CN202256757U - 细径熊猫型保偏光纤 - Google Patents

Abstract

一种细径熊猫型保偏光纤，包括包层、应力区和纤芯，所述纤芯位于包层的中心，所述应力区对称分布在纤芯两侧且位于包层中，其特别之处在于：所述包层的直径为30～70μm。本实用新型的细径熊猫型保偏光纤，其适用的工作波长范围在200～2000nm之间，尤其适用于850nm，1310nm和1550nm等工作波长，并特别适用于小尺寸的光纤陀螺、光纤水听器、光纤放大器等器件的制造。其最小弯曲直径可以达到10mm，并能够长期稳定地使用。

Description

细径熊猫型保偏光纤

技术领域

本实用新型涉及保偏光纤，具体地指一种具有优秀弯曲性能的细径熊猫型保偏光纤。

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一类光纤。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类型。

在普通通信光纤中，由于其圆对称性结构，入射的线偏振光在经过一定距离的传输后，由于不同偏振模式的耦合，能量交换，会成为椭圆或圆偏振光而无法保持线偏振态。而当一线偏振光被耦合进入保偏光纤时，如果线偏振光的偏振方向和保偏光纤的偏振主轴重合，则线偏振光可以在传输过程中保持其线偏振方向直至离开保偏光纤，即保偏光纤的双折射现象。引起光纤双折射现象的原因很多，各种几何和应力的不均匀性均会引入双折射。相应地，保偏光纤产品也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区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得最为广泛，其结构包括纤芯、应力区和包层部分，其中纤芯位于包层的中心部分，而两个圆柱状的应力区分布在纤芯的两侧。纤芯一般为锗氟共掺杂的石英玻璃、应力区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，所以应力区能够产生压应力作用于纤芯部分，从而产生所谓的应力双折射使得保偏光纤具有线偏振保持性能。

当前使用的保偏光纤的包层直径一般为125μm或者80μm。这些保偏光纤由于几何结构与通信光纤的几何结构相似，因此在一般通信器件和系统中的应用具有优势。

然而，无论在通信系统还是在光纤传感的应用领域，器件小型化是技术发展的方向，能够忍受更小的弯曲半径或者更小的绕环半径的保偏光纤产品才能满足小型化器件的要求。在这方面，125μm或者80μm包层直径的保偏光纤，在较小的弯曲半径时，由于具有较大的弯曲应力，对保偏光纤的衰减性能和双折射性能均会产生显著的影响，因此在器件小型化应用中存在相当地限制。一般而言，在长期使用条件下，包层直径为125μm的保偏光纤的弯曲直径应当在60mm以上，而包层直径为80μm的保偏光纤的弯曲直径应当在25mm以上。而当前对于保偏光纤的绕环直径已经要求达到10mm左右，且能够满足长期稳定使用的要求。因此，在上述苛刻的使用条件下，125μm或者80μm包层直径的保偏光纤已经难以使用，必须采用具有更好弯曲性能的保偏光纤产品。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种细径熊猫型保偏光纤，具有优秀的弯曲性能和长期使用稳定性，能够应用于小型光纤陀螺、光纤水听器和光纤放大器等领域。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种细径熊猫型保偏光纤，包括包层、应力区和纤芯，所述纤芯位于包层的中心，所述应力区对称分布在纤芯两侧且位于包层中，其特别之处在于：所述包层的直径为30～70μm。

上述技术方案中，所述应力区直径与包层直径的比值为0.2～0.4。

上述技术方案中，所述应力区间距与包层直径的比值为0.15～0.35，且应力区间距与光纤工作波长的模场直径M的比值为1.2～3。

上述技术方案中，所述应力区为硼掺杂的石英玻璃，硼掺杂浓度为10～25wt％。

上述技术方案中，所述纤芯与包层的相对折射率差为0.3～2％。

与现有熊猫型保偏光纤相比，本实用新型的有益效果在于：

1、小的光纤包层直径，使得光纤在弯曲条件下，表面应力对于光纤的双折射等光学性能的影响显著降低，保证了光纤满足小直径弯曲或者小直径绕环的使用需要；

2、小的光纤包层直径，使得光纤在弯曲条件下，表面应力大为降低，光纤的机械性能得到显著改善，可以保证光纤在小弯曲半径使用条件下的长期寿命；

3、小的光纤包层直径可以保证整个光纤直径较小，因此光纤的体积也远小于普通125μm或者80μm包层直径的保偏光纤。较小的光纤体积对于小尺寸器件的应用相当重要，在较小的体积内可以容纳较长的保偏光纤，确保了器件的性能指标；

4、较小体积的保偏光纤产品使得应用该光纤的器件的重量也较轻。小重量能够符合某些应用领域的特殊需要，如航空航天领域，对于器件的重量要求就相当严格。小的器件重量则可以确保系统总体性能满足设计要求；

5、小的光纤包层直径和光纤直径，大大降低了光纤的材料使用成本，提高了光纤生产的效率和性价比。

实验证明，本实用新型的这种细径熊猫型保偏光纤，其适用的工作波长范围在200～2000nm之间，尤其适用于850nm，1310nm和1550nm等工作波长，并特别适用于小尺寸的光纤陀螺、光纤水听器、光纤放大器等器件的制造。其最小弯曲直径可以达到10mm，并能够长期稳定地使用。

