CN117872524A - 一种新月形保偏反谐振空芯光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新月形保偏反谐振空芯光纤，包括外层区域和内层区域；内层区域包括包层结构，包层结构包括第一反谐振单元和第二反谐振单元，第一反谐振单元和第二反谐振单元壁厚不同，分别至少为两个，形状为圆弧形，通过两端节点轮流与外层区域相连并形成旋转对称结构；第一反谐振单元和第二反谐振单元围绕形成的中空区域为纤芯区域。与现有技术相比，本发明具有通过包层结构的旋转对称结构以及壁厚不同的第一反谐振单元和第二反谐振单元实现了较高的双折射，且可以在1.06μm和1.55μm波段实现高双折射和低损耗传输；通过嵌套结构可以有效降低光纤的限制损耗；外层区域和内层区域可选择相同材料制备，其结构易于生产制造等优点。

Description

一种新月形保偏反谐振空芯光纤

技术领域

本发明涉及激光光电子技术领域，尤其是涉及一种新月形保偏反谐振空芯光纤。

背景技术

近年来，保偏光纤在通信系统、传感应用以及激光系统中得到了广泛的应用，其中大多采用实芯的保偏光纤，但由于其全内反射的导光机理，光纤制造成本较高，且受到材料吸收、非线性以及激光损伤阈值较高等因素的限制，实芯保偏光纤在应用中受到诸多限制。空芯光纤由于其独特的光纤结构，打破了实芯光纤固有的全内反射的导光机理，可以将光限制在折射率更低的空芯纤芯中，有效的减小了光与高折射率物质的相互作用，不仅可以降低传输损耗，且有效的避免了光传输过程中非线性高、激光损伤阈值低等问题。目前空芯光纤主要分为两类，一类为基于光子带隙将特定波段光限制在纤芯中的空芯光子带隙光纤，另一类为基于反谐振反射与模式抑制耦合理论的反谐振空芯光纤。由于其具有尺寸较小的微结构，很难在其中增加高应力区域，因此，在空芯光纤中实现媲美保偏实芯光纤的双折射量级较为困难。

保偏的空芯光纤可以利用空气模式与高折射率介质中存在的介电模式之间产生的反交叉效应，在特定波段发生模式之间的相互转化，导致其偏振相关的有效折射率产生变化，从而引入双折射效应。文献“J.M.Fini,J.W.Nicholson,B.Mangan,etal.Polarization maintaining single-mode low-loss hollow-core fibres[J].NatureCommunications,2014,5:5085.”提出了一种拥有分流孔结构的19-cell纤芯的空芯光子带隙光纤，拥有接近保偏实芯光纤的双折射，但由于其导光机理限制，此类光纤传输带宽过窄，限制了其偏振相关的应用。

而基于反谐振反射和模式抑制耦合理论的反谐振空芯光纤，其传输带宽在反谐振波段较宽，且可以将光限制在空气中传输，与内层区域介质层重叠较小，其理论最低损耗低于传统实芯光纤，拥有广泛的应用场景。

经过检索，申请公布号CN116699754A公开了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，具体公开了：提出一种具有起偏器环的反谐振空芯光纤，通过起偏器环产生正交方向的有效光程差从而引起高双折射。但起偏器环结构复杂，不利于光纤本身的制备。

申请公布号CN116639867A公开了一种空芯光纤预制棒、光纤及其制备方法，具体公开了：空芯光纤预制棒包括套管和反谐振单元，套管为管状结构，若干反谐振单元等间距地固定设置在套管的内壁上，若干反谐振单元围成的区域构成空芯光纤预制棒的中心孔；反谐振单元由一种或多种毛细管构成，反谐振单元中的至少一种毛细管具有缺圆结构。但该现有技术仅可以实现低损耗传输而无法保持高双折射。

