CN111257992B - 一种兼具单模传输和低弯曲损耗特性的反谐振光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具单模传输和低弯曲损耗特性的反谐振光纤，属于光学与激光光电子技术领域。该光纤通过特殊的包层结构设计，大大降低了光纤的弯曲损耗同时改善了光纤单模传输特性。本发明的光纤相比于传统全内反射型和对称型空芯反谐振光纤，具有低弯曲损耗、准单模传输、宽传输光谱、低色散、高损伤阈值等优点。仿真与实验证明，与传统对称型反谐振光纤相比，在小弯曲半径下其弯曲损耗降低一个数量级。同时仿真与CCD成像也证明其具有较好的准单模传输特性。本发明在光纤传感、光纤气体激光器和大功率超短脉冲激光传输中有着巨大应用前景。

Description

一种兼具单模传输和低弯曲损耗特性的反谐振光纤

技术领域：

本发明属于光通信与激光光电子技术领域，具体涉及一种兼具低弯曲损耗特性和准单模传输特性的反谐振光纤。

背景技术

光纤技术在通信、激光、非线性、传感、量子、生物等多个领域发挥着关键作用，大大推动了人类社会的进步。然而随着时代发展，传统实芯光纤的低损伤阈值、紫外-红外波段无法导光、高非线性等本征缺陷逐渐显现。空芯光子晶体光纤在长距离柔性链路中为光波创造了一个类似于自由空间的低色散、低非线性、低时间延迟和低损耗的理想光学传输环境，因此具有很多传统实芯光纤所不具备的优点，因此在激光传输、光通信和传感领域具有重要的应用价值。

目前空芯光子晶体光纤主要分为带隙和反谐振光纤。相比于空芯带隙光纤，空芯反谐振光纤(Hollow-Core Anti-Resonant Fiber,HC-ARF)具有更宽的传输光谱、更高的激光损伤阈值和更低的传输损耗等优点，是目前国际研究的热点。传统单圈无节点型HC-ARF对弯曲非常敏感，存在较大的弯曲损耗，大大限制了实际应用。例如2016年德国马克斯普朗克研究所的Uebel等在Optics Letter杂志第41卷9期1961-1964页题目为Broadbandrobustly single-mode hollow-core PCF by resonant filtering of higher-ordermodes的文章中公开了一款具有6个包层孔的对称型空芯反谐振光纤其具有较好的单模传输特性，但是却极不耐弯曲，仅在1.5μm波长处弯曲半径在12cm时就出现了弯曲损耗峰，此时弯曲损耗高达数百dB/km。虽然存在减小包层尺寸降低弯曲损耗的方法，但此方法同时也会降低模式传输质量。例如2014年巴斯大学的Belardi等在Optics Express杂志第22卷8期题目为Hollow antiresonant fibers with low bending loss的文章中公开了一款具有10个包层孔的空芯反谐振光纤，此光纤具有较低的弯曲损耗，在3.35μm波长处弯曲半径减小到2.5cm仍未发现有弯曲损耗峰的出现。但小包层直径的设计使光纤同时允许多种高阶模的传输，模式质量变差，同时光纤也具有较高的传输损耗。多谐振层的HC-ARF虽然能在一定程度上减小弯曲损耗，例如2014年南安普顿大学的Poletti在Optics Express杂志第22卷20期题目为Nested antiresonant nodeless hollow core fiber的文章中公开了提出了嵌套管型多谐振层HC-ARF能大大降低弯曲损耗，但此类光纤有着复杂的工艺和较大的拉制难度，大大增加了成本，多层结构也会增加包层与光场的重合面积，降低了光纤的损伤阈值。因此，目前需要一种能同时具有准单模传输、低弯曲损耗、结构简单和制备效率高的HC-ARF。

本发明的偏芯空芯反谐振光纤，采用内包层左右区域折射率不同的偏芯结构，通过内包层薄壁环直径和谐振层的设计，大大减少了弯曲状况下纤芯基模与包层模式耦合产生的能量泄露，能够大幅降低光纤弯曲损耗。

同时，偏芯空芯反谐振光纤的偏芯结构，能实现多种高阶模与包层基模模式的耦合，实现较大的高阶模抑制比，使光纤保持较好的准单模传输特性。因此解决了现有技术中无法同时保证低弯曲损耗和准单模传输的问题。

本发明的偏芯空芯反谐振光纤，在保持低弯曲损耗的同时，减少了谐振层的使用，增加了光纤损伤阈值，结构更加简单，降低了制作难度和拉制成本。

发明内容

本发明提供了克服上述问题或者至少部分的解决上述问题的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，本发明的技术解决方案如下：

一种偏芯型空芯反谐振光纤，其结构由纤芯、内包层和外包层组成，外包层由起支撑作用的高折射率圆柱组成，内包层区域由高折射材料薄壁管和低折射率区形成，内包层左右区域结构为非对称型，内包层左右区域有效折射率的差异导致光纤为偏纤芯结构。

所述偏芯结构构成的技术方案有两种:

