CN112567271B - 空芯光纤 - Google Patents

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Abstract

一种空芯光纤包含管状护套；包层，其包含在环中彼此间隔开的多个一级毛细管，并且每个在围绕该护套的圆周的外周位置处结合到该护套的内表面；和空芯，其由一级毛细管的环内的中心空隙形成；其中该包层在每个一级毛细管内进一步包含两个二级毛细管且不超过两个，该两个二级毛细管彼此间隔开并且每个在围绕该一级毛细管的圆周的方位位置处结合到该一级毛细管的内表面，该方位位置是从该一级毛细管的外周位置移位的。

Description

空芯光纤
发明背景
本发明涉及空芯光纤。
光纤种类包括空芯纤维，其中光通过光制导机构沿着形成光纤芯的纵向中空空隙被导引，该光制导机构通过围绕该空隙的纵向包层毛细管的结构化布置的存在而实现。包层毛细管的各种构造是已知的，这产生不同的制导机构。一个实例是空芯光子带隙纤维(HCPBF，可替代的空芯光子晶体纤维，HCPCF)，其中包层包含许多小玻璃毛细管的规则紧密填充的阵列，从其中排除中心群以限定基本上圆形的空芯。包层毛细管结构的周期性提供周期性结构化折射率和因此的光子带隙效应，其使传播的光波局限在芯内。
与HCPBF中微结构化阵列的包层毛细管相反，第二类型的空芯纤维是反共振空芯纤维ARF。该类型的纤维具有更简单的包层几何形状，包含在围绕中心芯空隙的环中布置的较少量的较大玻璃毛细管或管。该结构缺少任何高度的周期性，因此不存在光子带隙，并且代之以，提供反共振以传播不与包层毛细管的壁厚共振的波长，换言之，以传播由包层毛细管壁厚限定的反共振窗中的波长。该反共振用于抑制在由芯支持的空气导引光学模式和任何包层可以支持的光学模式之间的耦合，以便使光局限到芯，并且可以通过反共振光制导效应以低损失传播。
已经提出了对于ARF包层毛细管的基础环进行的改动和变化，目的是提升纤维性能。对于常规实心芯光纤已知的许多应用已经利用空芯纤维得以证实，该应用包括远程通信、光功率传输和光传感。特别是对于远程通信用途来说，低光学损失(其是每单位传播长度、典型地是每千米的传播光损失的分数)是关键的，并且迄今利用空芯纤维实现的损失水平还不完全与可获自实心芯纤维的性能有竞争力。
因此，感兴趣的是提供改进的低光学损失的空芯光纤设计。
发明概述
方面和实施方案在附加的权利要求中阐述。
根据本文所述某些实施方案的第一方面，提供一种空芯光纤，其包含：管状护套；包层，其包含在环中彼此间隔开的多个一级毛细管，并且每个在围绕该护套圆周的外周位置处结合到该护套的内表面；和空芯，其通过该一级毛细管的环内的中心空隙形成；其中该包层在每个一级毛细管内进一步包含两个二级毛细管且不超过两个，该两个二级毛细管彼此间隔开并且每个在围绕该一级毛细管的圆周的某一方位位置结合到该一级毛细管内表面，该方位位置是从该一级毛细管的外周位置位移的。
根据本文所述某些实施方案的第二方面，提供一种用于制造空芯光纤的预成形物或杖状物，其经构造以拉伸成根据第一方面的空芯光纤。
根据本文所述某些实施方案的第三方面，提供一种用于制造空芯光纤的预成形物或杖状物，并且其包含：用于形成护套的外管；多个一级管，其用于形成一级毛细管以限定该纤维的包层，该一级管在围绕中心空隙的环中彼此间隔开以形成空芯，每个一级管在围绕该外管的圆周的外周位置处抵靠该外管的内表面布置；和在每个一级管内的两个二级管且不超过两个，该二级管彼此间隔开并且每个在围绕该一级管的圆周的某一方位位置抵靠该一级管的内表面布置，该方位位置是从该一级管的外周位置移位的。
这些和另外方面的某些实施方案在附加的独立和从属权利要求中阐述。将了解从属权利要求的特征可以彼此组合并且独立权利要求的特征可以以权利要求中未明确阐述的那些组合。此外，本文所述方案不限于具体实施方案如以下所阐述的，而是包括和想到了本文提出的特征的任何适当的组合。例如，光纤可以根据本文所述方案提供，该方案包括任何一种或多种以下适当描述的各种特征。
附图说明
为了更好地理解本发明以及为了显示其可以如何被付诸实施，现在作为实例来参考附图，在附图中：
图1(A)和1(B)显示了包括来自两种已知纤维设计的包层特征的反共振空芯纤维的示意性横向横截面视图；
图2显示了一种已知设计的反共振空芯纤维的示意性横向横截面视图；
图3显示了一种已知设计的反共振空芯纤维的示意性横向横截面视图，其中叠加线指示得自模型化的横向光功率流；
图4显示了根据本公开的反共振空芯纤维的第一实例的示意性横向横截面视图；
图5显示了根据本公开的反共振空芯纤维的第二实例的示意性横向横截面视图；
图6显示了根据本公开的实例反共振空芯纤维的示意性横向横截面视图，其中叠加线指示得自模型化的横向光功率流；
图7显示了对于图3的已知纤维以及图4和5的实例，每单位长度的光学功率损失(衰减)相对于波长的图；
图8显示了用相关尺寸和角参数标识的根据本公开的实例纤维的部分横向横截面视图；
图9和10显示了针对根据本公开的实例纤维模型化的各种包层毛细管间距和角位置的光学衰减的等值线图；
图11显示了针对根据本公开的实例纤维模型化的光学衰减相对于包层毛细管偏心角的图；
图12显示了由包括在图11的图中的数据所代表的实例纤维的部分横向横截面视图；
