CN110346865A - 一种多波段使用的保偏光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波段使用的保偏光纤，其包括由内到外依次设置的椭圆掺锗芯层、圆环形掺锗芯层、圆环形掺氟包层和石英包层，所述圆环形掺锗芯层和所述圆环形掺氟包层的圆心与所述椭圆掺锗芯层的中心重合；所述椭圆掺锗芯层的折射率大于所述圆环形掺锗芯层的折射率；沿所述椭圆掺锗芯层的短轴方向，所述圆环形掺锗芯层的折射率剖面的形状包括由内而外布置且相连的抛物线形和水平直线形，沿所述椭圆掺锗芯层的长轴方向，所述圆环形掺锗芯层的折射率剖面呈水平直线形；所述保偏光纤的截止波长小于830nm。本发明能够适用于850nm、1310nm和1550nm波长，实现多类型的光纤陀螺绕制，不仅具有良好的抗弯性能，而且具有良好的熔接性能、良好的衰减和串音稳定性。

Description

一种多波段使用的保偏光纤
技术领域
本发明涉及保偏光纤技术领域，具体涉及一种多波段使用的保偏光纤。
背景技术
惯性技术是定向导航的关键技术，是航天航空及国防领域必不可少的关键技术。由于光纤陀螺和其他类型陀螺相比具有启动时间短、没有活动元件、环境适应能力强等优点，近年来发展非常迅速，已成为惯性领域的主要方向之一。
近年来航天、航空、船舶、国防、高铁、油井等诸多领域，均对光纤陀螺向高精度和小型化等方面的技术进步提出了迫切需求。基于Sagnac效应的光纤陀螺使用保偏光纤来绕制敏感环。敏感环的体积和绕制的长度是制约光纤陀螺向小型化和高精度发展的主要问题，这要求保偏光纤向更细、更好、更可靠发展。
保偏光纤的细径化技术需要解决细径化、高性能的串音稳定性、抗环境干扰能力和长期应用的可靠性有机结合难题。传统方法一般为直接降低光纤的直径。但是，光纤的直径越小、涂层越薄，进而导致光纤抗外界干扰能力下降的困扰，难以应用于精度需求较高的光纤陀螺。
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、良好的衰减以及优良的消光比的同时，降低环圈体积。但现有保偏光纤尚无该类型的细径型保偏光纤产品支撑，需要进行相关技术开发。
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能够满足850nm、1310nm和1550nm波长的多波段使用的保偏光纤，不仅具有良好的抗弯性能，而且具有良好的熔接性能、良好的衰减和串音稳定性。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种多波段使用的保偏光纤，其包括由内到外依次设置的椭圆掺锗芯层、圆环形掺锗芯层、圆环形掺氟包层和石英包层，所述圆环形掺锗芯层和所述圆环形掺氟包层的圆心与所述椭圆掺锗芯层的中心重合；
所述椭圆掺锗芯层的折射率大于所述圆环形掺锗芯层的折射率；
沿所述椭圆掺锗芯层的短轴方向，所述圆环形掺锗芯层的折射率剖面的形状包括由内而外布置且相连的抛物线形和水平直线形；
沿所述椭圆掺锗芯层的长轴方向，所述圆环形掺锗芯层的折射率剖面呈水平直线形；
所述保偏光纤的截止波长小于830nm。
本发明设计了一种保偏光纤的波导结构，由于掺锗，相对折射率差较高，从而容许更小的截止波长，使得保偏光纤的截止波长小于830nm，同时为保障良好的弯曲性能，在圆环形掺锗芯层周围设计有下陷的圆环形掺氟包层，实现光纤的抗弯性能。
利用椭圆掺锗芯层，可以将光纤的传输模场由传统圆形纤芯的圆形模场变成椭圆模场，从而在几何形状上，实现光纤模场由圆波导向椭圆波导变化，这样在椭圆模场的长轴和短轴上，光纤传输路径不一样，从而实现光纤的偏振特性。
本发明在椭圆掺锗芯层之外，再设置一道圆环形掺锗芯层，且沿椭圆掺锗芯层的短轴方向，圆环形掺锗芯层的折射率剖面具有一段抛物线形，从而在熔接接续时由圆环形掺锗芯层对接常规圆形纤芯光纤，而在传输时则由椭圆掺锗芯层来实现偏振传输。这样既提高熔接时的可靠性，降低了熔接损耗，又提高熔接后的串音稳定性，实现了良好的偏振传输。