技术方案一为包层渐变型偏芯空芯反谐振光纤，包层直径大小从一端到另一端逐渐过渡。纤芯圆与所有包层相切，较大直径的薄壁管远离弯曲方向，起高阶模抑制作用，较小直径的薄壁管位于弯曲内侧，起反谐振、抑制弯曲损耗作用。高折射材料薄壁管的个数为10个，结构左右非对称。最大薄壁管直径与纤芯直径之比为0.6～0.7，最小直径与纤芯直径之比为0.3～0.5。

此方案理论上单模和抗弯曲性能最佳，但拉制较难。具体实施方式为实施例一。

技术方案二的结构和实施例一相似，但高折射材料薄壁管的个数为8个，结构左右非对称。最大薄壁管直径与纤芯直径之比为0.6～0.7，最小直径与纤芯直径之比为0.3～0.5。

此方案理论上拉制相对容易。具体实施方式为实施例二。

所述低折射率的纤芯区域为一种或多种气体、空气、液体或真空。所述高折射率的包层区域为二氧化硅、软玻璃、掺杂玻璃或塑料。

所述内包层区为一层结构的微毛细管、两层结构的微毛细管或多层结构的微毛细管。

所述高折射材料薄壁管相互之间无接触，之间相距3～20个高折射材料薄壁管壁厚的距离。

本申请提出一种偏芯型光纤，能同时具有准单模传输和低弯曲损耗特性，制作简单，结合HC-ARF激光传输中固有的较低的非线性、良好的色散控制特性和较高的损伤阈值等优点，在激光传输、光通信和传感领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明第一实施例，10个薄壁管的包层渐变型偏芯空芯反谐振光纤结构示意图。

图2为本发明第二实施例，8个薄壁管的包层渐变型偏芯空芯反谐振光纤结构示意图。

图3为本发明第二实施例，8个薄壁管的包层渐变型偏芯空芯反谐振光纤与传统对称型8薄壁管、6薄壁管空芯反谐振光纤弯曲损耗的仿真对比图。

附图标号

1—纤芯区域， 2—内包层高折射率薄壁管， 3—内包层低折射率区，

4—外包层。

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做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明范围。

一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，由纤芯区域1、内包层和外包层组成，外包层4由高折射率起支撑作用的圆柱区域组成，其特征在于：内包层区域由内包层高折射材料薄壁管2和内包层低折射率区3形成，内包层通过内包层薄壁管2的直径的设计，使左右区域结构为非对称型，内包层左右区域有效折射率的差异导致光纤为偏纤芯结构。

实施例一

如图1所示，显示了一种10个薄壁管的包层渐变型偏芯空芯反谐振光纤，其中最大薄壁环直径与纤芯之比为0.65，最小薄壁环直径与纤芯直径之比为0.3。每个薄壁管之间相距6个壁厚的距离。纤芯圆与所有薄壁管相切。

在本实施例中，所述纤芯区域可以为液体、气体或真空。

在本实施例中，所述高折射率薄壁管和外包层为二氧化硅、掺杂玻璃、光敏树脂或塑料。

实施例二

如图2所示，显示了一种8个薄壁管的包层渐变型偏芯空芯反谐振光纤，其中最大薄壁环直径与纤芯之比为0.7，最小薄壁环直径与纤芯直径之比为0.45。每个薄壁管之间相距5个壁厚的距离。纤芯圆与所有薄壁管相切。

在本实施例中，所述纤芯区域可以为液体、气体或真空。

在本实施例中，所述高折射率薄壁管和外包层为二氧化硅、掺杂玻璃、光敏树脂或塑料。

如图3所示，图中显示了本发明第二实施例-8个薄壁管的包层渐变型偏芯空芯反谐振光纤与传统对称型8薄壁管、6薄壁管空芯反谐振光纤弯曲损耗的仿真对比图。其中横坐标为弯曲半径，纵坐标为弯曲损耗。A代表8个薄壁管的传统空芯反谐振光纤，B代表8个薄壁管的包层渐变型偏芯空芯反谐振光纤，C代表6个薄壁管的传统空芯反谐振光纤。三种光纤的纤芯和壁厚均完全相同。由图可看出，C在弯曲半径12cm处就出现了弯曲损耗峰，而B在弯曲半径为2.5cm才出现弯曲损耗峰。B在弯曲半径大于4cm时，弯曲损耗均低于A和C。

应当理解的是，对本领域的技术人员来说，可以根据以上说明进行改进和变换，而所有的改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种兼具单模传输和低弯曲损耗特性的反谐振光纤，由纤芯、内包层和外包层组成，外包层由高折射率起支撑作用的圆柱组成，内包层区域由高折射材料薄壁管和低折射率区形成，内包层左右区域结构为非对称型，内包层左右区域有效折射率的差异导致光纤为偏纤芯结构，其特征在于：高折射材料薄壁管的个数为6～10个，高折射材料薄壁管直径是由大到小变化的渐变型，间隔3～20个薄壁管壁厚，在偏芯结构的反谐振光纤横截面上，所有高折射材料薄壁管与一圆外切，该外切圆区域形成纤芯区域，最大薄壁管直径与纤芯直径之比为0.6～0.7，最小直径与纤芯直径之比为0.3～0.5。

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