CN111443424A - 一种抗辐射保偏光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗辐射保偏光纤，包括有芯层和包层，在包层内芯层的两侧对称设置应力层，其特征在于所述的芯层直径D1为4.0～7.0μm，相对折射率差Δ1％为‑0.1％～‑0.3％，所述的应力层直径D2为15.0～25.0μm，相对折射率差Δ3％为‑0.6％～‑1.0％，所述的包层相对折射率差Δ2％为‑0.2％～‑0.5％。本发明通过芯层、包层深掺氟改变保偏光纤的波导结构和材料成分使得本发明不仅具有优异的偏振保持性能，而且可以保证在1550nm等工作波段在一定的辐照剂量下，附加衰减显著降低，小于或等于0.5dB/100m，很好的满足了光纤陀螺外太空等场合抗辐射性能要求。

Description

一种抗辐射保偏光纤
技术领域
本发明涉及一种抗辐射保偏光纤，属于光纤传感特种光纤技术领域。
背景技术
保偏光纤是特种光纤的一类。保偏光纤，即偏振保持光纤，是具有保持所传输光线的线偏振方向的光纤。保偏光纤可应用于许多领域，如复用相干通信、光纤陀螺仪、光纤水听器、偏振传感等，是一种具有广泛应用价值的特种光纤。
保偏光纤包括几何双折射和应力双折射保偏光纤。几何双折射保偏光纤的实例是椭圆芯子保偏光纤，这种保偏光纤的纤芯是椭圆形的，利用这种几何的不对称性产生双折射效应。应力双折射保偏光纤主要有蝶结型保偏光纤、熊猫型保偏光纤和椭圆包层型保偏光纤三种。这类光纤的特点是在光纤的包层中引入具有高膨胀系数的应力层挤压纤芯产生双折射效应。
上述应力双折射保偏光纤中，熊猫型保偏光纤应用最为广泛，其结构包括纤芯、应力层和包层部分，其中纤芯位于包层的中心部分，而两个圆柱状的应力层分布在纤芯的两侧。纤芯一般为锗氟共掺杂的石英玻璃、应力层一般为硼掺杂的石英玻璃、而包层一般为纯石英玻璃材料。由于硼石英具有比纯石英更大的热膨胀性能，所以应力层能够产生压应力作用于纤芯部分，从而产生所述的应力双折射使得保偏光纤具有线偏振保持性能。
光纤陀螺是一种基于光学SAGNAC效应的角速度光纤传感器，它以其全固态、没有转动部件和摩擦部件、寿命长、动态范围大、瞬时启动、结构简单、尺寸小、重量轻等优点，经过20多年的发展，逐步开始取代传统的机械陀螺。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺没有闭锁问题，装配简单，功耗低，可靠性高而且成本低。随着光纤陀螺技术的成熟，其精度可达到惯性级要求，满足卫星姿态控制需要。辐射是影响许多空间应用的最主要的因素。光纤陀螺及其光学器件在辐射环境中是十分可靠的，最大的影响是保偏光纤环的附加损耗。
卫星在空间轨道运行，接受来自空间的各种辐射。包括太阳的电磁辐射及粒子辐射。太阳的电磁辐射包括射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波及无线电波等。粒子辐射主要是来自地球辐射带、太阳宇宙线及银河宇宙线的电子、质子、α粒子、重离子等高能带电粒子辐射。在外层空间，寿命长、功耗低和抗干扰，是对惯性器件的基本要求。
光纤陀螺及其光学器件在辐射环境中相对比较可靠，但是其中保偏光纤环还是最大的影响点。在光纤陀螺表面涂覆抗辐射材料，可以提高其抗辐射性能，但是必然意味着质量的增加。人造卫星对结构重量的要求相当苛刻，因为人造卫星每增加一千克重量，需要发射系统增加几百千克。光纤陀螺辐射影响最主要的部件即为光纤环，解决光纤的抗辐射性能问题，对于光纤陀螺的抗辐射性能提高是非常重要的。
