CN105807363B - 一种空芯反谐振光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空芯反谐振光纤，属于光学与激光光电子技术领域。该空芯反谐振光纤基本结构包括具有低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，高折射率的包层区域又分为内包层区和外包层区两部分，内包层区由一层或两层的微毛细管组成，并且低折射率的纤芯区域被内包层区包围。本发明相比于传统带隙型空芯光子晶体光纤，其具有光谱带宽宽、弯曲损耗小、传输损耗低、损伤阈值高和保持单模传输的特点。它为非线性频率转换、痕量气体/液体检测、高功率脉冲压缩等前沿应用创造了一个高效率高灵敏度的理想平台。

Description

一种空芯反谐振光纤
技术领域
本发明属于光学与激光光电子技术领域，具体涉及一种具有工作波长的无节点结构的空芯反谐振光纤(Hollow-core Anti-Resonant Fiber,HC-ARF)。本发明还涉及制造HC-ARF的方法。
背景技术
作为光纤光学的一个主要研究方向，空芯光纤因其利用纤芯的空气导光而具有一些显著的优点。相比于实芯光纤，空芯光纤利用空气的超低的瑞利散射和非线性系数(比所有玻璃材料低几个数量级)，原则上可以实现超低损耗和低非线性的光传输，此外，还可以提供更高的传播速度(即更小的延迟)和激光损伤阈值。
其中，光子带隙型空芯光子晶体光纤受“光子带隙”概念启发，在包层中引入周期性排列的空气孔结构形成了光子带隙，结构中心的缺陷为空气孔时，波长在带隙内的光可以完全束缚在空气芯中。实际上，由于石英和空气界面处粗糙度的影响，纤芯中的基模和包层中的表面模之间产生了强烈的耦合，这不仅导致目前这类光纤实验上获得的最低损耗仅为1.2dB/km，还影响了光纤的传输性能，尤其限制了高功率激光的传输。另一方面，光子带隙型空芯光子晶体光纤的带隙生成原理决定了它存在一个本征的缺陷：传输带宽较窄(很难超过70THz)。这意味着光子带隙型空芯光子晶体光纤的应用被局限在了很窄的一个光谱带宽范围内，从而限制了在一些要求宽光谱带宽传输的应用需求。
而HC-ARF研究的兴起，最早源于2002年英国巴斯大学Fetah Benabid教授提出的Kagome类型光纤，其包层虽然也是周期排列的空气孔，但并不具有光子晶体光纤所具有的完整带隙特性。之后，人们对它的导光机理进行了分析，在2007年提出了主要的两个理论：抑制耦合机制(inhibited coupling to low density of states cladding modes)和反谐振理论(anti-resonant reflecting optical waveguide，ARROW)，他们都对损耗谱进行了一定程度上定性的解释。其中反谐振理论可以计算出高损耗波长的位置，而高损耗峰之间的区域都可以导光，这也是反谐振光纤可以比空芯带隙型光纤通带宽的原因。实际上，在2002年，Litchinitser等人就指出可以将平面波导的ARROW原理应用在空芯光纤中，在石英壁厚度t确定时，波长满足式(n为石英折射率，m为正整数)的光会在石英中发生谐振，泄漏到包层外，而其余波长的光由于反谐振会反射回纤芯从而进行传输。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负曲率、无节点纤芯结构的HC-ARF，相比于传统带隙型空芯光子晶体光纤，其具有光谱带宽宽、弯曲损耗小、传输损耗低、损伤阈值高和保持单模传输的特点。它为非线性频率转换、痕量气体/液体检测、高功率脉冲压缩等前沿应用创造了一个高效率高灵敏度的理想平台。
本发明的技术解决方案如下：
一种空芯反谐振光纤，该空芯反谐振光纤基本结构包括具有低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，高折射率的包层区域又分为内包层区和外包层区两部分，内包层区由一层或两层的微毛细管组成，并且低折射率的纤芯区域被内包层区包围。
所述低折射率的纤芯区域为一种或多种气体、空气或真空。
所述高折射率的包层区域为二氧化硅、软玻璃或塑料。
所述内包层区为一层结构的微毛细管、两层结构的微毛细管或多层结构的微毛细管。
所述微毛细管的最内侧一圈(离纤芯最近一圈)相互之间无接触，即形成无节点不接触的环形结构。
所述微毛细管最内侧一圈(离纤芯最近一圈)具有负曲率形状。
所述微毛细管具有和工作波长在同一数量级的厚度。
所述微毛细管圆心与相邻微毛细管圆心之间具有至少10μm的间距。
一种空芯反谐振光纤的制作方法，主要包括以下步骤：
(a)堆积毛细管或棒状物，形成一个毛细管或棒状物的堆层，该堆层包括支撑整个结构的截断的毛细管或棒状物。
(b)利用高温加压来拉制所述堆层，拉制出具有所述结构的中间过渡品。
(c)将中间过渡品在所述低折射率的纤芯区域(1)或内包层区(2)充气、抽负压，在拉力下拉制成具有负曲率无节点细长腔结构的HC-ARF光纤。
步骤(c)中，以大于等于5m/min的速度拉制光纤。
步骤(c)中，以大于等于50mbar的压力充进所述纤芯区域(1)或内包层区(2)进行拉制。
步骤(c)中，以小于等于-30mbar的压力抽所述纤芯区域(1)或内包层区(2)进行拉制。
步骤(c)中，所述中间过渡品直径在1mm-10mm之间。
附图说明
图1是本发明第一实施例的HC-ARF光纤端面的结构示意图。
图2是本发明第二实施例的HC-ARF光纤端面的结构示意图。
图3是本发明第三实施例的HC-ARF光纤端面的结构示意图。
图中：1、纤芯区域，2、内包层区。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。
图1、图2和图3给出了本发明空芯反谐振光纤的第一、第二和第三实施例的端面结构示意图。它们的结构都包括具有低折射率的纤芯区域(1)和高折射率的包层区域，高折射率的包层区域由内包层区(2)和外包层区共同组成。其中，低折射率的纤芯区域(1)为空气；内包层区(2)由多个微毛细管排列而成，且最内侧(离纤芯最近)一圈微毛细管之间不接触，无节点，具有负曲率结构；外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成，这里使用的固体材料与内包层区(2)的材料相同，均为二氧化硅。
图1、图2和图3给出的三个实施例，应当理解为：
1)具有低折射率的纤芯区域(1)引导光沿着光纤轴向传输。
2)内包层区(2)排列的微毛细管层数可以根据需要改变，最内侧(离纤芯最近)一圈微毛细管的个数也能够根据需要改变。
3)内包层区(2)中微毛细管壁的厚度和工作波长在同一数量级，一般在100nm到2μm之间，最内侧(离纤芯最近)一圈微毛细管具有负曲率结构，利于对特定波长形成反谐振效应，进而将光波限制在低折射率的纤芯区域(1)中。
4)内包层区(2)中最内侧(离纤芯最近)一圈微毛细管相互之间不接触、无节点，避免了光波沿光纤横截面上大幅逸出，减小了光纤的传输损耗。
5)图2和图3中的内包层区(2)中最外侧一圈微毛细管起到支撑最内侧一圈微毛细管的作用，所以最外侧一圈不限于是微毛细管，或者是实芯结构的细棒。

