CN112859235B - 一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤，属于光纤光学及其应用技术领域。包括基质材料(1)，由基质材料上的圆化六边形空气孔(2)六角周期排列构成的包层，纤芯区域的大空气孔(3)。纤芯区域的大空气孔大小和包层中一个空气孔以及以它为中心的两到四层空气孔组成的区域的大小相当。包层包含十二个互为30°角的对称轴，中心落在这12个对称轴上的包层空气孔的大小，都比其它位置上的空气孔放大或缩小一些，但形状保持一致。本发明通过包层12个径向方向特定空气孔的几何参数调制，实现角向模式选择功能，使该光纤在工作波段仅支持角向模式的纯态低损耗传输。

Description

一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤
技术领域
本发明属于光纤光学及其应用领域，尤其涉及一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤。
背景技术
光纤是一种光波导，能够限制光波在其中以有限数目的模式进行传输。由于光纤能够稳定传输光波的优良特性，在干涉式传感中，光纤提供了优秀的系统性能。由于光纤的应用场景非常复杂，往往会受到外界环境的影响，比如应力变化、温度变化和压强变化等等。当光纤受到扰动时，光纤中处于不同模式中的光波将有可能脱离原来的模式而进入到其它模式中，称为模式耦合，进而造成光波信号的劣化，影响干涉式传感系统的性能。因此，光纤传输光波信号的稳定性与光纤中容许的模式数目有关，光纤中容许的模式的数目越少，模式耦合就越弱，信号的稳定性就越强。所以，得到模式数目尽量少的光纤一直是人们孜孜以求的目标。
空芯光子晶体光纤(也称微结构光纤或多孔光纤)一般是由纯石英等材料为基底，横截面上排列着波长量级的二维周期性空气孔分布，而在三维方向(光纤轴向)基本保持不变的新型光纤。光通过光子带隙、反谐振等效应被约束在空气纤芯中传导。其中，利用光子带隙效应传导的空芯光子晶体光纤又称空芯光子带隙光纤。与普通实芯光纤相比，具有近似“空气/真空环境”的空芯光纤具有类似自由空间的低非线性、低色散、低瑞利散射损耗、低时间延迟、高稳定性等优良特性，且其可以一定程度的突破材料的吸收限制，实现紫外到中红外波段光的低损耗传导。目前已被广泛的应用到气体非线性光学、光与物质的相互作用、输运微观离子、高峰值功率传导、高精度传感等应用领域，同时，该类光纤在低时延、高稳定光信息传输以及高精度光纤陀螺和干涉传感等领域也表现出巨大的应用潜力，目前纤芯中传导模式的有效控制是制约其应用的一个瓶颈。目前报道的7-cell，19-cell等空芯光子带隙光纤的纤芯均支持多个模式，模式之间存在串扰，如何避免模式之间串扰，实现低串扰、高性能纯净模式传输，是亟待解决的关键问题之一。目前报道的多种保偏空芯光纤(支持两个正交偏振的基模)设计中，在光纤截面处两个互相垂直的方向上被设计成不同的结构，以此来抑制光纤中的两个模式之间的耦合，以实现偏振保持的功能。然而，由于空芯光纤的导光特性和制造工艺的限制，这种光纤往往表现出很高的损耗。因此，设计低损耗、单一纯净模式的空芯光纤具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对当前低时延、高稳定光信息传输以及高精度光纤陀螺和干涉传感等领域对空芯光纤中模式纯净度的需求，而现有已报道方案存在损耗大、制备工艺复杂等缺点，提出一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤。
本发明采用的技术方案是：
一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤，包括基质材料(1)，包层由基质材料上的圆化六边形空气孔(2)依照六角周期排列形成包层结构，各空气孔的一组平行对边之间的距离和相邻两个空气孔中心的距离的比值不低于0.9，纤芯区域为大空气孔(3)，纤芯区域的大小与包层中一个空气孔以及以它为中心的两到四层空气孔组成的区域的大小相当。包层包含十二个互为30°角的对称轴，包层中中心落在这12个对称轴上的空气孔的大小都比其它位置上的空气孔放大或缩小一些，但形状保持一致。
所述的空芯微结构光纤在工作波段仅支持角向模式的低损耗传输。
所述基质材料为能够拉制成光纤的材料，包括但不局限于：石英材料、聚合物材料、氟化物材料和硫系材料。
本发明的优点和积极效果：
本发明提出了一种具备角向模式选择性格的空芯微结构光纤。本发明在工作波段仅支持角向模式的低损耗传输。本发明从根本上解决了传统光纤中的模式耦合问题，兼具空芯光纤非线性效应低、传输速度快的优点。本发明实施例中的光纤仅支持一个模式，可以为系统提供极高的模式纯度，可以为高精度干涉式传感系统提供更高的性能。
附图说明
图1为一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤的横截面示意图。
图2为一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤的横截面局部放大示意图。
图3为基于图1所示的一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤的有限元分析得到的一阶角向模式的损耗与其余模式的最低损耗的对比图。
图4为基于图1所示的一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤的有限元分析得到的电场和横向功率流结果。
图5为基于图1所示的一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤中等功率地激发所有模场后，不同模场的功率变化曲线；以及一阶角向偏振模式和其它模式的模式抑制比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明加以详细说明，附图仅用于示例目的，而不是限制本发明的适用范围。
实施例1
本实例中的光纤的横截面结构如图1所示，包括基质材料1，包层由基质材料上的圆化六边形空气孔2依照六角周期排列构成六边形区域的包层结构，纤芯区域为大空气孔3。包层包含十二个互为30°角的对称轴，包层中中心落在这12个对称轴上的空气孔的大小都比其它位置上的空气孔同时放大或同时缩小，或部分放大而另一部分缩小，但形状保持一致。
本发明中的光纤的横截面的局部放大图如图2所示，在本实例中，各项参数被设定为Λ＝5μm，d＝0.98Λ，d1＝0.96Λ，d2＝0.96Λ，tcore＝370nm。光纤基质材料为石英，折射率在1550nm为1.444。空气纤芯为光子晶体结构中缺失19个空气孔形成的，即纤芯区域的大小与包层中一个空气孔以及以它为中心的两层空气孔组成的区域的大小相当。
有限元方法是分析微结构光纤的有效数值方法，被业内广泛采用。运用有限元方法对上述实例结构进行分析，可以分析此光纤结构的特性。我们在1380nm～1640nm对实例所述光纤进行了计算，得到了此光纤在此波段内的所有模式的损耗，如图3所示。在图3中，1434nm～1456nm，1470nm～1490nm，1500nm～1520nm，1532nm～1552nm这四个区间内，一阶角向偏振模式的损耗均低于2dB/km，与此相对应，除个别波长外，其余模式的损耗均高于200dB/km。因此，在这四个波段内，此光纤仅支持一阶角向偏振模式的低损耗传输，其它模式由于损耗太大而无法进行长距离传输。
运用有限元方法对本实例中所述结构进行分析，我们还得到了不同模式的模场图像和模场图像所对应的横向功率流图像，如图4所示。横向功率流表述了光纤截面内的光功率流动情况，横向功率流中指向光纤外的部分表示了光能量是耗散的。如图4所示，除一阶角向偏振模式外，其余模式所对应的横向功率流都在包层晶格中存在明显的值，存在横向功率流的部分恰好是被我们特别设计的部分。这表明，通过我们的设计，除了一阶角向偏振模式外的其余模式的能量都从包层晶格中溢出。因此实例所述结构仅支持一阶角向偏振模式的长距离传输。
使用上述得到的损耗数据，我们给出了此光纤在特定情况下的模式抑制比随传输距离的变化，如图5所示。其中，模式消光比被定义为
Figure BDA0002897339510000041
模式消光比可以很好地描述光纤中一阶角向偏振模式所占的能量比例。在图5中可以看到，当传输距离为0时，所有的模式都被以同样的功率激发，随着传输距离的增加，除一阶角向模式外，其余模式的功率都迅速降低，而一阶角向模式的功率只有缓慢的下降。当传输距离达到60m时，光纤中几乎只剩下了一阶角向偏振模式，模式消光比超过30dB。
综上所述，本实例展示了一种具备角向模式选择性格的空芯微结构光纤，该光纤在角向12个方向上的空气孔大小有轻微缩小，纤芯的大孔为光子晶体结构中缺失19个空气孔形成的。该光纤仅支持一阶角向偏振模式的低损耗传输，在1434nm～1456nm，1470nm～1490nm，1500nm～1520nm，1532nm～1552nm这四个区间内，一阶角向偏振模式的损耗均低于2dB/km。
本示例所述仅为本发明使用情形的一例而已，中间的空气纤芯大小也不限制只缺失19个空气孔形成的情形，构成光纤材料不受限于传统的二氧化硅材料，工作的波段也不限制于传统的通信波段，凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤，其特征是，基于基质材料（1），包层由基质材料上的圆化六边形空气孔（2）依照六角周期排列形成包层结构，各空气孔的一组平行对边之间的距离和相邻两个空气孔中心的距离的比值不低于0.9，纤芯区域为大空气孔（3），纤芯区域的大小与包层中一个空气孔以及以它为中心的两到四层空气孔组成的区域的大小相当；包层包含十二个互为30°角的对称轴，包层中中心落在这12个对称轴上的空气孔的大小都比其它位置上的空气孔放大或缩小一些，但形状保持一致。
2.根据权利要求书1所述的一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤，其特征是：所述基质材料为能够拉制成光纤的材料，包括但不局限于：石英材料、聚合物材料、氟化物材料和硫系材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种具备角向模式选择性的空芯微结构光纤，其特征是，在工作波段仅支持角向模式的低损耗传输。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113589425B (zh) * 2021-08-05 2023-05-16 华南师范大学 一种多芯微结构光纤

