一种用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法

技术领域

本发明属于光纤通信以及高功率激光传输中的空芯光纤制造技术领域，具体涉及一种用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法。

背景技术

不同种类的光纤分别具有独特的优势和缺陷，例如传统实芯光纤虽然是现阶段工艺最为成熟、应用最为广泛的光纤种类，各行业领域几乎都有实芯光纤的影子，但是实芯光纤材料本身固有的非线性、低色散、高激光损伤阈值等缺陷也同样限制了光纤的应用；随着科技迭代的速度越来越快，人们对于光纤性能的要求也越来越高，传统技术中的实芯光纤的性能已经不能够满足需求，必须谋求进步和发展，但是材料的本征缺陷又限制了实芯光纤的发展；而空芯光纤能够保证光是在空气中传输，从而极大的降低了材料特性对光纤性能的影响，因此空芯光纤在绝大部分领域逐渐替代了传统实芯光纤。

反谐振光纤(ARF)是一种空芯光纤，光可以局限在折射率小于光纤材料的中空纤芯中沿光纤轴向传导，空芯光纤具有极低的非线性和较高的损伤阈值，其内部透射光束与周围玻璃之间的重叠较小。相较于其他类型的空芯光纤，反谐振空芯光纤结构更加简单，研究人员通过研究发现，反谐振空芯光纤的纤芯边界为负曲率(即纤芯边界曲率与纤芯圆形的曲率方向相反)时能表现出更好的性能，并且其外面的一圈管状结构对光纤的性能影响也不大；因而在激光制造、激光点火、防御、超快激光、非线性内窥镜/显微镜和基于气体的中红外激光器等领域均取得了突破性的应用。

反谐振空芯光纤虽然由于其新颖的导光机理和优良的传输性能吸引了研究者的注意，在众多技术领域获得了推广应用，特别是在光纤通信以及高功率激光传输中有着广阔的应用前景；与传统实芯光纤单一的模式设计相比，反谐振空芯光纤多变的几何结构使得其模式设计十分灵活。改变光纤包层管的个数、尺寸、间距以及分布，可以使得光纤表现出多样的模式特征。尽管这种通过几何结构的调节来实现模式设计的方法提供了许多便利性，而一些特殊的设计需求却依然无法满足。Thomas W.Kelly等人提出一种将高压气体充入反谐振空芯光纤的纤芯区域(文献1：T.W.Kelly,et al,“Gas-induced differentialrefractive index enhanced guidance in hollow-core optical fibers,”Optica 8,916-920(2021).)，使得纤芯区域的有效折射率提升，从而改变光纤模式的数量、损耗特性。这种通过差异性气体折射率的方法来调制模式特性的方法提供了一个新的角度，但是该操作与增大纤芯直径的效果类似，只能实现从基模到高阶模逐渐增加导光能力的效果，无法达到针对某一高阶模式的精准操控效果。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法，结合几何结构设计理论和选择性气体填充技术，通过调节填充气体的折射率和几何尺寸，从而对特定光纤模式实现精准控制，实现空芯光纤的高阶模式长距离、高模式纯度传输。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤，包括有外套管层，外套管层内腔设置有多根包层管，多根包层管的轴心位于一虚拟圆柱面上；每根包层管分别与外套管层的内表面相接；多根包层管之间空间构成纤芯；

