CN110244405B - 一种多波段领结型保偏光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波段领结型保偏光纤，涉及保偏光纤领域。该光纤包括石英区，石英区的内部设有圆形芯区和2个应力区；2个应力区沿芯区的中心对称分布；芯区由内至外依次包括以芯区的中心为圆心的第一芯层、第二芯层和石英过渡层；第一芯层相对于石英区的相对折射率差Δ₁₁为0.5％～1.1％；第二芯层相对于石英区的相对折射率差Δ₁₂为‑0.5％～‑0.05％；石英过渡层的折射率n₁₄与石英区的折射率n₁₆相等；应力区的折射率n₂从近芯区处至远芯区处呈对数曲线下降。本发明提供的光纤截止波长小于850nm，可满足用户对850nm波段的光纤陀螺研发需求，同时该光纤兼具良好的衰减性和串音稳定性。

Description

一种多波段领结型保偏光纤

技术领域

本发明属于保偏光纤领域，具体涉及一种多波段领结型保偏光纤。

背景技术

光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、动态范围大、无运动部件、无磨损部件、结构设计灵活和应用范围广等诸多优点，在航空、航天、航海和兵器等军用领域和地质、石油勘探等民用领域具有广阔的发展前景。

光纤陀螺的技术基础是高精度的相干检测和光纤传感技术，其输出信号的稳定性取决于光纤中两束相干光偏振态的稳定性。在上世纪八十年代，Shupe D M提出，当光纤陀螺线圈中一段光纤存在时变温度扰动时，除非这段光纤位于线圈中部，否则由于两束反向传播光波在不同时间经过这段光纤，将因温度扰动而经历不同的相移，即为温度引起的非互易相移。这一效应即为光纤陀螺中的Shupe误差。现有常用的方法是通过四级对称环绕制光纤环，使相邻两对对称的光纤层层序相反，以补偿径向温度场梯度。这种方法对光纤陀螺中的Shupe误差起到了非常有效的抑制效果，但受限于工艺设备，光纤环绕制状态依然无法做到完全的对称。这造成在中高精度的光纤陀螺应用中，残余温度漂移仍不可忽略。因此，为提升光纤陀螺精度，降低光纤环圈的Shupe误差，光纤外形尺寸的减小是解决这一问题的发展方向。光纤变细后，光纤环圈的整体尺寸下降，这样环圈受温度场梯度影响带来的Shupe误差就可以获得较为显著的改善。

随着光纤陀螺向小型化方向发展，相较以前的1310nm和1550nm，需要采用850nm等波长，在保持精度的同时，降低环圈体积。但现有保偏光纤尚无该类型的细径保偏光纤产品支撑，因此，目前存在的问题是急需研究开发一种能够满足用户对850nm波段的光纤陀螺研发需求的多波段领结型保偏光纤。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种多波段领结型保偏光纤。该光纤的截至波长小于850nm，可用于包含850nm、1310nm和1550nm的多波段保偏光纤的研制，同时该光纤兼具良好的衰减性和串音稳定性，且能够满足细径要求。

为达到以上目的，本发明提供了一种多波段领结型保偏光纤，其包括石英区，所述石英区的内部设有圆形芯区和2个应力区；2个应力区沿所述芯区的中心对称分布；所述芯区由内至外依次包括以所述芯区的中心为圆心的第一芯层、第二芯层和石英过渡层；

所述第一芯层相对于所述石英区的相对折射率差Δ₁₁为0.5％～1.1％；所述第二芯层相对于所述石英区的相对折射率差Δ₁₂为-0.5％～-0.05％；所述石英过渡层的折射率n₁₃与所述石英区的折射率n₃相等；所述应力区的折射率n₂从近芯区处至远芯区处呈对数曲线下降；

所述多波段领结型保偏光纤的截止波长小于850nm。

在上述技术方案的基础上，所述相对折射率差的计算公式为：Δ＝(n-n₀)/(n+n₀)·100％；

其中，Δ为相对折射率差，n₀为石英区的折射率；

当计算第一芯层相对于石英区的相对折射率差Δ₁₁时，上述公式中，n为第一芯层的折射率n₁₁；当计算第二芯层相对于石英区的相对折射率差Δ₁₂时，上述公式中，n为第二芯层的折射率n₁₂。

