CN116047653A - 一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，包括第一类圆形介质管、第二类圆形介质管、第三类圆形介质管、第一类多边形外套管和由所述第一类圆形介质管外壁包围而成的空气纤芯，所述第一类圆形介质管外切于所述第一类多边形外套管，所述第三类圆形介质管内切于所述第一类圆形介质管，外切于所述第二类圆形介质管。本发明采用上述的一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，光纤具有多个反谐振层，外套管为多边形，减少了包层节点，有效降低了限制耗损，增加了传输带宽。另外，光纤模式主要分布在空气孔中，可有效降低光纤的材料吸收损耗，提高光纤的损伤阈值，可用于高功率激光传输、光纤激光器和光纤传感器。

Description

一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其是涉及一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤。
背景技术
空芯光纤是一种主要将光限制在中心空心区域，只有一小部分光在固体光纤材料中传播的光纤。由于其独特的结构和导光机制，空芯光纤改善了传统光纤波导材料固有的局限性。随着光纤技术的发展，传统实芯光纤低损伤阈值、高非线性等缺陷逐渐显现。相比于传统实芯光纤，空芯光纤具有结构简单易制备、损耗小、带宽大、损伤阈值高、延迟小等优点而被广泛应用于光通信、光传感器、高功率激光传输和光纤激光器等领域。
空芯反谐振光纤的包层一般由一圈圆形介质管组成，圆形介质管固定在光纤外套管上，从而使结构稳定；嵌套型空芯反谐振光纤是指在每一个包层管内嵌套一个尺寸更小的包层管，依据反谐振反射原理，嵌套型结构由于加入了额外的反谐振玻璃层数，可以进一步有效降低光纤的限制损耗。W.J.Belardi等人[W.Belardi,Design and propertiesofhollow antiresonant fibers for the visible and near infrared spectralrange.J.Lightw.Technol.,2015,32:4497～4503]制备的嵌套型负曲率空芯光纤在波长480nm处损耗为175dB/km，靠近纤芯的介质壁厚度与远离纤芯的介质壁厚度相差较大，因而存在较高的损耗区。2016年，南洋理工大学X.Huang等人[X.Huang,W.Qi,D.Ho,K.T.Yong,F.Luan,and S.Yoo,Hollow core anti-resonant fiber with splitcladding.Opt.Express 24(7),7670–7678(2016)]设计了一种改进的空芯反谐振光纤，该光纤由三包层环组成，通过在空芯反谐振光纤中嵌套一组相邻较小的圆形管阵列，补充了反谐振反射，但是该结构会增加光纤中的包层节点，由节点引起的纤芯模和包层模之间的耦合导致损耗增加。在常见的嵌套空芯反谐振光纤中，通常采取增加介质层来降低损耗，但是增加的介质层往往会增加包层的节点，并未充分发挥额外的反谐振玻璃壁层数的优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，光纤具有多个反谐振层，外套管为多边形，减少了包层节点，有效降低了限制耗损，增加了传输带宽。另外，光纤模式主要分布在空气孔中，可有效降低光纤的材料吸收损耗，提高光纤的损伤阈值，可用于高功率激光传输、光纤激光器和光纤传感器。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，包括第一类圆形介质管、第二类圆形介质管、第三类圆形介质管、第一类多边形外套管和由所述第一类圆形介质管外壁包围而成的空气纤芯，所述第一类圆形介质管外切于所述第一类多边形外套管，所述第三类圆形介质管内切于所述第一类圆形介质管，外切于所述第二类圆形介质管；
所述第二类圆形介质管连接到所述第三类圆形介质管上且与所述第一类圆形介质管无节点，所述空气纤芯由多个所述第一类圆形介质管外壁包围而成，其包围轮廓的内接圆半径为空气纤芯半径rcore。
优选的，所述第一类圆形介质管、所述第二类圆形介质管和所述第三类圆形介质管的厚度均为t。
优选的，所述第一类圆形介质管内设有两个所述第三类圆形介质管，且与所述第一类多边形外套管有两个切点，所述第一类圆形介质管和所述第一类多边形外套管的两个切点与所述第一类圆形介质管和所述第三类圆形介质管的两个切点位于所述第一类圆形介质管同一位置的内外壁上。