进一步地，所述圆环形掺锗芯层折射率为n2，所述石英包层的折射率为n4，n2与n4的相对折射率差为Δn2；
所述圆环形掺锗芯层的直径为d2；
所述椭圆掺锗芯层的长轴为d1；
Δn2按照如下公式计算：
其中，a为所述圆环形掺锗芯层的过渡系数，且1.0％≤a≤2.0％，x为所述圆环形掺锗芯层上任意一点到所述椭圆掺锗芯层的中心的距离，且当时，x取其实际值，当时，
进一步地，所述圆环形掺锗芯层的直径为d2，所述椭圆掺锗芯层的长轴为d1，1≤d2/d1≤2。
进一步地，所述石英包层折射率为n4，所述椭圆掺锗芯层折射率为n1，n1与n4的相对折射率差Δn1的取值范围为0.6％～1.2％。
进一步地，所述椭圆掺锗芯层的椭圆度为30％～60％。
进一步地，所述石英包层折射率为n4，所述圆环形掺氟包层折射率为n3，n3与n4的相对折射率差Δn3的取值范围为-0.2％～-0.6％。
进一步地，所述圆环形掺氟包层的直径为d3，所述圆环形掺锗芯层的直径为d2，2≤d3/d2≤6。
进一步地，所述石英包层外侧由内到外依次设有内涂层和外涂层，所述内涂层的杨氏模量小于所述外涂层的杨氏模量。
进一步地，所述石英包层直径为d4，所述内涂层和所述外涂层直径分别为d5和d6；
当39.0μm≤d4≤41.0μm时，52.0μm≤d5≤65.0μm，78.0μm≤d6≤83.0μm；
当59.0μm≤d4≤61.0μm时，72.0μm≤d5≤85.0μm，98.0μm≤d6≤105.0μm；
当79.0μm≤d4≤81.0μm时，100.0μm≤d5≤115.0μm，134.0μm≤d6≤140.0μm，或者115.0μm≤d5≤135.0μm，164.0μm≤d6≤170.0μm；
当124.0μm≤d4≤126.0μm时，170.0μm≤d5≤205.0μm，235.0μm≤d6≤250.0μm。
进一步地，工作波长为850nm时，所述保偏光纤衰减小于2.0dB/km，消光比高于20dB/km；工作波长为1310nm时，所述保偏光纤衰减小于0.36dB/km，消光比高于24dB/km；工作波长为1550nm时，所述保偏光纤衰减小于0.28dB/km，消光比高于23dB/km；
所述保偏光纤在-55℃～95℃的每公里全温衰减变化量小于0.1dB，全温消光比变化量小于1dB。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明设计了一种保偏光纤的波导结构，由于掺锗，相对折射率差较高，从而容许更小的截止波长，使得保偏光纤的截止波长小于830nm，同时为保障良好的弯曲性能，在圆环形掺锗芯层周围设计有下陷的圆环形掺氟包层，实现光纤的抗弯性能。
利用椭圆掺锗芯层，可以将光纤的传输模场由传统圆形纤芯的圆形模场变成椭圆模场，从而在几何形状上，实现光纤模场由圆波导向椭圆波导变化，这样在椭圆模场的长轴和短轴上，光纤传输路径不一样，从而实现光纤的偏振特性。
本发明在椭圆掺锗芯层之外，再设置一道圆环形掺锗芯层，且沿椭圆掺锗芯层的短轴方向，圆环形掺锗芯层的折射率剖面具有一段抛物线形，从而在熔接接续时由圆环形掺锗芯层对接常规圆形纤芯光纤，而在传输时则由椭圆掺锗芯层来实现偏振传输。这样既提高熔接时的可靠性，降低了熔接损耗，又提高熔接后的串音稳定性，实现了良好的偏振传输。
当工作波长为850nm时，保偏光纤衰减小于2.0dB/km，消光比高于20dB/km；工作波长为1310nm时，保偏光纤衰减小于0.36dB/km，消光比高于24dB/km；工作波长为1550nm时，保偏光纤衰减小于0.28dB/km，消光比高于23dB/km；不仅具有良好的衰减和优良的消光比，保偏光纤在-55℃～95℃的每公里全温衰减变化量小于0.1dB，全温消光比变化量小于1dB。
