CN111458787B - 一种单模单偏振空芯负曲率光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单模单偏振空芯负曲率光纤,属于空芯负曲率光纤技术领域，包括外包层、四个环绕外包层的圆心均匀设置且紧贴在外包层内的包层管、纤芯区域、分别设置在包层管内且环绕外包层的圆心均匀设置的壁厚相同的嵌套管以及位于中心位置的纤芯；四个包层管外径相等，Y方向的两个包层管壁厚相同，X方向的两个包层管壁厚相同，Y方向包层管的壁厚大于X方向包层管的壁厚，圆周方向上相邻包层管间隙相等；嵌套管紧贴设置在包层管内且对应于外包层与包层管紧贴设置的位置；所述纤芯区域以及其他内部空间由空气填充。本发明在工作波长处，单模特性好，材料为纯石英，结构简单，有效模场面积大，可制作效率高。
Description
技术领域
本发明涉及空芯负曲率光纤技术领域，尤其是一种单模单偏振空芯负曲率光纤，属于单模单偏振微结构光纤。
背景技术
当光能量或光信号在光纤中传播，由于光纤结构的不完整性或表面不平整性，容易导致偏振模的色散而影响光器件功能的稳定性。因此有人提出单模单偏振光纤，原理是让一个轴上的偏振模式损耗很高，无法在光纤中传播；另一个轴上的偏振模式损耗很低，可以正常的在光纤中传播，保证了光能量或者光信号在光纤弯曲或受到应力的条件下稳定输出。因此，单模单偏振光纤消除了因模式耦合造成的偏振模式间的串扰，在高功率激光器、航天器和远程通信方面有广阔的应用前景。现有的单模单偏振微结构光纤和单模单偏振光纤。单模单偏振微结构光纤是通过改变中心空气孔大小、局部椭圆芯和掺杂金属材料来实现的，虽然效果明显，但这种方法得到的光纤结构一是微结构空气孔易塌陷，二是制作成本高，三是制备环境要求严格，在实际应用中很难大范围推广。单模单偏振光纤一般为实芯石英玻璃光纤，在中红外波段材料吸收强烈，不利于此波段的激光器工作，而且不能传输同时具有单模特性和模式面积大的光能量或光信号，很难推广到现代的光通信和激光器领域。
自2012年出现空芯负曲率光纤以来，引起科研人员广泛的兴趣。空芯负曲率光纤导光机理不同于微结构光纤，光波能量主要集中在光纤中心传播，这给光能量的稳定输出创造了前提条件。空芯负曲率光纤因其结构简单，容易拉制，传光性能好，是解决传统单模单偏振光纤这方面缺陷的良好代替光纤。另外，空芯负曲率光纤具有低损伤阈值，有效模场面积大的同时保证单模输出等优点，在光纤激光器领域具有实际使用价值。目前，虽然多种空芯负曲率光纤被制作出来，但单模单偏振空芯负曲率光纤鲜有人对其进行研究。
利用空芯负曲率光纤导光原理，同样可以制备出具有单模单偏振效应的光纤，而且结构简单，容易拉制，成本低，效果明显。因此，通过空芯负曲率光纤导光原理和模式耦合效应找到单模单偏振空芯负曲率光纤具有现实意义。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种单模单偏振空芯负曲率光纤，具有高双折射、单模特性好，且结构简单、有效模式面积大和制备效率高，以消除偏振模式间的串扰或提高光器件工作的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种单模单偏振空芯负曲率光纤，包括外包层、四个环绕外包层的圆心均匀设置且紧贴在外包层内的包层管、纤芯区域、分别设置在包层管内且环绕外包层的圆心均匀设置的壁厚相同的嵌套管以及位于中心位置的纤芯；四个包层管外径相等，Y方向的两个包层管壁厚相同，X方向的两个包层管壁厚相同，Y方向包层管的壁厚大于X方向包层管的壁厚，圆周方向上相邻包层管间隙相等；嵌套管紧贴设置在包层管内且对应于外包层与包层管紧贴设置的位置；纤芯区域以及其他内部空间由空气填充。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述嵌套管、包层管、外包层的基底材料均为纯净石英玻璃。