本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，具體地說，是指一種基于應(yīng)力緩沖區(qū)的低磁敏感性實芯保偏光子晶體光纖。
背景技術(shù)：
：光子晶體光纖的包層與傳統(tǒng)光纖不同，其內(nèi)部含有許多按照一定規(guī)則排布的空氣孔，通過調(diào)節(jié)光纖中空氣孔的數(shù)量、大小、間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)即可獲得不同的包層折射率與纖芯折射率，且兩折射率的差異可以大范圍自由調(diào)節(jié)，這大大提高了光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計上的靈活性?？赏ㄟ^改變包層空氣孔的形狀、大小、排布方式等加以控制，從而設(shè)計出同時滿足陀螺多種要求，并與其它器件匹配的光纖。如圖1所示，PM1550光纖的包層空氣孔，至少包括三層，其中有兩個大孔，設(shè)直徑為D，其余小孔的直徑為d，相鄰空氣孔的間距為Λ?？谞罱Y(jié)構(gòu)內(nèi)部是空氣Air。光子晶體光纖中央?yún)^(qū)域的空氣圓孔排列決定了其折射率、損耗等參數(shù)。光纖在制成陀螺的過程中要受到繞環(huán)或者溫度變化帶來的外部應(yīng)力，這些外部應(yīng)力包括壓力、拉力、剪切力、彎矩等，如圖2所示，示例了兩種受力情況。由于光纖的材料SiO2的機(jī)械強(qiáng)度不高，當(dāng)光纖受到外部的應(yīng)力的時候，其中心空氣圓孔的排列間隔將發(fā)生不規(guī)則改變，從而改變了光纖的光學(xué)參數(shù)。此外，為了破壞光纖的六角對稱性，讓傳輸光在兩個方向的折射率不同，光纖在設(shè)計時通常采取不對稱的空氣圓孔排列，這使得其某一方向上的機(jī)械性能會明顯弱于其它方向，這將加劇其受力后的形變。同時光纖材料SiO2是一種彈性體，在力的作用下會發(fā)生彈光效應(yīng)，使得其本身的折射率也發(fā)生了變化。以上這些因素會降低光子晶體光纖的性能，增大光纖陀螺的磁敏感性，從而增大光纖陀螺在宇宙空間中的磁場誤差。目前，對于磁敏感性的通用解決方案是對繞環(huán)光纖增加磁場屏蔽罩，在某些中小型陀螺中，屏蔽罩的質(zhì)量要占到陀螺總質(zhì)量的1/3甚至更多，這極大地限制了光纖陀螺的應(yīng)用。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決以上問題，必須設(shè)計一種新結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，使得其中心圓孔排列和雙折射效應(yīng)在受力的情況下具有較好的穩(wěn)定性，從而能在繞環(huán)后保持良好的光學(xué)特性，制成低磁敏感性的光纖陀螺。本發(fā)明提供了一種基于應(yīng)力緩沖區(qū)的低磁敏感性實芯保偏光子晶體光纖。本發(fā)明的基于應(yīng)力緩沖區(qū)的低磁敏感性實芯保偏光子晶體光纖，在現(xiàn)有光子晶體光纖的包層內(nèi)設(shè)置應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。光子晶體光纖包層內(nèi)，設(shè)中心排列的至少三層空氣孔的區(qū)域為中心區(qū)域，中心區(qū)域之外的區(qū)域為外部區(qū)域。本發(fā)明在外部區(qū)域設(shè)置應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)。所述的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)為空氣孔，且應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)分別關(guān)于x軸和y軸對稱，實現(xiàn)光纖在力學(xué)上的各向同性。優(yōu)選地，本發(fā)明提供的一種應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)的實施例是：所述的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)包括四個半月牙區(qū)域，每個半月牙為一段扇環(huán)，位于x方向的左右兩段扇環(huán)關(guān)于y軸對稱，位于y方向的上下兩段扇環(huán)關(guān)于x軸對稱，4段扇環(huán)位于一個圓環(huán)上，具有相同的寬度和彎曲半徑。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于：(1)本發(fā)明設(shè)計出一種帶應(yīng)力緩沖區(qū)的實芯保偏光子晶體光纖，可以在一定程度上改善光子晶體光纖在繞環(huán)、應(yīng)力條件下的誤差。(2)本發(fā)明相比于目前商用光纖方案，在制成陀螺后可以省去磁屏蔽罩的部分，大大減小了陀螺的質(zhì)量，有利于提高陀螺集成度，拓展了陀螺的應(yīng)用范圍。