降低空芯反谐振光纤限制损耗和弯曲损耗的方法、空芯反谐振光纤及应用

本发明主要涉及到空芯反谐振光纤及应用，尤其是一种降低空芯反谐振光纤限制损耗和弯曲损耗的方法、空芯反谐振光纤及应用。

背景技术：

1、光纤的泛用性取决于其能否兼具超低传输损耗、低弯曲损耗与宽导光通带的光学特性，这对其能否广泛投入基于光纤的光通信、激光器系统、干涉型传感系统、光谱分析等应用具有重要意义。在未来超高速率、超大容量和超长距离的光纤传输系统中，超低损耗光纤将发挥不可或缺的作用。空芯反谐振光纤作为光纤光学发展的前沿产物之一，其中空区域导光所带来的低非线性、低色散、高光致损伤阈值以及可进行灵活填充的优秀特性已被多方向研究领域所青睐。

2、目前空芯反谐振光纤在短距离、中距离以及长距传输的光纤系统、通信系统中均有广泛的应用。如在短距离应用方面，空芯反谐振光纤为光与气体分子间的相互作用提供了一个近乎理想的环境，大大促进了光纤气体激光器的发展。空芯反谐振光纤纤芯区域可以填充不同的气体增益介质，产生的激光波段范围十分丰富，相较于掺杂实芯光纤的激光器，基于空芯反谐振光纤的激光器能够有效地产生更长波段的中红外激光输出。同时，空芯反谐振光纤可以有效地将光约束在微米尺度的纤芯中，具有极高的泵浦强度，同时提供非常长的光与物质的相互作用距离，可大大降低激光阈值，提高转换效率。空芯反谐振光纤是光纤气体拉曼激光光源的核心部件，为气体受激拉曼散射提供了理想的环境，其性能参数对激光输出特性起着决定性的影响：空芯反谐振光纤的传输带范围影响拉曼激光的输出波长，传输损耗影响拉曼激光转化效率，纤芯直径影响拉曼阈值，损伤阈值影响气体拉曼的极限功率，抗弯曲能力影响泵浦效率和激光源系统的体积。

3、而在中距离应用方面，空芯反谐振光纤将光波约束在空芯中传播，具有低非线性、低散射、低色散、低损耗、低延迟等优异特性，有望突破传统实芯光纤敏感环中存在的背向散射、faraday效应、kerr效应及shupe效应等，所导致的非互易噪声对光纤陀螺精度及长期稳定性的影响，成为新一代高精度光纤陀螺研究的一个热点方向。空芯反谐振光纤的弯曲特性对于高精度小型化光纤陀螺的应用至关重要，光纤的弯曲损耗是决定其能否真正应用到光纤陀螺的一个核心指标。目前虽然空芯反谐振光纤的传输损耗已经降到比传统单模光纤还要低的水平，但其可用弯曲半径很难达到5cm以下，在小的弯曲半径下，弯曲损耗将急剧增加，难以满足高精度小型化光纤陀螺的实际应用需求。

4、另外在长距离应用方面，目前通信用g.652.d单模光纤(smf)的通信容量已经得到了充分地挖掘，各种新型的复用技术、调制技术及数字信号处理技术的运用，极大的提升了光纤通信的容量。第五代移动通信技术(5g)正以超出想象的速度快速发展，通信容量逐渐逼近香农极限，如何突破光纤通信系统的容量危机，已成为通信领域的重要课题。光纤在提升光纤通信系统容量中扮演着重要而关键的角色，而传统实芯光纤技术开发演进的超低损耗光纤、超大有效面积光纤以及空分复用技术，包括多芯复用和模分复用等技术难以实现数量级容量的提升。而空芯反谐振光纤与传统光纤相比具有几个明显的光学性能优势：超低的克尔非线性(比常规smf低3～4个数量级)、更快的激光传播速度(比实芯smf快50％)和较低的色散，更重要的是，空芯反谐振光纤具有远大于smf的可利用通信带宽，并且不受信道间受激拉曼散射和四波混频等非线性效应的影响。空芯反谐振光纤具备优于传统光纤的低损耗特性、潜在的超宽带特性和通信容量优势。因此，空芯反谐振光纤在长距离超大容量通信方面具有较好的潜在应用前景。但是如何降低空芯反谐振光纤的限制损耗和弯曲损耗仍然是空芯反谐振光纤在长距离超大容量通信应用中亟需解决的技术难题。

