應力致偏保偏光纖應力雙折射值的測量方法
2023-05-26 06:14:41
專利名稱：應力致偏保偏光纖應力雙折射值的測量方法
技術領域：
本發明涉及用在光纖相干通訊和光纖傳感器領域中的偏陣保持光纖的加工技術，具體涉及應力致偏保偏光纖應力雙折射值的測量方法。
背景技術：
應用在相干光通信和幹涉型光纖傳感器中的偏陣保持光纖能夠在整個光纖長度內保持穩定的偏陣狀態，抵抗外界環境變化引起的光偏陣態變化，以提高信號傳輸和檢測的靈敏度和精度。目前實用的應力致偏保偏光纖主要有三種領結型、熊貓型和橢圓包層型。如圖1所示幾種保偏光纖的結構a-包層b-應力區c-纖芯已有理論推導出上述三種典型結構保偏光纖的應力雙折射值表達式分別為B=CET1-2sin[ln(ab)-34(a4-b4)]]]>B=CET1-12[4(a-ba+b)2-34(a2-b2)]]]>B=CET1-a-ba+b[1-32ab(a+b)2]---(3)]]>式中等號後面的第一項是相同的，依賴於應力元的材料組分及濃度，第二項與應力元的幾何形狀有直接關係，a與b分別為應力元歸一化長軸、短軸。不難算出這三種保偏光纖的雙折射之比為B(領結)∶B(熊貓)∶B(橢圓)＝1.45∶1.27∶1.0由此可以看出保偏光纖應力元的幾何形狀對纖芯中雙折射值大小的影響至關重要。不僅如此，應力元的幾何形狀還直接關係到纖芯部分應力場的均勻性，它決定了光纖保偏性能的優劣。另外根據應力致偏的原理，纖芯周圍的各向異性應力元在纖芯內部產生各向異性應力場，由光彈效應在纖芯內部形成相應的雙折射。而這樣的應力區一般是通過摻雜B2O3，利用其與SiO2玻璃體的熱膨脹係數有較大差異來實現的，可見SiO2玻璃體中摻雜元素摻雜濃度直接影響保偏光纖的雙折射大小。因此，測量保偏光纖應力區和芯區的摻雜元素濃度，並計算保偏光纖應力雙折射的數值，對設計改進新型結構保偏光纖以及提高保偏光纖的偏陣保持特性意義非常重要。而現在還沒有對各種類型保偏光纖都適用的能夠體現出摻雜濃度、應力元形狀與應力雙折射關係的測量方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種精確的對各種類型保偏光纖都適用的能夠體現出摻雜濃度、應力元形狀與應力雙折射關係的應力致偏保偏光纖應力雙折射值的測量方法，從而能通過理想應力元幾何形狀的選擇和合理摻雜濃度的選取進行新型保偏光纖的設計。本發明的技術措施包括如下步驟(一)摻雜元素濃度的測量以保偏光纖預製棒為原材料，採用晶體切割刀橫向將其切成厚度為2mm-5mm的圓片，應力的釋放使圓片的應力區中產生很多微裂紋；然後分別取出應力區和芯區的樣品，測量應力區樣品B元素的含量，測量芯區樣品Ge元素的含量；與摻雜元素濃度測量的同時確定應力區和芯區的幾何形狀取保偏光纖，將其用光纖切割器切割下若干光纖小段做樣品，保持切割端面的清潔，把若干根光纖小段插入鋁環圈中並在光纖小段與鋁環圈之間注入膠進行粘固，然後用酒精滴拭光纖小段的端面，把光纖小段端面放入蒸鍍容器中噴鍍1μm～2μm厚的導電膜，利用電子探針設備做原子襯度的面掃描和Ge成分的線掃描並把掃描所得信息輸入計算機，獲得保偏光纖應力區和芯區的實際幾何形狀；(二)採用圖像處理軟體清理掉原子襯度的面掃描圖像中的雜質疵點；(三)把處理後的原子襯度面掃描圖像輸入MATLAB工程軟體中，利用光纖的應力雙折射計算公式和應力區摻雜濃度計算得出光纖的應力雙折射數值。用本發明的保偏光纖的測量方法獲得應力區和芯區的實際幾何形狀和精確摻雜濃度，並確立了應力元的形狀和摻雜濃度影響保偏光纖保偏性能(應力雙折射對於拍長和消光比)模擬關係，為通過理想應力元幾何形狀的選擇和合理摻雜濃度的選取進行新型保偏光纖的設計提供了手段。本發明方法簡單，工作可靠，在生產和設計中應用非常方便。