在上述技术方案的基础上，所述应力区相对于所述石英区的相对折射率差Δ₂的计算公式为：Δ₂＝a₀lg(x²)；

其中，a₀为应力渐变系数，-0.2≤a₀≤-0.1；

x为应力区(2)中任意一点到应力区(2)的近芯区边缘中位于芯区(1)径向上的点之间的距离，1μm≤x≤x_max，且10μm≤x_max≤20μm。

在上述技术方案的基础上，所述应力区呈一字形领结型或蝶状领结型结构。

在上述技术方案的基础上，当所述应力区呈一字形领结型结构时，所述应力区与所述芯区组成一个椭圆。

在上述技术方案的基础上，当所述应力区呈蝶状领结型结构时，所述应力区的形状为以所述芯区的中心为圆心的圆弧环状，所述圆弧环的圆心角a为30～60°。

在上述技术方案的基础上，所述石英区的直径d₃为39～126μm。

在上述技术方案的基础上，还包括设于所述石英区外的内涂层和外涂层；所述内涂层的杨氏模量为0.5-2.5MPa；所述外涂层的杨氏模量为500-2500MPa。

在上述技术方案的基础上，所述内涂层的直径d₄为52～205μm；所述外涂层的直径d₅为78～250μm。

在上述技术方案的基础上，所述第一芯层采用掺锗的方式形成；所述第二芯层采用掺氟的方式形成；所述应力区采用掺三氧化二硼的方式形成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的多波段领结型保偏光纤的截止波长小于850nm，可用于包含850nm、1310nm和1550nm的多波段保偏光纤的研制，可以实现多类型的光纤陀螺绕制。

(2)本发明提供的多波段领结型保偏光纤具有良好的衰减性和串音稳定性，在850nm衰减在2.0dB/km以下，消光比在21dB/km以上；在1310nm衰减小于0.38dB/km，消光比高于30dB/km；在1550nm衰减小于0.3dB/km，消光比在25dB/km以上；每公里1550nm全温衰减变化量在0.2dB以下，1550nm全温消光比变化量在1.5dB以下。

(3)本发明提供的多波段领结型保偏光纤可以提供光纤石英区(也称为“光纤石英包层”)直径涵盖39～126μm、涂层直径涵盖78～250μm的各类型的细径保偏光纤。

附图说明

图1示出了本发明实施例中的多波段一字形领结型保偏光纤的端面结构示意图。

图2示出了本发明实施例中的多波段蝶状领结型保偏光纤的端面结构示意图。

图3示出了本发明实施例中多波段领结型保偏光纤的波导结构示意图。

图4示出了本发明实施例中的多波段一字形领结型保偏光纤的涂层结构示意图。

图中，相同的部件采用相同的附图标记表示，附图标记的含义如下：1-芯区；2-应力区；3-石英区；4-内涂层；5-外涂层；11-第一芯层；12-第二芯层；13-石英过渡层；n₁₁-第一芯层的折射率；n₁₂-第二芯层的折射率；n₁₃-石英过渡层的折射率；n₂-应力区的折射率；n₃-石英区的折射率；d₁₁-第一芯层直径；d₃-石英区直径；d₄-内涂层直径；d₅-外涂层直径。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，以下结合附图及具体实施例来详细说明本发明。应当理解，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限定本发明。

如前所述，现有技术中尚无覆盖850nm波段的保偏光纤。本发明的发明人在保偏光纤领域经过大量的试验研究发现，通过将光纤芯区结构中的第一芯层设计为阶跃型波导结构，使其相对折射率差较高，可以容许更小的光纤截至波长。当光纤直径变细后，应力区受外界应力干扰影响较大，从而使光纤衰减性能和串音稳定性变差。因此，本发明优化了应力区的结构，可有效降低应力区的大小以及应力区本身的应力大小，从而在外界应力干扰变大时，降低应力区受外界应力干扰的影响，保证光纤的串音稳定性和衰减性能。具体来说，本发明在第一芯层的周围设计有第二芯层和石英过渡层，可以解决在光纤的石英区较小的情况下，由于应力区占整个石英区的比例偏大时可能造成的光纤衰减偏大的问题。此外，在光纤芯区周围以芯区为中心对称设置两个应力区，形成具有一字形领结型或蝶形领结型应力区结构，且应力区的折射率从近芯区处至远芯区处呈对数曲线下降，可以使得光纤具备良好的串音稳定性。本发明正是基于上述发现作出的。

参见图1和图2，本发明的实施方式提供了一种多波段领结型保偏光纤。该光纤的截止波长小于850nm。

该光纤包括圆形石英区3，石英区3的内部设有圆形芯区1和2个应力区2；2个应力区2沿芯区1的中心对称分布。芯区1由内至外依次包括以芯区1的中心为圆心的第一芯层11、第二芯层12和石英过渡层13。第一芯层11的直径d₁₁为3.5～10μm。第二芯层12的直径d₁₂为3.6～10.6μm。石英过渡层13的直径d₁₃为3.8～11.0μm。

参见图3，芯区1的波导结构为“刀斧状”波导。

具体地，第一芯层11采用掺锗的方式形成，具有阶跃型波导结构，第一芯层11的折射率n₁₁较石英区3的折射率n₃高。优选地，第一芯层11相对于石英区3的相对折射率差Δ₁₁为0.5％～1.1％。

