CN107797175A - 一种多谐振层的空芯反谐振光纤 - Google Patents

一种多谐振层的空芯反谐振光纤 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多谐振层的空芯反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，所述高折射率的包层区域包括内包层区和外包层区域，所述外包层区域包覆内包层区域和纤芯区域，所述内包层区域包括第一反谐振层和第二反谐振层，且所述第一反谐振层和第二反谐振层包围纤芯区域；所述第一反谐振层包括若干层微毛细管，所述第二反谐振层支撑所述第一反谐振层。采用双包层结构，通过两层及以上的反谐振层，理论仿真上损耗能降低至0.1dB/km，具有超低传输损耗、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。

Description

一种多谐振层的空芯反谐振光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种多谐振层的空芯反谐振光纤。
背景技术
光纤作为宽带接入一种主流的方式，有着通信容量大、中继距离长、保密性能好、适应能力强、体积小重量轻、原材料来源广价格低廉等的优点，未来在宽带互联网接入的应用会非常广泛。
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。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种多谐振层的空芯反谐振光纤，解决了现有技术中光纤传输效率低、传输带宽较窄、弯曲损耗大、传输损耗高、损伤阈值低的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种空芯反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，所述高折射率的包层区域包括内包层区和外包层区域，所述外包层区域包覆内包层区域和纤芯区域，所述内包层区域包括第一反谐振层和第二反谐振层，且所述第一反谐振层和第二反谐振层包围纤芯区域；所述第一反谐振层包括若干层微毛细管，所述第二反谐振层支撑所述第一反谐振层。
作为优选的，所述高折射率的包层区域为二氧化硅、软玻璃或塑料。
作为优选的，所述每层微毛细管中的微毛细管形成环形分布结构，且最内侧的一圈微毛细管中各微毛细管相互间不接触。
作为优选的，所述第二反谐振层为环形毛细管或长方体管，所述第二反谐振层设于相邻两层第一反谐振层间，且与两层第一反谐振层中的每个微毛细管相切。
作为优选的，所述第二反谐振层上还设有用于支撑相邻两层第一反谐振层的支撑组件，所述支撑组件设于第二反谐振层与微毛细管相切点以外的位置处，最外层第二反谐振层与外包层区域之间设有若干具有支撑作用的微毛细管。
作为优选的，所述第一反谐振层为一层或两层，所述微毛细管内还设有若干层一字型薄壁，所述若干层一字型薄壁平行设置于所述微毛细管内。
作为优选的，所述最内层微毛细管横截面为圆形或椭圆形。
作为优选的，所述一字型薄壁为厚度在100nm至5000nm左右的直线结构的石英壁，所述石英壁镶在最内层毛细管内。
作为优选的，所述第一反谐振层中最内层微毛细管为负曲率形状。
作为优选的，所述第一反谐振层中相邻两个微毛细管圆心间距离不小于10μm。
本申请提出一种多谐振层的空芯反谐振光纤，通过在光纤的内包层区域内设置第一反谐振层和第二反谐振层，采用双包层结构，通过两层及以上的反谐振层，理论仿真上损耗能降低至0.1dB/km，具有超低传输损耗、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；同时为非线性频率转换、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。
附图说明
图1为根据本发明实施例1的空芯反谐振光纤截面示意图；
图2为根据本发明实施例2的空芯反谐振光纤截面示意图；
图3为根据本发明实施例4的空芯反谐振光纤截面示意图；
图4为根据本发明实施例5的空芯反谐振光纤截面示意图；
图5为根据本发明实施例6的空芯反谐振光纤截面示意图；
图6为根据本发明实施例8的空芯反谐振光纤截面示意图；
图7为根据本发明实施例9的空芯反谐振光纤截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种空芯反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，所述高折射率的包层区域包括内包层区和外包层区域，所述外包层区域包覆内包层区域和纤芯区域，所述内包层区域包括第一反谐振层和第二反谐振层，且所述第一反谐振层和第二反谐振层包围纤芯区域；所述第一反谐振层包括若干层微毛细管，所述第二反谐振层支撑所述第一反谐振层。
所述高折射率的包层区域为二氧化硅、软玻璃或塑料。
所述每层微毛细管中的微毛细管形成环形分布结构，且最内侧的一圈微毛细管中各微毛细管相互间不接触。
实施例1
