专利名称：应力致偏保偏光纤应力双折射值的测量方法
技术领域：
本发明涉及用在光纤相干通讯和光纤传感器领域中的偏阵保持光纤的加工技术，具体涉及应力致偏保偏光纤应力双折射值的测量方法。
背景技术：
应用在相干光通信和干涉型光纤传感器中的偏阵保持光纤能够在整个光纤长度内保持稳定的偏阵状态，抵抗外界环境变化引起的光偏阵态变化，以提高信号传输和检测的灵敏度和精度。目前实用的应力致偏保偏光纤主要有三种领结型、熊猫型和椭圆包层型。如图1所示几种保偏光纤的结构a-包层b-应力区c-纤芯已有理论推导出上述三种典型结构保偏光纤的应力双折射值表达式分别为B=CEΔαΔT1-γ·2πsinφ[ln(ab)-34(a4-b4)]]]>B=CEΔαΔT1-γ×12×[4(a-ba+b)2-34(a2-b2)]]]>B=CEΔαΔT1-γ·a-ba+b[1-32ab(a+b)2]---(3)]]>式中等号后面的第一项是相同的，依赖于应力元的材料组分及浓度，第二项与应力元的几何形状有直接关系，a与b分别为应力元归一化长轴、短轴。不难算出这三种保偏光纤的双折射之比为B(领结)∶B(熊猫)∶B(椭圆)＝1.45∶1.27∶1.0由此可以看出保偏光纤应力元的几何形状对纤芯中双折射值大小的影响至关重要。不仅如此，应力元的几何形状还直接关系到纤芯部分应力场的均匀性，它决定了光纤保偏性能的优劣。另外根据应力致偏的原理，纤芯周围的各向异性应力元在纤芯内部产生各向异性应力场，由光弹效应在纤芯内部形成相应的双折射。而这样的应力区一般是通过掺杂B2O3，利用其与SiO2玻璃体的热膨胀系数有较大差异来实现的，可见SiO2玻璃体中掺杂元素掺杂浓度直接影响保偏光纤的双折射大小。因此，测量保偏光纤应力区和芯区的掺杂元素浓度，并计算保偏光纤应力双折射的数值，对设计改进新型结构保偏光纤以及提高保偏光纤的偏阵保持特性意义非常重要。而现在还没有对各种类型保偏光纤都适用的能够体现出掺杂浓度、应力元形状与应力双折射关系的测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种精确的对各种类型保偏光纤都适用的能够体现出掺杂浓度、应力元形状与应力双折射关系的应力致偏保偏光纤应力双折射值的测量方法，从而能通过理想应力元几何形状的选择和合理掺杂浓度的选取进行新型保偏光纤的设计。本发明的技术措施包括如下步骤(一)掺杂元素浓度的测量以保偏光纤预制棒为原材料，采用晶体切割刀横向将其切成厚度为2mm-5mm的圆片，应力的释放使圆片的应力区中产生很多微裂纹；然后分别取出应力区和芯区的样品，测量应力区样品B元素的含量，测量芯区样品Ge元素的含量；与掺杂元素浓度测量的同时确定应力区和芯区的几何形状取保偏光纤，将其用光纤切割器切割下若干光纤小段做样品，保持切割端面的清洁，把若干根光纤小段插入铝环圈中并在光纤小段与铝环圈之间注入胶进行粘固，然后用酒精滴拭光纤小段的端面，把光纤小段端面放入蒸镀容器中喷镀1μm～2μm厚的导电膜，利用电子探针设备做原子衬度的面扫描和Ge成分的线扫描并把扫描所得信息输入计算机，获得保偏光纤应力区和芯区的实际几何形状；(二)采用图像处理软件清理掉原子衬度的面扫描图像中的杂质疵点；(三)把处理后的原子衬度面扫描图像输入MATLAB工程软件中，利用光纤的应力双折射计算公式和应力区掺杂浓度计算得出光纤的应力双折射数值。用本发明的保偏光纤的测量方法获得应力区和芯区的实际几何形状和精确掺杂浓度，并确立了应力元的形状和掺杂浓度影响保偏光纤保偏性能(应力双折射对于拍长和消光比)模拟关系，为通过理想应力元几何形状的选择和合理掺杂浓度的选取进行新型保偏光纤的设计提供了手段。本发明方法简单，工作可靠，在生产和设计中应用非常方便。
