一种双芯保偏光子晶体光纤

1.一种双芯保偏光子晶体光纤，在直径为125um的石英基材的径向二维方向上布置有周期性排列的介质孔，所述介质孔构成六边形介质孔阵列，每个介质孔的直径为d1；其特征在于：介质孔的间距Λ为5.23～5.83um，所述介质孔阵列中缺失两个不相邻的介质孔从而形成两个纤芯，两个纤芯的间距为30～35um，在所述每个纤芯周围有两个介质孔的直径改为d2，且d2＞d1，从而构成四个大介质孔。
2.如权利要求1所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述介质孔为空气孔，环绕在所述纤芯周围的空气孔的层数为6～7层。
3.如权利要求2所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述d1的范围是2.5～
3.0um，所述d2的范围是6.5～8.5um。
4.如权利要求3所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述双芯光子晶体光纤的一端为单芯弯曲波导，所述弯曲波导的两端平行设置，其径向间距为30～35um，分别与两个纤芯耦合。
5.如权利要求3所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述双芯光子晶体光纤的一端为Y波导，所述Y波导的两臂的径向间距为30～35um，分别与两个纤芯耦合。
6.如权利要求3所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述双芯光子晶体光纤的一端为双芯耦合器，所述双芯耦合器包括两根单芯光纤，两根单芯光纤的一端平行设置，其侧面都抛磨、直径缩减使得两根单芯光纤的纤芯间距为30～35um，分别与双芯光子晶体光纤的两个纤芯耦合；两根单芯光纤的另一端为自由端。
7.如权利要求4～6中任意一项所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述两个纤芯的远场模斑都为椭圆形，包括各自的长轴和短轴，且长轴和短轴的长度比为1.2:1～
1.7：1。
8.如权利要求7所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述两个远场模斑的长轴和短轴分别平行，且两个长轴和两个短轴其中之一在一条直线上。
9.如权利要求8所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述四个大介质孔在一条直线上。
10.如权利要求7所述的双芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述两个远场模斑的长轴和短轴分别平行，且两个长轴不在一条直线上，两个短轴也不在一条直线上。

一种双芯保偏光子晶体光纤\n技术领域\n[0001] 本发明涉及光子晶体光纤的设计和制作领域，具体是一种双芯保偏光子晶体光纤。\n背景技术\n[0002] 角度/运动传感的应用日益广泛，如手机、无人飞机等大量应用陀螺作为传感器来实现定位和控制。而光纤陀螺作为惯导系统应用的一种角度传感器，使用量逐年上升。传统的光纤陀螺多采用熊猫保偏光纤或领结型保偏光纤。目前这些传感器已经成功应用在飞机、汽车、船舶等领域。但是，随着应用对光纤陀螺精度要求和体积小型化要求，光纤陀螺的一个迫在眉睫的困难是保偏光纤环的性能越来越难以适应这种要求。\n[0003] 光子晶体光纤经过多年研究，已经在信息传输、温度传感和光谱学等领域有着广泛的应用。光子晶体光纤的结构设计也是多种多样。\n[0004] 中国专利(申请号为201110029982.3)《一种双波导并列式保偏光纤及其制造方法》描述了一种采用并列两根光纤/波导的方式制造保偏光纤的方法，该方法是采用两根并列预制棒在一个拉丝炉中拉丝或在两个拉丝炉中同时拉丝，在涂覆时将两根光纤并列在一起的方法。其光纤结构如图1所示，结构包括两个纤芯1及各自的包层2、应力区3和内包覆层\n4、外包覆层5。该设计使用两根熊猫光纤。存在的问题是，没有考虑在同样体积下增大传感器光程的问题以及双芯光子晶体光纤的耦合需求。\n发明内容\n[0005] 本发明从光纤陀螺精度要求和体积小型化要求出发，设计并制造了一种双芯保偏光子晶体光纤，该光纤在同样的体积内将光纤传感的长度提高了一倍。\n[0006] 本发明提出这种双芯保偏光子晶体光纤，在外径为125um的石英基材的径向二维方向上布置有周期性排列的介质孔，所述介质孔构成六边形介质孔阵列，每个介质孔的直径为d1；介质孔的间距Λ为5.23～5.83um，所述介质孔阵列中缺失两个不相邻的介质孔从而形成两个纤芯，两个纤芯的间距为30～35um，在所述每个纤芯周围有两个介质孔的直径改为d2，且d2＞d1，从而构成四个大介质孔。