CN112526669B - 一种空心反谐振光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空心反谐振光纤，通过在毛细管4内设置U形玻璃结构5与毛细管4的接触节点远离纤芯区域1，可以有效避免Fano谐振现象，从而使光纤具有稳定的损耗谱特征，获得较大的传输带宽，并且在保证较大的传输带宽的同时，通过调整U形玻璃结构5将毛细管4的空腔划分为第一类孔6和第二类孔7，使得毛细管4和U形玻璃结构5的空腔面积分布均匀，从而可以使得两个玻璃层(高折射率层)之间的泄漏更小，进而进一步降低光纤损耗。

Description

一种空心反谐振光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种空心反谐振光纤。

背景技术

随着全球互联网、物联网、数据中心、人工智能等领域的飞速发展，新型应用场景不断涌现。比如无人驾驶、云计算、VR/AR等，导致全球IP业务流量呈指数级增加，其信息传输严重依赖于通信系统的传输速率和传输容量，使得人们对通信网络的传输性能提出更高的需求。但由于材料固有的缺陷，实心光纤具有瑞利散射、材料色散、克尔非线性等问题，导致现有光纤的传输损耗难以进一步降低。因此，现有技术提出空心光纤，空心光纤以空气作为传播介质，使光信号以最快的速度沿光纤传播，且不会受光纤色散和非线性效应的影响，理论上其损耗特性要优于实心光纤。

如空心反谐振光纤，其作为典型的空心光纤，基于反谐振反射光波导(ARROW)理论，通过在光纤包层引入一定厚度的玻璃来实现光波的相干相消，从而将模场约束在纤芯内，有效减少传输信号的能量泄漏。理论认为，当光波的波长满足谐振条件时损耗会达到峰值；而当满足反谐振条件时，即介于损耗峰值之间的波长具有低损耗，因此反谐振空心光纤具有宽带宽的工作波长范围。但是，如图1所示，现有的rod结构空心反谐振光纤通过玻璃棒将小的毛细管固定在大的毛细管内部，增加额外的反谐振层从而降低光纤损耗，可同时玻璃棒与大小毛细管连接，造成Fano谐振使损耗产生振荡，传输带宽也因此受限变窄。

又如在中国申请的专利“一种低损耗空芯反谐振光纤”(公开日2020.07.31，公开号CN111474627A)所公开的光纤结构，如图2所示，其针对光纤的低损耗提出了多层空心反谐振光纤的设计，将联合的毛细管和弧形层固定在光纤的包层区域，使多个反谐振层束缚纤芯的光场，从而降低传输损耗，但是联合的毛细管会引入节点，不可避免的也会造成损耗光谱振荡，限制了传输带宽范围。

可见，现有的空心反谐振光纤设计中，会通过添加额外的玻璃结构来降低损耗，但这些新增加的玻璃结构增加了传输光信号的接触节点，且节点靠近纤芯又会引起显著的Fano谐振现象，导致其损耗谱呈振荡变化状态，进而降低传输带宽，使工作波长范围变窄。然而，如果将新增加的玻璃结构设置在毛细管距离纤芯较远的一端，且仅保留一个接触点，即可以获得较大的传输带宽，但同时又会影响光纤损耗增大。因此，低损耗和宽带宽往往是矛盾的，如何在保证较大的传输带宽同时进一步降低光纤损耗是一个亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种空心反谐振光纤，能够在保证较大的传输带宽同时进一步降低光纤损耗。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明实施例公开一种空心反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域1和高折射率的包层区域，所述包层区域包括内包层区域2和外包层区域3，所述外包层区域3依次包覆所述内包层区域2和所述纤芯区域1，所述内包层区域2包括毛细管4以及内部的U形玻璃结构5，所述U形玻璃结构5将所述毛细管4的空腔划分为第一类孔6和第二类孔7。

进一步地，至少四个相同结构的毛细管4彼此间隔、呈均匀周向分布围绕纤芯区域1，所述毛细管4通过所述外包层区域3的内边缘固定，所述毛细管4内包括U形玻璃结构5，所述U形玻璃结构5的弧形端与所述毛细管4经向分离，所述U形玻璃结构5的厚度跟所述毛细管4的管壁厚度相同；所述U形玻璃结构5的弧形端半径r的取值范围为0.26*R～0.44*R，所述U形玻璃结构5的弧形端与所述毛细管4经向分离的距离z的取值范围为0.35*R～0.55*R，其中R为所述毛细管4的半径。

进一步地，所述外包层区域3、所述毛细管4和所述U形玻璃结构5均为采用高折射率材料制成的高折射率物质，所述纤芯区域1和所述内包层区域2的空腔内、所述第一类孔6和所述第二类孔7内均填充有低折射率物质。

