CN110346866A - 一种熊猫型保偏光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了熊猫型保偏光纤，包括芯层和石英包层；石英包层内有两个沿芯层呈中心对称的应力区，应力区外设置有与该应力区同心的过渡环形区；芯层包括由内而外依次布置的掺锗芯层和掺氟芯层；掺锗芯层包括由内而外依次布置的平坦掺锗层和渐变掺锗层，渐变掺锗层折射率剖面呈抛物线形，渐变掺锗层折射率朝远离平坦掺锗层方向逐渐减小；掺氟芯层包括由内而外依次布置的石英芯层、第一渐变掺氟层、平坦掺氟层和第二渐变掺氟层，第一渐变掺氟层和第二渐变掺氟层折射率剖面均呈曲线，且沿平坦掺氟层折射率剖面对称，第一渐变掺氟层折射率朝远离石英芯层方向逐渐减小；保偏光纤截止波长小于830nm。本发明适用多波段，具有良好的衰减和消光比。

Description

一种熊猫型保偏光纤
技术领域
本发明涉及保偏光纤技术领域，具体涉及一种熊猫型保偏光纤。
背景技术
惯性技术是用来实现载体姿态和轨迹控制的完全自主式的关键技术。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，且克服了环形激光陀螺的锁定现象，省去了为保持小转速时的灵敏度所采取的防机械抖动措施，已成为惯导技术领域飞速发展的主要方向之一，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。
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，偏振保持光纤，简称保偏光纤)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，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)。
随着光纤陀螺向小型化方向的发展，相较以前适用的1310nm和1550nm，如今需要采用850nm等波长，在保持精度、良好的衰减以及优良的消光比的同时，降低环圈体积。但现有保偏光纤尚无该类型的细径型保偏光纤产品支撑，需要进行相关技术开发。
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能够满足850nm、1310nm和1550nm波长的熊猫型保偏光纤，具有良好的衰减和优良的消光比。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种熊猫型保偏光纤，其包括：由内而外依次设置的芯层1和石英包层2；
所述石英包层2内设有两个沿所述芯层1呈中心对称的应力区，所述应力区3外侧设置有与该应力区同心的过渡环形区；
所述芯层包括由内而外依次布置的掺锗芯层和掺氟芯层；所述掺锗芯层包括由内而外依次布置的平坦掺锗层和渐变掺锗层，所述渐变掺锗层折射率剖面呈抛物线形，且所述渐变掺锗层折射率朝远离所述平坦掺锗层方向逐渐减小；所述掺氟芯层包括由内而外依次布置的石英芯层、第一渐变掺氟层、平坦掺氟层和第二渐变掺氟层，所述第一渐变掺氟层和第二渐变掺氟层折射率剖面均呈曲线，且沿所述平坦掺氟层折射率剖面对称，所述第一渐变掺氟层折射率朝远离所述石英芯层方向逐渐减小；
所述保偏光纤的截止波长小于830nm。
进一步地，所述石英包层折射率为n2，所述平坦掺锗层折射率为n100，n100与n2的相对折射率差Δn100的取值范围为0.6％～1.4％。
进一步地，所述石英包层折射率为n2，所述平坦掺锗层折射率为n100，所述渐变掺锗层折射率为n101，n101与n2的相对折射率差Δn101以Δn101＝Δn100×(1-a101x2 101)实现，其中，Δn100为n100与n2的相对折射率差，x101为所述渐变掺锗层内任一点到所述平坦掺锗层的距离，a101为所述渐变掺锗层的渐变系数，3≤a101≤10。
进一步地，所述平坦掺氟层折射率为n112，所述石英包层折射率为n2，n112与n2的相对折射率差Δn112的取值范围为-0.1％～-0.5％。
进一步地，所述平坦掺氟层折射率为n112，所述石英包层折射率为n2，所述第一渐变掺氟层折射率为n111，n111与n2的相对折射率差Δn111以Δn111＝Δn112×(1-a111x3 111)实现，其中，Δn112为n112与n2的相对折射率差，x111为所述第一渐变掺氟层内任一点到所述平坦掺氟层内边缘的距离，a111为所述第一渐变掺氟层的渐变系数，10≤a111≤30；
