CN115248475A - 一种微结构保偏光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微结构保偏光纤，涉及保偏光纤技术领域，包括：一纤芯区域以及包围纤芯区域的一包层区域，包层区域包含呈正六边形排列的多圈毛细管；毛细管包括多个第一毛细管和多个第二毛细管，各第一毛细管分布于纤芯区域的两侧，并于纤芯区域的两侧分别呈三角形或菱形或梯形分布形成两个对称的三角应力区域；三角应力区域与纤芯区域之间分布有至少一圈第二毛细管；各第二毛细管内部中空对应形成空心空气孔；各第一毛细管的折射率低于纤芯区域的折射率。有益效果是有效降低偏振串音；提高微结构保偏光纤的双折射效应，使用温度范围和抗辐射能力；有效解决现有由于纤芯旁毛细孔尺寸改变引起的较高损耗以及破坏了光纤无截止单模特性的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及保偏光纤技术领域，尤其涉及一种微结构保偏光纤。
背景技术
保偏光纤(Polarization Maintaining Optical Fiber)的原理是有意地在光纤中引入一个***的线性双折射，使得光有两种稳定的偏振模式，并以不同的相速度沿光纤传播。随着光纤技术的飞速发展，光纤应用的领域不断扩大，保偏光纤因其特殊的光学性能被用于特殊领域，如传感、干涉测量、通信、航天航空等领域。
现有的保偏光纤根据双折射产生机理不同，主要分为两大类：1.受纤芯几何形状影响产生的双折射，如椭圆纤芯保偏光纤，通过将光纤芯制备成对称几何形状如，椭圆形、哑铃形，以达到正交的电磁波延光线轴向差速传播。椭圆纤芯引入的群双折射可达到10-4，但受限于制备工艺导致的纤芯几何误差，该类光纤存在损耗高的缺点；2.受纤芯周围应力影响产生的双折射，如领结保偏光纤和熊猫保偏光纤，通过在光纤内部基于不同介质其不同的热学性能，在制备过程中使光纤内局部引入残留内应力，从而达到双折射的效应，但该类保偏光纤对制备工艺要求较高，极易出现非对称应力区域，从而导致光学性能较差，例如偏振串音、偏振保持参数等。
另外，由于现有保偏光纤利用不同掺杂石英材料，例如掺硼、氟、锗，其不同材料的热学效应在温度升高时，掺杂材料所产生应力会逐渐释放，从而导致双折射效应减弱甚至消失；另外在核辐射环境下掺锗纤芯中的锗元素会扩散出纤芯，导致包层对光的束缚能力减弱，光纤损耗随之提升。
现有的微结构保偏光纤，如图1所示，通过对光纤结构的特殊设计，例如调整包层空气孔大小，不同大小空气孔排布，孔间距大小，以及二氧化硅与空气的高折射率差，可以获得较高的双折射，但纤芯100旁毛细孔200的尺寸改变会引起较高损耗，破坏了该光纤无截止单模的特性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种微结构保偏光纤，包括一纤芯区域以及包围所述纤芯区域的一包层区域，所述包层区域包含呈正六边形排列的多圈毛细管；
所述毛细管包括多个第一毛细管和多个第二毛细管，各所述第一毛细管分布于所述纤芯区域的两侧，并于所述纤芯区域的两侧分别呈三角形或菱形或梯形分布形成两个对称的应力区域；
所述应力区域与所述纤芯区域之间分布有至少一圈所述第二毛细管；
各所述第二毛细管内部中空对应形成空心空气孔；
各所述第一毛细管的折射率低于所述纤芯区域的折射率。
优选的，各所述第一毛细管内部中空对应形成空心空气孔，且所述第一毛细管的所述空心空气孔的内径大于所述第二毛细管的所述空心空气孔的内径。
