一种低非线性系数的空芯反谐振光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种低非线性系数的空芯反谐振光纤。

背景技术

近年来，空心反谐振光纤技术取得了长足的发展。在2021年的线上光通信大会（OFC2021）上，空芯光纤再次成为关注的焦点，而且人们的关注点正在扩大。人们关注点，已经从去年创纪录的低损耗，扩展到了布线和应用，包括5G网络、数据中心和长距离传输的光纤回程。

空芯光纤技术的飞速发展使得反谐振反射型空芯光纤脱颖而出，展现出可以打破石英光纤瑞利散射极限，实现超低损耗的潜力。当前对于空芯反谐振光纤的设计没有一个标准的答案，且多用圆形嵌套结构堆叠，制作不方便，圆形嵌套管堆叠时更容易出现节点，导致了毛细管接触节点在传输带中引入额外的谐振损耗峰，使光纤的限制性损耗更大。

传统实芯光纤无法克服材料本身固有的非线性、色散、瑞利散射、光照损伤等缺陷，微结构空芯光纤有望解决这些本征性问题。因此，本发明提出一种低非线性系数的空芯反谐振光纤。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种低非线性系数的空芯反谐振光纤，不但减少了限制损耗，并且提供了高消光比，增加了该光纤的单模传输特性。此外，还具有较低的非线性系数更加有利于长距离传输，可以抑制非线性效应的影响并提高传输质量。该发明所具有的优点更加有利于光通信以及激光的高功率传输，且成本低，制作简单。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种低非线性系数的空芯反谐振光纤，所述空芯反谐振光纤由外至内依次设置有包层、反谐振层和纤芯区；

所述反谐振层圆周式均布有介质管，所述介质管的横截面形状由直线、第一圆弧线和第二圆弧线组成；所述第一圆弧线的两端对称连接有一个所述直线；所述直线远离所述第一圆弧线的一端相连；所述第一圆弧线和直线的合围区对称设置有所述第二圆弧线；所述第二圆弧线的两端与所述直线相邻；所述介质管的两个直线连接端与所述包层熔接；所述纤芯区由所述介质管合围构成。

在一些实施例中，两个所述直线的夹角为45°~60°；所述第二圆弧线圆心均为所述纤芯区的中心；所述第二圆弧线的半径为70um~80um。

在一些实施例中，所述介质管的壁厚

其中l代表正整数反谐振阶数；λ代表了工作波长；

在一些实施例中，所述介质管设置有5~6个。

在一些实施例中，所述反谐振层、介质管和纤芯区填充有折射率为1的气体。

在一些实施例中，所述直线的连接端设置有第一倒角；所述直线和第一圆弧线的连接端设置有第二倒角。

在一些实施例中，所述包层外侧设置有完美匹配层。

在一些实施例中，所述包层和介质管均以折射率为1.4129的石英材料作为基底。

本发明的有益效果：

本发明的空芯反谐振光纤可以有效的减少光纤的限制损耗，而且可以在2.6um~4.4um的波段内保持低损耗，并且提高光纤在3.1um、3.5um、3.9um、4.1um的波段的消光比，使其拥有更好的单模特性，使能量能更好的集中在纤芯内，提高光束的质量。其次扇形的圆角结构可以减小制作的复杂程度，更加便于制造。而且具有较大的模场面积，此时该发明的有效模场面积已经大于纤芯圆的面积，此时更有利于保证光在光纤中只传输一种模式，也有利于提高大模场光纤激光器及放大器的输出功率。

其次根据模场面积算出的低非线性系数使其在光纤通信少模传输等领域有着更广阔的应用前景光纤的低非线性系数有很多好处。较低的非线性系数首先，可以抑制非线性效应的影响，如四波混频和交叉相位调制等。其次，它可以支持10Gbit/s的长距离传输而无需色散补偿。此外，空芯光纤的非线性效应比常规光纤材料的非线性效应低3到4个数量级。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为发明整体结构示意图；

