CN115185034A - 一种单偏振空芯反谐振光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单偏振空芯反谐振光纤，包括：保护层、毛细管、U型嵌套结构、圆型嵌套结构和纤芯区域，所述毛细管设有若干个且均匀分布在保护层内，其中一个毛细管内设有圆型嵌套结构，其余毛细管内设有U型嵌套结构，所述纤芯区域设置在保护层内部中心；保护层、毛细管、U型嵌套结构、圆型嵌套结构的材料均为石英玻璃，纤芯区域及保护层其余内部空间为空气填充，单模、低损耗、结构简单的单偏振空芯反谐振光纤，适用于长距离场景并易于制备。本发明提出的光纤结构简单，易于制备，无需添加金属材料或使用复杂的包层结构；本发明具有较宽的单偏振工作波长，在工作波长内基模y偏振态损耗低、单模性能好、偏振损耗比高。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体而言，涉及一种单偏振空芯反谐振光纤。
背景技术
光信号在光纤中传输时，其偏振方向可能会由于结构缺陷或受到环境干扰发生变化，从而影响部分光纤系统的性能。因此，需要通过偏振器件或保偏光纤来控制和保持光的偏振方向，尤其是在偏振敏感的光纤应用系统当中，例如光纤传感器、光纤激光器、光纤陀螺等。传统的保偏实芯光纤，是通过施加应力或椭圆纤芯等手段实现高双折射，使两种偏振态具有不同的传播常数。这种光纤可以保持两种偏振态的光信号作为独立信道传输，但与此同时，两种偏振态之间会引入偏振模色散。对此，单偏振光纤得到研究，其原理是使一种偏振态的光出现高损耗并被抑制，而仅以另一种偏振态的光低损耗传输，从而消除了偏振模色散。此外，随着技术的发展，实芯光纤由材料引起的高非线性、温度敏感、功率损伤阈值低、工作波长有限等缺陷逐渐成为部分应用场景的瓶颈。
由于导光介质是空气，空芯光纤具有低时延、低色散、低非线性、温度不敏感、功率损伤阈值高等优点，是突破传统实芯光纤材料缺陷的潜在理想方案。其中，空芯反谐振光纤还具有表面散射损耗小、工作波段宽、结构简单等独特优势，受到广泛研究和关注。2019年申请号为201910685799.5的中国专利公开一种空芯反谐振光纤偏振滤波器，在y轴方向的毛细管内填充金属材料以实现基模y偏振态的滤除，但其基模x偏振态面临较高的损耗，且加入金属材料会影响光纤的热敏感性。2021年申请号为202110682721.5的中国专利公开一种偏振保持空芯反谐振光纤，通过y轴方向两个圆包层管与基模y偏振态之间的模式耦合实现单偏振特性，但光纤具有六个半椭圆管以及外包层环，光纤结构复杂度高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模式耦合的空芯反谐振光纤，该光纤的结构由5个毛细管组成，其中x轴方向的毛细管为圆型嵌套，使基模x偏振态具有高损耗，其余四个毛细管为U型嵌套，可以使基模y偏振态维持低损耗，从而获得低损耗传输的单偏振空芯反谐振光纤。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种单偏振空芯反谐振光纤，包括：保护层、毛细管、U型嵌套结构、圆型嵌套结构和纤芯区域，所述毛细管设有若干个且均匀分布在保护层内，其中一个毛细管内设有圆型嵌套结构，其余毛细管内设有U型嵌套结构，所述纤芯区域设置在保护层内部中心；保护层、毛细管、U型嵌套结构、圆型嵌套结构的材料均为石英玻璃，纤芯区域及保护层其余内部空间为空气填充。
进一步来说，所述毛细管设有5个且相邻毛细管之间有间隙，五个毛细管等间距围绕在纤芯区域，五个毛细管被保护层固定和包围，相邻毛细管之间具有一定间隙且各间隙相等。其中x轴方向的一个毛细管内设置圆型嵌套结构，其余四个毛细管内设置U型嵌套结构。相较于U型嵌套结构，光纤x轴方向的圆型嵌套结构对光泄漏的抑制程度较弱，以此增大基模x偏振态的损耗；圆型嵌套结构的壁厚会引起包层模式与基模x偏振态之间的模式耦合，使基模x偏振态的能量迅速向外泄漏，从而获得单偏振性能。光纤的四个毛细管和U型嵌套结构可以有效降低基模y偏振态的损耗，通过调整U型嵌套结构的半径，使高阶模式得到有效抑制，以获得单模性能。
进一步来说，所述毛细管和U型嵌套结构的壁厚相等；圆型嵌套结构的壁厚大于毛细管和U型嵌套结构的壁厚，且圆型嵌套结构的壁厚h需满足式(1)的谐振条件，其中m为正整数，λ为自由空间光波长，nglass和nair分别为玻璃与空气的材料折射率。由此，可以通过圆型嵌套结构的壁厚在光纤x轴方向引起包层模式，从而与基模x偏振态耦合并增大损耗。
进一步来说，所述光纤的纤芯半径为15-20μm，毛细管的半径为21-24μm，相邻毛细管之间的间隙为2-4μm，U型嵌套结构的半圆半径为10-11μm，U型嵌套结构与毛细管之间的径向分离为9-12μm，圆型嵌套结构半径为10-14μm，毛细管和U型嵌套结构的壁厚为0.45-0.55μm，圆形嵌套结构的壁厚为0.7-0.9μm。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提出的光纤结构简单，易于制备，无需添加金属材料或使用复杂的包层结构；
