CN108181684B - 一种微结构空心光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微结构空心光纤，所述光纤包括第一类介质圆管、第二类介质圆管和第三类介质圆管，所述第一类介质圆管嵌套在所述第二类介质圆管内部并沿圆周线周期排列，相邻所述第一类介质圆管外壁之间的间距大于0，所述第二类介质圆管嵌套在所述第三类介质圆管内部；所述第一类介质圆管、第二类介质圆管和第三类介质圆管之间均通过相切或相交的方式连接。本发明提供的光纤可通过简单增加第二类介质圆管的数目来降低限制损耗，克服了负曲率反谐振空心光纤不能像空心光子带隙光纤那样通过简单增加环形层来降低限制损耗的难点，本发明提供的光纤不会再光纤横截面上引入太多的节点，为宽带低损耗空心光纤的设计和制作提供了新方案和思路。

Description

一种微结构空心光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种微结构空心光纤。
背景技术
空心光纤可以实现超过99%的光在空气中传播，仅有极少量的光在材料中，这大大降低了光纤材料特性对光信号质量和光纤性能的影响，从而大幅提高了网络速度、传输带宽传输距离。
反谐振式空心光纤是空心光纤的一种类型，F. Benabid等人[F. Benabid, etal. “Stimulated Raman scattering in hydrogen-filled hollow-core photoniccrystalfiber,” Science, 2002, 298(5592), 399-402]提出了一种具有Kagome包层结构的空心微结构光纤，其结构与空心光子带隙光纤类似，但对周期性要求没那么严格，这降低了光纤的制作难度。通过控制谐振耦合波长，反谐振空心光纤还可获得超宽的传输带宽。
为了降低光纤的传输损耗，研究人员提出了多种结构的反谐振空心光纤。Y. Y.Wang 等人[Y. Y. Wang, et al. “Low loss broadband transmission in hypocycloid-core Kagome hollow-core photonic crystal fiber,”Optics Letters, 2011, 36(5)669-671]增大了芯壁曲率，将损耗降到了180dB/m；F. Yu等人[F. Yu, et al. “Low losssilica hollow corefibers for 3-4 μm spectral region,” Optics Express, 2012,20(10), 11153-11158]提出了单层负曲率反谐振空心光纤，相比与Kagome包层结构的空心光纤，这种光纤的包层结构获得了简化，且损耗也得到了降低，在波长3.05μm处损耗为34dB/m。随后，研究人员对单层负曲率类型的反谐振空心光纤进行了大量研究, 发现在反射层的圆环内部嵌套多层圆环可进一步降低传输损耗[Walter Belardi, et al. “Hollowantiresonant fibers with reducedattenuation,” Optics Letters, 2014, 39(7),1853-1856]。空心光子带隙光纤利用周期性空气孔排布形成光子带隙，频率落在光子带隙内的光波在空心中传输，这种光纤只需要通过简单增加带隙结构的环形层数就可以降低光纤的限制损耗[C. M. Smith, et al. “Low-loss hollow-coresilica/air photonicbandgap fibre,” Nature, 2003, 424(6949), 657-659], 目前，空心光纤中空心光子带隙光纤具有最低的传输损耗。然而，对于负曲率类型的反谐振空心光纤，目前还不能像空心光子带隙光纤那样仅通过简单增加更多的环形层来降低光纤的限制损耗，原因是环形层之间的连接结构引起了更多包层模的存在，影响了光纤的低损耗带宽和损耗的降低[S. Février, et al. “Understanding origin of loss in large pitch hollow-corephotonic crystalfibers and their design simplification,” Opt. Express, 2010,18(5), 5142-5150]。