\n[0007] 所述介质孔为空气孔，所述环绕在纤芯周围的介质孔的层数为6～7层。\n[0008] 所述d1的范围是2.5～3.0um，所述d2的范围是6.5～8.5um。\n[0009] 所述双芯光子晶体光纤的一端为单芯弯曲波导，所述弯曲波导的两端平行设置，其径向间距为30～35um，分别与两个纤芯耦合。\n[0010] 所述双芯光子晶体光纤的一端为Y波导，所述Y波导的两臂的径向间距为30～\n35um，分别与两个纤芯耦合。\n[0011] 所述双芯光子晶体光纤的一端为双芯耦合器，所述双芯耦合器包括两根单芯光纤，两根单芯光纤的一端平行设置，其侧面都抛磨、直径缩减使得两根单芯光纤的纤芯间距为30～35um，分别与双芯光子晶体光纤的两个纤芯耦合；两根单芯光纤的另一端为自由端。\n[0012] 所述两个纤芯的远场模斑为椭圆形，包括长轴和短轴，且长轴和短轴的长度比为\n1.2:1～1.7：1。\n[0013] 所述两个远场模斑的长轴和短轴分别平行，且两个长轴和两个短轴其中之一在一条直线上。\n[0014] 所述四个大介质孔在一条直线上。\n[0015] 所述两个远场模斑的长轴和短轴分别平行，且两个长轴不在一条直线上，两个短轴也不在一条直线上。\n[0016] 本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：本发明着眼于光纤陀螺精度要求和体积小型化要求，设计并制造了一种双芯保偏光子晶体光纤，该光纤在同样的体积内将光纤传感的长度提高了一倍，且能够确保保偏性能和克服串扰问题。这种光纤及其应用在光纤陀螺领域尚属首次。\n附图说明\n[0017] 图1是现有技术的结构图；\n[0018] 图2是实施例1的横截面拓扑图；\n[0019] 图3是实施例1的远场模斑示意图；\n[0020] 图4是串扰与纤芯间距关系曲线图；\n[0021] 图5是串扰与长度关系曲线图；\n[0022] 图6是实施例1的Y波导耦合示意图；\n[0023] 图7是实施例1的双芯耦合器结构示意图；\n[0024] 图8是实施例2的横截面拓扑图；\n[0025] 图9是实施例2的双芯耦合器结构示意图；\n[0026] 图10是实施例3的横截面拓扑图；\n[0027] 图11是实施例3的双芯耦合器结构示意图；\n具体实施方式\n[0028] 传统应用于光纤陀螺的保偏光纤都是只有一个芯子，其包层外径是80um或125um。\n在这样的设计下，其每个芯子占用的体积较大，对于光纤陀螺小型化不利。本发明设计的光纤是在125um的包层内放置两个芯子，这样每个芯子占据的体积减少到了62.5um直径的圆柱体以内。或说在同样的绕环体积下，这种光纤设计允许更长的光程，可以提高光纤陀螺的精度。\n[0029] 实施例1\n[0030] 如附图2所示的对称的双芯保偏光子晶体光纤横截面拓扑图，在石英基材的径向二维方向上布置有周期性排列的空气孔，空气孔构成正六边形介质孔阵列，每个介质孔的直径d1的范围是2.5～3.0um。介质孔的间距Λ为5.23～5.83um。在图中X轴方向，介质孔阵列中缺失两个介质孔从而形成两个纤芯，两个纤芯的间距为6个Λ，在31.4～35um范围内。\n在每个纤芯水平方向(即X轴方向)左右的两个介质孔的直径改为d2，d2的直径范围是6.5～\n8.5um，从而构成四个大介质孔。环绕在单个纤芯周围的介质孔的最多层数为6层。\n[0031] 如图3所示，两个保偏纤芯是非圆形对称结构，其远场模斑类似椭圆形，存在一个长轴和一个短轴，且长轴和短轴的长度比为1.2:1～1.7：1。\n[0032] 该光纤纤芯和空气包层的中心线与石英包层的中心线完全重叠，如图2所示。这种光纤的两个长轴和短轴都是平行结构，特别的是这根光纤的两个短轴从Y轴看在一条直线上。这根光纤的两个长轴从X轴上看偏差了6个∧。\n[0033] 对于任意一个双芯光纤而言，要使用这种光纤，需要考虑串扰问题。串扰是指从一个纤芯传输的信号传播到了另外一个纤芯。在通信领域，芯子之间的串扰会导致通信误码率的增大，严重时导致通信中断。对于传感而言，串扰将导致检测端的检测量异常，传感器不能输出正确的感应量，导致传感器失灵。本实施例中模拟计算了纤芯间距对串扰影响。如图4所示的串扰与纤芯间距关系的曲线图看，串扰在间距大于27um时就小于-30dB了。同时从另外一个角度看，串扰是随着传播距离的增大而增加，因此模拟计算了传输距离从100m到3000m的距离对串扰的影响，如图5所示，证实了串扰因距离从100米增大30倍，串扰增加约2dB。