(2)本发明通过调整U型嵌套结构的半径，引导高阶模式向外泄漏，有效抑制高阶模式在光纤中传输；
(3)本发明通过5管设计降低基模y偏振态损耗，拓宽偏振损耗比大于等于20dB的波段，使光纤具有较宽的单偏振工作波长，在工作波长内基模y偏振态损耗低、单模性能好、偏振损耗比高。
附图说明
图1是本发明提出的U型嵌套空芯反谐振光纤的横截面图；
图2是本发明提出的U型嵌套空芯反谐振光纤的结构参数图；
图3是本发明实施例的基模x偏振态和基模y偏振态损耗曲线；
图4是本发明实施例的偏振损耗比曲线；
图5是本发明实施例的高阶模式损耗比曲线；
图6是本发明实施例的基模x偏振态和基模y偏振态的模场。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和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。
如图1所示，如图1所示，本发明提出的一种单偏振空芯反谐振光纤的横截面示意图，包括保护层1、毛细管2、U型嵌套结构3、圆型嵌套结构4和纤芯区域5；五个毛细管2等间距围绕在纤芯区域5周围，通过保护层1固定，圆型嵌套结构4设置在x轴方向的毛细管2内，U型嵌套结构3则设置在其余四个毛细管2内。
如图2所示，本发明提出的一种单偏振空芯反谐振光纤的结构参数图，其中，纤芯半径Rcore为15-20μm，毛细管的半径R为21-24μm，相邻毛细管之间的间隙g为2-4μm，U型嵌套结构的半圆半径r为10-11μm，U型嵌套结构与毛细管之间的径向分离z为9-12μm，圆型嵌套结构半径a为10-14μm，毛细管和U型嵌套结构的壁厚t为0.45-0.55μm，圆形嵌套结构的壁厚h为0.7-0.9μm。
实施例：
使用有限元仿真计算图2所示的结构，该光纤结构的参数如下：纤芯半径Rcore为20μm，毛细管的半径R为24μm，相邻毛细管之间的间隙g为3.3μm，U型嵌套结构的半圆半径r为10.32μm，U型嵌套结构与毛细管之间的径向分离z为12μm，圆型嵌套结构半径a为12μm，毛细管和U型嵌套结构的壁厚t为0.5μm，圆形嵌套结构的壁厚h为0.776μm。
如图3、图4和图5所示，偏振损耗比大于20dB的单偏振带宽为10.8nm，单偏振工作波长为1536.2-1547.0nm；在该单偏振工作波长内，基模y偏振态的损耗均小于0.92dB/km，高阶模式损耗比大于1952；在1543.2nm波长处，光纤具有最大偏振损耗比为50.32dB，此时基模y偏振态的损耗为0.43dB/km。
如图6所示，在1543.2nm波长处，光纤的基模x偏振态和基模y偏振态的模场如图所示，其中基模x偏振态的部分能量与包层模式耦合。
以上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。
Claims (5)
1.一种单偏振空芯反谐振光纤，其特征在于，包括：保护层、毛细管、U型嵌套结构、圆型嵌套结构和纤芯区域，所述毛细管设有若干个且均匀分布在保护层内，其中一个毛细管内设有圆型嵌套结构，其余毛细管内设有U型嵌套结构，所述纤芯区域设置在保护层内部中心；保护层、毛细管、U型嵌套结构、圆型嵌套结构的材料均为石英玻璃，纤芯区域及保护层其余内部空间为空气填充。
2.根据权利要求1所述的一种单偏振空芯反谐振光纤，其特征在于，所述毛细管设有5个且相邻毛细管之间有间隙；其中x轴方向的一个毛细管内设置圆型嵌套结构，其余四个毛细管内设置U型嵌套结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种单偏振空芯反谐振光纤，其特征在于，所述毛细管和U型嵌套结构的壁厚相等。
4.根据权利要求3所述的一种单偏振空芯反谐振光纤，其特征在于，所述圆型嵌套结构的壁厚大于毛细管和U型嵌套结构的壁厚。
5.根据权利要求1或2所述的一种单偏振空芯反谐振光纤，其特征在于，所述光纤的纤芯半径为15-20μm，毛细管的半径为21-24μm，相邻毛细管之间的间隙为2-4μm，U型嵌套结构的半圆半径为10-11μm，U型嵌套结构与毛细管之间的径向分离为9-12μm，圆型嵌套结构半径为10-14μm，毛细管和U型嵌套结构的壁厚为0.45-0.55μm，圆形嵌套结构的壁厚为0.7-0.9μm。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117369045A (zh) * | 2023-11-02 | 2024-01-09 | 南京信息工程大学 | 一种中红外单模单偏振的空芯反谐振光纤 |
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| CN113448010A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-09-28 | 北京邮电大学 | 一种单偏振低损耗空芯负曲率光纤 |
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