CN103487876B - 一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤 - Google Patents
一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于<b>3-5</b>微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤，横截面为圆形，沿半径由内向外方向依次包括中空纤芯、多层介质结构包层、保护层；多层介质结构包层由含不同周期的介质层组构成；介质层组由三元结构单元构成，一个三元结构单元为一个三元结构周期；本发明所提出的空芯光子带隙光纤设计，在拓展光子带隙宽度的同时，可以更有效地降低传输损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤，属于光纤技术领域。
背景技术
3-5微米中红外波段是重要的大气透射窗口，并且由于该波段涵盖了大量气体分子的基频吸收带且反映气体分子的指纹特征，因此3-5微米中红外激光在红外对抗与制导、空间光通信、大气环境监测、工业过程控制和医疗诊断等方面具有重要应用价值。随着各种类型的3-5微米中红外宽带可调谐激光源的成功研制，选择优良的在线传输介质以实现该波段激光宽带低损耗传输就显得尤为迫切。基于全反射原理的石英光纤在近红外光通信波段的成功运用，证明光纤型波导是激光信号传输的优良介质，但是受纤芯材料损耗限制，石英光纤无法实现中红外波段激光的长距离低损耗传输。为此，对中红外光波呈低吸收损耗的氟化物、硫化物和碲化物玻璃相继被用来拉制中红外激光传输光纤。虽然制备材料不同，但由于这类光纤均是利用全反射原理将光波限制在高折射率固体纤芯中传输，因此仍会不可避免地受到纤芯材料各种损耗、色散和非线性效应等影响。为解决这些问题，研究人员相继设计并制备了不同类型的空芯光纤型波导，其中基于一维光子带隙效应导光新机制的空芯布拉格光纤因其新颖的导波机制日益受到关注。这种光纤的一维光子晶体结构由折射率呈周期性变化的多层电介质层构成，从而可将光波限制在中空纤芯中沿光纤轴向传输。由于利用光子带隙效应，电介质包层可以将一定频率范围（全向反射光子带隙）内、具有任意入射方向和任意偏振态的光波限制在低折射率的中空纤芯中传输，故又称为全向导波光纤。与采用二维光子带隙效应传输机制的空芯光子晶体光纤相比，空芯布拉格光纤由于采用一维周期性结构，只需改变各电介质包层的厚度和折射率，即可实现光子带隙和模式传输特性的调控，同时制备难度也相对降低。尽管空芯布拉格光纤具有宽光谱和宽角度带隙特性，本身更易于实现光波宽带传输，但是现有的常规布拉格光纤的传输带宽仍然相对有限。虽然目前存在一些可拓展传输带宽的空芯布拉格光纤设计，但是这些光纤或结构复杂，难于制备，或低损耗传输窗口不连续，或模式传输损耗较大，不利于实现长距离低损耗传输。
发明内容
本发明为了解决上述3-5微米波段光波缺乏优良宽带低损耗传输介质问题，提供了一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤。
本发明是通过以下措施来实现的：一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤，横截面为圆形，沿半径方向由内向外依次包括中空纤芯、多层介质结构包层、保护层；所述的多层介质结构包层由1-4组介质层组构成；所述的介质层组由5-20个三元结构单元构成，一个三元结构单元为一个三元结构周期；所述的三元结构单元由厚度相等的在3-5微米波段内折射率为2.74的硒化砷（As2Se3）构成的外层介质层和内层介质层、以及位于它们之间的在3-5微米波段内折射率为1.62的聚醚酰亚胺（PEI）材料构成的中层介质层组成，外层介质层和内层介质层的厚度之和与中层介质层的厚度满足近掠入射条件下的四分之一波条件，中层介质层的折射率低于外层介质层和内层介质层的折射率；所述的不同介质层组内的三元结构周期的周期值沿半径由内向外方向依次减小，外侧介质层组内的周期值和与其相邻的内侧介质层组内的周期值之比大于等于0.8且小于1。
本发明的空芯光子带隙光纤，所述的中空纤芯的直径为300-900微米，多层介质结构包层的厚度范围在15-70微米。
本发明的空芯光子带隙光纤，所述的多层介质结构包层中的介质层组数目随传输带宽要求的增大而增加。
本发明的空芯光子带隙光纤，所述的多层介质结构包层包含的介质层组数目优选为2-4组。
本发明的空芯光子带隙光纤，所述的介质层组包含的三元结构单元的数目优选为8-20个。
本发明的空芯光子带隙光纤，所述的保护层由聚醚酰亚胺（PEI）材料构成，厚度占整个光纤外径的15%-25%。