因此，亟需研究开发一种通过增加介质层来降低损耗的微结构空心光纤。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种微结构空心光纤，所述光纤包括第一类介质圆管、第二类介质圆管和第三类介质圆管，所述第一类介质圆管嵌套在所述第二类介质圆管内部并沿圆周线周期排列，所述第二类介质圆管嵌套在所述第三类介质圆管内部。
其中，所述第一类介质圆管和所述第二类介质圆管之间通过相切或相交的方式连接。
其中，相邻所述第二类介质圆管之间通过相切或相交的方式连接。
其中，所述第二类介质圆管和所述第三类介质圆管之间通过相切或相交的方式连接。
其中，所述第一类介质圆管的数目为3、4、5、6、7、8、9、10。
其中，所述第二类介质圆管的数目为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。
其中，相邻所述第一类介质圆管外壁之间的间距大于0。
其中，所述第一类介质圆管与所述第二类介质圆管之间相交的最大厚度大于0且小于或等于所述第二类介质圆管的厚度。
其中，相邻所述第二类介质圆管之间相交的厚度大于0且小于或等于所述第二类介质圆管的厚度。
其中，所述第一类介质圆管的厚度为1~3微米，所述第二类介质圆管的厚度为1~3微米，所述第三类介质圆管的厚度为4~6微米。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种微结构空心光纤为一种负曲率反谐振空心光纤，光纤模式只要分布在空气孔中，可有效降低光纤的材料吸收损耗，提高光纤的损伤阈值，本发明提供的光纤可通过简单增加第二类介质圆管的数目来降低限制损耗，克服了负曲率反谐振空心光纤不能像空心光子带隙光纤那样通过简单增加环形层来降低限制损耗的难点，本发明提供的光纤不会再光纤横截面上引入太多的节点，为宽带低损耗空心光纤的设计和制作提供了新方案和思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的空心光纤的结构示意图；
图2为实施例1中结构A的局部放大图；
图3为实施例1中结构B的局部放大图；
图4为本发明实施例1提供的空心光纤的x偏振模电场场强分布图；
图5为本发明实施例1提供的空心光纤的y偏振模电场场强分布图；
图6为本发明实施例1提供的空心光纤的两偏振模的限制损耗随波长的变化曲线图；
附图中附图标记所对应的名称为：1- 第一类空气孔，2-第一类介质圆管，3-第二类介质圆管，4-第三类介质圆管，5-第二类空气孔，6-第三类空气孔。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，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。
实施例1
本发明提供了一种微结构空心光纤，如图1、图2和图3所示，所述光纤包括第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4，所述第一类介质圆管2嵌套在所述第二类介质圆管3内部并沿圆周线周期排列，两相邻第一类介质圆管2外壁之间的最小间距δ＞0，所述第二类介质圆管3嵌套在所述第三类介质圆管4内部；所述第一类介质圆管2和所述第二类介质圆管3之间通过相切的方式连接，第一类介质圆管2和第二类介质圆管3相交的厚度δ1=0，两相邻第二类介质圆管3之间通过相切的方式连接，相邻第二类介质圆管3之间相交的厚度δ2=0，所述第二类介质圆管3和所述第三类介质圆管4之间通过相切的方式连接。所述第一类介质圆管2周期排列围成第一类空气孔1，其内部为第二类空气孔5，所述第二类介质圆管3之间及第二类介质圆管3与第三类介质圆管4之间的空间为第三类空气孔6。所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3、第三类介质圆管4和第二类空气孔5及第三类空气孔6构成光纤的包层。
所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4的材质均为二氧化硅，空气折射率nair=1.0，所述第一类介质圆管2的数目N1=6个，内半径R1=41.74μm，厚度d1=1.26μm，所述第二类介质圆管3的数目N2=4层，最里层的第二类介质圆管3内半径R2=133μm，厚度d2=1.26μm，相邻两第二类介质圆管3的半径之差ΔR=5μm，所述第三层介质圆管4的厚度d3=5μm。图4和图5分别为空心光纤在波长为2.94微米时的x偏振模和y偏振模的电场场强分布图，从图中可以看出，传导模被有效的限制在空的纤芯中。
