CN113721318B - 一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤及制备方法 - Google Patents

一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤及制备方法，属于光纤和光纤陀螺领域；包括纤芯空芯结构、石英毛细管、石英毛细棒、第一层石英外套管和第二层石英外套管；其中，第一层石英外套管和第二层石英外套管均为中空筒状结构；第二层石英外套管同轴套装在第一层石英外套管的外壁；石英毛细管同轴紧凑堆叠在第一层石英外套管的内腔中；石英毛细棒填充在石英毛细管的外壁与第一层石英外套管的内壁之间；从石英毛细管轴心处抽走10根石英毛细管形成纤芯空芯结构；本发明采用表面模式双折射与形状双折射相结合的设计方法，具有较高的双折射和较低的传输损耗，满足光纤陀螺应用需求。

Description

一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤及制备方法
技术领域
本发明属于光纤和光纤陀螺领域，涉及一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤及制备方法。
背景技术
光纤陀螺是基于Sagnac效应的一种主流角速度传感器，是实现载体自主导航、定位、定姿的基础核心器件。光纤陀螺以其理论精度高、全固态、没有转动部件和摩擦部件、寿命长、动态范围大、可瞬时启动、结构简单、尺寸小、重量轻、易于批量化生产等优点，成为新一代惯性导航系统中的主导器件。国际上主要的光纤陀螺研制生产厂家，都已经成功把光纤陀螺应用于勘探、测绘、舰载导航系统、陆用战车导航系统、飞机惯导系统、导弹惯性导航和制导系统、卫星空间平台和载荷的姿态控制系统中。目前，光纤陀螺的实验室精度已经能够达到0.00001°/h，可以满足绝大部分应用需求，但由于传统保偏光纤自身对辐射、温度以及磁场敏感，严重制约了光纤陀螺的实际使用精度。
空芯光子晶体光纤是一种利用光子带隙效应导光的光纤。光纤包层中周期性排列的小孔形成二维光子晶体结构，将光限制在纤芯的空气中传输。与普通光纤的光在二氧化硅材料中传播相比，光子带隙光纤从本质上对辐射不敏感，且具有较低的温度、磁场敏感性，因此采用光子带隙光纤的光纤陀螺具备天然优势。但是，目前商用光子带隙光纤不是针对光纤陀螺应用设计，存在损耗偏大，模式较多等问题，其中最为关键的是光子带隙光纤中存在严重的偏振交叉耦合，会在光纤陀螺中导致强烈的偏振误差。需要设计针对光纤陀螺使用的空芯保偏光子晶体光纤。
目前实现高双折射空芯光子晶体光纤的途径主要有两种形式：一种是通过改变纤芯壁厚引入包层表面模式，利用表面模式产生双折射，这种方法产生的双折射较小，且高阶模式较多；另一种是通过设计不对称的纤芯形状，利用形状双折射达到高双折射效果，这种方法设计的光纤传输损耗较大。而本发明提出的10芯结构的空芯保偏光子晶体光纤采用表面模式双折射与形状双折射相结合的设计方法，具有较高的双折射和较低的传输损耗，满足光纤陀螺应用需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤及制备方法，采用表面模式双折射与形状双折射相结合的设计方法，具有较高的双折射和较低的传输损耗，满足光纤陀螺应用需求。
本发明解决技术的方案是：
一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，包括纤芯空芯结构、石英毛细管、石英毛细棒、第一层石英外套管和第二层石英外套管；其中，第一层石英外套管和第二层石英外套管均为中空筒状结构；第二层石英外套管同轴套装在第一层石英外套管的外壁；石英毛细管同轴紧凑堆叠在第一层石英外套管的内腔中；石英毛细棒填充在石英毛细管的外壁与第一层石英外套管的内壁之间；从石英毛细管轴心处抽走10根石英毛细管形成纤芯空芯结构。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，所述石英毛细管紧凑堆叠成正六边形结构。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，所述纤芯空芯结构呈类椭圆结构。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤实现的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将石英毛细管同轴紧凑堆叠成正六边形结构；且在正六边形结构石英毛细管的轴心位置抽出10根石英毛细管形成纤芯空芯结构；
