CN113448010B - 一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤 - Google Patents

一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤，包括外层结构、包层区、空芯纤芯区；其中：所述包层区包括多个壁厚相同的圆形包层管，所述多个圆形包层管紧贴所述外层结构内表面设置且相邻两个圆形包层管的夹角为44.6～45.4度；所述包层区还包括：至少一个U型嵌套环，分别设置于所述圆形包层管内，且U型嵌套环与所述圆形包层管为一体式结构；所述U型嵌套环壁厚大于所述圆形包层管壁厚，设有所述U型嵌套环的圆形包层管的直径不同于其它圆形包层管的直径；所述空芯纤芯区为所述多个圆形包层管围成的区域。本发明能够实现单偏振传输并降低损耗。

Description

一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，具体而言，涉及一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤。
背景技术
随着通信系统的发展，光纤作为新一代的传输介质，已经被广泛用于信息传输领域。目前主要的通信光纤分为实芯光纤和空芯光纤，另外，由于实芯光纤的材料特性，不免会引入较高的色散和非线性效应，除此之外，实芯光纤还具备抗损伤阈值较低，有效模场面积较小等不足。相对于实芯光纤，空芯光纤的低色散和低非线性特性越来越吸引人们的注意。其中，现有的空芯光纤主要为光子带隙型光纤和空芯负曲率光纤，空芯负曲率光纤的传输机理为反谐振效应，其导模在空气介质中传播。单偏振传输的空芯负曲率光纤仅容许基模的某一个偏振方向的光传输，可以避免信号传输过程中的模间串扰等问题，因此更适合光纤通信系统。目前，人们设计的通用的单偏振传输光纤的方式主要有：
纤芯中引入双折射结构：通过在纤芯或者包层中引入双折射结构，纤芯中基模2个偏振模式解除简并，使得某一个方向的偏振模式转化为高损耗的泄露模，进而实现单偏振传输。
借助表面等离子体谐振(SPR)效应：在光纤中填充或者镀金、银等金属，借助SPR效应，使得纤芯基模的某一个偏振模式和表面等离子体极化(SPP)模耦合，形成高损耗模式，只剩下另一个偏振方向的模式传输。
借助具有高双折射液体填充：通过在纤芯中填充液晶等材料，使得芯模的具有很高的双折射特性，实现单偏振输出。对于空芯负曲率光纤而言，其材料只有二氧化硅和空气2种，其基模在空气中传输，传输机理为反谐振效应。目前人们基于空芯负曲率光纤实现低损耗单偏振传输的策略还有：
基于不同包层管环壁厚度的空芯负曲率光纤。空芯负曲率光纤的传输机理为反谐振效应，因此可以通过在负曲率光纤中引入多种不同的管环壁厚度使得纤芯基模的一个偏振模式为谐振状态，另一个偏振模式为反谐振状态来实现单偏振传输。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：
本发明提供一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤，从光纤的外部向内部的径向方向上，所述光纤依次包括外层结构、和位于该外层结构内表面所包围的内部空间中的：包层区、和除包层区之外的空芯纤芯区；其中：所述外层结构内表面的径向截面为圆形；所述包层区包括多个壁厚相同的圆形包层管，所述多个圆形包层管紧贴所述外层结构内表面设置且相邻两个圆形包层管的夹角为44.6°～45.4°；其中，所述包层区还包括：至少一个U型嵌套环，该至少一个U型嵌套环分别设置于所述圆形包层管内，且所述U型嵌套环与所述圆形包层管为一体式结构；所述U型嵌套环壁厚大于所述圆形包层管壁厚，设有所述U型嵌套环的圆形包层管的直径不同于其它圆形包层管的直径；所述空芯纤芯区为所述多个圆形包层管围成的区域。
可选的，所述圆形包层管的壁厚范围为1.116μm～1.118μm。