优选的，所述第一毛细管的所述空心空气孔的内外径比例为[0.5,0.9]，所述第二毛细管的所述空心空气孔的内外径比例为[0.4,0.5]。
优选的，所述第一毛细管的所述空心空气孔的直径与相邻两所述空心空气孔的中心间距之间的比值为[0.55，0.65]。
优选的，所述第二毛细管的所述空心空气孔的直径与相邻两所述空心空气孔的中心间距之间的比值为[0.3，0.45]。
优选的，所述纤芯区域为实心熔融石英玻璃。
优选的，所述第一毛细管为实心低折射率材料，所述实心低折射率材料的折射率小于所述实心熔融石英玻璃的折射率。
优选的，形成每个所述应力区域的所述第一毛细管的数量为3-15个。
优选的，所述毛细管的圈数不少于3.5圈。
本发明还提供一种微结构保偏光纤的制备方法，用于制备上述的微结构保偏光纤，所述制备方法包括：
步骤S1，使用不同内外径比例的预制管和预制棒分别对应制备相同外径内径不同的毛细管和毛细棒，并将所述毛细管和所述毛细棒棒按照预设分布排列***外套管中，形成一级堆栈；
步骤S2，将一级堆栈进行压力控制拉伸，得到带有所述预设分布排列结构的光纤中间区域预制棒；
步骤S3，对所述光纤中间区域预制棒进行套管，以对不同压力控制区域进行分隔，形成光纤预制棒；
步骤S4，对所述光纤预制棒进行光纤拉丝，并对各所述不同压力控制区域进行精准压力控制，获得所述微结构保偏光纤。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1)通过对称分布的应力区域，有效降低偏振串音，实现光在其内部以两个稳定的偏振态传输；
2)第二毛细管与纤芯区域使用单一材料(纯石英)，或者第一毛细管、第二毛细管及纤芯区域均使用单一材料(纯石英)，利用空气与纯二氧化硅间的高折射率反差，有效提高微结构保偏光纤的双折射效应，并极大提高微结构保偏光纤的使用温度范围和抗辐射能力；
3)应力区域与纤芯区域之间分布有至少一圈第二毛细管，有效解决现有微结构保偏光纤由于纤芯旁毛细孔尺寸改变引起的较高损耗以及破坏了光纤无截止单模特性的技术问题；
4)巧妙的结合了两种产生双折射机理，即纤芯几何形状影响性和纤芯受应力影响性，实现高双折射，且制备简单，适用于极端环境；
5)可调整结构设计实现单模传输、高偏振保持、抗弯等特性；
6)基于高精度毛细管、毛细棒拉制以及精准压力控制保证了光纤径向高度对称；
7)光纤制备过程无需使用气相沉积等工艺，极大的减少了工艺对环境的污染。
附图说明
图1为现有的微结构保偏光纤的径向截面结构示意图；
图2为本发明的较佳的实施例中，应力区域呈三角形的微结构保偏光纤的径向截面结构示意图；
图3为本发明的较佳的实施例中，应力区域呈三角形的微结构保偏光纤的径向截面结构示意图；
图4为本发明的较佳的实施例中，应力区域呈三角形的微结构保偏光纤的制备方法的流程示意图；
图5为本发明的较佳的实施例中，应力区域呈菱形的微结构保偏光纤的制备方法的流程示意图；
图6为本发明的较佳的实施例中，应力区域呈梯形的微结构保偏光纤的制备方法的流程示意图；
图7为本发明的较佳的实施例中，应力区域呈梯形的微结构保偏光纤的制备方法的流程示意图；
图8为本发明的较佳的实施例中，一种微结构保偏光纤的制备方法的流程示意图；
图9为实施例一中，一种低占空比的微结构保偏光纤的径向截面结构的示意图；
图10为实施例二中，一种高占空比的微结构保偏光纤的径向截面结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种微结构保偏光纤，如图2所示，包括一纤芯区域1以及包围纤芯区域1的一包层区域，包层区域包含呈正六边形排列的多圈毛细管；