图13显示了针对根据本公开的实例纤维模型化的各种包层毛细管尺寸和角位置的光学衰减的等值线图；和
图14A-14E显示了根据本公开的另外实例反共振空芯纤维的示意性横向横截面视图。
详述
在此讨论/描述某些实施例和实施方案的方面和特征。某些实施例和实施方案的一些方面和特征可以常规实施，并且为了简要而没有详细讨论/描述它们。因此将了解本文所述光纤的没有详细描述的方面和特征可以根据用于实施这样的方面和特征的任何常规技术来实施。
可以最简单描述为反共振空芯纤维(ARF)的该类型的空芯光纤包含管状外护套以及布置在该护套内部的环中并且固定或结合到该护套的内表面的许多包层毛细管。该毛细管的环内的中心空隙形成空芯，一种或多种光学模式可以沿着该空芯通过反共振波导效应来导引。
图1(A)显示了第一在先提出的反共振空芯纤维的横向横截面视图。该视图显示了穿过具有圆形横截面的纤维的完整的横向横截面。纤维10具有外管状护套12。多个管状或中空包层毛细管或腔室14(在该实例中是相同横截面尺寸和形状的六个毛细管)布置在护套12内的环中，以使得每个包层毛细管14和护套12的纵轴基本上平行。该包层毛细管限定伸长的孔、管腔或空腔，其沿着该光纤长度连续延伸。毛细管的数目使得该结构被标识为6腔室(cell)ARF。包层毛细管或管14各自在位置16处与护套12的内表面接触(结合)，以使得包层毛细管14围绕护套12的内圆周均匀间隔，并且还彼此间隔开(邻近的毛细管之间不接触)。该包层结构仅限于这些包层毛细管[1]。在ARF的一些设计中，包层管14可以围绕该环定位，以使得相邻的管彼此接触(换言之，不是如图1(A)那样间隔开)，但是消除这种接触的间隔可以改进该纤维的光学性能。该间隔除去了光学节点，该光学节点在接触的相邻管之间的接触点产生并且其倾向于引起不期望的导致高损失的共振。因此，具有如图1(A)中的间隔开的包层毛细管的纤维可以被称作“无节点”反共振空芯纤维。
包层毛细管14在围绕护套12的内部的环中的布置产生在纤维10内的中心空间、空腔或空隙，并且其纵轴平行于护套12和毛细管14的纵轴，该中心空间、空腔或空隙是纤维的空芯18，其也沿着纤维长度连续延伸。芯18由包层毛细管14的外表面的朝向内的部分来界定。这是芯边界，并且构成此边界的毛细管壁的材料(例如玻璃或聚合物)提供所需的反共振光制导效应或机理。该芯边界具有包含一系列相邻的向内曲化表面(即从芯的角度来说是凸起的)的形状。这与实芯纤维中的芯-包层界面的通常向外的曲率相反，以及与空芯光子带隙光纤的基本上圆形的芯边界相反。因此，反共振空芯纤维可以描述为负曲率纤维。数学上，这可以定义为与径向单位矢量(沿着纤维的横向横截面的半径的矢量)相反指向的芯边界的表面法向矢量。该芯边界的负曲率(凸起形状)还抑制了基本芯模式和任何包层模式之间的耦合。负曲率反共振空芯纤维具有由凸起膜或壁(典型地是玻璃)形成的芯边界，该凸起膜或壁的厚度经匹配以与导引的光学波长处于反共振中。
感兴趣的一些几何或尺寸参数指示在图1(A)中。毛细管14具有壁厚t。每个毛细管14与其邻近的毛细管间隔开间隙或间距d，其是两个相邻毛细管的外表面之间的最小距离。典型地，毛细管14围绕护套12的内表面均匀间隔，因此每个间隙具有相同的d值。中心芯18具有半径R，其是从纤维10的中心(纤维的纵轴的位置，其与显示图1的页的平面垂直)到每个包层毛细管14的外表面的最小距离。在这个实例中，毛细管全部是相同尺寸的，因此该距离对于每个毛细管14是相同的，并且是可以装进芯18的横截面的最大圆的半径。
图1(B)显示了第二在先提出的反共振空芯纤维[2，3]的横向横截面视图。该纤维包括图1(A)实例的全部特征，但是包层具有更复杂的结构，每个包层毛细管14是仍然与其相邻的毛细管间隔间隙d的一级毛细管，并且具有嵌套在其内部的二级更小的毛细管20，该毛细管20在与一级毛细管14和护套12之间的结合点16相同的围绕护套12的方位位置结合到包层毛细管14的内表面。包括这些另外较小的毛细管20的目的是减少纤维中的光学损失。另外的再更小的三级毛细管可以嵌套在该二级毛细管内部，同样与方位接触位置16一致地结合。具有二级和任选的进一步更小毛细管的该类型ARF设计可以称作“嵌套的反共振无节点纤维”，或NANF。该实例的6个一级毛细管使得该结构可以标识为6腔室NANF。
图1(A)和1(B)中所示的实例包层结构包含布置在围绕芯的环中的6个一级包层毛细管。但是ARF不限于此，并且可以代之以包含5个或更少或7个或更多个形成围绕空芯的边界的毛细管。这是这些在先提出的实例和下述的根据本公开的ARF的真实情况。
图2显示了另一在先提出的反共振空芯纤维结构[4]的横向横截面视图。与图1的实例相同，该纤维包含在围绕外管状护套12的内表面以规则间隔的位置16处结合的6个一级毛细管14，并且其是彼此间隔开的。在每个一级毛细管内部存在3个二级毛细管20，每个结合到各自的一级毛细管14的内表面。在每个一级毛细管中，第一个二级毛细管20a与护套12和一级毛细管14之间的接触点16一致地结合。另外两个二级毛细管20b每个布置在第一个二级毛细管20a每一侧上并且与第一个二级毛细管20a间隔开90°的角度，其作为围绕一级毛细管14的圆周的方位位置测量。
