CN108919417B - 一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，属于微结构光纤技术领域。所述空芯光子带隙光纤的制备方法具体为通过毛细管堆积形成完整堆积结构，去除完整堆积结构中心位置的毛细管后插入纤芯玻璃管，在外围套上石英套管形成光纤预制棒，再利用现有的空芯光子带隙光纤拉制法对所述光纤预制棒进行拉制，在纤芯周围形成具有独立的隔离反谐振层的结构，实现基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤。本发明所提供的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，纤芯处的纤芯壁由隔离反谐振层构成，增强了对光的限制并减小散射损耗，且有利于与普通单模光纤之间的耦合。

Description

一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤
技术领域
本发明属于微结构光纤技术领域，具体涉及一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤。
背景技术
空芯光子带隙光纤是一种基于光子带隙效应的新型微结构光纤，通过SiO2和空气孔的周期性排列形成二维光子晶体结构，产生光子带隙效应，从而限制光波在中心空气孔缺陷(纤芯)中传播。这种结构和导光机理上的独特性使得空芯光子带隙光纤具有众多不同于传统光纤的特性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感等。因此，空芯光子带隙光纤被广泛应用于光纤传感器、光纤通讯、高能激光传输、粒子导引等领域。从二十世纪九十年代空芯光子带隙光纤研制出现至今，对其科学研究逐渐深入，尤其是对其模式、损耗的研究，其单模传输、损耗特性对光纤传感领域，尤其是对光纤陀螺意义重大。
虽然空芯光子带隙光纤有以上众多的优点，但其光纤损耗远远大于普通单模光纤，主要原因是受制作工艺的限制，其芯壁表面较为粗糙，部分的光会在表面发生散射而被损耗掉。目前有两种设计方法来减小这种损耗，一是扩大纤芯尺寸，例如19芯低损耗空芯光子带隙光纤，但扩大纤芯直径会导致模场直径增大，不利于其与普通光纤的连接耦合，并且易产生高阶模；二是增加纤芯壁厚，使得基模与表面模的模式错配，但这样只能抑制表面模与基模的耦合，损耗降低有限，并不能满足陀螺用低损耗光纤的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，降低空芯光子带隙光纤传输损耗，提高空芯光子带隙光纤的传光效率，在不增加光纤制作难度的基础上，本发明提出一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，所述空芯光子带隙光纤利用以下方法进行制备，首先通过去除毛细管堆积结构中心位置的毛细管后，在所述中心位置插入纤芯玻璃管形成光纤预制棒，再利用空芯光子带隙光纤拉制法对所述光纤预制棒进行拉制，改变所述光纤预制棒的堆积结构和纤芯形状，在纤芯周围形成具有独立的反谐振层的结构，从反共振抑制扩散和光子带隙效应出发，实现基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、利用毛细管堆积形成均匀紧密的完整堆积结构；
步骤二、首先去掉所述完整堆积结构中心位置的一根毛细管，然后去掉与所述中心位置的一根毛细管四周相邻的六根毛细管，形成六边形缺陷，然后将六边形缺陷的六条边中心位置的毛细管去除，形成具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构；
步骤三、在具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构的纤芯缺陷中插入纤芯玻璃管，所述纤芯玻璃管的外径等于所述纤芯缺陷的内切圆直径；
步骤四、将步骤三中插入纤芯玻璃管的毛细管堆积结构整体插入石英套管中形成光纤预制棒；
步骤五、采用空芯光子带隙光纤拉制法，经过两次拉制，得到具有隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤。