可选的，所述U型嵌套环的壁厚范围为1.506μm～1.508μm。
可选的，所述U型嵌套环包括半圆形端面、第一端面及第二端面，第一端面与第二端面平行设置，所述第一端面和第二端面的一端分别与所述半圆形端面连接，相对末端分别与所述圆形包层管内壁一体形成。
可选的，所述半圆形端面的底部到所述U型嵌套环开口朝向的圆形包层管内壁的最大距离为所述半圆形端面的直径。
可选的，所述半圆形端面的直径范围为20μm～22μm。
可选的，所述U型嵌套环为2个，该2个U型嵌套环分别设置于圆心处于同一直线上的两个圆形包层管内。
可选的，所述设有U型嵌套环的圆形包层管的直径范围为29μm～31μm；剩余圆形包层管的直径范围为25μm～27μm。
可选的，所述空芯纤芯区为椭圆形，长轴长度范围为53μm～55μm，短轴长度范围为45μm～47μm。
可选的，所述相邻两个圆形包层管的夹角为45度。
本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
本发明提供的单偏振低损耗空芯负曲率光纤，通过在圆形包层管内一体设置U型嵌套环，避免了圆形包层管与U型嵌套环的接触位置的高损耗点的产生，从而能够降低光纤的传输损耗；通过设置U型嵌套环壁厚不同于圆形包层管壁厚，使芯模的一个偏振态满足谐振条件来实现光纤的单偏振传输。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了本发明的单偏振低损耗空芯负曲率光纤截面图；
图2示出了本发明的单偏振低损耗空芯负曲率光纤模式有效折射率随波长的变化关系；
图3示出了本发明的单偏振低损耗空芯负曲率光纤限制损耗随波长的变化关系；
图4示出了本发明的单偏振低损耗空芯负曲率光纤偏振损耗比随波长的变化关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但不应限于这些术语。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
本发明提供一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤，图1是根据本发明实施例提供的单偏振低损耗空芯负曲率光纤的截面示意图。如图1所示，从光纤的外部向内部的径向方向上，所述光纤依次包括外层结构、和位于该外层结构内表面所包围的内部空间中的：包层区、和除包层区之外的空芯纤芯区；其中：
所述外层结构内表面的径向截面为圆形；
所述包层区包括多个壁厚相同的圆形包层管，所述多个圆形包层管紧贴所述外层结构内表面设置且相邻两个圆形包层管的夹角为44.6°～45.4°；其中，所述包层区还包括：
至少一个U型嵌套环，该至少一个U型嵌套环分别设置于所述圆形包层管内，且所述U型嵌套环与所述圆形包层管为一体式结构；所述U型嵌套环壁厚大于所述圆形包层管壁厚，设有所述U型嵌套环的圆形包层管的直径不同于其它圆形包层管的直径；
所述空芯纤芯区为所述多个圆形包层管围成的区域。
通过上述单偏振低损耗空芯负曲率光纤，根据U型嵌套环与圆形包层管之间无节点，且U型嵌套环壁厚不同于圆形包层管壁厚，能够实现单偏振低损耗。在实际应用中，所述U型嵌套环的数量不限，只要所述U型嵌套环与所述圆形包层管接触位置处折射率低，且所述U型嵌套环与所述圆形包层管的壁厚不同，无论是大于还是小于，只要形成反谐振腔，都可以实现单偏振低损耗，解决现有技术中的问题，并取得相应效果。
下面结合一个可选实施例，对上述实施例中涉及到的内容进行说明。
在本实施例中，所述包层区为8个圆形包层管，具体为石英包层管，编号为1、4、5、6、7、8、9、10，相邻两个石英包层管之间夹角为44.6～45.4度。
可选的，所述8个石英包层管沿着所述外层结构的圆心均匀排布，相邻管环之间夹角为45度。
可选的，编号为1和7的2个石英包层管，其直径d4的范围为29μm～31μm。
可选的，其余6个石英包层管，其直径d3的范围为25μm～27μm。
可选的，所述8个石英包层管，其玻璃壁厚t1的范围为1.116μm～1.118μm。
