CN208044121U - 一种低损耗空心光纤 - Google Patents

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祝远锋
饶春芳
罗海梅
夏高辉
周海娇
刘鑫
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Abstract

本实用新型提供了一种低损耗空心光纤，所述光纤从内到外依次由纤芯、反射镜层和保护层组成，所述纤芯由所述反射镜层中最内层反射镜内壁包围而成，所述反射镜层嵌套于所述保护层的内部，所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行，所述介质圆管之间通过相切或相交的方式连接，相邻所述介质圆管相交的最大厚度δ小于两介质圆管中内半径较大的介质圆管的厚度，所述介质圆管与其相邻的内外介质圆管之间的连接位置所处的方位角不同。本实用新型提供的光纤，可有效的减少包层模与纤芯模的耦合，光纤具有更宽的低损耗带宽，可通过相切或相交的方式增加更多层的介质圆管来降低光纤限制损耗。

Description

一种低损耗空心光纤
技术领域
本实用新型涉及光纤通信、高效率激光传输、光延迟及光传感领域，尤其涉及一种低损耗空心光纤。
背景技术
大数据时代的到来对数据传输介质—光纤提出了更高要求，光纤主要分为两类，一种是实心光纤，其结构和导光机制决定了光纤具有因纤芯吸收和散射引起的损耗，且实心光纤的非线性效应影响光传输的最大功率和信道间隔，另外色散效应会限制信号传输速率的提高。另一种光纤为空心光纤，光场主要分布在空的纤芯中，在克服光纤损耗、色散和非线性效应等方面具有较大优势，另外空心光纤的能量传输能力要远远优越于实心光纤。
经过多年的发展，空心光纤已发展为空心光子带隙光纤和反谐振式空心光纤两种类型。空心Bragg光纤是空心光子带隙光纤的一种，其由空心的芯区和高低折射率层交叠的周期同轴结构包层所构成，光纤的损耗随着光纤包层中的介质层数增加而降低，通常包层中高低折射率层是由实的介质组成。Bragg光纤反射镜中的两种交叠介质具有高的折射率差有助于获得宽的低损耗带宽[Steven G. Johnson, et al., “Low-lossasymptotically single-mode propagation inlarge-coreOmniGuide fibers,”Opt.Express, 2001, 9(13), 748–779]。Yunhua Zhang等人[Yunhua Zhang，et al., “Single-Mode Terahertz Bragg fiber design using a modal filtering approach,”IEEETransactions microwave theory and techniques, 2010. 58(7), 1985-1992]分析了一种由空气层与实体介质层交叠的周期性同轴结构Bragg光纤，空气层和实体介质层具有高的折射率差，但由于实体介质层间无支撑，因此这种光纤在实际中无法实现。AlirezaHassani等人[AlirezaHassani，et al., “Porous polymer fibers for low-lossTerahertz guiding,”Opt. Express, 2008, 16(9), 6340–6351 ]提出了采用亚波长介质圆柱作为连接桥支撑并连接介质层反射镜来实现Bragg光纤，然而介质圆柱引起了更多包层模的出现，光纤的低损耗带宽受到了限制。2009年，C. H.Lai等人[C. H. Lai, etal., “Low-index terahertz pipe waveguides, ” Opt.Lett., 2009, 34(21):3457-3459]提出了一种新型薄壁塑料管波导，波导由一层薄的低折射率圆管和其包围的空气纤芯构成，其光传输机理类似于反谐振反射波导，在共振频率附近，纤芯和包层界面处几乎不发生反射；而在反共振频率位置（即远离共振频率处），纤芯模被有效的反射回空气纤芯中传输，这种光纤不方便控制，介质管外围介质改变会引起谐振频率的变化。
发明内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种低损耗空心光纤，所述光纤从内到外依次由纤芯、反射镜层和保护层组成，所述纤芯由所述反射镜层中最内层反射镜内壁包围而成，所述反射镜层嵌套于所述保护层的内部。
其中，所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行。
其中，所述反射镜层的数目为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。
其中，所述介质圆管之间通过相切或相交的方式连接。
其中，相邻所述介质圆管相交的最大厚度小于两介质圆管中内半径较大的介质圆管的厚度。
其中，所述介质圆管与其相邻的内外介质圆管之间的连接位置所处的方位角不同。
其中，所述反射镜中每层反射镜层的厚度为1~3微米。
其中，所述保护层的厚度为40~55微米。
其中，最内层所述介质圆管的半径为15~50微米。
