CN115903126B - 一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，所述光纤包括：外层结构管；多个嵌套包层管，各嵌套包层管沿外层结构管的内壁等间距设置，每个嵌套包层管包含一个孔径较大的外围包层管以及设置在外围包层管内孔径较小的内部包层管，外围包层管和内部包层管内切，且内切点与外层结构管接触重合；多个隙圆补偿包层管，间隔设置在嵌套包层管之间，并与外层结构管内切固定。本发明能够在保留较大纤芯的基础上，有效防止光的泄露，极大减小了限制损耗，实现了超低损耗传输。

Description

一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤。

背景技术

反谐振式平面波导(antiresonant reflecting optical waveguide，ARROW)理论于1986年由Duguay等人首次提出。最早应用在2002年报道的Kagome 型空芯光纤，同2002年，N.M.Litchinitser 等人提出将ARROW原理与空芯光纤结合，并得出该原理所得的传输频带与 Kagome 型空芯光纤实验结果相契合，由此提出空芯反谐振光纤。

简单来说，反谐振原理就是当光的波长为谐振波长时，包层壁对光的束缚力减弱，光泄露到包层外，而当光的波长为反谐振波长时，包层壁对光的束缚能力增强，光被束缚到空气纤芯中，从而实现光在纤芯内传输的目的。

目前主流的空芯反谐振光纤以负曲率，无节点，嵌套圆的方式降低限制损耗，负曲率指包层壁弯曲方向不朝向纤芯，一般以圆形为主，因为容易拉制。无节点则是让各个包层管之间互不接触，规律的排列开来。嵌套圆则是在原包层管的基础上公用一个接触点，安装一个更小的包层管，从而实现嵌套型结构，以增加了反谐振壁的层数进一步降低限制损耗。但仍然存在着光泄露较多，模式耦合等原因，使光纤损耗仍然较高。

因此，亟需一种新的光纤结构，以降低光纤损耗。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，以解决现有光纤能耗较高的问题。

本发明提供了一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，所述光纤包括：

外层结构管；

多个嵌套包层管，各嵌套包层管沿所述外层结构管的内壁等间距设置，每个嵌套包层管包含一个孔径较大的外围包层管以及设置在所述外围包层管内孔径较小的内部包层管，所述外围包层管和所述内部包层管内切，且内切点与所述外层结构管接触重合；

多个隙圆补偿包层管，间隔设置在所述嵌套包层管之间，并与所述外层结构管内切固定；

其中，所述外层结构管、所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管为圆形结构、玻璃材质，所述外层结构管、所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管的内外以预设填充物进行填充，所述预设填充物的折射率小于所述玻璃材质。

在一些实施例中，所述预设填充物为空气，所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管围成的区域为空气纤芯。

在一些实施例中，各嵌套包层管中所述外围包层管半径与所述空气纤芯半径的比为0.6~0.8。

在一些实施例中，所述隙圆补偿包层管半径与各嵌套包层管中所述外围包层管半径的比为0.3~0.4。

在一些实施例中，所述空气纤芯的半径为20~25微米；

所述隙圆补偿包层管的半径为3.6~10微米；

各嵌套包层管中所述内部包层管的半径为5~10微米；

各嵌套包层管中所述外围包层管的半径为12~20微米。

在一些实施例中，所述外层结构管、所述隙圆补偿包层管、所述嵌套包层管中所述外围包层管和所述内部包层管的管壁厚度为0.238~0.475微米。

在一些实施例中，所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管的数量均为5个。

在一些实施例中，所述外层结构管的外侧还设有涂敷层，所述涂敷层采用硅铜或丙烯酸盐材料制成。

在一些实施例中，所述外层结构管、所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管所采用的玻璃的折射率为1.45。

在一些实施例中，各嵌套包层管中所述外围包层管半径与所述空气纤芯半径的比为0.73，所述隙圆补偿包层管半径与各嵌套包层管中所述外围包层管半径的比为0.4，所述光纤的工作波长为1~2微米。

