍长≤3mm，偏振串音≤-25.0dB/km，模场直径为5.5um～6.5um，光纤损耗小于0.6dB/km，弯曲半径为15mm，弯曲圈数为20时，弯曲损耗小于0.1dB，芯包同心度≤0.5um，包层不圆度≤2.0％，筛选强度为100kpsi，工作温度范围为-55℃～85℃，全温串音变化≤3dB。
10.如权利要求1所述的保偏光纤，其特征在于：所述保偏光纤的工作波长为1550nm时，截止波长为1300nm～1500nm，拍长≤4mm，偏振串音≤-25.0dB/km，模场直径为6.5um～7.0um，光纤损耗小于0.6dB/km，弯曲半径为15mm，弯曲圈数为20时，弯曲损耗小于0.1dB，芯包同心度≤0.5微米，包层不圆度≤2.0％，筛选强度为100kpsi，工作温度范围为-55℃～85℃，全温串音变化≤3dB。
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