[發(fā)明專利]一種可減小光纖陀螺溫度漂移量的保偏光纖

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310269029.5
• 申請(qǐng)日: 2013-06-28
• 公開（公告）號(hào): CN104252018A
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 畢聰志;孫國飛;徐廣海;張麗哲;吳衍記
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所
• 主分類號(hào): G02B6/024
• 分類號(hào): G02B6/024;G02B6/036
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心 11007
• 代理人: 包海燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可減小光纖陀螺溫度漂移量的保偏光纖。

背景技術(shù)

光纖環(huán)圈是光纖陀螺儀的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接決定了陀螺儀的精度和穩(wěn)定性。一般而言，光纖環(huán)圈是由保偏光纖按照四極對(duì)稱的方法逐層纏繞在環(huán)圈骨架上構(gòu)成，并采用特殊的固化膠對(duì)環(huán)圈進(jìn)行灌封處理。盡管環(huán)圈固化增強(qiáng)了陀螺抗振動(dòng)性能，由于光纖涂敷層和固化膠的低導(dǎo)熱特性，光纖環(huán)圈在時(shí)變溫度場(chǎng)中從外向內(nèi)的溫度并不均勻，而是具有一定的溫度梯度，由shupe效應(yīng)導(dǎo)致陀螺輸出零位發(fā)生偏移。Shupe效應(yīng)產(chǎn)生的陀螺漂移可用下式表示：

其中，Ω為陀螺的零位漂移，n是光纖的折射率，λ是光波長，c₀是真空下的光速，β₀為光的傳播常數(shù)，△T(Z)表示在光纖環(huán)的z點(diǎn)處的溫度變化量，L為光纖長度，D是環(huán)圈直徑。由公式可見，shupe效應(yīng)的大小與光纖的材料參數(shù)和環(huán)圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)緊密相關(guān)，在這些參數(shù)中往往認(rèn)為光纖的材料參數(shù)基本固定不變，同時(shí)受限于環(huán)圈的尺寸限制，環(huán)圈的直徑和所用光纖的長度也被確定下來，因此，針對(duì)shupe效應(yīng)而言，主要的研究方向集中在光纖纏繞的方法上，減小公式中積分項(xiàng)的貢獻(xiàn)。目前，普遍采用四極對(duì)稱的方法纏繞光纖環(huán)圈，在《光纖陀螺敏感環(huán)圈的溫度漂移特性機(jī)繞圈技術(shù)研究》中（中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，1998年06期）詳盡論述了四極對(duì)稱繞法及其優(yōu)點(diǎn)，極大抑制了環(huán)圈中因溫度引起的非互易相位誤差，但是無法完全消除空間溫度梯度引發(fā)的shupe效應(yīng)誤差。為了進(jìn)一步抑制溫度效應(yīng)，交叉式四極對(duì)稱繞法被提出來（美國專利5465150），環(huán)圈整體被劃分為若干個(gè)滿足四極對(duì)稱要求的纏繞子區(qū)，相鄰子區(qū)之間中點(diǎn)左右兩側(cè)光纖的纏繞順序相反，以此克服環(huán)圈內(nèi)部的空間溫度梯度影響，然而，由于纏繞水平的限制，這種繞法仍然不能有效抑制溫度shupe效應(yīng)誤差。

既然，光纖的纏繞方法對(duì)于消除shupe效應(yīng)誤差的效果受限于繞線機(jī)水平和纏繞工藝，在現(xiàn)有的工藝條件下，仍然局限于纏繞方法的研究，就無法產(chǎn)生的提升效果，反而應(yīng)該從之前認(rèn)為是固定的材料參數(shù)方面入手。在光纖的材料參數(shù)中，制作光纖的主體材料——二氧化硅具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，而它的折射率系數(shù)n的變化微乎其微，只是會(huì)因?yàn)樵谥黧w材料中摻雜的離子不同而發(fā)生稍許改變，而可以大幅改變的是折射率的溫度變化系數(shù)項(xiàng)，溫度變化系數(shù)甚至可以呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)的變化，改進(jìn)的效果也將直接體現(xiàn)為陀螺最終溫度漂移的減小量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題為：現(xiàn)有技術(shù)中的光纖陀螺溫度漂移量過大。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下所述：

一種可減小光纖陀螺溫度漂移量的保偏光纖，自內(nèi)而外依次包括纖芯、應(yīng)力區(qū)、包層、內(nèi)涂覆層和外涂覆層，所述纖芯采用摻有鍺離子和硼離子的石英材料。

在保證光纖損耗滿足應(yīng)用需要的前提下，根據(jù)實(shí)際需要確定纖芯石英材料中硼離子的摻雜濃度，硼離子的摻雜摩爾濃度可以為10%。

纖芯石英材料在摻雜鍺離子和硼離子的基礎(chǔ)上，還摻雜鐿離子Yb^3＋。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明的保偏光纖采用離子摻雜技術(shù)，降低了光纖纖芯的折射率溫度變化系數(shù)，抑制了溫度引起的shupe相位誤差，提高了陀螺的溫度性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的保偏光纖剖面圖。

圖中，1-纖芯，2-應(yīng)力區(qū)，3-包層，4-內(nèi)涂覆層，5-外涂覆層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的可減小光纖陀螺溫度漂移量的保偏光纖進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明的可減小光纖陀螺溫度漂移量的保偏光纖，自內(nèi)而外依次包括纖芯1、應(yīng)力區(qū)2、包層3、內(nèi)涂覆層4和外涂覆層5。

所述纖芯1采用摻有鍺離子和硼離子的石英材料：鍺離子的濃度與現(xiàn)有技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)的保偏光纖相同，以保證纖芯1和包層3折射率之間的全內(nèi)反射關(guān)系；在保證光纖損耗滿足應(yīng)用需要的前提下，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整硼離子的摻雜濃度，以達(dá)到降低纖芯1折射率溫度變化系數(shù)的目的。

本實(shí)施例中，硼離子的摻雜摩爾濃度為10%，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的光纖，纖芯1折射率溫度變化系數(shù)由8*10^-6/℃降低至6*10^-6/℃，溫度敏感系數(shù)降低20%。

本實(shí)施例中，摻雜鍺離子和硼離子采用MVCD改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積法或PVCD等離子化學(xué)氣象沉積法。