进一步地，所述应力区的硼含量为60ppm～1200ppm。
进一步地，所述过渡环形区的硼含量Y以Y＝a4(x4+x4 2)实现，其中，x4为所述过渡环形区内任一点到所述过渡环形区外边缘的距离，a4为所述过渡环形区的渐变系数，其取值为2≤a4≤40。
进一步地，所述石英包层外侧由内到外依次设有内涂层和外涂层，所述内涂层的杨氏模量小于所述外涂层的杨氏模量。
进一步地，所述内涂层的杨氏模量为0.5Mpa～2.5Mpa，所述外涂层的杨氏模量为550Gpa～1550Gpa。
进一步地，所述石英包层直径为d1，所述内涂层和所述外涂层直径分别为d2和d3；
当39.0μm≤d1≤41.0μm时，52.0μm≤d2≤65.0μm，78.0μm≤d3≤83.0μm；
当59.0μm≤d1≤61.0μm时，72.0μm≤d2≤85.0μm，98.0μm≤d3≤105.0μm；
当79.0μm≤d1≤81.0μm时，100.0μm≤d2≤115.0μm，134.0μm≤d3≤140.0μm，或者115.0μm≤d2≤135.0μm，164.0μm≤d3≤170.0μm；
当124.0μm≤d1≤126.0μm时，170.0μm≤d2≤205.0μm，235.0μm≤d3≤250.0μm。
进一步地，工作波长为850nm时，所述保偏光纤衰减小于2.2dB/km，消光比高于20dB/km，工作波长为1310nm时，所述保偏光纤衰减小于0.4dB/km，消光比高于28dB/km，工作波长为1550nm时，所述保偏光纤衰减小于0.3dB/km，消光比高于25dB/km；
在-55℃～90℃下，所述保偏光纤1550nm的每公里全温衰减变化量小于0.2dB，全温消光比变化量小于3dB。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明设计了一种新的保偏光纤的波导结构，保偏光纤的掺锗芯层形成一个具有抛物线上升的阶跃型波导结构，其相对折射率差较高，能够拥有更小的截止波长，使得保偏光纤能够满足850nm、1310nm和1550nm光纤陀螺的绕制。
本发明在掺锗芯层周围设计有下陷的掺氟芯层，能够在石英包层直径减小的情况下，解决由于应力区占整个石英区的比例偏大时造成的衰减偏大问题。
当工作波长为850nm时，保偏光纤衰减小于2.2dB/km，消光比高于20dB/km，工作波长为1310nm时，保偏光纤衰减小于0.4dB/km，消光比高于28dB/km，工作波长为1550nm时，保偏光纤衰减小于0.3dB/km，消光比高于25dB/km；本发明不仅具有良好的衰减和优良的消光比，而且在-55℃～90℃下，所述保偏光纤每公里全温衰减变化量小于0.2dB，全温消光比变化量小于3dB。
附图说明
图1为本发明实施例提供的熊猫型保偏光纤端面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的熊猫型保偏光纤芯层的端面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的熊猫型保偏光纤波导结构示意图；
图4为本发明实施例提供的熊猫型保偏光纤涂覆有涂层后的端面结构示意图。
图中：1、芯层；10、掺锗芯层；100、平坦掺锗层；101、渐变掺锗层；11、掺氟芯层；110、石英芯层；111、第一渐变掺氟层；112、平坦掺氟层；113、第二渐变掺氟层；2、石英包层；3、应力区；4、过渡环形区；5、内涂层；6、外涂层。
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。
参见图1所示，本发明的一个实施例提供了一种熊猫型保偏光纤，沿光纤的径向，该保偏光纤包括由内而外依次设置的芯层1和石英包层2，石英包层2采用的是纯石英；
参见图1所示，针对熊猫型的保偏光纤，本实施例在石英包层2内还设有两个圆形的应力区3，两个应力区3沿芯层1呈中心对称，每个应力区3的外侧设置有与该应力区3同心的过渡环形区4，两个应力区3的过渡环形区4也是沿芯层1呈中心对称，且过渡环形区4与芯层1之间存在间隔，芯层1、应力区3、过渡环形区4的圆心在同一直线上；
