CN113296186B - 偏振保持空芯反谐振光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种偏振保持空芯反谐振光纤，其包括外包层、两个连接管、包层环、六个紧贴包层环的半椭圆包层管、两个紧贴包层环的圆包层管、分别设置在半椭圆包层管内壁厚相同的半椭圆嵌套管、设置在圆包层管内的壁厚相同的圆嵌套管、纤芯区域；X轴上方和下方的四个半椭圆包层管与相邻的X轴半椭圆包层管的间隙相等；圆包层管与相邻的半椭圆包层管间隙相等；半椭圆嵌套管设置在相应半椭圆包层管内的轴对称位置且与包层环相接；圆嵌套管紧贴设置在圆包层管内且对应于包层环与圆包层管紧贴设置的位置；各管的材料为纯石英玻璃，纤芯区域以及其它内部空间由空气填充。本发明在工作波长处具有低损耗特性，偏振消光比高，偏振保持特性好。

Description

偏振保持空芯反谐振光纤

技术领域

本发明属于空芯光纤技术领域，具体涉及一种兼具低损耗和偏振保持空芯负曲率反谐振光纤。

背景技术

当光纤的表面不平整或结构不完整时，光信号或光能量在光纤中传播易导致偏振模色散，影响光器件功能的稳定性。因此，偏振保持光纤得到研究，其原理是让一个轴上的偏振基模损耗很高，无法在光纤中传播；另一个轴上的偏振基模损耗很低，能够正常的在光纤中传播，保证了光信号或光能量在光纤弯曲或受到应力的条件下稳定输出。偏振保持光纤消除因模式耦合造成的偏振模式间的串扰，在高功率激光传输、精密干涉传感、量子计算、原子光谱、保偏光学放大器等领域发挥关键作用。传统的偏振保持光纤拉制技术已成熟，可以通过施加应力来实现双折射，典型的有“熊猫”或“蝴蝶结”型以及引入椭圆形核心来形成高双折射的实芯光纤。随着应用方面发展，传统实芯光纤的低损伤阈值、紫外-红外波段无法导光、高非线性等本征缺陷逐渐显现。

空芯光纤由于它的光传输性能不受材料的约束，具有低损耗、低非线性、高损伤阈值和对热环境变化的高度不敏感性等优点。在传感、通信、高功率脉冲传输及其它应用方面相比于传统实芯光纤有着突破性的性能改进。通过光子带隙或反谐振效应引导光传输的空芯光纤，克服自由空间中的光衍射和传统实芯光纤的局限性，例如低损伤阈值、高材料吸收、瑞利散射和色散等。与空心光子带隙光纤相比，空芯反谐振光纤具有结构简单，设计灵活，带宽宽的优点。

因此，通过空芯反谐振光纤导光原理和模式耦合效应找到一种单模、低损耗、偏振保持空芯反谐振光纤具有现实意义。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种单模、低损耗和偏振保持空芯反谐振光纤，以消除偏振模式间的串扰、提高传输距离和光器件工作的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种偏振保持空芯反谐振光纤，其包括外包层、连接管、包层环、半椭圆包层管、半椭圆嵌套管、圆包层管、圆嵌套管和纤芯区域；所述外包层和包层环通过连接管连接，所述半椭圆包层管和圆包层管分别设置在包层环内，所述半椭圆嵌套管嵌套于半椭圆包层管中，圆嵌套管嵌套于圆包层管中；所述半椭圆嵌套管设置在相应的半椭圆包层管内的轴对称位置且与包层环相接，圆嵌套管紧贴设置在圆包层管内且对应于包层环与圆包层管紧贴设置的位置；所述连接管、包层环、半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和圆包层管的壁厚相等，各圆嵌套管内径相等且壁厚相等，圆嵌套管的壁厚大于圆包层管的壁厚；光纤内设有六个半椭圆包层管，其中两个半椭圆包层管位于X轴的正半轴和负半轴上且相对于原点O对称，其余半椭圆包层管由X轴上相近的半椭圆包层管绕原点O旋转获得，且旋转角θ的绝对值相等，X轴上的半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和包层环能产生三重反共振，以降低X偏振基模损耗；光纤内还设有两个位于Y轴且相对于原点O对称的圆包层管，所述半椭圆包层管长半轴内径与圆包层管的内径相等，各半椭圆嵌套管的长半轴内径相等，Y轴上的圆包层管、圆嵌套管能产生二次耦合，使Y偏振基模快速泄露出去；通过调节旋转角θ，改变半椭圆包层管之间的间隙、圆包层管与相邻的半椭圆包层管的间隙，使高阶模泄露效果达到最佳；所述纤芯区域以及其它内部空间由空气填充。

