[发明专利]一种兼具单模传输和低弯曲损耗特性的反谐振光纤

说明书

本发明公开了一种兼具单模传输和低弯曲损耗特性的反谐振光纤，属于光学与激光光电子技术领域。该光纤通过特殊的包层结构设计，大大降低了光纤的弯曲损耗同时改善了光纤单模传输特性。本发明的光纤相比于传统全内反射型和对称型空芯反谐振光纤，具有低弯曲损耗、准单模传输、宽传输光谱、低色散、高损伤阈值等优点。仿真与实验证明，与传统对称型反谐振光纤相比，在小弯曲半径下其弯曲损耗降低一个数量级。同时仿真与CCD成像也证明其具有较好的准单模传输特性。本发明在光纤传感、光纤气体激光器和大功率超短脉冲激光传输中有着巨大应用前景。

技术领域：

本发明属于光通信与激光光电子技术领域，具体涉及一种兼具低弯曲损耗特性和准单模传输特性的反谐振光纤。

背景技术

光纤技术在通信、激光、非线性、传感、量子、生物等多个领域发挥着关键作用，大大推动了人类社会的进步。然而随着时代发展，传统实芯光纤的低损伤阈值、紫外-红外波段无法导光、高非线性等本征缺陷逐渐显现。空芯光子晶体光纤在长距离柔性链路中为光波创造了一个类似于自由空间的低色散、低非线性、低时间延迟和低损耗的理想光学传输环境，因此具有很多传统实芯光纤所不具备的优点，因此在激光传输、光通信和传感领域具有重要的应用价值。

目前空芯光子晶体光纤主要分为带隙和反谐振光纤。相比于空芯带隙光纤，空芯反谐振光纤(Hollow-Core Anti-Resonant Fiber,HC-ARF)具有更宽的传输光谱、更高的激光损伤阈值和更低的传输损耗等优点，是目前国际研究的热点。传统单圈无节点型HC-ARF对弯曲非常敏感，存在较大的弯曲损耗，大大限制了实际应用。例如2016年德国马克斯普朗克研究所的Uebel等在Optics Letter杂志第41卷9期1961-1964页题目为Broadbandrobustly single-mode hollow-core PCF by resonant filtering of higher-ordermodes的文章中公开了一款具有6个包层孔的对称型空芯反谐振光纤其具有较好的单模传输特性，但是却极不耐弯曲，仅在1.5μm波长处弯曲半径在12cm时就出现了弯曲损耗峰，此时弯曲损耗高达数百dB/km。虽然存在减小包层尺寸降低弯曲损耗的方法，但此方法同时也会降低模式传输质量。例如2014年巴斯大学的Belardi等在Optics Express杂志第22卷8期题目为Hollow antiresonant fibers with low bending loss的文章中公开了一款具有10个包层孔的空芯反谐振光纤，此光纤具有较低的弯曲损耗，在3.35μm波长处弯曲半径减小到2.5cm仍未发现有弯曲损耗峰的出现。但小包层直径的设计使光纤同时允许多种高阶模的传输，模式质量变差，同时光纤也具有较高的传输损耗。多谐振层的HC-ARF虽然能在一定程度上减小弯曲损耗，例如2014年南安普顿大学的Poletti在Optics Express杂志第22卷20期题目为Nested antiresonant nodeless hollow core fiber的文章中公开了提出了嵌套管型多谐振层HC-ARF能大大降低弯曲损耗，但此类光纤有着复杂的工艺和较大的拉制难度，大大增加了成本，多层结构也会增加包层与光场的重合面积，降低了光纤的损伤阈值。因此，目前需要一种能同时具有准单模传输、低弯曲损耗、结构简单和制备效率高的HC-ARF。

本发明的偏芯空芯反谐振光纤，采用内包层左右区域折射率不同的偏芯结构，通过内包层薄壁环直径和谐振层的设计，大大减少了弯曲状况下纤芯基模与包层模式耦合产生的能量泄露，能够大幅降低光纤弯曲损耗。

同时，偏芯空芯反谐振光纤的偏芯结构，能实现多种高阶模与包层基模模式的耦合，实现较大的高阶模抑制比，使光纤保持较好的准单模传输特性。因此解决了现有技术中无法同时保证低弯曲损耗和准单模传输的问题。

本发明的偏芯空芯反谐振光纤，在保持低弯曲损耗的同时，减少了谐振层的使用，增加了光纤损伤阈值，结构更加简单，降低了制作难度和拉制成本。

发明内容

本发明提供了克服上述问题或者至少部分的解决上述问题的一种偏芯结构的空芯反谐振光纤，本发明的技术解决方案如下：