毛细管包括多个第一毛细管2和多个第二毛细管3，各第一毛细管2分布于纤芯区域1的两侧，并于纤芯区域1的两侧分别呈三角形或菱形或梯形分布形成两个对称的应力区域4；
应力区域4与纤芯区域1之间分布有至少一圈第二毛细管3；
各第二毛细管3内部中空对应形成空心空气孔；
各第一毛细管2的折射率低于纤芯区域1的折射率。
具体地，本实施例中，图2中为4.5圈呈正六边形排列的毛细管形成的包层区域围绕纤芯区域1形成的微结构保偏光纤的径向截面的示意图。可以看出，最外圈的第二毛细管3并未形成完整的正六边形，在正六边形各顶点位置分别缺失一个第二毛细管3，因此，将该圈第二毛细管3定义为0.5圈。
图2中，应力区域4与纤芯区域1之间分布有一圈第二毛细管3，实现应力区域4与纤芯区域1之间的分隔，基于此，有效降低偏振串音，实现光在其内部以两个稳定的偏振态传输的同时，能够有效解决现有微结构保偏光纤由于纤芯旁毛细孔尺寸改变引起的较高损耗以及破坏了光纤无截止单模特性的技术问题。可以理解的，应力区域4与纤芯区域1之间可以分布有多圈第二毛细管3，具体可以根据光纤结构设计需求设置。
优选的，形成应力区域4的各第一毛细管2可以是内部中空的结构，本发明的较佳的实施例中，各第一毛细管2内部中空对应形成空心空气孔，且第一毛细管2的空心空气孔的内径大于第二毛细管3的空心空气孔的内径。
本发明的较佳的实施例中，第一毛细管2的空心空气孔的内外径比例为[0.5,0.9]，第二毛细管3的空心空气孔的内外径比例为[0.4,0.5]。
本发明的较佳的实施例中，第一毛细管2的空心空气孔的直径与相邻两空心空气孔的中心间距之间的比值为[0.55,0.65]。
本发明的较佳的实施例中，第二毛细管3的空心空气孔的直径与相邻两空心空气孔的中心间距之间的比值为[0.3,0.45]。
本发明的较佳的实施例中，纤芯区域1为实心熔融石英玻璃。
优选的，形成应力区域4的各第一毛细管2也可以是内部掺杂低折射率材料的结构，本发明的较佳的实施例中，第一毛细管2为实心低折射率材料，实心低折射率材料的折射率小于实心熔融石英玻璃的折射率。
本发明的较佳的实施例中，形成每个应力区域4的第一毛细管2的数量为3至15个。
具体地，本实施例中，图2和图3中示出了单个应力区域4的第一毛细管2的数量为6个且呈三角形时的分布情况，图4中示出了单个应力区域4的第一毛细管2的数量为3个且呈三角形时的分布情况，图5中示出了单个应力区域4的第一毛细管2的数量为4个且呈菱形时的分布情况，图6和图7中示出了单个应力区域4的第一毛细管2的数量为12个且呈梯形时的分布情况，其他数量是依次类推，即各圈呈正六边形分布的毛细管中，位于应力区域4的相邻圈的第一毛细管2依次为1个、2个等，依次递增，每圈中，除应力区域4的其他包层区域均采用第二毛细管3补齐，以形成正六边形。单个应力区域4的第一毛细管2的具体数量可以由具体光纤结构设计决定。
本发明的较佳的实施例中，毛细管的圈数不少于3.5圈。
本发明还提供一种微结构保偏光纤的制备方法，用于制备上述的微结构保偏光纤，如图2至图8所示，制备方法包括：
步骤S1，使用不同内外径比例的预制管和预制棒分别对应制备相同外径内径不同的毛细管和毛细棒，并将毛细管和毛细棒棒按照预设分布排列***外套管5中，形成一级堆栈；
步骤S2，将一级堆栈进行压力控制拉伸，得到带有预设分布排列结构的光纤中间区域预制棒；