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述纤芯的直径为85.5～86.0μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述包层管的外径为91.0～91.5μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：每组嵌套管外壁到包层管内壁的最大距离为11.5～12.0μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述嵌套管的壁厚与X方向包层管的壁厚相同，为0.73～0.75μm；所述Y方向包层管的壁厚为1.59～1.61μm。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明结构简单，只有四个包层管和四个嵌套管，是目前已知的使用最少的毛细玻璃管且具有偏振特性的空芯负曲率光纤。
2、本发明结构中，利用X轴包层管和嵌套管的两重反共振作用，偏振光被限制在纤芯中，大大降低了X轴偏振光的泄露损耗；利用Y方向包层管的共振特性，偏振光和石英玻璃管表面模式发生微弱共振，诱导能量互换，发生第一次耦合，而嵌套管具有反共振特性，透过包层管后的偏振模式光能量被具有反共振特性的嵌套管反弹回来，进而诱导该方向的偏振模式与包层管表面模式再次共振，发生第二次耦合，导致能量互换能力增强，Y轴偏振模式快速泄露出去；同时，由于四个包层管间的距离较大，高阶模有效的被引导出纤芯后与包层模耦合，高阶模泄露效果明显。
3、本发明在工作波长处单模特性好，材料单一，结构简单，制作效率高。
附图说明
图1是本发明提出的单模单偏振空芯负曲率光纤实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的Y方向偏振模式与包层管表面模式发生反交叉现象的有效折射率示意图；
图3是本发明实施例的Y方向偏振模和包层管表面模式变化示意图；
图4是本发明实施例的X轴偏振模损耗、Y轴偏振模损耗、高阶模损耗和包层管表面模式损耗图；
图5是本发明实施例的偏振模抑制比和高阶模抑制比示意图；
图6是本发明实施例的X偏振模和Y偏振模双折射随波长变化的示意图。
其中，1、外包层，2、包层管，3、空芯区域，4、嵌套管，5、纤芯。
具体实施方式
下面结合图1-6及实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种单模单偏振空芯负曲率光纤，包括外包层1、四个环绕外包层的圆心均匀设置且紧贴在外包层1内的包层管2、纤芯区域3、分别设置在包层管2内且环绕外包层1的圆心均匀设置的壁厚相同的嵌套管4以及位于中心位置的纤芯5；四个包层管2外径相等，Y方向的两个包层管2壁厚相同，X方向的两个包层管2壁厚相同，Y方向包层管2的壁厚大于X方向包层管2的壁厚，圆周方向上相邻包层管2间隙相等；嵌套管4紧贴设置在包层管2内且对应于外包层1与包层管2紧贴设置的位置；纤芯区域3以及其他内部空间由空气填充。
所述嵌套管4、包层管2、外包层1的基底材料均为纯净石英玻璃。
所述纤芯5的直径为85.5～86.0μm。
所述包层管2的外径为91.0～91.5μm。
每组嵌套管4外壁到包层管2内壁的最大距离为11.5～12.0μm。
所述嵌套管4的壁厚与X方向包层管2的壁厚相同，为0.73～0.75μm；所述Y方向包层管2的壁厚为1.59～1.61μm。
工作原理：