其中，相邻所述介质圆管的半径差为3~10微米。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的一种低损耗空心光纤，光纤模式能量几乎全部分布在空的纤芯中，在材料中的分部比例极少，适合高功率激光的传输，任何两介质圆管之间通过相切或部分相交的方式连接，光纤横截面上具有较少的节点，光纤具有较少的因节点引起的包层模式，因此可有效的减少包层模与纤芯模的耦合，光纤具有更宽的低损耗带宽，可通过相切或相交的方式增加更多层的介质管来降低光纤限制损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例1提供的空心光纤的结构示意图；
图2是图1中结构A的局部放大图；
图3为本实用新型实施例1提供的空心光纤的x偏振基模电场场强分布图；
图4为本实用新型实施例1提供的空心光纤的y偏振基模电场场强分布图；
图5为本实用新型实施例1提供的空心光纤的基模限制损耗随波长的变化曲线图；
图6为本实用新型实施例6提供的空心光纤的结构示意图；
图7为本实用新型实施例6提供的空心光纤的x偏振基模电场场强分布图；
图8为本实用新型实施例6提供的空心光纤的y偏振基模电场场强分布图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-纤芯，2-第一层介质圆管，3-第二层介质圆管，4-第三层介质圆管，5-第四层介质圆管，6-第五层介质圆管。
具体实施方式
以下是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
实施例1
本实用新型提供了一种低损耗空心光纤，所述光纤从内到外依次由纤芯1、反射镜层和保护层组成，所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行，如图1和图2所示，所述反射镜层的数目N为4，由内到外依次由第一层介质圆管2、第二层介质圆管3、第三层介质圆管4和第四层介质圆管5组成，所述保护层为第五层介质圆管6，所述第一层介质圆管2、第三层介质圆管4和第五层介质圆管6同轴，第二层介质圆管3和第四层介质圆管5同轴。所述介质圆管的材料为二氧化硅，空气折射率nair=1.0，所述第一层介质圆管2的厚度为d1、半径为R1，第二层介质圆管3的厚度为d2，第三层介质圆管4的厚度为d3，第四层介质圆管5的厚度为d4，第五层介质圆管6的厚度为d5，d1=d2 =d3= d4=1.26μm，d5=5μm，R1=47μm，相邻介质圆管的内半径之差ΔR=5.26μm，故R2= 52.26μm，R3= 57.52μm，R4=62.78μm，R5= 68.04μm。
所述第一层介质圆管2和第二层介质圆管3之间通过相切的方式连接，第二层介质圆管3和第三层介质圆管4之间通过相切的方式连接，第三层介质圆管4和第四层介质圆管5之间通过相切的方式连接，第四层介质圆管5和第五层介质圆管6之间通过相切的方式连接，相邻介质圆管相交的厚度δ为0。图3和图4为所述空心光纤x偏振模和y偏振模的电场场强分布图，从图中可以看出光纤模式能量主要分布在纤芯层的空气中。图5为基模限制损耗随波长的变化曲线，当反射镜层的数目N为4时，两偏振模都具有低的限制损耗，当波长为2.94μm时，x偏振模和y偏振模的限制损耗分别为0.038dB/m和0.015dB/m，由于光纤包层的结构不对称造就了x和y偏振模限制损耗不同。
所述第一层介质圆管2的半径R1为47μm，在相邻介质管的内半径之差均为5.26μm的情况下，反射镜层数目可增加也可减少，图5也分别给出了反射镜层数目N为5和6时基模限制损耗随波长的变化曲线，从图5中可以看出随着反射镜层数的增加两偏振模的限制损耗都降低。
因此，所述反射镜层的数目N优选为5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。
实施例2
本实用新型提供了一种低损耗空心光纤，所述光纤从内到外依次由纤芯1、反射镜层和保护层组成，所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行，所述反射镜层的数目N为6，相邻所述反射镜之间通过相交的方式连接，最外层反射镜和所述保护层通过相交的方式连接。
实施例3
本实用新型提供了一种低损耗空心光纤，所述光纤从内到外依次由纤芯1、反射镜层和保护层组成，所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行，所述反射镜层的数目N为10，相邻所述反射镜之间通过相切的方式连接，最外层反射镜和所述保护层通过相交的方式连接。
实施例4
本实用新型提供了一种低损耗空心光纤，所述光纤从内到外依次由纤芯1、反射镜层和保护层组成，所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行，所述反射镜层的数目N为15，相邻所述反射镜之间通过相交的方式连接，最外层反射镜和所述保护层通过相切的方式连接。
实施例5