在空芯光纤技术领域中通常被接受的是包括嵌套在一级毛细管内部的二级毛细管以使得两种毛细管在外护套的圆周上的同一方位位置处结合(如图1和图2的下半部)，这提供除了由一级毛细管提供之外的第二反射元件，其用于减少光学损失。此外，通常还假定在相邻一级毛细管之间的间隙或间距在通过除去相邻毛细管之间接触处的不想要的共振而改进性能的同时，还贡献了光学功率的泄漏。因此，该间隙通常制造得较小以减少泄漏和因此的损失，同时保持高于零间距以避免共振。
然而，本发明人已经发现该光学损失理论是不正确的，并且基于对于ARF中损失机理的改进的理解，提出了一种用于包层毛细管的可替代的构造。
图3显示了具有在先提出的6腔室NANF包层结构(如上面参考图1(B)所述)的ARF的部分的横向横截面视图。在其上重叠的是获自通过追踪横向坡印廷(Poynting)矢量的流线而模型化的横向平面内的光学功率流的黑色线。从芯径向向外流向包层外表面的光学功率是这样的功率，其是从沿着该纤维芯的长度的功率传播的期望的向前方向损失，和因此贡献了纤维中的光学损失水平。在图3中，该黑线是流线，其遵循横向功率流矢量场、接种在芯的中心，并且朝着包层管向外螺旋。对于围绕纤维的圆周的每个位置(纤维边界)，纤维右边所示的曲线绘图了总横向泄漏的光学功率。从所绘的纤维的外表面测量的曲线高度对应于在纤维-空气边界处的功率流线的密度。
从这个模型中，清楚的是功率损失的最大区域在嵌套腔室的位置。与嵌套毛细管14、20到护套12的内表面的结合点16对齐的径向区域具有最高的流线密度，并且该横向功率泄漏曲线在这些位置具有显著的峰(标识为“高密度”)。与一级毛细管14的外表面和护套12的内表面之间的大致新月形状区域对齐的在每个结合点16的任一侧上的相邻区域具有低得多的横向功率泄漏(标识为“低密度”)。与间隔开的一级毛细管14之间的间隙径向对齐的每个新月形区域中心的区域具有稍高的横向功率泄漏(标识为“中密度”)，其仍然实质上小于通过嵌套毛细管结构的峰值功率损失。
因此，本发明人已经确认倾向于是ARF中的主要光学损失机理的径向光泄漏的主要来源不是间隔开的一级毛细管之间的间隙。这与这些纤维的通常认知是相反的，在通常认知中该间隙典型地最小化以减少损失。相反，该包层结构的这些部分仅贡献了整体损失中的小部分，并且代之以功率的主要损失发生在与嵌套毛细管一致地区域，处于围绕护套的方位位置，其中二级毛细管结合在一级毛细管的内部，一级毛细管结合在护套内部。可以看到横向功率流线具有复杂的行为，但是可以容易地了解该流线在两个相邻一级毛细管14之间的每个间隙中呈现出它们的最低密度，这指示这些区域中的低横向功率流。从图3中可以观察到，这些特征是包层结构在光约束处的最有效部分。
因此，本公开提出一种用于ARF的嵌套包层毛细管的新几何形状或设计，其引入更多的新确认的减少泄漏的低损失特征，同时移除高泄漏特征，即嵌套毛细管的径向对齐。同时，保留了已知ARF设计的简单性，以及相关联的相对容易的制作性。根据本公开的结构在减少光学功率损失方面表现出极其优异的性能。
图4显示了根据本公开的第一实例空芯纤维的横向横截面视图。纤维30包含中空管状外护套12。一系列的6个一级毛细管14布置在围绕护套12的内表面的环中。这个实例中的一级毛细管14每个具有相同的尺寸和圆形形状，并且每个在围绕护套12的圆周的不同的方位位置16处结合、安装或固定到护套12的内表面，以使得一级毛细管14围绕该环均匀间隔。同样，一级毛细管14每个与两个相邻毛细管间隔开，以便在相邻毛细管之间存在间隙，每个间隙是基本上相同宽度的，因为一级毛细管14具有相同尺寸和形状。由一级毛细管14的包围环限定的中心空间或空隙是纤维的空芯18。该毛细管(也称作管、腔室或管腔)形成纤维30的结构化包层，以用于沿着芯18的波导。芯18具有半径R，其可以是围绕一级毛细管14的环内的芯18外接的最大圆的半径，和因此也是从纤维的横向结构中心到一级毛细管14的外表面上的最近点之间的距离。
此外，每个一级毛细管具有嵌套在其中的两个分开的二级毛细管20。用术语“嵌套”表示二级毛细管处于一级毛细管内部，并且该两个毛细管的纵向尺寸或轴基本上平行，并且还平行于护套和整个纤维的纵轴。同样，每个二级毛细管20与它相关联的一级毛细管14的内表面在围绕一级毛细管的圆周的方位位置的接触点或位置22处接触和连接、固定或安装。在每个一级毛细管14内，两个二级毛细管经尺寸化和定位，以使得它们不彼此接触。在处于每个一级毛细管14内部的两个二级毛细管20之间存在间隙或空间。该间隙是两个二级毛细管20的外表面之间的最小间距，换言之，在每个外表面上的最接近于另一外表面的点之间的距离。该二级毛细管全部具有相同的尺寸和圆形形状。显著地，二级毛细管20都不与它的一级毛细管14径向对齐。每个二级毛细管20结合到一级毛细管14的接触点22不位于沿着纤维30的半径从芯18的中心到一级毛细管14结合到护套12的接触点16处。每个二级毛细管20结合到一级毛细管14的接触点22具有从围绕一级毛细管14(周长、外周)的圆周的一级毛细管14结合到护套12的接触点16的方位或角间隔、间距或位移。在这个特定实例中，每个一级毛细管14中的两个二级毛细管20具有从一级毛细管的接触点16的相等且相对的方位位移；它们对称的定位在从芯中心(也是纤维中心)到一级毛细管14的接触点16的半径的任一侧上。因此，接合二级毛细管20到一级毛细管14的两个接触点22的线与从芯中心到一级毛细管14与护套12的接触点16的半径垂直。这个实例中的位移是90°。因此，接合两个接触点22的线位于沿着一级毛细管14的直径处，其垂直于从芯中心到接触点16的半径。同样，将一级毛细管中心结合到每个接触点22的一级毛细管的半径位于沿着该相同直径处。
