CN112147739B - 光纤陀螺用抗弯抗扭光纤及使用该光纤的传感光纤环和光纤陀螺 - Google Patents

光纤陀螺用抗弯抗扭光纤及使用该光纤的传感光纤环和光纤陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺用抗弯抗扭光纤，其为螺旋高双折射保偏光纤，在光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。本发明还提供使用该光纤的传感光纤环和光纤陀螺。以熊猫光纤为例，本发明的光纤在未弯曲状态下两个应力区的位置是互相交替的，而在弯曲状态下两个应力区在光纤被弯曲的圆弧內缘和外缘也是互相交替变化的，因而实际光纤的弯曲效应被全部抵消了，且光纤随机扭转产生的圆双折射特性远远小于光纤本身螺旋结构产生的固有圆双折射特性，确保了其具有稳定的温度特性和抗弯抗扭的特性。

Description

光纤陀螺用抗弯抗扭光纤及使用该光纤的传感光纤环和光纤 陀螺
技术领域
本发明与光纤技术有关，具体属于一种光纤陀螺用抗弯抗扭光纤、由该抗弯抗扭光纤制成的传感光纤环以及具有该传感光纤环的光纤陀螺，以解决现有光纤的性能很难满足高精度光纤陀螺的要求。
背景技术
光纤陀螺的研发与应用在西方国家已经超过了30年，而在国内真正起步和发展却不到20年，其中主要受制于多方面的核心材料，目前它已经被广泛应用于国防工业领域，是导弹、卫星、潜艇的重要导航设备。据不完全统计，去年国内生产的各类光纤陀螺超过五万个，但生产高精度光纤陀螺仍然是一项十分艰巨的任务。总体来讲，美国Honeywell公司和法国ixblue公司生产的光纤陀螺，其精度比国内的光纤陀螺高出1-2个数量级，可以看出差距还是相当大的。
光纤陀螺的主要组成部分包括光源、光纤耦合器、Y波导相位调制器、由高线双折射保线偏振光纤构成的传感光纤环、探测器及信号处理单元，其中传感光纤环是高精度光纤陀螺的最核心部分。在高精度光纤陀螺的传感光纤环中，光纤的长度通常有 2公里-3公里，影响传感光纤环性能的因素很多，除了光纤本身的结构和质量外，还有绕制传感光纤环时所累积的光纤弯曲应力效应和光纤扭转应力效应，以及胶的匹配性等因素。
由于国内几乎所有的光纤陀螺生产厂家目前都采用普通的熊猫型线保偏光纤，如图1所示，这里将对以熊猫型线保偏光纤作为一个例子进行分析。这类光纤属于应力型线保偏光纤，其应力区在整个光纤包层的横截面内占据比较大的面积(可称其为应力区占据因子)，且每个应力区中心与纤芯中心之间的距离较远。前述熊猫型线保偏光纤在没有弯曲的状况下偏振特性随温度变化非常敏感，例如其拍长从-40℃至+85℃变化高达11％，在弯曲加随机扭转的状况下其偏振特性的不确定因素就更多了。根据目前了解到的多方信息，现在国外光纤陀螺做得最好的两家公司采用的都是小应力区线保偏光纤(变异的Bow-Tie光纤、椭圆包层光纤等)，且应力区中心非常靠近纤芯，如图3所示，这是国内与国外在光纤陀螺的传感光纤环材料选型时的最明显差别。上述熊猫型线保偏光纤和小应力区线保偏光纤弯曲后的状态如图2、图4所示，从图2 和图4可以非常直观地发现，图1的熊猫型线保偏光纤要比图3的小应力区线保偏光纤受弯曲影响和温度影响更大，而且弯曲越小，对性能影响越大。另外，法国iXsea 公司(ixblue的兄弟公司)声称其生产的光纤是没有随机扭转的，其生产技术对国内光纤制造商目前所掌握的光纤拉丝工艺技术来说是无法想象的，首先不知如何测试，也就更无法实现。美国Honeywell公司把拍长为2.6mm的双折射线保偏光纤称之为低双折射光纤，而在国内大家却都称之为高双折射光纤。
鉴于上述情况，如何设计生产一种满足高精度光纤陀螺要求的抗弯抗扭的光纤成为国内光纤领域首要解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光纤陀螺用抗弯抗扭光纤，可以解决现有光纤无法满足高精度光纤陀螺的性能要求的问题。同时本发明还提供利用所述抗弯抗扭光纤制成的传感光纤环以及使用该传感光纤环的光纤陀螺。
为解决上述技术问题，本发明的光纤陀螺用抗弯抗扭光纤，所述光纤为用于光纤陀螺的螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。以熊猫型保偏光纤为例，其包括纤芯、应力区和包层，所述纤芯位于所述包层的中心，所述应力区对称分布在所述纤芯的两侧且位于所述包层中，所述光纤为用于光纤陀螺的螺旋高双折射保偏光纤，其中，所述应力区在包层中形成的的双折射取向以围绕纤芯且在光纤轴向方向上呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
进一步的，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
