基于应力分布各向异性的抗扭转实芯保偏光子晶体光纤
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tw，则积累的法拉第相位差
其中，B为磁感应强度；z为积分变量；θB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tw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。
优选地，所述光子晶体光纤沿x轴和y轴的弯曲强度差值与光子晶体光纤弯曲半径大小以及外包层空气孔的孔径大小、数量、排列方式有关。
优选地，所述光子晶体光纤沿x轴和y轴的弯曲强度差值为0～70％。
优选地，所述外层区域的多层空气孔整体呈正三角形或倒三角形。
优选地，所述外层区域的多层空气孔整体呈圆弧。
本发明的有益效果：
1)本发明提供的光子晶体光纤在绕制成环时具有更低的寄生扭转，使得光纤陀螺在地磁场或太空磁场中长期工作时具有更低的磁敏感性，在一定程度上可以降低非互易误差；
2)本发明所提供的光纤在绕环过程中会向着弯曲强度更低的方向发生弯曲，因此光纤环中的内部应力对于光纤中心也只有一个方向，进而改善光纤环的偏振串音，降低光纤环中的偏振串扰，提高光纤环的偏振特性；
3)本发明在光子晶体光纤包层的内层区域保留了光学设计，保证光纤满足高双折射、低损耗等光学特性，满足光纤陀螺系统的要求；在外层区域进行力学构型设计和优化，利用沿不同径向上空气孔的各种排列实现应力分布的差异化，提高了光纤本征抗扭转的能力；
4)本发明可行性高：本发明的内层区域和外层区域的结构均为空气孔排列，在现有的工业水平基础上，此类结构已经具备了成熟完善的工艺流程，制备难度低；
5)本发明在一定的精度要求内，可以去掉光纤的外层磁屏蔽罩，大大减少了光纤陀螺的体积和质量，拓宽了光纤陀螺的应用场景，促进光纤陀螺向轻小型方向发展。
附图说明
图1是现有技术中一种保偏光子晶体光纤包层空气孔结构示意图；
图2是现有技术中一种保偏光子晶体光纤光纤环截面上的快轴方向分布情况；
图3是使用邦加图描述保偏光子晶体光纤传播光束为近似椭圆偏振态的示意图；
图4是本发明实施例1的基于应力分布各向异性的光子晶体光纤的包层空气孔示意图；
图5(a)和(b)分别是图4中光子晶体光纤在受y轴和x轴压力时位移量的示意图；
图6是在图5所示的压力下，本发明实施例1的基于应力分布各向异性的光子晶体光纤分别在两种情况下所产生的位移的差值与平均值的比值；
图7是图4所示光子晶体光纤的结构参数示意图；
图8是本发明基于应力分布各向异性的光子晶体光纤的两种实现方式示意图；
图9是本发明实施例2的基于应力分布各向异性的光子晶体光纤的包层空气孔示意图；
图10是本发明实施例1和实施例2的光子晶体光纤在不同角度上的弯曲强度变化趋势对比图。
具体实施方式
本发明旨在提供一种设计思路，将光纤陀螺所需的光学特性和力学特性利用光子晶体光纤设计的高灵活度进行实现，使光子晶体光纤光学特性由内层区域的多层空气孔阵列保证，并且外层区域的设计将使得包层等效折射率进一步降低，进而限制损耗也随之降低。具体地，本发明的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。其中，内层区域具有用于构建光学特性的多层空气孔且中心在x轴上具有两个尺寸较大的微米级空气孔，形成形状双折射，起保偏作用，此光学设计与通用保偏光子晶体光纤类似，不作为本发明的创新点内容；外层区域包括沿y轴径向排列的多层空气孔；内层区域和外层区域整体关于x轴和y轴对称，此处的x轴和y轴仅代表两个相互垂直的方向。这些外层空气孔阵列的存在使得光纤沿两个垂直方向的弯曲强度不同，特别地，可以通过优化设计这些空气孔的大小以及阵列组合获得预期的弯曲强度差异，实现x轴和y轴上应力分布的差异最大化。使得在对上述光纤进行弯曲绕环时，适当调整绕环策略，可以使光纤的主轴向着弯曲强度较低的方向发生偏转，由此提高光纤本征抗扭转的能力。
特别地，本发明所涉及的空气孔阵列，均是通过按照一定几何规则堆积空气管阵列而形成。
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
如图4所示，实施例1的基于应力分布各向异性的光子晶体光纤的包层内部区域S内为围绕纤芯排列的三层周期性均匀分布空气孔区域，外层区域S外为内层区域与包层壁之间的区域。其中内层区域S内的内层结构在x轴上使用两个尺寸较大的微米级空气孔构成形状双折射，优选地，微米级空气孔的直径为4～6μm，外层区域S外的外层结构主要分布在y轴上，此处x轴指向水平方向，y轴指向竖直方向。考虑到制备工艺中堆积毛细管的可行性，将外层区域的空气孔以蜂巢式结构排列，内层区域S内和外层区域S外整体结构关于x轴和y轴均对称。
