CN108919418A - 单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤 - Google Patents

单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其包括悬挂芯、与所述悬挂芯连接的均匀设置的多个悬挂臂，多个悬挂臂之间设置有包层空气孔，所述包层空气孔内部设置有反谐振单元，所述包层空气孔设置为扇形，所述反谐振单元设置为环状，所述反谐振单元与所述包层空气孔的弧形内边缘相切并与所述悬挂臂具有一定距离。所述悬挂臂、悬挂芯以及圆柱状基底的材料为石英材料、玻璃或聚合物材料。本发明不仅具备了折射率导光型光子晶体光纤的单模传输特性，同时具备了空芯反谐振光子晶体光纤低损耗的特点。

Description

单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，涉及一种单层孔混合导光光子晶体光纤，尤其涉及一种单层孔混合导光光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤的出现为光学领域的研究注入了新的活力，它是基于光子晶体技术发展起来的一种新型光纤，光子晶体光纤呈现出许多传统光纤难以实现的特性。相比传统光纤，光子晶体光纤由于其更灵活的设计结构、单模传输、更强的抗辐射能力等优异特性，广泛应用于未来全光网络、光纤传感器、光纤陀螺、可调谐光纤激光器等领域。光子晶体光纤按照其导光机理可以分为两大类：折射率导光型(IG-PCF)和带隙引导型(PCF)。带隙型光子晶体光纤能够约束光在低折射率的纤芯传播。第一根光子晶体光纤诞生于1996年，其为一个固体核心被正六边形阵列的圆柱孔环绕。这种光纤很快被证明是基于内部全反射的折射率引导传光。真正的带隙引导光子晶体光纤诞生于1998年。带隙型光子晶体光纤中，导光中心的折射率低于覆层折射率。空心光子晶体光纤(Hollow-core PCF,HC-PCF)是一种常见的带隙型光子晶体光纤。空隙带隙型光子晶体光纤具有易耦合，无菲涅尔反射，低弯曲损耗、低非线性和特殊波导色散等特点被广泛应用于高功率导光，光纤传感和气体光纤等方面。随着光纤技术研究的深入，具有更宽带宽和更低损耗的空芯反谐振光子晶体光纤(AR-PCF)被提出。因此充分利用这三种光纤的优势，就可以设计出混合导光光子晶体光纤,使得光子晶体光纤的性能更加优良。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种纤芯为实芯，包层空气孔中含有反谐振单元的光子晶体光纤，不仅具备了折射率导光型光子晶体光纤的单模传输特性，同时具备了空芯反谐振光子晶体光纤低损耗的特点。
具体地，本发明提供一种单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其包括悬挂芯、与所述悬挂芯连接的均匀设置的多个悬挂臂，多个悬挂臂之间设置有包层空气孔，所述包层空气孔内部设置有反谐振单元，所述反谐振单元包括圆柱状基底以及在所述圆柱状基底内部由气体构成的一个环形谐振腔，所述反谐振单元的配置为将从纤芯向外部射出的外射光反射回纤芯作为补偿光，所述包层空气孔设置为扇形，所述反谐振单元设置为环状，所述反谐振单元与所述包层空气孔的弧形内边缘相切并与所述悬挂臂具有一定距离。
优选地，所述悬挂臂、悬挂芯以及圆柱状基底的材料为石英材料、玻璃或聚合物材料中的一种。
优选地，所述包层空气孔的直径为10～20μm。
优选地，所述悬挂芯的直径为0.5～1μm。
优选地，所述悬挂臂的厚度为0.3～0.5μm。
优选地，所述反谐振单元的厚度t由反谐振波导表达式来确定，式中n为石英折射率，m为正整数，λ为反谐振波导。
优选地，所述反谐振单元的内环直径为所述包层空气孔的直径R的1/4。
优选地，所述反谐振单元内环直径为2.5～5μm，厚度为0.2～0.4μm。
优选地，本发明还提供一种制备单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤的方法，其包括以下步骤：
S1、制备预制棒：先用氢氟酸将实芯石英柱腐蚀形成多个扇形包层空气孔和悬挂芯和悬挂臂结构，然后使用1800-2000℃的氢氧焰高温熔化的方法将薄石英管融接在扇形包层空气孔的曲线壁上，从而熔化薄石英管的两端使其固定在石英柱上形成反谐振单元，从而获得所述预制棒；