通过上述方法制备得到一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，在纤芯和空气孔包层之间有一个隔离反谐振层，由隔离反谐振层构成纤芯处的纤芯壁，纤芯中心到空气孔包层的距离大于隔离反谐振层的两个对边的距离的一半，大于两个对角的距离的一半；所述隔离反谐振层的厚度为0.2～0.6μm，优选地所述隔离反谐振层的厚度为0.4μm。所述隔离反谐振层材料为石英玻璃。所述隔离反谐振层的形状为近似正六边形，所述纤芯为近似正六边形，所述纤芯的半径为6.5μm；所述空气孔包层由一个以上空气孔构成，每个空气孔为近似正六边形，每个空气孔的周期为4μm，每个空气孔的直径为3.88μm，近似正六边形的空气孔的六个内角均近似为圆角，六个内角的圆角直径为1.55μm。
本发明的优点与积极效果在于：
1、本发明所提供的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，纤芯处的纤芯壁由隔离反谐振层构成，增强了对光的限制并减小散射损耗，抑制纤芯的基模与光纤外层的表面模的耦合。
2、本发明所提供的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤与普通单模光纤有相近的模场面积，有利于空芯光子带隙光纤和普通单模光纤之间的耦合。
3、本发明所提供的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤能够实现单模传输。
附图说明
图1是本发明中光纤预制棒的截面结构示意图；
图2是本发明拉制完成后的空芯光子带隙光纤截面结构及其局部放大示意图；
图3是本发明空芯光子带隙光纤在不同反谐振层纤芯壁厚度下的光纤损耗谱计算结果示意图；
图4是本发明空芯光子带隙光纤的反谐振层厚度t为0.4μm时，光纤在传输波长为1550nm时光的模场分布示意图；
图5是现有技术中空芯光子带隙光纤存在的六种典型光场模式分布示意图；
图6是本发明空芯光子带隙光纤的各反谐振层厚度t时模式折射率变化图；
图中：
1、石英套管； 2、石英毛细棒； 3、毛细管； 4、纤芯玻璃管；
5、石英包层； 6、空气孔包层； 7、纤芯； 8、隔离反谐振层；
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤作进一步的说明。
本发明提供一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，如图2所示，由外到内依次包括石英包层5、空气孔包层6、隔离反谐振层8和纤芯7，在纤芯7和空气孔包层6之间有一个隔离反谐振层8，所述隔离反谐振层8的厚度为0.2～0.6μm，所述隔离反谐振层8材料为石英玻璃；所述隔离反谐振层8的形状为近似正六边形。
所述隔离反谐振层的厚度优选为0.4μm。
纤芯7中心到空气孔包层6的距离大于隔离反谐振层8两个对边距离的一半，大于隔离反谐振层8两个对角距离的一半。
所述空芯光子带隙光纤利用以下方法进行制备，首先利用毛细管3堆积形成均匀紧密的完整堆积结构，通过去除完整堆积结构中心位置的毛细管3后形成具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构，在所述具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构的纤芯缺陷中插入纤芯玻璃管4，将插入纤芯玻璃管4的毛细管堆积结构整体插入石英套管1中形成光纤预制棒，再利用现有的空芯光子带隙光纤拉制法对所述光纤预制棒进行拉制，改变所述光纤预制棒的堆积结构和纤芯形状，在纤芯周围形成具有独立的隔离反谐振层8的结构，从反共振抑制扩散和光子带隙效应出发，实现基于隔离反谐振层8的空芯光子带隙光纤。具体的，所述的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤的制备方法包括以下步骤：
步骤一、利用毛细管3堆积形成均匀紧密的完整堆积结构；
所述的完整堆积结构为经过预先设计的结构，具体为所述结构预先设计成横截面为圆形，由一根以上毛细管3与一根以上的石英毛细棒2堆积构成，所述毛细管3直径大小均相等，优选地为石英毛细管，所述石英毛细棒2直径大小不一且均小于毛细管3的直径。所述的完整堆积结构，首先采用毛细管3逐层堆积成横截面为正六边形的结构，然后以正六边形的外接圆为基准，在所述正六边形和外接圆之间的空隙填充不同直径的石英毛细棒2，确保所述完整堆积结构的横截面为近似圆形。所形成的完整堆积结构中的毛细管3与石英毛细棒2之间均紧密相切、相互支撑，不会松动。
