反谐振光纤及其演化方法与流程

本发明涉及光纤
技术领域：
，尤其涉及一种反谐振光纤及其演化方法。
背景技术：
：目前，光纤主要包括实心光纤和空心光纤，实心光纤通过构造包围实心的包层结构来实现，其结构和导光机制决定了光纤具有因纤芯对光的吸收和散射而引起的损耗，另外色散效应也会限制信号的传输速度。空心光纤由于是在空气中进行导光，其在克服光纤损耗、色散等方面具有较大的优势。因此，空心光纤已经逐步占据市场的主导地位。然而，目前空心光纤的带宽资源是有限的，随着通信网络的逐渐发展以及现代社会对数据传输速率的要求越来越高，为了扩大大数据中心之间通信的信息容量，传统的做法是展宽系统宽带，不仅需要使用较多数目的空心光纤，还需要多种仪器的配合，例如调制器、解调器、光电探测器等等，这会导致设备庞杂、通信成本较高。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种反谐振光纤及其演化方法，旨在降低通信成本。一种反谐振光纤，包括：管状包层，具有内表面；第一反谐振单元，所述第一反谐振单元的横截面包括相接的第一椭圆段及第二椭圆段，所述第一椭圆段与所述内表面相切，所述第一反谐振单元设有多个，多个所述第一反谐振单元等间距地排布在所述内表面上，以围合形成圆形的有效区域，所述有效区域与各所述第二椭圆段均相切，且在任意一个所述第一反谐振单元中，所述有效区域的圆心与所述有效区域和所述第二椭圆段的切点的连线与所述第二椭圆段的短轴重合；以及第二反谐振单元，所述第二反谐振单元设有多个，一一对应地嵌套在各所述第一反谐振单元内，所述第二反谐振单元的横截面包括相接的第三椭圆段及第四椭圆段。在其中一个实施例中，相邻两所述第一反谐振单元之间的间距为1.3-1.5μm。在其中一个实施例中，所述第一反谐振单元设有偶数个，而且，所述第一反谐振单元的数目大于等于6个，且小于等于10个。在其中一个实施例中，所述第一椭圆段与所述第二椭圆段相接形成第一椭圆，所述第三椭圆段与所述第四椭圆段相接形成第二椭圆。在其中一个实施例中，所述第一椭圆的长轴长度等于所述第二椭圆的长轴长度，所述第二椭圆的短轴长度为所述第一椭圆的短轴长度的0.6倍；所述第一椭圆段与所述第二椭圆段的曲率均为0.7-0.9；所述第三椭圆段与所述第四椭圆段的曲率均为0.42-0.54。在其中一个实施例中，所述第一椭圆段的长轴与所述第二椭圆段的短轴重合，所述第一椭圆段的短轴与所述第二椭圆段的长轴重合；所述第三椭圆段与所述第一椭圆段相切，所述第三椭圆段的长轴与所述第一椭圆段的长轴重合，且与所述第四椭圆段的短轴重合，所述第三椭圆段的短轴与所述第四椭圆段的长轴重合。在其中一个实施例中，所述第三椭圆段的长轴长度为所述第一椭圆段的长轴长度的0.6倍，所述第三椭圆段的短轴长度为所述第一椭圆段的短轴长度的0.6倍，所述第四椭圆段的短轴长度为所述第二椭圆段的短轴长度的0.6倍；所述第一椭圆段的曲率为0.6-1，所述第二椭圆段的曲率为0.45-1.25；所述第三椭圆段的曲率为0.36-0.6，所述第四椭圆段的曲率为0.27-0.75。一种上述的任一种反谐振光纤的演化方法，包括如下步骤：提供所述管状包层；根据虚拟圆形区域及初始反谐振单元，确定所述第一椭圆段的短轴长度和所述第二椭圆段的短轴长度，所述初始反谐振单元的横截面为圆形，所述初始反谐振单元设有多个，多个所述初始反谐振单元等间距地排布在所述内表面上，以围合形成所述虚拟圆形区域；得到所述第一反谐振单元的壁厚，所述第二反谐振单元的壁厚与所述第一反谐振单元的壁厚相等。在其中一个实施例中，根据虚拟圆形区域及初始反谐振单元，确定所述第一椭圆段的短轴长度和所述第二椭圆段的短轴长度的步骤，具体包括以下步骤：确定所述初始反谐振单元的数目；构建所述虚拟圆形区域；根据所述虚拟圆形区域及相邻两所述初始反谐振单元，获取所述初始反谐振单元的横截面的初始半径；减小所述初始半径，得到所述第一椭圆段的短轴长度和所述第二椭圆段的短轴长度。在其中一个实施例中，确定所述初始反谐振单元的数目的计算公式为：y+1＝x/2；其中，x为所述初始反谐振单元的数目，y为预设圆柱矢量光束的阶数。实施本发明实施例，将具有如下有益效果：通过上述演化方法演化出的反谐振光纤，结构简单，通过在管状包层内设置第一反谐振单元和第二反谐振单元，能有效加宽宽带，并降低传输损耗，而且，第一反谐振单元采用了第一椭圆段及第二椭圆段，且第二椭圆段与有效区域的切点和有效区域的圆心之间的连线与第二椭圆段的短轴重合，从而与具有同样数目且横截面为圆形的初始反谐振单元的初始反谐振光纤相比，反谐振光纤中间有效区域的范围更大，这样能够增多通过的圆柱矢量光束的数目，因此，在不展宽宽带的前提下，该反谐振光纤也能够加宽宽带以满足大数据中心之间通信的信息容量要求，减少了光纤的使用数目，降低了通信成本。