CN116953842A - 一种保偏空芯反谐振光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种保偏空芯反谐振光纤，涉及光纤技术领域，包括：外套管，外套管内部包裹有反谐振层，反谐振层包括多个互不接触的空芯毛细管，各空芯毛细管连接外套管的内壁，各空芯毛细管包围形成椭圆形纤芯区。有益效果是通过在空芯反谐振光纤中形成椭圆形纤芯区引入合适量级的双折射，增强了光纤在外界干扰如光纤弯曲下，保持原有偏振态之间的耦合不显著增加的能力；引入合适的双折射避免了传输损耗高、导光区间变窄以及偏振模耦合程度高等不足，较好地保存了反谐振型空芯光纤的本征优势，同时引入优异的保偏性能，使得该类光纤能够适用于精密光纤干涉仪、高品质激光传输等应用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种保偏空芯反谐振光纤。
背景技术
光的偏振态及其保持和演变在涉及光学的诸多研究方向上都具有重要研究意义。应用高性能干涉仪、光频率梳和相干光通信***等工具时，需要传输的光束有尽可能高的空间偏振纯度。保偏光纤可以通过人为设计光纤结构来抑制外界扰动引入的不可控偏振模式之间的串扰对传输光的影响，使光保持其偏振态传输。实芯光纤中保偏性能的关键是通过合适的材料与结构的设计，使光纤在静止或是受外界干扰下的偏振模式之间的耦合尽可能地小。通常，光纤中，偏振模在单位长度下的耦合程度用h-parameter来表征，全称为holding-parameter，指的是单位长度下，光从一个偏振态耦合到另一个偏振态的程度，这个值越小越好。
空芯光纤利用了空气导光的优势，其特定微结构的设计实现了将99％以上的光限制在中间空气孔中进行传播，减少了光场与石英区域的重叠。因此，相比于实芯光纤，这些特点也赋予空芯光纤大模场、低色散、低非线性、高激光损伤阈值和可填充液体或气体的高度灵活性等优势。因此，空芯光纤在高精度干涉传感、高功率激光传输和生物化学分析等领域具有更广泛的应用。
然而，目前在空芯反谐振光纤中引入保偏特性同时保持其优异综合性能的问题尚未解决。已有的报道指出，实芯保偏光纤的h-parameter约为10-7，而保偏型空芯带隙光纤的最佳h-parameter约为10-6量级。无论是高双折射还是极低的双折射值，似乎均未能解决该问题。这导致本领域中依然缺乏有效的保偏空芯反谐振光纤的设计、制备及其有效实现保偏的方案。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种保偏空芯反谐振光纤，包括：
外套管，所述外套管内部包裹有反谐振层，所述反谐振层包括多个互不接触的空芯毛细管，各所述空芯毛细管连接所述外套管的内壁，各所述空芯毛细管包围形成椭圆形纤芯区。
优选的，各所述空芯毛细管关于所述椭圆形纤芯区的长轴和短轴对称分布。
优选的，所示外套管为圆形，所述反谐振层和所述外套管之间还包括多个支撑单元，各所述支撑单元分别连接所述椭圆形纤芯的短轴上的各所述空芯毛细管和所述外套管的内壁。
优选的，所述椭圆形纤芯区的短轴的长度与长轴的长度的比值范围为0.1-0.9。
优选的，所述空芯毛细管为圆形、椭圆形、规则多边形或不规则多边形其中一种。
优选的，所述空芯毛细管为扇形时，所述椭圆形纤芯区长轴方向上的所述空芯毛细管的扇形半径大于短轴方向上的所述空芯毛细管的扇形半径。
优选的，每个所述空芯毛细管两侧分别设有一个支撑单元，各所述支撑单元分别对应连接各所述空芯毛细管的半径所在的边和所述外套管的内壁。
优选的，所述外套管、所述支撑单元和所述空芯毛细管采用二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物制备而成。
优选的，各所述空芯毛细管的管壁厚度相同，且各所述空芯毛细管的管壁厚度为0.2μm-2μm。