如图1所示，图中示出了一种多反谐振层的空芯反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，所述高折射率的包层区域包括内包层区域4和外包层区域5，所述外包层区域5包覆内包层区域4和纤芯区域1，外包层区域5即光纤外层套管，在本实施例中，所述内包层区域4包括一层第一反谐振层2，所述第一反谐振层2包括若干微毛细管组成，所述微毛细管等间隔成环形分布于纤芯区域1四周，且所述各微毛细管相互之间无接触，形成无节点不接触的环形结构。
在本实施例中，所述低折射率的纤芯区域为一种或多种空气填充，或为真空。
在本实施例中，所述高折射率的包层区域为二氧化硅、软玻璃或塑料，且微毛细管具有负曲率形状，其厚度与需传输的激光工作波长在同一数量级。
在本实施例中，所述微毛细管的圆心与相邻微毛细管的圆心之间的距离至少为10μm。
在本实施例中，所述第一反谐振层2中，每个微毛细管内还设有一层一字型薄壁3，所述一字型薄壁3平行分布于所述微毛细管内，且所述一字型薄壁3横截面中点与所述外包层区域5圆心的连接的直线经过所述微毛细管的圆心或中心。
在本实施例中，所述一字型薄壁3为若干厚度在100nm到5000nm的直线结构石英壁，该石英壁镶嵌在微毛细管内。
实施例2
如图2所示，图中示出了一种如图1所示，图中示出了一种多反谐振层的空芯反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域1和高折射率的包层区域，所述高折射率的包层区域包括内包层区域4和外包层区域4，所述外包层区域5包覆内包层区域4和纤芯区域1，外包层区域5即光纤外层套管，在本实施例中，所述内包层区域4包括一层第一反谐振层2，所述第一反谐振层2包括若干微毛细管组成，所述微毛细管等间隔成环形分布于纤芯区域1四周，且所述各微毛细管相互之间无接触，形成无节点不接触的环形结构。
在本实施例中，所述低折射率的纤芯区域为一种或多种空气填充，或为真空。
在本实施例中，所述高折射率的包层区域为二氧化硅、软玻璃或塑料，且微毛细管具有负曲率形状，其厚度与需传输的激光工作波长在同一数量级。
在本实施例中，所述微毛细管的圆心与相邻微毛细管的圆心之间的距离至少为10μm。
在本实施例中，所述第一反谐振层2中，每个微毛细管内还设有两层一字型薄壁3，所述为一字型薄壁3包括两层，其他结构与实施例1相同，所述两层一字型薄壁3平行分布于所述微毛细管内，且所述一字型薄壁3横截面中点与所述外包层圆心的连接的直线经过所述微毛细管的圆心或中心。
在本实施例中，所述一字型薄壁3为若干厚度在100nm到5000nm的直线结构石英壁，该石英壁镶嵌在微毛细管内。
实施例3
在本实施例中，所述一字型薄壁包括若干层，分布于所述微毛细管内，其他特征与实施例1、实施例2相同，因此不做赘述。
实施例4
如图3所示，在本实施例中，所述微毛细管为椭圆形，其他特征与实施例1至3相同，因此不再赘述。
实施例5
如图4所示，图中示出了一种多反谐振层的空芯反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域1和高折射率的包层区域，所述高折射率的包层区域包括内包层区域4和外包层区域5，所述外包层区域5包覆内包层区域4和纤芯区域1，外包层区域5即光纤外层套管，在本实施例中，所述内包层区域4包括一层第一反谐振层2，所述第一反谐振层2包括若干微毛细管组成，所述微毛细管等间隔成环形分布于纤芯区域四周，且所述各微毛细管相互之间无接触，形成无节点不接触的环形结构。
在本实施例中，所述低折射率的纤芯区域为一种或多种空气填充，或为真空。
在本实施例中，所述微毛细管间无接触，形成无节点不接触的环形结构，且所述微毛细管具有负曲率形状，所述微毛细管的厚度与需传输激光在同一数量级。
在本实施例中，所述微毛细管的圆心与相邻微毛细管的圆心之间的距离至少为10μm。
在本实施例中，还包括第二反谐振层3，所述第二反谐振层3为环形毛细管，如图4所示，所述第二反谐振层3的内侧与第一反谐振层2中的每个微毛细管相切，外侧与外包层区域5之间设有若干具有支撑作用的微毛细管。
在本实施例中，所述第二反谐振层3上还设有用于支撑相邻两层第一反谐振层2的支撑组件，所述支撑组件设于第二反谐振层2与微毛细管相切点以外的位置处。
在本实施例中，所述微毛细管横截面为圆形。
在本实施例中，所述第一反谐振层2中最内层微毛细管为负曲率形状。
在本实施例中，所述第一反谐振层2中相邻两个微毛细管圆心间距离不小于10μm，所述第二反谐振层2是厚度和微毛细管近似、材料相同的环形结构。厚度在200nm到5000nm左右。
实施例6
如图5所示，图中示出了一种多反谐振层的空芯反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域1和高折射率的包层区域，所述高折射率的包层区域包括内包层区域4和外包层区域5，所述外包层区域5包覆内包层区域4和纤芯区域1，外包层区域5即光纤外层套管，在本实施例中，所述内包层区域包括两层第一反谐振层2，所述第一反谐振层2包括若干微毛细管组成，所述微毛细管等间隔成环形分布于纤芯区域四周，且所述各微毛细管相互之间无接触，形成无节点不接触的环形结构。
在本实施例中，所述低折射率的纤芯区域为一种或多种空气填充，或为真空。
在本实施例中，所述微毛细管间无接触，形成无节点不接触的环形结构，且所述微毛细管具有负曲率形状，所述微毛细管的厚度与需传输激光在同一数量级。
在本实施例中，所述微毛细管的圆心与相邻微毛细管的圆心之间的距离至少为10μm。