图5显示了根据本公开的第二实例空芯纤维的横向横截面视图。而图4的实例具有6个均匀间隔的一级毛细管，每个含有两个二级毛细管，图5的纤维30具有5个一级毛细管14，同样是围绕护套的内表面均匀间隔，并且具有相同尺寸和圆形形状，并且与前相同，每个含有两个间隔开的二级毛细管20，每个具有相同尺寸和圆形形状。除了一级毛细管数目的这个差异外，纤维30的结构与图4实例的结构相同。
远离一级毛细管在护套内部结合的位置的二级毛细管在一级毛细管内的这种布置向包层中引入另外形状的特征，该特征已经从图3中所示的模型确定，以减少光学功率的径向泄漏。如上所述，相邻一级毛细管的外表面之间的间隙显示了最低的径向功率泄漏。在图5中，这些区域之一出于显示目的而加了阴影线。将两个分别的二级毛细管置于一级毛细管内部，以使得它们在护套内部的一级毛细管的方位位置的任一侧上间隔开，这在每个一级毛细管内部产生另外的类似的成形区域或间隙。在图5中，这些区域之一出于显示目的而加了交叉阴影线。因此，效仿和复制了低损失特征，并且除去了高损失特征(即嵌套毛细管的径向对齐)。这具有提供具有优异的损失特性的ARF的整体效果，如下面将进一步描述的。
要注意的是每个一级毛细管具有两个和仅两个(即，不是1个并且不大于2个，换言之大于1个且小于3个)二级毛细管。
图6显示了根据本公开的ARF的部分的横向横截面视图，并且以6个一级毛细管结构化，如图4实例那样，其中叠加线获自横向平面中的光学功率流的模型化，其类似于图3所示针对在先提出的6腔室NANF包层结构的模型化结果。用于该模拟的参数与用于产生图3中所示结果的那些相同，唯一的区别是具有在每个一级毛细管14内部的两个间隔开的二级毛细管20的包层结构。同样，在图右边显示了代表横向功率泄漏量的曲线。这个曲线以与图3中曲线相同的比例绘图，如虚线所示。从这里可以了解通过新的包层几何形状，大大减少了总功率泄漏。要注意的是虽然功率损失峰值仍然与其中一级毛细管14结合到护套12的接触点16对齐，但是该峰的大小比以前小得多，并且减少的损失可归因于位于沿着相同的径向位置处的二级毛细管20之间的间隙。这个实例中的芯区域看起来是实心黑色；这是因为改进的几何形状将远离芯的总功率损失降低到螺旋流线具有极其紧密的节距并且彼此交叠的程度。要注意的是，相反，流线在邻近一级毛细管14之间的间隙中和在邻近的二级毛细管20之间的新加入的间隙特征中具有非常低的密度，这指示功率流被约束远离这些区域。
虽然图4和6显示了具有6个一级毛细管或腔室的实例，和图5显示了具有5个一级毛细管或腔室的实例，但是本公开不限于此。可以使用少于5个一级腔室如4个一级腔室。可以使用大于6个一级腔室如7、8、9或10个一级腔室或更多。当设计用于传播较长波长的ARF时，较大数目的一级腔室(例如大于6个)可以用于能够实现较小的整体纤维尺寸。
返回图5，指示了宽度z的区域，其是这样的空间或空腔，在其中直径z的圆在一级毛细管内部但在二级毛细管外部外接，并且与一级毛细管和护套的接触点相反。可以调节z值以抑制更高阶光学模式。为了改变z值(换言之，改变可以在相关空腔中外接的最大圆的直径)，该二级毛细管可以在尺寸和围绕一级毛细管的方位位置方面进行变化，和/或可以变化一级毛细管的尺寸。变化这些参数的效果在下面更详细讨论。
在图4和5的实例中，在每个一级毛细管中的两个二级毛细管20之间的间隙和两个相邻一级毛细管14之间的间隙是相同尺寸的。出于模型化这些纤维的性能(下面进一步描述)的目的，间隙选择为具有5T尺寸，其中T是一级毛细管的壁和二级毛细管的壁的厚度(在这些实例中选择为相同的)。作为实例性尺寸，芯半径R可以是15μm和壁厚t可以是0.55μm。这些尺寸适合于为了导引在基本上1550nm波长下的光而设计的纤维，该波长是光学远程通信应用中使用的标准或常见波长，这归因于它在常规的实心芯远程通信光纤由其制造的硅中的最小损失。因此，芯半径等于约10个波长，并且毛细管壁厚等于约0.35个波长。虽然这些值仅是实例性的，但是已经获得了用于具有这些尺寸的纤维的下述各种模拟、模型和数据。提出了将几何或尺寸参数对于波长归一化的结果，以使得它们可以经缩放以用于设计导引其他波长的纤维。
图7显示了图4和5的两个实例纤维的光学损失(衰减)随传播波长的模型化的/模拟的变化图，与图3中具有6个一级毛细管的NANF[2]比较并且具有相同尺寸的壁厚和芯尺寸、传播波长和一级毛细管间距。实线显示了NANF的损失，点线显示了图5的5腔室ARF的损失，和虚线显示了图4的6腔室ARF的损失。从这里可以了解所提出的纤维设计的光学性能是优异的，并且与现有的NANF相比极大地改进。对于所选择的芯尺寸，NANF纤维不能提供为1dB/km或更小的损失性能；对于所示全部波长来说，它的损失大于这个。然而，对于新提出的5腔室纤维结构来说，横跨从1.2μm-2.4μm的全部模型化的波长，衰减显著小于NANF。对于新提出的6腔室结构，横跨1.2μm-约1.9μm的模型化波长范围，衰减低于NANF的衰减。对于在约1.25μm到2μm之间的波长，新纤维的两个实例提供低于1dB/km的衰减，并且该衰减在1.6μm附近实质上减少。对于6腔室纤维，与NANF相比在光学约束损失中存在85倍改进。5腔室纤维表现甚至更好。减少的数目的一级毛细管允许在包层结构中更大的空间(可以实现较大的宽度z值)，其产生了高阶光学模式的更大的抑制，和优异的约束和减少的来自共振的影响。与NANF相比的光学约束损失的改进接近于450倍。与6腔室纤维相比，5腔室构造还更容易制作，因为它包含更少的玻璃元件。