Claims (8)

1.一种空芯反谐振光纤，其特征在于：该空芯反谐振光纤基本结构包括具有低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，高折射率的包层区域又分为内包层区和外包层区两部分，内包层区由一层或两层的微毛细管组成，并且低折射率的纤芯区域被内包层区包围；所述微毛细管最内侧一圈即离纤芯最近一圈具有负曲率形状。
2.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤，其特征在于：所述低折射率的纤芯区域为一种或多种气体，或为真空。
3.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤，其特征在于：所述高折射率的包层区域为二氧化硅、软玻璃或塑料。
4.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤，其特征在于：所述内包层区为一层结构的微毛细管、两层结构的微毛细管或多层结构的微毛细管。
5.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤，其特征在于：所述微毛细管的最内侧一圈即离纤芯最近一圈相互之间无接触，即形成无节点不接触的环形结构。
6.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤，其特征在于：所述微毛细管具有和工作波长在同一数量级的厚度。
7.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤，其特征在于：所述微毛细管圆心与相邻微毛细管圆心之间具有至少10μm的间距。
8.利用权利要求1所述光纤进行的一种空芯反谐振光纤的制作方法，其特征在于：主要包括以下步骤，
(a)堆积毛细管或棒状物，形成一个毛细管或棒状物的堆层，该堆层包括支撑整个结构的截断的毛细管或棒状物；
(b)利用高温加压来拉制所述堆层，拉制出具有所述结构的中间过渡品；
(c)将中间过渡品在所述低折射率的纤芯区域(1)或内包层区(2)充气、抽负压，在拉力下拉制成具有负曲率无节点细长腔结构的空心反谐振光纤；
步骤(c)中，以大于等于5m/min的速度拉制光纤；
步骤(c)中，以大于等于50mbar的压力充进所述纤芯区域(1)或内包层区(2)进行拉制；
步骤(c)中，以小于等于-30mbar的压力抽所述纤芯区域(1)或内包层区(2)进行拉制；
步骤(c)中，所述中间过渡品直径在1mm-10mm之间。
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