(3)本發(fā)明設(shè)計的帶應(yīng)力緩沖區(qū)的實芯保偏光子晶體光纖，適用于輕小型光纖陀螺，相比于目前商用光子晶體光纖方案可提高光纖陀螺的溫度性能，提高光纖雙折射的溫度穩(wěn)定性，降低光纖陀螺的溫度敏感性，可以在一定尺寸限度內(nèi)大幅提高陀螺精度。附圖說明圖1是PM1550光纖中包層空氣孔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是PM1550光纖受到外部應(yīng)力的示意圖，(a)和(b)為受到不同外力F情況；圖3是本發(fā)明基于應(yīng)力緩沖區(qū)的光子晶體光纖的一個實現(xiàn)示例圖；圖4是圖3中光子晶體光纖與普通光子晶體光纖在受力時變形的等高線示意圖；(a)為普通光子晶體光纖的受力變形情況，(b)為圖3中光子晶體光纖的受力變形情況；圖5是本發(fā)明基于應(yīng)力緩沖區(qū)的光子晶體光纖的三種實現(xiàn)方式示意圖；圖6是采用堆積拉制光纖方式制備圖3所示光子晶體光纖的示意圖；圖7是剪切力和壓力/拉力對雙折射的影響的數(shù)量級示意圖；圖8是圖3所示光子晶體光纖的制備參數(shù)示意圖；圖9是y、x兩個方向上受到壓力后的雙折射變化示意圖，(a)為y方向，(b)為x方向；圖10是不同半徑彎矩下光纖的損耗示意圖。具體實施方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明實現(xiàn)的基于應(yīng)力緩沖區(qū)的低磁敏感性實芯保偏光子晶體光纖，通過設(shè)置應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)，在受到外力時緩沖結(jié)構(gòu)會變形來吸收外力，從而保護(hù)中心區(qū)域。如圖3所示，設(shè)光子晶體光纖包層內(nèi)，中心排列的至少三層空氣孔的區(qū)域為中心區(qū)域，這三層空氣孔之外的區(qū)域為外部區(qū)域。中心區(qū)域設(shè)置的空氣孔是為了實現(xiàn)光纖傳輸光的光學(xué)特性。本發(fā)明所要設(shè)置的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)必須位于外部區(qū)域，從而可改善力學(xué)性能，而不影響光的傳輸特性的區(qū)域，或者僅是微乎其微的影響。若在中心區(qū)域設(shè)置類似結(jié)構(gòu)，則將會影響光學(xué)特性，不在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。所設(shè)置的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)是空氣塌陷區(qū)，通過在光纖中移除一部分二氧化硅形成的結(jié)構(gòu)。空氣塌陷區(qū)是指，在制造過程中沒有任何固體的物質(zhì)填充，光纖制造完成后該位置會自然而然被空氣填滿。但應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)也可以人為地填充各種氣體，例如甲烷、乙烯等，但不被固體物質(zhì)填充。設(shè)置坐標(biāo)系xoy，o點位于光纖中心，x軸指向水平方向，y軸指向豎直方向。本發(fā)明所設(shè)置的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)通常是分別關(guān)于x軸和y軸對稱，且在x、y兩個方向上的分布有差異。因為光纖受到的外力是隨機(jī)的，所以設(shè)置應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)是對稱的，以保證在各種情況下都能保護(hù)光纖。又因為中心區(qū)域為了形成雙折射，設(shè)計了一個在x、y方向上差別很大的結(jié)構(gòu)，如圖1中，在x方向有兩個大孔，所以外部的保護(hù)在x、y兩個方向上也要形成相反的差別來進(jìn)行彌補(bǔ)?？偠灾O(shè)置的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)的目的就是為實現(xiàn)光纖在力學(xué)上的各向同性。經(jīng)過仿真模擬，六角形光子晶體光纖的穩(wěn)定性最弱(在該方向上受力后雙折射變化最大)的方向為y軸方向，其次是x方向，然后是垂直于六角形邊緣的方向，最強(qiáng)的是45度角方向。本發(fā)明實現(xiàn)了一種如圖3所示的新型光纖，在原本的中心區(qū)域之外，增加了4個半月形的空氣塌陷保護(hù)結(jié)構(gòu)，在不影響光纖溫度傳導(dǎo)的情況下大大提升了光纖參數(shù)的穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)在光纖受力發(fā)生形變的時候會產(chǎn)生明顯的變形，起到吸收應(yīng)力的作用，使得中心區(qū)域圓孔的排列變化趨于保持不變，進(jìn)而令雙折射變化明顯減少，并且使光纖在各方向上的受力特性趨于一致。