CN112230329A - 一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤 - Google Patents

一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤，包括：包层区和纤芯区；包层区为8个包层石英管顺序排布，相邻两个包层石英管之间嵌入有圆形支撑管，8个包层石英管从正上方开始顺时针依次编号为1‑8；其中，位于光纤水平方向左右两侧的编号为3和7的两个包层石英管为椭圆形；其余6个包层石英管为混合包层石英管，混合包层石英管由半个圆形石英管和半个椭圆形石英管组成，半个圆形石英管的直径和半个椭圆形石英管的短轴相等；在混合包层石英管的半个圆形石英管中嵌套有圆形嵌套管；半个椭圆形石英管的石英玻璃壁的厚度t2大于其他包层石英管的玻璃壁厚度t1；8个包层石英管围成的区域为纤芯区，纤芯区包括椭圆纤芯孔。本发明的光纤损耗小。

Description

一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，特别涉及到一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤。
背景技术
光纤作为新一代的传输介质已经广泛用于信息传输领域。目前，现有的通信光纤主要有传统单模光纤，光子晶体光纤以及空芯负曲率光纤等。空芯负曲率光纤传输机理为反谐振效应，其导模在空气介质中传播。单偏振传输的空芯负曲率光纤仅容许基模的某一个偏振方向的光传输，可以避免信号传输过程中的模间串扰等问题，因此更适合光纤通信系统。目前，人们设计的通用的单偏振传输光纤的方式主要有：
纤芯或者包层中引入双折射结构，通过在纤芯或者包层引入双折射中引入双折射结构，纤芯中基模的2个偏振模式解除简并，使得某一个方向的偏振模式转化为高损耗的泄露模，进而实现单偏振传输。
借助表面等离子体谐振(SPR)效应，在光纤中填充或者镀金、银等金属，借助SPR效应，使得纤芯基模的某一个偏振模式和表面等离子体极化(SPP)模耦合，形成高损耗模式，只剩下另一个偏振方向的模式传输。
借助具有高双折射液体填充，通过在纤芯中填充液晶等材料，使得芯模的具有很高的双折射特性，实现单偏振输出。
对于空芯负曲率光纤而言，其材料只有二氧化硅和空气2种，其基模在空气中传输，传输机理为反谐振效应。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤，以解决上述提到的技术问题，具体如下：
本发明提供的一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤，包括：包层区和纤芯区；所述包层区为8个包层石英管顺序排布，相邻两个所述包层石英管之间夹角为44.6～45.4度，相邻两个所述包层石英管之间嵌入有圆形支撑管，所述圆形支撑管的直径为d4，所述8个包层石英管从正上方开始顺时针依次编号为1-8；其中，位于所述光纤水平方向左右两侧的编号为3和7的两个所述包层石英管为椭圆形，所述编号为3和7的两个椭圆包层石英管的长轴长度为d2，短轴长度为d3；其余6个所述包层石英管为混合包层石英管，所述混合包层石英管由半个圆形石英管和半个椭圆形石英管组成，所述半个圆形石英管的直径和半个椭圆形石英管的短轴相等，所述混合包层石英管的半椭圆的长轴长度为d2，短轴长度为d3，半个圆形石英管的直径为d3；在所述混合包层石英管的半个圆形石英管中嵌套有圆形嵌套管，所述圆形嵌套管的直径为d5，所述圆形嵌套管的直径d5小于半个圆形石英管的半径；所述编号为1和5的两个所述包层石英管中，半个椭圆形石英管的石英玻璃壁的厚度t2大于其他所述包层石英管的玻璃壁厚度t1；
所述8个包层石英管围成的区域为纤芯区，所述纤芯区包括椭圆纤芯孔，所述椭圆纤芯孔的长轴长度为d1，短轴长度为d6，d1>d6>d2>d3>d4>d5。
可选的，所述椭圆纤芯孔的长轴长度d1的范围为：29μm～31μm，短轴长度d6的范围为：25μm～27μm。
可选的，6个所述混合石英玻璃管，其半椭圆部分的长轴长度d2的范围为：19μm～21μm，其半椭圆部分的短轴长度d3的范围为：15μm～17μm，其半圆部分的直径d3的范围为：15μm～17μm。
可选的，6个所述混合石英玻璃管，其半圆部分的直径d3的范围为：15μm～17μm。
可选的，所述编号为3和7的两个椭圆包层石英管的长轴长度为d2的范围为：19μm～21μm，其短轴长度d3的范围为：15μm～17μm。
可选的，8个所述石英玻璃支撑管，其直径d4的范围为：3.3um～3.5um。
