CN112014920B - 一种基于外加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外加反谐振层的空芯光子带隙光纤，属于微结构光纤技术领域，包括由内到外依次同心连接的纤芯、空气孔包层、第一空气反谐振层、石英反谐振层、第二空气反谐振层和外部石英层；在两个空气反谐振层中沿圆周均匀分布若干支撑石英壁，用于支撑石英反谐振层。通过优化，得到第一空气反谐振层的内径为24μm，两个空气反谐振层的厚度为3.25μm，石英反谐振层的厚度为1.17μm，支撑石英壁的厚度为0.35μm。本发明的限制损耗相比于4层结构的空芯光子带隙光纤的限制损耗降低了55倍，与6层结构的空芯光子带隙光纤的限制损耗只增加了13倍，保证了空气孔数量较少的同时降低了光纤拉制难度。

Description

一种基于外加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，具体涉及一种基于外加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二维光子晶体结构的微结构光纤，其包层部分周期性排列的SiO2和空气孔能够产生光子带隙效应，从而将光波限制在光纤中心的空气纤芯中传播。由于光在纤芯的空气中传输，空芯光子带隙光纤具有对弯曲不敏感，对电磁场、温度、空间辐射等环境因素的敏感度低等优良特性。因此，空芯光子带隙光纤在光纤传感器、高能激光传输以及粒子导引等领域具有广阔的应用前景。国内外众多研究机构已开展对其模式、损耗等特性的研究。
虽然空芯光子带隙光纤的环境适应性优良，但其光纤损耗远远大于普通单模光纤，其损耗由两部分构成，即散射损耗与限制损耗。散射损耗产生的主要原因是受制作工艺的限制，其纤芯内壁表面较为粗糙，部分光会在纤芯内壁表面发生散射而被损耗掉，其大小与空气孔层数无关。限制损耗主要由包层的周期性排列的空气孔层数决定。层数越多，限制损耗越小，目前已经实用化的空心光子带隙光纤的空气孔层数一般为6层或8层，其限制损耗比散射损耗小两个数量级，可以忽略。但是层数越多，空气孔越多，使得光纤拉制过程中空气孔内气压的一致性难以控制，最终拉制得到的空气孔会产生塌陷、变形等问题，其尺寸均匀性与结构一致性难以保证，导致空芯光子带隙光纤拉制工艺更加复杂与困难，也提高了制造成本，阻碍了空芯光子带隙光纤的实用化进程。
目前空芯光子带隙光纤结构中，6层结构有174个空气孔，8层结构有264个空气孔，若将层数降低到4层，则只需要96个空气孔，有效地降低了空芯光子带隙光纤拉制工艺难度。但是4层结构的空芯光子带隙光纤的限制损耗大小已与散射损耗处于同一数量级，极大的增加了空芯光子带隙光纤的总损耗值，大大限制了其应用范围。因此，必须增加新的结构来降低4层结构的空芯光子带隙光纤的限制损耗大小。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤，在现有的4层结构的空芯光子带隙光纤的空气孔包层外部的石英区域，增加了两个空气反谐振层与一个石英反谐振层，同时增加了支撑石英反谐振层的支撑石英壁，降低了空芯光子带隙光纤的限制损耗。
所述的基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构，包括由内到外依次同心连接的纤芯、空气孔包层、第一空气反谐振层、石英反谐振层、第二空气反谐振层和外部石英层；在两个空气反谐振层中沿圆周均匀分布若干支撑石英壁，第二空气反谐振层中的支撑石英壁两端分别固定在外部石英层和石英反谐振层上，第一空气反谐振层中的支撑石英壁两端分别固定在空气孔包层和石英反谐振层上。
所述的基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构的设计过程，具体如下：
首先，去掉石英反谐振层与第二空气反谐振层，使用有限元计算软件ComsolMultiphysics进行仿真，当第一空气反谐振层的厚度为理论最优值3.705μm时，其限制损耗随第一空气反谐振层的内径r1的变化为：在内径r1范围为23.8-24.1μm时，损耗相对较小且距离空气孔包层较近，当r1＝24μm时，限制损耗最小，故选择第一空气反谐振层的内径r1最优值为24μm。
然后，对于两个空气反谐振层，计算其理论最优厚度h，公式如下：
Figure BDA0002659110890000021
λ为传输波长，neff为基模对应的等效模式折射率，u为零阶贝塞尔函数的第一个零点值，r为纤芯的半径。
可知，第一空气反谐振层的厚度和第二空气反谐振层的厚度h与传输波长λ无关，只与纤芯的半径r成线性对应关系，使用有限元计算软件Comsol Multiphysics进行仿真，对h进行优化，第一空气反谐振层与第二空气反谐振层的厚度范围为2-4.25μm，当第一空气反谐振层和第二空气反谐振层的厚度相等，且均为3.25μm时限制损耗最小，与理论厚度相近，所以第一空气反谐振层与第二空气反谐振层的厚度最终选择h＝3.25μm。
第一层空气反谐振层的内径和厚度之和，即为石英层的内径，同理，石英层的内径与厚度之和为第二层空气反谐振层的内径。
然后，对石英反谐振层的厚度t进行设计，理论最优厚度的计算公式如下：
Figure BDA0002659110890000022
m为自然数，取值为0，1和2；n为石英的折射率。
