一种复合结构空心反谐振光纤
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411921370.9 | 申请日 | 2024-12-25 |
| 公开(公告)号 | CN119667848A | 公开(公告)日 | 2025-03-21 |
| 申请人 | 远东通讯有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 涂峰; 张伯健; 朱筱冉; 张广北; 李浩洁; 潘家乐; 向德成; | 第一发明人 | 涂峰 |
| 权利人 | 远东通讯有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 远东通讯有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省无锡市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省无锡市宜兴市高塍镇华远路1号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：214200 |
| 主IPC国际分类 | G02B6/02 | 所有IPC国际分类 | G02B6/02 ; G02B6/032 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 常州易瑞智新专利代理事务所 | 专利代理人 | 孔茹; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种复合结构空心反谐振光纤，包括由外至内依次设置的外包层、掺杂层和反谐振层，所述反谐振层包括沿周向均匀分布且与掺杂层相切的多个间隙设置的玻璃嵌套组合管，多个所述玻璃嵌套组合管包围形成空气纤芯，所述玻璃嵌套组合管包括圆形结构的外嵌 套管 以及设于外嵌套管内的椭圆形结构的内嵌套管，所述内嵌套管的短半轴沿光纤的径向设置且内嵌套管远离空气纤芯的 外圈 与外嵌套管远离空气纤芯的 内圈 相切设置。本发明采用多层嵌套结构，通过掺杂层和特殊结构的反谐振层的配合，优化反谐振效果。 | ||
| 权利要求 | 1.一种复合结构空心反谐振光纤，其特征在于：包括由外至内依次设置的外包层、掺杂层和反谐振层，所述反谐振层包括沿周向均匀分布且与掺杂层相切的多个间隙设置的玻璃嵌套组合管，多个所述玻璃嵌套组合管包围形成空气纤芯，所述玻璃嵌套组合管包括圆形结构的外嵌套管以及设于外嵌套管内的椭圆形结构的内嵌套管，所述内嵌套管的短半轴沿光纤的径向设置且内嵌套管远离空气纤芯的外圈与外嵌套管远离空气纤芯的内圈相切设置。 |
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| 说明书全文 | 一种复合结构空心反谐振光纤技术领域[0001] 本发明涉及光纤领域，尤其涉及一种复合结构空心反谐振光纤。 背景技术[0002] 常规的实芯光纤例如阶跃折射率光纤，纤芯使用较高折射率的材料，包层使用较低折射率的材料，以便通过全反射来导光。目前广泛使用的实芯光纤由于纤芯适应基质材料的非线性、色散、光致损伤和紫外中红外不通光等本征缺陷，大大限制了其在通信数据传输等某些领域的应用。同时，传统的光纤在高功率传输、高灵敏度传感和宽带光学应用中存在一定的局限性，尤其是在高功率光束传输过程中，传统光纤容易因非线性效应而导致信号失真。随着对更高带宽、更快传输速度和更长传输距离的需求不断增加，现有的光纤设计难以满足这些要求，亟需一种能够克服这些技术瓶颈的新型光纤。 [0003] 空心反谐振光纤(Hollow‑core Anti‑resonant Fiber,HC‑ARF)的提出，正是为了应对这些挑战。该技术利用空心结构设计，光在纤芯内的传输主要通过包层中的反谐振效应来实现，从而大幅减少了光纤材料对光的吸收和散射损耗。相比传统的实芯光纤，空心反谐振光纤具有更低的非线性效应、更高的功率容量，以及在宽光谱范围内的低损耗特性。