参见图1所示，芯层1包括由内而外依次布置的掺锗芯层10和掺氟芯层11，更为具体地，参见图2所示，掺锗芯层10包括由内而外依次布置的平坦掺锗层100和渐变掺锗层101，渐变掺锗层101折射率剖面呈抛物线形，且渐变掺锗层101折射率朝远离平坦掺锗层100方向逐渐减小，渐变掺锗层101采用朝远离平坦掺锗层100方向逐渐减小掺锗的方式，使得渐变掺锗层101折射率剖面呈抛物线形，能够改善掺锗芯层10与掺氟芯层11之间的匹配关系，从而减小衰减。
由于锗可以提高折射率，通过掺锗，使得掺锗芯层10形成一个具有抛物线上升的阶跃型波导结构，其相对折射率差较高，能够拥有更小的截止波长，具体截止波长小于830nm，使得该保偏光纤能够满足850nm、1310nm和1550nm光纤陀螺的绕制。
同时，针对细径保偏光纤要求，为了解决在保偏光纤石英包层2直径减小的情况下，因应力区3占据整个石英区的比例偏大时可能造成的衰减偏大的问题，在掺锗芯层10周围设计有下陷的掺氟芯层11，参见图2所示，掺氟芯层11包括由内而外依次布置的石英芯层110、第一渐变掺氟层111、平坦掺氟层112和第二渐变掺氟层113，第一渐变掺氟层111和第二渐变掺氟层113折射率剖面均呈曲线，且沿平坦掺氟层112折射率剖面对称，第一渐变掺氟层111折射率朝远离石英芯层110方向逐渐减小，参见图3所示，第一渐变掺氟层111和第二渐变掺氟层113折射率剖面呈抛物线。通过这样的设计，一方面更好的约束光信号在纤芯，另一方面疏导应力区3对掺锗芯层10带来的挤压效应，从而一方面保持应力区3对掺锗芯层10带来的应力双折射使其内传输的光模场变为椭圆实现偏振，另一方面疏导应力区3对掺锗芯层10的不良挤压，从而优化光纤的衰减性能。
本实施例中，当工作波长为850nm时，保偏光纤衰减小于2.2dB/km，消光比高于20dB/km，工作波长为1310nm时，保偏光纤衰减小于0.4dB/km，消光比高于28dB/km，工作波长为1550nm时，保偏光纤衰减小于0.3dB/km，消光比高于25dB/km；通过应力区3结合环形渐变掺氟层，优化了应力的传递效应，实现了更好的对掺锗芯层10的应力双折射，实现优良的消光比，另一方面，通过多层掺锗芯层的设计结合环形渐变掺氟设计，优化了界面应力，可实现优良衰减，另外环形渐变掺氟设计还能更好约束光信号在纤芯传输，使光纤在弯曲时光信号散逸更少，从而不仅具有良好的衰减和优良的消光比，而且在-55℃～90℃下，所述保偏光纤1550nm的每公里全温衰减变化量小于0.2dB，全温消光比变化量小于3dB。
参见图3所示，为保偏光纤的波导结构图，本发明提供的实施例采用如下公式计算相对折射率差Δ：
Δ＝(n折-n2)/(n折+n2)×100％
其中，石英包层2折射率为n2，当计算平坦掺锗层100与石英包层2相对折射率差Δn100时，上述公式中n折为平坦掺锗层100的折射率n100；当计算渐变掺锗层101与石英包层2的相对折射率差Δn101时，上述公式中n折为渐变掺锗层101的折射率n101；当计算平坦掺氟层112与石英包层2的相对折射率差Δn112时，上述公式中n折为平坦掺氟层112的折射率n112；当计算第一渐变掺氟层111与石英包层2的相对折射率差Δn111时，上述公式中n折为第一渐变掺氟层111的折射率n111。
石英芯层110的折射率n110与石英包层2的折射率n2相同。
平坦掺锗层100的折射率n100与n2的相对折射率差Δn100的取值范围为0.6％～1.4％。
渐变掺锗层101的折射率n101与n2的相对折射率差Δn101以Δn101＝Δn100×(1-a101x2 101)实现，其中，Δn100为n100与n2的相对折射率差，x101为渐变掺锗层101内任一点到平坦掺锗层100边缘的距离，x101≥0且最大值取渐变掺锗层101的厚度，a101为渐变掺锗层101的渐变系数，且a101的范围为3≤a101≤10。
平坦掺氟层112的折射率n112与n2的相对折射率差Δn112的取值范围为-0.1％～-0.5％。
第一渐变掺氟层111的折射率为n111与n2的相对折射率差Δn111以Δn111＝Δn112×(1-a111x3 111)实现，其中，Δn112为n112与n2的相对折射率差，x111为第一渐变掺氟层111内任一点到平坦掺氟层112内边缘的距离，x111≥0，且最大值取第一渐变掺氟层111的厚度，a111为第一渐变掺氟层111的渐变系数，且a111的范围为10≤a111≤30；由于第二渐变掺氟层113的折射率n113与第一渐变掺氟层111的折射率n111沿平坦掺氟层112的折射率n112对称，因此，此处就不再赘述。