进一步地，所述高折射率材料为二氧化硅、PVC软质水晶板或塑料；所述低折射率物质为气体或液体。

进一步地，所述低折射率物质为空气。

进一步地，所述U形玻璃结构5的开口端宽度为弧形端半径的两倍。

进一步地，所述U形玻璃结构5的弧形端半径r的取值范围具体为0.41*R～0.44*R。

进一步地，所述毛细管4的管壁厚度t通过以下公式表示：

式中，λ为反谐振中心波长，M为反谐振阶数，M为大于或等于1的正整数，n_g为所述高折射率物质的折射率，n_a为所述低折射率物质的折射率。

进一步地，所述毛细管4的半径通过以下公式表示：

式中，N为所述毛细管4的数量，N≥4，g为任意两个相邻的毛细管4之间的间隙，g>0，D为所述纤芯区域1的直径，t为所述毛细管4的管壁厚度。

进一步地，所述任意两个相邻的毛细管4之间的间隙g的取值范围为1～5μm。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明公开一种空心反谐振光纤，通过在毛细管4内设置U形玻璃结构5与毛细管4的接触节点远离纤芯区域1，可以有效避免Fano谐振现象，从而使光纤具有稳定的损耗谱特征，获得较大的传输带宽，并且在保证较大的传输带宽的同时，通过调整U形玻璃结构5将毛细管4的空腔划分为第一类孔6和第二类孔7，使得毛细管4和U形玻璃结构5的空腔面积分布均匀，从而可以使得两个玻璃层(高折射率层)之间的泄漏更小，进而进一步降低光纤损耗。

附图说明

图1是现有的一种空心反谐振光纤的结构示意图。

图2是现有的一种低损耗空心反谐振光纤的结构示意图。

图3为本发明实施例一种空心反谐振光纤的结构示意图。

图4为本发明实施例一种空心反谐振光纤的参数标注图。

图5为本发明实施例一种空心反谐振光纤的模场分布仿真图。

图6为实施例1光纤基模的损耗谱。

图7为实施例1高阶模的损耗谱和损耗比谱。

图8为实施例2光纤基模的损耗谱。

图9为实施例2高阶模的损耗谱和损耗比谱。

其中：1、纤芯区域；2、内包层区域；3、外包层区域；4、毛细管；5、U形玻璃结构；6、第一类孔；7、第二类孔。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图3所示，本发明实施例提供一种空心反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域1和高折射率的包层区域，包层区域包括内包层区域2和外包层区域3，外包层区域3依次包覆内包层区域2和纤芯区域1，内包层区域2包括毛细管4以及内部的U形玻璃结构5，U形玻璃结构5将毛细管4的空腔划分为第一类孔6和第二类孔7。

可选地，至少四个相同结构的毛细管4彼此间隔、呈均匀周向分布围绕纤芯区域1，毛细管4通过外包层区域3的内边缘固定，毛细管4内包括U形玻璃结构5，U形玻璃结构5的弧形端与毛细管4经向分离，U形玻璃结构5的厚度跟毛细管4的管壁厚度相同。其中，至少四个相同结构的毛细管4的直径、折射率分布和厚度均相同。

可选地，外包层区域3、毛细管4和U形玻璃结构5均为采用高折射率材料制成的高折射率物质，该高折射率材料一般可为二氧化硅(俗称玻璃)、PVC软质水晶板(又称软玻璃)或塑料等，而纤芯区域1和内包层区域2的空腔内、第一类孔6和第二类孔7内均填充有低折射率物质，可以根据具体应用领域(如传感领域)的需求，选择填充气体或液体等低折射率物质，一般可选为空气。其中，外包层区域3的厚度不需限定，可以根据实际应用场景而确定。

如图4所示，D为纤芯区域1的直径，R为毛细管4的半径，g为任意两个相邻的毛细管4之间的间隙，t为毛细管4的管壁厚度，R为毛细管4的半径，r为U形玻璃结构5的弧形端半径，z为U形玻璃结构5的弧形端与毛细管4经向分离的距离，d为U形玻璃结构5的开口端宽度，由几何原理易得U形玻璃结构5的开口端宽度为弧形端半径的两倍，即d是r的两倍。

其中，纤芯区域1的直径D根据实际情况选定，参考取值范围是35～50μm。任意两个相邻的毛细管4之间的间隙g不宜过大，否则会使能量泄漏增加，同时不能为0，否则会形成节点，参考取值范围是1～5μm，在制备工艺允许下越小越好。

