專利名稱:應(yīng)力致偏保偏光纖應(yīng)力雙折射值的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用在光纖相干通訊和光纖傳感器領(lǐng)域中的偏陣保持光纖的加工技術(shù),具體涉及應(yīng)力致偏保偏光纖應(yīng)力雙折射值的測量方法。
背景技術(shù):
應(yīng)用在相干光通信和干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(nèi)保持穩(wěn)定的偏陣狀態(tài),抵抗外界環(huán)境變化引起的光偏陣態(tài)變化,以提高信號傳輸和檢測的靈敏度和精度。目前實(shí)用的應(yīng)力致偏保偏光纖主要有三種領(lǐng)結(jié)型、熊貓型和橢圓包層型。如圖1所示幾種保偏光纖的結(jié)構(gòu)a-包層b-應(yīng)力區(qū)c-纖芯已有理論推導(dǎo)出上述三種典型結(jié)構(gòu)保偏光纖的應(yīng)力雙折射值表達(dá)式分別為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)]]>式中等號后面的第一項(xiàng)是相同的,依賴于應(yīng)力元的材料組分及濃度,第二項(xiàng)與應(yīng)力元的幾何形狀有直接關(guān)系,a與b分別為應(yīng)力元?dú)w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(lǐng)結(jié))∶B(熊貓)∶B(橢圓)=1.45∶1.27∶1.0由此可以看出保偏光纖應(yīng)力元的幾何形狀對纖芯中雙折射值大小的影響至關(guān)重要。不僅如此,應(yīng)力元的幾何形狀還直接關(guān)系到纖芯部分應(yīng)力場的均勻性,它決定了光纖保偏性能的優(yōu)劣。另外根據(jù)應(yīng)力致偏的原理,纖芯周圍的各向異性應(yīng)力元在纖芯內(nèi)部產(chǎn)生各向異性應(yīng)力場,由光彈效應(yīng)在纖芯內(nèi)部形成相應(yīng)的雙折射。而這樣的應(yīng)力區(qū)一般是通過摻雜B2O3,利用其與SiO2玻璃體的熱膨脹系數(shù)有較大差異來實(shí)現(xiàn)的,可見SiO2玻璃體中摻雜元素?fù)诫s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(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的摻雜元素濃度,并計算保偏光纖應(yīng)力雙折射的數(shù)值,對設(shè)計改進(jìn)新型結(jié)構(gòu)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(xiàn)在還沒有對各種類型保偏光纖都適用的能夠體現(xiàn)出摻雜濃度、應(yīng)力元形狀與應(yīng)力雙折射關(guān)系的測量方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(xiàn)出摻雜濃度、應(yīng)力元形狀與應(yīng)力雙折射關(guān)系的應(yīng)力致偏保偏光纖應(yīng)力雙折射值的測量方法,從而能通過理想應(yīng)力元幾何形狀的選擇和合理摻雜濃度的選取進(jìn)行新型保偏光纖的設(shè)計。本發(fā)明的技術(shù)措施包括如下步驟(一)摻雜元素濃度的測量以保偏光纖預(yù)制棒為原材料,采用晶體切割刀橫向?qū)⑵淝谐珊穸葹?mm-5mm的圓片,應(yīng)力的釋放使圓片的應(yīng)力區(qū)中產(chǎn)生很多微裂紋;然后分別取出應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的樣品,測量應(yīng)力區(qū)樣品B元素的含量,測量芯區(qū)樣品Ge元素的含量;與摻雜元素濃度測量的同時確定應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)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(huán)圈中并在光纖小段與鋁環(huán)圈之間注入膠進(jìn)行粘固,然后用酒精滴拭光纖小段的端面,把光纖小段端面放入蒸鍍?nèi)萜髦袊婂?μm~2μm厚的導(dǎo)電膜,利用電子探針設(shè)備做原子襯度的面掃描和Ge成分的線掃描并把掃描所得信息輸入計算機(jī),獲得保偏光纖應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的實(shí)際幾何形狀;(二)采用圖像處理軟件清理掉原子襯度的面掃描圖像中的雜質(zhì)疵點(diǎn);(三)把處理后的原子襯度面掃描圖像輸入MATLAB工程軟件中,利用光纖的應(yīng)力雙折射計算公式和應(yīng)力區(qū)摻雜濃度計算得出光纖的應(yīng)力雙折射數(shù)值。用本發(fā)明的保偏光纖的測量方法獲得應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的實(shí)際幾何形狀和精確摻雜濃度,并確立了應(yīng)力元的形狀和摻雜濃度影響保偏光纖保偏性能(應(yīng)力雙折射對于拍長和消光比)模擬關(guān)系,為通過理想應(yīng)力元幾何形狀的選擇和合理摻雜濃度的選取進(jìn)行新型保偏光纖的設(shè)計提供了手段。本發(fā)明方法簡單,工作可靠,在生產(chǎn)和設(shè)計中應(yīng)用非常方便。