使用有限元计算软件Comsol Multiphysics进行仿真：当m＝0时，t＝372nm，当m＝1时，t＝1116nm，当m＝2时，t＝1860nm，得到石英反谐振层厚度的三组理论值，选择m＝1的情况进行优化仿真。石英反谐振层的厚度范围为0.8-1.4μm时限制损耗相对较小，进一步优选得到最优厚度为1.17μm。
最后，对支撑石英壁的厚度p进行设计，使用有限元计算软件ComsolMultiphysics进行仿真，可知，支撑石英壁的厚度范围为0.25-0.375μm时限制损耗相对较小，进一步优选得到最优厚度为0.35μm。
本发明的优点与积极效果在于：
1、本发明所提供的基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤，在空气孔包层外部的石英区域外加了两个空气反谐振层与一个石英反谐振层，有效地减小了限制损耗。在1550nm的工作波长下有0.28dB/km的限制损耗，相比于4层结构的空芯光子带隙光纤的限制损耗降低了55倍，与6层结构的空芯光子带隙光纤的限制损耗只增加了13倍。
2、本发明所提供的基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤，空气孔数少，结构相对简单，有利于降低空芯光子带隙光纤拉制工艺难度。
附图说明
图1是本发明基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤的截面结构示意图；
图2是本发明基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤的限制损耗随第一空气反谐振层的内径r1变化的示意图；
图3是本发明基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤的限制损耗随空气反谐振层厚度h变化的示意图；
图4是本发明基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤的限制损耗随石英反谐振层的厚度t变化的计算结果示意图；
图5是本发明基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤的限制损耗随支撑石英壁的厚度p变化的计算结果示意图；
图6是本发明基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤与4层和6层结构的空芯光子带隙光纤的损耗谱对比图；
图中：1-纤芯；2-空气孔包层；3-第一空气反谐振层；4-石英反谐振层；5-第二空气反谐振层；6-支撑石英壁；7-外部石英层；
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的一种基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构及其设计方法作进一步的说明。
本发明通过建模分析理论公式计算，再通过有限元法仿真计算实际最优值，得到了一种基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构，进一步计算分析了在1550nm传输波长附近的损耗谱特性，最终得到了一种低限制损耗、结构简单的基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构。如图1所示，由内到外依次为纤芯1、空气孔包层2、第一空气反谐振层3、石英反谐振层4、第二空气反谐振层5和外部石英层7，其中，在两个空气反谐振层中沿圆周均匀分布若干支撑石英壁6，相邻支撑石英壁6的间隔角度为θ＝30°。第二空气反谐振层中5的支撑石英壁6两端分别固定在外部石英层7和石英反谐振层4上，第一空气反谐振层3中的支撑石英壁6两端分别固定在空气孔包层2和石英反谐振层4上。
所述基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构利用以下方法进行设计，在设计之前，预先设置基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤需要的基本参数，空芯光子带隙光纤的传输波长λ选择通讯中常用的1550nm，纤芯1的半径r选择七芯空芯光子带隙光纤常用的5.7μm，空气孔包层2的层数设置为4层。
具有步骤如下：
步骤一、对第一空气反谐振层的内径r1进行设计。
在设计过程中，去掉石英反谐振层4与第二空气反谐振层5，计算当第一空气反谐振层3的厚度为理论最优值0.65r，即3.705μm时，其限制损耗随第一空气反谐振层3的内径r1的变化情况。实际设计过程中，使用有限元计算软件Comsol Multiphysics进行仿真，仿真结果如图2所示，发现限制损耗随内径r1的变化剧烈。在内径r1范围为23.8-24.1μm时，损耗相对较小且距离空气孔包层较近，当r1＝24μm时，限制损耗较小，且距离空气孔包层较近。故选择第一空气反谐振层的内径r1＝24μm。
整个光纤结构的直径以外部石英层7的外直径为准，一般为125um。增加三个新增层会占用之前外部石英层7的空间，相当于增加了外部石英层7的内径，但其外径仍然保持不变，仍为125um。
步骤二、设计第一空气反谐振层3的厚度和第二空气反谐振层5的厚度；二者厚度相等，均为h。
对于空气反谐振层，其理论最优厚度h计算公式如下：
Figure BDA0002659110890000041
公式(1)中，λ为传输波长，取为1550nm，neff为基模对应的等效模式折射率，h经过简化可约等于
Figure BDA0002659110890000042
