CN104730620A - 一种低损耗中空带隙光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
一种低损耗中空带隙光子晶体光纤，涉及光通信及相关传感器件技术领域，其包括石英玻璃基底以及设置于石英玻璃基底中并沿光纤轴向分布且贯穿整根光纤的空气孔组，所述空气孔组包括位于石英玻璃基底轴心处的一个中心孔，以及环绕于该中心孔周围并呈正六边形设置的多层环圈，每一层环圈分别由若干边缘孔排列组成；所述中心孔的半径大于边缘孔的半径；中心孔内填充有惰性气体，且中心孔内气压大于边缘孔内气压，二者气压比例为1.05～1.5。本发明能够有效降低中空带隙光子晶体光纤的衰减，其衰减小于5dB/km，最优值可达1dB/km以内。
Description
技术领域
本发明涉及光通信及相关传感器件技术领域，具体来讲是一种低损耗中空带隙光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤(PCF)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很难或无法实现的。当前光子晶体光纤自身和光子晶体光纤特性在光通讯、光网络中的应用等科学问题都是世界各国科学家关注着的重大问题，国际上这一领域的研究刚刚开始。在非线性光学研究领域，可以利用光子晶体光纤产生超连续光谱、光孤子脉冲、脉冲压缩、自相位调制和交叉相位调制、参量振荡和四波混频等等。
常规石英光纤为折射率引导型导光机理，光在石英纤芯传输，当光功率提高时，会面临诸如非线性效应增强、光功率提高带来的石英材料损伤而引起传输损耗增大等问题。中空带隙光子晶体光纤由于采用空气或真空作为传输媒质，避免了石英玻璃光纤较大的吸收与瑞利散射损耗，同时由于光在中空带隙光子晶体光纤的空芯内传输，其传输时经过的介质为空气，相比常规石英光纤经过的石英介质而言，此时光信号的传输可避免介质材料的影响，例如材料色散、外界环境的干扰影等。因此，中空带隙的光子晶体光纤具有光传输小畸变、甚至无畸变；对外界温度不敏感；对外界辐照不敏感等系列特性，在大功率激光传输、光信号无畸变传输以及航天用光纤陀螺等领域具有非常巨大的应用价值。
但是，由于中空带隙光子晶体光纤还存在设计和研制工艺的诸多难题，其在1550nm波长的衰减水平还在数dB/km量级甚至以上水平，存在光纤损耗大、带隙传输波段实现难等问题，因此迟迟未能有实用化的基于其制备的光纤器件研究成果。
发明内容
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中空带隙光子晶体光纤，本发明能够有效降低中空带隙光子晶体光纤的衰减，其衰减小于5dB/km，最优值可达1dB/km以内。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种低损耗中空带隙光子晶体光纤，包括石英玻璃基底以及设置于石英玻璃基底中并沿光纤轴向分布且贯穿整根光纤的空气孔组，所述空气孔组包括位于石英玻璃基底轴心处的一个中心孔，以及环绕于该中心孔周围并呈正六边形设置的多层环圈，每一层环圈分别由若干边缘孔排列组成；所述中心孔的半径大于边缘孔的半径；中心孔内填充有惰性气体，且中心孔内气压大于边缘孔内气压，二者气压比例为1.05～1.5。
在上述技术方案的基础上，所述惰性气体为氦气或氮气。
在上述技术方案的基础上，每一层环圈中边缘孔的数量为环圈层数加1后乘以6。
在上述技术方案的基础上，所述环圈的层数为5至11层，对应带隙传输波段范围为1200nm～1600nm。
在上述技术方案的基础上，对应带隙传输波段范围为1500nm～1560nm。
在上述技术方案的基础上，所述中心孔半径的取值范围为4μm～8μm；边缘孔半径的取值范围为1.3μm～2.6μm。
在上述技术方案的基础上，所述中心孔的半径为边缘孔半径的3倍。
在上述技术方案的基础上，所述中心孔的占空比为90％～98％；边缘孔的占空比为85％～95％。