本发明的有益效果至少是：

本发明所述隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，基于反谐振光纤结构，通过设置多个嵌套包层管，并在嵌套包层管之间添加隙圆补偿包层管，构建新的负曲率反谐振面，能够在保留较大纤芯的基础上，有效防止光的泄露，极大减小了限制损耗，实现了超低损耗传输。进一步的，在此结构基础上，能够实现更出色的抗弯曲性能，弯曲损耗较低。

进一步的，通过设置嵌套包层管、隙圆补偿包层管为圆形包层管结构，且连接点设置在外层结构管上，极大降低了拉制难度，降低了量产难度和成本。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例所述隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤的结构示意图。

图2为本发明一实施例所述隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤基模的限制损耗与波长的关系曲线。

图3为本发明一实施例所述隙圆补偿的基模在波长为1.55um下的弯曲损耗与弯曲半径的关系曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

空芯反谐振光纤是一种基于反谐振效应的新型微结构光纤，通过SiO2反谐振层和空气反谐振层的厚度分别与波长满足一定的关系，产生反谐振效应，从而将光波限制在纤芯中传播。这种结构和导光机理上的独特性使得空芯反谐振光纤具有众多不同于传统光纤的特性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低、传输带宽大、能量损伤阈值高、非线性效应低、弯曲敏感性高等。因此，空芯反谐振光纤被应用于光纤传感器、高能激光传输、非线性光学等领域。从空芯反谐振光纤研制出现至今，对其科学研究逐渐深入，尤其是对其模式、传输带宽、损耗特性的研究，对光纤传感领域意义重大。

反谐振光纤的导光原理可以用平面波导中的反谐振反射(ARROW)原理来进行解释，当光传输至纤芯和包层交界面时，对于满足谐振条件的光直接从包层透射出去，而其它不满足谐振条件的光将会被反射回纤芯区域。

本申请提出了一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，嵌套包层管均匀排列围绕成一圈，并创新性的提出在各间隙之间加上了隙圆补偿的包层管设计，提出隙圆补偿的新思路，添加了新的负曲率反谐振面，同时为设计提供了新的思路，增加了额外的设计自由度，使得在保留较大纤芯直径的基础上，有效的防止了光的泄露，极大减小了限制损耗，使得本光纤具有超低损耗传输的可能。

具体的，本发明提供了一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，所述光纤由外层结构管、嵌套包层管和隙圆补偿包层管组成。

外层结构管，作为外部支撑和保护结构，为管状空腔结构。

多个嵌套包层管，各嵌套包层管沿外层结构管的内壁等间距设置，每个嵌套包层管包含一个孔径较大的外围包层管以及设置在外围包层管内孔径较小的内部包层管，外围包层管和内部包层管内切，且内切点与外层结构管接触重合。

多个隙圆补偿包层管，间隔设置在嵌套包层管之间，并与外层结构管内切固定。为了在扩大纤芯过程中防止间隙增加，光泄露增大，额外增加隙圆补偿包层管作为反射层，在比例合适时能起到降低损耗的作用，抑制模式耦合带来的影响。这里，将为扩大纤芯半径R的优势，将环包层管间隙增大，而导致光泄露，用增加隙间包层管的方式减少光的泄露的形式定义为隙圆补偿。

其中，外层结构管、嵌套包层管和隙圆补偿包层管为圆形结构、玻璃材质，外层结构管、嵌套包层管和隙圆补偿包层管的内外以预设填充物进行填充，预设填充物的折射率小于玻璃材质。

在本实施例中，外层结构管、嵌套包层管和隙圆补偿包层管作为包层区域，其中外层结构管为外包层，嵌套包层管和隙圆补偿包层管为内包层，内包层所包围的区域为低折射率的纤芯区域。内包层的嵌套包层管和隙圆补偿包层管可以接触构建有节点的反谐振光纤，也可以不接触以构建无节点的反谐振光纤。

本实施例通过控制外层结构管、嵌套包层管和隙圆补偿包层管的半径、厚度满足反谐振条件，在此基础上，相比于现有技术，本申请通过增设隙圆补偿包层管，能够在扩大纤芯半径的基础上，保证实现反谐振的多反射和抑制耦合，能够极大降低损耗。

