CN110927861A - 9芯结构的细径保偏光子带隙光纤及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种9芯结构的细径保偏光子带隙光纤及制备方法，采取抽掉纤芯9芯而不是传统的7芯、19芯或者37芯结构的预制棒制备方法，从而得到9芯空芯光子带隙光纤。同时，本发明通过增大光纤占空比、减少包层空气孔层数以及选择合适的包层周期大小，在减小裸光纤外径的前提下还能够实现保偏和低损耗的性能，该光纤具有极强的抗弯曲能力，为提高光纤陀螺仪等传感器件的精度以及实现器件小型化的发展具有重要意义。

Description

9芯结构的细径保偏光子带隙光纤及制备方法

技术领域

本发明涉及光纤，特别是一种9芯结构的细径保偏光子带隙光纤及制备方法。

背景技术

空芯光子带隙光纤是一种由于带隙效应，将光场限制在光纤的空芯区域轴向传播的特种光纤，它由空气缺陷孔和周期分布的空气孔形成。空芯光子带隙光纤一般是由纯石英管制成，通过改变空气孔的排列方式和周期大小可以控制光的传播带宽。空芯光子带隙光纤特殊的结构和传光方式使其具有许多独特的优点：

1)对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低；

2)散射低、损耗小、传输参数稳定、对弯曲不敏感；

3)光在空气中传播，所以非线性效应很低。

目前来看，空芯光子带隙光纤的这些优异特性，对光纤陀螺仪的研究意义重大。光纤陀螺仪需要在复杂的环境下应用，因此需要有极强的环境适应性，而空芯光子带隙光纤恰好具有这个优势，这也是目前传统“熊猫型”保偏光纤不具有的性能。

光纤陀螺仪是基于萨格纳克效应的旋转角速度传感器。光纤陀螺仪的灵敏度与光纤环的直径、长度和环境稳定性有关，而光纤是光纤环的核心部件。普通石英光纤受环境变化影响大，会使光纤陀螺仪的零位漂移以及信号衰弱，如果以保偏光子带隙光纤作为光纤环，则能够克服这一问题，从而减小零位漂移以及信号衰弱等现象。保偏光子带隙光纤的研制对于光纤陀螺仪精度的提高的有重大的意义。目前商用的光子带隙光纤的裸纤外径在120μm以上，比普通石英保偏光纤的80μm大50％，这会导致绕在光纤环上的圈数减少，对提高光纤陀螺仪的精度以及器件小型化发展不利。因此具有保偏作用的细径光子带隙光纤的研制具有巨大市场，但是其制作难度更为复杂困难，限制了其商用推广。

体积小是光纤陀螺仪的一个优势。但要同时满足光纤陀螺仪小体积以及高灵敏度的优势，则所需要的光纤应满足以下性能：1)光纤的直径要小，这样可以在较小的空间内绕更多圈数来获得长的光路，提高测量的精度；2)光纤对弯曲敏感度较低，降低因光纤弯曲造成光功率的损失，同时绕制到光纤环上时能够得到更小的体积。而本发明所提出的细径保偏光子带隙光纤刚好能同时满足以上两个性能。

拉制保偏光子带隙光纤的方法主要有以下几种：一是以改变纤芯壁厚，引入不对称来实现保偏效果，但是该方法制作的预制棒难度极大，且拉制光纤时，参数控制需要控制相当精确；另一种是通过人为使温度以及气压不均匀使纤芯变为椭圆形，但是这种方法制作的光纤具有不可控性，且光纤包层结构会不均匀，致使损耗变大；最后一种则是通过设计使光纤纤芯结构不对称，引入双折射来实现保偏作用，该方式是目前较为可行的方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种9芯结构的细径保偏光子带隙光纤及制备方法，该保偏光子带隙光纤通过增大光纤占空比、减少包层空气孔层数以及选择合适的包层周期大小，在减小裸光纤外径的前提下还能够实现保偏和低损耗的性能，该光纤具有极强的抗弯曲能力，为提高光纤陀螺仪等传感器件的精度以及实现器件小型化的发展具有重要意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤，包括石英毛细管、石英毛细棒以及石英外套管；其特点在于：所述的石英毛细管采用六边形堆积的方法，形成空芯结构、自该空芯结构至外依次是仅有4层石英毛细管的包层、石英区域、第一石英外套管和第二石英外套管的带隙光纤，所述的空芯结构为抽取9芯类椭圆结构。