优选地，所述外包层、连接管、包层环、半椭圆包层管、半椭圆嵌套管、圆包层管和圆嵌套管的基底材料均为石英玻璃。

优选地，所述包层环的内径为71～72μm，所述连接管长为2.4～2.6μm，所述外包层的外径为87～89μm。

优选地，所述半椭圆包层管的长半轴内径为19.5～20.5μm，所述半椭圆嵌套管的长半轴内径为8.9～9.1μm，所述圆包层管内径为19.5～20.5μm，所述圆嵌套管内径为14.5～15.5μm。

优选地，所述外包层的壁厚为5.3～5.4μm，所述连接管、包层环、半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和圆包层管的壁厚为0.37～0.38μm，所述圆嵌套管的壁厚为1.57～1.59μm。

优选地，所述半椭圆包层管的短半轴是长半轴的0.35倍以上，所述半椭圆嵌套管的短半轴是长半轴的0.35倍以上，所述半椭圆嵌套管的长半轴是半椭圆包层管的长半轴0.4倍以上。

优选地，所述圆嵌套管的内径是圆包层管内径0.65倍以上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明结构中，利用X轴的半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和包层环的三重反共振作用，X偏振光被限制在纤芯中，大大降低了X偏振基模的损耗；

(2)利用Y方向圆嵌套管的共振特性，Y偏振基模和石英玻璃管表面模式发生微弱共振，诱导能量互换，发生第一次耦合，而圆包层管具有反共振特性，偏振模式光能量被具有反共振特性的包层管反弹回来，进而诱导Y偏振基模与圆嵌套管表面模式再次共振，发生第二次耦合，导致能量互换能力增强，Y偏振基模快速泄露出去；

(3)通过调节旋转角θ，改变半椭圆包层管之间的间隙、圆包层管与相邻的半椭圆包层管之间的间隙，高阶模有效地被引导出纤芯后与包层模耦合，高阶模泄露效果明显；

(4)本发明在工作波长处X基模损耗小，单模特性好，偏振消光比高，偏振保持特性好。

附图说明

图1是本发明提出的偏振保持空芯反谐振光纤的端面/径向截面结构图；

图2a和图2b是本发明实施例的纤芯直径的损耗和有效折射率曲线；

图2c和图2d是本发明实施例的纤芯直径的双折射和偏振模式消光比曲线；

图3a和图3b是本发明实施例的波长的损耗和有效折射率曲线；

图3c和图3d是本发明实施例的波长的双折射和偏振模式消光比曲线。

附图标记：

1、外包层；2、连接管；3、包层环；4、半椭圆包层管；5、半椭圆嵌套管；6、圆包层管；7、圆嵌套管；8、纤芯区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种偏振保持空芯反谐振光纤，包括外包层1、包层环3、连接外包层1和包层环3的连接管2、纤芯区域8、分别设置在包层环3内的半椭圆包层管4和圆包层管6、嵌套于半椭圆包层管4内的半椭圆嵌套管5、嵌套于圆包层管6的圆嵌套管7；六个半椭圆包层管4长半轴内径和两个圆包层管6的内径相等；六个半椭圆嵌套管5的长半轴内径相等；连接管2、包层环3、半椭圆包层管4、半椭圆嵌套管5和圆包层管6的管壁厚度相等；Y方向上的两个圆嵌套管7内径相等且壁厚相等；圆嵌套管7的壁厚大于圆包层管6的壁厚。

光纤内设有六个半椭圆包层管4，其中两个位于X轴的正半轴和负半轴上且相对于X轴对称和Y轴对称，其余半椭圆包层管4由X轴上相近的半椭圆包层管4旋转获得，且旋转角的绝对值相等，即X轴上方和下方的四个半椭圆包层管4与相邻X轴半椭圆包层管4的间隙相等。光纤内还设有两个位于Y轴且相对X轴对称和Y轴对称的圆包层管6，即圆包层管6与相邻的半椭圆包层管4间隙相等，圆包层管6与相邻的半椭圆包层管4的间隙大于相邻半椭圆包层管4之间的间隙；半椭圆嵌套管5设置在相应半椭圆包层管4内的轴对称位置且与包层环3相接；圆嵌套管7紧贴设置在圆包层管6内且对应于包层环3与圆包层管6紧贴设置的位置；纤芯区域8以及其它内部空间由空气填充。

外包层1、连接管2、包层环3、半椭圆包层管4、半椭圆嵌套管5、圆包层管6和圆嵌套管7的基底材料均为纯净的石英玻璃。

包层环3的内径为71～72μm；连接管2为2.4～2.6μm；外包层1的外径为87～89μm。

半椭圆包层管4的长半轴内径为19.5～20.5μm；半椭圆嵌套管5的长半轴内径为8.9～9.1μm；圆包层管6内径为19.5～20.5μm；圆嵌套管7内径为14.5～15.5μm。