优选的，所述椭圆形纤芯区的短轴的长度不小于30μm，所述椭圆形纤芯区的长轴的长度不大于80μm。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过在空芯反谐振光纤中引入合适量级的双折射，增强了光纤在外界干扰如光纤弯曲下，保持原有偏振态之间的耦合不显著增加的能力；同时，引入合适的双折射避免了已有报道在空芯光纤中引入高双折射带来的传输损耗高、导光区间变窄以及偏振模耦合程度高等不足之处，较好地保存了反谐振型空芯光纤的本征优势，同时引入优异的保偏性能，使得该类光纤能够适用于精密光纤干涉仪、高品质激光传输等应用。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，若干保偏空芯反谐振光纤的结构示意图；
图2为本发明的较佳的实施例中，一种保偏空芯反谐振光纤的扫描电子显微镜图；
图3为本发明的较佳的实施例中，保偏空芯反谐振光纤在不同弯曲半径下的偏振消光比测试及其对应的偏振耦合系数结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种保偏空芯反谐振光纤，如图1所示，包括：
外套管1，所述外套管1内部包裹有反谐振层2，所述反谐振层2包括多个互不接触的空芯毛细管21，各所述空芯毛细管21连接所述外套管1的内壁，各所述空芯毛细管21包围形成椭圆形纤芯区3。
具体的，本实施例中，保偏空芯反谐振光纤中由空芯毛细管21包围形成椭圆形纤芯区3，保偏空芯反谐振光纤通过此结构设计引入的弱双折射量级在10-6到10-7次方之间，此双折射在空芯光纤中足以抵抗外界弯曲在空芯光纤中引起的双折射；弱双折射空芯反谐振光纤得益于反谐振导光原理，传输光的模场与空芯毛细管21壁的重叠低于99.99％，两偏振模之间的耦合天然地很低，在15到80cm不同弯曲直径下，实验测试所得本实施例中的保偏空芯反谐振光纤的偏振模耦合系数不高于10-8次方，即，本实施例的保偏空芯反谐振关系在弯曲情况下的双折射量级会在10-6到10-7次方的基础上增加10-8-10-10次方，看但是由于弯曲造成的影响差了两个量级，可以看出弯曲时对保偏空芯反谐振光纤的双折射量级的影响可以忽略不计。
同时，引入合适的双折射避免了前人在空芯光纤中引入高双折射带来的传输损耗高、导光区间变窄以及偏振模耦合程度高等不足之处，能较好地发挥反谐振型空芯光纤的本征优势，在此基础上引入优异的保偏性能，使得该类光纤能够适用于精密光纤干涉仪、高品质激光传输等应用。
如图3所示，是本发明的保偏空芯反谐振光纤在不同弯曲半径下的偏振消光比测试及其对应的偏振耦合系数结果图。
本发明的较佳的实施例中，所述外套管1为圆形，所述反谐振层2和所述外套管1之间还包括多个支撑单元4，各所述支撑单元4分别连接所述椭圆形纤芯区3的短轴上的各所述空芯毛细管21和所述外套管1的内壁。
本发明的较佳的实施例中，所述椭圆形纤芯区3的短轴的长度与长轴的长度的比值范围为0.1-0.9。
具体的，本实施例中，如图1(a)所示，外套管1为椭圆形时，空芯毛细管21直接与外套管1内壁接触，包围形成的纤芯区就为椭圆形，不需要采用支撑单元4；
如图1(b,c,d,e)所示，外套管1为圆形时，需要在空芯毛细管21和外套管1之间设有支撑单元4，图1(b,c)中在椭圆形纤芯区3的短轴上对称的两个空芯毛细管21和外套管1之间设置支撑单元4，使得各空芯毛细管4包围形成的纤芯区成为椭圆形；如图1(d)所示，支撑单元4可包括多种大小的支撑管，设置在各空芯毛细管21和外套管1之间达到更稳定的支撑效果，使纤芯区域成为椭圆形。
各所述空芯毛细管21关于所述椭圆形纤芯区3的长轴和短轴对称分布，对称分布的结构使整体结构更加稳定。
本发明的较佳的实施例中，所述空芯毛细管21为圆形、椭圆形、扇形、规则多边形或不规则多边形其中一种。
本发明的较佳的实施例中，所述空芯毛细管21为扇形时，所述椭圆形纤芯区3长轴方向上的所述空芯毛细管21的扇形半径大于短轴方向上的所述空芯毛细管21的扇形半径。
本发明的较佳的实施例中，每个所述空芯毛细管21两侧分别设有一个支撑单元4，各所述支撑单元4分别对应连接各所述空芯毛细管21的半径所在的边和所述外套管1的内壁。