本发明的有益效果是：由于本发明的多层介质结构包层采用三元结构周期，与现有的二元结构周期相比，在周期数目和大小均相同时，光纤包层对纤芯中的入射光波具有更高的反射率，这意味着可以获得更低的泄漏损耗；由于最靠近纤芯的介质层是高折射率层，且其厚度为二元结构周期包层中高折射率层厚度的一半，因此可以有效抑制表面模产生，从而进一步降低导波模传输损耗；光纤包层由所含周期值沿半径方向由内向外依次减小的不同介质层组构成，这可以有效拓展光子带隙范围，并且增大了包层结构参数调控自由度，易于实现中红外光波宽带低损耗传输。综上所述，本发明所提出的空芯光子带隙光纤设计，在拓展光子带隙宽度的同时，可以更有效地降低传输损耗。
附图说明
图1表示用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤横截面结构示意图。
图2表示三元结构单元的结构示意图。
图3表示空芯光子带隙光纤的折射率径向分布示意图。
图4表示实施例1中所述结构参数相同时，常规的多层介质结构包层分别基于二元结构周期和三元结构周期的空芯光子带隙光纤中模的泄漏损耗对比示意图。
图5表示实施例2中所述包层包含两个介质层组时的空芯光子带隙光纤包层对纤芯中具有不同入射角的横磁（TM）波的反射谱。
图6表示实施例3中所述光纤中模的泄漏损耗曲线，以及与其具有相同结构参数的基于二元结构周期的光纤中模的泄漏损耗曲线。
图7表示实施例4中所述包层包含三个介质层组时的空芯光子带隙光纤中模的泄漏损耗曲线。
图中：1、中空纤芯，2、介质层组，4、保护层，5、多层介质结构包层，6、三元结构单元，7、内层介质层，8、中层介质层，9、外层介质层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作具体的说明。
本发明设计的用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤如图1、图2所示，沿圆形的横截面半径方向由内向外依次是充满空气的中空纤芯1、多层介质结构包层5和保护层4。
中空纤芯1的直径为300-900微米。
多层介质结构包层5为异质结构，由若干介质层组2构成，多层介质结构包层5的作用是构建一维光子晶体结构，将光波限制在充满空气的中空纤芯1中传输；构成多层介质结构包层5的介质层组2数目视传输带宽要求而定，传输带宽越宽，所需要的介质层组2数目就越多，一般2-4组即可满足应用要求；每个介质层组2内包含若干个三元结构单元6，不同介质层组2内的三元结构单元6数目可以不同，一般为5-20个；所述的一个三元结构单元6为一个三元结构周期，由厚度相等的外层介质层9和内层介质层7中间夹有中层介质层8构成，外层介质层9和内层介质层7的厚度之和与中层介质层8的厚度满足近掠入射条件下的四分之一波条件，中层介质层8的折射率低于外层介质层9和内层介质层7的折射率，因此外层介质层9和内层介质层7采用在3-5微米波段内折射率为2.74的硒化砷（As2Se3），中层介质层8采用在3-5微米波段内折射率为1.62的聚醚酰亚胺（PEI）；所述属于不同介质层组2内的三元结构周期值大小不同，且沿横截面半径方向由内向外依次减小，外侧介质层组内和与其相邻的内侧介质层组内的周期值之比小于1，但不能小于0.8；所述三元结构周期是本发明最大的特色，也是本发明能够实现优良中红外宽带低损耗传输特性的根本保证。
光纤保护层4由聚醚酰亚胺（PEI）材料构成，厚度占整个光纤外径的15%-25%，其作用是提高光纤的机械强度，保护光纤免受损伤；所述空芯光子带隙光纤利用一维光子带隙效应导光，其带隙结构和损耗传输特性可以通过改变光纤介质层组数目，各介质层组内的三元结构周期值和数目等参数实现调控。所述用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤的工艺制备方法简单，便于制作，可采用和布拉格光纤相同的预制棒-熔融拉丝工艺制备方法。
下面参照附图，结合实施例对本发明的实施方式进行说明。
如图3所示，中空纤芯1的半径为,折射率,多层介质结构包层5中使用的硒化砷（As2Se3）的折射率为,聚醚酰亚胺（PEI）的折射率，多层介质结构包层5所包含的介质层组2数目为个，第i个介质层组2包含个三元结构周期，其中外层介质层9和内层介质7层所用的硒化砷（As2Se3）的厚度均为,中层介质层8所用的聚醚酰亚胺（PEI）的厚度为，周期值,其中一个周期中所含各介质层的厚度满足近掠入射情况下的四分之一波条件为；不同介质层组2内的三元结构周期的周期值沿横截面半径方向由内向外满足，且。
实施例1
与以往基于二元结构周期的包层相比，本发明所述用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤多层介质结构包层5基于三元结构周期6，在取相同光纤结构参数时，对中空纤芯中的入射光波具有更高的反射率，故可以获得更低的泄漏损耗。
如图4所示为常规的多层介质结构包层5（即只含单一介质层组，）分别基于二元结构周期和三元结构周期的空芯光子带隙光纤中基模（模）的泄漏损耗曲线。该泄漏损耗采用射线光学法计算，多层介质结构包层5中的周期值和数目分别均为nm和，中空纤芯1的半径μm。通过比较两者可以看出，在光子带隙波长范围内，常规的三元结构周期包层可以实现比常规的二元结构周期包层更低的泄漏损耗，尤其是可以有效抑制带隙中间的损耗峰。
