一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体光纤的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光子晶体光纤领域，具体来讲是一种低损耗抗辐照的双折射光子晶体 光纤。
【背景技术】
[0002] 在通信、传感等领域高双折射光纤有着广泛的应用。以保偏光纤为核心元件的光 纤传感技术，特别是光纤陀螺技术和光纤水听技术受到更多的重视。保偏光纤具有优良的 双折射效应，使在其内部传输的基模的两个正交组成模式HExll与HEyll的传播常数差别 增大，减小了这两个正交模式的耦合几率，从而在传输线偏振光时能良好地保持其偏振态。 随着光通信系统和光纤传感等领域从幅度调制向相位或偏振态调制的深入发展，光纤技术 取得了长足的进展。保偏光纤所具有的线偏振保持能力，使得保偏光纤在许多与偏振相关 的应用领域具有使用价值。
[0003] 但是，由于常规保偏光纤需要采用芯层掺锗，应力区掺硼的结构设计，因此其对外 界的环境干扰比较敏感。当前以常规保偏光纤为核心元件的光纤陀螺器件最关心的问题之 一就包括其温度特性。因为当保偏光纤的温度由高到低或由低到高发生变化时，由于其内 部的各个区域的材料的应力特性不一样，因此在温度变化时，各个区域间将因此产生应力 起伏，造成不同区域的光信号传输的特性不同。虽然人们相继发明四极、八极等对称绕法， 但仍无法完全避免该问题。另外，由于常规保偏光纤为了保证在芯层形成全反射，需要在芯 层掺入一定量的锗，这也导致其在辐照环境下会发生衰减劣化，给光信号的传输带来影响。
[0004] 为了解决上述问题，目前新兴的技术是光子晶体光纤（PhotonicCrystal Fibers，PCF)。光子晶体光纤具备许多独特而新颖的物理特性，这些特性是常规石英单模光 纤（保偏光纤）很难或无法实现的。利用光子晶体光纤的灵活特性，可以通过在包层排布 空气孔，实现芯层单模传输，同时利用特殊的空气孔排布结构，可以实现光信号在芯层传输 时因排布结构的几何双折射从而带来良好的双折射效应。相比常规保偏光纤采用应力区或 非圆纤芯的方法，光子晶体光纤由于结构的灵活性，可以采用多种不同的方法获得具有不 同模场面积、双折射大小和色散等特性的光纤。这些潜在的优势，从传输特性、结构、性能价 格比、工作波段扩展等诸多方面为保偏光纤产品更新换代奠定了基础。
[0005] 但是，现有的光子晶体光纤还局限在对常规保偏光纤性能的简单代替上，即通过 空气孔的排布实现良好的双折射效应以替代常规保偏光纤的双折射效应。而对于光纤损耗 的降低，抗辐照性能的提升都还存在一定的限制，使现有的光子晶体光纤无法满足例如航 天航空等特殊环境应用场合下的使用需求，因此，也迟迟未能有适合于更高精度光纤陀螺 研制的双折射光子晶体光纤的实用化研究成果。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低损耗抗辐照的双折射 光子晶体光纤，在实现双折射的同时，具备良好的低损耗和抗辐照性能，能够满足例如航天 航空等特殊环境应用场合下的使用需求。
[0007] 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种低损耗抗辐照的双折射光子晶 体光纤，包括中心纤芯，中心纤芯的外部由内到外依次包覆有空气孔层和石英包层，石英包 层的外部涂覆有涂覆层，其中，所述中心纤芯包括纯硅纤芯和包覆于纯硅纤芯外部的深掺 氟下凹内包层；所述空气孔层由内至外包括由空气孔组成的四层环圈：第1层环圈、第2层 环圈、第3层环圈和第4层环圈，所述空气孔分为大空气孔和小空气孔，第1层环圈由2个 大空气孔和多个小空气孔组成，第2层环圈、第3层环圈和第4层环圈均由多个小空气孔组 成，四层环圈的空气孔均呈正六边形排列，所有空气孔之间通过石英连接壁连接；所述双折 射光子晶体光纤的工作波长为1550nm时，其衰减达到ldB/km以下，串音达到-25dB/km;在 lOOkrad总福照剂量下，1550nm感生损耗增加值小于2dB/km。