综上所述，现有光纤存在无法满足偏振应用需求和多个波段无法同时保持高双折射的问题。因此，如何设计一种可以满足偏振应用需求且多个波段可以同时保持高双折射的光纤为需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的无法满足偏振应用需求和多个波段无法同时保持高双折射的缺陷而提供一种新月形保偏反谐振空芯光纤。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种新月形保偏反谐振空芯光纤，包括外层区域和内层区域；所述内层区域位于外层区域内部；所述内层区域包括包层结构，所述包层结构包括形状为圆弧形的第一反谐振单元和第二反谐振单元，所述第一反谐振单元和第二反谐振单元壁厚不同，分别至少为两个，通过两端节点轮流与外层区域相连并形成旋转对称结构；所述第一反谐振单元和第二反谐振单元之间形成的最大内切圆区域为纤芯区域。

作为优选的技术方案，所述的内层区域还包括嵌套结构，所述嵌套结构安装在包层结构和外层结构之间，所述嵌套结构包括至少四个第三反谐振单元，形状为圆弧形，曲率小于第一反谐振单元和第二反谐振单元，所述第三反谐振单元两端节点与第一反谐振单元或第二反谐振单元两端节点相连并与外层区域相连。

作为优选的技术方案，所述的第三反谐振单元的壁厚偏差不超过设定值的10％。

作为优选的技术方案，所述的第一反谐振单元、第二反谐振单元和第三反谐振单元的折射率均相同。

作为优选的技术方案，所述的嵌套结构还包括至少四个第四反谐振单元，形状为圆弧形，曲率小于第三反谐振单元，安装在第三反谐振单元和外层区域之间，所述第四反谐振单元两端节点与第三反谐振单元两端节点相连。

作为优选的技术方案，所述的第二反谐振单元直径与纤芯区域直径比值为1.35～1.42，所述第三反谐振单元和第二反谐振单元之间的距离与第二反谐振单元直径的比值为0.3～0.5。

作为优选的技术方案，所述的第一反谐振单元壁厚与第二反谐振单元壁厚差值大于0.15μm。

作为优选的技术方案，所述的第一反谐振单元的壁厚偏差不超过设定值的8％；所述的第二反谐振单元的壁厚偏差不超过设定值的5％。

作为优选的技术方案，所述的纤芯区域内介质的折射率小于内层区域。

作为优选的技术方案，所述的外层区域和内层区域折射率相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明通过包层结构的旋转对称结构以及壁厚不同的第一反谐振单元和第二反谐振单元实现了较高的双折射，且可以在两个重要波段(1.06μm和1.55μm)同时实现高双折射和低损耗传输；

2)本发明通过增加嵌套结构可以有效降低光纤的限制损耗；

3)本发明包层结构和嵌套结构两端的节点相互连接并与外层区域连接，增加了保偏反谐振空芯光纤的结构稳定性；

4)本发明外层区域和内层区域折射率相同，可选择相同材料制备，易于生产制造。

附图说明

图1为本发明实施例1一种新月形保偏反谐振空芯光纤横截面结构示意图；

图2为本发明在工作波段内水平方向上的模场分布图；

图3为本发明在工作波段内竖直方向上的模场分布图；

图4为本发明正交方向上限制损耗随波长的变化曲线图；

图5为本发明正交方向上有效折射率随波长的变化曲线图；

图6为本发明正交方向上双折射随波长的变化曲线图；

图7为本发明实施例2一种新月形保偏反谐振空芯光纤横截面结构示意图；

图中标号所示：

1、外层区域，200、第一反谐振单元，201、第二反谐振单元，210、第三反谐振单元，211、第四反谐振单元，3、纤芯区域。

具体实施方式

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的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

在目前所提出的各类保偏反谐振空芯光纤中，部分传输损耗过高、部分双折射并不能满足偏振应用需求、部分设计无法满足多个波段同时保持高双折射的需求，部分结构过于复杂，这都限制了保偏反谐振空芯光纤的实际应用。本发明提出一种新月形保偏反谐振空芯光纤，具有高双折射、低损耗、大带宽的特性，能够更好地应用于激光偏振控制和偏振光传输等领域。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种新月形保偏反谐振空芯光纤，包括外层区域1、内层区域以及纤芯区域3；其中，外层区域1为光纤截面最外层，为光纤保护层与内部结构支撑层，用以提高光纤强度；内层区域包括更靠近纤芯区域3的包层结构和更靠近外层区的嵌套结构。