S2、拉丝：在预制棒的扇形包层空气孔中充入大于等于60MBar氩气之后，以大于等于10m/min的拉丝速度对预制棒进行拉丝，获得单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明可以用于带宽传输，引入反谐振单元之后，经由大空气孔向光纤外部射出的光在遇到反谐振单元之后被反射回纤芯，保证了更宽范围的单模传输，0.6-2.5um都可以无截止单模传输。
2、本发明的损耗非常低，损耗可以达到10-5dB/km数量级。
3、本发明的纤芯直径为0.3～0.5μm，在非线性光纤光学、超连续谱形成、高功率传输、超远距离通信等领域有着广泛的应用。
4、本发明的包层大空气孔直径较大，10～20μm，有利于物质填充，在传感与物质检测领域有着很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的端面结构图。
图2是本发明悬挂纤芯部分的放大结构图。
图3是本发明的纤芯部分的模场分布图。
图4是本发明的中利用到的反谐振结构图。
图中：1-悬挂芯；2-悬挂臂；3-包层空气孔；4-反谐振单元；D-悬挂芯直径大小；T-悬挂臂厚度；t-反谐振单元厚度；R-包层空气孔直径；r-反谐振单元内圈直径。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在图1和图2所示的单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤示意图中，图1中以柱状的石英基质作为悬挂芯1、悬挂臂2和反谐振单元4的材料，悬挂臂2之间为包层空气孔3。包层空气孔3内部设置有反谐振单元4，如图4所示，反谐振单元4包括圆柱状基底41以及圆柱状基底41内部由气体构成的一个环形谐振腔42，反谐振单元4的配置用于在光从纤芯向往泄漏时将光反射回纤芯，当光从纤芯向往泄漏时，遇到环形谐振腔42，则会反射会光纤。包层空气孔3设置为扇形，反谐振单元4设置为环状，反谐振单元4与包层空气孔3的弧形内边缘相切并与悬挂臂2具有一定距离。
悬挂臂2、悬挂芯1以及圆柱状基底41的材料为石英材料、玻璃或聚合物材料。
扇形包层空气孔3的直径R为10～20μm，悬挂芯1的直径D为0.5～1μm，悬挂臂2的厚度T为0.3～0.5μm，反谐振单元4的内环直径r为2.5～5μm，厚度t为0.2～0.4μm。悬挂芯1的直径R应该与被传导的光波的波长在相近的数量级，扇形包层空气孔3的直径R数值一般选择为t的10倍左右，反谐振单元4的厚度t由反谐振波导原理(n石英折射率，m为正整数)来决定，悬挂臂2的厚度T等于或者稍微大于反谐振单元4的厚度t即可，而反谐振单元4的内环直径r则是扇形包层空气孔3的直径R的大小决定的，因为几何上需要满反谐振单元不与悬挂臂接触，一般取扇形包层空气孔3的直径R的1/4。
本发明还提供一种制备单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤的方法，其包括以下步骤：
首先制备预制棒：先用氢氟酸将长20cm,横截面4cm的实芯石英柱腐蚀形成5个扇形包层空气孔以及悬挂芯和悬挂臂结构。然后使用高温熔化的方法将长20cm薄石英管融接在扇形包层空气孔的曲线壁上，具体做法是将薄石英管自然放置在扇形包层空气孔的曲线壁上，之后再用1800-2000℃的氢氧焰熔化薄石英管的两端使之固定在石英柱上形成反谐振单元。
拉丝：在预制棒中充入大于等于60mbar高纯氩气之后，以大于等于10m/min的拉丝速度对整个预制棒进行拉丝，获得光纤。
在通信波段1550nm波长，纤芯部分的模场分布图如图3所示。图中包括悬挂芯、扇形空气、及悬挂臂以及模场强度的等位层分布。从图中可以看出，不仅纤芯石英材料传光，纤芯周围的空气同样参与传光，但是悬挂芯区域内的光强分布较大，悬挂芯周围空气区域内的光强分布较小。这是由于小的悬挂芯本市就可以实现一定的聚光效果，但是仍有部分光经由大空气孔向光纤外部出射，在遇到反谐振单元之后被反射再次回到纤芯，因此光更进一步被限制在纤芯以及纤芯周围的空气孔而不能跑到光纤外面去。
