[發明專利]兩層空氣孔結構近似單偏振細徑實芯保偏光子晶體光纖

有效

• 申請號: 202011446562.0
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112505824B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 高福宇;徐小斌;袁鑫;朱云浩;宋凝芳
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B6/024;G02B6/032
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明公開了一種兩層空氣孔結構近似單偏振細徑實芯保偏光子晶體光纖，通過將包層中的空氣孔層數降低為兩層，實現了光纖細徑的需求，從而可以減小光纖環的重量和尺寸，有利于光纖陀螺的小型化發展，并且在保證細徑光纖機械強度的同時降低了光子晶體光纖的制作難度，提高了生產效率；通過調節空氣孔的排布與尺寸，實現了基模快軸低損耗傳輸以及慢軸、高階模的抑制，使得慢軸損耗相比于快軸損耗大5倍以上，有利于保持光纖中線偏振光的傳輸，降低磁場對光纖環中傳輸光相位的影響，實現了細徑實芯光子晶體光纖的低損耗、應用單模、近似單偏振以及高雙折射的需求，為實芯光子晶體推廣應用以及在超穩定、輕小型光纖陀螺中的應用提供了新的可能。

技術領域

本發明涉及微結構光纖技術領域，尤其涉及一種兩層空氣孔結構近似單偏振細徑實芯保偏光子晶體光纖。

背景技術

光纖陀螺作為一種全固態慣性角速度傳感器，經過數十年的發展，以其特有的技術和性能優勢，如全固態結構、可靠性高、壽命長、啟動速度快、響應時間短、測量范圍大、動態范圍寬、抗沖擊和振動、耐化學腐蝕、體積小、重量輕、成本低以及適合大批量生產等，在民用與軍用領域成為重要的導航控制傳感器。光纖陀螺利用Sagnac效應，即同一光路中順時針(CW)和逆時針(CCW)傳播的兩束主波列之間的相位差與光路轉動速度相關，通過相關檢測來解算載體轉動導致的相移，得到載體的角速度。

隨著光纖陀螺應用領域的不斷擴展，其體積、重量與精度之間的矛盾日益突出，以現有的技術，在維持一定尺寸和體積的前提下，很難進一步提高光纖陀螺的精度。并且，傳統光纖對輻照、磁場比較敏感，需要設置磁屏蔽與輻照防護，直接增加了光纖陀螺的體積與重量。

實芯光子晶體光纖由高純度石英玻璃制成，包層中存在一定數量的空氣孔，使得包層折射率比纖芯折射率低，可以采用全內反射原理將光限制在纖芯中傳輸，因此，實芯光子晶體光纖亦可稱作全內反射型光子晶體光纖(TIR-PCF)。不同于傳統階躍型光纖，TIR-PCF的包層中存在一定數量的空氣孔，通過調節空氣孔的數量、大小和間距等結構參數，可以獲得不同的包層折射率和纖芯折射率，并且兩個折射率的差異還可以大范圍自由調節，這大大提高了光纖結構設計上的靈活性。通過改變包層空氣孔的形狀、大小和排布方式等，可以設計出滿足應用要求且與其它器件匹配的光纖。

由于光纖的材料單一，無需摻雜，無需應力區，使得光纖具有很好的環境適應性，能夠適用于惡劣環境中的光纖傳感與通信。相比于傳統熊貓保偏光纖，保偏光子晶體光纖具有以下優點：1)、通常由單一的高純石英玻璃材料研制，通過結構不對稱形成幾何雙折射，纖芯、包層的力學性質完全匹配，對溫度的敏感性比傳統光纖低100～1000倍，提高了陀螺的溫度性能，無摻雜的纖芯使得光子晶體光纖抗輻照能力大幅提升；2)、傳統光纖在彎曲半徑較小時容易發生泄露，限制了光纖陀螺的小型化發展，保偏光子晶體光纖彎曲損耗低，易于實現陀螺小型化；3)、保偏光子晶體光纖中無應力區，保偏性能與光纖尺寸關系相對薄弱，可研制細徑高雙折射光纖。綜上，采用保偏光子晶體光纖對于光纖陀螺性能的提升非常重要。

光纖陀螺的靈敏度可用如下公式表示：

從公式(1)得知，為了提高陀螺靈敏度，可以延長光纖環的長度L，增大光纖的直徑D，減小所用光源的波長λ。為了保證光波的低損耗傳輸，可以選擇傳輸波長為850nm的光源。對于輕小型光纖陀螺，尤其是中低精度(精度0.1°/h)的光纖陀螺，延長光纖的長度最為有效。由于光纖陀螺的體積由用戶確定，因此，為了能夠在有限體積條件下延長光纖環的長度以達到提高光纖陀螺精度的目的，需要減小光纖直徑。如何在不影響光纖各方面性能的前提下，減小光纖直徑，是本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種兩層空氣孔結構近似單偏振細徑實芯保偏光子晶體光纖，用以減小光纖直徑，從而實現在有限體積條件下延長光纖環的長度以達到提高光纖陀螺精度的目的。