附图说明

图1为本实用新型的一种细径熊猫型保偏光纤的结构示意图；

图2为归一化的应力区直径与模式双折射的关系图；

图3为归一化的应力区间距与模式双折射的关系图；

图4为光纤弯曲直径与模式双折射的关系图；

图5为光纤弯曲直径与表面应力的关系图；

图6为光纤陀螺结构示意图图；

图中：1-包层，2-应力区，3-纤芯，4-光源，5-探测器，6-耦合器，7-波导，8-保偏光纤环。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1所示，本实用新型的一种细径熊猫型保偏光纤，包括圆柱状的包层1、应力区2和纤芯3，纤芯3位于包层1的中心，两个应力区2对称分布在纤芯3两侧且位于包层1中。包层1的直径为30～70μm。应力区2直径与包层1直径的比值为0.2～0.4。应力区2间距D与包层1直径的比值为0.15～0.35，且根据预期的工作波长，应力区2间距D与工作波长的模场直径M的比值应当为1.2～3。纤芯3直径为5～7μm。包层1为纯石英玻璃，应力区2为硼掺杂的石英玻璃，硼掺杂浓度为10～25wt％，纤芯3可为锗氟共掺杂的石英玻璃等，纤芯3与包层1的相对折射率差根据工作波长和具体应用条件设定，范围在0.3～2％，其中相对折射率差为

$,\mathrm{\Δ}=2\×\frac{n_3-n_1}{n_3+n_1}\×100\%$

n₃为纤芯3折射率，n₁为包层1折射率。

熊猫型保偏光纤的模式双折射与应力区2掺杂浓度、应力区2直径、应力区2间距密切相关，如方程(1)所示：

$B=\frac{2\mathrm{EC}}{1-v}({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)T{\left(\frac{d}{D+d}\right)}^2\{1-3[1-2{\left(\frac{r}{L}\right)}^2]{\left(\frac{D+d}{L}\right)}^4+3{\left(\frac{r}{D+d}\right)}^2\cos 2\mathrm{\θ}\}---\left(1\right)$

式中，B为光纤的模式双折射，E和C分别是纤芯3材料的杨氏模量和光弹系数，可近似为纯石英材料的杨氏模量和光弹系数，α₁、α₂分别为应力区2和包层1材料的热膨胀系数，T是光纤的熔融温度和使用温度差，d、D、L分别为光纤的纤芯3直径、应力区2间距和光纤的包层1直径，r是纤芯3部分任一点到纤芯3中心的距离，θ为纤芯3部分任一点与纤芯3中心连线和水平线的夹角。

模拟计算中，下式(2)均与材料的物理性能有关，其中α₁的大小与应力区2硼掺杂的浓度相关，是决定光纤模式双折射大小的主要部分。

$\frac{2\mathrm{EC}}{1-v}({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)T---\left(2\right)$

另外，由于光纤的纤芯3部分相对较小，一般作为一个整体加以考虑，因此在实际计算中，r一般取为0，所以光纤的模式双折射与应力区2之间的关系可以简化为下列公式(3)：

$B\∝{\left(\frac{d}{D+d}\right)}^2\{1-3{\left(\frac{D+d}{L}\right)}^4\}---\left(3\right)$

图2示意出了归一化的应力区2直径，即应力区2直径同包层1直径之比与模式双折射的关系，由图可见，随着应力区2直径的增加，光纤的模式双折射相应增加，当应力区2直径大于包层1直径的20％时，光纤的模式双折射均大于3×10^-4，能够满足保偏光纤的应用需求；当然，应力区2位于包层1内，其直径也不可能过大，本实用新型的应力区2直径不大于包层1直径的40％。

图3示意出了归一化的应力区2间距，即应力区2间距同包层1直径之比与模式双折射的关系，由图可见，随着应力区2间距的减少，光纤的模式双折射相应增加，当应力区2间距小于包层1直径的35％时，光纤的模式双折射均大于3×10^-4，能够满足保偏光纤的应用需求；当然，两个应力区2之间设有纤芯3，所以应力区2间距也不可能过小，本实用新型的应力区2间距不小于包层直径的15％。

保偏光纤被应用于小尺寸器件中，如小尺寸的光纤放大器、光纤陀螺和光纤水听器时，一般都会被卷曲成小直径的光纤环。在这种情况下，需要考虑小弯曲直径对于保偏光纤模式双折射和表面应力的影响。下式(4)表征了光纤弯曲直径对模式双折射的影响：

$B=-0.273\frac{n^3{l}^2}{R^2\mathrm{\λ}}\frac{l^2}{R^2\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

