本發(fā)明涉及光纖，具體涉及一種低損耗保偏空芯反諧振光纖。

背景技術(shù)：

1、保偏光纖通過(guò)引入高雙折射，能夠減少外界環(huán)境擾動(dòng)引起的不可控雙折射或偏振模色散對(duì)光纖傳輸?shù)挠绊憽Ｏ啾葌鹘y(tǒng)實(shí)芯光纖受制于其纖芯高折射率材料的固有缺陷，空芯光纖通過(guò)特定的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將光場(chǎng)限制在低折射率的空氣纖芯中，具備低延遲、低色散、低非線性、高光致?lián)p傷閾值、抗干擾以及可填充液體或氣體的高靈活性等優(yōu)勢(shì)。

2、空心光子晶體光纖(hollow-core?photonic?bandgap?fibers，hc-pbgfs)通過(guò)采用非對(duì)稱芯形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)雙折射，并且其不對(duì)稱包層設(shè)計(jì)有助于光纖獲得單模、高雙折射和單偏振特性。與光子晶體光纖相比，空心反諧振光纖(hollow-core?antiresonant?fibers，hc-arfs)具有寬帶、低損耗等優(yōu)異的光學(xué)性能。

3、2020年，yerolatsitis等人通過(guò)引入不同厚度的毛細(xì)管，設(shè)計(jì)并且制備出一種單模雙折射hc-arf，當(dāng)波長(zhǎng)為1.55um時(shí)，獲得4.4×10-5的雙折射和0.46db/m的損耗。2021年，habib等人提出采用混合二氧化硅/硅包層管的hc-arfs設(shè)計(jì)。通過(guò)在hc-arfs中添加硅層，通過(guò)x偏振纖芯模式和包層管模式的耦合提供高雙折射和單偏振。2022年，洪奕峰等人通過(guò)設(shè)計(jì)具有四倍旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的雙厚度半管結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙折射為9.1×10-5，最低損耗為185db/km的arf。

4、盡管hc-arfs的高雙折射可以通過(guò)在正交方向分別嵌套諧振管和反諧振管來(lái)實(shí)現(xiàn)，添加硅涂覆也能提高光纖的雙折射，但這對(duì)光纖制備提出了較高要求，同時(shí)往往會(huì)犧牲一種偏振態(tài)的傳輸特性。本發(fā)明在雙厚度半管arfs的原理上，提出了一種新的保偏空芯反諧振光纖結(jié)構(gòu)，不僅確保了一定的雙折射，還大大降低了傳輸損耗；光纖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明公開(kāi)了一種低損耗保偏空芯反諧振光纖，該光纖的結(jié)構(gòu)包括從外向內(nèi)依次排列的光纖外包層、多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的封閉腔以及空氣纖芯。在光纖外包層的內(nèi)表面上，多個(gè)封閉腔沿圓周方向間隔均勻分布。每個(gè)封閉腔由以下部分組成：最外層壁，其徑向截面為第一半徑的扇形或圓形；第二層壁，其徑向截面為第二半徑的扇形或圓形；以及最內(nèi)層壁，其徑向截面為第三半徑的圓形，包圍著一個(gè)內(nèi)部空間。該結(jié)構(gòu)可有效降低傳輸損耗，抑制光泄漏，在保持一定雙折射的前提下，實(shí)現(xiàn)了低限制傳輸損耗和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種低損耗保偏空芯反諧振光纖，其特征在于：