在一些实施例中，预设填充物为空气，嵌套包层管和隙圆补偿包层管围成的区域为空气纤芯。

在一些实施例中，各嵌套包层管中外围包层管半径与空气纤芯半径的比为0.6~0.8。

在一些实施例中，隙圆补偿包层管半径与各嵌套包层管中外围包层管半径的比为0.3~0.4。

在一些实施例中，空气纤芯的半径为20~25微米。隙圆补偿包层管的半径为3.6~10微米。各嵌套包层管中内部包层管的半径为5~10微米。各嵌套包层管中外围包层管的半径为12~20微米。

在一些实施例中，外层结构管、隙圆补偿包层管、嵌套包层管中外围包层管和内部包层管的管壁厚度为0.238~0.475微米。

在一些实施例中，嵌套包层管和隙圆补偿包层管的数量均为5个。

在一些实施例中，外层结构管的外侧还设有涂敷层，涂敷层采用硅铜或丙烯酸盐材料制成。

在一些实施例中，外层结构管、嵌套包层管和隙圆补偿包层管所采用的玻璃的折射率为1.45。

在一些实施例中，各嵌套包层管中外围包层管半径与空气纤芯半径的比为0.73，隙圆补偿包层管半径与各嵌套包层管中外围包层管半径的比为0.4，光纤的工作波长为1~2微米。

下面结合一具体实施例对本发明进行说明：

图1是本发明一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤横截面结构示意图。在本实施例中，一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，其结构如图1所示，由外而内依次为外层结构1、嵌套包层管2、隙圆补偿包层管3、空气纤芯4。外层结构1为空芯反谐振光纤的最外层，将各类包层管包裹在其内部；嵌套包层管2包括一个较大圆包层管与一个尺寸较小的圆包层管，其一侧管壁皆与外层结构连接，隙圆补偿包层管3为各嵌套包层管间隙间的尺寸较小的包层管，其一侧管壁与外层结构连接，空气纤芯4由嵌套包层管2以及隙圆补偿包层管3包围而成。

纤芯具体参数如图1所示，纤芯半径为R，隙圆补偿包层管半径为r₁，嵌套包层管大圆半径为r₃，其嵌套小圆半径为r₂。R为20~25um；r₃/R在0.6~0.8之间，以0.73为最佳；r₁/ r₃在0.3~0.4之间，以0.4为最佳；r₁为3.6~10um之间；r₂为5～10um之间；r₃为12～20um之间。

隙圆补偿包层管壁厚为t₁，嵌套包层管中外围包层管壁厚为t₃，内部包层管的壁厚为t₂。对于空芯反谐振光纤的这些参数，需要满足反谐振的条件。只有相关的壁厚，折射率等参数要在相应范围内，才可以实现抑制光的泄露。上述实例具有了较大的纤芯直径，同时用隙圆补偿的方式减小了光的泄露，从而有效的降低了限制损耗。目前工作波长1~2um之间，t₁、t₂以及t₃范围都是0.238~0.476um之间。

这种结构的改进原理和过程过程可以参照如下内容：

反谐振光纤的研究较为详细，可成功拉制的结构主要为两种，无节点圆形包层管反谐振光纤与无节点嵌套包层管反谐振光纤，而结构是影响反谐振光纤性能的重要因素。

目前的基础改进方向：有将圆形包层管改为其他形状，如椭圆，月牙型，各种不规则图形等，可以充分发挥包层管负曲率的优势，但极大的提升了拉制难度。增加多层反谐振面，让光经过多层反谐振面，将光充分的反射回纤芯。也提升了拉制难度。再如双负曲率光纤为增加其他性能如高阶模抑制比，而增加了节点，提升了损耗。以扩大纤芯直径的方式，可以使限制损耗以数量级降低，但同时增大了包层管的间隙。