本实施例通过在外层区域设置沿径向排列密度不均的空气孔，来实现x轴和y轴上应力分布的差异最大化。为衡量光纤在x轴和y轴两个方向上的弯曲强度，首先固定光纤的某一端，然后分别在光纤的另一端施加大小相同、方向分别平行于y轴和x轴的径向压力F，并采集光纤上同一点在两个方向的拉力下的位移量进行比较。结果如图5(a)和(b)所示，沿着x轴方向的拉力导致光纤产生的位移更大，这表明本实施例所设计的光纤结构在两个垂直方向上的应力分布已经出现了差异化，光纤在不同径向上的力学强度已经不再相同，二者的差异化使得光纤在弯曲绕环时，光纤主轴将朝着弯曲强度更低的x轴方向进行偏转，使光纤具备一定的本征抗扭转的能力。
下面对光纤的结构参数进行扫描优化，得到光纤分别在如图5(a)和(b)两种情况下所产生的位移的差值与平均值的比值，仿真结果如图6所示。从图6中可以看出，位移差与位移平均值的比值越大，光纤在两垂直方向上的弯曲强度差值越大，光纤的应力分布差异化越明显。结合仿真结果与工程实践经验，当本实施例所涉及的空气孔阵列结构如图7所示，其中内层区域中，大孔直径D1＝5.7μm，小孔直径D2＝3.1μm，各孔间距Λ1＝5.6μm；外层区域中，各孔间距Λ2＝7.2μm，空气孔直径为D3＝6μm时，可以带来最大的应力分布差异化，两个垂直方向上的弯曲强度差值可以达到18％左右。此外，经过仿真验证发现，外层区域的存在可以进一步降低光纤的限制损耗，而光纤的其他光学特性可以认为不变。优选地，内层区域中的空气孔以蜂巢式结构排列于光纤中心区域中。
有利地，为了保证光纤的强度，在外层区域中设置空气孔阵列时，需要在包层外壁和空气孔之间预留一定空间，以防止光纤在发生弯曲时，空气孔壁产生断裂。
特别地，本实施例将外层区域沿径向不均分布的空气孔排列在y轴上，而非x轴上，可以使得光纤向x轴方向扭转，经过光纤绕环后，光纤之间的挤压使得光纤在x轴上受压，促使光纤在x轴向上发生轻微形变，压力导致的弹光效应以及变形会增加光纤内部的双折射，提高光纤环的保偏能力，进一步满足了光纤陀螺对光纤高双折射率的需求。光纤包层的内层区域起到了限制光波的传播模式的作用，在靠近纤芯的第一圈空气孔中，沿着x轴方向上使用两个大尺寸空气孔破坏纤芯的圆对称性，构成形状双折射，经过模拟仿真，达到10-4量级，且光纤的损耗符合光纤陀螺2dB/km的要求，满足了光纤陀螺对光纤高双折射、低损耗等光学特性要求。在绕环时光纤主轴将朝着弯曲强度更低的x轴方向进行偏转，因此x轴方向上的压力将进一步降低中心区域的圆对称性。因而将外层区域的非均匀空气孔排列在y轴上，将使得光子晶体光纤在制备成光纤环后具有更大的双折射率。
需要注意的是，本发明所设计的外层区域结构是建立在内层区域空气孔的基础上，外层区域的构型并不单一，可以在内层区域的基础上设计多种外层区域排列构型，不同的空气孔排列方式均会构成不同程度的应力分布各向异性。因此，可以根据实际需要可以调整外层空气孔的排列方式，分别对尺寸、间距、均匀度等几何参数进行扫描得到各个构型的最优结果，如图8所示，外层空气孔可以呈正三角形分布(a)，倒三角形分布(b)等等。
本发明上述结构优化的思路是建立于削弱光纤小部分空间的结构强度，进而弱化该方向上的弯曲强度，而保留其他方向上的弯曲强度，以此实现差异化分布。除此之外，本发明还提供了另一种设计思路，如图9所示实施例2，即削弱大部分空间的结构强度，弱化大部分方向上的弯曲强度，仅保留在小范围特定方向的弯曲强度。上述两种实施例虽然最终达到的效果类似，但从设计角度出发，属于两种完全相反的设计思路，如图10所示，设外力施加的角度从沿x轴逐渐变化到沿y轴上，以各角度上光纤弯曲强度与最大值求比值得到纵坐标，可定性分析出两个实施例所设计出的光纤在不同角度上的弯曲强度变化趋势完全相反。另外，实施例2的外层结构也并不单一，也可以在内层区域的基础上设计多种不同的空气孔阵列，以实现不同程度的应力各向异性分布，其特征与上述实施例1中的思路无异。此设计思路也在本发明保护范围之内。
有利地，本发明所涉及的内层区域或外层区域的结构均为空气孔阵列，在现有的工业水平基础上，此类结构已经具备了成熟完善的工艺流程，制备难度低，加工精度高。本实施例采用堆积-拉丝法工艺进行光子晶体光纤的制作。根据所设计的光子晶体光纤结构参数，按照排列方式堆积不同尺寸的玻璃毛细管，为了便于固定堆积毛细管，本实施例在外层区域也设计为蜂巢式排列形状，然后使用套管固定毛细管，完成光子晶体光纤预制棒制备；之后对预制棒进行拉丝，严格控制流程温度、速度和时间，防止出现拉丝不均匀甚至断丝的现象。特别地，考虑到上述的玻璃棒堆积过程可能存在的误差，结合之前得到的仿真结果，本发明确定光纤的结构参数时进行了一些特殊取值，往往是某几个数值的整数倍，以降低光纤拉制可能引入的误差。
综上，本发明在内层结构保留了现有的光学设计，在外层区域进行力学特性改良设计和优化，在保证光学特性满足要求的基础上，改良光子晶体光纤整体的力学特性，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，对降低光纤陀螺的磁敏感性具有一定意义。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。