步骤二、首先去掉所述完整堆积结构中心位置的一根毛细管3，然后去掉与所述中心位置的一根毛细管3四周相邻的六根毛细管3，形成六边形缺陷，然后将六边形缺陷的六条边中心位置的毛细管3去除，形成具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构；
所述的中心位置是指所述完整堆积结构的几何中心。
步骤三、在具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构的纤芯缺陷中插入纤芯玻璃管4，所述纤芯玻璃管4的外径等于所述纤芯缺陷的内切圆直径；
所述纤芯玻璃管4的外径为所述毛细管3的外径的三倍，所述纤芯玻璃管4为石英纤芯玻璃管。
步骤四、将步骤三中插入纤芯玻璃管4的毛细管堆积结构整体插入石英套管1中形成光纤预制棒；如图1所示为本发明所形成的光纤预制棒的截面结构示意图；
步骤五、采用现有的空芯光子带隙光纤拉制法(参见参考文献[1]：Poletti F,Petrovich M N,Richardson D J.Hollow-core photonic bandgap fibers:technologyand applications[J].Nanophotonics,2013,2(5-6):315-340.)，经过两次拉制，得到具有隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤。先将所述光纤预制棒拉制一次形成纤芯具有隔离反谐振层8的空芯光子带隙光纤中间体，再将所述空芯光子带隙光纤中间体拉制成具有隔离反谐振层8的空芯光子带隙光纤。所述的具有隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤中，在纤芯7和空气孔包层6之间有一个隔离反谐振层8，由隔离反谐振层8构成纤芯处的纤芯壁，所述隔离反谐振层8的厚度为0.2～0.6μm，优选地所述隔离反谐振层8的厚度为0.4μm。所述隔离反谐振层8材料为石英玻璃。
具体为：拉制过程中，由于高温作用，大部分所述毛细管3各自分别在拉力和表面张力共同作用下形成形状为近似正六边形毛细管，所述近似正六边形的毛细管的内孔均拉制成近似正六边形的空气孔，近似正六边形的空气孔的六个内角近似为圆角，一个以上空气孔构成空气孔包层6，所述石英毛细棒2与石英套管1被拉制成一体形成石英包层5，拉制后的空芯光子带隙光纤的纤芯7的形状为近似正六边形，纤芯7四周的纤芯玻璃管4被拉制形成形状为近似正六边形的隔离反谐振层8，隔离反谐振层8所形成的纤芯壁将纤芯7与空气孔包层6隔离开。如图2是拉制完成后的空芯光子带隙光纤截面结构及其局部放大示意图，其中，光纤预制棒经最后一次拉制后，纤芯7的半径R(近似正六边形的纤芯形状的对边距离的一半)约为6.5μm，空气孔的周期(近似正六边形的两个对边中，一个边的内壁与另一个边的外壁之间距离)Λ为4μm，每个空气孔直径(近似正六边形的两个对边内壁之间距离)d约为3.88μm，近似正六边形的空气孔的六个内角均近似为圆角，六个内角的圆角直径dc均为1.55μm，隔离反谐振层8的厚度为t，所述隔离反谐振层8的厚度由纤芯玻璃管4的厚度决定。
通过上述制备方法制备所得的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤与现有技术所提供的普通单模光纤相比，具有相近的模场面积与数值孔径，且所形成的空气孔包层6的结构与普通空芯光子带隙光纤类似，其特点在于，本发明所提供的空芯光子带隙光纤的纤芯7的结构与普通空芯光子带隙光纤具有很大不同，本发明所提供的空芯光子带隙光纤的纤芯7为近似正六边形而不是普通空芯光子带隙光纤纤芯的十二边形，从而减小了基模与隔离反谐振层8(纤芯壁)的重合面积；此外，纤芯7到空气孔包层6的距离与普通空芯光子带隙光纤中的距离相比较远，即纤芯7中心到空气孔包层6的距离大于隔离反谐振层8两个对边距离的一半，大于隔离反谐振层8两个对角距离的一半；且使纤芯7的纤芯壁厚度满足反谐振条件，减小了基模与空气孔包层6之间的耦合；最后，基模与高阶模之间的有效模式折射率相差很大，所以基模与高阶模无法发生耦合，从而提供了一种在纤芯7直径为13μm时，光纤损耗小于4dB/km，同时能够单模传输的低损耗空芯光子带隙光纤。