其中，纤芯直径、间隙与包层管环的数量三个参数互相影响，并决定了光纤的损耗，所以改进过程中需要分别考虑三个因素对性能影响并从中取舍平衡，以达到想要的性能。

本实施例采用5环嵌套包层管的结构有着更宽的反谐振带，更低的损耗，潜力更大。本实施例中设置嵌套包层管在包层管大圆中加一个小圆，可以增加谐振反射层的同时，减小管环中模式的有效折射率，使纤芯的模式与包层管模式有效折射率之差增大，有效抑制了纤芯和包层之间模式耦合，兼顾了两大主要原理。而且与大圆公用一个接触点，不增加节点，减小的增加损耗的可能。

进一步的，光纤以能够实现拉制为前提，所以，本实施例放弃采用不规则形状的包层管。由于在结构中纤芯直径这一主导损耗的因素被占用空间太大，但将纤芯直径扩大势必会受到管环个数与间隙的制约而，极大的增加管环个数得到的效果也不理想。

为了保留和继承五管嵌套结构的优势性能，本实施例在嵌套管环个数不变情况下扩大纤芯直径。由于每个嵌套管的间隙的扩大，损耗急剧上升，考虑到是间隙处光泄露太过严重，为了弥补这个致命缺陷，本实施例在嵌套包层管扩大直径的基础上设置了多个隙圆包层管，并且将固定点设置在外层结构上。

在添加上隙圆包层管后发现损耗有所下降，验证了添加隙圆包层管的可行性。确定了模型的基本形状，在此基础上，进一步考虑各结构尺寸参数对限制损耗的影响，进行优化。为了降低限制损耗与弯曲损耗，则需要考虑到光泄露间隙大小、嵌套包层管大小、隙圆补偿包层管大小、纤芯直径以及各圆环厚度等一系列相互影响的变量，调整和改善性能，并参考模式耦合带来的影响。

本实施例中，选择需优化的参数，使用comsol软件进行优化处理。对于纤芯直径，如果一味的增加纤芯直径，在超过某个值后反而会使损耗上升，研究表明这是由于打破了五环嵌套抑制模式耦合的作用，需要权衡包层管半径与纤芯直径的关系。在增加了隙圆包层管之后，最佳的包层管直径与纤芯直径比例由0.68上升到了0.73，而纤芯直径优选为20~25um之间，比例优选为0.6~0.8之间，超出比例会导致强烈的模式耦合，致使各损耗上升较大，或者纤芯直径太小而失去了最初的目的。

进一步的，通过计算和实验得出嵌套包层管r₃的合适范围应在12~20um之间。隙圆包层管的大小要根据前面的纤芯直径与嵌套管半径来确定，在确定了这两者范围之后，隙间距也随之确定，以从小到大的思路确定r₁的大小，因较大隙间距的存在，隙圆补偿包层管的加入明显降低了损耗，可以起到补偿光泄露的作用，值得注意的是，隙圆补偿包层管的半径也不是越大越好，在超出了一定范围之后，损耗会上升，这也是不能直接增加大小一致的包层管数量的原因之一，通过计算和实验得出最佳比例范围r₁/r₃应在0.3~0.4之间，由此确定r₁范围应在3.6~10um之间，在得知了这几个重要参数之后，用comsol进行细致的参数化扫描工作，反复计算其限制损耗与弯曲损耗的大小，并确定出纤芯半径23um，嵌套包层管17.2um，隙圆补偿包层管7um的最佳参数情况。

在此基础上，又对嵌套包层管里的小包层管由小到大进行优化，得出了半径应为8.73um，到此得出了各长度参数的最佳参数。

而为了各包层管可以实现反谐振，首先壁厚要满足反谐振公式，并符合低损耗要求，选择一阶谐振波长，并选择工作波长在1~2um之间，得出壁厚范围应在0.238~0.476之间。在此范围内对各包层管壁厚继续进行仿真优化，成功找到了各包层管的最优壁厚参数，t₁为0.4um，t₂为0.4um，t₃为0.4um。并经过仿真得到最后的模型，有着低限制损耗和低弯曲损耗，且在1~2um波段上无起伏较大情况。成功将纤芯直径与抑制模式耦合的优势充分发挥，有效防止了光的泄露，实现了加入新隙圆补偿包层管后的微妙平衡状态，在此状态下任何参数的改变都会使损耗上升。形成了本实施例最后的反谐振光纤模型。

