CN111694091A - 一种气体包层低损耗偏振光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体包层低损耗偏振光纤，由一个薄片状的芯、紧紧敷贴在薄片状芯上下两个平滑表面的气体包层、固体外包层和有机树脂保护涂层组成。本发明所提供的气体包层低损耗偏振光纤，独创的光纤薄片芯结构设计使得光纤能够用做起偏器，不但确保了传输偏振光极其稳定的偏振性能，而且所有的非横模能量全部被截止，消除了外界的干扰和噪声；超高纯石英玻璃作芯，最纯净的气体作包层组成了当今世界上最完善的光波导，把材料吸收和波导缺陷导致的光纤损耗都降到了最低；尤其是气体包层偏振光纤的制造过程全部是纯物理过程，淘汰了光纤生产的OVD、VAD、MCVD或PCVD等化学沉积过程，不但消除了光纤生产对环境的严重污染，而且还大幅度地降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤，特别涉及一种气体包层低损耗偏振光纤。
背景技术
光纤是当代的一项伟大发明，从多模光纤G651和单模光纤G652开始，陆续出现了G653、G654到G657等多种不同传输性能的单模光纤。1979年，Kaminow等人提出了偏振保持光纤的概念，偏振保持光纤相干通信系统能够大幅度提高每根光纤的传输容量。研究表明，目前单模光纤传输通信系统，不论是哪一种光纤，最大的传输容量仅是1GHz，而相干通信系统采用外差检测技术，每根光纤的理论传输容量能够达到104-105GHz，是目前正在运行的光纤通信系统中的每根光纤传输容量的1万倍到10万倍。
除相干通信外，偏振保持光纤还广泛应用于制作各种传感器的主体，如探测温度、压力、形变等等。相干光纤陀螺仪、光纤电力互感器等也都是当今偏振保持光纤应用的尖端技术领域。
目前国内外市场最流行的偏振保持光纤只有一种产品为主，称作“熊猫光纤”。所谓熊猫光纤，是因为它的断面图形中有二只黑斑，类似熊猫的眼睛，如图1。熊猫光纤两只熊猫眼，是在光纤预制棒制作过程中用机械加工的办法在光纤芯的两侧各植入了一支掺硼元素的石英玻璃棒。芯两侧的掺硼棒破坏了光纤横截面的圆对称，截面不对称结构及掺硼棒与光纤包层强大的机械应力造成横模HE11x的传播常数βx与纵模HE11y的传播常数βy之间产生差别，βx≠βy，阻碍了横模与纵模简并和交叉耦合，迫使模间产生双折射Δβ，并且使βx＞＞βy，Δβ越大光纤传输偏振光的偏振态保持的就越好。熊猫光纤就是利用模间的双折射Δβ保持传输光的偏振态。
然而，熊猫光纤模间的双折射Δβ是由两种因素引发的，应力和折射率差。植入光纤芯两侧的掺硼石英玻璃棒与包层的玻璃结构有很大的差别，折射率有明显差别，折射率差引发强烈的双折射；同时包层与掺硼棒之间存在强大的机械内应力，机械内应力也引发了强烈的双折射。强烈的双折射阻碍了HE11x和HE11y的简并和交叉耦合。所以，熊猫偏振保持光纤是利用芯周围强烈的双折射破坏HE11x和HE11y的平衡，达到维持被传输光的偏振态的目的，双折射强弱直接决定传输光的偏振态。很明显，熊猫光纤芯周围的双折射主要是由两个分量决定的，折射率差产生的双折射和机械内应力引发光的双折射两个分量共同决定的。所以，熊猫、领结等偏振保持光纤都称之应力致偏偏振保持光纤。在中学时代人们已经熟知，机械内应力对环境温度变化十分敏感，熊猫光纤包层与掺硼部分界面上的机械内应力会随环境温度变化而变化，当然，由内应力引发的双折射必然随环境温度变化而变化。既然传输光的偏振态是由双折射Δβ保证的，Δβ随环境温度变化而发生了改变，传输光的偏振态当然就没有办法确保稳定了。
因此，温度性能不好是熊猫偏振保持光纤的一大技术性能缺陷。除了温度性能不够好之外，熊猫光纤还有另外二个重要的技术性能缺陷：