可选的，6个所述石英玻璃嵌套管，其直径d5的范围为：2.9um～3.1um。
可选的，所述包层石英管的玻璃壁厚度t1的范围是：0.4μm～0.6μm。
可选的，所述半个椭圆形石英管的石英玻璃壁的厚度t2的范围是：1.502μm～1.504μm。
可选的，8个所述包层管相邻管之间夹角为45度。
本发明提出一种单偏振低损耗混合包层管空芯负曲率光纤，具有以下优点：在波长范围1414nm-1421nm波段内损耗小于0.5dB/m。在波长范围为1415nm-1423nm，1427nm-1429nm，1462nm-1466nm，1492nm-1494nm四个波段的偏振损耗比的绝对值大于102，是单偏振传输，其偏振带宽分别为9nm、3nm、5nm、3nm。本光纤在波长为1418nm处的偏振损耗比达到了3168，在1427nm处偏振损耗比达到了599，在1464nm处偏振损耗比达到了273，在1493nm处偏振损耗比达到了320。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的单偏振低损耗空芯负曲率光纤截面图。
图2是本发明的单偏振低损耗空芯负曲率光纤模式有效折射率随波长的变化关系。
图3是本发明的单偏振低损耗空芯负曲率光纤限制损耗随波长的变化关系。
图4是本发明的单偏振低损耗空芯负曲率光纤偏振损耗比随波长的变化关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤的一个实施例，其截面结构示意图如图1所示。包括：包层区和纤芯区；所述包层区为8个包层石英管均匀排布，相邻两个所述包层石英管之间夹角为44.6～45.4度，相邻两个所述包层石英管之间嵌入有圆形支撑管，共8个圆形支撑管，用于稳定支撑其相邻的包层石英管，所述8个圆形支撑管从正上方右侧开始顺时针依次编号为16-23，所述圆形支撑管的直径为d4，所述8个包层石英管从正上方开始顺时针依次编号为1-8；其中，位于所述光纤水平方向左右两侧的编号为3和7的两个所述包层石英管为椭圆形，所述编号为3和7的两个椭圆包层石英管的长轴长度为d2，短轴长度为d3；其余6个所述包层石英管为混合包层石英管，所述混合包层石英管由半个圆形石英管和半个椭圆形石英管组成，所述半个圆形石英管的直径和半个椭圆形石英管的短轴相等，半个圆形石英管的直径和半个椭圆形石英管的短轴长度相等，其连接边界为一条石英壁(长度为d3)。所述混合包层石英管的半椭圆的长轴长度为d2，短轴长度为d3，半个圆形石英管的直径为d3；在所述混合包层石英管的半个圆形石英管中嵌套有圆形嵌套管，共6个圆形嵌套管，所述6个圆形嵌套管从正上方开始顺时针依次编号为10-15，所述圆形嵌套管的直径为d5，所述圆形嵌套管的直径d5小于半个圆形石英管的半径；所述编号为1和5的两个所述包层石英管中，半个椭圆形石英管的石英玻璃壁的厚度t2大于其他所述包层石英管的玻璃壁厚度t1；通过圆形嵌套管和混合包层石英管的石英壁形成5层反谐振壁，从而增强光纤包层对光的限制能力。通过选择性改变同一直线上的2个半椭圆管环的管环壁厚度，使芯模的一个偏振态满足谐振条件来实现光纤的单偏振传输。
所述8个包层石英管围成的区域为纤芯区，所述纤芯区包括椭圆纤芯孔9，所述椭圆纤芯孔9的长轴长度为d1，短轴长度为d6，d1>d6，所述椭圆纤芯孔9的长轴距离为编号为1和5的两个所述包层石英管的边缘距离，所述椭圆纤芯孔9的短轴距离为编号为3和7的两个所述包层石英管的边缘距离。
可选的，所述椭圆纤芯孔的长轴长度d1的范围为：29μm～31μm，短轴长度d6的范围为：25μm～27μm。设置纤芯为椭圆纤芯，进一步增强光纤的双折射特性，且较小的纤芯孔径使得光纤具备更好的单模特性和双折射特性。
可选的，6个所述混合石英玻璃管，其半椭圆部分的长轴长度d2的范围为：19μm～21μm，其半椭圆部分的短轴长度d3的范围为：15μm～17μm，其半圆部分的直径d3的范围为：15μm～17μm。
可选的，6个所述混合石英玻璃管，其半圆部分的直径d3的范围为：15μm～17μm。
可选的，所述编号为3和7的两个椭圆包层石英管的长轴长度为d2的范围为：19μm～21μm，其短轴长度d3的范围为：15μm～17μm。
可选的，8个所述石英玻璃支撑管，其直径d4的范围为：3.3um～3.5um。通过合理设置支撑管尺寸及结构会能使包层管更加稳定，从而更容易拉制。
可选的，6个所述石英玻璃嵌套管，其直径d5的范围为：2.9um～3.1um。
可选的，所述包层石英管的玻璃壁厚度t1的范围是：0.4μm～0.6μm。
可选的，所述半个椭圆形石英管的石英玻璃壁的厚度t2的范围是：1.502μm～1.504μm。
可选的，8个所述包层管相邻管之间夹角为45度，以实现包层管均匀的分布。