需要说明的是，U形玻璃结构5的厚度跟毛细管4的管壁厚度均满足反谐振调节，实现光波的相干相消，从而抑制光的泄漏，降低光纤损耗。

可选地，毛细管4的管壁厚度或U形玻璃结构5的厚度t可以根据光纤的目标传输波段和目标传输窗口(即带宽)等选定，通过以下公式(1)表示：

式中，λ为反谐振中心波长，其为自由空间(真空中)光波的波长，可以认为是目标传输波段的中心波长，n_g为高折射率物质的折射率，n_a为低折射率物质的折射率，M为反谐振阶数，M取正整数(1，2，3，……)，M越大，传输窗口越小，即带宽越小，在本发明公开的2个实施例中选取M＝1。

在D、g和t确定时，毛细管4的半径R由几何关系决定，毛细管4的半径R通过以下公式(2)表示：

式中，N为毛细管4的数量，N≥4，一般为5或6。g为任意两个相邻的毛细管4之间的间隙，g>0，D为纤芯区域1的直径，t为毛细管4的管壁厚度。

其中，U形玻璃结构5的弧形端半径r、弧形端与毛细管4经向分离的距离z以及U形玻璃结构5的开口端宽度d对光纤的损耗起重要影响，其中d与r相互限制，关系为d＝2r，因此仅考虑r和z的取值范围即可。为实现在宽带宽的同时进一步降低损耗，需设置U形玻璃结构5的弧形端半径r的取值范围为0.26*R～0.44*R，U形玻璃结构5的弧形端与毛细管4经向分离的距离z的取值范围为0.35*R～0.55*R，其中R为毛细管4的半径。

更进一步可选地，光纤的单模特性可以用其高阶模与基模的损耗比来衡量，损耗比越大，单模特性越好，目前在空心光纤领域，损耗比最高纪录在10的5次方量级。因此，若在宽带宽、低损耗的同时想要获得良好的单模特性，即需要抑制光纤的高阶模、增大高阶模的损耗，从而使光纤在传输较短距离后即可保持单模传输，那么可以在上述参数范围基础上，设置U形玻璃结构5的弧形端半径r的取值范围缩小为0.41*R～0.44*R，U形玻璃结构5的弧形端与毛细管4经向分离的距离z因影响很小可忽略不计，其取值范围保持为0.35*R～0.55*R。

如此，通过进一步调整U形玻璃结构的大小参数，还可以抑制包层空腔的泄漏模式的有效传播常数，使其接近或等于高阶模式的有效折射率，从而控制泄漏模式与高阶模式的耦合程度，提高光纤的高阶模损耗，增大高阶模与基模损耗比，改善光纤的单模特性。

可选地，本发明实施例中，可以通过基于有限元法的COMSOL Multiphysics仿真软件对光纤的模场分布进行仿真，可得仿真结果如图5所示，能量集中于光纤的纤芯区域。

实施例1

如图4所示，假设目标传输波段为1.2～2μm，目标传输窗口(即带宽)为800nm，同时损耗尽可能降低，可以选取第一组参数为：纤芯区域1的直径D＝40μm，毛细管4的数量N＝5，任意两个相邻的毛细管4之间的间隙g＝3.3μm，根据物理特性，波长越长时光纤的损耗越大，因此反谐振中心需往长波长方向偏移，反谐振中心波长λ设为2.1μm，通过公式(1)可求得毛细管4的管壁厚度和U形玻璃结构5的厚度t＝0.5μm，通过公式(2)可求得毛细管4的半径R＝24μm，那么可取U形玻璃结构5的弧形端与毛细管4经向分离的距离z＝10.5μm，U形玻璃结构5的弧形端半径r＝8.6μm，U形玻璃结构5的开口端宽度d＝17.2μm。

其中，第一组参数的仿真结果如图6-7所示，图6为第一组参数下光纤基模(LP01)的损耗谱，其横坐标为波长，纵坐标为基模(LP01)的限制损耗，图7为第一组参数下高阶模(LP11)的损耗谱和损耗比谱，其中实线为高阶模(LP11)的损耗谱，虚线为高阶模(LP11)和基模(LP01)的损耗比谱。

如图6所示，光纤基模(LP01)的损耗谱表明在波长范围1200～2050nm内损耗均低于0.01dB/km，尤其在波长1575nm处，该光纤损耗最低至0.0013dB/km。另外，其单模特性如图7所示，在波长范围1200～2200nm内，高阶模与基模损耗比均超过100。

可见，本实施例公开一种空心反谐振光纤，在具有很宽的带宽(850nm)的同时，还能维持低损耗(0.01dB/km)，与现有光纤结构设计相比，本实施例所公开的空心反谐振光纤在损耗和带宽两个方面综合性能优异。

