CN112859233A - 一种偏芯结构的空芯反谐振光纤 - Google Patents

Abstract

一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，属于光学与激光光电子技术领域。该偏芯光纤包括偏离中心的低折射率的纤芯区域(1)和不对称的高折射率的包层区域，高折射率的包层区域又分为内包层区(2)和外包层区(3)两部分，内包层区由环绕纤芯的大小不同的微毛细管组成，外包层区是能够标识偏芯方向的特殊结构包层。本发明相比于普通对称结构的空芯反谐振光纤，其能够消除光纤弯曲引起的光纤性能的下降。它为基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输和加工等应用创造了一个可弯曲、小型化的柔性平台。

Description

一种偏芯结构的空芯反谐振光纤

技术领域

本发明属于光学与激光光电子技术领域，具体涉及一种能够改善弯曲性能的偏芯结构的空芯反谐振光纤。本发明还涉及制造偏芯结构空芯反谐振光纤的方法。

背景技术

作为光纤光学的一个主要研究方向，空芯光纤因其利用纤芯的空气导光而具有一些显著的优点。相比于实芯光纤，空芯光纤利用空气的超低的瑞利散射和非线性系数(比所有玻璃材料低几个数量级)，原则上可以实现超低损耗和低非线性的光传输，此外，还可以提供更高的传播速度(即更小的延迟)和激光损伤阈值。

目前的空芯反谐振光纤的结构设计主要是在直光纤情况下进行优化改进，而光纤弯曲时会产生较高的弯曲损耗，同时传输带宽也会变窄，影响了光纤作为柔性波导的应用优势，因此，保证光纤在弯曲时仍具有优良特性将会利于这种新型光纤的实用化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种包层不对称的偏芯结构的空芯反谐振光纤，相比于普通的对称结构的空芯反谐振光纤，其具有在光纤弯曲时仍保持宽传输光谱、低损耗和单模传输的特点。它为基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输和加工等应用创造了一个可弯曲、小型化的柔性平台。

本发明的技术解决方案如下：

一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，该偏芯光纤包括偏离中心的相对较低折射率的纤芯区域和不对称的相对较高折射率的包层区域，高折射率的包层区域又分为内包层区和外包层区两部分，沿径向自内而外依次为纤芯区域、内包层区、外包层区；内包层区由环绕纤芯外的大小不同的微毛细管组成一环，外包层区在内包层区外，做成能够标识偏芯方向的结构包层。

所述偏离中心的低折射率的纤芯区域为一种或多种气体或真空，所述的气体可以为空气等中的一种或几种。

所述不对称的相对较高折射率的包层区域材料为二氧化硅、软玻璃或塑料。

外包层区的中心为空腔结构，外包层区空腔结构的内壁沿周向排列的多个不同直径的微毛细管组成一环，微毛细管组成的环为内包层区，微毛细管组成的环的中心为纤芯区域；

所述内包层区由环绕纤芯的直径大小不同的微毛细管组成；

所述相邻的微微毛细管之前相互接触或无接触，分别形成有节点或无节点的环形结构。

所述微毛细管具有负曲率形状。

所述微毛细管具有和工作波长在同一数量级的厚度。

所述微毛细管直径大小不同但厚度相同。

外包层区空腔结构中心指向纤芯区域中心的方向为偏芯方向；

内包层区的微毛细管以偏芯方向的连线为对称轴对称分布，并沿偏芯方向微毛细管直径尺寸逐渐减小(可以有部分相邻的毛细管直径大小相同)。

所述外包层区外表面为不对称结构，用以标识偏芯方向。

一种偏芯结构的空芯反谐振光纤的制作方法，主要包括以下步骤：

(a)将不同芯径比的毛细管拉制成相同厚度不同直径大小的内包层区用的中间毛细管。

(b)在外包层区用的的外层毛细管内堆积中间毛细管或棒状物，形成一个毛细管或棒状物的堆层，该堆层包括支撑整个结构的截断的毛细管或棒状物；

(c)利用高温加压来拉制所述堆层，拉制出具有中间过渡品；

(d)将中间过渡品在所述低折射率的纤芯区域(1)或内包层区(2)充气、抽负压，在拉力下拉制成具有负曲率偏芯细长腔结构的空芯反谐振光纤。

步骤(d)中，以大于等于5m/min的速度拉制光纤。

步骤(d)中，以大于等于50mbar的气体压力充进所述纤芯区域(1)或(和)内包层区(2)进行拉制。

步骤(d)中，以小于等于-30mbar的抽负压抽所述纤芯区域(1)或内包层区(2)进行拉制。

步骤(d)中，开始拉制前中间过渡品径向尺寸在1mm-10mm之间。

附图说明

图1是本发明实施例1的光纤端面的结构示意图。

图2是本发明实施例2的光纤端面的结构示意图。

图3是本发明第实施例3的光纤端面的结构示意图。

图4是本发明光纤弯曲应用示意图；

纤芯区域(1)，内包层区(2)，外包层区(3)，弯曲光纤(4)，光纤横截面结构图(5)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例和弯曲应用作进一步的详细描述。