弯曲半径在5mm时，1550nm附加衰减小于0.2dB，1310nm附加衰减小于0.1dB，850nm附加衰减小于0.05dB。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多波段使用的保偏光纤断面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多波段使用的保偏光纤波导结构示意图(沿椭圆掺锗芯层的短轴方向)；
图3为本发明实施例提供的多波段使用的保偏光纤波导结构示意图(沿椭圆掺锗芯层的长轴方向)；
图4为本发明实施例提供的椭圆掺锗芯层和圆环形掺锗芯层断面结构示意图。
图中：1、椭圆掺锗芯层；2、圆环形掺锗芯层；3、圆环形掺氟包层；4、石英包层；5、内涂层；6、外涂层；
n1、椭圆掺锗芯层的折射率；n2、圆环形掺锗芯层的折射率；n3、圆环形掺氟包层的折射率；n4、石英包层的折射率；
d0、椭圆掺锗芯层的短轴；d1、椭圆掺锗芯层的长轴；d2、圆环形掺锗芯层的直径；d3、圆环形掺氟包层的直径；d4、石英包层的直径；d5、内涂层的直径；d6、外涂层的直径。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种多波段使用的保偏光纤，该保偏光纤包括由内到外依次设置的椭圆掺锗芯层1、圆环形掺锗芯层2、圆环形掺氟包层3和石英包层4，圆环形掺锗芯层2和圆环形掺氟包层3的圆心与椭圆掺锗芯层1的中心重合；
参见图2所示，椭圆掺锗芯层1的折射率n1大于圆环形掺锗芯层2的折射率n2；
参见图2所示，沿椭圆掺锗芯层1的短轴方向，圆环形掺锗芯层2的折射率剖面的形状包括由内而外布置且相连的抛物线形和水平直线形；参见图3所示，沿椭圆掺锗芯层1的长轴方向，圆环形掺锗芯层2的折射率剖面呈水平直线形；
本发明首先设计了一种保偏光纤的波导结构，由于掺锗，相对折射率差较高，从而容许更小的截止波长，使得保偏光纤的截止波长小于830nm，适用于850nm、1310nm和1550nm波长，实现多类型的光纤陀螺绕制，同时为保障良好的弯曲性能，在圆环形掺锗芯层2周围设计有下陷的圆环形掺氟包层3，实现光纤的抗弯性能；
利用椭圆掺锗芯层1，可以将光纤的传输模场由传统圆形纤芯的圆形模场变成椭圆模场，从而在几何形状上，实现光纤模场由圆波导向椭圆波导变化，这样在椭圆模场的长轴和短轴上，光纤传输路径不一样，从而实现光纤的偏振特性。
但是对于纯椭圆纤芯光纤，当其与圆形纤芯光纤接续时，由于模场形状的不一致，将导致这两种光纤熔接时，熔点处的熔接损耗会较大。这也是椭圆纤芯光纤难以广泛应用推广的重要原因。为解决这一问题，本发明创造性的在椭圆掺锗芯层1之外，再设置一道圆环形掺锗芯层2，且沿椭圆掺锗芯层的短轴方向，圆环形掺锗芯层2的折射率剖面具有一段抛物线形，从而在熔接接续时由圆环形掺锗芯层2对接常规圆形纤芯光纤，而在传输时则由椭圆掺锗芯层1来实现偏振传输。这样既提高熔接时的可靠性，降低了熔接损耗，又提高熔接后的串音稳定性，实现了良好的偏振传输。
本实施例中，当工作波长为850nm时，保偏光纤衰减小于2.0dB/km，消光比高于20dB/km；工作波长为1310nm时，保偏光纤衰减小于0.36dB/km，消光比高于24dB/km；工作波长为1550nm时，保偏光纤衰减小于0.28dB/km，消光比高于23dB/km；通过椭圆掺锗芯层1的设计，实现了光纤模场的几何不对称，从而实现了优良的消光比，同时通过椭圆掺锗芯层1结合圆环形掺锗芯层2以及圆环形掺氟包层3的设计，保证了在外界应力条件下，纤芯尽可能的均匀受力，并可以约束好光信号在纤芯中，从而具有良好的衰减和良好的弯曲性能以及全温性能。保偏光纤在-55℃～95℃的每公里全温衰减变化量小于0.1dB，全温消光比变化量小于1dB。
弯曲半径在5mm时，1550nm附加衰减小于0.2dB，1310nm附加衰减小于0.1dB，850nm附加衰减小于0.05dB。
参见图2和图3所示，为本发明的保偏光纤的波导结构，为一种“山型”波导结构。本发明提供的实施例采用如下公式计算相对折射率差Δ：
