CN112817084A - 一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导。包括：设置在最外部的介质外套管，在所述介质外套管的内部沿圆周方向均匀地分布四个圆形介质毛细管，所述介质外套管的内部中心设置空气芯子区域。所述介质外套管的形状为圆形。四个圆形介质毛细管包括两个垂直方向的圆形介质毛细管和两个水平方向的圆形介质毛细管，每个圆形介质毛细管内部均匀分布三个矩形介质毛细管，水平方向的圆形介质毛细管的壁厚大于垂直方向的圆形介质毛细管的壁厚。本发明提供的用于偏振保持光波段传输的空芯波导降低了波导的制造成本及工艺难度。这种光波导不仅能够提供稳定的高双折射传输，同时降低了波导中两个正交偏振模式的传输损耗和色散。

Description

一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导
技术领域
本发明涉及光波段技术领域，尤其涉及一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导。
背景技术
光波段介于红外光和可见光之间(频率范围为10-103THz，即波长0.3-30μm)，在光波段，由于干燥空气是目前损耗最低的常用材料，因此大部分光波导都具有空气芯子结构。为了将光波束缚在折射率为1的空气芯子中，波导的包层往往需要引入特殊设计，例如带隙结构、布拉格结构和负曲率结构等。其中，基于圆形毛细管的负曲率空芯光波导为降低传输损耗提供了一个有效的解决途径，同时提高了波导制作过程中的结构稳定性。
此外，随着移动互联网、人工智能和云计算的快速发展，近年来数据流量呈指数型增长，传统实芯单模光纤所采用的波分复用技术已经无法满足目前日益增长的通信容量需求，其传输容量正逐步接近非线性香侬极限(即容量瓶颈)。相比于非偏振保持光纤，偏振保持光纤可以人为设计光纤结构引入高双折射使沿偏振轴激发的模式以接近无串扰保持其偏振态传输，这样可以实现光的两个相互正交偏振态保持较低的串扰同时传输两路独立数据信息达到加倍系统传输总容量和提高频谱利用率目的。
目前，现有技术中还没有一种同时具备高双折射、低传输损耗的光波段波导。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导，以克服现有技术的缺点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了如下方案：
一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导，包括：
设置在最外部的介质外套管，在所述介质外套管的内部沿圆周方向均匀地分布四个圆形介质毛细管，所述介质外套管的内部中心设置空气芯子区域。
进一步地，所述介质外套管的形状为圆形。
进一步地，所述四个圆形介质毛细管包括两个垂直方向的圆形介质毛细管和两个水平方向的圆形介质毛细管，每个圆形介质毛细管内部均匀分布三个矩形介质毛细管，水平方向的圆形介质毛细管的壁厚大于垂直方向的圆形介质毛细管的壁厚。
进一步地，垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管31，32，51和52的壁厚t1与水平方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管21，22，41和42的壁厚t2的大小关系为：t2≥1.6t1且t2≤1.8t1。
进一步地，垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管31，32，51和52的壁厚t1＝0.39λ，λ为空芯波导的工作波长。
进一步地，所述空气芯子区域的直径Dc≥5.2λ，λ为空芯波导的工作波长。
进一步地，所述圆形介质毛细管的外径Dt与所述空气芯子区域的直径Dc的大小关系为Dt≥Dc且Dt≤4.2Dc。
进一步地，所述介质外套管，所述圆形介质毛细管和所述矩形介质毛细管的介质材料采用二氧化硅。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种简单的用于偏振保持光波段传输的介质空芯波导的结构，降低了波导的制造成本及工艺难度。该光波导不仅能够提供稳定的高双折射传输，同时降低了波导中两个正交偏振模式的传输损耗和色散。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于偏振保持太赫兹波传输的空芯波导的横截面示意图，图中，介质外套管1，圆形介质毛细管21，22，31和32，矩形介质毛细管41，42，51和52，空气芯子区域6。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供了一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导，该空芯波导的最外部为一个介质外套管，介质外套管为圆形。
该空芯波导的内部沿圆周方向均匀地分布四个圆形介质毛细管，每个圆形介质毛细管内部均匀分布三个矩形介质毛细管，每个圆形介质毛细管和内部三个矩形介质毛细管的壁厚相同。位于水平和垂直方向的毛细管壁厚不一致，水平方向的圆形介质毛细管和内部的矩形毛细管的壁厚大于垂直方向的圆形介质毛细管和内部矩形毛细管的壁厚，使得正交方向两个模式的谐振耦合条件发生变化，呈现出简并分离特征。
本发明实施例提供的一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导的横截面示意图如图1所示，最外部为介质外套管1，其内部沿圆周方向均匀地分布四个圆形介质毛细管21，22，31和32，矩形介质毛细管41，42，51和52，介质外套管的内部中心设置空气芯子区域6。
垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管31，32，51和52的壁厚t1＝0.39λ，λ为空芯波导的工作波长。
垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管31，32，51和52的壁厚t1与水平方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管21，22，41和42的壁厚t2的大小关系为：t2≥1.6t1且t2≤1.8t1。