所述的石英区域、第一石英外套管和第二石英外套管的包层区域占总光纤区域面积的0.6。

该光纤包层晶格周期为4.4μm，毛细空气孔直径为4.312μm，纤芯壁厚 0.044μm，纤芯长短轴为20.30μm以及13.45μm。

上述基于9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤的制备方法，该方法包括下列步骤：

1)利用堆叠模具将石英毛细管采用六边形堆积的方式进行堆叠，形成中间缺失9根石英毛细管的空心结构的堆叠结构；

2)将所述的堆叠结构置于第一石英外套管中，并用石英实心小棒将第一石英外套管与所述的堆叠结构之间的六边空隙部分尽可能塞满，使所述的堆叠结构固定在所述的第一石英外套管内，形成第一预制棒；

3)将所述的第一预制棒塞进第二石英外套管中，形成具有一定石英区域 (4)的预制棒；

4)最后采用常规带隙光纤拉制方法将预制棒经由多次拉制形成光纤，预制棒在拉制时需要通过往所述的石英毛细管中充气的方式避免毛细管在拉丝炉中塌缩，所述的石英毛细管形成包层空气孔。

本发明的优点在于：

(1)本发明基于9芯结构的保偏空芯光子带隙光纤，不需要其他附加材料，只需要石英材料，降低了制作的复杂程度。

(2)本发明基于9芯结构的保偏空芯光子带隙光纤，只需要采用常规带隙光纤拉制方法，降低了参数控制、温度以及气压的控制精度。

(3)本发明基于9芯结构的保偏空芯光子带隙光纤，其纤芯尺寸以及占空比较大，能够降低泄露损耗，可以抵消掉包层层数减小所带来泄露损耗的提高。

(4)本发明基于9芯结构的保偏空芯光子带隙光纤，通过减少包层结构，实现细径的目的，能够在较小的空间内绕制更多圈数来获得长的光路。能够实现光纤陀螺仪高精度以及小体积的制作要求。

(5)本发明基于9芯结构的保偏空芯光子带隙光纤，可以通过多次拉制成光纤，减小拉制难度。

附图说明

图1是9芯结构的低损耗细径保偏空芯光子带隙光纤的端面示意图。

图2是9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤的两个偏振态的基模图像。

图3是9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤的两个偏振态的损耗图谱。

图4是9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤的双折射随波长变化的图。

图5是9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤弯曲时X偏振态损耗随波长变化的图。

图6是9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤弯曲时Y偏振态损耗随波长变化的图。

图7是9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤弯曲时双折射随波长变化的图，其中a为直线光纤，b为弯曲半径3厘米

图1中：

1-空心结构 2-石英毛细管 3-石英实心小棒 4-纯石英区域 5- 第一石英外套管 6-第二石英外套管

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤，包括石英毛细管2、石英毛细棒3以及石英外套；所述的石英毛细管2采用六边形堆积的方法形成空芯结构1、自该空芯结构1至外依次是仅有4层石英毛细管2的包层、石英区域4、第一石英外套管5和第二石英外套管6的带隙光纤，所述的空芯结构1为抽取9芯类椭圆结构。

所述的石英区域、第一石英外套管和第二石英外套管的包层区域占总光纤区域面积的0.6。

该光纤包层晶格周期为4.4μm，毛细空气孔直径为4.312μm，纤芯壁厚0.044 μm，纤芯长短轴为20.30μm以及13.45μm。

上述基于9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤的制备方法，该方法包括下列步骤：

1)利用堆叠模具将石英毛细管2采用六边形堆积的方式进行堆叠，形成中间缺失9根石英毛细管的空心结构1的堆叠结构；

2)将所述的堆叠结构置于第一石英外套管5中，并用石英实心小棒3将第一石英外套管5与所述的堆叠结构之间的六边空隙部分尽可能塞满，使所述的堆叠结构固定在所述的第一石英外套管5内，形成第一预制棒；