在所述空芯光子带隙光纤的空芯光子带隙光纤拉制法过程中无需加入对特殊气压等参数的控制，也无需添加额外的结构材料，并且由于拉制后形成形状为近似正六边形的反谐振层8，使空芯光子带隙光纤的纤芯7结构更易成型，降低了空芯光子带隙光纤的拉制工艺难度。由于纤芯7与空气孔包层6被隔离反谐振层8隔开，并且隔离反谐振层8具有一定限制光的能力，因此增强了光子带隙对光的限制能力，减小了空芯光子带隙光纤的表面散射损耗，使得表面散射损耗较普通空芯光子带隙光纤更低，仿真结果表明光纤在传输波长为1550nm时，光纤每公里的损耗小于4dB。不同隔离反谐振层8的厚度t下，光纤损耗计算结果如图3所示，可见当0.2μm≤t≤0.3μm时，光纤损耗巨大，在隔离反谐振层8的厚度t约为0.5μm～0.6μm时，光纤在传播波长为1550nm时光纤损耗虽相对较小，但低损耗区域谱宽过窄，因此最优化反谐振层8厚度t约为0.4μm。
图4为空芯光子带隙光纤的隔离反谐振层8厚度t为0.4μm时，光纤在传播波长为1550nm时光的模场分布，其中横坐标为过光纤横截面中心的水平直线方向x，纵坐标为归一化光场强度，可以看出，在模场直径约为8μm范围内，光在传播过程中被极好地限制在纤芯中，纤芯外的隔离反谐振层8中归一化光场强度快速衰减，为确定此时空芯光子带隙光纤特性，需对空芯光子带隙光纤中所存在的模式进行分析。
图5为六种典型光场模式分布示意图，包括基模(a)、高阶模(b)、包层壁表面模(c)、第一纤芯壁表面模(d)、第二纤芯壁表面模(e)以及第三纤芯壁表面模(f)。
图6中所示为各隔离反谐振层8的厚度t时有效模式折射率变化图，经分析可知，t>0.3μm时基模与表面模不存在耦合，但过厚导致纤芯7对光的限制能力下降，可见t＝0.4μm时99％的光被限制在纤芯中，而当t＝0.6μm时被限制在纤芯中的光降低为98.6％，即使如此，相比于隔离反谐振层8厚度t≤0.3μm时基模与表面模发生耦合，89.4％的光被限制在纤芯7中的情况，纤芯7对光仍有更好的限制能力。除此之外，高阶模与纤芯壁表面模存在较强的耦合，因此基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤在应用时具有单模光纤特性。综上选取t＝0.4μm作为最适宜的隔离反谐振层8的厚度。
针对本发明一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤进行建模分析，通过有限元法仿真计算光纤特性。可见本发明所提供的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤的模场与普通单模光纤相近(模场直径约为8μm)的前提下，当光的传播波长为1550nm时，光纤损耗降低至4dB/km以下，并且实现在应用中的单模传输特性。

Claims (6)

1.一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，其特征在于，在纤芯和空气孔包层之间有一个隔离反谐振层，所述隔离反谐振层的厚度为0.2～0.6μm，所述隔离反谐振层材料为石英玻璃；所述隔离反谐振层的形状为近似正六边形；所述纤芯为近似正六边形，纤芯的半径为6.5μm；所述空气孔包层由一个以上空气孔构成，每个空气孔为近似正六边形，每个空气孔的周期为4μm，每个空气孔的直径为3.88μm，近似正六边形的空气孔的六个内角均近似为圆角，圆角直径为1.55μm；纤芯中心到空气孔包层的距离大于隔离反谐振层两个对边距离的一半，大于隔离反谐振层两个对角距离的一半；所述基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤通过如下步骤制备得到：
步骤一、利用毛细管堆积形成均匀紧密的完整堆积结构；所述的完整堆积结构为经过预先设计的结构，具体为所述结构预先设计成横截面为近似圆形，由一根以上毛细管与一根以上的石英毛细棒堆积构成，首先采用毛细管逐层堆积成横截面为正六边形的结构，然后以正六边形的外接圆为基准，在所述正六边形和外接圆之间的空隙填充不同直径的石英毛细棒，确保所述完整堆积结构的横截面为近似圆形；
