CN107340566A - 未封闭空芯光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光子晶体光纤技术领域，具体为一种未封闭空芯光子晶体光纤。本发明光纤基本结构包括纤芯、环绕在纤芯周围的一圈微毛细管内包层、包覆在微毛细管环圈外的未封闭外包层。该未封闭空芯光子晶体光纤的外包层上的微通道使得纤芯与外界环境直接联通，可以实现气体或微流体样品在纤芯和外界环境之间的快速交换。本发明相比于开槽的空芯带隙型光子晶体光纤和悬芯微结构光纤在光纤传感方面具有更高的灵敏度，更快的响应速度，更宽的传输窗口，更低的传输损耗等优势。它为以光纤为基础的气体或微流体传感与激光应用提供了高灵敏度、长相互作用距离的理想平台。

Description

未封闭空芯光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光子晶体光纤技术领域，具体涉及一种未封闭空芯光子晶体光纤。
背景技术
近二十年来，得益于新型设计和先进的光纤拉制技术，空芯光纤得到了飞速发展，例如空芯光子带隙光纤，空芯布拉格光纤和Kagome类型的光纤。空芯光纤可以将光束缚在空气中，这使其具有一系列的应用，例如高阈值激光制导、超短激光脉冲传输、脉冲压缩和中红外波段传输等。同时，空芯光纤具有微纳尺寸空芯通道，使其在微流控领域也有很多的应用，例如空芯光纤中光与气体的相互作用、空芯光纤中的粒子加速、流体传感器和非线性微流体的实现等。
近些年，无节点空芯光子晶体光纤得到了广泛的关注，这种空芯光纤的包层由一层无节点的微毛细管和外层石英包层组成，它的导光机理可以有两种解释，一种是抑制纤芯与包层模式耦合机制，另一种是反谐振理论，他们都对这类光纤的传输谱进行了定性的解释。这类无节点的空芯光子晶体光纤相较于传统的空芯光纤具有一定的优势，例如这类光纤具有更简单的几何结构，更宽的传输窗口，保持单模传输，和更低的传输损耗等。
空芯光子带隙光纤在气体传感和气体激光领域具有很大的应用潜力，因为在其纤芯中光和气体能够充分地混合并具有很长的相互作用长度，并且这类光纤可以缠绕在直径很小的器具上而不引起较大的损耗，可以制作成很小巧和高灵敏度的传感器。但是，气体或液体从这类光纤的两端流入和流出需要很长的时间，这极大地影响了这类光纤的响应速度，阻碍了其在实际中的应用。为了提高这类光纤的响应速度，利用飞秒激光在其复杂的包层结构上进行开槽，通过改变气体或液体进入光纤的方式来提高响应速度。但是，这种方法的过程复杂，同时破坏了光纤的包层结构，大大增加了传输损耗，这些因素都限制了空心带隙光纤在气体传感领域的应用。
目前，在微流控领域，以光纤为基础的微流控芯片技术仍有很大的发展空间。因此，设计结构简单、传输损耗低、具有高灵敏度和快速响应时间的空芯光子晶体光纤具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种传输损耗低、灵敏度高、响应速度快的未封闭空芯光子晶体光纤。
本发明提出的未封闭空芯光子晶体光纤，包括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由一圈微毛细管组成的内包层和包覆在微毛细管环圈外的外包层组成，外包层是未封闭的包层结构，例如在外包层上有一条贯穿光纤的微通道。
本发明中，所述微毛细管相互之间无接触，形成一圈无节点的环形结构；
本发明中，所述低折射率纤芯的外轮廓为负曲率形状。
本发明中，所述微通道由外包层的外侧贯穿到纤芯。
本发明中，所述低折射率的纤芯区域为一种或多种气体，或微流体，或为真空。
本发明中，所述高折射率的包层区为二氧化硅、软玻璃或塑料。
本发明中，所述与微通道相对应的相邻微毛细管的间隙等于或大于其余相邻微毛细管的间隙。
本发明中，所述微通道长度贯穿光纤两端。
本发明提出的未封闭空芯光子晶体光纤，其内包层由一圈无节点的微毛细管组成，当光束到达微毛细管壁时发生反射，由于这些微毛细管具有特殊的尺寸和间距，使得反射光发生反共振，从而将光限制在纤芯中。同时，这类未封闭空芯光子晶体光纤的外包层上的微通道，使光纤纤芯与外界直接联通，外界气体或微流体样品可通过微通道直接进入到纤芯中，并且没有破坏光纤的导光结构，这种光纤结构上的天然优势使得其在光纤传感领域有着巨大的应用潜力。相比于开槽的空芯带隙型光子晶体光纤和悬芯微结构光纤，本发明在光纤传感方面具有更高的灵敏度，更快的响应速度，更宽的传输窗口，更低的传输损耗等优势。它为以光纤为基础的气体或微流体传感应用提供了高灵敏度、长传输距离的理想平台。
本发明提供的未封闭空芯光子晶体光纤，可用于制备光纤气体或微流体传感器，以及气体或微流体光源或激光器。
附图说明
图1是本发明实施例中未封闭空芯光子晶体光纤端面结构示意图。
图2是本发明实施例中未封闭空芯光子晶体光纤基模模式图和能量占比曲线图。
图3是本发明实施例中未封闭空芯光子晶体光纤在同一波长、不同微通道相对应的相邻微毛细管间隙G条件下的限制损耗曲线图。
图4是本发明实施例中未封闭空芯光子晶体光纤在不同波长、不同微通道相对应的相邻微毛细管间隙G条件下的限制损耗曲线图。
图5是本发明实施例中未封闭空芯光子晶体光纤双折射曲线图。
图6是本发明实施例中未封闭空芯光子晶体光纤应用于气体或微流体传感的原理示意图。
图中标号：1为低折射率纤芯，2为微毛细管，3为外包层，4为外包层上的微通道。
具体实施方式
为了将本发明的目的和优势表述的更清晰，以下结合附图，对本发明作进一步的详细阐述。
如图1所示，本发明提出的未封闭空芯光子晶体光纤包括低折射率纤芯、环绕在纤芯周围的一圈微毛细管包层、包覆在微毛细管环圈外的外包层、在外包层上制造的微通道。空气纤芯的直径为40 - 50 μm，石英毛细管的数量为6 - 10个，每个石英毛细管的内直径不超过20.5 μm，厚度为200 - 1000 nm，与微通道相对应的相邻微毛细管的间隙为G = 2.5- 15 μm，其余相邻微毛细管的间隙为g = 2.5 μm，外包层的直径为120 - 130 μm，外包层上的微通道直接贯穿到纤芯中。
如图2所示，在可见光波段，未封闭空芯光子晶体光纤的纤芯能占比可以达到99.9%以上，整个空气中的能量占比可以达到99.97 %以上；在近红外波段，未封闭空芯光子晶体光纤的纤芯能占比可以达到99 %以上，整个空气中的能量占比可以达到99.9 %以上。由此可以看出，光纤中绝大部分的能量都被束缚在纤芯中传输。插图表示的是未封闭空芯光子晶体光纤在G = 7.5 μm、波长为1550 nm的条件下的基模模式图。
如图3所示，在波长为1550 nm的条件下，当G = 2.5 - 8.5 μm时，未封闭空芯光子晶体光纤的限制损耗变化幅度很小，并且损耗很小，最低可达到0.0145 dB/m；当G = 8.5 -18 μm时，未封闭空芯光子晶体光纤的限制损耗逐渐增加。插图表示的是未封闭空芯光子晶体光纤在G = 2.5μm、7.5 μm、12.5 μm、15 μm，波长为1550 nm条件下的基模模式图。
如图4所示，未封闭空芯光子晶体光纤的传输窗口落在了可见光波段和近红外波段。在近红外波段，当G = 2.5 μm、5 μm、7.5 μm时，未封闭空芯光子晶体光纤的限制损耗曲线基本是重合的，最低损耗为0.0078 dB/m；当G = 10 -15 μm时，限制损耗随着G的增大逐渐增大。在可见光波段，当G = 2.5 μm、5 μm、7.5 μm、10μm时，未封闭空芯光子晶体光纤的限制损耗曲线基本是重合的，最低损耗为0.00012 dB/m；当G = 12.5 -15 μm时，限制损耗随着G的增大逐渐增大。
未封闭空芯光子晶体光纤的基模有两个正交的偏振方向，其中一个偏振方向指向光纤微通道的开口方向，另一个偏振方向与其垂直。如图5所示，在G = 5μm、7.5 μm、10 μm、12.5 μm、15 μm的条件下，未封闭空芯光子晶体光纤的模式双折射处于10-10 - 10-6量级。随着波长的增加，光纤的模式双折射也逐渐增大，同时，当波长靠近传输窗口的边界时，光线的模式双折射也会逐渐增大。
如图6所示，未封闭空芯光子晶体光纤独特的导光结构可以将光和通过微通道进入纤芯的气体或微流体样品很好的限制在纤芯内，达到长距离充分反应的效果。因此，未封闭空芯光子晶体光纤用作光纤气体或微流体传感器件具有很高的灵敏度和快速响应时间。气体或微流体通过微通道可以很快速的进入到光纤纤芯中，同时也没有破坏光纤的导光结构，它为以光纤为基础的气体或微流体传感应用提供了高灵敏度、超短响应时间和长传输距离的理想平台。