Δ＝(n折-n4)/(n折+n4)×100％
其中：n4为石英包层4的折射率。对本发明而言，当计算椭圆掺锗芯层1与石英包层4的相对折射率差Δn1时，公式中n折为椭圆掺锗芯层1的折射率n1；当计算圆环形掺锗芯层2与石英包层4的相对折射率差Δn2时，公式中n折为圆环形掺锗芯层2的折射率n2；当计算圆环形掺氟包层3与石英包层4的相对折射率差Δn3时，式中n折变为圆环形掺氟包层3的折射率n3。
圆环形掺锗芯层2折射率为n2，石英包层4的折射率为n4，n2与n4的相对折射率差为Δn2；
参见图4所示，圆环形掺锗芯层2的直径为d2，椭圆掺锗芯层1的长轴为d1，椭圆掺锗芯层1的短轴为d0；
Δn2按照如下公式计算：
其中，a为圆环形掺锗芯层2的过渡系数，且1.0％≤a≤2.0％，x为圆环形掺锗芯层2上任意一点到所述椭圆掺锗芯层1的中心的距离，且当时，x取其实际值，当时，
圆环形掺锗芯层2采用掺锗的方式，其相对折射率差具有一段平滑的抛物线形式，可以提高熔接时的可靠性，降低熔接损耗，并提高熔接后的串音稳定性。
进一步地，圆环形掺锗芯层2的直径为d2，椭圆掺锗芯层1的长轴为d1，1≤d2/d1≤2。
石英包层4折射率为n4，椭圆掺锗芯层1折射率为n1，n1与n4的相对折射率差Δn1的取值范围为0.6％～1.2％。
椭圆掺锗芯层1的椭圆度为30％～60％，即当椭圆掺锗芯层1的短轴长度为3μm时，其长轴长度d1为3.9μm～4.8μm。
石英包层4折射率为n4，圆环形掺氟包层3折射率为n3，n3与n4的相对折射率差Δn3的取值范围为-0.2％～-0.6％。
圆环形掺氟包层3的直径为d3，圆环形掺锗芯层2的直径为d2，2≤d3/d2≤6。
参见图1所示，石英包层4外侧由内到外依次设有内涂层5和外涂层6，内涂层5的杨氏模量小于外涂层6的杨氏模量，内涂层5直接与石英包层4接触，较软，外涂层6则是光纤最外层的保护壳，较硬。这样通过设置两层杨氏模量不同的涂层，通过较硬的外涂层6形成一个保护壳，通过较软的内涂层5将应力冲击进行缓冲，从而使光纤具备良好的多环境应用性能。
石英包层4直径为d4，内涂层5和外涂层6直径分别为d5和d6；
当石英包层4的中心直径为40μm时，d4的取值范围为39.0μm≤d4≤41.0μm，且52.0μm≤d5≤65.0μm，78.0μm≤d6≤83.0μm；
当石英包层4的中心直径为60μm时，d4的取值范围为59.0μm≤d4≤61.0μm，且72.0μm≤d5≤85.0μm，98.0μm≤d6≤105.0μm；
当石英包层4的中心直径为80μm时，d4的取值范围为79.0μm≤d4≤81.0μm且100.0μm≤d5≤115.0μm，134.0μm≤d6≤140.0μm，或者115.0μm≤d5≤135.0μm，164.0μm≤d6≤170.0μm；
当石英包层4的中心直径为40μm时，d4的取值范围为124.0μm≤d4≤126.0μm，且170.0μm≤d5≤205.0μm，235.0μm≤d6≤250.0μm。
由上述可知，光纤的石英包层4的直径涵盖40μm～125μm，涂层直径涵盖80μm～250μm，从而可以全面满足光纤陀螺的高精度和小型化发展需求。
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。
根据不同的石英包层2的直径为，进行了16种光纤的实施。具体参数见表1：
表1各实施例具体参数
表2各实施例主要性能
本发明实现的保偏光纤具有良好的衰减和优良的串音稳定性，在850nm衰减可小于2.0dB/km，消光比高于20dB/km；在1310nm衰减可小于0.36dB/km，消光比高于24dB/km；在1550nm衰减可小于0.28dB/km，消光比高于23dB/km；在-55℃～95℃的每公里全温衰减变化量小于0.1dB，全温消光比变化量小于1dB；具有良好的熔接性能，其与常规圆形光纤的熔接损耗可达到0.3dB以内；弯曲半径在5mm时，1550nm附加衰减小于0.2dB，1310nm附加衰减小于0.1dB，850nm附加衰减小于0.05dB。