优选的，所述第一类多边形外套管为矩形、五边形或者六边形。
优选的，所述第一类圆形介质管数目为4、5、6。
优选的，所述光纤材质为二氧化硅、软玻璃或塑料中的任意一种。
因此，本发明采用上述一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，光纤具有多个反谐振层，外套管为多边形，减少了包层节点，有效降低了限制耗损，增加了传输带宽。另外，光纤模式主要分布在空气孔中，可有效降低光纤的材料吸收损耗，提高光纤的损伤阈值，可用于高功率激光传输、光纤激光器和光纤传感器。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤实施例的五边形外套管的嵌套型空芯反谐振光纤示意图；
图2是本发明一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤实施例的矩形外套管的嵌套型空芯反谐振光纤示意图；
图3是本发明一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤实施例的六边形外套管的嵌套型空芯反谐振光纤示意图；
图4是本发明一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤实施例1中基模的限制损耗示意图；
图5是本发明一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤实施例2中基模的限制损耗示意图；
图6是本发明一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤实施例3中基模的限制损耗示意图。
附图标记
1、第一类圆形介质管；2、第二类圆形介质管；3、第三类圆形介质管；4、第一类多边形外套管；5、纤芯区域。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例一
本发明提供的一种基于五边形外套管的嵌套型空芯反谐振光纤，如图1所示，包括第一类圆形介质管1、第二类圆形介质管2、第三类圆形介质管3、第一类多边形外套管4和由第一类圆形介质管1外壁包围而成的空气纤芯，第一类圆形介质管1、第二类圆形介质管2、第三类圆形介质管3的作用为降低损耗。
第一类圆形介质管1外切于第一类多边形外套管4且与第一类多边形外套管4有两个切点，第一类圆形介质管1内设有两个第三类圆形介质管3，第三类圆形介质管3内切于第一类圆形介质管1，外切于第二类圆形介质管2。第一类圆形介质管1和第一类多边形外套管4的两个切点与第一类圆形介质管1和第三类圆形介质管3的两个切点位于第一类圆形介质管1同一位置的内外壁上。
第一类圆形介质管1和第三类圆形介质管3均连接到第一类多边形外套管4上，第二类圆形介质管2连接到第三类圆形介质管3上且与第一类圆形介质管1无节点，二者之间无节点实现了高带宽低损耗的效果。
第一类圆形介质管1、第二类圆形介质管2和第三类圆形介质管3的厚度均为t且满足反谐振反射波导原理。空气纤芯由多个第一类圆形介质管1外壁包围而成，其包围轮廓纤芯区域5的内接圆半径为纤芯半径rcore，空气纤芯可有效降低光纤的材料吸收损耗。
第一类多边形外套管4横截面为五边形，第一类圆形介质管1和第二类圆形介质管2的数目均为5，第三类圆形介质管3的数目为10；光纤材质为二氧化硅、软玻璃或塑料的任意一种。
在本实施例中，第一类圆形介质管1的外层介质管半径为21.0μm,第二类圆形介质管2的外层介质管半径为10.0μm,第三类圆形介质管3的外层介质管半径为7.4μm,所有介质管的厚度均为t＝0.58μm,中心区域空气纤芯半径为16.5μm,使用有限元仿真软件ComsolMultiphysics对本实施例进行仿真测试，如图4所示，在波长为1.40μm处，数值仿真获得的基模的限制损耗为0.017dB/km，测得本实施例在1.47μm处的限制损耗最低，最低为0.005dB/km，运转波长在1.34μm-1.69μm波段内，纤芯基模的限制损耗均可低于0.1dB/km，带宽为350nm。
实施例2
本发明提供的一种基于矩形外套管的嵌套型空芯反谐振光纤，如图2所示，第一类多边形外套管4横截面为矩形，第一类圆形介质管1和第二类圆形介质管2的数目均为4，第三类圆形介质管3的数目为8；光纤材质为二氧化硅、软玻璃或塑料的任意一种。