其中，包层结构包括四个彼此不接触、间隔90°的圆弧形反谐振单元，构成四个结构相同、呈四重旋转对称的类圆密闭结构，每个反谐振单元具有两个支撑节点，并分别与外层区域1相交，以保证结构稳定，其中：某一方向的两个圆弧形反谐振单元为第一反谐振单元200，处于第一反谐振单元200正交方向的另外两个圆弧形反谐振单元为第二反谐振单元201，并且，分别位于正交的两个方向上的圆弧形反谐振单元壁厚不相同以实现较高双折射。

不同的旋转对称性将意味着光纤将反谐振单元按不同的角向位置分布环绕纤芯进行配置，如将光纤截面围绕一轴旋转90度，所得像与原像重合，即为四重旋转对称结构。

包层结构中的第一反谐振单元200和第二反谐振单元201开口朝向外层区域1，环绕纤芯区域3形成负曲率的内部区域，两个圆弧形第一反谐振单元200和两个圆弧形第二反谐振单元201形成四重旋转对称结构，第一反谐振单元200壁厚为t1，第二反谐振单元201壁厚为t2，壁厚t1与壁厚t2不同，且壁厚差值要求大于0.15μm。每个第一反谐振单元200壁厚均匀一致，其壁厚偏差不超过设定值的8％；每个第二反谐振单元201壁厚均匀一致，其壁厚偏差不超过设定值的5％。

嵌套结构包括第三反谐振单元210和第四反谐振单元211，第三反谐振单元210为处于类圆密闭结构中的四个彼此不接触的圆弧形反谐振单元，每个弧形第三反谐振单元210具有两个支撑节点，并分别与包层结构的两个支撑节点重合，增加了内层区域的反谐振反射层，从而有效降低光纤的限制损耗。

嵌套结构包括开口朝向外层区域1的四个弧形第三反谐振单元210，壁厚为t3。每个第三反谐振单元210壁厚均匀一致，其壁厚偏差不超过设定值的10％。

第一反谐振单元200、第二反谐振单元201与第三反谐振单元210的壁厚可根据不同波段需求取值。第一反谐振单元200、第二反谐振单元201与第三反谐振单元210的折射率均相同，材质可选Heraeus F300。

纤芯区域3为包层结构环绕形成的负曲率空气区域，即图1中虚线示出的圆形区域，为第一反谐振单元200和第二反谐振单元201所形成的内接圆区域。包层结构直径与纤芯区域3直径比值为1.39，嵌套结构弧形反谐振单元与包层结构弧形反谐振单元距离和包层结构弧形反谐振单元直径为0.4。

实施例2

如图7所示，本发明提供了一种新月形保偏反谐振空芯光纤，包括外层区域1、内层区域以及纤芯区域3；其中，外层区域1为光纤截面最外层，为光纤保护层与内部结构支撑层，用以提高光纤强度；内层区域包括更靠近纤芯区域3的包层结构和更靠近外层区的嵌套结构。

其中，包层结构包括四个彼此不接触、间隔90°的圆弧形反谐振单元，构成四个结构相同、呈四重旋转对称的类圆密闭结构，每个反谐振单元具有两个支撑节点，并分别与外层区域1相交，以保证结构稳定，其中：某一方向的两个圆弧形反谐振单元为第一反谐振单元200，处于第一反谐振单元200正交方向的另外两个圆弧形反谐振单元为第二反谐振单元201，并且，分别位于正交的两个方向上的圆弧形反谐振单元壁厚不相同以实现较高双折射。

包层结构中的第一反谐振单元200和第二反谐振单元201开口朝向外层区域1，环绕纤芯区域3形成负曲率的内部区域，两个圆弧形第一反谐振单元200和两个圆弧形第二反谐振单元201形成四重旋转对称结构，第一反谐振单元200壁厚为t1，第二反谐振单元201壁厚为t2，壁厚t1与壁厚t2不同，且壁厚差值要求大于0.15μm。每个第一反谐振单元200壁厚均匀一致，其壁厚偏差不超过设定值的8％；每个第二反谐振单元201壁厚均匀一致，其壁厚偏差不超过设定值的5％。