在上述技术方案的基础上，还包括依次包覆于石英玻璃基底外侧的包层和涂层，其中包层的直径为80μm～135μm，涂层的直径为165μm～250μm。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过设置5至11层环圈的结构，结合特定比例的中心孔和边缘孔，通过调节中心孔大小和边缘孔大小比例，以及相互间的间距，可优化中心孔导光的可传输的低损耗光波长范围，从而形成合适的低损耗带隙传输波段范围，因此能够有效降低中空带隙光子晶体光纤的衰减，其衰减小于5dB/km，最优值可达1dB/km以内。
2、本发明借助较小分子量的惰性气体和不同气压控制，从而将中心孔的膨胀相比边缘孔的更大，不但压缩了中心孔周围石英壁的厚度，而且减小了中心孔的内壁粗糙度，因此能够有效降低中空带隙光子晶体光纤的衰减。
附图说明
图1为本发明中低损耗中空带隙光子晶体光纤的结构示意图；
图2为本发明实施例中具有5层环圈的空气孔组的排列示意图；
图3为本发明中中心孔的本征间距示意图；
图4为本发明中低损耗中空带隙光子晶体光纤的成型控制示意图；
图5为本发明中低损耗中空带隙光子晶体光纤的典型带隙传输损耗图谱。
附图标记：
1－中心孔；2－边缘孔；3－包层；4－涂层。
具体实施方式
名称定义：
本征间距：是指两个同尺寸的空气孔及配套周围的石英层相互挨在一起时，空气孔间的间距。该间距为形容该两个空气孔及配套石英层只要挨在一起时的固有间距，故定义为本征间距。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，一种低损耗中空带隙光子晶体光纤，包括石英玻璃基底、依次包覆于石英玻璃基底外侧的包层3和涂层4、设置于石英玻璃基底中并沿光纤轴向分布且贯穿整根光纤的空气孔组。其中包层3的直径为80μm～135μm，涂层4的直径为165μm～250μm。
参见图2所示，所述空气孔组包括位于石英玻璃基底轴心处的一个中心孔1，以及环绕于该中心孔1周围并呈正六边形设置的多层环圈，优选的，所述环圈的层数为5至11层。每一层环圈分别由若干边缘孔2排列组成；所述中心孔1的半径大于边缘孔2的半径。中心孔1内填充有惰性气体，且中心孔1内气压大于边缘孔2内气压，二者气压比例为1.05～1.5。每一层环圈中边缘孔2的数量为环圈层数加1后乘以6。
具体的，紧挨中心孔的第1层环圈定义为n1，如此依次往外，逐渐有n2、n3、n4、n5。第1层环圈空气孔的数量N1＝(1+1)*6＝12，即有12个较小尺寸的边缘孔2；第2层环圈空气孔的数量N2＝(2+1)*6＝18；第3层环圈空气孔的数量N3＝(3+1)*6＝24；第4层环圈空气孔的数量N4＝(4+1)*6＝30；第5层环圈空气孔的数量N5＝(5+1)*6＝36。环圈的圈数一般为5层环圈或11层环圈，对应带隙传输波段范围为1200nm～1600nm，优选的，对应带隙传输波段范围至少包括1500nm～1560nm；当环圈数为5～11之间时，也可以有对应波段带隙结构，但传输波段范围会有不同，光纤的衰减小于5dB/km，最优值可达1dB/km以内。
参见图3所示，设中心孔1半径为r1，边缘孔2半径为r2，每相邻两个边缘孔2的间距为D20，因此边缘孔2彼此间的壁厚w2＝D20－2*r2；边缘孔2的占空比△2＝2*r2/D20；设第1层环圈中以中心孔为中心对称分布的两个边缘孔2的间距为D11，得到中心孔1的本征间距D10＝D11-D20；中心孔1的占空比△1＝2*r1/D10；中心孔1与相邻边缘孔2之间的壁厚w1＝(D10-2*r1+w2)/2；所述中心孔1半径的取值范围为4μm～8μm；边缘孔2半径的取值范围为1.3μm～2.6μm。优选的，所述中心孔1的半径为边缘孔2半径的3倍。所述中心孔1的占空比为90％～98％；边缘孔2的占空比为85％～95％。
本发明低损耗中空带隙光子晶体光纤的制备方法为：
步骤S1.将一定数量同尺寸的小毛细管聚合成束；
步骤S2.选择和该尺寸小毛细管相匹配的大毛细管取代中心两圈小毛细管；
步骤S3.将经过大毛细管取代后的小毛细管束一端用配套的石英尾管固定，另一端封闭，形成毛细管中间体；
步骤S4.将所述毛细管中间体塞入配套的套管中，且所述石英尾管接上气压控制系统，形成光子晶体光纤预制棒；参见图4所示，在实际成型过程中，对中心孔1所处区域T1和第1～N层环圈的所处区域T2进行分别控制。T1采用气压为P1，T2采用气压为P2，P1大于P2，其比值范围为1.05～1.5。从而使光纤成型过程中由较大尺寸空气孔形成的中心孔的膨胀比例大于由较小尺寸空气孔组成的外层环圈的膨胀比例。