本发明单模单偏振空芯负曲率光纤的结构，X方向包层管2和嵌套管4的两层石英玻璃毛细管具有反共振作用。偏振光被限制在纤芯中，因此X轴偏振光损耗很低。利用Y方向包层管2石英玻璃的共振特性，偏振光和石英玻璃管表面模式发生微弱共振，发生第一次耦合；而嵌套管4石英玻璃具有反谐振特性，透过包层管4后的偏振光被具有反共振特性的嵌套管反弹回来，进而诱导该方向的偏振模式与包层管4管壁中的模式再次共振，发生第二次耦合，导致能量互换能力增强，Y轴偏振模式快速泄露出去；同时，通过对四个包层管2间的距离进行优化，很好的将高阶模引导出纤芯5后与包层模耦合，有效的抑制了高阶模对基模传输的干扰。
实施例：
以工作波长2940nm为例，其发明原理同样适用于各个波长。
如图1所示，单模单偏振空芯负曲率光纤相关参数如下：纤芯5直径：85.86μm；包层管2外径：91.14μm；嵌套管4与X方向包层管2的石英玻璃毛细管厚度：0.743μm；Y方向包层管2石英玻璃毛细管厚度：1.60μm；每组嵌套管4外壁与包层管2内壁的最大距离：11.76μm；有效模场面积大于3000[μm^2] ；X偏振模式损耗：2.8×10-2dB/m；Y偏振模式损耗：57.5dB/m；高阶模最低损耗：3.7dB/m；单偏振抑制比：2037；高阶模抑制比：129；双折射差：1.4×10-5。
如图2和图3所示，所述单模单偏振空芯负曲率光纤在纤芯直径为85.86μm间，Y偏振模和包层管表面模式的折射率发生反交叉现象，导致模式能量完全互换。
如图4所示，所述单模单偏振空芯负曲率光纤的Y方向偏振模式和包层管表面模式能量彻底互换，最终导致Y方向偏振模能量快速泄露出去。
如图5所示，所述单模单偏振空芯负曲率光纤的单模抑制比高达2037，高阶模抑制比高达129。
如图6所示，所述单模单偏振空芯负曲率光纤产生的双折射为 1.4×10-5。
综上所述，本发明利用X轴包层管和嵌套管的两重反共振作用，偏振光被限制在纤芯中，大大降低了X轴偏振光的泄露损耗；利用Y方向包层管的共振特性，偏振光和石英玻璃管表面模式发生微弱共振，诱导能量互换，发生第一次耦合，而嵌套管具有反共振特性，透过包层管后的偏振模式光能量被具有反共振特性的嵌套管反弹回来，进而诱导该方向的偏振模式与包层管表面模式再次共振，发生第二次耦合，导致能量互换能力增强，Y轴偏振模式快速泄露出去；同时，由于四个包层管间的距离较大，高阶模有效的被引导出纤芯后与包层模耦合，高阶模泄露效果明显；在工作波长处单模特性好，材料单一，结构简单，制作效率高。
Claims (5)
1.一种单模单偏振空芯负曲率光纤，包括外包层（1）、四个环绕外包层的圆心均匀设置且紧贴在外包层（1）内的包层管（2）、纤芯区域（3）、分别设置在包层管（2）内且环绕外包层（1）的圆心均匀设置的壁厚相同的嵌套管（4）以及位于中心位置的纤芯（5）；其特征在于：四个包层管（2）外径相等，Y方向的两个包层管（2）壁厚相同，X方向的两个包层管（2）壁厚相同，Y方向包层管（2）的壁厚大于X方向包层管（2）的壁厚，圆周方向上相邻包层管（2）间隙相等；嵌套管（4）紧贴设置在包层管（2）内且对应于外包层（1）与包层管（2）紧贴设置的位置；纤芯区域（3）以及其他内部空间由空气填充；所述嵌套管（4）、包层管（2）、外包层（1）的基底材料均为纯净石英玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种单模单偏振空芯负曲率光纤，其特征在于：所述纤芯（5）的直径为85.5～86.0μm。
3.根据权利要求1所述的一种单模单偏振空芯负曲率光纤，其特征在于：所述包层管（2）的外径为91.0～91.5μm。
4.根据权利要求1所述的一种单模单偏振空芯负曲率光纤，其特征在于：每组嵌套管（4）外壁到包层管（2）内壁的最大距离为11.5～12.0μm。
5.根据权利要求1所述的一种单模单偏振空芯负曲率光纤，其特征在于：所述嵌套管（4）的壁厚与X方向包层管（2）的壁厚相同，为0.73～0.75μm；所述Y方向包层管（2）的壁厚为1.59～1.61μm。
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