嵌套结构包括第三反谐振单元210和第四反谐振单元211，第三反谐振单元210为处于类圆密闭结构中的四个彼此不接触的圆弧形反谐振单元，每个弧形第三反谐振单元210具有两个支撑节点，并分别与包层结构的两个支撑节点重合，增加了内层区域的反谐振反射层，从而有效降低光纤的限制损耗。第四反谐振单元211为处于类圆密闭结构中的四个彼此不接触的圆弧形反谐振单元，每个弧形第四反谐振单元211具有两个支撑节点，并分别与包层结构的两个支撑节点重合，增加了内层区域的反谐振反射层，进一步降低光纤限制损耗。进一步的，第四反谐振单元211的个数为四个或四个的倍数，平均安装在第三反谐振单元210和外层区域1之间，降低光纤限制损耗。

第一反谐振单元200和第三反谐振单元210以及第二反谐振单元201和第三反谐振单元210之间形成包层结构空气层；第三反谐振单元210和外层区域1之间形成嵌套结构空气层。

第一反谐振单元200、第二反谐振单元201、第三反谐振单元210与第四反谐振单元211的壁厚可根据不同波段需求取值。第一反谐振单元200、第二反谐振单元201、第三反谐振单元210与第四反谐振单元211的折射率均相同，材质可选Heraeus F300。

纤芯区域3为包层结构环绕形成的负曲率空气区域，即图7中虚线示出的圆形区域，为第一反谐振单元200和第二反谐振单元201所形成的内接圆区域。包层结构直径与纤芯区域3直径比值为1.39，嵌套结构弧形反谐振单元与包层结构弧形反谐振单元距离和包层结构弧形反谐振单元直径为0.4。

对于上述实施例，针对内层区域的结构，进一步具体说明如下：

由于本发明包层结构中存在四个弧形反谐振单元，且分别位于正交的两个方向上的第一反谐振单元200和第二反谐振单元201壁厚不同，通过反交叉效应在工作波段产生模式转换，导致其原有简并模式的有效折射率发生变化，光纤内激发双折射；对第一反谐振单元200、第二反谐振单元201进行进一步选择，可以将其工作波段覆盖更宽的范围内，以实现在多个重要波段工作的目的；包层结构的四个弧形反谐振单元形成的四重旋转对称结构，有效增强了光纤双折射。同时，由于本发明嵌套结构中存在第三反谐振单元210，打破了包层结构中的类圆形区域，造成纤芯模式与包层模式有效折射率的进一步失配，实现了降低光纤限制损耗的目的。纤芯模式与包层模式，分别表示光传输过程中存在于纤芯区域3与包层结构区域中存在的传输模式，可直观表现为光纤截面中的电场分布。

通过上述结构，本发明可以实现工作在多个波段内且具有高双折射、低损耗和大传输带宽的特性。

本发明中所有反谐振单元(包括第一反谐振单元200、第二反谐振单元201和第三反谐振单元210等)壁厚需要根据工作波段进行选择，其中，包层结构主要实现双折射激发，嵌套结构主要实现光纤损耗降低。

本发明所揭示的所有结构中的性能参数仅作为示例性参数而不作为本发明结构的参数限制。

本发明的纤芯区域3为各类气体或任意折射率小于反谐振单元的介质，能够理解，纤芯介质折射率小于环绕在其周围反谐振单元折射率，可以保证通过反谐振反射机理将光限制在纤芯中传输。