4、從光纖的外部向內(nèi)部的徑向方向上，包括光纖外包層和空氣纖芯；沿著外套管內(nèi)表面的圓周方向，所述多個(gè)封閉腔彼此間隔、均勻分布；每個(gè)封閉腔包括：最外層薄壁，為徑向截面為半徑r1的扇形，水平方向的薄壁厚度為t1，垂直方向上的薄壁厚度為t2，水平方向最外層壁到最外層結(jié)構(gòu)的距離為s1；垂直方向最外層壁到最外層結(jié)構(gòu)的距離為s2。每個(gè)封閉腔還包括：第二層薄壁，為徑向截面為半徑r2的扇形，水平方向的第二層薄壁厚度為t1，垂直方向上的薄壁厚度為t2。每個(gè)封閉腔還包括：第三層薄壁，為徑向截面為半徑r3的圓，第三層薄壁的厚度為t3。所述光纖是通過(guò)在纖芯周圍正交方向上引入不同厚度的外層薄壁，t1≠t2，打破包層模式的簡(jiǎn)并性，由與偏振相關(guān)的反交叉效應(yīng)引入的雙折射。

5、優(yōu)選地，所述的四個(gè)封閉腔中的任意一個(gè)封閉腔；最外層薄壁和第二層薄壁的厚度相同，兩個(gè)薄壁之間的間隔均為z。

6、優(yōu)選地，對(duì)于所述四個(gè)封閉腔中任意兩個(gè)處于正交方向的封閉腔，其水平方向上最外層薄壁厚度不等于垂直方向上最外層薄壁厚度，即t1≠t2。

7、優(yōu)選地，對(duì)于所述四個(gè)封閉腔中任意兩個(gè)處于正交方向的封閉腔，其最外層薄壁到光纖外包層的距離不相等，即s1≠s2。

8、優(yōu)選地，水平方向上的薄壁厚度為t1和垂直方向的薄壁厚度t2分別在1875nm-1977nm和1300nm-1387nm處遵循反諧振波導(dǎo)(arrow)原理，即

9、

10、第三層薄壁的厚度t3也遵循反諧振波導(dǎo)(arrow)原理，即

11、

12、其中λ為設(shè)計(jì)的工作波長(zhǎng)，n1表示光纖外包層材料的折射率，n0表示空氣的折射率，m為正整數(shù)，m的取值范圍為1，2，3...。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：

14、1.本發(fā)明采用空芯反諧振光纖結(jié)構(gòu)，將大部分光能量限制在空氣纖芯中，有效避免了傳統(tǒng)實(shí)芯光纖中基體材料吸收導(dǎo)致的高損耗問(wèn)題。由于空氣對(duì)光的吸收幾乎為零，因此這種結(jié)構(gòu)能夠極大降低傳輸過(guò)程中的材料吸收損耗。同時(shí)多層arrow結(jié)構(gòu)可有效抑制光的泄漏損耗。在c波段和l波段范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的傳輸損耗均低于1db/km。在1554nm處的x偏振方向，最小限制損耗僅為0.09db/km；在1589nm處的y偏振方向，最小限制損耗為0.19db/km。

15、2.上述光纖結(jié)構(gòu)通過(guò)在正交方向上引入玻璃壁的雙層厚度，破壞包層二氧化硅模式的簡(jiǎn)并。在c波段和l波段范圍內(nèi)，該光纖結(jié)構(gòu)的雙折射均超過(guò)3×10-5。

16、3.封閉腔的設(shè)計(jì)通過(guò)精細(xì)調(diào)控其形狀和尺寸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定頻率光波的反諧振效應(yīng)，進(jìn)一步減少了光纖的泄漏損耗。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得光波在光纖中的傳輸更加穩(wěn)定，損耗更低。

17、4.本發(fā)明的空芯反諧振光纖通過(guò)精心設(shè)計(jì)的光纖結(jié)構(gòu)和封閉腔排列方式，有效維持了光波在傳輸過(guò)程中的偏振狀態(tài)。這種保偏性能對(duì)于需要高精度偏振控制的應(yīng)用場(chǎng)景(如量子通信、光纖陀螺等)至關(guān)重要。保偏光纖能夠減少光信號(hào)在傳輸過(guò)程中的偏振串?dāng)_和偏振模式色散，提高系統(tǒng)的整體性能。