虽然图7显示了新结构与相同芯尺寸的NANF相比的损失减少，但是一种可替代的方案是制作新纤维以具有与NANF可比的损失。这种损失水平在与在NANF中相比在新纤维中更小的芯尺寸下可获得，其提供了与简单的ARF设计如图1(A)相比低损失的益处，其与促进与常规标准全实心二氧化硅光纤(其具有R≈5μm的芯尺寸)的互连的形式组合。这个优点通过宏观和微观二者的弯曲敏感度的减少来补充。
还研究了该新设计的光纤中的其他损失因子如表面刮擦、宏观弯曲和微观弯曲，并且已经发现与NANF结构是可比的，因为这些损失因子可归因于可以与NANF结构中相同的芯尺寸和形状。
对于制作来说，该新设计与制作现有的NANF设计相比增加了很少的复杂性。制作具有由毛细管形成的结构化包层的空芯纤维典型地包括将管内各种空间加压以在纤维从预成形物或杖状物拉伸期间实现和保持意图的横截面结构，并且该新设计需要与NANF相同数目的加压区域或区。与更复杂的嵌套几何形状相比，该新设计的制作是相当简单的，因为其需要更少的加压区，该更复杂的嵌套几何形状在每个二级毛细管内部包含更小的三级毛细管，但是其与该新设计相当，这在于两个毛细管嵌套在每个一级毛细管内部(二级和三级，以代替新提出的两个二级)。该新设计还与已知的空芯纤维拉伸技术如使用玻璃加工车床来熔合毛细管组件的方案相容。[5]
图8显示了根据本公开构造的约四分之一的ARF的横向横截面视图，在其上指示了感兴趣的许多几何(尺寸和角)参数。一级毛细管14和二级毛细管20每个具有壁厚T。纤维的中心空芯具有直径R，其是从纤维/护套的中心纵轴到一级毛细管的外表面的距离。一级毛细管14具有内半径r外，其是从一级毛细管的中心纵轴到一级毛细管的内表面的距离。二级毛细管20具有内半径r内，其是从二级毛细管的中心纵轴到一级毛细管的内表面的距离。一级毛细管14围绕护套圆周基本上均匀定位，每个相邻的一级毛细管对之间的间距是d外，其是相邻一级毛细管的外表面的两个最接近点之间的距离。在每个一级毛细管14内，两个二级毛细管20间隔开间距d嵌套，其是二级毛细管的外表面上两个最接近点之间的距离。每个一级毛细管14在接触点16处结合到护套12，每个接触点16在围绕护套12的圆周或外周的不同的方位位置上，并且规则隔开。在每个一级毛细管14内，两个二级毛细管20各自在接触点22处结合到一级毛细管的内表面，该两个接触点在围绕外毛细管14的圆周的不同的方位位置上。接触点22都不与一级毛细管14和护套12之间的接触点16重合。为了区分的目的，每个一级毛细管的接触点16可以被认为具有围绕护套的外周位置或定位，和每个二级毛细管的接触点22可以被认为具有围绕一级毛细管的方位位置或定位，其中该方位位置各自从外周位置移位或分开，换言之，方位位置都不与外周位置重合。每个一级毛细管14的直径位于沿着两个二级毛细管之间的镜像对称线24处，线24在点26处与最接近于护套的一级毛细管14的壁相遇。因此点26是两个接触点22之间的中点，其与每个接触点22等距。两个二级毛细管的两个接触点22具有从镜像对称线24的角位移θ，其作为围绕一级毛细管的圆周的方位位移从点26测量。由于线24是两个二级毛细管之间的镜像对称线，因此二级毛细管的位移θ是相等和相反的。二级毛细管20之间的中点26具有从接触点16的角或方位位移Φ，其围绕一级毛细管14的圆周测量。这些各种参数可以变化以调节该纤维的光学损失。
根据本公开构造的纤维性能的模型化使得能够确认各种几何参数的范围，其能够传递关于纤维的光学损失的特别好的性能。如上所述，已经使用对于波导1550nm的标准远程通信波长是适当的代表性尺寸(即芯半径R是15μm和毛细管壁厚T是0.55μm)来进行模拟，并且几何尺寸然后经归一化到波长以允许为了制作纤维而缩放，以导引可替代波长的光。
一级毛细管14的半径r外如下给出：
Figure BDA0002935482430000141
其中参数是如上面参照图7所定义，和n是一级毛细管的数目。对于以下讨论的模拟的结果，n是5，但是该结果可应用于其他数目的一级毛细管。
二级毛细管20的半径r内如下给出：
Figure BDA0002935482430000142
其中参数如前定义。
图9显示了具有上述特性的纤维的光学约束损失(dB/km)的等值线图，其显示了随着二级毛细管之间的间隙d嵌套(归一化到波长λ)，和二级毛细管从中心位置移位的角θ的变化的损失行为。对于该模型，将角Φ设定到0，以使得二级毛细管对称定位在其中该一级毛细管结合到护套上的接触点的任一侧上。灰色区域显示得出小于1dB/km的约束损失的参数范围。较小的黑色区域显示得出小于0.01dB/km的约束损失的参数范围。由此，可以了解处于或接近于90°的θ值(如图4和5中所示)在实现非常低的损失方面是特别有益的。例如θ可以是基本上90°，或可以是85°-95°。
