CN113900172B - 一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤 - Google Patents

一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤，包括包层区域和内纤芯区域；内纤芯区域为空气区或真空区，包层区域包括外包层和内包层，外包层为具有一定厚度的空心圆柱；内包层由设置于外包层内呈内外依次连接的多圈微毛细管构成；最外一圈微毛细管沿圆周方向均布设置并与外包层内壁面固连；其他圈的同圈微毛细管之间呈相离设置，其他圈微毛细管相比于最外一圈微毛细管均少两根微毛细管，缺少的两根微毛细管设置在呈180°夹角的两个位置上；在最外一圈的微毛细管中与其他圈微毛细管缺少位相对的两个微毛细管和或最内一圈微毛细管中与两个微毛细管缺少位呈90°夹角的两个微毛细管为复合双层结构的微毛细管。本发明具有较大的双折射系数。

Description

一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤
技术领域
本发明属于光子晶体光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤。
背景技术
光纤陀螺是光纤传感领域最典型的应用之一，具有全固态、可靠性高、工艺简单、精度高、动态范围大、启动快、寿命长等优点，广泛应用于航姿参考系统、惯性导航及制导系统以及捷联寻北及车辆定位定向系统中。近年来光纤陀螺研究取得的重大进展充分展示和验证了其性能优势和发展潜力，目前光纤陀螺的发展已经逐渐由战术级、导航级跨越至战略级，国内外主流研制单位均已实现0.001deg/h的光纤陀螺产品研制并进入批量产业化应用阶段。为了进一步满足大型水面舰船以及潜艇等技术领域对高精度长航时惯性导航系统的需求，0.0001deg/h甚至更高精度的战略级光纤陀螺成为新的研究热点。
高精度光纤陀螺的研制主要受到噪声抑制、标度因数稳定性、动态特性以及环境适应性等因素的影响，其中环境适应性指多物理场(磁场、温度、应力)作用下陀螺精度的保持能力。目前，传统保偏光纤是光纤陀螺的核心原材料，其存在一些由传输介质决定的本征物理问题，例如环境适应性差、非互易光学噪声大等缺点，导致光纤陀螺难以满足长航时高精度惯性导航应用需求，在磁场作用下引起的磁光法拉第效应、温度作用下引起的Shupe效应以及应力作用下引起的弹光效应等都会在传统保偏光纤陀螺中产生寄生相位差，降低保偏光纤环圈的互易性从而影响光纤陀螺的测量精度。
空芯反谐振光纤是近年来发展的一种新型空芯微结构光纤，与光子带隙光纤复杂的包层结构不同，空芯反谐振光纤具有精简的微结构包层，依靠合理的包层构型，空芯反谐振光纤的传输损耗可低于传统石英光纤的理论损耗极限，该损耗特性极为适合干涉型船用高精度光纤陀螺对光纤长度的应用需求。高性能保偏空芯反谐振光纤能够在一定程度上弥补传统保偏光纤的不足，对推动我国光纤陀螺的跨越式发展，提升我国在光纤光学、传感等多个领域的综合实力具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实现光纤起偏功能并具有较大的双折射系数、且通过控制谐振耦合波长可以调整光纤的工作带宽的基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤，其特征在于：包括高折射率的包层区域和低折射率的内纤芯区域；低折射率的内纤芯区域为空气区或真空区，高折射率的包层区域包括外包层和内包层两部分，所述外包层部分为具有一定厚度的空心圆柱；所述内包层由设置于外包层内呈内外依次连接的多圈微毛细管构成；最外一圈微毛细管沿圆周方向均布设置并与外包层内壁面固连，作为空芯反谐振光纤结构力学支撑点；其他圈的同圈微毛细管之间呈相离设置，即相互之间无节点不接触，其他圈微毛细管相比于最外一圈微毛细管均少两根微毛细管，缺少的两根微毛细管设置在呈180°夹角的两个位置上；在最外一圈的微毛细管中与其他圈微毛细管缺少位相对的两个微毛细管为复合双层结构的微毛细管和或最内一圈微毛细管中与两个微毛细管缺少位呈90°夹角的两个微毛细管为复合双层结构的微毛细管。
进一步的：最外一圈微毛细管采用等内径等壁厚的微毛细管设计结构；其他圈的每圈微毛细管整体采用不等内径和不等壁厚的设计结构，但以纤芯为中心呈对称的两微毛细管采用等内径和等管壁厚度设计结构。
进一步的：所述双层结构的微毛细管中的内部微毛细管与外部微毛细管以在外侧相切方式或在内侧切方式连接。
本发明具有的优点和积极效果为：
1、本发明提出一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤，在反谐振原理实现光纤低损耗传输的基础之上，通过多重谐振耦合效应，将纤芯基模y偏振光在1550nm附近同时与外切式微毛细管环壁模式以及内切式微毛细管环壁模式发生强烈的谐振耦合效应，从而增大y偏振光的泄露损耗，大幅提升光纤的双折射系数，从而实现光纤起偏功能并具有较大的双折射系数。
2、本发明高双折射空芯反谐振光纤具有灵活的结构设计，由于空芯反谐振光纤的反谐振波长与薄壁毛细管的厚度相关，因此通过控制毛细管壁厚即可以调整光纤的工作带宽。
3、本发明所述的高双折射空芯反谐振光纤，原理简单、性能稳定，适合高精度光纤陀螺应用。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种高双折射空芯反谐振光纤横截面结构示意图；