对于编号为2、3的两个U型嵌套环来说，该两个U型嵌套环分别设置于圆心处于同一直线上的两个圆形包层管内。所述U型嵌套环由一个半圆和两个直管构成，具体包括半圆形端面、第一端面及第二端面，第一端面与第二端面平行设置，所述第一端面和第二端面的一端分别与所述半圆形端面连接，相对末端分别与所述圆形包层管内壁一体形成。其中，所述半圆形端面底部到所述U型嵌套环开口朝向的圆形包层管内壁的最大距离为所述半圆形端面的直径。
可选的，所述U型嵌套环，其石英玻璃壁厚t2的范围为1.506μm～1.508μm。
可选的，所述半圆形端面，即两个U型嵌套环的半圆部分，其直径d5的范围为20μm～22μm。
所述空芯纤芯区为8个石英包层管所围成的椭圆区域，其长轴长度为d1，短轴长度为d2。所述椭圆纤芯区的长轴d1的范围为：53μm～55μm，椭圆纤芯区的短轴d2的范围为：45μm～47μm。
由于所述空芯纤芯区填充材料为空气，空气的折射率低于包层石英玻璃管的石英折射率，因此，本发明提供的光纤的导光机制不是全内反射，该光纤也没有光子带隙结构，因此也不是光子带隙的导光机制。此光纤的导光机制为反谐振。在传统空芯负曲率光纤中，会引入反谐振壁来增强光纤包层对光的限制能力。同时，一般情况下包层对光的限制能力与反谐振壁的数量成正比。本发明提供的光纤，通过加入U型嵌套环额外引入一层反谐振壁来进一步降低损耗；第二，在传统嵌套环空芯负曲率光纤中，管环壁之间的接触点会形成高损耗点，会增大纤芯基模的损耗；而，本发明提供的光纤中，引入新型U型嵌套环结构，避免了传统嵌套环结构的高损耗点的产生，从而进一步降低损耗。第三，本发明提供的光纤，通过选择性改变同一直线上的2个U型嵌套环的管环壁厚度使芯模的一个偏振态满足谐振条件来实现光纤的单偏振传输。具体实验效果如图2-4所示。
本发明的一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤的一个实施例，其光纤模式有效折射率随波长的变化关系如图2所示。当某一偏振方向管模的有效折射率实部的曲线与该偏振方向的基模的有效折射率的曲线相交时，即2个模式的有效折射率实部相等的时候，该偏振方向的基模的有效折射率会发生突变，即产生反交叉点。
本发明的一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤的一个实施例，光纤限制损耗随波长的变化关系如图3所示。当图2中的某一偏振方向管模的有效折射率实部的曲线与该偏振方向的基模的有效折射率实部的曲线相交时，在此波长下的该偏振方向的基模的有效折射率虚部也会发生突变，从而使得该基模的限制损耗发生突变。但是，此波长下的另一个偏振方向的基模的有效折射率虚部不会发生突变，从而该偏振方向的基模的限制损耗不会发生突变。继而，对于该波长下的2个偏振方向的基模的限制损耗相差较大，从而实现单偏振传输。
本发明的一种单偏振低损耗U型嵌套环空芯负曲率光纤的一个实施例，偏振损耗比随波长的变化关系如图4所示。当图2中的某一偏振方向管模的有效折射率实部的曲线与该偏振方向的基模的有效折射率实部的曲线相交时。或者，当图3中某一偏振方向的基模的限制损耗发生突变的时候。对应的，在该波长下的损耗比会变大。图中的三个传输带即是损耗比大于100的传输带，认为在该传输带内的波长下，可实现单偏振传输。
本发明，椭圆纤芯区的长轴d1的范围为：53μm～55μm，短轴d2的范围为：45μm～47μm；两个圆形包层管的直径d4的范围为：29μm～31μm；两个U型嵌套环的半圆部分的直径d5的范围为：20μm～22μm，所述U型嵌套环底部距外管环底部的距离d5的范围为：20μm～22μm；六个圆管环的直径d3的范围为：25μm～27μm；t1的范围为：1.116μm～1.118μm；t2的范围为：1.506μm～1.508μm。8个石英包层管相邻管之间夹角为44.6～45.4度。