[0008] 在上述技术方案的基础上，所述第1层环圈包括2个大空气孔和4个小空气孔，2 个大空气孔以中心纤芯为中心对称分布；第2层环圈由12个小空气孔组成；第3层环圈、第 4层环圈均由18个小空气孔组成，且第4层环圈所排列成的正六边形的六角处留有空隙。
[0009] 在上述技术方案的基础上，所述小空气孔的半径为1. 2um~3. Oum;所述大空气孔 的半径为2. 4um~4. 8um。
[0010] 在上述技术方案的基础上，所述纯硅纤芯与深掺氟下凹内包层之间的相对折射率 差为-0. 50%~-0. 05% ;所述石英连接壁的折射率与纯硅纤芯的折射率相等。
[0011] 在上述技术方案的基础上，所述纯硅纤芯的半径为2.Oum~4.Oum;所述深掺氟下 凹内包层的半径为2. 5um~5.Oum;所述石英连接壁的半径为2. 5um~5.Oum。
[0012] 在上述技术方案的基础上，所述石英包层的直径为80um~135um;所述涂覆层的 直径为135um~250um。
[0013] 在上述技术方案的基础上，所述大空气孔、小空气孔采用分区独立气压控制，经高 温熔融成型而成；大空气孔的控制气压大于小空气孔的控制气压。
[0014] 在上述技术方案的基础上，所述大空气孔的控制气压与小空气孔的控制气压的比 值为1.0~1.3。
[0015] 在上述技术方案的基础上，所述涂覆层为单层的涂层，其采用聚酰亚胺材料，并经 热固化处理而成。
[0016] 在上述技术方案的基础上，所述涂覆层为双层的涂层，其内涂层的杨氏模量为 0. 2MPa~lOMPa，其外涂层的杨氏模量为450MPa~2000MPa，且内涂层、外涂层均经热固化 或紫外线固化处理而成。
[0017] 本发明的有益效果在于：
[0018] 1、本发明对传统的光子晶体光纤的空气孔层进行了优化排列设计，形成了由空气 孔组成的四层环圈结构，其中，第1层环圈由2个大空气孔和多个小空气孔组成，第2层环 圈、第3层环圈和第4层环圈均由多个小空气孔组成，四层环圈的空气孔均呈正六边形排 列，能在实现双折射的同时，有效将光约束在纤芯区域，实现低损耗的光信号传输，进而使 得本发明的光子晶体光纤在1550nm时的衰减控制在ldB/km(分贝/千米）以内，串音可达 到一25dB~一30dB/km，拍长可达到0· 5~4. 5mm。
[0019] 在此基础上，本发明的纤芯采用纯硅纤芯，其外包覆有深掺氟下凹内包层。与现有 技术相比，纯硅纤芯避免了"色心"材料的引入，可有效实现抗辐照特性，且设计的深掺氟下 凹内包层不但可以阻挡部分外界污染的浸入，还进一步保证了光纤的抗辐照性能，使得本 发明的光子晶体光纤在lOOkrad总福照剂量下，1550nm感生损耗增加值小于2dB/km。
[0020] 综上所述，本发明通过空气孔的优化设计、纯硅纤芯及深掺氟下凹内包层的设计， 使得光子晶体光纤在实现双折射的同时，具备良好的低损耗和抗辐照性能，能够满足例如 航天航空等特殊环境应用场合下的使用需求。
[0021] 2、本发明中，纯硅纤芯的半径为2.Oum~4.Oum，深掺氟下凹内包层的半径为 2. 5um~5.Oum，石英连接壁的半径为2. 5um~5.Oum，在结合优化的空气孔结构设计下，光 子晶体光纤可以在极小弯曲半径下良好工作，当弯曲半径达2_时，光纤在1550nm的串音 仍可达到_25dB/km以下，附加衰减小于0. 5dB，从而可绕制更小尺度的光纤环。
[0022] 3、本发明中，石英包层的外部涂覆有单层或双层的涂覆层。若为单层的涂覆层时， 该涂覆层采用聚酰亚胺材料，并经热固化处理；若为双层的涂覆层时，内涂层涂覆杨氏模量 为0. 2MPa~lO