CN116429080A - 一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，包括光源、环形器、Y波导、光纤环圈、光电探测器及调制解调电路板，光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，空芯微结构光纤包括包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元，多个包层微结构单元沿包层结构体内壁均匀分布，每个蜂巢状支撑单元设于相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间的空隙处，每个蜂巢状支撑单元由多个支撑微结构单元周期性组合而成。本发明提供的光纤机械强度和导光特性均能满足光纤陀螺应用中空芯微结构光纤绕制成环的使用需求，保证了光纤环圈及陀螺的高稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺。
背景技术
干涉型光纤陀螺取得了巨大的商业和军事成就，广泛应用于海、陆、空、天等领域的惯性自主导航***。光纤陀螺向快温变、大磁场、强辐照等极端环境应用拓展时，其环境适应性进一步提高成为首要解决的技术问题。在现有光纤陀螺技术框架下，光纤环圈所用传统实芯保偏光纤的环境敏感属性成为进一步提升光纤陀螺环境适应性的材料限制。
空芯微结构光纤通过包层微结构使光波被高效地束缚在空气纤芯中传输，将空气作为传输介质，光波对环境中热、磁和辐照等影响不再敏感，可实现理想的高稳定光传输，有望根本性地解决光纤陀螺环境适应性进一步提升的技术难题。空芯微结构光纤应用于光纤陀螺仍需精密对称绕制成环，形成空芯微结构光纤环圈作为陀螺中直接敏感Sagnac相移的传感元件。光纤成环过程通常包括绕制、施胶和固化环节。相比传统全固态光纤，成环过程中在光纤上产生的扭转应力、横向应力、弯曲应力、胶体收缩力等附加力场更易损伤空芯微结构光纤，对其内部微结构造成破坏，进而影响导光特性。
目前，绕制光纤环圈的光纤主要有两类：一类是以光子带隙效应为导光机制的空芯光子晶体光纤，具有周期格点结构特征，包层结构复杂，弯曲性能好，但其具有损耗大、背向散射高、多模传输等缺点（光纤导光机理限制），难以支撑干涉型光纤陀螺实现高精度；另一类是以反谐振反射效应为导光机制的空芯反谐振光纤，具有均匀玻璃壁厚结构特征，包层结构极简，其具有高品质导光特点，例如损耗低、背向散射低和单模性好等，但其机械强度差（光纤大空气占比限制），受力下微结构易变形，进而导致导光特性劣化甚至失效，难以支撑光纤绕制成环圈实现干涉型陀螺效应。面对光纤陀螺应用需求，空芯光子晶体光纤受导光机理限制在导光特性上无法形成根本性突破，空芯反谐振光纤的力学强度无法承受绕制成环圈所造成的应力施加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，且空芯微结构光纤通过采用包层微结构单元实现低损耗保偏导光，且在包层微结构单元和包层结构体之间引入蜂巢状支撑单元，以增强形成导光机制的包层微结构单元力学强度，使空芯微结构光纤在强力场作用下仍可实现高品质光传输，并且在蜂巢状支撑单元中形成损耗导光通道，通过调整损耗导光通道的光传输模式折射率，可以使之与预期的泄露模式折射率匹配，可使泄露模式的能量耦合到蜂巢状支撑单元的损耗导光通道中进而高效衰减掉，进一步提升空芯微结构光纤的保偏能力和模式纯度，从而提升陀螺的稳定性。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其包括光源、环形器、Y波导、光纤环圈、光电探测器及调制解调电路板，所述光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与Y波导的输入端连接，Y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤通过光纤准直密封接头准直耦合，光电探测器输入端口与环形器探测端口连接，探测器输出端口与调制解调电路板输入端口连接，调制解调电路板输出端口与Y波导调制端口连接，所述光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，所述空芯微结构光纤包括包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元，多个所述包层微结构单元沿包层结构体内壁均匀分布，相邻包层微结构单元之间留有间隙且多个所述包层微结构单元在包层结构体中部形成导光空气纤芯，每个所述蜂巢状支撑单元设于相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间的空隙处，用以使包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元形成一个空芯微结构光纤整体，每个所述蜂巢状支撑单元由多个支撑微结构单元周期性组合而成，且多个支撑微结构单元中间形成损耗导光通道。