3)将所述的第一预制棒塞进第二石英外套管6中，形成具有一定石英区域4的预制棒；

4)最后采用常规带隙光纤拉制方法将预制棒经由多次拉制形成光纤，预制棒在拉制时需要通过往所述的石英毛细管2中充气的方式避免毛细管在拉丝炉中塌缩，所述的石英毛细管2形成包层空气孔。

最后拉制形成裸光纤的外径为80μm，包层空气孔的层数仅为4层，包层空气孔周期为4.4μm，每个空气孔直径为4.312μm，9芯中空结构的纤芯壁厚0.044μm，长短轴分别为20.30μm以及13.45μm。

针对本发明，通过有限元法进行建模仿真，计算其直光纤以及弯曲3cm时的损耗以及双折射特性。通过仿真，观察其基模光斑形状及偏振方向，同时改变传输波长，计算得到损耗以及双折射图谱。

从图3可以看到，在工作波长在1550nm时，对光限制较好，光能量能有效限制在纤芯中，其泄露损耗能够保持在10-20dB/km之间。同时工作波长在1500-1600nm时，其泄露损耗也能够保持在20dB/km以下，与普通光子带隙光纤相当，且谱宽100nm左右，足以满足光纤陀螺仪等传感器件的损耗要求。

从图4中可以看到，在1400nm-1700nm范围里双折射随波长增大而减小，而在1700-1750nm双折射开始增大，其中在1550nm时，其双折射为1.2×10^-4，与传统熊猫型保偏光纤的双折射相近。

图5、图6、图7分别为当光纤弯曲成3cm时，X偏振态的损耗、Y偏振态的损耗以及直光纤、弯曲半径3cm时的双折射随变长变化的图像。从图7、图 8中可以看出光纤直的情况下与弯曲3cm时的图像线型基本相同，可见双折射与光纤是否弯曲无关。说明该光纤具有极强的抗弯曲能力，非常适合应用于光纤陀螺仪。

本发明9芯结构的低损耗细径保偏空芯光子带隙光纤，是基于几何形状改变从而产生双折射效应的光纤，从而产生保偏作用，是一种新型的保偏细径保偏空芯光子带隙光纤。

实验表明，本发明保偏光子带隙光纤通过增大光纤占空比、减少包层空气孔层数以及选择合适的包层周期大小，在减小裸光纤外径的前提下还能够实现保偏和低损耗的性能，该光纤具有极强的抗弯曲能力，为提高光纤陀螺仪等传感器件的精度以及实现器件小型化的发展具有重要意义。

Claims (4)

1.一种9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤，包括石英毛细管(2)、石英毛细棒(3)以及石英外套管(6)；其特征在于：所述的石英毛细管(2)采用六边形堆积的方法，形成空芯结构(1)、自该空芯结构(1)至外依次是仅有4层石英毛细管(2)的包层、石英区域(4)、第一石英外套管(5)和第二石英外套管(6)的带隙光纤，所述的空芯结构(1)为抽取9芯类椭圆结构。

2.如权利要求1所述的基于9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤，其特征在于所述的石英区域、第一石英外套管和第二石英外套管的包层区域占总光纤区域面积的0.6。

3.如权利要求1所述的9芯结构的低损耗细径保偏空芯光子带隙光纤，其特征在于该光纤包层晶格周期为4.4μm，毛细空气孔直径为4.312μm，纤芯壁厚0.044μm，纤芯长短轴为20.30μm以及13.45μm。

4.权利要求1至3任一项所述的基于9芯结构的细径保偏空芯光子带隙光纤的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)利用堆叠模具将石英毛细管(2)采用六边形堆积的方式进行堆叠，形成中间缺失9根石英毛细管的空心结构(1)的堆叠结构；

2)将所述的堆叠结构置于第一石英外套管(5)中，并用石英实心小棒(3)将第一石英外套管(5)与所述的堆叠结构之间的六边空隙部分尽可能塞满，使所述的堆叠结构固定在所述的第一石英外套管(5)内，形成第一预制棒；

3)将所述的第一预制棒塞进第二石英外套管(6)中，形成具有一定石英区域(4)的预制棒；

4)最后采用常规带隙光纤拉制方法将预制棒经由多次拉制形成光纤，预制棒在拉制时需要通过往所述的石英毛细管(2)中充气的方式避免毛细管在拉丝炉中塌缩，所述的石英毛细管(2)形成包层空气孔。

Images