(1)不能耐受高温炙烤和宇宙射线辐射：熊猫光纤的光波导是由掺锗的石英玻璃芯和纯的石英玻璃包层组成的。而锗元素在光纤芯的玻璃结构的网格中不够稳定，当熊猫光纤受到高温炙烤或宇宙射线辐射时，芯中的锗元素会从光纤的芯中向包层中扩散和游离，一旦光纤芯中部分锗元素粒子越过了芯和包层之间的界面，进入光纤包层，包层的折射率会迅速上升，光纤的光波导结构就会被破坏，偏振光及其它所有光都不再能够被有效传输，光纤就丧失了传光的功能。然而，很多传感器件必须工作在恶劣的环境条件之下，尤其光纤相干陀螺仪必需跟随宇宙航行器进入外太空遭受宇宙射线的辐射。不能耐受高温炙烤和宇宙射线辐射是熊猫光纤的第二大技术性能缺陷。
(2)接续性能差：熊猫光纤横截面不是圆对称结构，两段接续时两端面相应的部位很难对齐，如果采用参考输出端的接受功率，认为接受功率的最大值就是最佳接续，HE11x和HE11y紊乱以后输出端功率会叠加，因此，接受功率的最大值不是熊猫等偏振保持光纤的最佳接续。熊猫光纤只能维持被传输偏振光的偏振态，不能用作起偏器，所以，也不能用测消光比的办法判断接续的好坏。无法判断接续的好坏，就无法进行无穷次地重复接续。熊猫光纤的接续性能很差，阻碍了相干光通信的技术发展。这是熊猫光纤的第三大技术性能缺陷。
尽管熊猫偏振保持光纤有多项关键的技术性能缺陷，然而国内外市场销量却逐年都有大幅度的增加，主要原因是：当今世界人工智能技术发展是工业技术发展、军事等等技术发展的核心，而智能技术发展的关键基础之一就是传感。如果不能赋予机器、装备、操作系统等的“大脑”感知，它们就不能采集到目标、环境等各种条件变化的信息，没有信息传给“大脑”，大脑就没办法进行思考、推理、计算----发出指令，所以传感技术是当今人工智能技术发展的关键基础之一。而相干光纤传感器是目前灵敏度最高、探测范围最广、体积最小、重量最轻的传感器。所以，偏振光纤市场近期和将来逐年都会有大幅度增长。针对国内外市场逐年大幅度增长的销量和“熊猫”光纤产品存在的多项关键的技术性能缺陷，我们设计、研发成功了“一种气体包层低损耗偏振光纤”——国际性的创新成果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有光纤温度性能不好、不能耐受高温炙烤和宇宙射线辐射、接续非常困难等诸多技术性能缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种气体包层低损耗偏振光纤是由一个薄片状的芯、紧紧敷贴在薄片状芯上下两个平滑表面的气体包层、固体外包层和有机树脂保护涂层组成。
进一步的，光纤芯材料不需要掺入任何化学元素，采用与固体外包层相同的超高纯石英玻璃。
进一步的，薄片状光纤芯中传输的光是绝对的全偏振光。
进一步的，固体外包层与薄片状光纤芯两个横向端相连，消除了HE11y光线传播的可能性。
进一步的，薄片状的光纤芯使得光纤的遮光比达到了100dB。
进一步的，超高纯气体被固体外包层包裹在了光纤中。
进一步的，气体包层的气体紧敷贴在薄片状光纤芯的上下两个平滑的表面，芯与包层之间不产生间隙或出现缺陷，把波导结构不完善引起的散射降到了最低。
进一步的，气体包层与芯之间结构界面上不存在任何应力，光纤芯与包层组成的波导介面上不会出现光的弹性反射以及弹性双折射等非线性效应，大幅度减少了对传输能量的消耗。
从光学的基本知识或光纤的传光原理知道：光线从光密物质(如光纤芯)向光稀物质(如光纤包层)传播时，当入射角大于临界角时，光线就会在两物质的界面上产生全反射，返回到光密物质中继续在光密物质(如光纤芯)中向前传播，如图3。
薄片状的光纤芯采用的是超低羟基的光纤级超高纯石英玻璃，折射率n1约1.457；紧敷贴在薄片状上下两个平滑表面的超高纯低分子量的惰性气体的折射率n2约等于1。n1＞n2，薄片状的芯与气体包层组合成了一个完美的平面光波导，当光矢量横向波动的光，HE11x模，在光纤芯中向前传播时，光线会在芯和上下气体包层构成的光学介面上产生全反射，保持光线始终在光纤芯中沿轴线向前传输。与传统的单模光纤的传输原理相同。