在没有反谐振单元光纤与普通的光子晶体光纤一般的带宽分布差别不大，约是0.8-1.6μm单模传输，而且在小于0.6μm或者大于1.8μm的波段，由于基膜损耗和高阶模损耗接近，光纤整体变成了多模传输。但是引入反谐振单元之后，经由大空气孔向光纤外部出射的光在遇到反谐振单元之后被反射回纤芯，保证了更宽范围的单模传输。因此小的悬挂芯、大的扇形空气孔、悬挂臂以及反谐振单元形成光纤结构保证了光集中在纤芯并且可以实现0.6-2.5μm单模传输。在没有反谐振单元光纤与普通的光子晶体光纤一般的带宽分布差别不大，约是0.8-1.6μm单模传输，而且在小于0.6μm或者大于1.8μm的波段，由于基膜损耗和高阶模损耗接近，光纤整体变成了多模传输。但是引入反谐振单元之后，经由大空气孔向光纤外部出射的光在遇到反谐振单元之后被反射回纤芯，保证了更宽范围的单模传输。
由于其特殊的混合传光物理机制，悬挂芯纤芯可以高强度、长距离传光，反谐振单元和扇形空气孔为物质填充提供了空间，为光与物质的相互作用及非线性光学提供了新的条件。
本发明具有以下几个优点：
①为光传感方面的研究提供新途径，大幅提高传感灵敏度。在反谐振单元或者扇形空气孔中充入CH4、SO2、NO2、CO2等物质，利用空气孔传光，进行环境、生物、化学等方面的光谱传感研究。
②在反谐振单元或者扇形空气孔中冲入活性介质、非线性材料，强光与填充物质的长距离相互作用，可以进行激光传输、原子激发、非线性光学通信器件等方面的研究。
③本发明的小的悬挂芯具有极小的模场面积，结合飞秒激光光源，可以进行非线性波长变换研究以及超连续谱的形成。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其特征在于：其包括悬挂芯、与所述悬挂芯连接的均匀设置的多个悬挂臂，多个悬挂臂之间设置有包层空气孔，所述包层空气孔内部设置有反谐振单元，所述反谐振单元包括圆柱状基底以及在所述圆柱状基底内部由气体构成的一个环形谐振腔，所述反谐振单元的配置为将从纤芯向外部射出的外射光反射回纤芯作为补偿光，所述包层空气孔设置为扇形，所述反谐振单元设置为环状，所述反谐振单元与所述包层空气孔的弧形内边缘相切并与所述悬挂臂具有一定距离。
2.根据权利要求1所述的单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其特征在于：所述悬挂臂、悬挂芯以及圆柱状基底的材料为选自石英材料、玻璃或聚合物材料中的一种。
3.根据权利要求1所述的单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其特征在于：所述包层空气孔的直径为10～20μm。
4.根据权利要求1所述的单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其特征在于：所述悬挂芯的直径为0.5～1μm。
5.根据权利要求1所述的单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其特征在于：所述悬挂臂的厚度为0.3～0.5μm。
6.根据权利要求2所述的单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其特征在于：所述反谐振单元的厚度t由反谐振波导表达式来确定，式中n为圆柱状基底的材料的折射率，m为正整数，λ为反谐振波导。
7.根据权利要求3所述的单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其特征在于：所述反谐振单元的内环直径为所述包层空气孔的直径R的1/4。
8.根据权利要求7所述的单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤，其特征在于：所述反谐振单元内环直径为2.5～5μm，厚度为0.2～0.4μm。
9.一种制备单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、制备预制棒：先用氢氟酸将实芯石英柱腐蚀形成多个扇形包层空气孔和悬挂芯和悬挂臂结构，然后使用1800-2000℃的氢氧焰高温熔化的方法将薄石英管融接在扇形包层空气孔的曲线壁上，从而熔化薄石英管的两端使其固定在石英柱上形成反谐振单元，从而获得所述预制棒；
S2、拉丝：在预制棒的扇形包层空气孔中充入大于等于60MBar氩气之后，以大于等于10m/min的拉丝速度对预制棒进行拉丝，获得单层孔低损耗混合导光光子晶体光纤。
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