外包层1的壁厚为5.3～5.4μm；连接管2、包层环3、半椭圆包层管4、半椭圆嵌套管5、圆包层管6的壁厚为0.37～0.38μm；圆嵌套管7的壁厚为1.57～1.59μm。

半椭圆包层管4的短半轴是长半轴的至少0.35倍；半椭圆嵌套管5的短半轴是长半轴的至少0.35倍；半椭圆嵌套管5的长半轴是半椭圆包层管4的长半轴至少0.4倍。圆嵌套管7的内径是圆包层管6内径的至少0.65倍。

X轴上方和下方的四个半椭圆包层管4及半椭圆嵌套管5是由相邻的X轴方向半椭圆包层管4及半椭圆嵌套管5绕着纤芯中心逆时针或顺时针旋转θ获得，θ取值38度或更大角度。

工作原理：

本发明偏振保持空芯反谐振光纤的结构，X方向半椭圆包层管4、半椭圆嵌套管5和包层环3的三层石英玻璃毛细管具有反共振作用。偏振光被限制在纤芯中，因此X偏振基模损耗很低。利用Y方向圆嵌套管7石英玻璃的共振特性，Y偏振基模和石英玻璃管表面模式发生微弱共振，发生第一次耦合；而圆包层管6石英玻璃具有反谐振特性，进行第一次耦合后的光能量，被具有反共振特性的圆包层管6反弹回来，进而诱导该方向的偏振模式与圆嵌套管7管壁中的表面模式再次共振，发生第二次耦合，导致能量互换能力增强，Y偏振基模快速泄露出去；同时，通过调节旋转角θ，改变相邻的半椭圆包层管4之间的间隙、圆包层管6与相邻的半椭圆包层管4的间隙，很好的将高阶模引导出纤芯8后与包层模耦合，有效地抑制了高阶模对基模传输的干扰。

实施例：

以工作波长1550nm为例，其发明原理同样适用于各个波长。

如图1所示，使用有限元仿真计算图1所示结构，偏振保持空芯反谐振光纤相关参数如下：连接管长为2.5μm，包层环内径为71.5μm；外包层的外径为88μm；圆包层管6内径和半椭圆包层管4长轴的内径：20μm；半椭圆嵌套管5长半轴的内径9μm；圆嵌套管7内径15μm；连接管2、包层环3、半椭圆包层管4、半椭圆嵌套管5、圆包层管6的壁厚为0.375μm；圆嵌套管7的壁厚为1.58μm；外包层的壁厚为5.375μm；圆嵌套管7的内径与圆包层管6内径比为0.75；半椭圆包层管4、半椭圆嵌套管5的短半轴与长半轴的比均为0.45；半椭圆嵌套管5的长半轴内径与半椭圆包层管4的长半轴内径比为0.45；X轴上方和下方四个半椭圆包层管4，由相邻X轴半椭圆包层管4旋转39度获得；X偏振模式损耗：2.36dB/km；Y偏振模式损耗：6.67dB/m；最低高阶模损耗：91.6dB/m；偏振消光比：2827；双折射：1.08×10^-4。

如图2a所示，偏振保持空芯反谐振光纤在纤芯直径30μm处，Y偏振基模损耗达到最大值，X偏振基模的损耗小。

如图2b所示，偏振保持空芯反谐振光纤在纤芯直径30μm处，Y偏振有效折射率突然增大，Y偏振基模与Y方向的圆嵌套管表面模式达到最大的谐振。

如图2c与图2d所示，偏振保持空芯反谐振光纤在纤芯直径30μm处，双折射和偏振消光比达到最大值。

如图3a所示，偏振保持空芯反谐振光纤在波长1.55μm处，产生的X偏振基模损耗2.36dB/km，Y偏振基模损耗为6.67dB/m。

如图3b所示，偏振保持空芯反谐振光纤在波长1.55μm处，Y偏振基模和X偏振基模的折射率发生反交叉现象，Y偏振基模和圆嵌套管表面模式能量彻底互换，最终Y偏振基模能量快速泄露出去。

如图3c所示，偏振保持空芯反谐振光纤在波长1.55μm处，产生的双折射为1.08×10^-4，

如图3d所示，偏振保持空芯反谐振光纤在波长1.55μm处，产生的偏振模式消光比为2827。

本发明利用X方向半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和包层圆环的三层石英玻璃毛细管具有反共振作用。偏振光被限制在纤芯中，因此X偏振基模损耗很低。利用Y方向圆嵌套管石英玻璃的共振特性，Y偏振基模和圆嵌套管表面模式发生微弱共振，发生第一次耦合；而圆包层管石英玻璃具有反共振特性，进行第一次耦合后的光能量，被圆包层管反弹回来，进而诱导该方向的偏振模式与圆嵌套管表面模式再次共振，发生第二次耦合，导致能量互换能力增强，Y偏振基模快速泄露出去。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明结构中，利用X轴的半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和包层环的三重反共振作用，X偏振基模被限制在纤芯中，大大降低了X偏振基模的损耗；