进一步地，应力区3为高应力区，其硼含量为60ppm～1200ppm。
为了更好的优化应力传导效应，通过更少掺硼实现小应力获得更好的应力双折射效果，设置过渡环形区4，其呈现抛物线型，从而将应力双折射更好的优化，这样在更小应力条件下获得更高应力双折射，从而可在保偏光纤中在实现优良消光比的同时，避免光纤内因为应力区3应力过大带来的光纤寿命的降低。过渡环形区4的硼含量Y以Y＝a4(x4+x4 2)实现，其中，x4为过渡环形区4内任一点到过渡环形区4外边缘的距离，x4≥0且最大值取过渡环形区4的厚度，a4为过渡环形区4的渐变系数，其取值为2≤a4≤40。参见图3所示，过渡环形区4呈抛物线形，而应力区3是平坦的水平线形。
参见图4所示，石英包层2外侧由内到外依次设有内涂层5和外涂层6，内涂层5的杨氏模量小于外涂层6的杨氏模量，其中内涂层5直接与石英包层2接触，较软；外涂层6则是光纤最外层的保护壳，较硬。这样通过设置两层杨氏模量不同的涂层，通过较硬的外涂层6形成一个保护壳，通过较软的内涂层5将应力冲击进行缓冲，从而使光纤具备良好的多环境应用性能。本实施例中，内涂层5的杨氏模量为0.5Mpa～2.5Mpa，外涂层6的杨氏模量为550Gpa～1550Gpa。
参见图4所示，石英包层2直径为d1，内涂层5和外涂层6直径分别为d2和d3；
当石英包层2中心直径为40μm时，d1的取值范围为39.0μm≤d1≤41.0μm，且52.0μm≤d2≤65.0μm，78.0μm≤d3≤83.0μm；
当石英包层2中心直径为60μm时，d1的取值范围为59.0μm≤d1≤61.0μm，且72.0μm≤d2≤85.0μm，98.0μm≤d3≤105.0μm；
当石英包层2中心直径为80μm时，d1的取值范围为79.0μm≤d1≤81.0μm，且100.0μm≤d2≤115.0μm，134.0μm≤d3≤140.0μm，或者115.0μm≤d2≤135.0μm，164.0μm≤d3≤170.0μm；
当石英包层2中心直径为125μm时，d1的取值范围为124.0μm≤d1≤126.0μm，且170.0μm≤d2≤205.0μm，235.0μm≤d3≤250.0μm。
由上述可知，光纤的石英包层2的直径涵盖40μm～125μm，涂层直径涵盖80μm～250μm，从而可以全面满足光纤陀螺的高精度和小型化发展需求。
下面结合具体的实施例和附图对本发明做出进一步详细的说明。
在石英包层2的中心直径为40μm时，进行了4种光纤的实施。
具体参数见表1：
表1石英包层中心直径为40μm时
在石英包层2的中心直径为60μm时，进行了4种光纤的实施。
具体参数见表2：
表2石英包层中心直径为60μm时
在石英包层2的中心直径为80μm时，进行了4种光纤的实施。
具体参数见表3：
表3石英包层中心直径为80μm时
在石英包层2的中心直径为125μm时，进行了4种光纤的实施。
具体参数见表4：
表4石英包层中心直径为125μm时
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 (11)

1.一种熊猫型保偏光纤，其特征在于，其包括：由内而外依次设置的芯层(1)和石英包层(2)；
所述石英包层(2)内设有两个沿所述芯层(1)呈中心对称的应力区(3)，所述应力区(3)外侧设置有与该应力区(3)同心的过渡环形区(4)；
所述芯层(1)包括由内而外依次布置的掺锗芯层(10)和掺氟芯层(11)；所述掺锗芯层(10)包括由内而外依次布置的平坦掺锗层(100)和渐变掺锗层(101)，所述渐变掺锗层(101)折射率剖面呈抛物线形，且所述渐变掺锗层(101)折射率朝远离所述平坦掺锗层(100)方向逐渐减小；所述掺氟芯层(11)包括由内而外依次布置的石英芯层(110)、第一渐变掺氟层(111)、平坦掺氟层(112)和第二渐变掺氟层(113)，所述第一渐变掺氟层(111)和第二渐变掺氟层(113)折射率剖面均呈曲线，且沿所述平坦掺氟层(112)折射率剖面对称，所述第一渐变掺氟层(111)折射率朝远离所述石英芯层(110)方向逐渐减小；
所述保偏光纤的截止波长小于830nm。