同时，本发明还提供前述抗弯抗扭光纤制成的传感光纤环，所述传感光纤环由一抗弯抗扭光纤绕制而成，所述抗弯抗扭光纤为用于光纤陀螺的螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。以熊猫型光纤为例，其包括纤芯、应力区和包层，所述纤芯位于所述包层的中心，所述应力区对称分布在所述纤芯的两侧且位于所述包层中，所述应力区在包层中形成的双折射取向以围绕纤芯且在光纤轴向方向上呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
进一步的，所述抗弯抗扭光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
同时，本发明还提供含有所述抗弯抗扭光纤制成的传感光纤环的光纤陀螺，其包括光源、光纤耦合器、Y波导相位调制器、传感光纤环和探测器；所述光源和探测器均连接到所述光纤耦合器的两个输入端，所述光纤耦合器的一个输出端与所述Y波导相位调制器的输入端连接，所述光纤耦合器的另一输出端空置，所述Y波导相位调制器的两个输出端与传感光纤环的尾纤熔接；
所述传感光纤环由一抗弯抗扭光纤绕制而成，所述抗弯抗扭光纤为螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。以熊猫光纤为例，其包括纤芯、应力区和包层，所述纤芯位于所述包层的中心，所述应力区对称分布在所述纤芯的两侧且位于所述包层中，所述应力区在包层中形成的双折射取向以围绕纤芯且在光纤轴向方向上呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
进一步的，所述抗弯抗扭光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
进一步的，所述Y波导相位调制器的输出端为非螺旋高双折射线保偏光纤。或者，所述Y波导相位调制器的输出端为抗弯抗扭光纤。
此外，本发明还提供另一种包含前述抗弯抗扭光纤制成的传感光纤环的光纤陀螺，包括光源、光纤耦合器、Y波导相位调制器、传感光纤环和探测器；所述光源和探测器均连接到所述光纤耦合器的两个输入端，所述光纤耦合器的一个输出端与所述 Y波导相位调制器的输入端连接，所述光纤耦合器的另一输出端空置，所述传感光纤环的尾纤直接与Y波导相位调制器耦合；
所述传感光纤环由一抗弯抗扭光纤绕制而成，所述抗弯抗扭光纤为螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。以熊猫光纤为例，其包括纤芯、应力区和包层，所述纤芯位于所述包层的中心，所述应力区对称分布在所述纤芯的两侧且位于所述包层中，所述应力区在包层中形成的双折射取向以围绕纤芯且在光纤轴向方向上呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
进一步的，所述抗弯抗扭光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
与现有技术相比，本发明的抗弯抗扭光纤主要用于光纤陀螺中，尤其适用高精度光纤陀螺。本发明的光纤为用于光纤陀螺的螺旋高双折射保偏光纤，自身的双折射螺距较大，且在光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤传输轴向是周期性螺旋变化的。以常用的熊猫光纤为例，在未弯曲状态下，两个应力区的位置是互相交替的，而在弯曲状态下，两个应力区在光纤被弯曲的圆弧内 缘(或者圆弧外缘)也是交替变化的，因而这种光纤实际所受到的张紧和压迫被全部抵消了，从而保证光纤本身的传感特性与现有光纤陀螺中所用的光纤的传感特性相同，同时确保了其具有稳定的温度特性和抗弯抗扭的特性，为应用于高精度光纤陀螺提供了实现基础。
附图说明
图1为现有的熊猫型线保偏光纤的横截面结构的示意图；
图2为图1所示的熊猫型线保偏光纤弯曲后的示意图；
图3为现有的小应力区线保偏光纤的横截面结构的示意图；
图4为图3所示的小应力区线保偏光纤弯曲后的示意图；
图5为本发明的抗弯抗扭的光纤未弯曲的示意图；
图6为本发明的抗弯抗扭的光纤弯曲后的示意图；
图7为使用本发明的抗弯抗扭的光纤制成的一种光纤陀螺的示意图；
图8为使用本发明的抗弯抗扭的光纤制成的另一种光纤陀螺的示意图。
其中附图标记说明如下：
1为包层；2为纤芯；3为应力区。
具体实施方式
本发明的光纤陀螺用抗弯抗扭光纤，所述光纤为用于光纤陀螺的螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
优选的，所述螺旋高双折射保偏光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