圖1是目前實(shí)際應(yīng)用的三種應(yīng)力致偏保偏光纖的橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖,圖2是應(yīng)力元微元算法示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖2具體說明本實(shí)施方式。本發(fā)明的技術(shù)措施包括如下步驟(一)摻雜元素濃度的測量以保偏光纖預(yù)制棒為原材料,采用晶體切割刀橫向?qū)⑵淝谐珊穸葹?mm-5mm的圓片,應(yīng)力的釋放使圓片的應(yīng)力區(qū)中產(chǎn)生很多微裂紋;然后分別取出應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的樣品,測量應(yīng)力區(qū)樣品B元素的含量,測量芯區(qū)樣品Ge元素的含量;與摻雜元素濃度測量的同時確定應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)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(huán)圈中并在光纖小段與鋁環(huán)圈之間注入膠進(jìn)行粘固,然后用酒精滴拭光纖小段的端面,把光纖小段端面放入蒸鍍?nèi)萜髦袊婂?μm~2μm厚的導(dǎo)電膜,利用電子探針設(shè)備做原子襯度的面掃描和Ge成分的線掃描并把掃描所得信息輸入計算機(jī),獲得保偏光纖應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的實(shí)際幾何形狀;(二)采用圖像處理軟件清理掉原子襯度的面掃描圖像中的雜質(zhì)疵點(diǎn);(三)把處理后的原子襯度面掃描圖像輸入MATLAB工程軟件中,利用光纖的應(yīng)力雙折射計算公式和應(yīng)力區(qū)摻雜濃度計算得出光纖的應(yīng)力雙折射數(shù)值。
本應(yīng)力雙折射計算公式(1)是普遍適用于任何應(yīng)力元形狀的應(yīng)力致偏保偏光纖的應(yīng)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(shù)。衡量光纖雙折射量的大小通常用拍長Lp表示Lp=λB]]>式中λ為波長,B為雙折射。
衡量保偏光纖的保偏特性采用消光比(η)、保偏參數(shù)(h)、模耦合系數(shù)、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(jìn)一線偏振模,經(jīng)一段距離傳輸后有多少功率耦合到與其正交的軸向上。
η=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(zhì)的參數(shù),光纖的消光比和拍長一般采用實(shí)驗(yàn)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(dǎo)形狀雙折射。BS為光纖內(nèi)應(yīng)力(這里主要是摻雜區(qū)的膨脹系數(shù)和外部膨脹系數(shù)不同造成的熱應(yīng)力)引起的應(yīng)力雙折射。
為了從理論上指導(dǎo)保偏光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計,有必要建立數(shù)學(xué)模型,并選擇合適的算法,計算保偏光纖的應(yīng)力雙折射。從而得到光纖的拍長和光纖結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,以指導(dǎo)工藝設(shè)計制作最佳的性能。這里利用微元法進(jìn)行計算。
就是把應(yīng)力元對纖芯的作用看作各微元對芯部產(chǎn)生的雙折射的疊加,微元法的關(guān)鍵是求出每個微元的應(yīng)力雙折射。對橢圓形應(yīng)力區(qū),它對橢圓外任意一點(diǎn)的應(yīng)力差為σx-σy=Re|Eϵ(1-v)2abb2-a2|1-x+yi(x+yi)2-a2+b2||]]>我們認(rèn)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(yīng)力元外任一點(diǎn)(x,y)產(chǎn)生的應(yīng)力為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——為摻雜區(qū)的熱膨脹系數(shù) α1=mSd+(1-m)Soα2——為包層的熱膨脹系數(shù)α2=S0So——SiO2的熱膨脹系數(shù) 0.5×10-6/℃Sd——摻雜成份的熱膨脹系數(shù)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(qū)摻雜成份的摩爾百分?jǐn)?shù)所以,所有微元對(X,Y)處的應(yīng)力為∫∫Ad(σx-σy)=limt→0f(x,y)*t*t]]>光纖的雙折射等于內(nèi)應(yīng)力雙折射與幾何雙折射之和
表1拍長的計算值與實(shí)驗(yàn)值