步骤二、首先去掉所述完整堆积结构中心位置的一根毛细管，然后去掉与所述中心位置的一根毛细管四周相邻的六根毛细管，形成六边形缺陷，然后将六边形缺陷的六条边中心位置的毛细管去除，形成具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构；
步骤三、在具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构的纤芯缺陷中插入纤芯玻璃管，所述纤芯玻璃管的外径等于所述纤芯缺陷的内切圆直径；
步骤四、将步骤三中插入纤芯玻璃管的毛细管堆积结构整体插入石英套管中形成光纤预制棒；
步骤五、采用空芯光子带隙光纤拉制法，经过两次拉制，得到具有隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤；
具体为：所述毛细管各自分别在拉力和表面张力共同作用下形成形状为近似正六边形毛细管，所述近似正六边形毛细管的内孔均拉制成近似正六边形的空气孔，近似正六边形空气孔的六个内角近似为圆角，一个以上空气孔构成空气孔包层，所述石英毛细棒与石英套管被拉制成一体形成石英包层，拉制后的空芯光子带隙光纤的纤芯的形状为近似正六边形，纤芯四周的纤芯玻璃管被拉制形成形状为近似正六边形的隔离反谐振层，隔离反谐振层所形成的纤芯壁将纤芯与空气孔包层隔离开。
2.如权利要求1所述的一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，其特征在于，所述隔离反谐振层的厚度为0.4μm。
3.一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一、利用毛细管堆积形成均匀紧密的完整堆积结构；所述的完整堆积结构为经过预先设计的结构，具体为所述结构预先设计成横截面为近似圆形，由一根以上毛细管与一根以上的石英毛细棒堆积构成，首先采用毛细管逐层堆积成横截面为正六边形的结构，然后以正六边形的外接圆为基准，在所述正六边形和外接圆之间的空隙填充不同直径的石英毛细棒，确保所述完整堆积结构的横截面为近似圆形；
步骤二、首先去掉所述完整堆积结构中心位置的一根毛细管，然后去掉与所述中心位置的一根毛细管四周相邻的六根毛细管，形成六边形缺陷，然后将六边形缺陷的六条边中心位置的毛细管去除，形成具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构；
步骤三、在具有纤芯缺陷的毛细管堆积结构的纤芯缺陷中插入纤芯玻璃管，所述纤芯玻璃管的外径等于所述纤芯缺陷的内切圆直径；
步骤四、将步骤三中插入纤芯玻璃管的毛细管堆积结构整体插入石英套管中形成光纤预制棒；
步骤五、采用空芯光子带隙光纤拉制法，经过两次拉制，得到具有隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤；
具体为：所述毛细管各自分别在拉力和表面张力共同作用下形成形状为近似正六边形毛细管，所述近似正六边形毛细管的内孔均拉制成近似正六边形的空气孔，近似正六边形空气孔的六个内角近似为圆角，一个以上空气孔构成空气孔包层，所述石英毛细棒与石英套管被拉制成一体形成石英包层，拉制后的空芯光子带隙光纤的纤芯的形状为近似正六边形，纤芯四周的纤芯玻璃管被拉制形成形状为近似正六边形的隔离反谐振层，隔离反谐振层所形成的纤芯壁将纤芯与空气孔包层隔离开。
4.如权利要求3所述的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤的制备方法，其特征在于，所述毛细管直径大小均相等，石英毛细棒直径小于毛细管的直径。
5.如权利要求3所述的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤的制备方法，其特征在于，所述的中心位置是指所述完整堆积结构的几何中心。
6.如权利要求3所述的基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤的制备方法，其特征在于，所述纤芯玻璃管为石英纤芯玻璃管。
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