图10显示了获自与图8相同的模型化的光学约束损失(dB/km)的等值线图，但是显示了随着一级毛细管之间的间隙d外(归一化到波长λ)和二级毛细管之间的间隙d嵌套(归一化到波长λ)变化的损失行为。将角Φ如前那样设定到0。灰色区域显示得出小于1dB/km的约束损失的参数范围。回想这种性能不能由在先提出的NANF结构来实现。较小的黑色区域显示得出小于0.01dB/km的约束损失的参数范围。
从图9和10中，可以推出为了实现1dB/km或更低的约束损失，角θ值是30°-142°，一级毛细管之间的间隙或间距(归一化到波长)d外/λ值是-0.3至4.5，和二级毛细管之间的间隙或间距(归一化到波长d嵌套/λ值是-0.3至6.7。要注意的是间距的负值指示发生毛细管之间的接触。由于接触与引起纤维的光学透射窗中增加的损失的较大共振相关联，因此具有在这些范围部分中的参数的纤维可以表现出比意图的最大值1dB/km更大的损失。因此，范围可以优选对于d外/λ是>0至4.5和对于d嵌套/λ是>0至6.7。这些范围的下限规定为“>0”指示毛细管应当布置以便不接触，即它们之间的间隙或间距具有有限正值。
类似地，为了实现0.01dB/km或更低的约束损失，从图9和10可以推出的范围如下：角θ的值是75°-112°，d外/λ的值>0至3.1和d嵌套/λ值是>0至3.4。
如所评论的，图9和10的模型假定角Φ值是0°。换言之，一级毛细管与两个二级毛细管的嵌套元件或布置是径向对齐的，这在于一级毛细管内的二级毛细管的方位位置之间的中点或对称线与护套内一级毛细管的接触点重合。二级毛细管具有从此接触点的相等且相对的角位移；它们是对称定位的。实际上，这种布置可能难以实现，因为嵌套元件相对于它们的意图位置的一些偏移或旋转可能在制作预成形物或从预成形物拉伸纤维期间发生。因此，重要地是考虑二级毛细管从对称定位的偏心效应。
回想在图8中，我们将角Φ定义为是围绕一级毛细管的圆周，从一级毛细管与护套的接触点起，在两个二级毛细管的接触点之间的中点的角位移。非零的Φ值可以被认为是偏心的嵌套布置。已经进行了约束损失的模型化以研究偏心效应。
图11显示了随着偏心Φ在0°-90°范围内变化，约束损失的量(dB/km)的图。对于该模型，将二级毛细管的角位置θ设定为90°，用于与图9中所示结果一致的最小损失。间隙d外/λ和d嵌套/λ的值分别是1和2。如可以了解的，对于至多约30°的偏心角，不存在可察觉的损失变化，其保持远低于0.01dB/km。这是非常有用的结果，其指示纤维中可以容忍中等水平的偏心，而不影响损失性能。因此，对于嵌套元件对齐的制造公差无需过度限制。超过30°，损失开始增加。令人感兴趣地，对于布置在θ＝90°的二级毛细管，这对应于二级毛细管20在一级毛细管14上的接触点22，其接近于邻近一级毛细管之间的间隙d外的位置。对于θ＝90°，当Φ＝36°时，该接触点和间隙的位置重合。这种构造显示在图12中。
超过此位置，随着接触点22穿过一级毛细管之间的间隙的最窄部分的位置并且朝着芯移动，以使得接触点22变成芯边界的一部分，损失快速增加，如从图10中可见的。38°的偏心角对应于0.01dB/km的损失，其在图11中用点划线标记。47°的偏心角对应于0.1dB/km的损失，其在图11中用虚线标记。53°的偏心角对应于1dB/km的损失，其在图11中用点线标记。因此，为了实现1dB/km或更低的约束损失水平，偏心角Φ应当是0°-53°，和为了实现0.01dB/km或更低的约束损失水平，偏心角Φ应当是0°-38°。对于0.1dB/km或更低的中间损失水平，Φ应当是0°-47°。要注意的是Φ值是模型化值，因此远离Φ＝0°的嵌套布置的旋转可以在任一方向上；它不限于图12中所建议的逆时针方向的旋转。
要注意的是方位位置θ和毛细管间距d外/λ和d嵌套/λ的参数是在毛细管尺寸上绘图的，其变化以适应角和间距的改变。因此，获自该新纤维设计的可实现的损失性能可以可替代地或另外地通过参考毛细管尺寸来定义。特别是，可以考虑一级和二级毛细管的尺寸比，其具有由于需要在一级毛细管内容纳非接触布置的两个二级毛细管所设定的限度。
图13显示了光学约束损失的等值线图，其类似于图9和10的绘图(并且通过重新公式化图9和10所示的数据来获得)，但是显示了随着二级毛细管的方位位置θ和二级毛细管半径与一级毛细管半径的比率r内/r外二者的变化而可以实现的损失。如前那样，灰色区域指示1dB/km或更低的损失，和黑色区域指示0.01dB/km的损失。
从图13，我们因此推出为了提供1dB或更低的衰减，二级毛细管的半径r内应当是一级毛细管半径r外的0.29或更高。对于0.01dB/km的衰减，二级毛细管应当是大的，并且半径r内是0.38r外或更高。在两种情况中，这定义了二级毛细管的下限或最小尺寸。二级毛细管的最大允许尺寸受限于在两个二级毛细管之间提供有限间隙d嵌套的需要。从图13，对于两种衰减水平，这可以视为是约0.47r外。这些范围对应于约30°-142°的角θ，其从图9也是显然的。