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1为初始反谐振光纤的剖视图；图2为第一实施例的反谐振光纤的剖视图；图3为第二实施例的反谐振光纤的剖视图；图4为一实施方式的反谐振光纤的演化方法流程图；图5为图4所示的方法流程图中步骤s200的具体流程图。具体实施方式为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以容许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。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可能同时存在居中元件。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。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。如图2及图3所示，一实施方式的反谐振光纤10适用于光纤复用通信，满足模式复用的条件，模式复用是指反谐振光纤10能够传输多个cvb(cylindricalvectorbeams，圆柱矢量光束)，以提高通信容量。具体地，反谐振光纤10包括管状包层100、第一反谐振单元200及第二反谐振单元300，管状包层100、第一反谐振单元200及第二反谐振单元300均为中空结构，其中，管状包层100具有内表面110，且管状包层100的横截面为圆形。第一反谐振单元200的横截面包括相接的第一椭圆段210及第二椭圆段220，第一椭圆段210与内表面110相切。第一反谐振单元200设有多个，多个第一反谐振单元200等间距地排布在内表面110上，以围合形成圆形的有效区域400。第二反谐振单元300设有多个，一一对应地嵌套在各第一反谐振单元200内，第二反谐振单元300的横截面包括相接的第三椭圆段310及第四椭圆段320。可以理解地，在本实施方式中，有效区域400与管状包层100的横截面互为同心圆，且有效区域400与各第一反谐振单元200的第二椭圆段220均相切。有效区域400的大小决定了反谐振光纤10传输的cvb的数目，有效区域400越大，可传输的cvb的数目就越多，有效区域400越小，可传输的cvb的数目就越少。对于任意一个第一反谐振单元200来说，有效区域400的圆心与第二椭圆段220的中心之间的连线经过有效区域400与第二椭圆段220的切点，且该连线与第二椭圆段220的短轴重合，从而与具有同样数目且横截面为圆形的初始反谐振单元的初始反谐振光纤相比，反谐振光纤10中的有效区域400的半径得以增大，这样能够增多通过的cvb的数目，因此，在不展宽宽带的前提下，该反谐振光纤10也能够加宽宽带以满足大数据中心之间通信的信息容量要求，减少了光纤的使用数目，降低了通信成本。需要解释的是，第二椭圆段220的中心即为第二椭圆段220的长轴与短轴的交点。另外，本实施方式的反谐振光纤10还具有结构简单、制作难度低、损耗低、损伤阈值高等优点。进一步，反谐振光纤10的横截面为中心对称图形，可以理解地，第一反谐振单元200的数目为偶数个，并且，第一反谐振单元200的数目大于等于6个，且小于等于10个，也即，第一反谐振单元300的数目为6个、8个或10个。相应地，当第一反谐振单元300的数目为6个时，第二反谐振单元300的数目也为6个，当第一反谐振单元300的数目为8个时，第二反谐振单元300的数目也为8个，当第一反谐振单元300的数目为10个时，第二反谐振单元300的数目也为10个。而当第一反谐振单元300的数目为6个时，反谐振光纤10在传输光时，损耗最低，当第一反谐振单元300的数目为10个时，反谐振光纤10能够传输更高阶cvb。在本实施方式中，相邻两第一反谐振单元200之间的间距为1.3-1.5μm，在此范围内，反谐振光纤10在传输光时的损耗较低，而当相邻两个第一反谐振单元200之间的间距为1.44μm时，反谐振光纤10在传输光时的损耗最低。进一步，第一反谐振单元200与第二反谐振单元300的壁厚相等，且均为0.24μm，这样能够进一步降低通信波段的损耗。