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007034186A1 (en) * 2005-09-23 2007-03-29 The University Of Bath Microstructured optical fibres and methods relating thereto

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1232843C (zh) * 2004-03-18 2005-12-21 上海交通大学 宽带隙空气导光光子带隙光纤
JP2006017775A (ja) * 2004-06-30 2006-01-19 Mitsubishi Cable Ind Ltd フォトニッククリスタルファイバ
CN1322344C (zh) * 2005-01-26 2007-06-20 浙江工业大学 双折射光子晶体光纤
US8938146B2 (en) * 2012-06-08 2015-01-20 Nkt Photonics A/S Hollow core fiber with improvements relating to optical properties and its use, method of its production and use thereof
CN103197372B (zh) * 2013-04-12 2015-04-22 浙江工业大学 光子晶体光纤
CN103197371B (zh) * 2013-04-12 2014-12-17 浙江工业大学 双折射光子晶体光纤
US10698154B2 (en) * 2017-10-11 2020-06-30 Ofs Fitel, Llc Suppressing surface modes in fibers

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007034186A1 (en) * 2005-09-23 2007-03-29 The University Of Bath Microstructured optical fibres and methods relating thereto

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A New Type Circular Photonic Crystal Fiber forOrbital Angular Momentum Mode Transmission;Hu Zhang, Wenbo Zhang, Lixia Xi, Xianfeng Tang, Xia Zhang, and X;《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》;20160630;第28卷(第13期);全文 *
基于微结构光纤的纤内实验室技术及其应用;刘艳格，王志;《应用科学学报》;20170731;第35卷(第4期);全文 *

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