圖1是目前實際應用的三種應力致偏保偏光纖的橫斷面結構示意圖，圖2是應力元微元算法示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖2具體說明本實施方式。本發明的技術措施包括如下步驟(一)摻雜元素濃度的測量以保偏光纖預製棒為原材料，採用晶體切割刀橫向將其切成厚度為2mm-5mm的圓片，應力的釋放使圓片的應力區中產生很多微裂紋；然後分別取出應力區和芯區的樣品，測量應力區樣品B元素的含量，測量芯區樣品Ge元素的含量；與摻雜元素濃度測量的同時確定應力區和芯區的幾何形狀取保偏光纖，將其用光纖切割器切割下若干光纖小段做樣品，保持切割端面的清潔，把若干根光纖小段插入鋁環圈中並在光纖小段與鋁環圈之間注入膠進行粘固，然後用酒精滴拭光纖小段的端面，把光纖小段端面放入蒸鍍容器中噴鍍1μm～2μm厚的導電膜，利用電子探針設備做原子襯度的面掃描和Ge成分的線掃描並把掃描所得信息輸入計算機，獲得保偏光纖應力區和芯區的實際幾何形狀；(二)採用圖像處理軟體清理掉原子襯度的面掃描圖像中的雜質疵點；(三)把處理後的原子襯度面掃描圖像輸入MATLAB工程軟體中，利用光纖的應力雙折射計算公式和應力區摻雜濃度計算得出光纖的應力雙折射數值。
本應力雙折射計算公式(1)是普遍適用於任何應力元形狀的應力致偏保偏光纖的應力雙折射的計算公式；對保偏光纖來說，消光比和拍長是最重要的兩個性能參數。衡量光纖雙折射量的大小通常用拍長Lp表示Lp=B]]>式中λ為波長，B為雙折射。
衡量保偏光纖的保偏特性採用消光比(η)、保偏參數(h)、模耦合係數、串音等表示，它反映了在保偏光纖注入端某一光軸上耦合進一線偏振模，經一段距離傳輸後有多少功率耦合到與其正交的軸向上。
=10lgpxpy]]>式中，px和py分別為光纖輸出端兩正交軸上的光功率。消光比是保偏光纖特性中最重要最本質的參數，光纖的消光比和拍長一般採用實驗的方法測量。
單模光纖中的雙折射
Bi＝BG+BS其中BG為光纖截面的幾何形狀畸變引起的波導形狀雙折射。BS為光纖內應力(這裡主要是摻雜區的膨脹係數和外部膨脹係數不同造成的熱應力)引起的應力雙折射。
為了從理論上指導保偏光纖的結構設計和工藝設計，有必要建立數學模型，並選擇合適的算法，計算保偏光纖的應力雙折射。從而得到光纖的拍長和光纖結構之間的關係，以指導工藝設計製作最佳的性能。這裡利用微元法進行計算。
就是把應力元對纖芯的作用看作各微元對芯部產生的雙折射的疊加，微元法的關鍵是求出每個微元的應力雙折射。對橢圓形應力區，它對橢圓外任意一點的應力差為x-y=Re|E(1-v)2abb2-a2|1-x+yi(x+yi)2-a2+b2||]]>我們認為每個小微元a為正方形更合理，Sa＝dx′*dy′Sa是微元的面積。該微元對應力元外任一點(x，y)產生的應力為d(x-y)=E(1-)(x-x)2-(y-y)2[(x-x)2+(y-y)2]2dxdy]]>其中ε＝(α1-α2)Tα1——為摻雜區的熱膨脹係數 α1＝mSd+(1-m)Soα2——為包層的熱膨脹係數α2＝S0So——SiO2的熱膨脹係數 0.5×10-6/℃Sd——摻雜成份的熱膨脹係數其中摻雜成份為B2O3時 Sd＝10×10-6/℃摻雜成份為Ge2O3時 Sd＝7×10-6/℃m——摻雜區摻雜成份的摩爾百分數所以，所有微元對(X，Y)處的應力為Ad(x-y)=limt0f(x,y)*t*t]]>光纖的雙折射等於內應力雙折射與幾何雙折射之和