在本实施例中，第一类圆形介质管1的外层介质管半径为25.0μm,第二类圆形介质管2的外层介质管半径为12.0μm,第三类圆形介质管3的外层介质管半径为9.4μm,所有介质管的厚度均为t＝0.58μm,中心区域空气纤芯半径为16.5μm,使用有限元仿真软件ComsolMultiphysics对本实施例进行仿真测试，如图5所示，在波长为1.40μm处，数值仿真获得的基模的限制损耗为0.286dB/km，测得本实施例在1.62μm处的限制损耗最低，最低为0.092dB/km，运转波长在1.34μm-1.80μm波段内，纤芯基模的限制损耗均可低于0dB/km，带宽为460nm。
实施例3
本发明提供的一种基于六边形外套管的嵌套型空芯反谐振光纤，如图3所示，第一类多边形外套管4横截面为六边形，第一类圆形介质管1和第二类圆形介质管2的数目均为6，第三类圆形介质管3的数目为12；光纤材质为二氧化硅、软玻璃或塑料的任意一种。
在本实施例中，第一类圆形介质管1的外层介质管半径为16.0μm,第二类圆形介质管2的外层介质管半径为8.4μm,第三类圆形介质管3的外层介质管半径为5.0μm,所有介质管的厚度均为t＝0.58μm,中心区域纤芯半径为16.5μm,使用有限元仿真软件ComsolMultiphysics对本实施例进行仿真测试，如图6所示，在波长为1.40μm处，数值仿真获得的基模的限制损耗为0.027dB/km，测得本实施例在1.45μm处的限制损耗最低，最低为0.019dB/km，运转波长在1.34μm-1.50μm波段内，纤芯基模的限制损耗均可低于0.1dB/km，带宽为160nm。
因此，本发明采用上述一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，光纤具有多个反谐振层，外套管为多边形，减少了包层节点，有效降低了限制耗损，增加了传输带宽。另外，光纤模式主要分布在空气孔中，可有效降低光纤的材料吸收损耗，提高光纤的损伤阈值，可用于高功率激光传输、光纤激光器和光纤传感器。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，其特征在于：包括第一类圆形介质管、第二类圆形介质管、第三类圆形介质管、第一类多边形外套管和由所述第一类圆形介质管外壁包围而成的空气纤芯，所述第一类圆形介质管外切于所述第一类多边形外套管，所述第三类圆形介质管内切于所述第一类圆形介质管，外切于所述第二类圆形介质管；
所述第二类圆形介质管连接到所述第三类圆形介质管上且与所述第一类圆形介质管无节点，所述空气纤芯由多个所述第一类圆形介质管外壁包围而成，其包围轮廓的内接圆半径为空气纤芯半径rcore。
2.根据权利要求1所述的一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述第一类圆形介质管、所述第二类圆形介质管和所述第三类圆形介质管的厚度均为t。
3.根据权利要求1所述的一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述第一类圆形介质管内设有两个所述第三类圆形介质管，且与所述第一类多边形外套管有两个切点，所述第一类圆形介质管和所述第一类多边形外套管的两个切点与所述第一类圆形介质管和所述第三类圆形介质管的两个切点位于所述第一类圆形介质管同一位置的内外壁上。
4.根据权利要求1所述的一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述第一类圆形介质管的半径大于所述第二类圆形介质管的半径，所述第二类圆形介质管的半径大于所述第三类圆形介质管的半径。
5.根据权利要求1所述的一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述第一类多边形外套管为矩形、五边形或者六边形。
6.根据权利要求1所述的一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述第一类圆形介质管数目为4、5、6。
7.根据权利要求1所述的一种基于多边形外套管的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述光纤材质为二氧化硅、软玻璃或塑料中的任意一种。
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CN117369046A (zh) * 2023-12-08 2024-01-09 南京信息工程大学 一种中红外色散平坦的空芯反谐振光纤
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