然而在薄片状的光纤芯中纵模HE11y的光线传播途径则完全不同：纵波振动矢量方向垂直于薄片状光纤芯上下两个平面，振动受到了制约，传播方向与振动矢量方向垂直。光纤芯直接与外包层相连，见图2，而光纤芯与外包层选用的材料玻璃结构相同，折射率完全相同，芯与固体外包层之间没有分界面，HE11y的光线从芯向固体外包层传播时，没有光学结构使它产生全反射，光纤的结构没有为HE11y模的传输提供波导。光纤芯中纵向振动的光线就会穿过固体外包层直奔更高折射率的有机保护涂层，全被涂层吸收，再没有机会返回到光纤芯中。因为光线有一基本特性：在传播过程中光线总是选择密度较高的物质(折射率相对较高)作为自己的首选途径。薄片状的光纤芯与高纯气体包层构成的平面光波导只为横波HE11x的传导提供了最佳媒介，没有为HE11y模式传输提供任何可能性。
根据偏振光的基本概念：当光矢量在一个固定的平面内只沿一个固定方向作振动，其振动方向始终保持在该固定平面内，这种光称作“偏振光”。薄片状的光纤芯将光矢量限制在了一个固定的平面内只沿一个固定方向振动，其振动方向始终保持在芯的横向平面内，所以，薄片状光纤芯中传输的光只有偏振光，光纤芯就是一支精良的光学偏振片------光学起偏器。
薄片状的光纤芯与超高纯气体包层构成的光波导为HE11x的光线传播提供了极佳的条件，传播常数βx数值很大；而纵模HE11y的光线没有波导提供传输的条件，HE11y不能被传输，其传播常数βy趋近于零。所以，βx＞＞βy阻断了横模HE11x与纵模HE11y简并和交叉耦合，确保了光纤芯中传输的光最佳的偏振态。By-βx＝Δβ，称为双折射，Δβ越大在光纤芯中传输的光的偏振态越稳定。熊猫偏振保持光纤的双折射系数Δβ大约在10-5量级；光子晶体偏振保持光纤的双折射系数Δβ大约在10-3量级。而我们的气体包层低损耗偏振光纤的双折射Δβ，由于βy趋近于0，而薄片状光纤芯βx只与芯材料的群折射系数n有关。
Δβ＝(-0)-(-1.52)＝-1.52
Δβ约为-1.52，大于熊猫偏振保持光纤Δβp约4个数量级。所以，气体包层低损耗偏振光纤芯中传输光的偏振稳定性能远远优于熊猫偏振保持光纤也优于光子晶体偏振保持光纤。
气体包层低损耗偏振光纤与传统的单模光纤相同，基模的功率分布：
光纤的截止半径：
模场直径：
根据传输系统不同波长对模场直径的要求，利用上述公式计算出薄片状芯的厚度：
工作波长1310nm系统，芯的厚度3±1μm；
工作波长1550nm系统，芯的厚度4±1μm。
从图2清楚看出气体包层低损耗偏振光纤的内部结构，除气体包层中充的气体之外芯和固体外包层都选用了不需要掺入其它的化学元素的同一种超高纯石英玻璃材料，芯和固体外包层之间不存在层面或界限，因此，芯与气体包层之间、芯与固体外包层之间都不存在应力；因为芯和包层中都没有其它任何化学杂质元素存在，所以，无论光纤工作在什么样的环境中，无论是高温炙烤还是宇宙射线辐射，芯和包层都不可能出现任何化学元素离子扩散、游离或迁移；气体包层低损耗偏振光纤是利用光纤芯的几何形状确保传输光的偏振性能，芯的几何尺寸当然是技术性能的关键，然而，高纯石英玻璃的物理性能极好，是当今世界温度系数最低的物质之一，膨胀和收缩率都在10-7量级，所以，无论工作在多么恶劣的环境中，都不会因为环境温度的变化、受潮、化学侵蚀、高温炙烤及宇宙射线的辐射等损毁气体包层低损耗偏振光纤的技术性能和工作状态的稳定性。
气体包层低损耗偏振光纤的芯选用了超高纯石英玻璃材料，其透过率已经接近了固体透明材料的理论极限值，光纤的光学包层采用超纯净气体，组合成了当今世上最佳的光波导，将波导的材料吸收损耗和材料散射损耗都降到了最低；气体包层的气体紧敷贴在薄片状光纤芯的上下两个平滑的表面，芯与包层之间不可能产生间隙也不可能出现缺陷，把波导结构不完善引起的散射也降到了最低；气体包层与芯之间不存在结构缺陷、界面也上不存在机械应力，因此，波导介面上就不会出现光的弹性反射以及弹性双折射等非线性效应，大幅度减少了对传输能量的消耗。
从图2光纤的横截面看出，气体包层低损耗偏振光纤的横截面是一个椭圆，而薄片状的光纤芯永远与短轴重合，为气体包层低损耗偏振光纤之间相互连接提供了预判断。只要二段光纤的长轴与长轴重合、短轴与短轴重合，薄片状的芯与芯一定重合。由于薄片状的光纤芯能够用作起偏器，就能够采用测量偏振光纤的遮光比的方法判断二段光纤芯对接的状况，输出端的最大功率就是二段光纤对接的最佳状况，为无穷尽地激光熔融焊接或者机械插接提供了保证。