每根所述包层管的内腔分别设置有填充气体，所述填充气体为高折射率气体；

每根所述包层管的两端分别设置有封堵层。

进一步地，所述封堵层的材料为紫外胶。

进一步地，所述封堵层的轴向长度为30μm～60μm。

本发明还涉及一种上述用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤的制造方法，包括有以下步骤：

S01，预设工作波长参数；

S02，建立光纤模式传输模型；

S03，多参数方程解析；

S04，传输模型修正；

S05，得到填充气体折射率和包层管的内径与纤芯的内径之间的比值关系；

S06，根据步骤S05中得到的参数，备料包层管和外套管；

S07，光纤选择性封堵；

S08，光纤选择性气体填充，对包层管内腔填充高折射率气体；

S09，光纤封装。

进一步地，所述步骤S02中，根据预设工作波长参数，建立以M-S方程为基础的光纤模式传输模型。

进一步地，所述步骤S03中，以预设工作波长参数为输入条件，通过多参数方程解析，解出反谐振空芯光纤的几何尺寸与填充气体的折射率之间的函数关系。

再进一步地，所述步骤S04中，所述传输模型修正用于修正纤芯和/或包层管的失圆而造成的计算误差。

进一步地，所述步骤S07中，包括以下操作内容：

S071，将包层管和外套管采用堆积拉制法拉制空芯光纤；

S072，使用熔接机对空芯光纤的两端放电，使得空芯光纤的每根包层管均自两端向内塌缩一段距离，每根包层管的两端构成外小内大的倒喇叭形结构；每根包层管自两端向内塌缩的距离为80μm～100μm；

S073，从空芯光纤的两端面向纤芯的内腔灌注紫外胶，灌注深度为180μm～220μm；

S074，通过紫外灯照射固化紫外胶，构成纤芯过渡封堵塞；

S075，通过切割刀在放大镜下对空芯光纤进行精确定位切割，去除空芯光纤两端一段距离，切割距离为120μm～160μm，使得纤芯过渡封堵塞的轴向长度缩短至30μm～60μm。

再进一步地，所述步骤S08中对每根包层管填充设计好的高折射率气体，高折射率气体为SF

最后，所述步骤S09中包括以下操作内容：

S091，从空芯光纤的两端面向包层管的内腔灌注紫外胶，灌注深度为180μm～220μm；

S092，通过紫外灯照射固化紫外胶，构成预封堵层；

S093，通过切割刀在放大镜下对空芯光纤进行精确定位切割，去除空芯光纤两端一段距离，切割距离为120μm～160μm，使得预封堵层的轴向长度缩短至30μm～60μm，从而构成封堵层；

S094，制得反谐振空芯光纤。

本发明的有益效果为：

一种用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法，结合几何结构设计理论和选择性气体填充技术，通过调节填充气体的折射率和几何尺寸，从而对特定光纤模式实现精准控制，实现空芯光纤的高阶模式长距离、高模式纯度传输。

本发明用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法，包含理论设计和实验制备两部分。理论设计包括光纤模式传输模型建立，多参数方程解析，传输模型修正。将反谐振空芯光纤的纤芯与包层区域近似看成毛细管，建立以M-S方程为基础的光纤模式传输模型；多参数方程解析在选择需要的工作波长后，解出所需的几何尺寸参数与填充气体折射率之间的关系，在确定几何尺寸参数与气体折射率之一时，另一参数也随之确定；传输模型修正用于修正由于非圆形的纤芯或者包层管所引入的计算误差。实验制备包括光纤横截面选择性封堵，光纤选择性气体填充，光纤封装。使用光纤熔接机将光纤两端做放电处理，光纤的微结构被塌缩后，使用紫外固化胶流入光纤纤芯区域，经紫外固化与切割后，对空芯光纤纤芯进行选择性封堵；使用预选气体选择性填充空芯光纤包层区域；使用紫外固化胶对空芯光纤包层进行封装。

本发明用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法，可以实现空芯光纤的高阶模式长距离、高模式纯度传输。

附图说明

图1是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤制造流程示意图；

图2是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤在放电塌缩前的端面结构示意图；

图3是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤在放电塌缩前的剖面结构放大示意图；

图4是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤在放电塌缩后的端面结构放大示意图；

图5是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤在选择性封堵时的结构放大示意图；

图6是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤在选择性封堵切割后的结构放大示意图；

图7是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤在选择性气体填充时的结构放大示意图；

图8是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤在封装时的结构放大示意图；

图9是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤最终成品剖面结构放大示意图；

图10是本发明实施例一用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤最终成品端面结构放大示意图；

图11是本发明实施例二用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤的端面结构示意图；

图12是本发明实施例三用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤的端面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者次序。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系或者运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件，或者其间可能同时存在一个或者多个居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1～10所示，本发明提供一种用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法，整体策划方案为：结合几何结构设计理论和气体填充技术，通过调节气体折射率和几何尺寸，实现反谐振空芯光纤的高阶模式高纯度传输，从而能够实现对特定光纤模式的精准控制。