如圖4所示，為圖3所示的增加了應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖與普通的光子晶體光纖在受力時的變形情況，可見，增加了應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，其中心區(qū)域的空氣孔形變大大減小。本發(fā)明所設(shè)置的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際情況，設(shè)置為多種形式，可以通過仿真實驗來選取最優(yōu)形狀及參數(shù)。如圖5所示，為三種增加了應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的示例。左邊第一種在y方向上，關(guān)于x軸對稱地左右各設(shè)置了兩個圓空氣孔和一個半月形空氣塌陷區(qū)。中間第二種在y方向上，關(guān)于x軸對稱地左右各設(shè)置了若干圓空氣孔，空氣孔呈扇形排列。右邊第三種在中心區(qū)域的空氣孔的基礎(chǔ)上，繼續(xù)在外部區(qū)域排列一層或一層以上的圓空氣孔，在y方向的比x方向多。因此，只要能滿足光纖在力學(xué)上的各向同性，在外部區(qū)域設(shè)置的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)可以是多種形式?？筛鶕?jù)需要，采用現(xiàn)有任意方法來制作空氣塌陷區(qū)和空氣孔等應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實施例采用堆積-拉伸(stackanddraw)法進(jìn)行圖3所示的光子晶體光纖制作。如圖5所示，先將芯區(qū)玻璃毛細(xì)管堆積，用芯區(qū)套管固定，再根據(jù)仿真優(yōu)選的參數(shù)來制備具有應(yīng)力緩沖區(qū)的套管，空氣塌陷區(qū)可通過在套管上拆割、腐蝕等方式來實現(xiàn)，將應(yīng)力緩沖區(qū)套管固定在芯區(qū)套管上，最后將外包層套管固定在應(yīng)力緩沖區(qū)套上，實現(xiàn)了具有扇形緩沖區(qū)的光子晶體光纖。考慮到光纖拉制中的玻璃棒堆積過程，本發(fā)明在設(shè)計光子晶體光纖時所采取的參數(shù)通常是離散的，某幾個特殊數(shù)值的整數(shù)倍，以簡化光纖拉制的工藝。出于同樣的理由，本發(fā)明對x軸和y軸上的半月形保護(hù)結(jié)構(gòu)選取了相同的厚度d'和彎曲半徑r，僅通過調(diào)節(jié)位于x方向的扇環(huán)的圓心角θx和位于y方向的扇環(huán)的圓心角θy來達(dá)成彌補(bǔ)各向異性的目的。初步仿真結(jié)果表明，光子晶體光纖繞環(huán)后在-40～70度的變化溫度中的受力范圍大約是0～2N，在這一范圍內(nèi)，剪切力對雙折射的影響大約在10-9數(shù)量級，壓力/拉力對雙折射的影響大約在10-5數(shù)量級，兩者相差4個數(shù)量級，如圖7所示。所以在進(jìn)行保護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)仿真，本發(fā)明主要考慮的是其對壓力的吸收作用。通過初步仿真確定保護(hù)效果較好的區(qū)間，然后在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步仿真尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)。如圖8所示，為本發(fā)明圖3所示光子晶體光纖的參數(shù)示意圖，應(yīng)力緩沖區(qū)有四個半月牙區(qū)域，每個半月牙為一段扇環(huán)，位于x方向的左右兩段扇環(huán)關(guān)于y軸對稱，位于y方向的上下兩段扇環(huán)關(guān)于x軸對稱，4段扇環(huán)位于一個圓環(huán)上，圓環(huán)的中心為xoy坐標(biāo)系的o點坐標(biāo)。扇環(huán)的寬度d'和彎曲半徑r都相同，通過仿真，最終確定的最優(yōu)參數(shù)如表1所示。表1仿真獲得的扇環(huán)區(qū)域的參數(shù)r30.63umd'8.37umθx30度θy40度對使用本發(fā)明設(shè)置了應(yīng)力緩沖區(qū)的光子晶體光纖和未應(yīng)力緩沖區(qū)的設(shè)置光子晶體光纖的性能進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖中可見，在添加應(yīng)力緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)之后，光子晶體光纖在壓力下的雙折射變化得到了明顯的改善，減小至原本的50～60％；剪切力下的雙折射變化僅為壓力下的0.01％，可以忽略不計；由彎矩造成的損耗也遠(yuǎn)小于無保護(hù)結(jié)構(gòu)的光纖。當(dāng)前第1頁1 2 3