[发明专利]一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于保偏光纤技术领域，尤其涉及一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤及其制作方法。

背景技术

干涉式光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器，因为没有活动部件，也称为固态陀螺仪。干涉式光纤陀螺的敏感部件是保偏光纤环。通常保偏光纤环采用全实芯的熊猫型和领结型保偏光纤。实芯保偏光纤引入了一对掺高膨胀系数材料的应力区，对称分布在高折射率的纤芯周围。应力区取代了石英材料，因此光纤在高温拉制成型冷却后，纤芯带有应力。这种被引入的应力使得纤芯有两种垂直的折射率而产生双折射。这类实芯保偏光纤中存在三种以上的元素，即石英，硼，锗等，这几种材料热膨胀系数有差异，使用光纤过程中如果周围温度变化，纤芯的应力会随之变化。所以这类光纤设计对温度变化敏感，会造成光纤陀螺在变温度环境中稳定性差。实芯几何双折射保偏光纤使用椭圆芯结构，无应力区，但是也是芯区材料掺锗与包层材料是纯石英，所以热膨胀系数不同，会对陀螺在变化温度过程中使用的稳定性有影响。

实芯保偏光子晶体光纤采用单一材料，通过几何双折射实现保偏性能，其双折射优于实芯应力区型保偏光纤，可以达到10^-4量级。但是光子晶体光纤是通过毛细管排管法，制造工艺较繁琐且用时长。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤及其制作方法，受温度影响较小，制作流程简化，制造成本较低，适合批量生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，包括包层、纤芯、包层与纤芯之间的空气层，纤芯的横截面为椭圆形，包层材质为与纤芯材质相同的导光材料，纤芯通过玻璃片悬挂在包层中，玻璃片材质为与纤芯材质相同的导 光材料，玻璃片的两端固定在包层的内径上，纤芯固定在玻璃片上，纤芯横截面椭圆形的长轴与玻璃片是同一方向。

按上述技术方案，纤芯的数量为1，纤芯横截面中心点位置与光纤横截面中心点位置重合。

按上述技术方案，玻璃片厚度d与纤芯的椭圆形横截面的长轴长度m之间的关系为：0<d<m/4，并且玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长。

按上述技术方案，纤芯的椭圆形横截面的长轴尺寸和光纤的传导光波长相同，同时，纤芯的椭圆形横截面的长轴与短轴之间的长度关系为，长轴和短轴的尺寸比例为2：1。(在1310nm波长范围光纤拍长小于2mm，小于熊猫型保偏光纤拍长。长轴和短轴的尺寸比例可以持续增加，能够制造出拍长极端的保偏光纤。)

按上述技术方案，包层、纤芯、玻璃片的材质为石英玻璃或硼酸盐玻璃或铅酸盐玻璃或硫系玻璃或导光塑料。

本发明还提供一种微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的制作方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在石英套管中，插入一片石英玻璃片，石英玻璃片的长度与石英套管的内径匹配，并固定在石英套管的内径上；步骤二，截面为圆形或正方形的纤芯棒固定在石英玻璃片上，纤芯棒为石英玻璃材质，石英玻璃片厚度小于光纤的传导光的波长；步骤三，将石英套管、石英玻璃片、纤芯棒组成的预制棒整体放入高温炉内，加热至石英玻璃软化温度，纤芯棒与石英玻璃片软化后熔接在一起，形成纤芯横截面为椭圆形的保偏光纤，光纤拉制过程中，预制棒被加热，纤芯棒因为表面张力作用形成椭圆形。

按上述技术方案，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为1900～1980℃时，纤芯的椭圆形横截面长轴和短轴比例为2:1，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为2000～2100℃时，长轴短轴比例为3:1。光纤拉制在光纤拉丝塔上完成，预制棒垂直进入高温熔炉。在一个大气压环境下石英玻璃的熔点大约1715摄氏度，微结构椭圆悬挂芯保偏光纤的拉丝温度为1960摄氏度。当预制棒最下端进入高温炉后，迅速软化，纤芯棒和玻璃片结合，形成椭圆型纤芯，其长轴和短轴比例为2:1。当温度升高至2000摄氏度，长轴短轴比例可达到3:1。温度持续升高可形成长轴短轴尺寸比例更大的椭圆纤芯。

本发明产生的有益效果是：本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤，其保偏振态的能力是 通过椭圆形微结构悬挂芯的形式实现，应用于干涉式光纤陀螺，气体或液体频谱分析等。此光纤制造成本较低，适合批量生产。本发明微结构椭圆悬挂芯保偏光纤使用单一材料的微结构椭圆芯光纤来实现光的保偏性能，此微结构椭圆悬挂芯保偏光纤无应力区，并且只有单一材料，即：石英玻璃，或其它单一导光材料。这样应力区型光纤的多种材料热膨胀系数差异的问题就得到解决。另外，与光子晶体光纤相比，此光纤的预制棒不需要通过大量毛细管堆叠来实现。