因此，考虑到实际应用原因，将双芯的间距设计成30～35um的范围，将可以有效保证双芯光纤的串扰不影响光纤的实际应用。\n[0034] 另外，双芯保偏光纤的偏振保持能力是决定光纤应用的另外一个方面，为此，本发明设计了小孔直径尺寸d1、空气孔间距∧和大孔直径尺寸d2的光纤，保证双芯光纤的每一个芯子的串音不大于-30dB的水平。设计中将光纤的外直径保持为80～125um，其中d1的范围是2.5-3um，∧是5.23-5.83um，d2是6.5-8.5um，在这样设计下，纤芯的模斑的长轴：短轴之比在1.2～1.7这个范围内可以保证双芯光纤的每一个芯子的串音不大于-30dB的水平，满足应用的要求。\n[0035] 上述光纤的一端可以通过以下三种方式耦合。\n[0036] (1)采用一个铌酸锂晶体制作的弯曲波导去耦合一个端面。弯曲波导的两端平行设置，确保其两端的径向间距在30～35um以内；光从双芯保偏光子晶体光纤一个端面的其中一个芯子注入，传输到另一个端面，由于两个纤芯间距和弯曲波导的端面距离、以及偏振完全一样，这样耦合的光将环回到另一个端面的另外一个纤芯里传输。之后激光最终从入口端面的另外一个芯子射出。\n[0037] (2)如图6所示，采用一个铌酸锂晶体制作的Y波导20去耦合低串扰双芯保偏光子晶体光纤21，Y波导20的两臂间距为30-35um以内。在实际应用时，两个光纤纤芯22将直接对应耦合进入Y波导的两臂，由于光纤两个芯子的间距范围是30～35um，对应设计的Y波导的两臂中心径向间距也是30～35um。Y波导20的两臂的长短轴设计与光纤21一致，且按照长轴对长轴的方式进行对准。\n[0038] (3)采用两根保偏光纤侧面抛磨制作的双芯耦合器去耦合双芯保偏光子晶体光纤的两个纤芯。如图7所示，两根包层缩减的熊猫保偏光纤纤芯间距为30～35um。这样，两个纤芯将直接对应耦合进入双芯耦合器的固定端两个芯子，长短轴设计与光纤一致，且按照长轴对长轴的方式进行对准(长轴为上下竖直方向，且间隔平行，短轴在一条直线上)。侧面抛磨制作的双芯耦合器的另外一端是两根独立的保偏光纤自由端。(图7中直线为长轴方向)[0039] 当然也可以采用领结型保偏光纤侧面抛磨来制作出双芯耦合器。\n[0040] 实施例2\n[0041] 如附图8所示的双芯保偏光子晶体光纤横截面拓扑图，其与实施例1不同之处在于主要，其纤芯和包层都非中心对称：图8中的光纤纤芯和空气包层的中心线(即图中的Y向坐标轴)与石英包层的垂直中心线(该中心线通过左数第六个空气孔的中心，为整个横截面的中心线)存在半个∧(∧代表的是任意两个相邻空气孔的中心间距)的偏移。偏移的原因在于左侧的空气孔包层比实施例1少一层。\n[0042] 另外，将纤芯都设置在Y轴上。这样，两个长轴从X轴看在一条直线上，而两个长轴从Y轴看偏差了6个∧。\n[0043] 考虑到对轴观察需要，也可以在光纤石英包层中X轴或Y轴放置对称的两个标记点(图中未表示)，这样在进行光纤和器件或光纤和光纤对轴操作时可以侧面观察和辨识。\n[0044] 在耦合上，可以采用实施例1中的三种耦合方式，只是在远场模斑的长、短轴对准上做相应调整。比如，利用第三中方式，即利用双芯耦合器去耦合时，两根单芯保偏光纤的结构如图9所示，侧面抛磨后长轴在一条直线上，短轴平行间隔6个∧(图9中直线为长轴方向)。\n[0045] 实施例3\n[0046] 如附图10所示的双芯保偏光子晶体光纤横截面拓扑图，其与实施例1不同之处在于主要，其纤芯是X轴和Y轴都非对称的。图10中，空气包层的中心线与石英包层的中心线完全一致，但两个纤芯的中心线与石英包层的中心线在Y轴向存在半个∧的偏移，且分别位于石英包层Y轴中心线的左、右两侧。两个纤芯之间在X轴向上间隔了一个∧，在Y向上间隔了6个∧。其远场模斑也是类似椭圆形，存在一个长轴和一个短轴，且两个长轴和短轴都是平行结构，但是两个长轴从X轴看偏差1个∧，从Y轴看偏差6个∧。这个光纤的纤芯和包层都是旋转对称的。该光纤的拓扑结构中，两个纤芯错位设置，其抑制串扰的性能也更得到改善。\n[0047] 同实施例2，考虑到对轴观察需要，也可以在光纤石英包层中X轴或Y轴放置对称的两个标记点(图中未表示)，这样在进行光纤和器件或光纤和光纤对轴操作时可以侧面观察和辨识。\n[0048] 在耦合上，可以采用实施例1中的三种耦合方式，只是在远场模斑的长、短轴对准及间距上做相应调整。比如，利用第三中方式，即利用双芯耦合器去耦合时，两根单芯保偏光纤的结构如图11所示，侧面抛磨后长轴偏差1个∧，短轴偏差6个∧(图11中直线为长轴方向)。\n[0049] 以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。