为了解决在光纤石英区3直径较小的情况下由于应力区2占整个石英区3的比例偏大时可能造成的衰减偏大问题，在第一芯层11的周围设有第二芯层12(也称为“下陷包层”)和过渡包层13。

第二芯层12采用掺氟的方式形成，第二芯层12的折射率n₁₂较石英区3的折射率n₃低。优选地，第二芯层12相对于石英区3的相对折射率差Δ₁₂为-0.5％～-0.05％。

石英过渡层13的折射率n₁₃与石英区3的折射率n₃相等。

本发明中第一芯层11和第二芯层12的相对折射率差的计算公式为：Δ＝(n-n₀)/(n+n₀)·100％；其中，Δ为相对折射率差，n₀为石英区3的折射率。因此，当计算第一芯层11相对于石英区3的相对折射率差Δ₁₁时，上述公式中，n为第一芯层的折射率n₁₁；当计算第二芯层12相对于石英区3的相对折射率差Δ₁₂时，上述公式中，n为第二芯层的折射率n₁₂。

为了解决在特殊截止波长下的光纤的串音不稳定的问题，本发明中在芯区1的周围设有2个沿芯区1的中心对称分布的应力区2。应力区2采用掺三氧化二硼的方式形成，其折射率n₂从近芯区处至远芯区处呈对数曲线下降。通过应力区2的特定波导结构的设计，使得光纤端面在研磨时，应力区所在区域端面研磨时在不发生裂痕的同时还具备较高应力(即较高的消光比)，由此可以实现光纤良好的串音稳定性。

优选地，本发明中应力区2相对于石英区3的相对折射率差Δ₂的计算公式为：Δ₂＝a₀lg(x²)；其中，其中，a₀为应力渐变系数，-0.2≤a₀≤-0.1；x为应力区2中任意一点到应力区2的近芯区边缘中位于芯区1径向上的点之间的距离，1≤x≤x_max(x为1至x_max的连续值)；1μm≤x≤x_max，且10μm≤x_max≤20μm。

参见图1，应力区2呈一字形领结型结构。此时，2个应力区2与芯区1组成一个类似“眼状”的椭圆形。芯区1位于椭圆的正中心，两个应力区2则是椭圆形区域除圆形芯区1外对称分布的两个区域，其形状犹如一字形领结。应力区2和芯区1形成“刀式”波导结构。

参见图2，应力区2呈蝶状领结型结构。此时，2个应力区的形状为以芯区1的中心为圆心的圆弧环状，其形状犹如以圆形芯区1为中心的蝶形领结。该圆弧环的圆心角a为30～60°，如此可以更好地将应力以一个较好的角度集中对此的作用在芯区，从而让芯区受更对称的应力，同时也通过这种方式，通过更小应力区来实现对称的更大应力作用在芯区。同样地，当应力区2呈蝶状领结型结构时，应力区2和芯区1也形成“刀式”波导结构。

具有呈蝶状领结型应力区结构的光纤与具有呈一字形领结型结构的光纤相比均具有较高的消光比，但具有呈蝶状领结型应力区结构的光纤较具有呈一字形领结型结构的光纤的消光比全温性能更优，因此，具有呈蝶状领结型应力区结构的光纤具有综合串音性能更好的优点。

在实际应用中，除了需要考虑在特殊截止波长下的光纤衰减和串音稳定性的问题，同时还要满足细径的要求。即，在保证良好的光纤衰减性能和串音稳定性的情况下，尽量降低光纤的直径。

本发明中，优选石英区3的直径d₃为39～126μm。参见图4，本发明的光纤还可以包括设于石英区3外的内涂层4和外涂层5。内涂层4的杨氏模量为0.5-2.5MPa；外涂层5的杨氏模量为500-2500MPa。优选地，内涂层4的直径d₄为52～205μm；外涂层5的直径d₅为78～250μm。由此，本发明可以提供光纤石英区(也称为“光纤石英包层”)直径涵盖39～126μm，涂层直径涵盖78～250μm的各类型的细径保偏光纤。

具体地，针对保偏光纤的细径要求，同时满足应力区大小和光纤石英区直径间兼容关系以及涂层间匹配关系，本发明优选提供了如下几种直径的光纤。

当光纤的石英区的直径d₃为39.0～41.0μm时，对应内涂层4的直径d₄为52.0～65.0μm，对应外涂层5的直径d₅为78.0～83.0μm。

当光纤的石英区的直径d₃为59.0～61.0μm时，对应内涂层4的直径d₄为72.0～85.0μm，对应外涂层5的直径d₅为98.0～105.0μm。

当光纤的石英区的直径d₃为79.0～81.0μm时，对应内涂层4的直径d₄为100.0～135.0μm，对应外涂层5的直径d₅为134.0～170.0μm。

当光纤的石英区的直径d₃为124.0～126.0μm时，对应内涂层4的直径d₄为170.0～205.0μm，对应外涂层5的直径d₅为235.0～250.0μm。

下面结合具体的实施例和附图对本发明做出进一步详细的说明。

表1和表2分别示出了本发明实施例1-16的多波段一字形领结型保偏光纤的结构参数和性能参数。

表1实施例1-16的多波段一字形领结型保偏光纤的结构参数

表2实施例1-16的多波段一字形领结型保偏光纤的性能参数

(注：表中全温指温度范围为：-55℃～90℃)