实施例1-3

图1、图2和图3给出了本发明偏芯结构空芯反谐振光纤的实施例1、实施例2和实施例3的端面结构示意图。光纤结构都包括具有低折射率的纤芯区域(1)和高折射率的包层区域，高折射率的包层区域由内包层区(2)和外包层区(3)共同组成。其中，低折射率的纤芯区域(1)为空气；内包层区(2)由多个不同大小相同厚度的微毛细管排列而成，可以相互接触或无接触，且微毛细管具有负曲率结构；外包层区(3)由折射率均匀分布的固体材料形成，这里使用的固体材料与内包层区(2)的材料相同，均为二氧化硅，为不对称形状，如“D”形或矩形等，用以标识偏芯方向。图4给出了本发明光纤弯曲应用示意图。(4)是俯视的弯曲光纤图，箭头方向指向曲率圆心，(5)是(4)中对应虚线位置的光纤横截面结构图，箭头方向是偏芯方向，箭头指向弯曲光纤的外侧，外侧的孔为小孔，利于弯曲时光纤性能的保持。

图1、图2和图3给出的三个实施例，应当理解为：

1)具有低折射率的纤芯区域(1)引导光沿着光纤轴向传输。

2)内包层区(2)排列的微毛细管个数可以根据需要改变。

3)内包层区(2)中微毛细管壁的厚度和工作波长在同一数量级，一般在100nm到2μm之间，微毛细管具有负曲率结构，利于对特定波长形成反谐振效应，进而将光波限制在低折射率的纤芯区域(1)中。

4)内包层区(2)中微毛细管大小沿偏芯方向变化，利于抵消弯曲带来的折射率分布的变化，使得弯曲时光纤折射率分布和普通对称结构的直光纤相接近，即实现偏芯结构弯曲时达到和对称结构拉直时相同的优良性能，利于空芯反谐振光纤弯曲的应用，可以根据不同弯曲应用需求改变毛细管大小。

5)外包层区(3)的形状可以是任意不完全对称的结构，主要是能够起到标识方向的作用。

Claims (10)

1.一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，其特征在于，该偏芯光纤包括偏离中心的相对较低折射率的纤芯区域和不对称的相对较高折射率的包层区域，高折射率的包层区域又分为内包层区和外包层区两部分，沿径向自内而外依次为纤芯区域、内包层区、外包层区；内包层区由环绕纤芯外的大小不同的微毛细管组成一环，外包层区在内包层区外，做成能够标识偏芯方向的结构包层。

2.根据权利要求1所述的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述偏离中心的低折射率的纤芯区域为一种或多种气体，或为真空。

3.根据权利要求1所述的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述不对称的高折射率的包层区域材料为二氧化硅、软玻璃或塑料。

4.根据权利要求1所述的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，其特征在于：外包层区的中心为空腔结构，外包层区空腔结构的内壁沿周向排列的多个不同直径的微毛细管组成一环，微毛细管组成的环为内包层区，微毛细管组成的环的中心为纤芯区域。

5.根据权利要求4所述的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述相邻的微微毛细管之前相互接触或无接触，分别形成有节点或无节点的环形结构。

6.根据权利要求1所述的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述微毛细管具有负曲率形状，所述微毛细管具有和工作波长在同一数量级的厚度。

7.根据权利要求1所述的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述微毛细管直径大小不同但厚度相同。

8.根据权利要求1所述的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，其特征在于：外包层区空腔结构中心指向纤芯区域中心的方向为偏芯方向；内包层区的微毛细管以偏芯方向的连线为对称轴对称分布，并沿偏芯方向微毛细管直径尺寸逐渐减小，或其中有部分相邻的毛细管直径大小相同。

9.权利要求1所述的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤的制作方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(a)将不同芯径比的毛细管拉制成相同厚度不同直径大小的内包层区用的中间毛细管。

(b)在外包层区用的的外层毛细管内堆积中间毛细管或棒状物，形成一个毛细管或棒状物的堆层，该堆层包括支撑整个结构的截断的毛细管或棒状物；

(c)利用高温加压来拉制所述堆层，拉制出具有中间过渡品；

(d)将中间过渡品在所述低折射率的纤芯区域(1)或内包层区(2)充气、抽负压，在拉力下拉制成具有负曲率偏芯细长腔结构的空芯反谐振光纤。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(d)中，以大于等于5m/min的速度拉制光纤；

步骤(d)中，以大于等于50mbar的气体压力充进所述纤芯区域(1)或(和)内包层区(2)进行拉制；

步骤(d)中，以小于等于-30mbar的抽负压抽所述纤芯区域(1)或内包层区(2)进行拉制；

步骤(d)中，开始拉制前中间过渡品径向尺寸在1mm-10mm之间。

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