这些特性使得HC‑ARF在高功率激光传输、超快光学脉冲传输以及光学传感等应用中展现出显著的优势。此外，空心反谐振光纤的设计还提供了灵活性和可调节性，通过调整纤芯结构和反谐振带宽，可以实现对不同波长范围内光的高效传输。这种灵活性不仅使其在传统光通信中大有作为，也为新兴的量子通信、太赫兹传输以及非线性光学领域提供了新的可能性。 [0004] 然而，目前的空心反谐振光纤通常采用单一的几何结构来实现其功能，使得光纤的性能受到限制，在多种应用中的适应性和性能不佳。 发明内容[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足之处而提出一种复合结构空心反谐振光纤，从而在不同的应用场景中提供高带宽、低损耗和优良的光学性能。 [0006] 实现本发明目的技术方案是： [0007] 一种复合结构空心反谐振光纤，包括由外至内依次设置的外包层、掺杂层和反谐振层，所述反谐振层包括沿周向均匀分布且与掺杂层相切的多个间隙设置的玻璃嵌套组合管，多个所述玻璃嵌套组合管包围形成空气纤芯，所述玻璃嵌套组合管包括圆形结构的外嵌套管以及设于外嵌套管内的椭圆形结构的内嵌套管，所述内嵌套管的短半轴沿光纤的径向设置且内嵌套管远离空气纤芯的外圈与外嵌套管远离空气纤芯的内圈相切设置。 [0008] 进一步地，相邻所述玻璃嵌套组合管之间设有与掺杂层相切设置的补偿管。 [0009] 进一步地，所述补偿管的截面为圆形。 [0010] 进一步地，所述玻璃嵌套组合管的数量为4～8个。 [0011] 进一步地，所述外嵌套管的内径为35～40μm，所述内嵌套管的长轴为25～30μm，短轴为15～20μm，所述补偿管的内径为15～20μm，所述外嵌套管、内嵌套管和补偿管的厚度均为0.2～1.5μm，厚度一致，以确保整个结构的稳定性和均匀性。 [0012] 进一步地，所述外包层的内径为110～130μm，厚度为50～60μm，所述掺杂层的内径为100～110μm，厚度为5～10μm。 [0013] 进一步地，所述外嵌套管的内径为内嵌套管的长轴的1.4～1.6倍，以确保光线有效传输，减少反射损失。 [0014] 进一步地，所述内嵌套管的短轴应小于外嵌套管内径的一半，以确保空间充足以形成有效的空气纤芯。 [0015] 进一步地，相邻玻璃嵌套组合管与补偿管之间的间隙占内嵌套管直径的10％到20％，从而优化光线的传播路径，防止光线泄漏。 [0016] 进一步地，所述补偿管的内径应与内嵌套管的短轴之间的尺寸比例为1:1.5～1:2，在反谐振效果方面能更好地实现补偿。 [0017] 进一步地，外包层的内径约为110～130μm应与掺杂层的内径100～110μm相互配合，建议外包层内径与掺杂层内径的比例为1:1到1.1:1，确保光纤的有效结构稳定性。 [0018] 进一步地，所述反谐振层为玻璃材质，折射率为1.46～1.48。 [0020] 进一步地，所述外包层的材质为纯二氧化硅或掺锗二氧化硅，以使所述外包层的折射率为1.38～1.42。 [0021] 进一步地，所述掺杂层和外包层的折射率差值为0.02到0.08。 [0022] 采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果： [0023] (1)本发明采用多层嵌套结构，通过掺杂层和特殊结构的反谐振层的配合，优化反谐振效果，其中玻璃嵌套组合管沿周向均匀设置，增强了光纤的机械稳定性，还提升了其抗环境扰动的能力，使得光纤在不同环境条件下仍能保持良好的传输性能；通过将椭圆形结构的内嵌套管相切嵌入圆形结构的外嵌套管内，利用内嵌套管的特殊结构，产生对不同方向上的非对称光子限制，从而更好地控制光子的传播路径，减少光损耗；并且内嵌套管与外嵌套管的切点靠近掺杂层的位置，使得光主要局限在空气纤芯区域；此外，创新地将内嵌套管的短半轴沿光纤的径向设置，第一可以减小光学损耗，能够通过调整嵌套管内外界面的反谐振条件，使得光在径向方向上的反射损耗最小化，有助于提升光纤的传输效率，特别是在反谐振光纤中，有效减少光信号的泄露，而且，空心反谐振光纤通常对弯曲敏感，而嵌套管采用扁平放置的椭圆形结构，短半轴与径向一致，可以有效抑制弯曲引起的模式失配和泄露，降低光纤的弯曲损耗，适用于需要高弯曲性能的应用；同时椭圆的扁平形状使得结构具有方向性分布，在径向方向上短半轴能够更好地承受外部机械应力。