CN116699754A - 一种应用于近红外波段(1.3～1.9μm)的高双折射空芯反谐振光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高双折射的空芯反谐振光纤，该光纤结构包括:负曲率谐振管单元、空气纤芯、外包层套管、起偏器环；所有负曲率谐振管单元围绕纤芯嵌套连接在外包层套管内壁，与起偏器环和外包层套管一起构成一种高双折射空芯反谐振光纤。本发明利用抑制耦合原理将光束缚在光纤纤芯区域，通过起偏器环产生x、y方向上的有效光程差进而引入高双折射，实现在1.3～1.9μm波段内该空芯光纤能够低损耗的导光。本申请在光纤陀螺领域具有巨大的应用价值。
Description
(一)技术领域
本申请涉及的是一种应用于近红外波段(1.3～1.9μm)的高双折射空芯反谐振光纤，属于光通信与激光光电子技术领域。
(二)背景技术
近年来，保偏光纤在互联网、激光系统、传感系统、工业加工及医疗等领域所起作用越来越大，但依赖全反射导光机制的传统保偏光纤，受制于应力元及纤芯高折射率材料色散、非线性、材料吸收等方面的本征缺陷限制，较之空芯光纤，显现出很多应用劣势。
空芯光纤由于其独特的空芯结构而具有低时延的优势而且在单根光纤中可以引导两种偏振保持(PM)模式复用使传输容量增加一倍，因此，支持两种正交PM模式的空芯反谐振光纤将会在短距离、大容量和低时延的光传输网络领域具有很好的应用前景。
空芯反谐振光纤(HC-ARF)包层结构简单、石英玻璃材料在光纤中所占比例较小，因此，在近红外波段具有更小材料吸收损耗和更高的损伤阈值，且容易制备。
空芯反谐振光纤(HC-ARF)具有低光损耗、低玻璃模式重叠和宽传输带宽的潜力，可以覆盖到从紫外到中红外的光波段区域，经过优化可以在1.3μm到1.9μm波段中工作。
一般而言，光纤为能实现有效的PM传输，其双折射需要高于10-4，而且较低的传输损耗也会保持较高的传输效率。目前，让空芯光纤实现保偏效果的核心是：中心空气纤芯中传输光波导模式的两个偏振模具有较大折射率差，使这两个偏振模具在传输过程中不易发生耦合。而主要实现的方式是让中心空气纤芯的几何形状呈椭圆形。通过微结构设计引入高双折射，空芯保偏光纤正表现出越来越旺盛的发展势头。
专利申请号“202110295029.7”的中国发明专利“一种芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤”提出了一种纤芯区域具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤，通过在光子带隙包层中纤芯区域上下壁各添加一个弧形对称薄壁的不对称结构来降低纤芯结构的对称性，从而引入高双折射进行保偏，尽管空芯光子带隙光纤可以借助表面—纤芯模式的相互作用引入高双折射，但其表面散射损耗远大于空芯反谐振光纤，这一点降低了它进一步优化的可能，虽然关于纤芯缺陷19个空气孔的保偏光子带隙光纤设计提升了光纤的部分性能，但小于10nm的工作宽度增大了其拉制难度并使其难以广泛应用。
专利申请号“202111001101.7”的中国发明专利“一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤”提出了一种基于谐振耦合效应增强的高双折射空芯反谐振光纤，在1.55μm附近让纤芯模式同时与外切式微毛细管环壁模式以及内切式微毛细管环壁模式发生强烈的谐振耦合效应，从而增大y偏振光的限制损耗来提高光纤的双折射并实现光纤保偏功能，但是该申请的光纤结构复杂，尺寸要求高，制造难度大，本申请采用谐振管的嵌合设计，尺寸要求低，制造简单。
文献“WEI S,ZHANG Y,WU T,et al.Broadband birefringence hollow-coreanti-resonant optical fiber with elliptical air holes[J].OpticsCommunications,2023,527.”提出了一种新型双折射空芯反谐振光纤，它在1.55μm处达到了10-4量级的双折射，工作波段虽与本申请重合，双折射量级也相同，但本申请的最低损耗：0.0000797dB/m小于该文献的最低损耗。
文献“HONG Y-F,GAO S-F,DING W,et al.Highly Birefringent Anti-ResonantHollow-Core Fiber with a Bi-Thickness Fourfold Semi-Tube Structure[J].Laser&Photonics Reviews,2022,16(5).”提出了一种具有四重旋转对称的双厚度半管结构的空芯反谐振光纤，在1.1～1.7μm的波段范围内实现了9.1×10-5的双折射、185dB/km的损耗水平，工作波段虽与本申请大致重合，但本申请的双折射以及损耗水平都远超该文献。