各类非螺旋的双折射线保偏光纤(如应力型保偏光纤中的熊猫光纤、一字光纤、领结光纤、椭圆包层光纤以及非应力型保偏光纤中的线保偏光子晶体光纤、椭圆芯光纤等)采用上述螺旋结构并用于光纤陀螺中都可以提高光纤陀螺中传感光纤环的稳定性。
下面结合附图通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，本领域技术人员在不背离本发明的精神下可以进行各种类似推广和替换。
本发明提供的光纤陀螺用抗弯抗扭光纤，以熊猫光纤为例，如图5、图6所示，包括纤芯2、应力区3和包层1，所述纤芯2位于所述包层1的中心，所述应力区3 对称分布在所述纤芯2的两侧且位于所述包层1中，所述光纤为螺旋高双折射保偏光纤，其中，所述应力区3在包层1中形成的双折射取向以围绕纤芯2且在光纤轴向方向上呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
具体地，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
众所周知，目前光纤陀螺所用的光纤都属于高双折射线保偏光纤，在光纤横截面内，其双折射取向沿光纤轴向方向是不变的，100米长的光纤的线偏振串音一般大于 30dB。
相比之下，本发明的光纤仍是高双折射保偏光纤，但在光纤横截面内，其双折射取向沿光纤轴向方向是周期性螺旋变化的，即为螺旋双折射结构，以熊猫光纤为例，如图5、图6所示。在本发明的光纤中，传输的基本仍属于线偏振光(也可称为高椭圆偏振光，椭圆偏振光的偏振面与光纤的双折射取向同步旋转)，线偏振光的偏振度约为10dB-18dB。一旦光纤的螺距确定，线偏振度也是确定的，这是由于圆双折射所产生的稳定耦合的结果，不是随机耦合引起的，其大小取决于螺旋双折射结构的螺距，螺距越短，偏振度就越低，反之就越高。
以熊猫光纤为例，如图5、图6所示，为方便区分，本发明的抗弯抗扭光纤的两个相同的应力区3分别用黑色和灰色表示，但实际上是完全一样的，且对称地分布在纤芯2的两侧。
另外，本发明的抗弯抗扭光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍，假如非螺旋高双折射线保偏光纤的拍长为2.5mm，那么前述螺旋双折射线保偏光纤的螺距为25mm至75mm(为了直观地说明问题，图5和图6并未按比例绘制)。
以熊猫光纤为例，图5为本发明的抗弯抗扭光纤未弯曲时的情况，可以看到光纤中两个应力区的位置以纤芯为中心是互相交替的。图6为本发明的一段光纤被弯曲时的情况，两个应力区沿光纤被弯曲的圆弧内缘和外缘互相交替变化，对同一个应力区而言，周期性螺旋变化使得应力区交替经历张紧和压迫，因而这种光纤在外缘所受到的张紧和在内 缘所受到的压迫实际被全部抵消了，即光纤的弯曲效应实际全部抵消，如同一根笔直放置的光纤。另外光纤随机扭转所产生的圆双折射特性远远小于由螺旋双折射结构所产生的固有稳定的圆双折射，因而其中光纤的随机扭转效应可以忽略不计，从而确保了这类光纤具较稳定的温度特性，并且具有良好的抗弯抗扭性能。
本发明的光纤的螺旋双折射结构可以通过拉丝时高速旋转光纤预制棒获得，也可以通过高速转动正在拉制光纤而制得，具体可参阅发明专利申请CN103359929A中公开的制造方法。用于光纤陀螺的光纤比较容易拉制，拉制的速度比较快，属于目前相对比较成熟的工艺，故不详细描述。
在上述基础上，本发明还提供传感光纤环，该传感光纤环由前述抗弯抗扭光纤绕制而成，所述抗弯抗扭光纤为螺旋高双折射保偏光纤，以熊猫光纤为例，其中包括纤芯、应力区和包层，所述纤芯位于所述包层的中心，所述应力区对称分布在所述纤芯的两侧且位于所述包层中，所述应力区在包层形成的双折射取向以围绕纤芯且在光纤轴向方向上呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
进一步地，如图7所示，本发明提供包含由前述抗弯抗扭光纤制成的传感光纤环的光纤陀螺，其包括光源、光纤耦合器、Y波导相位调制器(简称Y波导调制器)、传感光纤环和探测器；所述光源和探测器均连接到所述光纤耦合器的两个输入端，所述光纤耦合器的一个输出端与所述Y波导相位调制器的输入端连接，所述光纤耦合器的另一输出端空置，所述Y波导相位调制器与传感光纤环的尾纤连接。针对不同的设计，光纤耦合器可能是熔融拉锥型的，也有可能是微光器件型的，还有厂家也采用光环形器。
本发明的光纤陀螺中的传感光纤环由抗弯抗扭光纤绕制而成，替代传统光纤陀螺的光纤(即不存在螺旋高双折射结构)。所述抗弯抗扭光纤为螺旋高双折射保偏光纤，以熊猫光纤为例，其包括纤芯、应力区和包层，所述纤芯位于所述包层的中心，所述应力区对称分布在所述纤芯的两侧且位于所述包层中，所述应力区在包层中形成的双折射取向以围绕纤芯且在光纤轴向方向上呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10 倍。