具体的，如图1(e)所示，空芯毛细管21的截面形状还可以为扇形，椭圆形纤芯区3的短轴上的两扇形的扇形半径大于长轴上的两扇形的扇形半径，在扇形的半径所在的边和外套管1之间设有支撑单元4；
本实施例中与前述实施例中的区别在于，本实施例中的椭圆形纤芯区3，是通过调节各个扇形的半径使得左右两侧的扇形大于上下两侧的扇形，使得中间的纤芯区3为椭圆形，而前述实施例中，是通过增加支撑单元4，使左右两侧的空芯毛细管21向中间收拢从而使纤芯区域3变为扇形，两者的实现原理不同，但最后到达的目的均为使中心的纤芯区域变为椭圆形，从而引入10-6到10-7次方量级的双折射。
除此之外空芯毛细管21还可以是椭圆、规则多边形或不规则多边形，并相应的调整支撑管的个数、大小使达到更好的支撑效果。
所述外套管1、所述支撑单元4和所述空芯毛细管21采用二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物制备而成。
本发明的较佳的实施例中，各所示空芯毛细管21的壁厚相同，且各所述空芯毛细管21的管壁厚度为0.2μm-2μm。
具体的，本实施例中，各空芯毛细管21的壁厚相同，不需要如传统工艺中采用不同壁厚的空芯毛细管，导致需要严格控制空芯毛细管21壁厚的差异性以及均匀性，使得制备工艺的难度增大，本实施例中只需要采用同样的制备方式制作出相同壁厚的多个空芯毛细管21并应用在本实施例中的保偏空芯反谐振光纤中，大大降低制备工艺的难度，还可以减小光纤制备过程中损耗；并且采用相同壁厚的空芯毛细管21可以避免由于不同壁厚空芯毛细管21导致光纤有效传输区间变窄的问题。
本发明的较佳的实施例中，所述椭圆形纤芯区3的短轴的长度不小于30μm，所述椭圆形纤芯区3的长轴的长度不大于80μm。
具体的，本实施例中，通过调整保偏空芯反谐振光纤的整体结构大小和空芯毛细管21的管壁壁厚度，使椭圆形纤芯区3短轴的长度不小于30μm，所述椭圆形纤芯区3的长轴的长度不大于80μm，壁厚0.2μm-2μm之间，从而引入10-6到10-7次方之间的弱双折射；
弱双折射空芯反谐振光纤得益于反谐振导光原理，光主要在中空的纤芯中传播，计算所得该空芯反谐振光纤中光模场与空芯毛细管壁的重叠低于99.99％，在无干扰状态下，两偏振模之间的耦合天然地很低。
外套管1为椭圆形时，如图1(b,c)的椭圆形空芯反谐振光纤在弯曲情况下，弯曲导致的双折射包括应力和几何形变导致的双折射。由于空芯光纤中包层石英毛细管与中间传输光场的重叠低于0.0001％，基于光弹效应的应力引起的双折射低至10-10量级，基本可以忽略不计。在宏观弯曲情况下，弯曲光纤的折射率分布可以利用保角变换等效为直光纤下的非均匀折射率分布，等效折射率可以写为：
neq(x,y)＝n(x,y)[1+(x·cosθ+y·sinθ)/R]
其中，x，y是空芯光纤横截面的坐标，n(x,y)是平直状态下空芯光纤的有效折射率分布，R代表朝向+x轴的弯曲半径，θ代表弯曲方向与+x轴的夹角。将等效折射率分布带入计算，得到光纤在弯曲状态下由几何结构变化引起的双折射在10-8到10-10次方量级。因此在空芯光纤中通过结构设计引入10-6到10-7次方的弱双折射足以抵抗外界宏观弯曲在空芯光纤中引起的双折射，使光纤具备良好的抗弯性能；
在15到80cm不同弯曲直径下，利用保偏光纤测试对10m长光纤下的偏振消光比进行测试，进而得到h-parameter。实验测试所得该保偏空芯反谐振光纤的偏振模耦合系数从3.82×10-9到1.17×10-8，在不同弯曲情况下，偏振模耦合程度均不高于10-8次方，比商用保偏光纤报道的偏振模耦合程度还低一个数量级；即，本实施例的保偏空芯反谐振关系在弯曲情况下的双折射量级会在10-6到10-7次方的基础上增加10-8到10-10次方，但是此影响差了两个量级，可以看出弯曲时对本实施例中的保偏空芯反谐振光纤的双折射量级的影响可以忽略不计。
本发明的较佳实施例中，外套管1、支撑单元4和空芯毛细管21采用二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物制备而成。
