一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤

1.本发明属于光子晶体光纤技术领域，尤其涉及一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤。


背景技术：

2.传统石英光纤经过单个多世纪的发展，各方面的性能都已逼近极限，难以适应不断发展的光纤通信对超长距离、超大容量、超高速率的要求。在损耗方面，经过数十年的光纤工艺优化，石英光纤经历了从1970年20db/km、1973年的2.5db/km、1979年的0.2db/km、1986年的0.154db/km、2015年的0.146db/km、 2018年0.1419db/km，材料的不断提纯带来了损耗的数量级降低，目前已逼近瑞利散射损耗极限。在色散方面，传统的石英光纤要想获得特定的色散需要在制造工程中进行复杂和高浓度掺杂，加剧了制造的难度。在非线性方面，传统石英光纤本征材料的限制，存在非线性香农极限，限制了光纤通信系统容量的进一步提高。具有近似“空气/真空环境”的空芯光子晶体光纤是克服这些瓶颈的理想信息传输介质。它是利用微纳空气孔结构，通过光子带隙或反谐振、模式耦合抑制等效应将光约束在中空的纤芯中进行传导的一种光纤。自1999年第一根空芯光子带隙光纤问世以来，空芯光子晶体光纤得到快速发展，性能记录不断被打破，目前，传输损耗已经低至0.28db/km，而理论预测的空芯光纤的损耗极限在通信波段为～0.1db/km，比标准单模光纤的损耗极限0.14db/km还要低。多项理论和实验工作已经展示出空芯光子晶体光纤具备打破石英光纤自身的低非线性、低色散、低时延、低损耗、宽通信窗口、高激光损伤阈值等特性，它是具有颠覆性意义的下一代光纤技术。
3.空芯光子晶体光纤根据其传导机制可以分为空芯光子带隙光纤与空芯反谐振光纤。空芯光子带隙光纤是通过包层中具有周期性排列的空气孔结构形成光子带隙，使特定频率范围的光被限制在空气纤芯当中稳定传输。其结构特点使其具有限制损耗低、弯曲不敏感等优势，但其性能易受表面模式的影响，带隙中引入的表面模会使光纤的可用带宽极大的压缩，并且光子带隙光纤的导模特性对纤芯周边结构极为敏感，因而对拉制工艺的要求极高。空芯反谐振光纤相比光纤带隙光纤更加简单，可通过单层的数个负曲率的空气管包层实现，主要通过增强入射光在遇到包层薄壁时的反射，将光尽可能地束缚在纤芯中。当石英壁厚度满足谐振条件时，位于谐振频率附近的光会发生泄漏，而其他频率的光均可在纤芯中实现低损耗传输。其优点是结构简单、没有表面模、导光带宽宽，但其最大缺点是对弯曲极其敏感，泄露损耗大。这是由于反谐振光纤的包层存在较大的空气区域，使得光纤纤芯中的模式耦合到包层的空气区域中，并顺着反谐振管与外包层接触点泄露从而造成模式的高损耗。因此，充分利用两种光纤的优势，设计一种超低损耗、宽带传输、抗弯曲、简化制备工艺的空芯光子晶体光纤具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题：本发明的目的是解决空芯光纤难以同时实现超低损
耗、宽带传输、弯曲损耗小的问题，提出一种混合包层高性能空芯光子晶体光纤结构。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤，由基质材料、基质材料上周期排列的空气孔外包层和负曲率空气管内包层、纤芯区域、构成。包层区域由满足光子带隙效应导光的周期排列空气孔和满足反谐振效应导光的负曲率空气管共同组成。通过设置内包层负曲率空气管的壁厚与外包层空气孔的排列，使两种包层的低损耗导光区域重合，将光限制在纤芯中传输。内外混合包层结构的设计使该光纤结合了光子带隙光纤和反谐振光纤的优点。
7.所述的周期排列的空气孔外包层的层数大于两层，空气孔排布方式为三角形排布，圆化空气孔的直径与圆化空气孔的中心间距比值不小于0.92，中心的大空气孔是通过缺失若干层相应结构形成，能够通过光子带隙效应将光约束在中心的大空气孔中传导。
8.所述的负曲率空气管内包层包括但不限于圆形、椭圆形、u型中的一种负曲率结构，其数量为多个，壁厚设置为所需波段的反谐振厚度，能够通过反谐振效应将光约束在纤芯中传导。
9.所述满足光子带隙效应导光的空气孔外包层和满足反谐振效应导光的负曲率空气管内包层需有机结合，形成整个光纤的包层结构，并将光限制在纤芯中低损耗传输。
10.所述基质材料为能够拉制成光纤的材料，包括但不局限于：二氧化硅材料、聚合物材料、氟化物材料或硫系材料中的一种。
11.纤芯区域的大小与空气孔外包层中一个空气孔以及以它为中心的四层空气孔组成的区域的大小相当。
12.空气孔外包层和负曲率空气管内包层参数设定：λ、t要满足在所需导光波段内形成带隙并且带隙范围尽可能大，t要满足所需导光波段的反谐振厚度，d 应为纤芯直径的0.5-0.9倍；其中λ为空气孔外包层的圆化空气孔中心间距，d 为空气孔外包层的圆化空气孔直径，t为负曲率空气管内包层的空气管壁厚，d 为负曲率空气管内包层的空气管直径。
13.本发明的优点和积极效果：
14.本发明提出了一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤。本发明通过将带隙光纤的包层结构与反谐振光纤的包层结构结合使一根光纤同时实现两种导光机理的传输。本发明设计的新型空芯光纤结合了空芯带隙光纤和空芯反谐振光纤的优点，实现了超低损耗，宽带导光，弯曲损耗小等优点。
附图说明
15.图1为一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤的横截面示意图。