图1是目前实际应用的三种应力致偏保偏光纤的横断面结构示意图，图2是应力元微元算法示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图2具体说明本实施方式。本发明的技术措施包括如下步骤(一)掺杂元素浓度的测量以保偏光纤预制棒为原材料，采用晶体切割刀横向将其切成厚度为2mm-5mm的圆片，应力的释放使圆片的应力区中产生很多微裂纹；然后分别取出应力区和芯区的样品，测量应力区样品B元素的含量，测量芯区样品Ge元素的含量；与掺杂元素浓度测量的同时确定应力区和芯区的几何形状取保偏光纤，将其用光纤切割器切割下若干光纤小段做样品，保持切割端面的清洁，把若干根光纤小段插入铝环圈中并在光纤小段与铝环圈之间注入胶进行粘固，然后用酒精滴拭光纤小段的端面，把光纤小段端面放入蒸镀容器中喷镀1μm～2μm厚的导电膜，利用电子探针设备做原子衬度的面扫描和Ge成分的线扫描并把扫描所得信息输入计算机，获得保偏光纤应力区和芯区的实际几何形状；(二)采用图像处理软件清理掉原子衬度的面扫描图像中的杂质疵点；(三)把处理后的原子衬度面扫描图像输入MATLAB工程软件中，利用光纤的应力双折射计算公式和应力区掺杂浓度计算得出光纤的应力双折射数值。
本应力双折射计算公式(1)是普遍适用于任何应力元形状的应力致偏保偏光纤的应力双折射的计算公式；对保偏光纤来说，消光比和拍长是最重要的两个性能参数。衡量光纤双折射量的大小通常用拍长Lp表示Lp=λB]]>式中λ为波长，B为双折射。
衡量保偏光纤的保偏特性采用消光比(η)、保偏参数(h)、模耦合系数、串音等表示，它反映了在保偏光纤注入端某一光轴上耦合进一线偏振模，经一段距离传输后有多少功率耦合到与其正交的轴向上。
η=10lgpxpy]]>式中，px和py分别为光纤输出端两正交轴上的光功率。消光比是保偏光纤特性中最重要最本质的参数，光纤的消光比和拍长一般采用实验的方法测量。
单模光纤中的双折射
Bi＝BG+BS其中BG为光纤截面的几何形状畸变引起的波导形状双折射。BS为光纤内应力(这里主要是掺杂区的膨胀系数和外部膨胀系数不同造成的热应力)引起的应力双折射。
为了从理论上指导保偏光纤的结构设计和工艺设计，有必要建立数学模型，并选择合适的算法，计算保偏光纤的应力双折射。从而得到光纤的拍长和光纤结构之间的关系，以指导工艺设计制作最佳的性能。这里利用微元法进行计算。
就是把应力元对纤芯的作用看作各微元对芯部产生的双折射的叠加，微元法的关键是求出每个微元的应力双折射。对椭圆形应力区，它对椭圆外任意一点的应力差为σx-σy=Re|Eϵ(1-v)2abb2-a2|1-x+yi(x+yi)2-a2+b2||]]>我们认为每个小微元a为正方形更合理，Sa＝dx′*dy′Sa是微元的面积。该微元对应力元外任一点(x，y)产生的应力为d(σx-σy)=Eϵ(1-υ)·(x-x′)2-(y-y′)2[(x-x′)2+(y-y′)2]2dx′dy′]]>其中ε＝(α1-α2)Tα1——为掺杂区的热膨胀系数 α1＝mSd+(1-m)Soα2——为包层的热膨胀系数α2＝S0So——SiO2的热膨胀系数 0.5×10-6/℃Sd——掺杂成份的热膨胀系数其中掺杂成份为B2O3时 Sd＝10×10-6/℃掺杂成份为Ge2O3时 Sd＝7×10-6/℃m——掺杂区掺杂成份的摩尔百分数所以，所有微元对(X，Y)处的应力为∫∫Ad(σx-σy)=limt→0f(x,y)*t*t]]>光纤的双折射等于内应力双折射与几何双折射之和