一实施例中，请参考图2，第一椭圆段210与第二椭圆段220相接形成第一椭圆，第三椭圆段310与第四椭圆段320相接形成第二椭圆。也即，第一反谐振单元200和第二反谐振单元300的横截面均为椭圆形。因此，第一椭圆段210与第二椭圆段220的曲率相等，第三椭圆段310与第四椭圆段320的曲率相等。具体到该实施例中，第一椭圆段210与第二椭圆段220的曲率均为0.7-0.9，第三椭圆段310与第四椭圆段320的曲率均为0.42-0.54。而且，第一椭圆的长轴长度等于第二椭圆的长轴长度，第二椭圆的短轴长度为第一椭圆的短轴长度的0.6倍。也即，第二椭圆与第一椭圆共用长轴，两者具有两个交点。这样设计能够使得反谐振光纤10在传输光时的损耗降低。当然，在其他实施方式中，在满足模式复用的条件下，第二反谐振单元300还可以与第一反谐振单元200为其他的位置关系。一实施例中，请参考图3，第一反谐振单元200和第二反谐振单元300的横截面均为类椭圆形，且第一反谐振单元200的横截面与第二反谐振单元300的横截面仅有一个交点，且该交点、有效区域400的圆心、第一椭圆段210与内表面110的切点三者共线。具体地，第一椭圆段210的长轴与第二椭圆段220的短轴重合，第一椭圆段210的短轴与第二椭圆段220的长轴重合。第三椭圆段310与第一椭圆段210相切，第三椭圆段310的长轴与第一椭圆段210的长轴重合，且与第四椭圆段320的短轴重合，第三椭圆段310的短轴与第四椭圆段320的长轴重合。且在该实施例中，第三椭圆段310的长轴长度为第一椭圆段210的长轴长度的0.6倍，第三椭圆段310的短轴长度为第一椭圆段210的短轴长度的0.6倍，第四椭圆段320的短轴长度为第二椭圆段220的短轴长度的0.6倍。第一椭圆段210的曲率为0.6-1，第二椭圆段220的曲率为0.45-1.25。第三椭圆段310的曲率为0.36-0.6，第四椭圆段320的曲率为0.27-0.75。在本实施方式中，还提供了一种根据初始光纤20演化出反谐振光纤10的方法，如图1所示，初始光纤20包括管状包层及初始反谐振单元30，初始反谐振单元30的横截面为圆形，初始反谐振单元30设有多个，多个初始反谐振单元30等间距地排布在管状包层的内表面上，以围合形成虚拟圆形区域40。如图4及图5所示，反谐振光纤10的演化方法包括以下步骤：步骤s100，提供管状包层100，管状包层100为由二氧化硅制成的中空结构，其结构、大小及形状均与初始光纤20的管状包层一致。步骤s200，根据虚拟圆形区域40及初始反谐振单元30，确定第一椭圆段210的短轴长度和第二椭圆段220的短轴长度。当第一椭圆段210的短轴长度和第二椭圆段220的短轴长度确定后，第三椭圆段310的短轴长度和第四椭圆段320的短轴长度便能随之确定。具体地，在本实施方式中，步骤s200还包括以下步骤：步骤s210，确定初始反谐振单元30的数目。在执行该步骤时，需要预先设定好反谐振光纤10所支持的cvb的阶数，根据cvb的阶数能够计算出初始反谐振单元30的数目，也就能得到第一反谐振单元200的数目，而当第一反谐振单元200的数目确定后，相邻两个第一反谐振单元200之间的间距便能得以确定。cvb的阶数与初始反谐振单元30的数目之间满足如下计算公式：y+1＝x/2；其中，x为初始反谐振单元30的数目，y为预设cvb的阶数。由此可知，当第一反谐振单元200的数目为6个时，cvb的阶数为2，也即反谐振光纤10能够传输一阶cvb和二阶cvb，每阶cvb又包含4个cvb，因此，当第一反谐振单元200的数目为6个时，反谐振光纤10能够传输8个cvb。同理，当第一反谐振单元200的数目为8个时，cvb的阶数为3，反谐振光纤10能够传输12个cvb。当第一反谐振单元200的数目为10个时，cvb的阶数为4，反谐振光纤10能够传输16个cvb。步骤s220，构建虚拟圆形区域40，该虚拟圆形区域40与各初始反谐振单元30的横截面均相切。步骤s230，根据虚拟圆形区域40及相邻两初始反谐振单元30，获取初始反谐振单元30的横截面的初始半径。如图1所示，对虚拟圆形区域40的圆心及相邻两个初始反谐振单元30的圆心三者进行两两连线，以构建出一个等腰三角形，由正弦定理可得以下公式：(d-r)sinβ＝r+d/2；其中，d为管状包层100的横截面的半径，r为初始半径，d为相邻两初始反谐振单元30之间的距离，β为第一连线与第二连线之间夹角的一半，第一连线为虚拟圆形区域40的圆心与其中一个初始反谐振单元30的横截面的圆心之间的连线，第二连线为虚拟圆形区域40的圆心与另一初始反谐振单元30的横截面的圆心之间的连线。