u为零阶贝塞尔函数的第一个零点值，为2.405，r为纤芯1的半径。进一步化简计算得知，第一空气反谐振层3的厚度和第二空气反谐振层5的厚度h为0.65r。可见，第一空气反谐振层3的厚度和第二空气反谐振层5的厚度h与传输波长λ无关，只与纤芯1的半径r成线性对应关系。由于纤芯1的半径r取为5.7μm，代入公式(1)中计算可知，第一空气反谐振层3和第二空气反谐振层5的理论厚度h＝3.705μm。实际设计过程中，使用有限元计算软件Comsol Multiphysics进行仿真，对h进行优化，仿真结果如图3所示，发现在h＝3.25μm时，限制损耗最小，与理论厚度相近。故选第一空气反谐振层3的厚度和第二空气反谐振层5的厚度h均为3.25μm。
步骤三、对石英反谐振层5的厚度t进行设计。
在设计过程中，石英反谐振层5的理论最优厚度的计算公式如下式：
Figure BDA0002659110890000051
公式(2)中，t为石英反谐振层5的厚度，m为自然数，λ为传输波长，取为1550nm，n为石英的折射率，为1.445。计算可得，当m＝0时，t＝372nm，当m＝1时，t＝1116nm，当m＝2时，t＝1860nm，得到石英反谐振层厚度t的三组理论值。因为石英反谐振层5的厚度t不宜过小或过大，因而选择m＝1的情况进行优化。实际设计过程中，使用有限元计算软件ComsolMultiphysics进行仿真，对上述三组理论值进行优化，仿真结果如图4所示，仿真优化后的最优厚度为1.17μm。
步骤四、对支撑石英壁6的厚度p进行设计。
在设计过程中，使用有限元计算软件Comsol Multiphysics进行仿真，仿真结果如图5所示，支撑石英壁的厚度范围为0.25-0.375μm时限制损耗相对较小，进一步优选得到最优厚度为0.35μm。
通过上述方法设计得到一种基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构，第一空气反谐振层的内径r1优选为24μm，第一空气反谐振层3的厚度和第二空气反谐振层5的厚度h优选为3.25μm，石英反谐振层5的厚度t优选为1.17μm，支撑石英壁的厚度优选为0.35μm。
通过本发明所述基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构与4层和6层结构的空芯光子带隙光纤的损耗谱计算对比，如图6所示，可以看出，基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构的限制损耗相比于4层结构的空芯光子带隙光纤的限制损耗降低了55倍，与6层结构的空芯光子带隙光纤的限制损耗只增加了13倍。
通过上述设计方法设计所得的基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤结构，外加了2层空气反谐振层与1层石英反谐振层，同时增加了支撑石英反谐振层的支撑石英壁，有效地降低了限制损耗的大小，在1550nm的传输波长下有0.28dB/km的理论限制损耗。同时保证了空气孔数量较少，降低了光纤拉制难度。

Claims (3)

1.一种基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤，其特征在于，包括由内到外依次同心连接的纤芯、空气孔包层、第一空气反谐振层、石英反谐振层、第二空气反谐振层和外部石英层；
在两个空气反谐振层中沿圆周均匀分布若干支撑石英壁，第二空气反谐振层中的支撑石英壁两端分别固定在外部石英层和石英反谐振层上，第一空气反谐振层中的支撑石英壁两端分别固定在空气孔包层和石英反谐振层上；
所述的第一空气反谐振层的内径r1
具体计算过程为：首先，去掉石英反谐振层与第二空气反谐振层，使用有限元计算软件进行仿真，当第一空气反谐振层的厚度为理论最优值3.705μm时，其限制损耗随第一空气反谐振层的内径r1的变化为：当r1＝24μm时，限制损耗相对较小且距离空气孔包层较近；
所述的第一空气反谐振层与第二空气反谐振层的厚度计算公式如下：
Figure FDA0003368696520000011
λ为传输波长，neff为基模对应的等效模式折射率，u为零阶贝塞尔函数的第一个零点值，r为纤芯的半径；
可知，第一空气反谐振层的厚度和第二空气反谐振层的厚度h与传输波长λ无关，只与纤芯的半径r成线性对应关系，使用有限元计算软件进行仿真，对h进行优化，当第一空气反谐振层和第二空气反谐振层的厚度相等，且均为3.25μm时限制损耗最小；
所述的石英反谐振层的理论最优厚度t的计算公式如下：
Figure FDA0003368696520000012
m为自然数，取值为0，1和2；n为石英的折射率；
使用有限元计算软件进行仿真：当m＝0时，t＝372nm，当m＝1时，t＝1116nm，当m＝2时，t＝1860nm，得到石英反谐振层厚度的三组理论值。
2.如权利要求1所述的一种基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤，其特征在于，所述的两个空气反谐振层中沿圆周均匀分布若干支撑石英壁中相邻支撑石英壁的间隔角度为θ＝30°。
3.如权利要求1所述的一种基于外加反谐振层的空芯光子带隙光纤，其特征在于，所述的支撑石英壁的厚度p范围为0.25-0.375μm时限制损耗相对较小。
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