式中，l为光纤半径，R为光纤弯曲半径，λ为工作波长。

图4示意出了光纤弯曲直径与模式双折射的关系，由图可见，30μm包层1直径的光纤在10mm的弯曲直径时产生的模式双折射大小与70μm包层1直径的光纤在25mm弯曲直径时对模式双折射的影响相似。上述表明随着光纤弯曲直径的减少，弯曲对光纤的双折射的影响会越来越显著。同时，随着光纤包层1直径的减少，在相同弯曲条件下，弯曲对于光纤双折射的影响将降低。因此，对于小弯曲半径的应用，包层1直径较小的光纤更为有利。

另外，在小弯曲使用条件下，由弯曲所产生的表面应力对光纤的长期使用稳定性影响极大。原因在于石英光纤表面存在的微裂纹在长期应力的作用下会产生扩大，最后导致光纤的断裂。公式(5)表征了光纤的弯曲所产生的表面应力大小：

$\mathrm{\σ}\σE\frac{L}{H+f}---\left(5\right)$

式中，E为石英材料的杨氏模量，L为光纤包层1直径，f为光纤直径，H为光纤的弯曲直径。

图5示意出了光纤弯曲直径与表面应力的关系，由图可见，30μm包层1直径的光纤在10mm的弯曲直径时产生的表面应力约为0.18GPa，与70μm包层1直径的光纤在25mm的弯曲直径时产生的表面应力相当。这种使用状态可以保证通过0.7GPa(1％张力水平)的张力筛选的光纤的长期使用寿命。上述表明随着光纤弯曲直径的减少，弯曲对光纤表面应力的影响会越来越显著。同时，随着光纤包层1直径的减少，在相同弯曲条件下，弯曲对于光纤表面应力的影响将降低。因此，对于小弯曲半径的应用，包层1直径较小的光纤更为有利。

图6是应用本实用新型的保偏光纤制造的光纤陀螺的结构示意图。其中，光源4、耦合器6、波导7和探测器5之间均由本实用新型的保偏光纤连接，保偏光纤环8也由该保偏光纤绕制而成。

本实用新型的具体实施例如下：

实施例1：

表1：

四根包层1直径为30μm的本实用新型细径熊猫型保偏光纤被制造，光纤的几何结构和应力区2掺杂、以及纤芯3的相对折射率差和纤芯3大小不同，结果表明四根光纤的模式双折射均达到3×10^-4以上。将四根各100m长的光纤松绕成10mm直径的光纤环，测试光纤环的常温串音如表1，这种性能的保偏光纤能够满足中低精度光纤陀螺的应用。

实施例2：

表2：

四根包层1直径为40μm的本实用新型细径熊猫型保偏光纤被制造，光纤的几何结构和应力区2掺杂、以及纤芯3的相对折射率差和纤芯3大小不同，结果表明四根光纤的模式双折射均达到3×10^-4以上。将四根各100m长的光纤松绕成13mm直径的光纤环，测试光纤环的常温串音如表2。这种性能的保偏光纤能够满足中低精度光纤陀螺的应用。

实施例3：

表3：

四根包层1直径为50μm的本实用新型细径熊猫型保偏光纤被制造，光纤的几何结构和应力区2掺杂、以及纤芯3的相对折射率差和纤芯3大小不同，结果表明四根光纤的模式双折射均达到3×10^-4以上。将四根各100m长的光纤松绕成15mm直径的光纤环，测试光纤环的常温串音如表3。这种性能的保偏光纤能够满足中低精度光纤陀螺的应用。

实施例4：

表4：

四根包层1直径为60μm的本实用新型细径熊猫型保偏光纤被制造，光纤的几何结构和应力区2掺杂，以及纤芯3的相对折射率差和纤芯3大小不同，结果表明四根光纤的模式双折射均达到3×10^-4以上。将四根各100m长的光纤松绕成20mm直径的光纤环，测试光纤环的常温串音如表4。这种性能的保偏光纤能够满足中高精度光纤陀螺的应用。

实施例5：

表5：

四根包层1直径为70μm的本实用新型细径熊猫型保偏光纤被制造，光纤的几何结构和应力区2掺杂，以及纤芯3的相对折射率差和纤芯3大小不同，结果表明四根光纤的模式双折射均达到3×10^-4以上。将四根各100m长的光纤松绕成25mm直径的光纤环，测试光纤环的常温串音如表5。这种性能的保偏光纤能够满足高精度光纤陀螺的应用。

Claims (5)

1.一种细径熊猫型保偏光纤，包括包层(1)、应力区(2)和纤芯(3)，所述纤芯(3)位于包层(1)的中心，所述应力区(2)对称分布在纤芯(3)两侧且位于包层(1)中，其特征在于：所述包层(1)的直径为30～70μm。

2.根据权利要求1所述的细径熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述应力区(2)直径与包层(1)直径的比值为0.2～0.4。

3.根据权利要求1或2所述的细径熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述应力区(2)间距与包层(1)直径的比值为0.15～0.35，且应力区(2)间距与光纤工作波长的模场直径M的比值为1.2～3。

4.根据权利要求1或2所述的细径熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述纤芯(3)与包层(1)的相对折射率差为0.3～2％。

5.根据权利要求3所述的细径熊猫型保偏光纤，其特征在于：所述纤芯(3)与包层(1)的相对折射率差为0.3～2％。 

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