步骤二、将剩余石英毛细管沿轴向置于第一层石英外套管的内腔中，并通过石英毛细棒将剩余石英毛细管与第一层石英外套管之间的缝隙填满，形成第一预制棒；
步骤三、沿轴向拉伸第一预制棒；
步骤四、将第一预制棒同轴塞入第二层石英外套管的内腔中，形成第二预制棒；
步骤五、沿轴向拉伸第二预制棒，空芯保偏光子晶体光纤成型。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，所述步骤三中，拉伸完成后，第一预制棒的直径为3mm。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，所述步骤五中，在拉伸第二预制棒的过程中，需向各石英毛细管的内腔中吹气，避免石英毛细管的塌陷。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，成型后的空芯保偏光子晶体光纤直径为125μm。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，所述成型后的空芯保偏光子晶体光纤中，石英毛细管成正6变形结构。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，成型后的空芯保偏光子晶体光纤中，相邻2个石英毛细管的中心距离为4μm，石英毛细管的壁厚为0.06μm。
在上述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，成型后的空芯保偏光子晶体光纤中，纤芯空芯结构的长轴为15.9μm，短轴为10.94μm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明基于10芯结构的保偏空芯光子带隙光纤，通过在拉制过程中控制气压就能较为容易的获得保偏结构；
(2)本发明基于10芯结构的保偏空芯光子带隙光纤，纤芯尺寸以及占空比较大，能够降低散射损耗；
(3)本发明基于10芯结构的保偏空芯光子带隙光纤，传输模式相对较少，在实际使用中能实现单模传输，适合光纤陀螺应用；
(4)本发明采用椭圆纤芯和包层模式耦合两种保偏方法，得到较高的保偏性能，适合光纤陀螺应用。
附图说明
图1为本发明空芯保偏光子晶体光纤示意图；
图2为本发明空芯保偏光子晶体光纤的两偏振态的基模；
图3为本发明空芯保偏光子晶体光纤的模式色散图；
图4为本发明空芯保偏光子晶体光纤的双折射随波长变化图；
图5为本发明空芯保偏光子晶体光纤的两偏振态的损耗曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提出一种光纤陀螺用10芯结构的空芯保偏光子晶体光纤及其制备方法，该保偏光子晶体光纤通过改变纤芯倒角参数、纤芯尺寸以及纤芯壁厚度，使其在具有较高双折射特性的同时具有较低的损耗以及较好的传输特性，为空芯光子晶体光纤在光纤陀螺领域应用打下坚实的基础。
空芯保偏光子晶体光纤，如图1所示，具体包括纤芯空芯结构1、石英毛细管2、石英毛细棒3、第一层石英外套管4和第二层石英外套管5；其中，第一层石英外套管4和第二层石英外套管5均为中空筒状结构；第二层石英外套管5同轴套装在第一层石英外套管4的外壁；石英毛细管2同轴紧凑堆叠在第一层石英外套管4的内腔中；石英毛细棒3填充在石英毛细管2的外壁与第一层石英外套管4的内壁之间；从石英毛细管2轴心处抽走10根石英毛细管2形成纤芯空芯结构1。
其中，石英毛细管2紧凑堆叠成正六边形结构。纤芯空芯结构1呈类椭圆结构。
该光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、将石英毛细管2同轴紧凑堆叠成正六边形结构；且在正六边形结构石英毛细管2的轴心位置抽出10根石英毛细管2形成纤芯空芯结构1。
步骤二、将剩余石英毛细管2沿轴向置于第一层石英外套管4的内腔中，并通过石英毛细棒3将剩余石英毛细管2与第一层石英外套管4之间的缝隙填满，形成第一预制棒。
步骤三、沿轴向拉伸第一预制棒；拉伸完成后，第一预制棒的直径为3mm。
步骤四、将第一预制棒同轴塞入第二层石英外套管5的内腔中，形成第二预制棒。