综上所述，空芯光纤是通过纤芯模式和包层模式的反交叉耦合效应引入有效折射率的改变从而产生高双折射。虽然空芯光子带隙光纤可以通过利用表面模式和纤芯模式的耦合作用产生较高的双折射，但是其表面散射损耗过于大使其很难得到广泛应用。目前的研究表明空芯反谐振光纤的性能远高于传统石英光纤，并且更具有优化前景。但是目前学术界提出的保偏空芯反谐振光纤部分传输损耗过高、部分结构过于复杂，不具备工业制造的优势，这就使得本领域中依然缺乏新颖的保偏空芯反谐振光纤的设计。
(三)发明内容
为了解决上述的现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种损耗较低、保偏性能更好、结构简洁的高双折射空芯反谐振光纤，能够良好应用于光纤陀螺领域。
本发明的目的是这样实现的：
一种应用于近红外波段(1.3～1.9μm)的高双折射空芯反谐振光纤，包括起偏器环、负曲率谐振管单元、空气纤芯以及外包层套管。
本发明提供的起偏器环，包括一个主环和内部两端的两个圆形辅管；所述主环的结构轮廓为圆弧矩形，其两端的圆弧半径R1一致，所述半径R1范围在10～13μm；所述主环的中间长度是半径R1的6～8倍，宽度是半径R1的2倍；所述主环的介质厚度t1范围在700～800nm；所述圆形辅管的半径R2范围在6.7～8.7μm；所述圆形辅管的介质厚度t2的范围在200～400nm；介质材料选择SiO2；所述圆形辅管与主环的连接方式采用嵌套连接，连接节点处厚度保持t1±0.1t1；所述起偏器环本质是通过改变光在x、y方向上的光程差，进一步来提高所述空芯光纤的双折射，从而达到保偏效果，加上起偏器环结构，普通空芯反谐振光纤的双折射水平将提高1～2个数量级。
本发明提供的负曲率谐振管单元，包括一个圆形负曲率谐振管和一个内部嵌套圆环；所述圆形负曲率谐振管的半径R3与所述起偏器环的两端的圆弧半径R1保持一致：10～13μm；所述嵌套圆环的半径R4范围在6～8μm；所述负曲率谐振管单元的介质厚度t3范围在300～440nm；介质材料选择SiO2；所述圆形负曲率谐振管与嵌套圆环的连接方式采用嵌套连接，连接节点处厚度保持t3±0.1t3；所述负曲率谐振管单元通过反谐振效应可以减少光的泄露损耗，通过改变所述负曲率谐振管单元数量N，本发明的传输损耗也会改变。
本发明提供的空气纤芯，所述空气纤芯本质是一个由起偏器环围成的空气孔；所述空气纤芯的长度a范围在36～40μm，宽度b范围在10～13μm；所述空气纤芯是所述空芯光纤的导光区域，所述长度a与宽度b的大小受到所述起偏器环的影响；所述起偏器环圆形辅管的半径R2增大，所述空气纤芯的长度a则减小；所述起偏器环主环两端的圆弧半径R1增大，所述空气纤芯的宽度b则增大。
本发明提供的外包层套管，所述外包层套管本质是所述空芯光纤外部的保护层，保证所述空芯光纤内部结构的稳定与安全，为保证一定的机械强度，所述外包层套管的半径范围在50～100μm，厚度范围在15～30μm，材质选用SiO2。
本发明至少具备以下独特而显著的优点：
1、本申请提出一种根据增大x、y方向光程差来引入高双折射的空芯反谐振光纤，在反谐振原理实现光纤低损耗传输的基础之上，通过中心管环来使得纤芯基模y偏振光与中心管环壁玻璃模式发生强烈的谐振耦合效应，从而增大y偏振光的泄露损耗，并且通过在中心管环x方向引入嵌套管环，减小节点来减小x偏振光的泄露损耗，以此来大幅提升光纤的双折射系数，从而实现光纤起偏功能。
2、本申请光纤结构设计灵活，所述空芯光纤的反谐振波长与所述各玻璃管环的壁厚相关，因此通过控制玻璃管环的壁厚就可以调节光纤的工作带宽，使得所述空芯光纤可以在不同环境下工作。
3、本申请所述的高双折射空芯反谐振光纤，拥有原理简单、性能稳定、结构简洁、损耗很低以及高双折射水平的特性，克服了现有技术的不足，适合在光纤陀螺领域应用。
(四)附图说明
图1为本申请提供的一种应用于近红外波段(1.3～1.9μm)的高双折射空芯反谐振光纤的二维端面图；图1中所示的各类标号：起偏器环S10、负曲率谐振管单元S20、空气纤芯S30以及外包层套管S40；
图2为本申请实施例中提供的一种应用于近红外波段(1.3～1.9μm)的高双折射空芯反谐振光纤的模场图；
图3为本申请实施例中提供的一种应用于近红外波段(1.3～1.9μm)的高双折射空芯反谐振光纤的损耗图；
图4为本申请实施例中提供的一种应用于近红外波段(1.3～1.9μm)的高双折射空芯反谐振光纤的有效折射率及相位双折射图；
(五)具体实施方式
为使本发明能够更加清晰易懂，特将结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明通过以下实施例来说明本申请的设计优势：