本领域技术人员应能理解上述垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管的壁厚t1与水平方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管的壁厚t2的大小关系的具体数值仅为举例，其他现有的或今后可能出现的数值如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
空气芯子区域6的直径Dc≥5.2λ，λ为工作波长。
圆形介质毛细管21，22，31和32的外径Dt与空气芯子区域6的直径Dc的大小关系为Dt≥Dc且Dt≤4.2Dc。
本领域技术人员应能理解上述圆形介质毛细管的外径Dt与空气芯子区域的直径Dc的大小关系的具体数值仅为举例，其他现有的或今后可能出现的数值如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
介质外套管1和毛细管21，22，31，32，41，42，51和52的介质材料采用二氧化硅，介质外套管1的宽度、材料厚度根据实际需要来选择。
上述波导由二氧化硅(sio2)制备。
本发明提供的用于偏振保持光波段传输的空芯波导的关键结构在于圆形介质毛细管和内部矩形介质毛细管的壁厚。根据反谐振反射光波导的导光机理，模式的谐振频率由毛细管的介质材料折射率(n)和管壁厚度(t)决定。对于空芯波导，第m阶谐振频率表示为
Figure BDA0002884371610000051
其中c为真空中光速。波导中模式的低损耗传输窗口位于两个相邻谐振频率之间。通过调整水平和垂直方向毛细管的壁厚(垂直方向为t1，水平方向为t2)，基模的两个偏振态的谐振条件不同，使得其模式有效折射率不同，产生双折射现象；同时，通过合理优化t1和t2，使得两个偏振态具有重叠的低损耗传输窗口，最终实现高双折射、低损耗光波偏振保持传输。此外，该波导还具有低色散、低弯曲损耗的传输特性，进一步提高了其在光波段偏振敏感系统中的实用性。
本发明所述用于偏振保持光波段传输的空芯波导采取先进的3D打印技术制作，确保了良好的均匀性和一致性，简化了加工流程。
以光波长1550nm时的结果为例，以下结合实施例说明波导的传输特性。实际应用时，可根据具体工作频率来选择相应的波导结构。
实施例一
空气芯子区域6的直径Dc为16μm，垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管31，32，51和52的壁厚t1为0.6μm，水平方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管21，22，41和42的壁厚t2为1.02μm，圆形介质毛细管21，22，31和32的外径Dt为33.6μm。波导的双折射高于1.2×10-4，传输损耗低于0.013dB/m，色散低于35.8ps/km/nm，当弯曲半径大于2cm时弯曲损耗低于0.2dB/turn。
实施例二
空气芯子区域6的直径Dc为16μm，垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管31，32，51和52的壁厚t1为0.6μm，水平方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管21，22，41和42的壁厚t2为1.08μm，圆形介质毛细管21，22，31和32的外径Dt为33.6μm。波导的双折射高于1.0×10-4，传输损耗低于0.036dB/m，色散低于45.51ps/km/nm，当弯曲半径大于2cm时弯曲损耗低于0.2dB/turn。
综上所述，本发明实施例提供了一种简单的用于偏振保持光波段传输的介质空芯波导的结构，降低了波导的制造成本及工艺难度。该光波导不仅能够提供稳定的高双折射传输，同时降低了波导中两个正交偏振模式的传输损耗和色散。
本发明实施例提供的高双折射、低损耗的空芯波导适用于短距离传输、低损耗、低时延的数据中心和金融互联网交易系统，进一步提升数据传输速率和效率。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于偏振保持光波段传输的空芯波导，其特征在于，包括：
设置在最外部的介质外套管，在所述介质外套管的内部沿圆周方向均匀地分布四个圆形介质毛细管，所述介质外套管的内部中心设置空气芯子区域。
2.根据权利要求1所述的用于偏振保持光波段传输的空芯波导，其特征在于，所述介质外套管的形状为圆形。
3.根据权利要求1所述的用于偏振保持光波段传输的空芯波导，其特征在于，所述四个圆形介质毛细管包括两个垂直方向的圆形介质毛细管和两个水平方向的圆形介质毛细管，每个圆形介质毛细管内部均匀分布三个矩形介质毛细管，水平方向的圆形介质毛细管的壁厚大于垂直方向的圆形介质毛细管的壁厚。
4.根据权利要求3所述的用于偏振保持光波段传输的空芯波导，其特征在于，垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管31，32，51和52的壁厚t1与水平方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管21，22，41和42的壁厚t2的大小关系为：t2≥1.6t1且t2≤1.8t1。
5.根据权利要求4所述的用于偏振保持光波段传输的空芯波导，其特征在于，垂直方向的圆形介质毛细管和矩形介质毛细管31，32，51和52的壁厚t1＝0.39λ，λ为空芯波导的工作波长。
6.根据权利要求1至5任一项所述的用于偏振保持光波段传输的空芯波导，其特征在于，所述空气芯子区域的直径Dc≥5.2λ，λ为空芯波导的工作波长。
7.根据权利要求6所述的用于偏振保持光波段传输的空芯波导，其特征在于，所述圆形介质毛细管的外径Dt与所述空气芯子区域的直径Dc的大小关系为Dt≥Dc且Dt≤4.2Dc。
8.根据权利要求7所述的用于偏振保持光波段传输的空芯波导，其特征在于，所述介质外套管，所述圆形介质毛细管和所述矩形介质毛细管的介质材料采用二氧化硅。
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