步骤五、沿轴向拉伸第二预制棒，在拉伸第二预制棒的过程中，需向各石英毛细管2的内腔中吹气，避免石英毛细管2的塌陷。空芯保偏光子晶体光纤成型。成型后的空芯保偏光子晶体光纤直径为125μm、石英毛细管2成正6变形结构。相邻2个石英毛细管2的中心距离为4μm，石英毛细管2的壁厚为0.06μm。纤芯空芯结构1的长轴为15.9μm，短轴为10.94μm。
针对本发明，通过有限元法进行建模仿真，计算其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，得到两偏振态的基模(图2)、模式色散图(图3)和双折射随波长变化图(图4)。
针对空芯保偏光子晶体光纤，通过有限元法对光纤传输特性进行分析。得到光纤的两偏振态的基模，可以得到，光纤中存在两个偏振方向正交的偏振模式。
从图3的模式色散图上可以看到，该表面模式在波长为1.6μm附近与偏振方向是X方向的基模偏振态发生耦合，使得基模的两偏振态的折射率差增大，在1.55μm处的光纤双折射为2.95×10-4，具有较高的双折射，如图4所示。从图3还可以看到，引入的表面模式数量较少，没有过多的影响1550nm附近的模式特性，光纤中的高阶模式与基模的折射率差也较大，在1550nm处高阶模式与基模的折射率差为0.0036，对应的群延时为25.9ps/m。
对1400nm～1650nm的光纤基模损耗进行了仿真，如图5所示。在1.6μm附近与偏振方向是X方向的基模偏振态发生耦合，该偏振态的损耗大于100dB/km，而Y偏振态的损耗在1.58μm以内的损耗相对较低，损耗低于20dB/km，传输模式具有较低的损耗。
本发明一种光纤陀螺用10芯结构的空芯保偏光子晶体光纤，通过将纤芯10根毛细管移除形成形状双折射，在此基础上调整纤芯壁厚等参数，优化光纤双折射特性，使其在具有较高双折射特性的同时具有较低的损耗以及较好的传输特性，为空芯光子晶体光纤在光纤陀螺领域应用打下坚实的基础。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：包括纤芯空芯结构(1)、石英毛细管(2)、石英毛细棒(3)、第一层石英外套管(4)和第二层石英外套管(5)；其中，第一层石英外套管(4)和第二层石英外套管(5)均为中空筒状结构；第二层石英外套管(5)同轴套装在第一层石英外套管(4)的外壁；石英毛细管(2)同轴紧凑堆叠在第一层石英外套管(4)的内腔中；石英毛细棒(3)填充在石英毛细管(2)的外壁与第一层石英外套管(4)的内壁之间；从石英毛细管(2)轴心处抽走10根石英毛细管(2)形成纤芯空芯结构(1)；
光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将石英毛细管(2)同轴紧凑堆叠成正六边形结构；且在正六边形结构石英毛细管(2)的轴心位置抽出10根石英毛细管(2)形成纤芯空芯结构(1)；
步骤二、将剩余石英毛细管(2)沿轴向置于第一层石英外套管(4)的内腔中，并通过石英毛细棒(3)将剩余石英毛细管(2)与第一层石英外套管(4)之间的缝隙填满，形成第一预制棒；
步骤三、沿轴向拉伸第一预制棒；
所述步骤三中，拉伸完成后，第一预制棒的直径为3mm；
步骤四、将第一预制棒同轴塞入第二层石英外套管(5)的内腔中，形成第二预制棒；
步骤五、沿轴向拉伸第二预制棒，空芯保偏光子晶体光纤成型；
在拉伸第二预制棒的过程中，需向各石英毛细管(2)的内腔中吹气，避免石英毛细管(2)的塌陷；
成型后的空芯保偏光子晶体光纤直径为125μm；
所述成型后的空芯保偏光子晶体光纤中，石英毛细管(2)成正6变形结构；
成型后的空芯保偏光子晶体光纤中，相邻2个石英毛细管(2)的中心距离为4μm，石英毛细管(2)的壁厚为0.06μm；
成型后的空芯保偏光子晶体光纤中，纤芯空芯结构(1)的长轴为15.9μm，短轴为10.94μm。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述石英毛细管(2)紧凑堆叠成正六边形结构。
3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺的空芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯空芯结构(1)呈类椭圆结构。
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