表3和表4示出了本发明实施例17-32的多波段蝶状领结型保偏光纤的结构及性能参数。

表3实施例17-32的多波段蝶状领结型保偏光纤的结构参数

表4实施例17-32的多波段蝶状领结型保偏光纤的性能参数

(注：表中全温指温度范围为：-55℃～90℃)

从上述实施例的数据可以看出，本发明的多波段领结型保偏光纤在850nm衰减在2.0dB/km以下，消光比在21dB/km以上；在1310nm衰减小于0.38dB/km，消光比高于30dB/km；在1550nm衰减小于0.3dB/km，消光比在25dB/km以上；每公里1550nm全温衰减变化量在0.2dB以下，1550nm全温消光比变化量在1.5dB以下。本发明可以提供光纤石英区(也称为“光纤石英包层”)直径涵盖39～126μm，涂层直径涵盖78～250μm的各类型的细径保偏光纤。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种多波段领结型保偏光纤，其包括石英区(3)，所述石英区(3)的内部设有圆形芯区(1)和2个应力区(2)；2个应力区(2)沿所述芯区(1)的中心对称分布；所述芯区(1)由内至外依次包括以所述芯区(1)的中心为圆心的第一芯层(11)、第二芯层(12)和石英过渡层(13)；

所述第一芯层(11)相对于所述石英区(3)的相对折射率差Δ₁₁为0.5％～1.1％；所述第二芯层(12)相对于所述石英区(3)的相对折射率差Δ₁₂为-0.5％～-0.05％；所述石英过渡层(13)的折射率n₁₃与所述石英区(3)的折射率n₃相等；所述应力区(2)的折射率n₂从近芯区处至远芯区处呈对数曲线下降；

所述多波段领结型保偏光纤的截止波长小于850nm；

所述相对折射率差的计算公式为：Δ＝(n-n₀)/(n+n₀)·100％；

其中，Δ为相对折射率差，n₀为石英区(3)的折射率；

当计算第一芯层(11)相对于石英区(3)的相对折射率差Δ₁₁时，上述公式中，n为第一芯层的折射率n₁₁；当计算第二芯层(12)相对于石英区(3)的相对折射率差Δ₁₂时，上述公式中，n为第二芯层的折射率n₁₂。

2.根据权利要求1所述的多波段领结型保偏光纤，其特征在于，所述应力区(2)相对于所述石英区(3)的相对折射率差Δ₂的计算公式为：Δ₂＝a₀lg(x²)；

其中，a₀为应力渐变系数，-0.2≤a₀≤-0.1；

x为应力区(2)中任意一点到应力区(2)的近芯区边缘中位于芯区(1)径向上的点之间的距离，1μm≤x≤x_max，且10μm≤x_max≤20μm。

3.根据权利要求1所述的多波段领结型保偏光纤，其特征在于，所述应力区(2)呈一字形领结型或蝶状领结型结构。

4.根据权利要求3所述的多波段领结型保偏光纤，其特征在于，当所述应力区(2)呈一字形领结型结构时，所述应力区(2)与所述芯区(1)组成一个椭圆。

5.根据权利要求3所述的多波段领结型保偏光纤，其特征在于，当所述应力区(2)呈蝶状领结型结构时，所述应力区(2)的形状为以所述芯区(1)的中心为圆心的圆弧环状，所述圆弧环的圆心角a为30～60°。

6.根据权利要求1所述的多波段领结型保偏光纤，其特征在于，所述石英区(3)的直径d₃为39～126μm。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的多波段领结型保偏光纤，其特征在于，还包括设于所述石英区(3)外的内涂层(4)和外涂层(5)；所述内涂层(4)的杨氏模量为0.5-2.5MPa；所述外涂层(5)的杨氏模量为500-2500MPa。

8.根据权利要求7所述的多波段领结型保偏光纤，其特征在于，所述内涂层(4)的直径d₄为52～205μm；所述外涂层(5)的直径d₅为78～250μm。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的多波段领结型保偏光纤，其特征在于，所述第一芯层(11)采用掺锗的方式形成；所述第二芯层(12)采用掺氟的方式形成；所述应力区(2)采用掺三氧化二硼的方式形成。

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