5、限制损耗是指光场泄漏到光纤包层中所造成的能量损失。尽管空芯反谐振光纤依靠反谐振反射原理和模式抑制耦合原理相结合的方式将光限制在空气纤芯中传输，但依然会有一部份光会通过管间隙或透过管壁泄漏到包层中，限制损耗在迄今主流的空芯反谐振光纤损耗组成中占据主导地位。目前降空芯反谐振光纤的限制损耗的方法有增大空芯反谐振光纤纤芯尺寸和增加嵌套管的数量。对于增大空芯反谐振光纤纤芯尺寸虽然可以降低空芯反谐振光纤的限制损耗，但随之而来的是弯曲损耗的大幅增加，导致空芯反谐振光纤的总损耗并不会降低反倒呈现大幅上升的趋势。另一种方法是增加嵌套管的数量，从单圈到单层嵌套管再到双层嵌套管都可实现数量级的限制损耗降低，目前双层嵌套的空芯反谐振光纤最低可实现0.174db/km的超低损耗，但工艺制备难度较大，且继续增加层数的制备难度大幅增加。

6、在空芯反谐振光纤设计中一种降低光纤弯曲损耗的方法是：减小内包管直径，增加内包管数量，可在一定程度上优化空芯反谐振光纤的弯曲损耗。当内包管直径越小时，对弯曲损耗的抑制越好，特别是(内包管直径/纤芯直径)小于0.5时。但随着内包管数量的增多，内包管直径相应的减小，光纤限制损耗和模式纯度就会呈现出劣化的现象。

7、另一种降低空芯反谐振光纤弯曲损耗的方法是：在空芯反谐振光纤设计过程中减小光纤的纤芯直径。但此方法的缺点是减小光纤的纤芯直径会使其限制损耗出现明显增加，无法做到弯曲损耗和限制损耗的同时降低。

8、基于目前主流的空芯反谐振光纤降低弯曲损耗的方法，虽然都能够在一定程度上降低弯曲损耗，但是在降低弯曲损耗的同时会带来限制损耗的抬升或模式纯度的劣化，都是在降低光纤弯曲敏感性的同时也劣化了光纤的其他性能。如何在降低空芯反谐振光纤弯曲损耗的同时不影响光纤其它方面的性能，是空芯反谐振光纤设计、应用领域亟需解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种降低空芯反谐振光纤限制损耗和弯曲损耗的方法、空芯反谐振光纤及应用。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种降低空芯反谐振光纤限制损耗和弯曲损耗的方法，所述空芯反谐振光纤包括外包层、内包区以及空芯纤芯区，所述靠近空芯纤芯区的内包区内设置有管状结构的内包管，通过提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值，空芯纤芯区的基模有效折射率大于内包管内各模式的有效折射率，能够降低纤芯模式与内包层模式相互作用从而实现空芯反谐振光纤的限制损耗和弯曲损耗的降低。

4、进一步地，提供一种提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值的方法：通过向空芯纤芯区内充入第一折射率气体，内包管内填充第二折射率气体，其中第一折射率气体的折射率大于第二折射率气体的折射率，以提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值。如，第二折射率气体为空气，第一折射率气体为折射率大于空气的任一种高折射率气体。

5、进一步地，提供一种提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值的方法：通过向空芯纤芯区内充入第三折射率气体，并对内包管内抽真空，以提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值。第三折射率气体包括但不限于空气。

6、进一步地，提供一种提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值的方法：通过对内包管内和空芯纤芯区内充入同一种气体，但要求空芯纤芯区内的气压高于内包管内气压，以提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值。空芯纤芯区内的气压与内包管内气压之间的差值越大，空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值越大，空芯反谐振光纤的限制损耗和弯曲损耗降低效果越好。