图6给出了第二类介质圆管3的数目N2=0、1、2时限制损耗波长变化曲线，从图中可以看出，当波长小于3.58μm时，随所述第二类介质圆管3数目N2的增加，两偏振模的限制损耗均降低，当N2不等于0时，两偏振模的限制损耗不同，y偏振模的限制损耗小于X偏振模的限制损耗，这是由光纤结构的不对称引起的。当波长大于3.58μm，第二类介质圆管3的数目N2=2时，两偏振模的限制损耗发生了大的变化，在特定波长处包层模与纤芯模发生了耦合，从而造成纤芯导模大的限制损耗，在一定波长范围内，可通过增加第二类介质圆管3的数目来降低传导模的损耗。
实施例2
本发明提供了一种微结构空心光纤，所述光纤包括第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4，所述第一类介质圆管2嵌套在所述第二类介质圆管3内部并沿圆周线周期排列，两相邻第一类介质圆管2外壁之间的最小间距δ＞0，所述第二类介质圆管3嵌套在所述第三类介质圆管4内部；所述第一类介质圆管2和所述第二类介质圆管3之间通过相交的方式连接，第一类介质圆管2和第二类介质圆管3相交的厚度δ1＞0，两相邻第二类介质圆管3之间通过相交的方式连接，相邻第二类介质圆管3之间相交的厚度δ2＞0，所述第二类介质圆管3和所述第三类介质圆管4之间通过相交的方式连接。所述第一类介质圆2管周期排列围成第一类空气孔1，其内部为第二类空气孔5，所述第二类介质圆管3之间及第二类介质圆管3与第三类介质圆管4之间的空间为第三类空气孔6。所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3、第三类介质圆管4和第二类空气孔5及第三类空气孔6构成光纤的包层。
所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4的材质均为二氧化硅，空气折射率nair=1.0，所述第一类介质圆管2的数目N1=3个，内半径R1=41.74μm，厚度d1=1.26μm，所述第二类介质圆管3的数目N2=6层，最里层的第二类介质圆管3内半径R2=133μm，厚度d2=1.26μm，相邻两第二类介质圆管3的半径之差ΔR=5μm，所述第三层介质圆管4的厚度d3=5μm。
实施例3
本发明提供了一种微结构空心光纤，所述光纤包括第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4，所述第一类介质圆管2嵌套在所述第二类介质圆管3内部并沿圆周线周期排列，两相邻第一类介质圆管2外壁之间的最小间距δ＞0，所述第二类介质圆管3嵌套在所述第三类介质圆管4内部；所述第一类介质圆管2和所述第二类介质圆管3之间通过相切的方式连接，第一类介质圆管2和第二类介质圆管3相交的厚度δ1=0，两相邻第二类介质圆管3之间通过相交的方式连接，相邻第二类介质圆管3之间相交的厚度δ2＞0，所述第二类介质圆管3和所述第三类介质圆管4之间通过相切的方式连接。所述第一类介质圆2管周期排列围成第一类空气孔1，其内部为第二类空气孔5，所述第二类介质圆管3之间及第二类介质圆管3与第三类介质圆管4之间的空间为第三类空气孔6。所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3、第三类介质圆管4和第二类空气孔5及第三类空气孔6构成光纤的包层。
所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4的材质均为二氧化硅，空气折射率nair=1.0，所述第一类介质圆管2的数目N1=5个，内半径R1=41.74μm，厚度d1=1.26μm，所述第二类介质圆管3的数目N2=8层，最里层的第二类介质圆管3内半径R2=133μm，厚度d2=1.26μm，相邻两第二类介质圆管3的半径之差ΔR=5μm，所述第三层介质圆管4的厚度d3=5μm。
实施例4
本发明提供了一种微结构空心光纤，所述光纤包括第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4，所述第一类介质圆管2嵌套在所述第二类介质圆管3内部并沿圆周线周期排列，两相邻第一类介质圆管2外壁之间的最小间距δ＞0，所述第二类介质圆管3嵌套在所述第三类介质圆管4内部；所述第一类介质圆管2和所述第二类介质圆管3之间通过相切的方式连接，第一类介质圆管2和第二类介质圆管3相交的厚度δ1=0，相邻所述第二类介质圆管3之间通过相切的方式连接，相邻第二类介质圆管3之间相交的厚度δ2=0，所述第二类介质圆管3和所述第三类介质圆管4之间通过相交的方式连接。所述第一类介质圆2管周期排列围成第一类空气孔1，其内部为第二类空气孔5，所述第二类介质圆管3之间及第二类介质圆管3与第三类介质圆管4之间的空间为第三类空气孔6。所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3、第三类介质圆管4和第二类空气孔5及第三类空气孔6构成光纤的包层。