Claims (7)

1.一种未封闭空芯光子晶体光纤，其特征在于，包括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由一圈微毛细管构成的内包层和包覆在微毛细管环圈外的外包层组成，外包层是未封闭的包层结构，即在外包层上有一条贯穿光纤的微通道；其中：
所述微毛细管相互之间无接触，形成一圈无节点的环形结构；
所述低折射率纤芯的外轮廓为负曲率形状。
2.根据权利要求1所述的未封闭空芯光子晶体光纤，其特征在于，所述微通道由外包层的外侧贯穿到纤芯。
3.根据权利要求1或2所述的未封闭空芯光子晶体光纤，其特征在于，所述低折射率的纤芯区域为一种或多种气体，或微流体，或为真空。
4.根据权利要求3所述的未封闭空芯光子晶体光纤，其特征在于，所述内包层区域为二氧化硅、软玻璃或塑料。
5.根据权利要求3所述的未封闭空芯光子晶体光纤，其特征在于，所述微通道使气体或微流体样品快速进入到纤芯当中，实现气体或微流体样品在纤芯和外界环境之间的快速交换。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的未封闭空芯光子晶体光纤，其特征在于，所述与微通道相对应的相邻微毛细管的间隙等于或大于其余相邻微毛细管的间隙，其尺寸根据实际需要而定。
7.如权利要求1-6之一所述未封闭空芯光子晶体光纤在制备光纤气体或微流体传感器，以及气体或微流体光源或激光器中的用途。
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