7、进一步地，提供一种提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值的方法：通过对空芯纤芯区充入第一液体，内包管内填充折射率低于所述第一液体折射率的气体，以提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值。

8、进一步地，提供一种提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值的方法：通过对空芯纤芯区充入第一液体，内包管内填充折射率低于所述第一液体折射率的第二液体，以提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值。

9、进一步地，提供一种提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值的方法：通过对空芯纤芯区充入第一液体，内包管内抽真空，以提升空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值。

10、另一方面，本发明提供一种空芯反谐振光纤，包括外包层、内包区以及空芯纤芯区，所述靠近空芯纤芯区的内包区内设置有管状结构的内包管，空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管各模式的有效折射率之间具有差值，其中空芯纤芯区的基模有效折射率大于内包管内各模式的有效折射率，空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值越大，空芯反谐振光纤的限制损耗和弯曲损耗越低。

11、进一步地，所述空芯反谐振光纤的空芯纤芯区内充有第一折射率气体，所述内包管内填充第二折射率气体，其中第一折射率气体的折射率大于第二折射率气体的折射率；

12、或者，所述空芯纤芯区内充入第三折射率气体，所述内包管内抽真空；

13、或者，所述内包管内和所述空芯纤芯区充入同一种气体，且所述空芯纤芯区内的气压高于内包管内的气压，空芯纤芯区内的气压与内包管内气压之间的差值越大，空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值越大；

14、或者，所述空芯纤芯区内充入第一液体，所述内包管内填充折射率低于所述第一液体折射率的气体或者内包管内填充折射率低于所述第一液体折射率的第二液体或者内包管内抽真空。

15、另一方面，本发明提出上述任一种空芯反谐振光纤在光纤气体激光器中的应用。

16、另一方面，本发明提出上述任一种空芯反谐振光纤在波分复用通信系统中的应用。

17、另一方面，本发明提出上述任一种空芯反谐振光纤在光纤陀螺中的应用。

18、空芯微结构光纤的弯曲损耗是决定其能否实现光纤气体激光器小型化的一个核心指标、能否真正应用到光纤陀螺的一个核心指标，空芯反谐振光纤的限制损耗是决定其能否真正应用到长距离超大容量通信方面的一个核心指标。空芯微结构光纤的传输特性及弯曲特性对于长距离超大容量的光纤通信、光纤气体激光器小型化发展和高精度小型化光纤陀螺的应用至关重要。如前所述，空芯反谐振光纤降低限制损耗的方法，其中增大纤芯直径会在减小限制损耗的同时会大幅提升微弯损耗，致使总损耗不降反增，通过增加嵌套管数量可有效降低光纤限制损耗，但制备工艺难度大；空芯反谐振光纤降低弯曲损耗的方法，不论是增大管环之间的间距，还是减小光纤的纤芯直径都会导致在降低弯曲损耗的同时抬升其限制损耗。相比现有技术，本发明的技术效果：

19、本发明技术方案为提升空芯反谐振光纤中空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值，能够同时有效降低光纤的弯曲损耗及限制损耗。与其他降低光纤弯曲损耗和降低光纤限制损耗的方法相比，此发明方案能够同时做到光纤弯曲损耗和限制损耗的同时降低，并且此方案不拘泥于一种光纤，可结合目前已有的各种结构的空芯反谐振光纤皆具有同样的效果。

20、本发明提出通过选择性填充技术提升空芯反谐振光纤中空芯纤芯区的基模有效折射率与内包管内各模式的有效折射率之间的差值可以有效降低光纤弯曲敏感性并且还能够在一定程度上降低光纤的限制损耗增大带宽，提高抗环境干扰能力，如可通过向空芯纤芯区选择性充气实现，并且在空芯纤芯区中选择性充气可通过二次截断法、激光打孔法、显微放大法等方法实现气体的选择性填充。因此，此方法具有实际可行性。