[发明专利]基于应力分布各向异性的抗扭转实芯保偏光子晶体光纤

说明书

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于应力分布各向异性的抗扭转实芯保偏光子晶体光纤，其包层包括围绕纤芯排列的内层区域以及位于内层区域和包层外壁之间的外层区域；内层区域具有用于构建光学特性的多层空气孔并且中心具有沿x轴排列的两个微米级空气孔，形成形状双折射；外层区域包括沿y轴径向排列的多层空气孔；通过调整外层区域的多层空气孔的孔径大小、数量和排列方式中的一个或多个使得光子晶体光纤沿x轴和y轴的弯曲强度不同。本发明在保证光纤光学特性满足要求的基础上，基于应力分布在径向上的各向异性，使光子晶体光纤具有一定抗扭转的能力，有利于降低磁光法拉第效应所产生的非互易相位差。

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于应力分布各向异性的抗扭转实芯保偏光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤的包层与传统光纤不同，其由按一定规则排列的空气孔构成，通过设计包层空气孔的数量、尺寸、间距等结构参数，可以调节包层的等效折射率，得到不同传播特性的光波，满足不同特性和需求。由于光子晶体光纤的高设计自由度，通过设置按一定规则排列的空气孔阵列，可以制造出满足光纤陀螺使用要求的高双折射实芯保偏光子晶体光纤。如图1所示的一种实芯保偏光子晶体光纤，其由两种尺寸的空气孔组成阵列，利用中心区域的两个大孔破坏纤芯的圆对称性，构成形状双折射。

高双折射光子晶体光纤在制备成光纤环的时候，由于绕环过程中摩擦及其他附加力产生微扰，其主轴方向会发生自然的寄生旋转，如图2所示，光纤环截面上快轴方向不具备一致性。如图3所示，这种光纤双折射轴的寄生扭转会带来一个附加圆双折射矢量Δβ₂，与线性双折射Δβ₁矢量相加后得到总双折射Δβ，导致实际中传输的光波偏振态近似于椭圆偏振光，在磁光法拉第效应的作用下，上述的寄生扭转会引入非互易相位差。设寄生扭转率为t_w，则积累的法拉第相位差为：

其中，B为磁感应强度；z为积分变量；θ_B为磁感应强度B相对于基准轴的角度；V为Verdet常数；R为光纤线圈的半径。

上述因素会降低高双折射光子晶体光纤的性能，将由此制备的高双折射光子晶体光纤直接用于光纤陀螺中时，将增大光纤陀螺的法拉第磁敏感性，降低偏振互易性，引入随机相位误差。目前针对上述问题的解决方法主要是在光纤环上覆盖磁屏蔽罩，但这会导致制备成本提高，同时会增加光纤陀螺的体积和质量，阻碍光纤陀螺向着轻小型的方向发展。

发明内容

为了降低光纤陀螺的法拉第磁敏感性，由上述积累的法拉第相位差公式可以得到，通过降低光子晶体光纤的寄生扭转率t_w可以有效抑制非互易相位差。基于此，本发明设计了一种基于应力分布各向异性的抗扭转实芯保偏光子晶体光纤，通过在现有的高双折射、低损耗光子晶体光纤包层的外部沿径向设置多层空气孔结构来实现，这些外层空气孔的存在使得光纤沿两个垂直方向的弯曲强度不同，可以通过优化设计这些空气孔的大小以及排列获得预期的弯曲强度差异。

本发明提供了一种基于应力分布各向异性的抗扭转实芯保偏光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的包层包括围绕纤芯排列的内层区域以及位于所述内层区域和包层外壁之间的外层区域；所述内层区域具有用于构建光学特性的多层空气孔并且中心具有沿x轴排列的两个微米级空气孔，x轴和y轴相互垂直且xy平面与所述光子晶体光纤的横截面平行；所述外层区域包括沿y轴径向排列的多层空气孔；所述内层区域和所述外层区域整体关于x轴和y轴对称；通过调整所述外层区域的多层空气孔的孔径大小、数量和排列方式中的一个或多个使得所述光子晶体光纤沿x轴和y轴的弯曲强度不同。

优选地，所述外层区域的多层空气孔在径向上排列不均。

优选地，所述包层外壁和所述外层区域的多层空气孔之间设置有空隙。

优选地，所述外层区域的多层空气孔的孔径相同。