2.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述石英包层(2)折射率为n2，所述平坦掺锗层(100)折射率为n100，n100与n2的相对折射率差Δn100的取值范围为0.6％～1.4％。
3.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述石英包层(2)折射率为n2，所述平坦掺锗层(100)折射率为n100，所述渐变掺锗层(101)折射率为n101，n101与n2的相对折射率差Δn101以Δn101＝Δn100×(1-a101x2 101)实现，其中，Δn100为n100与n2的相对折射率差，x101为所述渐变掺锗层(101)内任一点到所述平坦掺锗层(100)的距离，a101为所述渐变掺锗层(101)的渐变系数，3≤a101≤10。
4.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述平坦掺氟层(112)折射率为n112，所述石英包层(2)折射率为n2，n112与n2的相对折射率差Δn112的取值范围为-0.1％～-0.5％。
5.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述平坦掺氟层(112)折射率为n112，所述石英包层(2)折射率为n2，所述第一渐变掺氟层(111)折射率为n111，n111与n2的相对折射率差Δn111以Δn111＝Δn112×(1-a111x3 111)实现，其中，Δn112为n112与n2的相对折射率差，x111为所述第一渐变掺氟层(111)内任一点到所述平坦掺氟层(112)内边缘的距离，a111为所述第一渐变掺氟层(111)的渐变系数，10≤a111≤30。
6.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述应力区(3)的硼含量为60ppm～1200ppm。
7.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述过渡环形区(4)的硼含量Y以Y＝a4(x4+x4 2)实现，其中，x4为所述过渡环形区(4)内任一点到所述过渡环形区(4)外边缘的距离，a4为所述过渡环形区(4)的渐变系数，其取值为2≤a4≤40。
8.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述石英包层(2)外侧由内到外依次设有内涂层(5)和外涂层(6)，所述内涂层(5)的杨氏模量小于所述外涂层(6)的杨氏模量。
9.如权利要求8所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述内涂层(5)的杨氏模量为0.5Mpa～2.5Mpa，所述外涂层(6)的杨氏模量为550Gpa～1550Gpa。
10.如权利要求8所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：
所述石英包层(2)直径为d1，所述内涂层(5)和所述外涂层(6)直径分别为d2和d3；
当39.0μm≤d1≤41.0μm时，52.0μm≤d2≤65.0μm，78.0μm≤d3≤83.0μm；
当59.0μm≤d1≤61.0μm时，72.0μm≤d2≤85.0μm，98.0μm≤d3≤105.0μm；
当79.0μm≤d1≤81.0μm时，100.0μm≤d2≤115.0μm，134.0μm≤d3≤140.0μm，或者115.0μm≤d2≤135.0μm，164.0μm≤d3≤170.0μm；
当124.0μm≤d1≤126.0μm时，170.0μm≤d2≤205.0μm，235.0μm≤d3≤250.0μm。
11.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：工作波长为850nm时，所述保偏光纤衰减小于2.2dB/km，消光比高于20dB/km，工作波长为1310nm时，所述保偏光纤衰减小于0.4dB/km，消光比高于28dB/km，工作波长为1550nm时，所述保偏光纤衰减小于0.3dB/km，消光比高于25dB/km；
在-55℃～90℃下，所述保偏光纤1550nm的每公里全温衰减变化量小于0.2dB，全温消光比变化量小于3dB。
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