实施例
请参考图1，所述空芯光纤的详细结构图；
在本实施例中，所述的高双折射的空芯光纤的详细结构包括：
(1)外包层套管；
外包层套管的半径为：50μm；厚度为：20μm；材质选择SiO2。
(2)负曲率谐振管单元；
负曲率谐振管单元由一个圆形负曲率谐振管和一个内部嵌套圆环构成；圆形负曲率谐振管的半径R3为：12.3μm；嵌套圆环的半径R4为：6.7μm；所述负曲率谐振管单元的介质厚度t3为：370nm；圆形负曲率谐振管与嵌套圆环的连接方式采用嵌套连接，连接节点处厚度保持370±37nm；介质材料选择SiO2。
(3)起偏器环；
起偏器环由一个主环及内部两端的两个圆形辅管构成；主环两端圆弧半径R1为：12μm；主环的中间长度L为：79.3μm，宽度为：22.4μm，介质厚度t1为：800nm；辅管半径R2为：7μm，介质厚度t2为：370nm；圆形辅管与主环的连接方式采用嵌套连接，连接节点处厚度保持800±80nm；介质材料均选择SiO2。
(4)光纤纤芯；
光纤纤芯由起偏器环围绕构成，纤芯长度a为：37μm；宽度b为：11μm；材质为空气；光纤纤芯导光效果图，请参考图2。
所述的高双折射空芯反谐振光纤本申请能在1.3μm处实现0.0000797dB/m的x方向基模损耗、0.00059dB/m的y方向基模损耗，在1.75μm处实现1.1×10-4的高双折射，请参考图3、4；本申请可以为光纤陀螺领域提供巨大的应用价值。
本发明的实施例中的具体参数可以根据实际需要进行改动，但是修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围。
Claims (7)
1.一种应用于近红外波段(1.3～1.9μm)的高双折射空芯反谐振光纤，所述的高双折射空芯反谐振光纤结构包括：空气纤芯、负曲率谐振管单元、起偏器环以及外包层套管。
所述空气纤芯是由起偏器环围成的一个空气孔，是光纤主要的导光区域。
所述负曲率谐振管单元是高双折射空芯反谐振光纤内部的束光单元，由一个圆形负曲率谐振管及一个内部嵌套圆环构成。
所述起偏器环由一个主环及内部两端的两个圆形辅管构成，是本发明实现偏振保持的重要结构。
所述外包层套管是高双折射空芯反谐振光纤外部的保护层。
2.根据权利要求1所述的起偏器环，其特征在于，所述起偏器环主环的两端圆弧半径R1一致，所述半径R1范围在10～13μm；所述起偏器环主环的中间长度是所述半径R1的6～8倍，宽度是所述半径R1的2倍；所述起偏器环主环的介质厚度t1范围在700～800nm。
3.根据权利要求1所述的起偏器环，其特征在于，所述起偏器环内部两端的圆形辅管半径R2范围在6.7～8.7μm；所述起偏器环圆形辅管的介质厚度t2的范围在200～400nm；所述起偏器环圆形辅管与主环的连接方式采用嵌套连接，连接节点处厚度保持t1±0.1t1。
4.根据权利要求1所述的负曲率谐振管单元，其特征在于，所述各圆形负曲率谐振管的半径R3保持一致；所述半径R3与所述起偏器环的两端圆弧半径R1保持一致；所述嵌套圆环半径R4范围在6～8μm；所述负曲率谐振管单元的介质厚度t3范围在300～440nm；所述圆形负曲率谐振管与嵌套圆环的连接方式采用嵌套连接，连接节点处厚度保持t3±0.1t3。
5.根据权利要求1所述的负曲率谐振管单元，其特征在于，所述负曲率谐振管单元以特定角度分布于所述空芯光纤的包层区域，同侧的任意两个相邻负曲率谐振管单元彼此间隔g保持一致，所述间隔g范围在2～3μm；所述负曲率谐振管单元数量N的取值范围在6～8个。
6.根据权利要求1所述的空气纤芯，其特征在于，所述空气纤芯本质是一个由起偏器环围成的空气孔；所述空气纤芯的长度a范围在36～40μm，宽度b范围在10～13μm。
7.根据权利要求1所述的高双折射空芯反谐振光纤，所述空芯光纤根据改变所述起偏器环主环的介质厚度t1，可以获得不同类型的导光波段，所述的不同类型的导光波段包括：第一类，拥有宽广的低损耗导光波段：1.3～1.5μm，能实现10-4dB/m水平的低损耗；第二类，拥有较高的双折射水平：1.65～1.75μm，能实现10-4水平的高双折射。所述空芯光纤在1.3μm处实现0.0000797dB/m的x方向基模损耗、0.00059dB/m的y方向基模损耗，在1.75μm处实现1.1×10-4的高双折射；本申请在光纤陀螺领域具有巨大的应用价值。
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2023
- 2023-07-05 CN CN202310816716.8A patent/CN116699754A/zh active Pending
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