纤芯区域为8个石英玻璃管所围成的区域。因为纤芯填充材料为空气，空气的折射率低于包层石英玻璃管的石英折射率，因此，该光纤的导光机制不是全内反射。此空芯光纤也没有光子带隙结构，因此也不是光子带隙的导光机制。此光纤的导光机制为反谐振。在传统嵌套管负曲率光纤中，引入反谐振壁来增强光纤包层对光的限制能力。包层对光的限制能力与反谐振壁的数量成正比，因此，在本实施例中，通过加入嵌套管和半圆与半椭圆相连的石英壁引入5层反谐振壁，从而增强光纤包层对光的限制能力。此外，本实施例中，光纤在石英玻璃管之间引入支撑环，一方面可以降低损耗，另一方面起到对光纤的支撑作用，使得光纤更容易制备。本光纤，通过选择性改变同一直线上的2个半椭圆管环的管环壁厚度，使芯模的一个偏振态满足谐振条件来实现光纤的单偏振传输。具体实验效果如图2-4所示。
本发明的一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤的一个实施例，其光纤模式有效折射率随波长的变化关系如图2所示。当某一偏振方向管模的有效折射率实部的曲线与该偏振方向的基模的有效折射率实线的曲线相交时，即2个模式的有效折射率实部相等的时候，该偏振方向的基模的有效折射率会发生突变，即产生反交叉点。
本发明的一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤的一个实施例，光纤限制损耗随波长的变化关系如图3所示。当图2中的某一偏振方向管模的有效折射率实部的曲线与该偏振方向的基模的有效折射率实部的曲线相交时，在此波长下的该偏振方向的基模的有效折射率虚部也会发生突变，从而使得该基模的限制损耗发生突变。但是，此波长下的另一个偏振方向的基模的有效折射率虚部不会发生突变，从而该偏振方向的基模的限制损耗不会发生突变。继而，对于该波长下的2个偏振方向的基模的限制损耗相差较大，从而实现单偏振传输。
本发明的一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤的一个实施例，偏振损耗比随波长的变化关系如图4所示。
当图2中的某一偏振方向管模的有效折射率实部的曲线与该偏振方向的基模的有效折射率实部的曲线相交时。或者，当图3中某一偏振方向的基模的限制损耗发生突变的时候。对应的，在该波长下的损耗比会变大。图中的四个传输带即是损耗比大于100的传输带，认为在该传输带内的波长下，可实现单偏振传输。
本发明中，纤芯孔9的长轴d1的范围为：29μm～31μm，短轴d5的范围为：25um-27um。6个混合石英玻璃管，其半椭圆部分的长半轴d2的范围为：19μm～21μm。6个混合石英玻璃管，其半圆部分的直径d3的范围为：15μm～17μm。6个混合石英玻璃管，其半椭圆部分的短轴长度d3的范围为：15μm～17μm。6个混合石英玻璃管，其半圆和半椭圆连接边界的石英壁的长度d3的范围为：15μm～17μm。2个椭圆石英玻璃管，其长轴长度d2的范围为：19μm～21μm。2个椭圆石英玻璃管，其短轴长度d3的范围为：15μm～17μm。8个石英玻璃支撑管，其直径d4的范围为：3.3um～3.5um。6个石英玻璃嵌套管，其直径d5的范围为：2.9um～3.1um。t1的范围是：0.4μm～0.6μm。t2的范围是：1.502μm～1.504μm。8个混合包层管相邻管之间夹角为44.6～45.4度。
通过上述参数的设置，可以使得在波长范围1414nm-1421nm波段内损耗小于0.5dB/m。在波长范围为1415nm-1423nm，1427nm-1429nm，1462nm-1466nm，1492nm-1494nm四个波段的偏振损耗比的绝对值大于102，是单偏振传输，其偏振带宽分别为9nm、3nm、5nm、3nm。本光纤在波长为1418nm处的偏振损耗比达到了3168，在1427nm处偏振损耗比达到了599，在1464nm处偏振损耗比达到了273，在1493nm处偏振损耗比达到了320。可见，本实施例的光纤结构能够实现单偏振、低损耗的效果。
实施例一：芯区的长轴长度d1的范围为：29μm，短轴长度d6的范围为：25um。所述2个椭圆石英玻璃管，其长轴长度d2的范围为：19μm，短轴长度d3的范围为：15μm。所述6个混合石英玻璃管，其半椭圆部分的长轴长度d2的范围为：19μm。所述6个混合石英玻璃管，其半圆部分的直径d3的范围为：15μm。所述6个混合石英玻璃管，其半椭圆部分的短轴长度d3的范围为：15μm。所述6个混合石英玻璃管，其半圆与半椭圆连接边界的石英壁的长度d3的范围为：15μm。所述8个石英玻璃支撑管，其直径d4的范围为：3.3um。所述6个石英玻璃嵌套管，其直径d5的范围为：2.9um。所述t1的范围是：0.4μm。所述t2的范围是：1.502μm。所述8个包层管相邻管之间夹角为44.6度。