本发明内层区域的包层结构包括第一反谐振单元200和第二反谐振单元201，其材料可为任意高于纤芯区域3折射率的介质。

本发明内层区域的嵌套结构包括第三反谐振单元210，其材料与内层区域包层结构一致。

本发明的外层区域1用于支撑包层结构和嵌套结构，并且起到保护光纤结构的作用，采用与内层区域相同的材料。

需要指出，包层结构和外层区域1构成的四个类圆密闭区域内，仅增加第三反谐振单元210，即可以保证降低光纤限制损耗。

如图6所示，增加第四反谐振单元211，或者更多类似的嵌套反谐振单元，可以有效增加对光束的限制，有利于进一步降低光纤限制损耗，请参考图6。

上述实施例中8％、5％和10％表示一种示例，表示在该范围内对光纤性能影响在可接受范围。

如图2和3所示，采用有限元方法模拟计算图1所示结构，在某些结构参数约束的情况下，得到其结构在工作波段内正交方向上的模场分布，从模场分布来看，图1所示结构可以打破模式简并性，激发双折射，且可以将能量限制在纤芯区域3。

如图4～图6所示，采用有限元方法模拟计算图1所示结构，在某些结构参数约束的情况下，得到其结构在正交方向上的限制损耗随波长的变化曲线、有效折射率随波长的变化曲线以及双折射随波长的变化曲线，从变化曲线来看，按照图1所示结构，通过调整优化其结构参数，其双折射可以在1.06μm和1.55μm两个波段同时实现高双折射，且在1.55μm波段满足10^-4量级。

上述有限元方法模拟计算中，结构参数指纤芯区域3直径为20μm，包层结构直径与纤芯区域3直径比值为1.39，嵌套结构弧形反谐振单元与包层结构弧形反谐振单元距离和包层结构弧形反谐振单元直径比值为0.4。

需要指出，上述所有实施例中所有反谐振单元介质可根据工作波段对材料进行选择，且材料选择均相同，即其折射率相同，能够理解，相同材料利于光纤制备。

综上所述，本发明的光纤结构设计合理，且易于制备，满足高双折射需求，且通过对参数优化调整，可进一步降低光纤损耗。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，包括外层区域(1)和内层区域；所述内层区域位于外层区域(1)内部；所述内层区域包括包层结构，所述包层结构包括形状为圆弧形的第一反谐振单元(200)和第二反谐振单元(201)，所述第一反谐振单元(200)和第二反谐振单元(201)壁厚不同，分别至少为两个，通过两端节点轮流与外层区域(1)相连并形成旋转对称结构；所述第一反谐振单元(200)和第二反谐振单元(201)之间形成的最大内切圆区域为纤芯区域(3)。

2.根据权利要求1所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的内层区域还包括嵌套结构，所述嵌套结构安装在包层结构和外层结构之间，所述嵌套结构包括至少四个第三反谐振单元(210)，形状为圆弧形，曲率小于第一反谐振单元(200)和第二反谐振单元(201)，所述第三反谐振单元(210)两端节点与第一反谐振单元(200)或第二反谐振单元(201)两端节点相连并与外层区域(1)相连。

3.根据权利要求2所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的第三反谐振单元(210)的壁厚偏差不超过设定值的10％。

4.根据权利要求2所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的第一反谐振单元(200)、第二反谐振单元(201)和第三反谐振单元(210)的折射率均相同。

5.根据权利要求2所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的嵌套结构还包括至少四个第四反谐振单元(211)，形状为圆弧形，曲率小于第三反谐振单元(210)，安装在第三反谐振单元(210)和外层区域(1)之间，所述第四反谐振单元(211)两端节点与第三反谐振单元(210)两端节点相连。

6.根据权利要求2所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的第二反谐振单元(201)直径与纤芯区域(3)直径比值为1.35～1.42，所述第三反谐振单元(210)和第二反谐振单元(201)之间的距离与第二反谐振单元(201)直径的比值为0.3～0.5。

7.根据权利要求1所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的第一反谐振单元(200)壁厚与第二反谐振单元(201)壁厚差值大于0.15μm。

8.根据权利要求1所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的第一反谐振单元(200)的壁厚偏差不超过设定值的8％；所述的第二反谐振单元(201)的壁厚偏差不超过设定值的5％。

9.根据权利要求1所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的纤芯区域(3)内介质的折射率小于内层区域。

10.根据权利要求1所述的一种新月形保偏反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的外层区域(1)和内层区域折射率相同。