图2为发明整体结构的介质管放大图；

图3为本发明实施例的空芯反谐振光纤的单模图；

图4为本发明实施例的空芯反谐振光纤的多模图；

图5为本发明实施例的高阶模损耗和基模损耗图；

图6为本发明实施例的光纤的消光比图；

图7为本发明实施例的有效模场面积图；

图8为本发明实施例的非线性系数图；

图9为本发明实施例的结构尺寸图。

图中各标号对应的部件如下：

1、包层；2、完美匹配层；3、介质管；301、直线；302、第一圆弧线；303、第二圆弧线；4、纤芯区；5、第二倒角；6、第一倒角。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

一种低非线性系数的空芯反谐振光纤，所述空芯反谐振光纤由外至内依次设置有包层1、反谐振层和纤芯区4；

所述反谐振层圆周式均布有介质管3，所述介质管3的横截面形状由直线301、第一圆弧线302和第二圆弧线303组成；所述第一圆弧线302的两端对称连接有一个所述直线301；所述直线301远离所述第一圆弧线302的一端相连；所述第一圆弧线302和直线301的合围区对称设置有所述第二圆弧线303；所述第二圆弧线303的两端与所述直线301相邻；所述介质管3的两个直线301连接端与所述包层1熔接；所述纤芯区4由所述介质管3合围构成。由于光在反谐振光纤中会有一定的泄露，有一小部分的光在反谐振条件下仍然会在玻璃壁上会透射出去，由此会造成一定的能量损失。所以在设计光纤中在反谐振层上加上相同或不同壁厚的谐振层，这就形成了多层的谐振腔，在理论上是能够有效地将原本会透射出去的光反射回光纤。扇形结构是由于其中的负曲率的光纤结构的损耗远小于正曲率光纤，因此之后的反谐振空芯光纤主要结构形式便是负曲率的纤芯壁。

在一些实施例中，扇形的夹角为45°~60°这样既不会有扇形中间既不会有较大的间隙也不会有相交产生的节点。内侧第二圆弧线303为以纤芯圆心所设计的，其半径范围为70um~80um之间，介质管厚的范围满足光纤达到反谐振公式：

其中l代表正整数反谐振阶数；λ代表了工作波长；

在一些实施例中，所述介质管3设置有5~6个，可以提高该光纤的消光比。

在一些实施例中，所述反谐振层、介质管3和纤芯区4填充有折射率为1的气体，如空气。

在一些实施中，所述直线301的连接端设置有第一倒角6；所述直线301和第一圆弧线302的连接端设置有第二倒角5，倒角处理的目的是便于加工制造，可以减少制作的难度。

在一些实施中，所述包层1外侧设置有完美匹配层2；所述完美匹配层2的厚度为1um~5um。其中完美匹配层2用于消除光纤模型与实际光纤两者的环境差异。

在一些实施中，所述包层1和介质管3均以折射率为1.4129的石英材料作为基底。

实施例：

如图1所示，空芯反谐振光纤由外之内依次是完美匹配层2、包层1、反谐振层和纤芯区4；反谐振层圆周均布有5个介质管3；包层1和介质管3都是以石英材料作为基底的石英，其折射率为1.4129；

完美匹配层2的厚度为2um；纤芯区4的半径为R3；第一圆弧线302的半径为R4，第一圆弧线302对应的角度为60°；第二圆弧线303的半径为R5；

由于介质管3存在壁厚t，故第一倒角6的内外半径为r1、r2；第二倒角5的内外半径为r3、r4；且满足r1=r2,r3=r4。

利用COMSOL Multipysics进行仿真。

其中的参数为：R1=150um，R2=120um，R3=40um，R4=80um,R5=80um，r1=r2=8um,r3=r4=0.1um,t=1um。从基模的损耗可以看出，该光纤的损耗甚至可以达到10-3dB/km，这与传统单模光纤的0.2dB/km相比，其中的损耗减少了很多，其次在消光比的数值计算中有多个波段达到了100以上，体现出了该发明的单模特性非常好。一般单模光纤的有效模场面积为100um

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。