表1拍长的计算值与实验值
具体实施方式
二本实施方式与实施方式一的不同点是，在步骤(一)中，利用容量法测量应力区B元素的含量，利用原子荧光光度法分析芯区Ge元素的含量。在确定应力区和芯区几何形状时，共切割下5-10根光纤小段做样品，为防止胶的发泡膨胀，保持温度在20℃以下。在步骤(二)中，采用Paintshop、Photoshop、Microsoft Photo Editor或Windows画图工具清理背散射原子衬度像中的杂质疵点。其它的步骤与实施方式一相同。
具体实施方式
三本实施方式与实施方式一的不同点是，在步骤(一)中，光纤小段端面喷镀碳、铜、金或铂作为导电膜。利用ICP-AES方法测量B和Ge素的含量。其它步骤与实施方式一相同。
权利要求
1.应力致偏保偏光纤应力双折射值的测量方法，其特征是它包括如下步骤(一)掺杂元素浓度的测量以保偏光纤预制棒为原材料，采用晶体切割刀横向将其切成厚度为2mm-5mm的圆片，应力的释放使圆片的应力区中产生很多微裂纹；然后分别取出应力区和芯区的样品，测量应力区样品B元素的含量，测量芯区样品Ge元素的含量；与掺杂元素浓度测量的同时确定应力区和芯区的几何形状取保偏光纤，将其用光纤切割器切割下若干光纤小段做样品，保持切割端面的清洁，把若干根光纤小段插入铝环圈中并在光纤小段与铝环圈之间注入胶进行粘固，然后用酒精滴拭光纤小段的端面，把光纤小段端面放入蒸镀容器中喷镀1μm～2μm厚的导电膜，利用电子探针设备做原子衬度的面扫描和Ge成分的线扫描并把扫描所得信息输入计算机，获得保偏光纤应力区和芯区的实际几何形状；(二)采用图像处理软件清理掉原子衬度的面扫描图像中的杂质疵点；(三)把处理后的原子衬度面扫描图像输入MATLAB工程软件中，利用光纤的应力双折射计算公式和应力区掺杂浓度计算得出光纤的应力双折射数值。
2.根据权利要求1所述的应力致偏保偏光纤应力双折射值的测量方法，其特征是在步骤(一)中，利用容量法测量应力区B元素的含量，利用原子荧光光度法分析芯区Ge元素的含量，在确定应力区和芯区几何形状时，共切割下5-10根光纤小段做样品，为防止胶的发泡膨胀，保持温度在20℃以下；在步骤(二)中，采用Paintshop、Photoshop、Microsoft Photo Editor或Windows画图工具清理背散射原子衬度像中的杂质疵点。
3.根据权利要求1所述的应力致偏保偏光纤应力双折射值的测量方法，，其特征是在步骤(一)中，光纤小段端面喷镀碳、铜、金或铂作为导电膜。
全文摘要
本发明涉及用在光纤相干通讯和光纤传感器领域，应力致偏保偏光纤应力双折射值的测量方法。技术措施包括如下步骤取出应力区和芯区的样品，测量应力区样品B元素的含量，测量芯区样品Ge元素的含量；把光纤小段端面喷镀1μm～2μm厚的导电膜，利用电子探针设备做原子衬度的面扫描和Ge成分的线扫描，清理掉原子衬度的面扫描图像中的杂质疵点；把处理后的原子衬度面扫描图像输入MATLAB工程软件中，利用光纤的应力双折射计算公式和应力区掺杂浓度计算得出光纤的应力双折射数值。用本发明的保偏光纤的测量方法获得应力区和芯区的实际几何形状和精确掺杂浓度，为通过理想应力元几何形状的选择和合理掺杂浓度的选取进行新型保偏光纤的设计提供了手段。
文档编号H04B10/08GK1598522SQ200410043789
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月11日 优先权日2004年8月11日
发明者李美成, 刘礼华, 肖天鹏, 赵连城 申请人:哈尔滨工业大学