现有保偏光纤由于芯层掺杂较高浓度的Ge，由于Ge取代[SiO4]四面体中的Si从而造成四面体的扭曲，在光纤中产生应力，最终形成缺陷。而且这些杂质原子具有较强的电子亲和力，容易俘获辐照后产生的电荷形成“色心”，色心吸收特定波长的光而导致损耗增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种抗辐射保偏光纤，其在1550nm工作波段在一定的辐照剂量下具有较低的附加衰减。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有芯层和包层，在包层内芯层的两侧对称设置应力层，其特征在于所述的芯层直径D1为4.0～7.0μm，相对折射率差Δ1％为-0.1％～-0.3％，所述的应力层直径D2为15.0～25.0μm，相对折射率差Δ3％为-0.6％～-1.0％，所述的包层相对折射率差Δ2％为-0.2％～-0.5％。
按上述方案，所述的芯层为掺氟石英，所述的应力层为掺硼石英层，所述的包层为掺氟石英层。
按上述方案，所述的包层直径D3为50.0～90.0μm。
按上述方案，所述的两侧对称设置的应力层间距L与包层直径D3的比值为0.2～0.5。
按上述方案，所述的相对折射率差为各芯、包和应力层相对纯二氧化硅的折射率差。
按上述方案，所述的包层外涂覆有抗辐射涂覆层，所述的抗辐射涂覆层由内向外依次为内涂覆层和外涂覆层，内涂覆层的直径D4与外涂覆层的直径D5的差值D5-D4为10.0～30.0μm，所述的外涂覆层的直径D5为160～170μm；所述的抗辐射涂覆层可耐受温度为大于等于-60℃小于等于150℃。
按上述方案，所述保偏光纤的模式双折射率不小于3.0×10-4。
按上述方案，所述保偏光纤在0.1Gy/s剂量率和5000Gy总剂量辐照后的附加衰减小于或等于0.5dB/100m。
按上述方案，所述的芯层、包层和应力层的折射率剖面结构均为阶跃型剖面结构。
按上述方案，所述保偏光纤的筛选强度大于或等于100kpsi。
本发明的有益效果在于：通过芯层、包层深掺氟改变保偏光纤的波导结构和材料成分使得本发明不仅具有偏振保持性能，而且可以保证在1550nm等工作波段在一定的辐照剂量下，附加衰减显著降低，小于或等于0.5dB/100m，很好的满足了光纤陀螺外太空等场合抗辐射性能要求。
附图说明
图1是普通保偏光纤和抗辐射保偏光纤抗辐射性能对比图。
图2是本发明的一个实施例的抗辐射保偏光纤径向结构示意图。
图3是本发明的一个实施例的抗辐射保偏光纤折射率剖面分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
随着抗辐射石英玻璃及石英光纤的研究深入，掺氟已被证实成为提高石英玻璃及石英光纤抗辐射性能的最主要方式。F在石英玻璃网络结构中起到断网作用。在前面已经对石英玻璃中能量较高的缺陷结构进行过说明，由于Si-F键强于Si-O键，F的引入将增大较高能量状态的缺陷结构的断网几率，即有助于减少石英玻璃中的三元环与四元环缺陷。而且随着F含量的增加，缺陷浓度将随之下降。所以抗辐射保偏光纤的机理是通过芯层、包层深掺氟来达到同样于普通保偏光纤的波导结构(相同的截止波长、模场直径、本征损耗)，同时具备较强的抗辐射性能。
从图1可以看出，进行深掺氟后的保偏光纤与普通保偏光纤抗辐射性能差异非常大，抗辐射保偏光纤在一定辐照剂量(0.1Gy/s剂量率，5000Gy总剂量)后附加衰减小于0.5dB/100m，而常规保偏光纤同样辐照剂量后附加衰减大于20dB/100m。
本发明的一个实施例如图2、图3所示，为熊猫型保偏光纤，包括有芯层1和包层2，在包层内芯层的两侧对称间隔设置应力层3，所述的芯层直径为D1，相对折射率差为Δ1％，所述的应力层直径为D2，相对折射率差为Δ3％，所述的两侧对称设置的应力层间距为L，所述的包层直径为D3，相对折射率差为Δ2％，所述的芯层为掺氟石英，所述的应力层为掺硼石英层，所述的包层为掺氟石英层。所述的芯层、包层和应力层的折射率剖面结构均为阶跃型剖面结构。所述的包层外涂覆有抗辐射涂覆层，所述的抗辐射涂覆层由内向外依次为内涂覆层4和外涂覆层5，内涂覆层的直径D4与外涂覆层的直径D5的差值D5-D4为10.0～30.0μm，所述的外涂覆层的直径D5为160～170μm；所述的抗辐射涂覆层可耐受温度为大于等于-60℃小于等于150℃。所述抗辐射保偏光纤筛选强度为100kpsi。
