CN100495090C - 蜘蛛网状空芯光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蜘蛛网状空芯结构光纤。该发明由纤芯区(I)、包层(II)和外包层(III)组成，其特征是：纤芯区(I)为空气，包层(II)为若干同心圆单一材料和空气交替层以及由横截面上对称分布若干支撑条构成的蜘蛛网状结构。本发明用单一材料的蜘蛛网状包层结构替代两种介质构成的全方向介质反射镜空芯光纤，其传输特性与两种介质构成的全方向反射镜基本一致。这种结构增加了可实现性，大大扩展了可制作的光纤品种和可传输的光谱范围。

Description

蜘蛛网状空芯光纤

技术领域

本发明涉及一种光纤结构，特别是涉及一种蜘蛛网状空芯结构光纤。

背景技术

过去研究和报导的空芯光纤，通常可分为两类：光子晶体光纤(photoniccrystal fibers)和布拉格(Bragg)光纤。由单一材料构成的光子晶体光纤和布拉格光纤，其传输损耗均随包层中空气孔圈数的增加而指数下降。如果希望泄漏损耗足够低，一般需要7-9圈。对于光子晶体光纤，为了在包层形成光子带隙，不仅要求包层的微结构有严格的周期排列，而且要求有相当大的空气填充分数。至今，采用石英材料、7圈气孔、空气填充分数大于85％的包层所构成的空芯光子晶体光纤，在850nm波长的损耗为180dB/km；在长波段，采用石英制作的空芯光子晶体光纤，报导的最低损耗是1.7dB/km，这与实芯的常规石英光纤相比，损耗还高一个数量级。而塑料空芯光子晶体光纤，澳大利亚仅观察到有传输的现象，根本谈不上低损耗。由此可见，在工艺上要制作和保持这种比较复杂的结构在横截面上和整个长度上的一致性相当困难。前几年，美国提出了一种用全方向介质反射镜制作的空芯光纤(属于布拉格光纤)，这种全方向波导光纤的优点是可以对任意入射方向的光进行反射，反射率很高，可以使光纤的传输损耗比构成光纤材料的损耗有显著的降低。不过这种空芯光纤的包层是用两种不同折射率的介质构成的。实际上，要找到两种材料的折射率差比较大，而光学性能又好，两种材料在热学和力学等性能上以及制作工艺上具有相似性、兼容性和简单可行性却十分困难。因而实验上仅有个别报导，且性能并不太好。

发明内容

为了解决上述由两种材料构成全方向反射镜遇到的困难问题，本发明提供了一种蜘蛛网状空芯光纤，用单一材料的蜘蛛网状包层结构替代两种介质构成的全方向介质反射镜空芯光纤，使材料选择十分灵活方便，工艺制作的自由度增加，易实现批量化生产；而其传输特性与两种介质构成的全方向反射镜基本一致。因而这种结构增加了可实现性，大大扩展了可制作的光纤品种和可传输的光谱范围，可以实现在宽广的光谱范围进行低损耗的传输。

这种蜘蛛网状空芯光纤，由纤芯区(I)、包层(II)和外包层(III)组成，其特征是：纤芯区(I)为空气，包层(II)为若干同心圆单一材料和空气交替层以及由横截面上对称分布若干支撑条构成的蜘蛛网状结构。

对于全方向介质反射镜空芯光纤，介质层厚度 $d_2=\frac{1}{3}\mathrm{\λ}~\frac{1}{5}\mathrm{\λ},$ d₁＝Λ-d₂，每个交替层的厚度A＝1λ～5λ，交替层的层数为N＝4—6，r₀≈10μm(视允许的模式数而定)。在满足结构稳定性的前提下，蜘蛛网状空芯光纤的支撑条数量(m)要尽量少，支撑条宽度(W_s)要尽量窄，一般m＝6～12， $W_s=\frac{1}{3}\mathrm{\λ}~\frac{1}{30}\mathrm{\λ},$ 其中：λ为传输的中心波长。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。

图1为由两种材料构成的全方向反射镜空芯光纤；

图2为由单一材料构成的蜘蛛网状空芯光纤；

图3为单一材料构成的蜘蛛网状空芯光纤的折射率分布和层结构；

图4为不加支撑条时图1空芯光纤的横向分量场分布；

图5为图1结构上加了宽度为0.25μm的8根支撑条时的横向分量场分布；

图6为图1结构上加了宽度为0.25μm的12根支撑条时的横向分量场分布；

图7为不加支撑条时反共振反射型空芯光纤的横向分量场分布；

图8为反共振反射型空芯光纤加了8根条宽为0.3μm支撑条时的横向分量场分布；

图9为反共振反射型空芯光纤加了8根条宽为0.567μm支撑条时的横向分量场分布。

在图1中，n_h和n_l分别为高折射率和低折射率，n_co为芯区折射率；在图2和图3中，n₁为空气，n₂为介质材料折射率，d₁为空气层的厚度，d₂为介质层厚度，r₀为空芯半径，Λ＝d₁+d₂为每个交替层的厚度。

具体实施方式

实施例1

在本实施例中，是要实现如图2所示结构的蜘蛛网状空芯光纤。其参数为n₁＝1(空气)、n₂＝1.49(PMMA)、d₁＝0.80μm、d₂＝0.25μm、Λ＝1.05μm、r₀＝10μm、N＝4、m＝8和12、W_s＝0.25μm，其横向分量场分布的模拟结果见图5(m＝8)和图6(m＝12)。

实施例2

在本实施例中，是要实现如图2所示结构的反共振反射型蜘蛛网状空芯光纤。其参数为n₁＝1(空气)、n₂＝1.49(PMMA)、d₁＝1.50μm、d₂＝2.266μm、Λ＝3.766μm、r₀＝10μm、N＝4、m＝8、W_s＝0.30μm和0.567μm，其横向分量场分布的模拟结果见图8(W_s＝0.30μm)和图9(W_s＝0.567um)。

除上述两个实施例外，本发明提出的蜘蛛网状空芯光纤结构，适合于各种布拉格空芯光纤以及其它由两种高低折射率材料层形成反射特征的光纤。这种光纤结构广泛适用各种材料，如塑料、多组分玻璃、各种复合材料以及各种介质。其制造工艺与所构成蜘蛛网状空芯光纤所用的材料有关，例如塑料、可采用模具注塑法和挤出法等工艺。

Claims (1)

1.一种蜘蛛网状空芯光纤，由纤芯区(I)、包层(II)和外包层(III)组成，其特征是：纤芯区(I)为空气，包层(II)为若干同心圆单一介质材料和空气交替层以及由横截面上对称分布若干支撑条构成的蜘蛛网状结构；所述的交替层由空气层和介质层组成，交替层的层数为N＝4—6；支撑条采用与构成交替层的单一介质材料相同的材料构成，支撑条的数量m＝6～12，支撑条的宽度 $W_s=\frac{1}{3}\mathrm{\λ}~\frac{1}{30}\mathrm{\λ},$ 其中：λ为传输的中心波长。

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