表1拍長的計算值與實驗值
具體實施方式
二本實施方式與實施方式一的不同點是，在步驟(一)中，利用容量法測量應力區B元素的含量，利用原子螢光光度法分析芯區Ge元素的含量。在確定應力區和芯區幾何形狀時，共切割下5-10根光纖小段做樣品，為防止膠的發泡膨脹，保持溫度在20℃以下。在步驟(二)中，採用Paintshop、Photoshop、Microsoft Photo Editor或Windows畫圖工具清理背散射原子襯度像中的雜質疵點。其它的步驟與實施方式一相同。
具體實施方式
三本實施方式與實施方式一的不同點是，在步驟(一)中，光纖小段端面噴鍍碳、銅、金或鉑作為導電膜。利用ICP-AES方法測量B和Ge素的含量。其它步驟與實施方式一相同。
權利要求
1.應力致偏保偏光纖應力雙折射值的測量方法，其特徵是它包括如下步驟(一)摻雜元素濃度的測量以保偏光纖預製棒為原材料，採用晶體切割刀橫向將其切成厚度為2mm-5mm的圓片，應力的釋放使圓片的應力區中產生很多微裂紋；然後分別取出應力區和芯區的樣品，測量應力區樣品B元素的含量，測量芯區樣品Ge元素的含量；與摻雜元素濃度測量的同時確定應力區和芯區的幾何形狀取保偏光纖，將其用光纖切割器切割下若干光纖小段做樣品，保持切割端面的清潔，把若干根光纖小段插入鋁環圈中並在光纖小段與鋁環圈之間注入膠進行粘固，然後用酒精滴拭光纖小段的端面，把光纖小段端面放入蒸鍍容器中噴鍍1μm～2μm厚的導電膜，利用電子探針設備做原子襯度的面掃描和Ge成分的線掃描並把掃描所得信息輸入計算機，獲得保偏光纖應力區和芯區的實際幾何形狀；(二)採用圖像處理軟體清理掉原子襯度的面掃描圖像中的雜質疵點；(三)把處理後的原子襯度面掃描圖像輸入MATLAB工程軟體中，利用光纖的應力雙折射計算公式和應力區摻雜濃度計算得出光纖的應力雙折射數值。
2.根據權利要求1所述的應力致偏保偏光纖應力雙折射值的測量方法，其特徵是在步驟(一)中，利用容量法測量應力區B元素的含量，利用原子螢光光度法分析芯區Ge元素的含量，在確定應力區和芯區幾何形狀時，共切割下5-10根光纖小段做樣品，為防止膠的發泡膨脹，保持溫度在20℃以下；在步驟(二)中，採用Paintshop、Photoshop、Microsoft Photo Editor或Windows畫圖工具清理背散射原子襯度像中的雜質疵點。
3.根據權利要求1所述的應力致偏保偏光纖應力雙折射值的測量方法，，其特徵是在步驟(一)中，光纖小段端面噴鍍碳、銅、金或鉑作為導電膜。
全文摘要
本發明涉及用在光纖相干通訊和光纖傳感器領域，應力致偏保偏光纖應力雙折射值的測量方法。技術措施包括如下步驟取出應力區和芯區的樣品，測量應力區樣品B元素的含量，測量芯區樣品Ge元素的含量；把光纖小段端面噴鍍1μm～2μm厚的導電膜，利用電子探針設備做原子襯度的面掃描和Ge成分的線掃描，清理掉原子襯度的面掃描圖像中的雜質疵點；把處理後的原子襯度面掃描圖像輸入MATLAB工程軟體中，利用光纖的應力雙折射計算公式和應力區摻雜濃度計算得出光纖的應力雙折射數值。用本發明的保偏光纖的測量方法獲得應力區和芯區的實際幾何形狀和精確摻雜濃度，為通過理想應力元幾何形狀的選擇和合理摻雜濃度的選取進行新型保偏光纖的設計提供了手段。
文檔編號H04B10/08GK1598522SQ200410043789
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月11日 優先權日2004年8月11日
發明者李美成, 劉禮華, 肖天鵬, 趙連城 申請人:哈爾濱工業大學