步骤S3，对光纤中间区域预制棒进行套管，以对不同压力控制区域进行分隔，形成光纤预制棒；
步骤S4，对光纤预制棒进行光纤拉丝，并对各不同压力控制区域进行精准压力控制，获得微结构保偏光纤。
具体地，本实施例中，步骤S1的一级堆栈中，选用的制备得到的毛细管以及毛细棒的外径为[1.2mm，2mm]。一级堆栈中毛细棒及内圈毛细管需经过酸洗、碱洗、气体烘烤提纯工艺。
实施例一
如图9所示，为一种低占空比的微结构保偏光纤的径向截面结构，其光纤径向内大小空气孔(即第一毛细管的空心空气孔及第二毛细管的空心空气孔)实际占空比分别70％和40％。
在进行微结构保偏光纤制备时，其所制备用一级堆栈的大小毛细管内外比例分别为0.4及0.55，小空气孔(第二毛细管的空心空气孔)占空比选择根据超连续白光无截止单模微结构光纤设计，可保证光纤的单模传输。此外，纤芯受应力区域挤压产生形变较小，其长短轴差约1微米。光纤外径为125微米，与单多模光纤有较好的耦合适配性。
实测该低占空比微结构保偏光纤的光纤光学参数如下：
实施例二
如图10所示，为一种高占空比的微结构保偏光纤的径向截面结构，其光纤径向内大小空气孔(即第一毛细管的空心空气孔及第二毛细管的空心空气孔)实际占空比分别88％和60％。
在进行微结构保偏光纤制备时，其所制备用一级堆栈的大小毛细管内外比例分别为0.5及0.6。该实施例中，通过应力区域极大程度地挤压纤芯形状，使纤芯长短轴差达到≥3微米。其高占空比空气孔以及纤芯地高椭圆度产生较实施例一中结构具有更高地双折射效应。
实测该高占空比微结构保偏光纤的光纤光学参数如下：
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种微结构保偏光纤，其特征在于，包括一纤芯区域以及包围所述纤芯区域的一包层区域，所述包层区域包含呈正六边形排列的多圈毛细管；
所述毛细管包括多个第一毛细管和多个第二毛细管，各所述第一毛细管分布于所述纤芯区域的两侧，并于所述纤芯区域的两侧分别呈三角形或菱形或梯形分布形成两个对称的应力区域；
所述应力区域与所述纤芯区域之间分布有至少一圈所述第二毛细管；
各所述第二毛细管内部中空对应形成空心空气孔；
各所述第一毛细管的折射率低于所述纤芯区域的折射率。
2.根据权利要求1所述的微结构保偏光纤，其特征在于，各所述第一毛细管内部中空对应形成空心空气孔，且所述第一毛细管的所述空心空气孔的内径大于所述第二毛细管的所述空心空气孔的内径。
3.根据权利要求2所述的微结构保偏光纤，其特征在于，所述第一毛细管的所述空心空气孔的内外径比例为[0.5,0.9]，所述第二毛细管的所述空心空气孔的内外径比例为[0.4,0.5]。
4.根据权利要求2所述的微结构保偏光纤，其特征在于，所述第一毛细管的所述空心空气孔的内径与相邻两所述空心空气孔的中心间距之间的比值为[0.55,0.65]。
5.根据权利要求2所述的微结构保偏光纤，其特征在于，所述第二毛细管的所述空心空气孔的直径与相邻两所述空心空气孔的中心间距之间的比值为[0.3,0.45]。
6.根据权利要求1所述的微结构保偏光纤，其特征在于，所述纤芯区域为实心熔融石英玻璃。
7.根据权利要求1所述的微结构保偏光纤，其特征在于，形成每个所述应力区域的所述第一毛细管的数量为3-15个。
8.根据权利要求1所述的微结构保偏光纤，其特征在于，所述毛细管的圈数不少于3.5圈。
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