这种设置提高了光纤在外力作用下的稳定性，增强抗应力性能，特别适用于需要高机械稳定性的应用场景；第二可以优化模场分布，这种几何结构有助于控制光纤中的模场分布。由于短半轴在径向方向设置，可以引导光场更有效地集中在空心反谐振光纤的核心区域，从而提升模场的约束能力，提高光传输质量。这种多层结构能够更有效地抑制光从纤芯泄漏，提高光纤在宽波长范围内的传输效率，从而在不同的应用场景中提供高带宽、低损耗和优良的光学性能。 [0024] (2)本发明通过增设补偿管，与玻璃嵌套组合管配合，能够在多个波长范围内形成有效的反谐振条件，尤其是在实现多波长反谐振条件方面，具体分析如下： [0025] 优化折射率分布： [0026] 补偿管可以通过调节其材料和厚度，形成特定的折射率分布，帮助实现反谐振效果。通过与玻璃嵌套组合管的配合，能够有效地调控光的传播路径和模式。 [0027] 增强光的传输效率： [0028] 补偿管能够减少光在光纤中的散射和反射，优化光的传播特性，提高传输效率。特别是在多波长信号传输时，可以更有效地维持信号质量。 [0029] 减少模态干扰： [0030] 补偿管的设计有助于降低模态之间的干扰，尤其是在多模光纤中，通过有效的结构设计，可以实现更好的模式选择性，提升信号的清晰度。 [0031] 提供结构支撑： [0032] 补偿管在结构上为嵌套组合管提供支撑，确保光纤在各种环境下的机械强度和稳定性，避免由于外部压力或弯曲而导致的性能下降。 [0033] (3)本发明补偿管的截面为圆形，具有以下几个优点： [0034] 均匀的光学特性： [0035] 圆形截面在所有方向上都具有对称性，这使得光线在通过补偿管时，能够以均匀的方式传播，减少了光的失真和散射。 [0036] 简化制造工艺： [0037] 圆形截面的设计更容易在生产过程中实现，尤其是在大规模生产时，降低了生产成本和复杂性。 [0038] 增强结构强度： [0039] 圆形结构在承受内外压力时表现更佳，能够有效抵抗弯曲和压缩力，从而提高光纤的耐用性和稳定性。 [0040] (4)本发明掺杂层可掺杂不同材料来调整各层的折射率，可以精确调控光子带隙的宽度，使光纤能够适应更广泛的波长范围，从而进一步优化反谐振效果，通过掺杂不同的元素如氟、锗、磷等，可以调节光纤的光学特性，使其在特定波长下具有更好的传输性能；同时掺杂可以降低光纤的损耗，提升信号的传输效率，尤其在高功率激光应用中尤为重要；掺杂元素同时能提高光纤的耐热性，增强其在高温环境下的稳定性，延长光纤的使用寿命；通过掺杂可以控制光纤的非线性光学特性，从而优化激光放大和光学传输特性，提高系统的整体性能；综上，含掺杂层的光纤在不同的实验条件下(如温度变化、光强变化)能够保持稳定的光子带隙宽度，提升了光纤的适应性和多波长传输能力。 [0042] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中： [0043] 图1为实施例1的结构示意图； [0044] 图2为实施例1的复合结构空芯反谐振光纤随波长变化的有效折射率曲线； [0045] 图3为实施例1的复合结构空芯反谐振光纤随波长变化的限制损耗曲线； [0046] 图4为实施例1的复合结构空芯反谐振光纤随弯曲半径变化的弯曲损耗曲； [0047] 图5为实施例1的空芯反谐振光纤随波长变化的高阶模式比曲线。 [0048] 附图中的标号为： [0049] 外包层1、掺杂层2、玻璃嵌套组合管3、外嵌套管3‑1、内嵌套管3‑2、空气纤芯4、补偿管5。 具体实施方式[0051] (实施例1) [0052] 如图1所示的复合结构空心反谐振光纤，包括由外至内依次设置的外包层1、掺杂层2和反谐振层，其中反谐振层包括沿周向均匀分布且与掺杂层2相切的多个间隙设置的玻璃嵌套组合管3，多个玻璃嵌套组合管3包围形成空气纤芯4，玻璃嵌套组合管3的位置分布不仅增强了光纤的机械稳定性，还提升了其抗环境扰动的能力，使得光纤在不同环境条件下仍能保持良好的传输性能。