具体的，本实施例中，空芯保偏反谐振光纤的制备方法包括：
首先，选取合适厚度的外套管1，在外套管1的内壁环形均匀排布空芯毛细管21(或空芯封闭腔)作为反谐振层2；在特定结构下，需要有序地排列不同尺寸的毛细棒(空芯或实心)作为支撑单元4，可以在形成椭圆形纤芯区3的同时维持所有空芯毛细管4的位置稳定，如图1(b)，(c)以及(d)所示，形成稳定的堆栈体。
随后，对堆栈结构在拉丝塔上进行拉制，为形成预期的结构，在拉制过程中利用多通道气孔单元对反谐振层的空芯毛细管21，空芯的椭圆形纤芯区3以及毛细棒之间的缝隙等进行选择性分压控制，维持结构稳定的同时可达到预期的几何形状及参数。
如图2为实际制备所得的保偏空芯反谐振光纤在扫描电子显微镜下的视图，其双折射测试为10-6次方量级；在15到80cm不同弯曲直径下，实验测试所得该保偏空芯反谐振光纤的偏振模耦合系数不高于10-8次方，这比商用熊猫型实芯保偏光纤的偏振模耦合程度还低一个数量级，较好地保存了反谐振型空芯光纤传输区间宽、模式纯度高等的本征优势，有望适用于精密光纤干涉仪、高品质激光传输等应用。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，包括：
外套管，所述外套管内部包裹有反谐振层，所述反谐振层包括多个互不接触的空芯毛细管，各所述空芯毛细管连接所述外套管的内壁，各所述空芯毛细管包围形成椭圆形纤芯区。
2.根据权利要求1所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，各所述空芯毛细管关于所述椭圆形纤芯区的长轴和短轴对称分布。
3.根据权利要求1所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，所示外套管为圆形，所述反谐振层和所述外套管之间还包括多个支撑单元，各所述支撑单元分别连接所述椭圆形纤芯区的短轴上的各所述空芯毛细管和所述外套管的内壁。
4.根据权利要求1所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，所述椭圆形纤芯区的短轴的长度与长轴的长度的比值范围为0.1-0.9。
5.根据权利要求1所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，所述空芯毛细管为圆形、椭圆形、规则多边形或不规则多边形其中一种。
6.根据权利要求1所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，所述空芯毛细管为扇形时，所述椭圆形纤芯区长轴方向上的所述空芯毛细管的扇形半径大于短轴方向上的所述空芯毛细管的扇形半径。
7.根据权利要求6所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，每个所述空芯毛细管两侧分别设有一个支撑单元，各所述支撑单元分别对应连接各所述空芯毛细管的半径所在的边和所述外套管的内壁。
8.根据权利要求2或7所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，所述外套管、所述支撑单元和所述空芯毛细管采用二氧化硅、重金属氧化物玻璃、硫化物玻璃、硒化物玻璃、碲化物玻璃或高分子聚合物制备而成。
9.根据权利要求1所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，各所述空芯毛细管的管壁厚度相同，且各所述空芯毛细管的管壁厚度为0.2μm-2μm。
10.根据权利要求1所述的保偏空芯反谐振光纤，其特征在于，所述椭圆形纤芯区的短轴的长度不小于30μm，所述椭圆形纤芯区的长轴的长度不大于80μm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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