虽然图9、10和13的绘图显示了1dB/km和更低以及0.01dB/km和更低的损失水平等值线，但是还可以定义对应于其他损失水平的各种几何参数的范围。表1显示了对于损失水平1dB/km(上面已经给出)、0.2dB/km、0.1dB/km和0.01dB/km(上面也给出了)，在角θ以及间距d外/λ和d嵌套/λ的上限和下限方面定义的范围。损失值0.2dB/km是常规二氧化硅实心芯光纤的远程通信工业标准。
Figure BDA0002935482430000171
表1
因此，与现有的空芯光纤设计相比，具有根据本公开构造的包层结构的反共振空芯光纤提供关于传播损失的显著性能改进。这样的纤维适合于宽范围的光纤应用，特别是光纤远程通信。
与本公开一致的空芯纤维可以使用已知的制造反共振空芯纤维的方法来制作，其可以以常规方式从预成形物拉伸，任选地经由以最终纤维所期望的但是处于更大比例的横向横截面来构造的中间杖状物。已知的从预成形物到最终纤维的横截面积减少可以用于适当地按比例放大本文所述尺寸，以由可以由其制作根据本公开的尺寸的纤维的合适的尺寸化的管或管状元件、预成形物来构建。类似地，纤维可以由已知的用于制作现有设计的反共振空芯纤维的材料、玻璃材料如二氧化硅以及聚合物材料来制造。在单个预成形物或纤维中的各种管或毛细管(外护套以及一级和二级毛细管)可以由相同材料或不同材料制造。玻璃类型包括“硅酸盐玻璃”或“基于二氧化硅的玻璃”，基于化学化合物二氧化硅(二氧化硅或石英)，其存在许多实例。适合于光学应用的其他玻璃包括但不限于硫系元素、亚碲酸盐玻璃、氟化物玻璃和掺杂的二氧化硅玻璃。出于定制光学性能的目的如改变吸收/透射或实现光学泵送，该材料可以包括一种或多种掺杂剂。
本文公开的ARF包层结构不限于所给出的实例，并且根据本公开的反共振空芯光纤可以具有与这些实例相比改变的结构，和/或可以在包层中包括另外的特征或元件。
图14显示了这样的ARF的选择，具有包含与迄今所述实例相比改变的或另外的特征的结构。图14A显示了一种实例反共振空芯光纤的横向横截面视图，其中护套12具有基本上正方形横截面，具有结合到它的内表面上的4个一级毛细管14，在该正方形每个角处的1个一级毛细管14。每个一级毛细管14具有定位在其中的两个间隔开的二级毛细管20，如本文所述。
图14B显示了一种实例性反共振空芯光纤的横向横截面视图，其包含6个均匀间隔开的一级毛细管14，每个在内部具有两个二级毛细管20，如图4的实例中那样(虽然具有较小的角θ值)。此外，每个二级毛细管20具有以间隔开布置的结合到它的内表面上的两个更小的的三级毛细管28，以产生进一步的低损失间隙特征(在每个二级毛细管20内部相邻的三级毛细管28之间)，这效仿了一级毛细管14之间的间隙。
图14C显示了一种实例反共振空芯光纤的横向横截面视图，其同样包含6个均匀间隔开的一级毛细管14，每个具有两个二级毛细管20，如关于图4所述，并且还具有嵌套在二级毛细管20内部的更小的三级毛细管28。不同于图14B实例，在这种情况中在每个二级毛细管20内部仅存在一个三级毛细管28。三级毛细管28与一级毛细管14的内表面上的二级毛细管20的结合位置22一致地，结合到二级毛细管20的内表面。
图14D和14E每个显示了一种实例反共振空芯光纤的横向横截面视图，其与两个前述实例一样，在护套12内部具有6个均匀间隔开的一级毛细管14，其每个具有根据本公开定位的两个二级毛细管20。不包括三级毛细管。相反，这些实例包括6个另外的管或毛细管32，其小于一级毛细管14，并且抵靠一级毛细管14之间的护套12的内表面定位。在图14D实例中，在另外的毛细管32和相邻一级毛细管14之间存在间隙，而在图14E实例中，不存在这样的间隙。
不排除其他包层结构，并且在到如下这样的程度上被认为处于本公开的范围内，它们包括在每个一级毛细管内的两个二级毛细管并且如本文所述定位，即以使得它们彼此间隔开，并且每个在围绕一级毛细管的圆周的方位位置处结合到一级毛细管的内表面，该方位位置是在空芯光纤护套内从一级毛细管的外周位置移位的。
还想到了制造本文所述空芯光纤的预成形物和杖状物，其中预成形物或杖状物包含管的集合，每个对应于意图的光纤结构的毛细管或护套并且相对于其他管定位，以产生具有本文所述的护套、包层和空芯的空芯光纤。
本文所述的各种实施方案仅提出以帮助理解和教导要求保护的特征。这些实施方案仅作为实施方案的代表性样品提供，并且不是穷举和/或排他的。要理解的是本文所述的优点、实施方案、实例、功能、特征、结构和/或其他方面并不认为是对于如权利要求所定义的本发明的范围的限制或对于该权利要求的等价物的限制，并且可以使用其他实施方案和可以进行改变，而不脱离要求保护的发明的范围。本发明的各种实施方案可以合适地包含以下、由以下组成、或基本上由以下组成：所公开的元件、组分、特征、部件、步骤、手段等适当的组合，除了本文具体描述的那些。另外，本公开可以包括目前没有要求保护但是其可以在未来要求保护的其他发明。
参考文献
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[2]Francesco Poletti，“Nested antiresonant nodeless hollow corefiber”，Opt.Express22，23807-23828(2014)