玻璃嵌套组合管3包括圆形结构的外嵌套管3‑1以及设于外嵌套管3‑1内的椭圆形结构的内嵌套管3‑2，并且内嵌套管3‑2的短半轴沿光纤的径向设置且内嵌套管3‑2远离空气纤芯4的外圈与外嵌套管3‑1远离空气纤芯4的内圈相切设置。通过将椭圆形结构的内嵌套管3‑2相切嵌入圆形结构的外嵌套管3‑1内，利用内嵌套管的特殊结构，产生对不同方向上的非对称光子限制，从而更好地控制光子的传播路径，减少光损耗；并且内嵌套管3‑2与外嵌套管3‑1的切点靠近掺杂层2的位置，从而优化反射路径，使得光主要局限在空气纤芯区域。此外，创新地将内嵌套管的短半轴沿光纤的径向设置；这种多层结构能够更有效地抑制光从纤芯泄漏，提高光纤在宽波长范围内的传输效率，从而在不同的应用场景中提供高带宽、低损耗和优良的光学性能。 [0053] 具体地，玻璃嵌套组合管的数量为4～8个若玻璃嵌套组合管的数量少于4个，反谐振效果不足，较少的组合管数量无法有效地实现反谐振效果，导致光纤的传输效率降低，性能不如预期，同时损耗增加，光线在传播过程中更容易发生反射和散射，从而增加损耗，并且灵活性不足，过少的组合管限制了光纤设计的灵活性，无法适应不同的应用需求和环境。若玻璃嵌套组合管的数量超过8个，制造复杂性增加，提高生产难度，对制造过程中的精度要求更高，导致成本上升，同时空间利用效率低，过多的管道占用过多空间，反而导致光纤的整体结构不够紧凑，影响其适用性，并且会增大损耗，过多的组合管导致光纤内部的散射增加，从而使光信号的损耗加大，影响传输性能。 [0054] 本实施例设有5个璃嵌套组合管，相邻玻璃嵌套组合管3之间设有与掺杂层2相切设置的补偿管5，与玻璃嵌套组合管3配合，能够在多个波长范围内形成有效的反谐振条件。补偿管的截面为圆形。为了保证具有优良的反谐振效果，外嵌套管3‑1的内径为35～40μm，内嵌套管3‑2的长轴为25～30μm，短轴为15～20μm，补偿管5的内径为15～20μm，并且外嵌套管、内嵌套管和补偿管的厚度均为0.2～1.5μm。在本实施例中，外嵌套管3‑1的内径为40μm，内嵌套管3‑2的长轴为30μm，短轴为15μm，补偿管的内径为15μm，外嵌套管3‑1、内嵌套管3‑2和补偿管5的厚度均为1μm，材质均为玻璃材质，折射率为1.47。 [0055] 外包层1的材质为纯二氧化硅或掺锗二氧化硅，以使外包层的折射率达到1.38～1.42，在本实施例中，外包层的折射率为1.4。掺杂层2的掺杂材质为氟、锗、磷、硼或镱的一种或多种，以使掺杂层2的折射率达到1.42～1.48，通过掺杂不同材料来调整各层的折射率，可以精确调控光子带隙的宽度，使光纤能够适应更广泛的波长范围，从而进一步优化反谐振效果，在本实施例中，掺杂层2的折射率为1.45，掺杂层2和外包层1的折射率差值为 0.05。外包层1的内径为110～130μm，厚度为50～60μm，掺杂层2的内径为100～110μm，厚度为5～10μm。在本实施例中，外包层的内径为120μm，厚度为60μm，掺杂层2的内径为110μm，厚度为10μm。 [0056] 本实施例的复合结构空心反谐振光纤的设计中，反谐振层的折射率对整体效果起到关键性影响，同时与外包层和掺杂层的折射率之间协同影响。反谐振层的主要作用是通过反射来限制光子在光纤芯部的传播路径，以达到反谐振效果，从而减少光的损耗和散射；反谐振层折射率越接近光纤外包层的折射率，则可以在更宽的波长范围内维持低损耗的传输效果。本实施例的反谐振层的设计折射率为1.47，与掺杂层和外包层的折射率相比较低，使得光在掺杂层中更容易反射回空心纤芯内，实现有效的光限制，从而降低损耗。掺杂层的折射率为1.45，与反谐振层相近，可以增加光在掺杂层的反射，并有效减少光在反谐振层中的泄漏。掺杂层的作用类似于反谐振的调节层，能够通过折射率的微调提高对光子的反射效果。外包层的折射率为1.42，相对较低，与掺杂层形成折射率差异，使得光的反射更为集中，从而进一步增强光在纤芯内的限制和传播效果。 [0057] 通过折射率的精确分布设置，光纤在不同波长范围内均能实现优异的反谐振效果，这种折射率的协同作用是多波长低损耗传输的基础条件。