实施例2

如图4所示，假设目标传输波段为1.5～2μm，目标传输窗口(即带宽)为500nm，在宽带宽、低损耗的同时想具有良好的单模特性，可以选取第二组参数为：纤芯区域1的直径D＝40μm，毛细管4的数量N＝5，任意两个相邻的毛细管4之间的间隙g＝3.3μm，根据物理特性，波长越长时光纤的损耗越大，因此反谐振中心需往长波长方向偏移，反谐振中心波长λ设为2.1μm，通过公式(1)可求得毛细管4的管壁厚度和U形玻璃结构5的厚度t＝0.5μm，通过公式(2)可求得毛细管4的半径R＝24μm，那么可取U形玻璃结构5的弧形端与毛细管4经向分离的距离z＝10μm，U形玻璃结构5的弧形端半径r＝10.3μm，U形玻璃结构5的开口端宽度d＝20.6μm。

其中，第二组参数的仿真结果如图8-9所示，图8为第二组参数下光纤基模(LP01)的损耗谱，其横坐标为波长，纵坐标为基模(LP01)的限制损耗，图9为第二组参数下高阶模(LP11)的损耗谱和损耗比谱，其中实线为高阶模(LP11)的损耗谱，虚线为高阶模(LP11)和基模(LP01)的损耗比谱。

如图8所示，光纤基模(LP01)的损耗谱表明在波长范围1200～2050nm内损耗均低于0.02dB/km，尤其在波长1550nm处，该光纤损耗最低至0.0056dB/km。另外，其单模特性如图9所示，在波长范围1200～2050nm内，高阶模与基模损耗比均超过100000，达到前所未有的最高损耗比记录(10的6次方量级)。

可见，本实施例公开一种空心反谐振光纤，在具有很宽的带宽(850nm)的同时在该带宽范围内维持低损耗(0.02dB/km)，并且在该带宽范围内获得单模特性(损耗比超过100000)，与现有光纤结构设计相比，本实施例所公开的空心反谐振光纤在损耗、带宽和单模特性三个方面综合性能优异。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空心反谐振光纤，其特征在于，包括低折射率的纤芯区域(1)和高折射率的包层区域，所述包层区域包括内包层区域(2)和外包层区域(3)，所述外包层区域(3)依次包覆所述内包层区域(2)和所述纤芯区域(1)，所述内包层区域(2)包括毛细管(4)以及内部的U形玻璃结构(5)，所述U形玻璃结构(5)将所述毛细管(4)的空腔划分为第一类孔(6)和第二类孔(7)；

至少四个相同结构的毛细管(4)彼此间隔、呈均匀周向分布围绕所述纤芯区域(1)，所述毛细管(4)通过所述外包层区域(3)的内边缘固定，所述U形玻璃结构(5)的弧形端与所述毛细管(4)径向分离，所述U形玻璃结构(5)的厚度跟所述毛细管(4)的管壁厚度相同；所述U形玻璃结构(5)的弧形端半径r的取值范围为0.26*R～0.44*R，所述U形玻璃结构(5)的弧形端与所述毛细管(4)径向分离的距离z的取值范围为0.35*R～0.55*R，其中R为所述毛细管(4)的半径。

2.根据权利要求1所述的一种空心反谐振光纤，其特征在于，所述外包层区域(3)、所述毛细管(4)和所述U形玻璃结构(5)均为采用高折射率材料制成的高折射率物质，所述纤芯区域(1)和所述内包层区域(2)的空腔内、所述第一类孔(6)和所述第二类孔(7)内均填充有低折射率物质。

3.根据权利要求2所述的一种空心反谐振光纤，其特征在于，所述高折射率材料为二氧化硅、PVC软质水晶板或塑料；所述低折射率物质为气体或液体。

4.根据权利要求3所述的一种空心反谐振光纤，其特征在于，所述低折射率物质为空气。

5.根据权利要求1所述的一种空心反谐振光纤，其特征在于，所述U形玻璃结构(5)的开口端宽度为弧形端半径的两倍。

6.根据权利要求1或5所述的一种空心反谐振光纤，其特征在于，所述U形玻璃结构(5)的弧形端半径r的取值范围具体为0.41*R～0.44*R。

7.根据权利要求2所述的一种空心反谐振光纤，其特征在于，所述毛细管(4)的管壁厚度t通过以下公式表示：

式中，λ为反谐振中心波长，M为反谐振阶数，M为大于或等于1的正整数，n_g为所述高折射率物质的折射率，n_a为所述低折射率物质的折射率。

8.根据权利要求7所述的一种空心反谐振光纤，其特征在于，所述毛细管(4)的半径通过以下公式表示：

式中，N为所述毛细管(4)的数量，N≥4，g为任意两个相邻的毛细管(4)之间的间隙，g＞0，D为所述纤芯区域(1)的直径，t为所述毛细管(4)的管壁厚度。

9.根据权利要求8所述的一种空心反谐振光纤，其特征在于，所述任意两个相邻的毛细管(4)之间的间隙g的取值范围为1～5μm。

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