[3]WO2015/185761
[4]Md.Selim Habib，Ole Bang和Morten Bache，“Low-loss hollow-core silicafibers with adjacent nested anti-resonant tubes”，Opt.Express 23，17394-17406(2015)
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Claims (21)

1.一种空芯光纤，其包含：
管状护套；
包层，其包含在环中彼此间隔开的多个一级毛细管，并且每个在围绕该护套的圆周的外周位置处结合到该护套的内表面；和
空芯，其由该一级毛细管的环内的中心空隙形成；
其中该包层在每个一级毛细管内进一步包含两个二级毛细管且不超过两个，该两个二级毛细管彼此间隔开并且每个在围绕该一级毛细管的圆周的方位位置处结合到该一级毛细管的内表面，该方位位置是从该一级毛细管的外周位置移位的。
2.根据权利要求1所述的空芯光纤，其包含5个一级毛细管。
3.根据权利要求1所述的空芯光纤，其包含4、6、7、8、9或10个一级毛细管。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的空芯光纤，其中该两个二级毛细管的该方位位置具有从该外周位置的基本上相等且相对的角位移。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的空芯光纤，其中该两个二级毛细管的该方位位置具有从该方位位置之间的该一级毛细管的圆周上的中点的基本上相等且相对的角位移，并且该中点具有从该外周位置的角位移。
6.根据权利要求5所述的空芯光纤，其中该中点具有30度或更小的角位移。
7.根据权利要求5所述的空芯光纤，其中该中点具有基本上38度或更小的角位移。
8.根据权利要求5所述的空芯光纤，其中该中点具有基本上53度或更小的角位移。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的空芯光纤，其中该方位位置的相等且相对的角位移在30度-142度的范围内。
10.根据权利要求4-8中任一项所述的空芯光纤，其中该方位位置的相等且相对的角位移在75度-112度的范围内。
11.根据权利要求4-8中任一项所述的空芯光纤，其中该方位位置的相等且相对的角位移在85度-95度的范围内。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的空芯光纤，其中该一级毛细管间隔开0<d外/λ≤4.5的间隙d外，并且该二级毛细管间隔开0<d内/λ≤6.7的间隙d内，其中λ是该空芯光纤经构造以导引的光的光学波长。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的空芯光纤，其中该一级毛细管间隔开0<d外/λ≤3.1的间隙d外，并且该二级毛细管间隔开0<d内/λ≤3.4的间隙d内，其中λ是该空芯光纤经构造以导引的光的光学波长。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的空芯光纤，其中该二级毛细管具有的内半径r内是该一级毛细管的内半径r外的至少0.29倍。
15.根据权利要求1-13中任一项所述的空芯光纤，其中该二级毛细管具有的内半径r内是该一级毛细管的内半径r外的至少0.38倍。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的空芯光纤，其在该空芯光纤经构造以导引的波长下的导引光的光学传播损失水平是1dB/km或更小。
17.根据权利要求1-7、10、11、13或15中任一项所述的空芯光纤，其在该空芯光纤经构造以导引的波长下的导引光的光学传播损失水平是0.01dB/km或更小。
18.一种用于制造空芯光纤的预成形物，其经构造以拉伸成根据权利要求1-17中任一项所述的空芯光纤。
19.一种用于制造空芯光纤的杖状物，其经构造以拉伸成根据权利要求1-17中任一项所述的空芯光纤。
20.一种用于制造空芯光纤的预成形物，并且其包含：
用于形成护套的外管；
多个一级管，用于形成一级毛细管以限定纤维的包层，该一级管在围绕中心空隙的环中彼此间隔开以形成空芯，每个一级管在围绕该外管的圆周的外周位置处抵靠该外管的内表面布置；和
在每个一级管内的两个二级管且不超过两个，该二级管彼此间隔开并且每个在围绕该一级管的圆周的方位位置处抵靠该一级管的内表面布置，该方位位置是从该一级管的外周位置移位的。
21.一种用于制造空芯光纤的杖状物，并且其包含：
用于形成护套的外管；
多个一级管，用于形成一级毛细管以限定纤维的包层，该一级管在围绕中心空隙的环中彼此间隔开以形成空芯，每个一级管在围绕该外管的圆周的外周位置处抵靠该外管的内表面布置；和
在每个一级管内的两个二级管且不超过两个，该二级管彼此间隔开并且每个在围绕该一级管的圆周的方位位置处抵靠该一级管的内表面布置，该方位位置是从该一级管的外周位置移位的。
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