[发明专利]一种可减小光纤陀螺温度漂移量的保偏光纤

说明书

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种可减小光纤陀螺温度漂移量的保偏光纤。

背景技术

光纤环圈是光纤陀螺仪的核心部件，其性能的优劣直接决定了陀螺仪的精度和稳定性。一般而言，光纤环圈是由保偏光纤按照四极对称的方法逐层缠绕在环圈骨架上构成，并采用特殊的固化胶对环圈进行灌封处理。尽管环圈固化增强了陀螺抗振动性能，由于光纤涂敷层和固化胶的低导热特性，光纤环圈在时变温度场中从外向内的温度并不均匀，而是具有一定的温度梯度，由shupe效应导致陀螺输出零位发生偏移。Shupe效应产生的陀螺漂移可用下式表示：

其中，Ω为陀螺的零位漂移，n是光纤的折射率，λ是光波长，c₀是真空下的光速，β₀为光的传播常数，△T(Z)表示在光纤环的z点处的温度变化量，L为光纤长度，D是环圈直径。由公式可见，shupe效应的大小与光纤的材料参数和环圈的结构参数紧密相关，在这些参数中往往认为光纤的材料参数基本固定不变，同时受限于环圈的尺寸限制，环圈的直径和所用光纤的长度也被确定下来，因此，针对shupe效应而言，主要的研究方向集中在光纤缠绕的方法上，减小公式中积分项的贡献。目前，普遍采用四极对称的方法缠绕光纤环圈，在《光纤陀螺敏感环圈的温度漂移特性机绕圈技术研究》中（中国惯性技术学报，1998年06期）详尽论述了四极对称绕法及其优点，极大抑制了环圈中因温度引起的非互易相位误差，但是无法完全消除空间温度梯度引发的shupe效应误差。为了进一步抑制温度效应，交叉式四极对称绕法被提出来（美国专利5465150），环圈整体被划分为若干个满足四极对称要求的缠绕子区，相邻子区之间中点左右两侧光纤的缠绕顺序相反，以此克服环圈内部的空间温度梯度影响，然而，由于缠绕水平的限制，这种绕法仍然不能有效抑制温度shupe效应误差。

既然，光纤的缠绕方法对于消除shupe效应误差的效果受限于绕线机水平和缠绕工艺，在现有的工艺条件下，仍然局限于缠绕方法的研究，就无法产生的提升效果，反而应该从之前认为是固定的材料参数方面入手。在光纤的材料参数中，制作光纤的主体材料——二氧化硅具有不可替代的优势，而它的折射率系数n的变化微乎其微，只是会因为在主体材料中掺杂的离子不同而发生稍许改变，而可以大幅改变的是折射率的温度变化系数项，温度变化系数甚至可以呈现数量级的变化，改进的效果也将直接体现为陀螺最终温度漂移的减小量。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有技术中的光纤陀螺温度漂移量过大。

本发明的技术方案如下所述：

一种可减小光纤陀螺温度漂移量的保偏光纤，自内而外依次包括纤芯、应力区、包层、内涂覆层和外涂覆层，所述纤芯采用掺有锗离子和硼离子的石英材料。

在保证光纤损耗满足应用需要的前提下，根据实际需要确定纤芯石英材料中硼离子的掺杂浓度，硼离子的掺杂摩尔浓度可以为10%。

纤芯石英材料在掺杂锗离子和硼离子的基础上，还掺杂镱离子Yb^3＋。

本发明的有益效果为：

本发明的保偏光纤采用离子掺杂技术，降低了光纤纤芯的折射率温度变化系数，抑制了温度引起的shupe相位误差，提高了陀螺的温度性能。

附图说明

图1为本发明的保偏光纤剖面图。

图中，1-纤芯，2-应力区，3-包层，4-内涂覆层，5-外涂覆层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的可减小光纤陀螺温度漂移量的保偏光纤进行详细说明。

本发明的可减小光纤陀螺温度漂移量的保偏光纤，自内而外依次包括纤芯1、应力区2、包层3、内涂覆层4和外涂覆层5。

所述纤芯1采用掺有锗离子和硼离子的石英材料：锗离子的浓度与现有技术中标准的保偏光纤相同，以保证纤芯1和包层3折射率之间的全内反射关系；在保证光纤损耗满足应用需要的前提下，根据实际需要调整硼离子的掺杂浓度，以达到降低纤芯1折射率温度变化系数的目的。

本实施例中，硼离子的掺杂摩尔浓度为10%，相对于现有技术中的光纤，纤芯1折射率温度变化系数由8*10^-6/℃降低至6*10^-6/℃，温度敏感系数降低20%。

本实施例中，掺杂锗离子和硼离子采用MVCD改进型化学气相沉积法或PVCD等离子化学气象沉积法。