本发明在现有的反谐振空芯光纤的研究基础上，提出一种使用高折射率气体选择性填充空芯光纤的技术，根据该方法可以通过结合气体折射率和几何尺寸的调节，实现反谐振空芯光纤的高阶模式高纯度传输。该技术包含理论设计和实验制备两部分。理论设计包括光纤模式传输模型建立，多参数方程解析，传输模型修正。具体步骤如下：将反谐振空芯光纤的纤芯与包层区域近似看成毛细管，建立以M-S方程为基础的光纤模式传输模型；多参数方程解析在选择需要的工作波长后，解出所需的几何尺寸参数与气体折射率之间的关系，在确定几何尺寸参数与气体折射率之一时，另一参数也随之确定；传输模型修正用于修正由于非圆形的纤芯或者包层管所引入的计算误差。实验制备包括光纤选择性封堵，光纤选择性气体填充，光纤封装。具体步骤如下：使用光纤熔接机将光纤两端做放电处理，光纤的微结构被塌缩后，使用紫外固化胶流入光纤纤芯区域，经紫外固化与切割后，对空芯光纤纤芯进行选择性封堵；使用预选气体选择性填充空芯光纤包层区域；使用紫外固化胶对空芯光纤包层进行封装。

具体地，本发明实施例一以单圈式反谐振空芯光纤为实例对象。

首先设置一种用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤，在外套管层1的内腔设置多根包层管2，多根包层管2的轴心位于一虚拟圆柱面上；每根包层管2分别与外套管层1的内表面相接；多根包层管2之间的空间构成纤芯，纤芯区域可以正常流通空气，从而可以构成标压下空气介质的纤芯区域。

在每根包层管2的内腔分别设置填充气体5，填充气体5为一个大气压的高折射率气体；高折射率气体起到谐振滤除纤芯基模的作用；实施例一中填充气体5选择SF

在每根包层管2的两端分别设置封堵层3，通过封堵层3将填充气体密封填充在每根包层管的内腔。

具体地，封堵层3的材料选择紫外胶，可以选择型号为日本NTT-AT6001的高透过率紫外固化树脂。

具体地，封堵层3的轴向长度为30μm～60μm，实施例一中的封堵层为50μm。

其次，本发明的用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤的制造方法，按照以下步骤实现：

S01，预设工作波长参数，即需要达到的空芯光纤的高阶模式长距离、高纯度传输具体参数要求；

S02，建立光纤模式传输模型；

根据预设工作波长参数，将反谐振空芯光纤的纤芯与包层区域近似看成毛细管，建立以M-S方程为基础的光纤模式传输模型。

S03，多参数方程解析；

以预设工作波长参数为输入条件，通过多参数方程解析，解出反谐振空芯光纤的几何尺寸与填充气体的折射率之间的函数关系；

多参数方程解析在输入需要的工作波长后，解出所需的几何尺寸参数与填充气体折射率之间的关系，在确定几何尺寸参数与气体折射率之一时，另一参数也随之确定。

S04，传输模型修正；

传输模型修正用于修正纤芯和/或包层管的失圆而造成的计算误差。

对于任一波长，在参数n

S05，得到填充气体折射率和包层管的内径与纤芯的内径之间的比值关系；

实施例一中，选择六氟化硫为填充气体，工作波长设置为1550nm，经计算包层/纤芯尺寸比为0.75；

实施例二中，同样选择六氟化硫为填充气体，工作波长为1064nm，包层/纤芯尺寸比为0.57。

S06，根据步骤S05中得到的参数，预备石英材料的包层管和外套管；

S07，光纤选择性封堵；

S071，将包层管和外套管通过成熟的现有技术中的堆积拉制法拉制空芯光纤；

S072，使用熔接机对空芯光纤的两端放电，使得空芯光纤的每根包层管2均自两端向内塌缩一段距离，每根包层管的两端构成外小内大的倒喇叭形结构21；具体塌缩后的形状与包层管的壁厚有关；包层管的材质为石英玻璃，放电塌缩实质上相当于将包层管的端口融化，壁厚较大时，塌缩后的管口外端形状接近于橄榄形，壁厚较小时，塌缩后的管口外端形状为缩小的环形；而包层管与外套管的接触点连接点始终保持接触连接；