进一步，蜂巢状支撑单元端部延伸至两包层微结构单元之间的间隙中部。
进一步，包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元由石英玻璃一体拉制而成的。
优选的，包层微结构单元为两圆管或多圆管嵌套微结构单元。
优选的，包层微结构单元数量为六个。
进一步，相邻包层微结构单元之间的间隙满足式（1）的要求
其中：
为相邻包层微结构单元之间的间隙；/>
为空芯微结构光纤导光空气纤芯半径；/>
为空芯微结构光纤包层结构体内径；/>
为包层微结构单元数量。
优化的，光源为宽带光源。
发明的有益效果：
1.陀螺的光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，空芯微结构光纤在包层微结构单元和包层结构体之间引入蜂巢状支撑单元，使包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元形成一个空芯微结构光纤整体，可以增强形成反谐振反射导光机制的包层微结构单元力学强度，在强力场作用下空芯微结构光纤整体发生变形时，仍可实现高品质光传输，从而保证光纤环圈及陀螺的高稳定性；
2.蜂巢状支撑单元中设有基于光子带隙效应的损耗导光通道，通过调整该损耗导光通道的光传输模式折射率，使之与预期泄露模式折射率匹配，激发谐振耦合现象可使泄露模式的能量耦合到蜂巢状支撑单元的损耗导光通道中进而高效衰减掉，从而进一步提升空芯微结构光纤的保偏能力和模式纯度，在空芯微结构光纤机械强度和导光特性上均能满足光纤陀螺应用中空芯微结构光纤绕制成环的使用需求。
附图说明
图1是本发明陀螺结构示意图。
图2是本发明空芯微结构光纤结构示意图。
图3传统空芯微结构光纤结构示意图。
图4是传统空芯微结构光纤横向挤压变形结构示意图。
图5是本发明空芯微结构光纤横向挤压变形结构示意图。
图6是本发明空芯微结构光纤相邻包层微结构单元之间间隙示意图。
图中：1.包层结构体，2.支撑微结构单元，3.包层微结构单元，4.蜂巢状支撑单元，5.损耗导光通道，6.导光空气纤芯,7.光源,8. 环形器，9. Y波导，10. 光纤准直密封接头，11. 光纤环圈，12. 空芯微结构光纤，13. 光电探测器，14. 调制解调电路板。
具体实施方式
一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，具体如附图1所示，包括光源7、环形器8、Y波导9、光纤环圈11、光电探测器13及调制解调电路板14，所述光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与Y波导的输入端连接，Y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤通过光纤准直密封接头10准直耦合，光电探测器输入端口与环形器探测端口连接，探测器输出端口与调制解调电路板输入端口连接，调制解调电路板输出端口与Y波导调制端口连接，所述光纤环圈由空芯微结构光纤12绕制而成，空芯微结构光纤结构示意图如附图2所示，其包括包层结构体1及多个包层微结构单元3、蜂巢状支撑单元4，多个所述包层微结构单元沿包层结构体内壁均匀分布，相邻包层微结构单元之间留有间隙且多个所述包层微结构单元在包层结构体中部形成导光空气纤芯6，每个所述蜂巢状支撑单元设于相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间的空隙处，用以使包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元形成一个空芯微结构光纤整体，每个所述蜂巢状支撑单元由多个支撑微结构单元2周期性组合而成，且多个支撑微结构单元中间形成损耗导光通道5。
由于传统的空芯微结构光纤如附图3所示，一般都是由单一材料拉制而成，通常为二氧化硅，若干个微米量级包层微结构单元均布于包层结构体内，微米量级包层微结构单元的作用是在光纤中心处组合形成负曲率高品质导光空气纤芯，基于反谐振反射效应使光完全约束在导光空气纤芯中高效传输。此外，相邻包层微结构单元之间留有间隙需严格控制，防止光从包层微结构单元之间的间隙中泄露出去。