(2)利用Y方向圆嵌套管的共振特性，Y偏振基模和圆嵌套管表面模式发生微弱共振，诱导能量互换，发生第一次耦合，而圆包层管具有反共振特性，Y偏振基模的光能量被具有反共振特性的包层管反弹回来，进而诱导该方向的偏振模式与圆嵌套管表面模式再次共振，发生第二次耦合，导致能量互换能力增强，Y偏振基模快速泄露出去；

(3)同时，对半椭圆包层管之间的间隙、圆包层管与相邻的半椭圆包层管之间的间隙进行优化，高阶模有效地被引导出纤芯后与包层模耦合，高阶模泄露效果明显；

(4)本发明在工作波长处X偏振基模损耗低，单模特性好，偏振消光比高，偏振保持特性好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有而各种更改和变化。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。相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (7)

1.一种偏振保持空芯反谐振光纤，其包括外包层、连接管、包层环、半椭圆包层管、半椭圆嵌套管、圆包层管、圆嵌套管和纤芯区域，其特征在于：

所述外包层和包层环通过连接管连接，所述半椭圆包层管和圆包层管分别设置在包层环内，所述半椭圆嵌套管嵌套于半椭圆包层管中，圆嵌套管嵌套于圆包层管中；

所述半椭圆嵌套管设置在相应的半椭圆包层管内的轴对称位置且与包层环相接，圆嵌套管紧贴设置在圆包层管内且对应于包层环与圆包层管紧贴设置的位置；

所述连接管、包层环、半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和圆包层管的壁厚相等，各圆嵌套管内径相等且壁厚相等，圆嵌套管的壁厚大于圆包层管的壁厚；

光纤内设有六个半椭圆包层管，其中两个半椭圆包层管位于X轴的正半轴和负半轴上且相对于原点O对称，其余半椭圆包层管由X轴上相近的半椭圆包层管绕原点O旋转获得，且旋转角θ的绝对值相等，X轴上的半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和包层环能产生三重反共振，以降低X偏振基模损耗；

光纤内还设有两个位于Y轴且相对于原点O对称的圆包层管，所述半椭圆包层管长半轴内径与圆包层管的内径相等，各半椭圆嵌套管的长半轴内径相等，Y轴上的圆包层管、圆嵌套管能产生二次耦合，使Y偏振基模快速泄露出去；

其中以光纤的径向截面的圆心为原点O，以截面的水平方向为X轴，以截面的竖直方向为Y轴；

通过调节旋转角θ，改变半椭圆包层管之间的间隙、圆包层管与相邻的半椭圆包层管的间隙，使高阶模泄露效果达到最佳；

所述纤芯区域以及其它内部空间由空气填充。

2.根据权利要求1所述的偏振保持空芯反谐振光纤，其特征在于：所述外包层、连接管、包层环、半椭圆包层管、半椭圆嵌套管、圆包层管和圆嵌套管的基底材料均为石英玻璃。

3.根据权利要求1所述的偏振保持空芯反谐振光纤，其特征在于：所述包层环的内径为71～72μm，所述连接管长为2.4～2.6μm，所述外包层的外径为87～89μm。

4.根据权利要求1所述的偏振保持空芯反谐振光纤，其特征在于：所述半椭圆包层管的长半轴内径为19.5～20.5μm，所述半椭圆嵌套管的长半轴内径为8.9～9.1μm，所述圆包层管内径为19.5～20.5μm，所述圆嵌套管内径为14.5～15.5μm。

5.根据权利要求1所述的偏振保持空芯反谐振光纤，其特征在于：所述外包层的壁厚为5.3～5.4μm，所述连接管、包层环、半椭圆包层管、半椭圆嵌套管和圆包层管的壁厚为0.37～0.38μm，所述圆嵌套管的壁厚为1.57～1.59μm。

6.根据权利要求1所述的偏振保持空芯反谐振光纤，其特征在于：所述半椭圆包层管的短半轴是长半轴的0.35倍以上，所述半椭圆嵌套管的短半轴是长半轴的0.35倍以上，所述半椭圆嵌套管的长半轴是半椭圆包层管的长半轴0.4倍以上。

7.根据权利要求1所述的偏振保持空芯反谐振光纤，其特征在于：所述圆嵌套管的内径是圆包层管内径0.65倍以上。

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