所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4的材质均为二氧化硅，空气折射率nair=1.0，所述第一类介质圆管2的数目N1=8个，内半径R1=41.74μm，厚度d1=1.26μm，所述第二类介质圆管3的数目N2=10层，最里层的第二类介质圆管3内半径R2=133μm，厚度d2=1.26μm，相邻两第二类介质圆管3的半径之差ΔR=5μm，所述第三层介质圆管4的厚度d3=5μm。
实施例5
本发明提供了一种微结构空心光纤，所述光纤包括第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4，所述第一类介质圆管2嵌套在所述第二类介质圆管3内部并沿圆周线周期排列，两相邻第一类介质圆管2外壁之间的最小间距δ＞0，所述第二类介质圆管3嵌套在所述第三类介质圆管4内部；所述第一类介质圆管2和所述第二类介质圆管3之间通过相交的方式连接，第一类介质圆管2和第二类介质圆管3相交的厚度δ1＞0，相邻所述第二类介质圆管3之间通过相交的方式连接，相邻第二类介质圆管3之间相交的厚度δ2＞0，所述第二类介质圆管3和所述第三类介质圆管4之间通过相切的方式连接。所述第一类介质圆2管周期排列围成第一类空气孔1，其内部为第二类空气孔5，所述第二类介质圆管3之间及第二类介质圆管3与第三类介质圆管4之间的空间为第三类空气孔6。所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3、第三类介质圆管4和第二类空气孔5及第三类空气孔6构成光纤的包层。
所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4的材质均为二氧化硅，空气折射率nair=1.0，所述第一类介质圆管2的数目N1=9个，内半径R1=41.74μm，厚度d1=1.26μm，所述第二类介质圆管3的数目N2=12层，最里层的第二类介质圆管3内半径R2=133μm，厚度d2=1.26μm，相邻两第二类介质圆管3的半径之差ΔR=5μm，所述第三层介质圆管4的厚度d3=5μm。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种微结构空心光纤，其特征在于：所述光纤包括第一类介质圆管、第二类介质圆管和第三类介质圆管，所述第一类介质圆管嵌套在所述第二类介质圆管内部并沿圆周线周期排列，所述第二类介质圆管嵌套在所述第三类介质圆管内部；所述第一类介质圆管和所述第二类介质圆管之间通过相切或相交的方式连接，相邻所述第二类介质圆管之间通过相切或相交的方式连接，所述第二类介质圆管和所述第三类介质圆管之间通过相切或相交的方式连接；
所述第一类介质圆管的数目为3、4、5、6、7、8、9、10；
所述第一类介质圆管2、第二类介质圆管3和第三类介质圆管4的材质均为二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种微结构空心光纤，其特征在于：所述第二类介质圆管的数目为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。
3.根据权利要求1所述的一种微结构空心光纤，其特征在于：相邻所述第一类介质圆管外壁之间的间距大于0。
4.根据权利要求1所述的一种微结构空心光纤，其特征在于：所述第一类介质圆管与所述第二类介质圆管之间相交的最大厚度大于0且小于或等于所述第二类介质圆管的厚度。
5.根据权利要求1所述的一种微结构空心光纤，其特征在于：相邻所述第二类介质圆管之间相交的厚度大于0且小于或等于所述第二类介质圆管的厚度。
6.根据权利要求1~5中任意一项权利要求所述的一种微结构空心光纤，其特征在于：所述第一类介质圆管的厚度为1~3微米，所述第二类介质圆管的厚度为1~3微米，所述第三类介质圆管的厚度为4~6微米。
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