此外，掺杂层与外包层的折射率差值可以保证在高功率条件下的稳定性和低非线性损耗。 [0058] 以波长为1550nm作为工作波长，使用有限元仿真本实施例的结构，所述外包层1的外径为230μm，内径为120μm，外包层厚度为55μm；所述掺杂层2的外径为120μm，内径为100μm，厚度为10μm。其中，所述圆形外嵌套管的内径为36μm；所述椭圆形内嵌套管的长轴为28μm，短轴为16μm；所述圆形补偿管的内径为16μm。 [0059] 参见图2，本发明提供的空芯反谐振光纤的有效折射率接近1，即空芯中传输具有接近1的传输折射率。参见图3，在1550nm处，空芯反谐振光纤的基模的限制损耗小于0.005dB/km。参见图4，由弯曲半径为20cm的弯曲试验测得的弯曲损耗小于0.06dB/km，即本发明在工作波长处基模损耗低、在工作波长处弯曲损耗低。 [0060] 此外，参见图3，1300～1700nm的传输波长所对应的限制损耗均小于0.011dB/km，且限制损耗小于0.01dB/km的传输波长(＜1300nm的部分)实际上大于1300～1700nm的范围具有宽带低损耗传输特性。 [0061] 参见图5，空芯反谐振光纤的高阶模式比(高阶模式比为基模损耗与高阶模最低损耗的比例)大于100，具有良好的单模特性。 [0062] (对比例1) [0063] 本实施例的结构与实施例1相同，区别在于反谐振层的折射率为1.47，外包层1的折射率为1.35，掺杂层2的折射率为1.4，外包层1与掺杂层2的折射率差值为0.05。 [0064] (对比例2) [0065] 本实施例的结构与实施例1相同，区别在于反谐振层的折射率为1.47，外包层1的折射率为1.35，掺杂层2的折射率为1.5，外包层1与掺杂层2的折射率差值为0.15。 [0066] (对比例3) [0067] 本实施例的结构与实施例1相同，区别在于反谐振层的折射率为1.47，外包层1的折射率为1.35，掺杂层2的折射率为1.42，外包层1与掺杂层2的折射率差值为0.07。 [0068] (对比例4) [0069] 本实施例的结构与实施例1相同，区别在于反谐振层的折射率为1.47，外包层1的折射率为1.45，掺杂层2的折射率为1.5，外包层1与掺杂层2的折射率差值为0.05。 [0070] (对比例5) [0071] 本实施例的结构与实施例1相同，区别在于反谐振层的折射率为1.47，外包层1的折射率为1.45，掺杂层2的折射率为1.47，外包层1与掺杂层2的折射率差值为0.02。 [0072] (对比例6) [0073] 本实施例的结构与实施例1相同，区别在于反谐振层的折射率为1.47，外包层1的折射率为1.45，掺杂层2的折射率为1.4，外包层1与掺杂层2的折射率差值为‑0.05。 [0074] 以波长为1550nm作为工作波长，使用有限元仿真对比例1至对比6的的结构，结果如下表，其中弯曲损耗性能为20cm的弯曲半径情况下的结果： [0075] 有效折射率 限制损耗dB/km 弯曲损耗dB/km对比例1 0.99952 0.0049 0.46 对比例2 1.02952 0.0229 0.68 对比例3 1.00952 0.0085 0.52 对比例4 1.01952 0.0178 0.74 对比例5 0.99952 0.0121 0.58 对比例6 1.03952 0.0532 0.92 [0076] 本发明采用多层嵌套结构，通过掺杂层和特殊结构的反谐振层的配合，优化反谐振效果，增强了光纤的机械稳定性，使得光纤在不同环境条件下仍能保持良好的传输性能，减少光损耗，提升光纤的传输效率，降低光纤的弯曲损耗，通过折射率的精确分布设置，光纤在不同波长范围内均能实现优异的反谐振效果，这种折射率的协同作用是多波长低损耗传输的基础条件，此外，掺杂层与外包层的折射率差值可以保证在高功率条件下的稳定性和低非线性损耗。 [0077] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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