18、5.低損耗特性意味著光信號(hào)在光纖中的衰減減小，從而提高了光信號(hào)的傳輸效率。這使得該光纖特別適用于需要長(zhǎng)距離傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景，如光纖通信、傳感成像等領(lǐng)域。在高功率激光傳輸應(yīng)用中，低損耗特性也有助于減少激光損傷和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效應(yīng)，提高激光傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

19、6.本發(fā)明的光纖結(jié)構(gòu)具有一定的靈活性和可擴(kuò)展性，通過(guò)調(diào)整封閉腔的數(shù)量、形狀和尺寸等參數(shù)，可以進(jìn)一步優(yōu)化光纖的性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。這種靈活性還體現(xiàn)在光纖的制備工藝上，通過(guò)先進(jìn)的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)光纖的批量化生產(chǎn)和定制化設(shè)計(jì)。

技術(shù)特征：

1.一種低損耗保偏空芯反諧振光纖，包括光纖外包層(1)，空心纖芯(7)，其特征在于：在所述光纖外包層(1)和空心纖芯(7)之間，沿所述光纖外包層(1)內(nèi)表面圓周方向均勻分布有多個(gè)彼此間隔的封閉腔；每個(gè)封閉腔由外至內(nèi)由同心的最外層薄壁(2，4)、第二層薄壁(3，5)和第三層薄壁(6)構(gòu)成，其中，所述最外層薄壁是徑向截面為半徑r1的扇形，第二層薄壁是徑向截面為半徑r2的扇形，第三層薄壁是徑向截面為半徑r3的圓，且r1＞r2＞r3；任意一個(gè)封閉腔的最外層薄壁和第二層薄壁的厚度相同，且水平方向上薄壁的厚度為t1，垂直方向上薄壁的厚度為t2；所述第三層薄壁的厚度為t3；所述光纖的雙折射是通過(guò)在纖芯周圍正交方向上引入不同厚度的薄壁，t1≠t2，打破包層模式的簡(jiǎn)并性，由與偏振相關(guān)的反交叉效應(yīng)產(chǎn)生光纖纖芯基模的雙折射，保證纖芯偏振態(tài)的穩(wěn)定傳輸。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗保偏空芯反諧振光纖，其特征在于：所述最外層薄壁和第二層薄壁之間的間隔為z。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗保偏空芯反諧振光纖，其特征在于，所述封閉腔為四個(gè)，沿水平方向和垂直方向?qū)ΨQ正交分布。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗保偏空芯反諧振光纖，其特征在于，任意兩個(gè)處于正交方向的封閉腔，其最外層薄壁(2，4)到光纖外包層(1)的距離不相等，即s1≠s2。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗保偏空芯反諧振光纖，其特征在于，任意兩個(gè)處于正交方向的封閉腔的外層薄壁的壁厚不相等，即t1≠t2。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗保偏空芯反諧振光纖，其特征在于，水平方向上的薄壁厚度為t1和垂直方向的薄壁厚度t2分別在1875nm-1977nm和1300nm-1387nm遵循反諧振波導(dǎo)(arrow)原理，即滿足如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種低損耗保偏空芯反諧振光纖，屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域。該光纖的結(jié)構(gòu)包括從外向內(nèi)依次排列的光纖外包層、多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的封閉腔以及空氣纖芯。在光纖外包層的內(nèi)表面上，多個(gè)封閉腔沿圓周方向間隔均勻分布。每個(gè)封閉腔由以下部分組成：最外層壁，其徑向截面為第一半徑的扇形或圓形；第二層壁，其徑向截面為第二半徑的扇形或圓形；以及最內(nèi)層壁，其徑向截面為第三半徑的圓形，包圍著一個(gè)內(nèi)部空間。本發(fā)明通過(guò)雙厚度薄壁設(shè)計(jì)，使光纖具有保持偏振態(tài)的雙折射；同時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的光纖嵌套包層管設(shè)計(jì)，有效降低了兩個(gè)偏振模式的傳輸損耗。

技術(shù)研發(fā)人員：肖悅娛,承家耀,陳偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21