[发明专利]空芯光纤

说明书

一种反谐振空芯纤维，包括第一管状包层元件、多个第二管状元件和多个第三管状元件，第一管状包层元件界定了内部包层表面，多个第二管状元件附接至该包层表面并与其一起界定具有有效半径的芯，该第二管状元件被间隔布置，且该第二管状元件相邻之间具有间隔，及该多个第三管状元件中的每个都分别嵌套在一个相应的第二管状元件中。

本申请是以下申请的分案申请：申请日：2015年6月8日；申请号：201580042024.6；发明名称“空芯光纤”。

本发明涉及空芯光纤，特别是反谐振纤维，尤其是超低损耗纤维、宽带宽纤维、单模空芯纤维和高双折射(Hi-Bi)纤维。

空芯光纤已经被研究和发展了近八十年。理论上，这些纤维通过在空气而不是在固体材料中引导光线，能实现超低传播损耗和非线性，亦能提供比全固纤维中高得多的传播速度(即，缩短的延迟)和激光损伤阈值。然而，在实践中，还不能将损耗减少到与全玻璃纤维能实现的～0.15分贝/千米相当的水平，这已经妨碍了空芯技术的广泛应用。

有两种主要类型的单材料空芯纤维，它们建立在光子带隙引导(光子带隙纤维—PBGF)基础上，或者建立在反谐振引导(反谐振纤维—ARF，比如戈薇纤维、“负曲率”纤维、简化的反谐振纤维和六角形纤维)基础上。

光子带隙纤维(PBGF)提供最低的损耗(在1.62微米波长时衰减低至1.2分贝/千米—2005年第13期的《光学快递》第236页至第244页的Roberts等人所著的《空芯光子水晶纤维的超低损耗》)，但在窄带宽的范围内(中央波长的10-30％)，尽管反谐振纤维(ARF)提供了是光子带隙纤维(PBGF)2至10倍的带宽放大系数，但会有更高的直接损耗和更显著的弯曲敏感性。

在光子带隙纤维中，通过来自包层内的有序且适当尺寸的棒的阵列的反谐振实现引导。由于径向上棒的数量可按意愿地增加，泄漏或限制损耗可以达到任意地小。然而，棒需要通过细玻璃支柱互连，而细玻璃支柱在最佳的反谐振下无法运作。

因此，玻璃边界不能有效排斥电磁场，玻璃边界是固有地粗糙(至少在原子/分子级别)，这会产生表面散射，而表面散射是光子带隙纤维中损耗的主要根源。

相比之下，在反谐振纤维中，反谐振来自统一尺寸的玻璃支柱，这些玻璃支柱环绕限制空气中的光线的芯。由于支柱能有效地排斥光线，在反谐振纤维中，通常散射损耗可以忽略不计。然而，已经设计出来的排列无一能允许多层相关地反射趋于从芯中泄漏出来的光线。因此，在反谐振纤维中，主要是泄漏损耗。关于反谐振纤维的另一点是，形成在玻璃支柱之间交接处的节点的存在，尤其是这些节点具有不同和多种厚度，并在反谐振区域内引入杂散及光谱稠密的谐振，由此增加了损耗。

纤维已经发展到通过形成芯来解决这个问题，该芯被“负曲率”环绕，以使得节点被更远地推离空气引导模。

此外，还开发了一种纤维，能通过产生不接触管的栅格来完全去除不想要的节点(2013年第21卷《光学快递》，第9514页到第9519页，Kolyadin等人所著)。这种纤维的无节点管栅格包括硅环，硅环包括在包层表面处的八个反谐振元件，每个元件是不接触的关系，就制造的反谐振纤维而言，代表了当前最先进的技术，显示出光谱范围从2.5微米至5微米之间的传输波段，最小损耗水平是4至5分贝/米，分别地，光谱波段在5.8微米时平均损耗是30分贝/米，光谱波段在7.7微米时平均损耗是50分贝/米。

然而，在这种纤维中，限制损耗仍然比散射损耗高出很多。其原因在于，光限制是由仅仅一个玻璃支柱有效地产生，该玻璃支柱经由玻璃-空气边界处的两个菲涅尔反射方位角取向。

更近期的，出现了一种有节点的反谐振纤维(2014年第39卷《光学快报》第1853页至第1856页，Belardi等人所著)，这种反谐振纤维包括硅环，硅环包括在包层表面处的八个一级反谐振元件，每个元件是接触的关系，且在每个一级反谐振元件内嵌套入至少另一反谐振元件。