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 (10)

1.一种多波段使用的保偏光纤，其特征在于：其包括由内到外依次设置的椭圆掺锗芯层(1)、圆环形掺锗芯层(2)、圆环形掺氟包层(3)和石英包层(4)，所述圆环形掺锗芯层(2)和所述圆环形掺氟包层(3)的圆心与所述椭圆掺锗芯层(1)的中心重合；
所述椭圆掺锗芯层(1)的折射率大于所述圆环形掺锗芯层(2)的折射率；
沿所述椭圆掺锗芯层(1)的短轴方向，所述圆环形掺锗芯层(2)的折射率剖面的形状包括由内而外布置且相连的抛物线形和水平直线形；
沿所述椭圆掺锗芯层(1)的长轴方向，所述圆环形掺锗芯层(2)的折射率剖面呈水平直线形；
所述保偏光纤的截止波长小于830nm。
2.如权利要求1所述的多波段使用的保偏光纤，其特征在于：
所述圆环形掺锗芯层(2)折射率为n2，所述石英包层(4)的折射率为n4，n2与n4的相对折射率差为Δn2；
所述椭圆掺锗芯层(1)的长轴为d1；
Δn2按照如下公式计算：
其中，a为所述圆环形掺锗芯层(2)的过渡系数，且1.0％≤a≤2.0％，x为所述圆环形掺锗芯层(2)上任意一点到所述椭圆掺锗芯层(1)的中心的距离，且当时，x取其实际值，当时，
3.如权利要求1所述的多波段使用的保偏光纤，其特征在于：所述圆环形掺锗芯层(2)的直径为d2，所述椭圆掺锗芯层(1)的长轴为d1，1≤d2/d1≤2。
4.如权利要求1所述的多波段使用的保偏光纤，其特征在于：所述石英包层(4)折射率为n4，所述椭圆掺锗芯层(1)折射率为n1，n1与n4的相对折射率差Δn1的取值范围为0.6％～1.2％。
5.如权利要求1所述的多波段使用的保偏光纤，其特征在于：所述椭圆掺锗芯层(1)的椭圆度为30％～60％。
6.如权利要求1所述的多波段使用的保偏光纤，其特征在于：所述石英包层(4)折射率为n4，所述圆环形掺氟包层(3)折射率为n3，n3与n4的相对折射率差Δn3的取值范围为-0.2％～-0.6％。
7.如权利要求1所述的多波段使用的保偏光纤，其特征在于：所述圆环形掺氟包层(3)的直径为d3，所述圆环形掺锗芯层(2)的直径为d2，2≤d3/d2≤6。
8.如权利要求1所述的多波段使用的保偏光纤，其特征在于：
所述石英包层(4)外侧由内到外依次设有内涂层(5)和外涂层(6)，所述内涂层(5)的杨氏模量小于所述外涂层(6)的杨氏模量。
9.如权利要求1所述的熊猫型保偏光纤，其特征在于：
所述石英包层(4)直径为d4，所述内涂层(5)和所述外涂层(6)直径分别为d5和d6；
当39.0μm≤d4≤41.0μm时，52.0μm≤d5≤65.0μm，78.0μm≤d6≤83.0μm；
当59.0μm≤d4≤61.0μm时，72.0μm≤d5≤85.0μm，98.0μm≤d6≤105.0μm；
当79.0μm≤d4≤81.0μm时，100.0μm≤d5≤115.0μm，134.0μm≤d6≤140.0μm，或者115.0μm≤d5≤135.0μm，164.0μm≤d6≤170.0μm；
当124.0μm≤d4≤126.0μm时，170.0μm≤d5≤205.0μm，235.0μm≤d6≤250.0μm。
10.如权利要求1所述的多波段使用的保偏光纤，其特征在于：
工作波长为850nm时，所述保偏光纤衰减小于2.0dB/km，消光比高于20dB/km；工作波长为1310nm时，所述保偏光纤衰减小于0.36dB/km，消光比高于24dB/km；工作波长为1550nm时，所述保偏光纤衰减小于0.28dB/km，消光比高于23dB/km；
所述保偏光纤在-55℃～95℃的每公里全温衰减变化量小于0.1dB，全温消光比变化量小于1dB。
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