采用在本实例中如图1所示的结构，相应的参数为R=23μm、r₁=7μm、r₂=8.73μm、r₃=17.2μm、t₁=0.4μm、t₂=0.4μm和t₃=0.4μm。使用有限元仿真软件Comsol Multiphysics对本实施例进行仿真测试，仿真采用对光纤横截面进行模式分析的方式，玻璃部分使用了最大单元大小为λ/5.8的网格划分方式(λ为真空中的波长)，空气部分使用了最大单元大小为λ/4的网格划分方式，并在最外层加上了完美匹配层以模拟无限大的硅玻璃光纤外套管，测得本实例在1.04~1.44μm之间限制损耗均低于0.01dB/km，最低在1.18μm处测得0.00602dB/km，且在1~1.94μm之间限制损耗均处在0.01 dB/km与0.02 dB/km之间，如图2所示。

同时测得本实例在1.55μm波长条件下，弯曲损耗随弯曲半径变化的情况在弯曲半径为6cm之后弯曲损耗由0.18dB/km降到50cm时的0.01695dB/km，如图3所示。

综上所述，本发明所述隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，基于反谐振光纤结构，通过设置多个嵌套包层管，并在嵌套包层管之间添加隙圆补偿包层管，构建新的负曲率反谐振面，能够在保留较大纤芯的基础上，有效防止光的泄露，极大减小了限制损耗，实现了超低损耗传输。进一步的，在此结构基础上，能够实现更出色的抗弯曲性能，弯曲损耗较低。

进一步的，通过设置嵌套包层管、隙圆补偿包层管为圆形包层管结构，且连接点设置在外层结构管上，极大降低了拉制难度，降低了量产难度和成本。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例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 (7)

1.一种隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，其特征在于，所述光纤包括：

外层结构管；

多个嵌套包层管，各嵌套包层管沿所述外层结构管的内壁等间距设置，每个嵌套包层管包含一个孔径较大的外围包层管以及设置在所述外围包层管内孔径较小的内部包层管，所述外围包层管和所述内部包层管内切，且内切点与所述外层结构管接触重合；

多个隙圆补偿包层管，间隔设置在所述嵌套包层管之间，并与所述外层结构管内切固定；

其中，所述外层结构管、所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管为圆形结构、玻璃材质，所述外层结构管、所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管的内外以预设填充物进行填充，所述预设填充物的折射率小于所述玻璃材质，所述光纤的工作波长为1~2微米；所述预设填充物为空气，所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管围成的区域为空气纤芯各嵌套包层管中所述外围包层管半径与所述空气纤芯半径的比为0.6~0.8；所述隙圆补偿包层管半径与各嵌套包层管中所述外围包层管半径的比为0.3~0.4。

2.根据权利要求1所述的隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，其特征在于，所述空气纤芯的半径为20~25微米；

所述隙圆补偿包层管的半径为3.6~10微米；

各嵌套包层管中所述内部包层管的半径为5~10微米；

各嵌套包层管中所述外围包层管的半径为12~20微米。

3.根据权利要求2所述的隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，其特征在于，所述外层结构管、所述隙圆补偿包层管、所述嵌套包层管中所述外围包层管和所述内部包层管的管壁厚度为0.238~0.475微米。

4.根据权利要求3所述的隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，其特征在于，所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管的数量均为5个。

5.根据权利要求4所述的隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，其特征在于，所述外层结构管的外侧还设有涂敷层，所述涂敷层采用硅铜或丙烯酸盐材料制成。

6.根据权利要求5所述的隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，其特征在于，所述外层结构管、所述嵌套包层管和所述隙圆补偿包层管所采用的玻璃的折射率为1.45。

7.根据权利要求6所述的隙圆补偿的低损耗空芯反谐振光纤，其特征在于，各嵌套包层管中所述外围包层管半径与所述空气纤芯半径的比为0.73，所述隙圆补偿包层管半径与各嵌套包层管中所述外围包层管半径的比为0.4。

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