目前所有市售的偏振光纤、偏振保持光纤产品的性能和技术指标都能在互联网上查到。目前国际偏振光纤、偏振保持光纤产品市场销量最大的数日本富士通的熊猫光纤(Fujikura PANDA fiber)。但在它提供所有产品技术性能和技术参数里没有提供温度性能、耐宇宙射线辐射性能、接续性能和消光比。温度性能很差、不能耐受宇宙射线辐射、接续性能极差是当今世界各国偏振保持光纤产品的通病，富士通熊猫光纤当然也不例外，在他们的产品技术性能介绍中就避开了温度性能、耐受高温炙烤及宇宙射线辐射等性能。
除此之外，富士通熊猫光纤的其它技术指标：如衰减，在0.85μm波长是3dB/km；1.3μm波长衰减是1.0dB/km；1.55μm波长衰减是0.5dB/km，远高于玮尔气体包层低损耗偏振光纤样品检测结果：2.01dB/Km；0.24dB/Km和0.13dB/Km。
消光比是衡量偏振保持光纤或偏振光纤确保传输光偏振态的重要指标，消光比越高被传输光的偏振态保持地越稳定。富士通熊猫光纤、美国Tiger偏振保持光纤等，消光比都在30dB左右，而一种气体包层低损耗偏振光纤的消光比是92.7dB，是当今世界消光比最高的偏振光纤。
已在国内获得发明专利的“一种单模单偏振微结构光纤”及“一种侧漏型光子晶体光纤及其制备方法”等设计方案解决了熊猫等偏振保持、偏振光纤温度性能不好、不能够耐受宇宙射线辐射的技术缺陷，但是，它们的传输衰耗都在30dB/km以上。国际通信系统的技术标准是＜20dB/km。所以，侧漏型光子晶体光纤、单模单偏振微结构光纤等只能用于制作小型的传感器，不能够用于光纤相干通信系统以及其他远距离相干光学信息传递及探测系统，制作陀螺仪每相光纤线圈至少需要1000米长的光纤，30dB的传输损耗会大幅度降低陀螺仪的灵敏度和精度。
与国际同类产品比较，一种气体包层低损耗偏振光纤薄片状的光纤芯仅为HE11x传输提供了完美的光波导，消除了两个正交的简并和交叉耦合，消除了杂光干扰和非线性，使得消光比达到了92.7dB，是当今世界消光比最高、全偏振光传输最稳定的光纤；除外保护涂层和内光学包层充入的气体之外，光纤从里到外选用的是同一种超高纯石英玻璃材料，光纤芯与内气体包层和外固体包层之间不存在结构应力和任何应力，因此，无论光纤工作的环境如何变化，都不会影响全偏振光稳定的传输状态、无论高温炙烤还是宇宙射线剧烈照射都丝毫不能改变光纤芯、气体包层和固体外包层的结构和折射率，是当今世界温度性能最好、最能够耐受高温炙烤和强宇宙射线辐射的光纤；超高纯净的气体包层和超高纯石英玻璃芯组合成了当今世界最完美的光纤波导结构，是当今世界传输衰耗最低的偏振光纤；椭圆形横截面能够为光纤接续提供预判，任何一段一种气体包层低损耗偏振光纤都能用作起偏器，因此，使用最简单的参考功率法就能够实现无穷尽地接续；简单的结构设计，大幅度降低了生产的技术、工艺难度，是当今世界唯一的适宜商品化重复规模生产的偏振光纤；生产制造过程是全物理过程，没有化学沉积、不需要强酸腐蚀、不需要钻眼打孔等机械加工，是当今世界生产过程没有污染、生产成本最低的偏振光纤。
本发明的有益效果是：一种气体包层偏振光纤优异的技术性能能够大幅度提高光纤干涉陀螺仪的分辨率和精度、大幅度提高各种传感器和相关高端装备的技术性能；气体包层偏振光纤优异的传输性能和无穷尽地接续性能将会促进光纤相干通信技术的发展；促进高速铁路轨道实时检测技术的发展；促进输油、气管道实时检测技术的发展；促进超高压电缆输电网是实时检测技术的发展；促进光纤生产技术的改良和发展。
附图说明
图1为熊猫偏振保持光纤横截面截图。
图2为一种气体包层低损耗偏振光纤结构图。
图3为光纤的全反射传输原理图。
图4为一种气体包层低损耗偏振光纤光线在薄片状的光纤芯中传输示意图。
图5为一种气体包层低损耗偏振光纤薄片状光纤芯直接与外固体包层相连示意图。
图6为偏振光纤和偏振保持光纤的结构图。