每根包层管2自两端向内塌缩的距离为80μm～100μm；实施例一中塌缩100μm；

S073，从空芯光纤的两端面向纤芯的内腔灌注紫外胶，将紫外胶胶水滴在空芯光纤的两端端面上，紫外胶胶水在毛细效应作用下自动流入空芯光纤内，整个流程在常温常压下即可以实施，工艺简单；灌注深度为180μm～220μm；实施例一中灌注200μm；

S074，通过紫外灯照射固化紫外胶，构成纤芯过渡封堵塞41；固化设备采用Thorlabs--CS20K2,100％功率照射60秒，至胶水完全固化即可。

S075，通过切割刀在放大镜下对空芯光纤进行精准定位切割，去除空芯光纤两端一段距离，切割距离为120μm～160μm，实施例一中切割150μm；使得纤芯过渡封堵塞41的轴向长度缩短至30μm～60μm，实施例一中缩短至50μm。切割长度尽量精确，切割后光纤端面尽量平整。

S08，光纤选择性气体填充；对每根包层管填充高折射率气体作为填充气体5；实施例一中填充气体5选择SF

S09，光纤封装；

S091，从空芯光纤的两端面向包层管的内腔灌注紫外胶，灌注深度为180μm～220μm；实施例一中灌注200μm；

S092，通过紫外灯照射固化紫外胶，构成预封堵层31；

S093，通过切割刀在放大镜下对空芯光纤进行精准定位切割，去除空芯光纤两端一段距离，切割距离为120μm～160μm，实施例一中切割1500μm；使得预封堵层31的轴向长度缩短至30μm～60μm，实施例一中缩短至50μm；从而构成封堵层3；

S094，采用现有技术将空芯光纤两端制备成光纤插头，并盖好防尘塞，制得反谐振空芯光纤。

实施例二：在上述实施例一的基础上，以如图11所示的嵌套管式反谐振空芯光纤为实施对象，采用实施例一中的结构与操作方法，结合具体几何结构设计理论和气体填充技术，通过调节气体折射率和几何尺寸，从而能够对嵌套管式反谐振空芯光纤的特定光纤模式精准控制，实现空芯光纤的高阶模式长距离、高模式纯度传输。

实施例三：在上述实施例一的基础上，以如图12所示的连体管式反谐振空芯光纤为实施对象；采用实施例一中的结构与操作方法，结合具体几何结构设计理论和气体填充技术，通过调节气体折射率和几何尺寸，从而能够对连体管式反谐振空芯光纤的特定光纤模式精准控制，实现空芯光纤的高阶模式长距离、高模式纯度传输。

一种用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法，结合几何结构设计理论和选择性气体填充技术，通过调节填充气体折射率和几何尺寸，实现反谐振空芯光纤的高阶模式高纯度传输，从而实现对特定光纤模式的精准控制。

本发明用于高阶模传输的低损耗反谐振空芯光纤及其制造方法包含理论设计和实验制备两部分。

理论设计包括光纤模式传输模型建立，多参数方程解析，传输模型修正。具体步骤如下：将反谐振空芯光纤的纤芯与包层区域近似成毛细管，建立以M-S方程为基础的光纤模式传输模型；多参数方程解析在选择需要的工作波长后，解出所需的几何尺寸参数与气体折射率之间的关系，在确定几何尺寸参数与填充气体折射率之一时，另一参数也随之确定；传输模型修正用于修正由于非圆形的纤芯或者包层管所引入的计算误差。实验制备包括光纤选择性封堵，光纤选择性气体填充，光纤封装。具体步骤如下：使用光纤熔接机将光纤两端做放电处理，光纤的微结构被塌缩后，使用紫外固化胶流入光纤纤芯区域，经紫外固化与切割后，对空芯光纤纤芯进行选择性封堵；使用预选气体选择性填充空芯光纤包层区域；使用紫外固化胶对空芯光纤包层进行封装。

本发明不局限于上述几个实施例的可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。