传统的空芯微结构光纤由于包层结构体与若干个微米量级包层微结构单元之间没有有效支撑，当其如附图4所示受到横向挤压时，就会产生变形，图中细线条代表物体原始位置，挤压板向着光纤发生位移并对光纤产生挤压力，由于传统空芯微结构光纤中空气占比高，且为单点悬挂连接包层微结构单元，导致光纤结构力学强度差，应力施加下包层微结构单元发生明显位移形变，光纤被挤压方向受力发生收缩变形致使该部位的包层微结构单元之间的间隔变小甚至发生包层微结构单元之间的接触挤压，光纤被挤压正交方向上的包层微结构单元则形成远离，彼此之间的间距变大。包层微结构单元之间的间隙控制与传输损耗等导光特性强相关，当包层微结构单元发生位移形变，无法再将光约束在导光空气纤芯中传输，致使导光机制失效。传统空芯微结构光纤绕制成环面临着更加复杂的应力施加过程，因此存在光纤导光失效的风险，不能满足光纤陀螺应用需求。
而本申请陀螺的光纤环圈，由于绕制光纤环圈的空心微结构光纤内的若干包层微结构单元（本专利以六个两圆管嵌套微结构单元为例）用于构建反谐振反射效应实现高品质导光，全部包层微结构单元通过点连接支撑形式悬挂于光纤包层套管内壁以在光纤中心处组合形成高品质导光空气纤芯，其中某一径向的包层微结构单元（本专利以水平方向微结构单元为例）玻璃壁厚为t1，其它包层微结构单元玻璃壁厚为t2，厚度差异t1-t2为纳米量级，包层微结构单元玻璃壁厚差异化形成反交叉耦合效应以引入具有偏振相关性的有效折射率变化从而引入高双折射，可产生两正交的偏振基模实现保偏导光效果。而在相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间设置蜂巢状支撑单元将包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元形成一个空芯微结构光纤整体，可以增强形成导光机制的包层微结构单元力学强度，在强力场作用下空芯微结构光纤整体发生变形时，大幅缓解了包层微结构单元位移形变程度，同时由于蜂巢状支撑单元设于相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间的空隙处，其不影响空芯微结构光纤中高品质光传输，使空芯微结构光纤机械强度和导光特性均能满足光纤陀螺应用中空芯微结构光纤绕制成环的使用需求，从而保证光纤环圈及陀螺的高稳定性。本申请的空心微结构光纤具体承受横向挤压时变形示意图如附图5所示。
同时由于蜂巢状支撑单元由多个支撑微结构单元周期性组合而成，可形成光子带隙效应，在蜂巢状支撑单元内部设计损耗导光通道，通过调整该损耗导光通道的光传输模式折射率，使之与导光空气纤芯中预期的泄露模式折射率匹配，激发谐振耦合现象可使泄露模式的能量耦合到蜂巢状支撑单元的损耗导光通道中进而高效衰减掉，从而可进一步提升空芯微结构光纤的保偏效果和模式纯度。
所谓光子带隙效应是使某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”，就形成了光子带隙效应。具体调整损耗导光通道的光传输模式折射率时，主要调整蜂巢状支撑单元中多个支撑微结构单元的周期性结构尺寸，包括支撑微结构单元空气孔的直径及壁厚，使之与导光空气纤芯中预期的泄露模式折射率匹配，激发谐振耦合现象可使泄露模式的能量耦合到蜂巢状支撑单元的损耗导光通道中进而高效衰减掉。
进一步，蜂巢状支撑单元端部延伸至两包层微结构单元之间的间隙中部，在强力场作用下空芯微结构光纤整体发生变形时，既能大幅缓解包层微结构单元位移形变程度，又能保证空芯微结构光纤中高品质光传输不受影响，使空芯微结构光纤机械强度和导光特性均能满足光纤陀螺应用中空芯微结构光纤绕制成环的使用需求。
进一步，包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元由石英玻璃一体拉制而成的，制作工艺简单，而且保证光纤的整体性。
其具体制备过程主要包含两部分工作，首先是光纤预制棒制作，然后是将预制棒拉制成光纤。
毛细管堆砌法是制备石英玻璃微结构光纤预制棒广泛采用的方法，基于空芯微结构光纤端面构型，选用具有精密尺寸要求、不同规格的毛细管，根据光纤端面构型将毛细管堆砌在石英套筒中，堆砌的毛细管端面共同形成了包层微结构单元和蜂窝状支撑单元所需的造型，石英套筒用于生成包层结构体，所有毛细管和石英套经端面涂胶固联处理形成一体，微结构光纤预制棒制作完成。