通过上述参数的设置，可以使得在在波长1550nm处损耗较小的偏振基模的限制损耗小于0.015dB/m。在波长范围为1525nm-1527nm，1540nm，1549nm-1551nm三个波段的偏振损耗比的绝对值大于102，是单偏振传输，其偏振带宽分别为3nm、1nm、3nm。本发明提供的光纤在波长为1550nm处的偏振损耗比达到了5975，在1526nm处达到了1742，在1540nm处达到了528。可见，本实施例的光纤结构能够实现单偏振、低损耗的效果。
实施例一：所述椭圆纤芯区的长轴d1为：53μm，椭圆纤芯区的短轴d2为：45μm。所述两个圆形包层管的直径d4为:29μm。所述两个U型嵌套环的半圆部分的直径d5为:20μm，所述U型嵌套环的底部距圆形包层管内壁的最大距离d5为:20μm。所述六个圆形包层管的直径d3为：25μm。所述t1为:1.116μm。所述t2为：1.506μm。所述8个石英包层管相邻管之间夹角为44.6度。
实施例二：所述椭圆纤芯区的长轴d1为:55μm，椭圆纤芯区的短轴d2为：47μm。所述两个圆形包层管的直径d4为:31μm。所述两个U型嵌套环的半圆部分的直径d5为:22μm，所述U型嵌套环底部距圆形包层管内壁的最大距离d5为:22μm。所述六个圆形包层管的直径d3为:26μm。所述t1为:1.118μm。所述t2为:1.508μm。所述8个石英包层管相邻管之间夹角为45.4度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种低损耗单偏振空芯负曲率光纤，其特征在于，从光纤的外部向内部的径向方向上，所述光纤依次包括外层结构、和位于该外层结构内表面所包围的内部空间中的：包层区、和除包层区之外的空芯纤芯区；其中：
所述外层结构内表面的径向截面为圆形；
所述包层区包括多个壁厚相同的圆形包层管，所述多个圆形包层管紧贴所述外层结构内表面设置且相邻两个圆形包层管的夹角为44.6～45.4度；其中，所述包层区还包括：
至少一个U型嵌套环，该至少一个U型嵌套环分别设置于所述圆形包层管内，且所述U型嵌套环与所述圆形包层管为一体式结构，所述U型嵌套环与所述圆形包层管一体形成；所述U型嵌套环壁厚大于所述圆形包层管壁厚，设有所述U型嵌套环的圆形包层管的直径不同于其它圆形包层管的直径；所述U型嵌套环为2个，该2个U型嵌套环分别设置于与 圆心处于同一直线上的两个圆形包层管内；所述U型嵌套环的壁厚范围为1.506μm～1.508μm；
所述空芯纤芯区为所述多个圆形包层管围成的区域。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述圆形包层管的壁厚范围为1.116μm～1.118μm。
3.根据权利要求1至2任一所述的光纤，其特征在于，所述U型嵌套环包括半圆形端面、第一端面及第二端面，第一端面与第二端面平行设置，所述第一端面和第二端面的一端分别与所述半圆形端面连接，相对末端分别与所述圆形包层管内壁一体形成。
4.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述半圆形端面底部到所述U型嵌套环开口朝向的圆形包层管内壁的最大距离为所述半圆形端面的直径。
5.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述半圆形端面的直径范围为20μm～22μm。
6.根据权利要求1至2任一所述的光纤，其特征在于，所述设有U型嵌套环的圆形包层管的直径范围为29μm～31μm，其余圆形包层管的直径范围为25μm～27μm。
7.根据权利要求1至2任一所述的光纤，其特征在于，所述空芯纤芯区为椭圆形，长轴长度范围为53μm～55μm，短轴长度范围为45μm～47μm。
8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述相邻两个圆形包层管的夹角为45度。
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