本实用新型提供了一种低损耗空心光纤，所述光纤从内到外依次由纤芯1、反射镜层和保护层组成，所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行，所述反射镜层的数目N为4，由内到外依次由第一层介质圆管2、第二层介质圆管3、第三层介质圆管4和第四层介质圆管5组成，所述保护层为第五层介质圆管6，所述第一层介质圆管2、第三层介质圆管4和第五层介质圆管6同轴，第二层介质圆管3和第四层介质圆管5同轴。所述介质圆管的材料为二氧化硅，空气折射率nair=1.0，所述第一层介质圆管2的厚度为d1、半径为R1，第二层介质圆管3的厚度为d2，第三层介质圆管4的厚度为d3，第四层介质圆管5的厚度为d4，第五层介质圆管6的厚度为d5，d1=d2 =d3= d4=1.26μm，d5=5μm，R1=47μm，相邻介质圆管的内半径之差ΔR=5.26μm，故R2= 52.26μm，R3= 57.52μm，R4= 62.78μm，R5= 68.04μm。
所述第一层介质圆管2和第二层介质圆管3之间通过相交的方式连接，第二层介质圆管3和第三层介质圆管4之间通过相交的方式连接，第三层介质圆管4和第四层介质圆管5之间通过相交的方式连接，第四层介质圆管5和第五层介质圆管6之间通过相交的方式连接，相邻介质圆管相交的厚度δ为0.2μm。当反射镜层的数目N为4时，当波长为2.94μm时，x偏振模和y偏振模的限制损耗分别为0.043dB/m和0.027dB/m。
实施例6
本实用新型提供了一种低损耗空心光纤，所述光纤从内到外依次由纤芯1、反射镜层和保护层组成，所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行，如图6所示，所述反射镜层的数目N为4，由内到外依次由第一层介质圆管2、第二层介质圆管3、第三层介质圆管4和第四层介质圆管5组成，所述保护层为第五层介质圆管6，所述第一层介质圆管2、第二层介质圆管3、第三层介质圆管4、第四层介质圆管5和第五层介质圆管6均不同轴。所述介质圆管的材料为二氧化硅，空气折射率nair=1.0，所述第一层介质圆管2的厚度为d1、半径为R1，第二层介质圆管3的厚度为d2，第三层介质圆管4的厚度为d3，第四层介质圆管5的厚度为d4，第五层介质圆管6的厚度为d5，d1=d2 =d3= d4=1.26μm，d5=5μm，R1=47μm，相邻介质圆管的内半径之差ΔR=5.26μm，故R2= 52.26μm，R3= 57.52μm，R4= 62.78μm，R5=8.04μm。
所述第一层介质圆管2和第二层介质圆管3之间通过相切的方式连接，第二层介质圆管3和第三层介质圆管4之间通过相切的方式连接，第三层介质圆管4和第四层介质圆管5之间通过相切的方式连接，第四层介质圆管5和第五层介质圆管6之间通过相切的方式连接，相邻介质圆管相交的厚度δ为0。图7和图8为所述空心光纤x偏振模和y偏振模的电场场强分布图，从图中可以看出两偏振模式能量主要分布在纤芯层的空气中，有利于高功率激光的传输，当波长为2.94μm时，x偏振模和y偏振模的限制损耗分别为0.045dB/m和0.038dB/m，两偏振模被有效的限制在纤芯层中。
以上实施例是结合具体的优选方式对本实用新型所作的进一步详细说明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低损耗空心光纤，其特征在于：所述光纤从内到外依次由纤芯、反射镜层和保护层组成，所述纤芯由所述反射镜层中最内层反射镜内壁包围而成，所述反射镜层嵌套于所述保护层的内部。
2.根据权利要求1所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：所述反射镜层和所述保护层均为介质圆管，所述介质圆管的轴均相互平行。
3.根据权利要求2所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：所述反射镜层的数目为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。
4.根据权利要求2所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：所述介质圆管之间通过相切或相交的方式连接。
5.根据权利要求4所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：相邻所述介质圆管相交的最大厚度小于两介质圆管中内半径较大的介质圆管的厚度。
6.根据权利要求4所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：所述介质圆管与其相邻的内外介质圆管之间的连接位置所处的方位角不同。
7.根据权利要求1～6中任意一项权利要求所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：所述反射镜中每层反射镜层的厚度为1～3微米。
8.根据权利要求1～6中任意一项权利要求所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：所述保护层的厚度为40～55微米。
9.根据权利要求2～6中任意一项权利要求所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：最内层所述介质圆管的半径为15～50微米。
10.根据权利要求2～6中任意一项权利要求所述的一种低损耗空心光纤，其特征在于：相邻所述介质圆管的半径差为3～10微米。
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