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是,在步驟(一)中,利用容量法測量應(yīng)力區(qū)B元素的含量,利用原子熒光光度法分析芯區(qū)Ge元素的含量。在確定應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)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(fā)泡膨脹,保持溫度在20℃以下。在步驟(二)中,采用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(zhì)疵點(diǎn)。其它的步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是,在步驟(一)中,光纖小段端面噴鍍碳、銅、金或鉑作為導(dǎo)電膜。利用ICP-AES方法測量B和Ge素的含量。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
權(quán)利要求
1.應(yīng)力致偏保偏光纖應(yīng)力雙折射值的測量方法,其特征是它包括如下步驟(一)摻雜元素濃度的測量以保偏光纖預(yù)制棒為原材料,采用晶體切割刀橫向?qū)⑵淝谐珊穸葹?mm-5mm的圓片,應(yīng)力的釋放使圓片的應(yīng)力區(qū)中產(chǎn)生很多微裂紋;然后分別取出應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的樣品,測量應(yīng)力區(qū)樣品B元素的含量,測量芯區(qū)樣品Ge元素的含量;與摻雜元素濃度測量的同時確定應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)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(huán)圈中并在光纖小段與鋁環(huán)圈之間注入膠進(jìn)行粘固,然后用酒精滴拭光纖小段的端面,把光纖小段端面放入蒸鍍?nèi)萜髦袊婂?μm~2μm厚的導(dǎo)電膜,利用電子探針設(shè)備做原子襯度的面掃描和Ge成分的線掃描并把掃描所得信息輸入計算機(jī),獲得保偏光纖應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的實(shí)際幾何形狀;(二)采用圖像處理軟件清理掉原子襯度的面掃描圖像中的雜質(zhì)疵點(diǎn);(三)把處理后的原子襯度面掃描圖像輸入MATLAB工程軟件中,利用光纖的應(yīng)力雙折射計算公式和應(yīng)力區(qū)摻雜濃度計算得出光纖的應(yīng)力雙折射數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力致偏保偏光纖應(yīng)力雙折射值的測量方法,其特征是在步驟(一)中,利用容量法測量應(yīng)力區(qū)B元素的含量,利用原子熒光光度法分析芯區(qū)Ge元素的含量,在確定應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)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(fā)泡膨脹,保持溫度在20℃以下;在步驟(二)中,采用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(zhì)疵點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力致偏保偏光纖應(yīng)力雙折射值的測量方法,,其特征是在步驟(一)中,光纖小段端面噴鍍碳、銅、金或鉑作為導(dǎo)電膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及用在光纖相干通訊和光纖傳感器領(lǐng)域,應(yīng)力致偏保偏光纖應(yīng)力雙折射值的測量方法。技術(shù)措施包括如下步驟取出應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的樣品,測量應(yīng)力區(qū)樣品B元素的含量,測量芯區(qū)樣品Ge元素的含量;把光纖小段端面噴鍍1μm~2μm厚的導(dǎo)電膜,利用電子探針設(shè)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(zhì)疵點(diǎn);把處理后的原子襯度面掃描圖像輸入MATLAB工程軟件中,利用光纖的應(yīng)力雙折射計算公式和應(yīng)力區(qū)摻雜濃度計算得出光纖的應(yīng)力雙折射數(shù)值。用本發(fā)明的保偏光纖的測量方法獲得應(yīng)力區(qū)和芯區(qū)的實(shí)際幾何形狀和精確摻雜濃度,為通過理想應(yīng)力元幾何形狀的選擇和合理摻雜濃度的選取進(jìn)行新型保偏光纖的設(shè)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(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者李美成, 劉禮華, 肖天鵬, 趙連城 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)