步骤S5.将光子晶体光纤预制棒放置到拉丝塔上，结合气压控制系统，拉制成中空带隙光子晶体光纤，小毛细管形成中空带隙光子晶体光纤的小空气孔，大毛细管形成中空带隙光子晶体光纤的大空气孔。其中，以此成型的光纤在高温熔融时，往中心空气孔内通入较小分子量材料的不活泼气体，如惰性气体氦气、氮气等，借助其小分子特性减少中心空气孔在高温熔融成型时的内部粗糙度。
本发明低损耗中空带隙光子晶体光纤可实现1550nm附近的宽波段的带隙传输，同时，结合中心孔1和边缘孔2的不同的自适应气压控制，可将该结构的中空带隙的光子晶体光纤的1550nm衰减控制到5dB/km以下，最优值可达到1dB/km以内。
下面通过具体的实例对本发明作进一步说明。
表1空气孔环圈数为5层环圈时的实施例
参见表1所示，当空气孔环圈数为5层环圈时，进行了5种光纤的实施。从实施例可以看到，对环圈层数为5层时，普遍带隙传输衰减均小于5dB/km，带隙范围均包含1500nm～1560nm，最佳衰减可达到1dB/km以内，对应最宽带隙传输范围在1200nm～1600m。
表2空气孔环圈数为11层环圈时的实施例
参见表2所示，当空气孔环圈数为11层环圈时，进行了5种光纤的实施。从实施例可以看到，对环圈层数为11层时，普遍带隙传输衰减均在1dB/km附近或小于该值，带隙范围均包含1500nm～1560nm，并较环圈数为5个时要宽；最佳衰减可达到1dB/km以内，对应最宽带隙传输范围在1200nm～1600m。其典型带隙传输谱参见图5所示，图示横坐标为波长，纵坐标为不同波长经过中空带隙光子晶体光纤后的透射谱对应的传输透光率，该图在1200～1600nm波段均有较好的透光率，其中在1350～1400nm受空气孔中水汽影响，透光率较低。
当空气孔环圈数为7层环圈时，中心大空气孔半径r1为7.0μm，较小空气孔半径为2.31μm，△1为98％，△2为95％，包层直径D11为130微米，涂层直径D12为250微米，采用P1/P2为1.3，对应带隙范围在1420nm～1560nm,最低衰减可达到1.8dB/km。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种低损耗中空带隙光子晶体光纤，包括石英玻璃基底以及设置于石英玻璃基底中并沿光纤轴向分布且贯穿整根光纤的空气孔组，其特征在于：所述空气孔组包括位于石英玻璃基底轴心处的一个中心孔(1)，以及环绕于该中心孔(1)周围并呈正六边形设置的多层环圈，每一层环圈分别由若干边缘孔(2)排列组成；所述中心孔(1)的半径大于边缘孔(2)的半径；中心孔(1)内填充有惰性气体，且中心孔(1)内气压大于边缘孔(2)内气压，二者气压比例为1.05～1.5。
2.如权利要求1所述的低损耗中空带隙光子晶体光纤，其特征在于：所述惰性气体为氦气或氮气。
3.如权利要求1所述的低损耗中空带隙光子晶体光纤，其特征在于：每一层环圈中边缘孔(2)的数量为环圈层数加1后乘以6。
4.如权利要求1所述的低损耗中空带隙光子晶体光纤，其特征在于：所述环圈的层数为5至11层，对应带隙传输波段范围为1200nm～1600nm。
5.如权利要求4所述的低损耗中空带隙光子晶体光纤，其特征在于：对应带隙传输波段范围为1500nm～1560nm。
6.如权利要求1所述的低损耗中空带隙光子晶体光纤，其特征在于：所述中心孔(1)半径的取值范围为4μm～8μm；边缘孔(2)半径的取值范围为1.3μm～2.6μm。
7.如权利要求1所述的低损耗中空带隙光子晶体光纤，其特征在于：所述中心孔(1)的半径为边缘孔(2)半径的3倍。
8.如权利要求1所述的低损耗中空带隙光子晶体光纤，其特征在于：所述中心孔(1)的占空比为90％～98％；边缘孔(2)的占空比为85％～95％。
9.如权利要求1所述的低损耗中空带隙光子晶体光纤，其特征在于：还包括依次包覆于石英玻璃基底外侧的包层(3)和涂层(4)，其中包层(3)的直径为80μm～135μm，涂层(4)的直径为165μm～250μm。
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