在上述传感光纤环和光纤陀螺中，所述抗弯抗扭光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
结合现在光纤陀螺的实际工艺情况，主要有三种使用情况：
第一种，Y波导相位调制器的两个输出端A、B与传感光纤环的尾纤熔接，如图7 所示，Y波导相位调制器的两个输出端A、B为普通的非螺旋高双折射线保偏光纤，分别与本发明的抗弯抗扭光纤制成的传感光纤环的尾纤端口C、D熔接，即输出端A和尾纤端口C熔接、输出端B和尾纤端口D熔接；
第二种，Y波导相位调制器的两个输出端A、B与传感光纤环的尾纤熔接，如图7 所示，所述Y波导相位调制器的输出端为本发明的抗弯抗扭光纤(螺旋高双折射保偏光纤)，分别与本发明的抗弯抗扭光纤制成的传感光纤环的尾纤端口C、D熔接，即输出端A和尾纤端口C熔接、输出端B和尾纤端口D熔接；
第三种，传感光纤环的尾纤直接与Y波导相位调制器耦合，如图8所示，螺旋高双折射保偏光纤制成的传感光纤环的尾纤端口C、D直接与Y波导相位调制器耦合，在Y波导相位调制器与传感光纤环之间不存在任何熔接点。
以上通过具体实施例对本发明的内容进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。对本领域的技术人员来说，本发明的保护范围还包括那些在不脱离本发明原理的情况下所作出的各种变形和改进。

Claims (11)

1.一种光纤陀螺用抗弯抗扭光纤，其特征在于，所述光纤为用于光纤陀螺的螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
2.根据权利要求1所述的抗弯抗扭光纤，其特征在于，所述螺旋高双折射保偏光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
3.根据权利要求1所述的光纤陀螺用抗弯抗扭光纤，其特征在于，所述螺旋高双折射保偏光纤为应力型保偏光纤，其中应力区在包层中形成的双折射取向以围绕纤芯且在光纤轴向方向上呈周期性螺旋分布的方式变化。
4.根据权利要求1所述的光纤陀螺用抗弯抗扭光纤，其特征在于，所述螺旋高双折射保偏光纤为非应力型保偏光纤。
5.一种传感光纤环，其特征在于，所述传感光纤环由一抗弯抗扭光纤绕制而成，所述抗弯抗扭光纤为用于光纤陀螺的螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
6.根据权利要求5所述的传感光纤环，其特征在于，所述抗弯抗扭光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
7.一种光纤陀螺，其特征在于，包括光源、光纤耦合器、Y波导相位调制器、传感光纤环和探测器；所述光源和探测器均连接到所述光纤耦合器的两个输入端，所述光纤耦合器的一个输出端与所述Y波导相位调制器的输入端连接，所述光纤耦合器的另一输出端空置，所述Y波导相位调制器的两个输出端与传感光纤环的尾纤熔接；
所述传感光纤环由一抗弯抗扭光纤绕制而成，所述抗弯抗扭光纤为螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
8.根据权利要求7所述的光纤陀螺，其特征在于，所述抗弯抗扭光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
9.根据权利要求7所述的光纤陀螺，其特征在于，所述Y波导相位调制器的输出端为非螺旋高双折射线保偏光纤或为抗弯抗扭光纤。
10.一种光纤陀螺，其特征在于，包括光源、光纤耦合器、Y波导相位调制器、传感光纤环和探测器；所述光源和探测器均连接到所述光纤耦合器的两个输入端，所述光纤耦合器的一个输出端与所述Y波导相位调制器的输入端连接，所述光纤耦合器的另一输出端空置，所述传感光纤环的尾纤直接与Y波导相位调制器耦合；
所述传感光纤环由一抗弯抗扭光纤绕制而成，所述抗弯抗扭光纤为螺旋高双折射保偏光纤，在所述光纤横截面内，光纤的双折射取向沿光纤轴向方向呈周期性螺旋分布的方式变化，所述光纤的螺旋双折射结构的螺距是对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的至少10倍。
11.根据权利要求10所述的光纤陀螺，其特征在于，所述抗弯抗扭光纤的螺旋双折射结构的螺距为对应的非螺旋高双折射线保偏光纤的线偏振拍长的10倍～30倍。
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