其中，图中，1：薄片纤心，2：气体包层，3：固体包层，4：保护涂层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
检测光纤长度22.8Km；
保护涂层材料：聚酰亚胺光纤涂料
温度试验：全长22.8km
低温：-85度(摄氏)72小时输出端仪表读数变化±0.01dB
高温：+92度(摄氏)72小时输出端仪表读数变化+0.003dB
一种气体包层低损耗偏振光纤的制备方法：
一种气体包层低损耗偏振光纤制作分8个步骤：
步骤1.原材料准备：选取市售长度为1200mm的固体外包层超高纯石英玻璃套管和相同长度的光纤芯管。
步骤2.清洗、抛光芯管和套管
步骤3.将芯管装入套管
步骤4.将芯管与套管一端对齐，然后用氢氧火焰将对齐的一端融缩成棒，然后拉锥，制作成预制棒。
步骤5.清洗、抛光预制棒
步骤6.将清洗、抛光后的预制棒装夹到拉丝塔，送入2000℃的高温炉中，顶部加入气压36Kpa，将预制棒拉制成偏振光纤。
步骤7.筛选
步骤8.性能测试
整个制造过程没有化学沉积、没有化学腐蚀，没有机械加工，是纯物理制造过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种气体包层低损耗偏振光纤，其特征在于：光纤由一个薄片状的芯、紧紧敷贴在薄片状芯上下两个平滑表面的气体包层、固体外包层和有机树脂保护涂层组成。
2.根据权利要求1所述的一种气体包层低损耗偏振光纤，其特征在于：光纤芯材料不需要掺入任何化学元素，采用与固体外包层相同的超高纯石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种气体包层低损耗偏振光纤，其特征在于：薄片状光纤芯中传输的光是绝对的全偏振光。
4.根据权利要求1所述的一种气体包层低损耗偏振光纤，其特征在于：固体外包层与薄片状光纤芯两个横向端相连，消除了HElly光线传播的可能性。
5.根据权利要求1所述的一种气体包层低损耗偏振光纤，其特征在于：薄片状的光纤芯使得光纤的遮光比达到了100dB。
6.根据权利要求1所述的一种气体包层低损耗偏振光纤，其特征在于：超高纯气体被固体外包层包裹在了光纤中。
7.根据权利要求1所述的一种气体包层低损耗偏振光纤，其特征在于：气体包层的气体紧敷贴在薄片状光纤芯的上下两个平滑的表面，芯与包层之间不产生间隙或出现缺陷，把波导结构不完善引起的散射降到了最低。
8.根据权利要求1所述的一种气体包层低损耗偏振光纤，其特征在于：气体包层与芯之间结构界面上不存在任何应力，光纤芯与包层组成的波导介面上不会出现光的弹性反射以及弹性双折射等非线性效应，大幅度减少了对传输能量的消耗。
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Citations (3)
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| US20060263024A1 (en) * | 2005-05-20 | 2006-11-23 | Liang Dong | Single mode propagation in fibers and rods with large leakage channels |
| CN101788698A (zh) * | 2010-01-28 | 2010-07-28 | 哈尔滨工程大学 | 类矩形多芯保偏光纤及其制作方法 |
| CN104678487A (zh) * | 2015-02-11 | 2015-06-03 | 李德建 | 气体包层偏振保持光纤 |
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2020
- 2020-07-09 CN CN202010683523.6A patent/CN111694091A/zh active Pending
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