在本实施例中，还包括第二反谐振层，所述第二反谐振层为环形毛细管，如图5所示，所述第二层反谐振层3包括两层，一层设于所述两层第一反谐振层2之间，且与所述每层第一反谐振层2中的微毛细管相切，另一第二反谐振层3的内侧与最外层第一反谐振层1中的每个微毛细管相切，外侧与外包层区域5之间设有若干具有支撑作用的微毛细管。所述第二反谐振层3是厚度和微毛细管近似、材料相同的环形结构。厚度在200nm到5000nm左右。
在本实施例中，所述第二反谐振层3上还设有用于支撑相邻两层第一反谐振层2的支撑组件，所述支撑组件设于第二反谐振层3与微毛细管相切点以外的位置处。
在本实施例中，所述微毛细管横截面为圆形。
在本实施例中，所述第一反谐振层2中最内层微毛细管为负曲率形状。
在本实施例中，所述第一反谐振层2中相邻两个微毛细管圆心间距离不小于10μm。
实施例7
在本实施例中，在本实施例中，包括低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，所述高折射率的包层区域包括内包层区和外包层区域，所述外包层区域包覆内包层区域和纤芯区域，所述内包层区域包括第一反谐振层和第二反谐振层，且所述第一反谐振层和第二反谐振层包围纤芯区域；所述第一反谐振层包括若干层微毛细管，所述第二反谐振层支撑所述第一反谐振层。
所述第二反谐振层为环形毛细管或长方体管，所述第二反谐振层设于相邻两层第一反谐振层间，且与两层第一反谐振层中的每个微毛细管相切。
在本实施例中，所述第二反谐振层上还设有用于支撑相邻两层第一反谐振层的支撑组件，所述支撑组件设于第二反谐振层与微毛细管相切点以外的位置处，最外层第二反谐振层与外包层区域之间设有若干具有支撑作用的微毛细管。
实施例8
如图6所示，本实施例中，结合实施例1-7中的特征，提出一种具有三层反谐振层的光纤结构，在实施例6的基础上，在每层微毛细管中，加入一字型薄壁这一结构特征，图中只是示出了一层，但并不限于此，可以为多层，图中第一反谐振层、第二反谐振层也可以是一层或多层。本实施例的其他特征与实施例1-7相同，因此不再赘述。
实施例9
如图7所示，在上述1至8中任一实施例的基础上，在具体制造过程中，内包层区域4在拉伸过程中，还会存在如图7中所示的变形，使内包层区域分成由两个或多个不完整的圆形区域相接而成。
综上所述，本申请提出一种多谐振层的空芯反谐振光纤，通过在光纤的内包层区域内设置第一反谐振层和第二反谐振层，采用双包层结构，通过两层及以上的反谐振层，理论仿真上损耗能降低至0.1dB/km，具有超低传输损耗、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；同时为非线性频率转换、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。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空芯反谐振光纤，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，所述高折射率的包层区域包括内包层区和外包层区域，所述外包层区域包覆内包层区域和纤芯区域，所述内包层区域包括第一反谐振层和第二反谐振层，且所述第一反谐振层和第二反谐振层包围纤芯区域；所述第一反谐振层包括若干层微毛细管，所述第二反谐振层支撑所述第一反谐振层。
2.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤，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。
3.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤，其特征在于，所述每层微毛细管中的微毛细管形成环形分布结构，且最内侧的一圈微毛细管中各微毛细管相互间不接触。
4.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤，其特征在于，所述第二反谐振层为环形毛细管或长方体管，所述第二反谐振层设于相邻两层第一反谐振层间，且与两层第一反谐振层中的每个微毛细管相切。
5.根据权利要求4所述的空芯反谐振光纤，其特征在于，所述第二反谐振层上还设有用于支撑相邻两层第一反谐振层的支撑组件，所述支撑组件设于第二反谐振层与微毛细管相切点以外的位置处，最外层第二反谐振层与外包层区域之间设有若干具有支撑作用的微毛细管。
6.根据权利要求1或4所述的空芯反谐振光纤，其特征在于，所述第一反谐振层为一层或两层，所述微毛细管内还设有若干层一字型薄壁，所述若干层一字型薄壁平行设置于所述微毛细管内。
7.根据权利要求6所述的空芯反谐振光纤，其特征在于，所述最内层微毛细管横截面为圆形或椭圆形。
8.根据权利要求6所述的空芯反谐振光纤，其特征在于，所述一字型薄壁为厚度在100nm至5000nm左右的直线结构的石英壁，所述石英壁镶在最内层毛细管内。
9.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤，其特征在于，所述第一反谐振层中最内层微毛细管为负曲率形状。
10.根据权利要求1所述的空芯反谐振光纤，其特征在于，所述第一反谐振层中相邻两个微毛细管圆心间距离不小于10μm。
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