本发明上述三个不同参数的实施例见表1～3所示。
表1
Figure BDA0002482063130000031
Figure BDA0002482063130000041
表2
光纤参数 实施例二参数
包层直径D3/μm 79.9
芯层直径D1/μm 5.7
芯层相对折射率Δ1/％ -0.333
包层相对折射率Δ2/％ -0.516
应力层直径D2/包层直径D3 0.25
应力层间距L/包层直径D3 0.275
应力层相对折射率Δ3/％ -1.0
模式双折射(×10<sup>-4</sup>) 3.8
光纤串音/(dB，零张力，100m光纤) -28
附加衰减(dB/100m，0.1Gy/s剂量率，5000Gy总剂量) 0.433
表3
光纤参数 实施例三参数
包层直径D3/μm 79.9
芯层直径D1/μm 5.5
芯层相对折射率Δ1/％ -0.277
包层相对折射率Δ2/％ -0.455
应力层直径D2/包层直径D3 0.25
应力层间距L/包层直径D3 0.275
应力层相对折射率Δ3/％ -1.0
模式双折射(×10<sup>-4</sup>) 3.8
光纤串音/(dB，零张力，100m光纤) -28
附加衰减(dB/100m，0.1Gy/s剂量率，5000Gy总剂量) 0.469

Claims (10)

1.一种抗辐射保偏光纤，包括有芯层和包层，在包层内芯层的两侧对称设置应力层，其特征在于所述的芯层直径D1为4.0～7.0μm，相对折射率差Δ1％为-0.1％～-0.3％，所述的应力层直径D2为15.0～25.0μm，相对折射率差Δ3％为-0.6％～-1.0％，所述的包层相对折射率差Δ2％为-0.2％～-0.5％。
2.按权利要求1所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述的芯层为掺氟石英，所述的应力层为掺硼石英层，所述的包层为掺氟石英层。
3.按权利要求1或2所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述的包层直径D3为50.0～90.0μm。
4.按权利要求3所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述的两侧对称设置的应力层间距L与包层直径D3的比值为0.2～0.5。
5.按权利要求1或2所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述的相对折射率差为各芯、包和应力层相对纯二氧化硅的折射率差。
6.按权利要求1或2所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述的包层外涂覆有抗辐射涂覆层，所述的抗辐射涂覆层由内向外依次为内涂覆层和外涂覆层，内涂覆层的直径D4与外涂覆层的直径D5的差值D5-D4为10.0～30.0μm，所述的外涂覆层的直径D5为160～170μm。
7.按权利要求1或2所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述保偏光纤的模式双折射率不小于3.0×10-4。
8.按权利要求1或2所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述保偏光纤在0.1Gy/s剂量率和5000Gy总剂量辐照后的附加衰减小于或等于0.5dB/100m。
9.按权利要求1或2所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述的芯层、包层和应力层的折射率剖面结构均为阶跃型剖面结构。
10.按权利要求6所述的抗辐射保偏光纤，其特征在于所述保偏光纤的筛选强度大于或等于100kpsi。
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