微结构光纤预制棒制作完成后，进入到光纤拉丝的过程，与传统光纤类似，其作法是在无尘室中将微结构光纤预制棒固定在拉丝机顶端，并逐渐加热至2000摄氏度左右。光纤预制棒受热后逐渐融化并在底部累积液体，待其自然垂下形成光纤，配以温度、速度和气压控制，最终拉制成符合尺寸要求的空芯微结构光纤。与传统光纤不同之处在于，在拉制过程中，需实时精确调整预制棒内部惰性气体压强和拉制速度来保持光纤中空气孔的大小比例，以获得符合设计要求的微结构光纤。此外，涂覆材料在拉丝过程中涂敷，以保护光纤免受潮气、磨损的伤害。
优选的，包层微结构单元为两圆管或多圆管嵌套微结构单元。
优选的，包层微结构单元数量为六个。
进一步，相邻包层微结构单元之间的间隙满足式（1）的要求，具体如附图6所示：
其中：
为相邻包层微结构单元之间的间隙；/>
为空芯微结构光纤导光空气纤芯半径；/>
为空芯微结构光纤包层结构体内径；/>
为包层微结构单元数量。
当相邻包层微结构单元之间的间隙满足式（1）的要求时，才能防止光从包层微结构单元之间的间隙中泄露出去，进一步保证在光纤中心处形成负曲率高品质导光空气纤芯，基于反谐振反射效应使光完全约束在导光空气纤芯中高效传输。
优化的，光源为宽带光源。
综上所述，本发明提供的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，绕制光纤环圈的空芯微结构光纤在包层微结构单元和包层结构体之间引入蜂巢状支撑单元，以增强形成反谐振反射导光机制的包层微结构单元力学强度，在强力场作用下空芯微结构光纤整体发生变形时，仍可实现高品质光传输，蜂巢状支撑单元中设有基于光子带隙效应的损耗导光通道，通过调整该导光通道的光传输模式折射率，使之与预期的泄露模式折射率匹配，激发谐振耦合现象可使泄露模式的能量耦合到蜂巢状支撑单元的损耗导光通道中进而高效衰减掉，进一步提升空芯微结构光纤的保偏能力和模式纯度，使空芯微结构光纤机械强度和导光特性均能满足光纤陀螺应用中空芯微结构光纤绕制成环的使用需求，从而实现了光纤环圈及陀螺的高稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，包括光源、环形器、Y波导、光纤环圈、光电探测器及调制解调电路板，所述光源与环形器的输入端连接，环形器的输出端与Y波导的输入端连接，Y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤通过光纤准直密封接头准直耦合，光电探测器输入端口与环形器探测端口连接，探测器输出端口与调制解调电路板输入端口连接，调制解调电路板输出端口与Y波导调制端口连接，所述光纤环圈由空芯微结构光纤绕制而成，所述空芯微结构光纤包括包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元，多个所述包层微结构单元沿包层结构体内壁均匀分布，相邻包层微结构单元之间留有间隙且多个所述包层微结构单元在包层结构体中部形成导光空气纤芯，每个所述蜂巢状支撑单元设于相邻两个包层微结构单元与包层结构体内壁之间的空隙处，用以使包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元形成一个空芯微结构光纤整体，每个所述蜂巢状支撑单元由多个支撑微结构单元周期性组合而成，且多个支撑微结构单元中间形成损耗导光通道。
2.根据权利要求1所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，蜂巢状支撑单元端部延伸至两包层微结构单元之间的间隙中部。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，所述包层结构体及多个包层微结构单元、蜂巢状支撑单元由石英玻璃一体拉制而成的。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，每个所述包层微结构单元为两圆管或多圆管嵌套微结构单元。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，包层微结构单元数量为六个。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，相邻包层微结构单元之间的间隙满足下式要求；
其中：
为相邻包层微结构单元之间的间隙；
7.根据权利要求1所述的一种基于高稳定性空芯微结构光纤环圈的陀螺，其特征在于，所述光源为宽带光源。
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