16.图2为一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤的横截面局部放大示意图。
17.图3为理论计算得到的图1所示结构的损耗光谱曲线。
18.图4为理论计算得到的图1混合包层光子晶体光纤(结构a)与相同纤芯大小的光子带隙光纤(结构b)的散射损耗光谱曲线对比。
19.图5为理论计算得到的图1所示的混合包层光子晶体光纤结构(结构a) 与相同纤芯大小的空芯反谐振光纤(结构c)的限制损耗光谱曲线对比。
20.图6为理论计算得到的不同弯曲下的图1所示的混合包层光子晶体光纤结构(结构
a)与相同纤芯大小的光子带隙光纤(结构b)和空芯反谐振光纤(结构c)的弯曲损耗曲线对比。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明加以详细说明，附图仅用于示例目的，而不限制本发明的适用范围。
22.实施例1
23.本实例中的一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤的横截面结构如图1所示，包层由基质材料1上周期三角排列的圆化六边形空气孔外包层2与六个按角向均匀分布的负曲率空气管内包层3构成，其中负曲率空气管内包层3 可为圆形、椭圆形、u型中的一种负曲率结构，本实施例采用圆形管内包层结构，内包层圆形管壁厚为所需要导光波长范围的反谐振厚度，空气孔外包层2 的圆化空气孔层数为4层，纤芯区域4的大小与空气孔外包层2中一个空气孔以及以它为中心的四层空气孔组成的区域的大小相当。
24.本实例中的一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤的横截面局部放大图如图2所示，在本实例中，各项参数被设定为λ＝5μm,d＝0.98λ,t＝ 400nm,d＝9.6μm。光纤基质材料为二氧化硅，折射率在1550nm为1.444。上述各项参数只是本发明最佳效果的实施例数值，其参数范围不限于上述数值。空气孔外包层和负曲率空气管内包层参数设定符合以下条件的，均可实现本发明的目的，并达到本发明的技术效果：λ、t要满足在所需导光波段内形成带隙并且带隙范围尽可能大，t要满足所需导光波段的反谐振厚度，d应为纤芯直径的0.5-0.9倍。
25.有限元方法是分析微结构光纤的有效数值方法，被业内广泛采用。运用有限元方法对上述实例结构进行建模、计算并分析，可以分析此光纤结构的特性。我们在1420nm～1800nm对实例所述光纤进行了计算，得到了此光纤基模在此波段内的损耗，如图3所示。在图3中，光纤的基模可以在1420nm～1780nm 这个波段内以极低的损耗传输，最低损耗可以达到0.1db/km，已经达到石英光纤本征损耗极限。
26.运用有限元方法对本实例中图1所示的混合包层光子晶体光纤(结构a)与相同纤芯大小的光子带隙光纤(结构b)和空芯反谐振光纤(结构c)的散射损耗和限制损耗进行了理论计算，并得到散射损耗和限制损耗对比曲线，如图4 和5所示。本发明提出的混合包层光子晶体光纤基模的限制损耗最低可达 0.0001db/km，而散射损耗一直维持在0.1db/km。由图4，5我们可知，本实例的混合包层光子晶体光纤很好的将带隙导光与反谐振导光结合起来。对于单纯反谐振包层导光来说，其限制损耗为主要因素，相同纤芯半径下的单环反谐振空芯光纤的限制损耗高达几db每千米(如图5的曲线所示)，而本实例的混合包层光子晶体光纤由于在反谐振包层外又加了光子带隙包层，从而极大地降低限制损耗。而对于光子带隙光纤来说，其散射损耗和表面模损耗为主要因素(如图4的实线所示，尖峰为各表面模引起的损耗)，相同纤芯半径下，本实例的混合包层光子晶体光纤比空芯光子带隙光纤的散射损耗要降低一个数量级，且不受表面模的影响，这主要由于混合包层光子晶体光纤内包层存在负曲率结构，使得纤芯的模式与纤芯附近的石英交叠变得更小，从而降低了由于纤芯壁的不均匀造成的散射损耗，同时也解决了带隙光纤中由于纤芯壁变厚而引入表面模从而影响可用带宽的问题。
27.最后运用有限元方法计算了本实例中混合包层光子晶体光纤结构的弯曲损耗特性，我们得到了在1550nm处不同弯曲半径下，相同纤芯尺寸的混合包层光子晶体光纤结构(结构a)、光子带隙光纤(结构b)和空芯反谐振光纤(结构c) 的弯曲损耗曲线，如图6所示。当弯曲半径小于7cm时，空芯反谐振光纤的损耗逐渐升高，同时计算发现当弯曲半径为2cm时，会出现一个损耗峰，通过对于模场观察，峰值的出现是由于纤芯模式耦合到反谐振环的空气孔模式，从而使损耗有一个较大的提高。而混合包层光子晶体光纤结构具有很好的抗弯性能，在弯曲半径在3.5cm以上，具有弯曲不敏感特性，在弯曲半径为2cm时也出现一个损耗峰，但是由于外包层的光子带隙限制，该弯曲半径下仍处于很低的损耗水平。
28.综上所述，本实例展示了一种基于混合包层的高性能空芯光子晶体光纤，该光纤由6个圆形管反谐振内包层与四层三角排布的空气孔光子带隙外包层构成。该光纤支持基模在1420nm～1800nm范围内低损耗传输，导光范围近乎等于整个光子带隙的范围，最低损耗达0.1db/km,同时弯曲半径3.5cm以上具有弯曲不敏感特性。
29.本示例所述仅为本发明使用情形的一例而已，内包层的反谐振结构不限于圆形管，构成光纤材料不受限于传统的二氧化硅材料，工作的波段也不限制于传统的通信波段，凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。