d和d均为已知参数，当初始反谐振单元30的数目为6个时，β为π/6；当初始反谐振单元30的数目为8个时，β为π/8；当初始反谐振单元30的数目为10个时，β为π/10。因此，当初始反谐振单元30的数目确定后，初始反谐振单元30的横截面的初始半径也能得以确定。步骤s240，减小初始半径，得到第一椭圆段210的短轴长度和第二椭圆段220的短轴长度。一实施例中，当初始反谐振单元30的横截面的初始半径确定后，以该初始半径作为第一反谐振单元200的横截面的长轴长度以及第二反谐振单元300的横截面的长轴长度，在虚拟圆形区域40的半径方向上，减小初始半径，便得到了第一反谐振单元200的横截面的短轴长度，经过comsol模拟计算，第一椭圆段210的曲率为0.7-0.9时，且第二反谐振单元300的横截面的短轴长度为第一反谐振单元200的横截面的短轴长度的0.6倍时，反谐振光纤10的损耗较低。而在减小初始半径时，虚拟圆形区域40的半径得以增大，这样最终形成的有效区域400的半径便大于虚拟圆形区域40的半径，也就意味着支持的cvb的数目越多。综上，该实施例中的初始光纤20能演化出图2所示的反谐振光纤10。一实施例中，当初始反谐振单元30的横截面的初始半径确定后，无论是在虚拟圆形区域40的半径方向上还是垂直于虚拟圆形区域40的半径的方向上，均缩小初始半径，经过comsol模拟计算后，先画一个与内表面110相切的曲率为0.6-1的半椭圆，也即第一椭圆段210，再画一个与第一椭圆段210相接的曲率为0.45-1.25的扁椭圆，也即第二椭圆段220。再根据第三椭圆段310和第四椭圆段320与第一椭圆段210和第二椭圆段220之间的比例关系，便能得出第二反谐振单元300。同样地，在减小初始半径时，虚拟圆形区域40的半径得以增大，这样最终形成的有效区域400的半径便大于虚拟圆形区域40的半径，也就意味着支持的cvb的数目越多。综上，该实施例中的初始光纤20能演化出图3所示的反谐振光纤10。步骤s300，得到第一反谐振单元200的壁厚，第二反谐振单元300的壁厚与第一反谐振单元200的壁厚相等。第一反谐振单元200的壁厚的计算公式为：其中，t为第一反谐振单元200的壁厚，n1为空气折射率，n2为第一反谐振单元200的折射率，λm为高损耗谐振波长，m＝1,2,3……，且m代表cvb阶数。在计算第一反谐振单元200的壁厚时，把高损耗谐振波长和需要利用的波段避开，就能降低通信波段的损耗，从而计算得出当t＝0.24μm时，损耗较低。值得一提的是，在本实施方式中，无论是图2所示的反谐振光纤，还是图3所示的反谐振光纤，既能满足模式复用，还能降低损耗，在1550nm波段处，反谐振光纤10的约束损耗可达10-7量级，表面散射损耗可达10-7量级，各损耗综合后，反谐振光纤10的整体损耗可达10-6量级。请参考表1、表2及表3：表1.各阶cvb对应的图2所示实施例的反谐振光纤的损耗阶数m＝1m＝2m＝3m＝4损耗(db/m)1.3947e-41.0607e-42.3169e-40.0035862表2.各阶cvb对应的图3所示实施例的反谐振光纤的损耗阶数m＝1m＝2m＝3m＝4损耗(db/m)7.3850e-71.6090e-67.5217e-61.2899e-4表3.相邻两阶cvb的有效折射率差△12△23△34△neff1e-41.2e-41.4e-4其中，表1为当各阶cvb在刚刚好满足模式复用条件时，各阶cvb对应的图2所示的反谐振光纤的损耗，从中可以看出，各阶cvb所对应的损耗都较低。表2为当各阶cvb在刚刚好满足模式复用条件时，各阶cvb对应的图3所示的反谐振光纤的损耗，从中可以看出，各阶cvb所对应的损耗都较低，且与图2所示的反谐振光纤相比，低于同阶cvb的损耗值。而刚刚好满足模式复用条件为，相邻两阶cvb的有效折射率差大于等于10-4，从表3可以看出，一阶cvb与二阶cvb之间的有效折射率差为10-4，二阶cvb与三阶cvb之间的有效折射率差为1.2*10-4，三阶cvb与四阶cvb之间的有效折射率差为1.4*10-4，因此各阶cvb都满足模式复用条件。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12