实施例二：芯区的长轴d1的范围为：31μm，短轴d6的范围为：27um。所述2个椭圆石英玻璃管，其长轴长度d2的范围为：21μm，短轴长度d3的范围为：17μm。所述6个混合石英玻璃管，其半椭圆部分的长轴长度d2的范围为：21μm。所述6个混合石英玻璃管，其半圆部分的直径d3的范围为：17μm。所述6个混合石英玻璃管，其半椭圆部分的短轴长度d3的范围为：17μm。所述6个混合石英玻璃管，其半圆与半椭圆连接边界的石英壁的长度d3的范围为：17μm。所述8个石英玻璃支撑管，其直径d4的范围为：3.5um。所述6个石英玻璃嵌套管，其直径d5的范围为：3.1um。所述t1的范围是：0.6μm。所述t2的范围是：1.504μm。所述8个混合包层管相邻管之间夹角为45.4度。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (10)

1.一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤，其特征在于包括：包层区和纤芯区；
所述包层区为8个包层石英管顺序排布，相邻两个所述包层石英管之间夹角为44.6～45.4度，相邻两个所述包层石英管之间嵌入有圆形支撑管，所述圆形支撑管的直径为d4，8个所述包层石英管从正上方开始顺时针依次编号为1-8；其中，位于所述光纤水平方向左右两侧的编号为3和7的两个所述包层石英管为椭圆形，所述编号为3和7的两个椭圆包层石英管的长轴长度为d2，短轴长度为d3；其余6个所述包层石英管为混合包层石英管，所述混合包层石英管由半个圆形石英管和半个椭圆形石英管组成，所述半个圆形石英管的直径和半个椭圆形石英管的短轴相等，所述混合包层石英管的半椭圆的长轴长度为d2，短轴长度为d3，半个圆形石英管的直径为d3；在所述混合包层石英管的半个圆形石英管中嵌套有圆形嵌套管，所述圆形嵌套管的直径为d5，所述圆形嵌套管的直径d5小于半个圆形石英管的半径；所述编号为1和5的两个所述包层石英管中，半个椭圆形石英管的石英玻璃壁的厚度t2大于其他所述包层石英管的玻璃壁厚度t1；
所述8个包层石英管围成的区域为纤芯区，所述纤芯区包括椭圆纤芯孔，所述椭圆纤芯孔的长轴长度为d1，短轴长度为d6，d1>d6>d2>d3>d4>d5。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述椭圆纤芯孔的长轴长度d1的范围为：29μm～31μm，短轴长度d6的范围为：25μm～27μm。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，6个所述混合石英玻璃管，其半椭圆部分的长轴长度d2的范围为：19μm～21μm，其半椭圆部分的短轴长度d3的范围为：15μm～17μm，其半圆部分的直径d3的范围为：15μm～17μm。
4.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于，6个所述混合石英玻璃管，其半圆部分的直径d3的范围为：15μm～17μm。
5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述编号为3和7的两个椭圆包层石英管的长轴长度为d2的范围为：19μm～21μm，其短轴长度d3的范围为：15μm～17μm。
6.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，8个所述石英玻璃支撑管，其直径d4的范围为：3.3um～3.5um。
7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，6个所述石英玻璃嵌套管，其直径d5的范围为：2.9um～3.1um。
8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述包层石英管的玻璃壁厚度t1的范围是：0.4μm～0.6μm。
9.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述半个椭圆形石英管的石英玻璃壁的厚度t2的范围是：1.502μm～1.504μm。
10.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，8个所述包层管相邻管之间夹角为45度。
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