实施例2
取多层介质结构包层5由两个介质层组构成，即，每个介质层组内各包含15个三元结构周期，即，两个介质层组中内侧的介质层组内的周期值为nm，外侧的介质层组内的周期值为nm。
为了说明本发明所提出的光纤结构设计能够有效拓展光子带隙带宽，如图5所示,本实施例重点考察全向反射光子带隙的变化。
采用传输矩阵法可以计算得到上述结构包层对不同角度入射TM波的反射谱，如图5（a）所示。作为对比，图5（b）相应地给出了周期数目同为30的常规多层介质结构包层（即，nm时）对不同角度入射TM波的反射谱。比较图5（a）和（b）可以看到，尽管光子带隙范围均在3-5微米中红外波段，但前者所形成的全向反射光子带隙（黑色竖线之间表示的反射率大于等于99%的波长范围）明显大于后者所形成的。若采用入射角为0和85度时TM波的带隙重叠区域表征全向反射光子带隙，则本实施例所述结构包层所形成的归一化全向反射光子带隙宽度（即带隙频率宽度与带隙中心频率之比）为0.207（相应波长范围为3415-4205nm），而上述常规结构包层所形成的归一化全向反射光子带隙宽度为0.117（相应波长范围为3764-4232nm），前者比后者拓宽了约76.9%（相应波长范围展宽了322nm）。若进一步增加两个介质层组中的周期差值，如分别为1100nm和880nm，则本发明所述的包层结构所形成的归一化全向反射光子带隙宽度为0.331(相应波长范围3021-4219nm），是上述常规结构包层所形成的归一化全向反射光子带隙宽度的2.83倍。
实施例3
虽然在已有技术中，各介质层组采用二元结构周期也可以实现光子带隙拓展，但是由于如图4所示原因，其泄漏损耗要大于本发明所述的基于三元结构周期包层的空芯光子带隙光纤。如图6所示为相同介质层组数（）、周期数目（）和大小（nm,nm），以及中空纤芯半径（μm）条件下，基于二元结构周期和三元结构周期的大芯径空芯光子带隙光纤中基模（模）的泄漏损耗曲线。由图6可见，虽然两种结构光纤的全向反射带隙几乎相同（如线段AB所示范围），但是在全向反射带隙范围内，前者的泄漏损耗明显大于后者，这说明本发明所述的基于三元结构周期的空芯光子带隙光纤不仅可以拓展传输带宽，而且可以实现更低的传输损耗。
实施例4
在实施例2和3的基础上，为进一步说明本发明所提出的空芯光子带隙光纤可以在3-5微米中红外波段更宽波长范围内实现低损耗传输，本实施例所述光子带隙光纤多层介质结构包层由三个介质层组构成，即；沿径向由内向外，三个介质层组内所包含的三元结构周期数目依次分别为10、16和16，即，，周期大小依次为nm,nm，nm,中空纤芯半径μm。如图7所示为本实施例所述包层结构的空芯光子带隙光纤中基模（模）的泄漏损耗曲线，图中横线表示损耗为0.01dB/m。由该图可见，在整个3-5微米中红外波段内，除了在3微米附近波长处出现了几个损耗峰外，在其余波长范围内基模的泄漏损耗均低于0.01dB/m，部分波长范围内损耗甚至可以达到dB/m以下。
Claims (4)
1.一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤，其特征在于：横截面为圆形，沿半径方向由内向外依次包括中空纤芯（1）、多层介质结构包层（5）、保护层（4）；所述的多层介质结构包层（5）由2-4组介质层组（2）构成；所述的多层介质结构包层（5）所包含的介质层组（2）数目随传输带宽要求的增大而增加；所述的介质层组（2）由5-20个三元结构单元（6）构成，一个三元结构单元（6）为一个三元结构周期；所述的三元结构单元（6）由厚度相等的在3-5微米波段内折射率为2.74的硒化砷（As2Se3）构成的外层介质层（9）和内层介质层（7）、以及位于它们之间的在3-5微米波段内折射率为1.62的聚醚酰亚胺（PEI）材料构成的中层介质层（8）组成，外层介质层（9）和内层介质层（7）的厚度之和与中层介质层（8）的厚度满足近掠入射条件下的四分之一波条件，中层介质层（8）的折射率低于外层介质层（9）和内层介质层（7）的折射率；所述的2-4组介质层组（2）内的三元结构周期的周期值沿半径方向由内向外依次减小，外侧介质层组内的周期值和与其相邻的内侧介质层组内的周期值之比大于等于0.8且小于1。
2.根据权利要求1所述的空芯光子带隙光纤，其特征在于：所述的中空纤芯（1）的直径为300-900微米，多层介质结构包层（5）的厚度范围在15-70微米。
3.根据权利要求1所述的空芯光子带隙光纤，其特征在于：所述的介质层组（2）包含的三元结构单元（6）的数目为8-20个。
4.根据权利要求1所述的空芯光子带隙光纤，其特征在于：所述的保护层（4）由聚醚酰亚胺（PEI）材料构成，厚度占整个光纤外径的15%-25%。
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