图2是本发明提出的高双折射空芯反谐振光纤纤芯模式及内包层微毛细管二氧化硅环壁模式分布示意图；
图3是本发明高双折射空芯反谐振光纤纤芯基模偏振光与外切式微毛细管环壁模式的耦合示意图；
图4是本发明高双折射空芯反谐振光纤纤芯基模偏振光与内切式微毛细管环壁模式的耦合示意图；
图5是本发明1550nm波段附近所述的空芯反谐振光纤的双折射系数；
图6a为发明实施例二提供的一种高双折射空芯反谐振光纤横截面结构示意图；
图6b为本发明实施例三提供的一种高双折射空芯反谐振光纤横截面结构示意图；
图6c为本发明实施例四提供的一种高双折射空芯反谐振光纤横截面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
图1为实施例1：一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤端面结构示意图，图中，与光纤外包层直接固接的内包层薄壁微毛细管1(远离纤芯)，内径2R1，壁厚为t1；与最外一圈微毛细管(远离纤芯)外切的微毛细管2(参与谐振耦合)，内径2R2，壁厚为t2；与最外一圈微毛细管(远离纤芯)内切的微毛细管3(参与谐振耦合)，内径2R3，壁厚为t3；与最外一圈微毛细管(远离纤芯)外切的微毛细管4(不参与谐振耦合)，内径2R4，壁厚为t1；空芯反谐振光纤纤芯5，一般为空气或真空，直径2Rc；光纤外包层6，基底材料为二氧化硅。
但是本发明提出的高双折射空芯反谐振光纤研制方案不限于本实施例所采用的光纤结构设计方式和空芯反谐振光纤种类。
图1所示的高双折射空芯反谐振光纤具有多层嵌套的结构设计方式，微毛细管呈现外切与内切式两种排布特征。包层微毛细管直径、厚度不相同。
图2为高双折射空芯反谐振光纤纤芯模式正交偏振分量及微毛细管二氧化硅环壁模式分布示意图。纤芯模场分布形式由空芯反谐振光纤包层微毛细管位置决定。外切式微毛细管与内切式微毛细管具有截然不同的模场分布，由二者的壁厚以及传播常数决定。空芯反谐振光纤的反谐振区间波段由式(1)决定：
其中n是光纤基底材料折射率，m是任意正整数，t为微毛细管壁厚度。根据本实施案例中的微毛细管壁厚t1、t2、t3可以将所述的空芯反谐振光纤的工作带宽局限在1550nm附近，以满足光纤陀螺应用需求。
图3为空芯反谐振光纤纤芯基模偏振光与外切式微毛细管环壁模式的耦合模场分布。根据波导耦合模理论，空芯反谐振光纤纤芯模式和微毛细管二氧化硅环壁模式的光场分布可分别表示为：
当模式的有效折射率相当时，发生强烈的谐振耦合效应。空芯反谐振光纤纤芯和二氧化硅环壁中的归一化能流密度可以分别表示为：
图4为空芯反谐振光纤纤芯基模偏振光与内切式微毛细管环壁模式的耦合模场分布。通过控制光纤内包层微毛细管壁厚可以使光纤纤芯基模y偏振光在1550nm附近同时与外切式微毛细管环壁模式以及内切式微毛细管环壁模式发生强烈的谐振耦合效应，从而增大y偏振光的泄露损耗，大幅提升光纤的双折射系数。
图5为空芯反谐振光纤在1550nm波段的双折射系数分布示意图，双折射系数可达10-4量级，比一般的保偏空芯反谐振光纤提高5倍以上。
图6a、6b和6c为三种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤结构示意图。通过改变外切或者内切式微毛细管的分布位置和数量，也可使空芯反谐振光纤具有保偏特性。
图1、6a、6b和6c均显示的为优选的两圈内包层结构形式的空芯反谐振光纤，但本发明不限于附图所述的两圈内包层结构。
综上，本发明提出的高双折射空芯反谐振光纤具有结构设计灵活多样、工艺简单、性能可靠、可连续稳定工作的优点。相比于不对称结构设计或者掺杂导致的光纤起偏原理，本发明所述的高双折射空芯反谐振光纤还具有原理创新的典型特征，在光子晶体光纤陀螺研究领域具有重要应用价值。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤，其特征在于：在反谐振原理实现光纤低损耗传输的基础之上，通过多重谐振耦合效应，将纤芯基模y偏振光在1550nm附近同时与外切式微毛细管环壁模式以及内切式微毛细管环壁模式发生强烈的谐振耦合效应；包括高折射率的包层区域和低折射率的内纤芯区域；低折射率的内纤芯区域为空气区或真空区，高折射率的包层区域包括外包层和内包层两部分，所述外包层部分为具有一定厚度的空心圆柱；所述内包层由设置于外包层内呈内外依次连接的多圈微毛细管构成；最外一圈微毛细管沿圆周方向均布设置并与外包层内壁面固连；其他圈的同圈微毛细管之间呈相离设置，其他圈微毛细管相比于最外一圈微毛细管均少两根微毛细管，缺少的两根微毛细管设置在呈180°夹角的两个位置上；在最外一圈的微毛细管中与其他圈微毛细管缺少位相对的两个微毛细管为复合双层结构的微毛细管和或最内一圈微毛细管中与两个微毛细管缺少位呈90°夹角的两个微毛细管为复合双层结构的微毛细管；
最外一圈微毛细管采用等内径等壁厚的微毛细管设计结构；其他圈的每圈微毛细管整体采用不等内径和不等壁厚的设计结构，但以纤芯为中心呈对称的两微毛细管采用等内径和等管壁厚度设计结构。
2.根据权利要求1所述的基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤，其特征在于：所述双层结构的微毛细管中的内部微毛细管与外部微毛细管以在外侧相切方式或在内侧切方式连接。
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