一种芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤

1.本发明属于光通信与激光光电子技术领域，具体涉及一种具有高双折射特性的空芯保偏光纤。


背景技术：

2.近年来，保偏光纤在互联网、激光系统、传感系统、工业加工及医疗等领域所起作用越来越大，但依赖全反射导光机制的传统保偏光纤，受制于应力元及纤芯高折射率材料色散、非线性、材料吸收等方面的本征缺陷限制，较之空芯光纤，显现出很多应用劣势。通过微结构设计引入高双折射，空芯保偏光纤正表现出越来越旺盛的发展势头。
3.2018年北京航空航天大学徐小斌等人申请号为201810831581.1的中国专利公开一种基于隔离反谐振层的空芯光子带隙光纤，在19胞的空芯光子带隙光纤纤芯中引入隔离反谐振层，利用反谐振和光子带隙效应来抑制扩散降低传输损耗，但其隔离层纤芯仍具有六重对称性，并没有通过改变纤芯形状来降低纤芯对称性引入双折射实现保偏性能。已报道的空芯保偏光纤主要分为两种结构，一种是保偏空芯光子带隙光纤，另一种是保偏空芯反谐振光纤。2020年中国科学院上海光机所hongbo cai等人发表在optical fiber technology杂志第55卷2期题目为thin
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diameter polarization maintaining hollow
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core photonic bandgap fiber for fiber optic gyroscope的文章，公开一种芯区为4胞和9胞的椭圆芯保偏光子带隙光纤，是利用本身为椭圆形状的光子带隙光纤纤芯来降低纤芯对称性引入双折射实现保偏功能，但其纤芯内壁并没有引入其他结构设计来进一步提高保偏性能。2020年暨南大学汪滢莹等人在中国专利申请号为202010425227.6中公开一种保偏空芯反谐振光纤，是通过对反谐振光纤纤芯内部原有的四个负曲率反谐振层壁厚差异的改造来引入双折射进行保偏，双折射仅为10
‑4量级，保偏性能不高，且因空芯反谐振光纤弯曲应用损耗快速增加的劣势，难以实现实际应用。
4.本发明芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤，采用在光子带隙包层中纤芯区上下壁各添加一个弧形对称薄壁的不对称结构，有效降低纤芯结构的对称性，引入的双折射高，可实现良好的保偏性能。本结构双折射可达10
‑3量级，目前有关双折射能达到此量级的空芯光纤鲜有报道。
5.本发明芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤，双折射是由在光子带隙包层中纤芯区引入结构的不对称所引起，对弯曲、温度、磁场、辐射等敏感性低，可广泛应用于各种领域，能满足小型化、对环境适应性强等应用要求。
6.本发明芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤，同时还具备传输损耗低等优良特性。对空芯保偏光纤应用及技术发展，具有重要的推动作用。


技术实现要素：

7.本发明为克服保偏空芯光子带隙光纤双折射低、保偏空芯反谐振光纤弯曲应用传输损耗高等问题，所提供的技术解决方案如下：
8.一种芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤，其结构由芯区和包层区组成；所述包层区在以结构中心为原点建立的平面直角坐标系中，由高纯石英玻璃、软玻璃或聚合物等高折射率基质材料形成的正六角形小孔沿x轴方向排成行，再沿y轴方向多行排列，形成正六角形小孔按照空间密接正三角形均匀排布方式组成的包层区，去除位于坐标轴原点的正六角形小孔及其周围密接第一圈6个正六角形小孔，并去除第二圈正六角形小孔向原点凸出部分，形成近似圆形的芯区；所述芯区被加上两个高纯石英玻璃、软玻璃或聚合物等高折射率基质材料形成的负曲率弧形对称薄壁，高折射率基质材料形成的负曲率弧形对称薄壁为椭圆的一部分，两个高折射率基质材料形成的负曲率弧形对称薄壁以x轴为对称内接于芯区内壁，通过纤芯内部弧形对称薄壁不对称结构来引入高双折射；正六角形小孔和芯区中为空气、真空、气体或液体。
9.所述包层区由高折射率基质材料形成的正六角形小孔直径为正六角形小孔内切圆直径，且正六角形小孔为具有内圆化外六边形形状，倒圆角直径d1与正六角形小孔直径d之比为0.4～0.6。
10.所述包层区由高折射率基质材料形成的相邻正六角形小孔中心间距λ为4.1～4.6μm。
11.所述包层区由高折射率基质材料形成的正六角形小孔直径d与相邻正六角形小孔中心间距λ之比为0.96～0.98。
12.所述芯区两个高折射率基质材料形成的负曲率弧形对称薄壁为椭圆的一部分，椭圆长轴a为10～12μm，椭圆长短轴之比为5～10。
13.所述芯区两个高折射率基质材料形成的负曲率弧形对称薄壁厚度t为0.2～0.7μm。
14.所述芯区两个高折射率基质材料形成的负曲率弧形对称薄壁y轴方向最近间距为3.5～4.5μm。
15.本申请提出一种芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤，纤芯中的弧形薄壁不仅降低了其结构对称性，提高了双折射，能实现高保偏性能，而且增强了对光的限制，降低了传输损耗。同时，包层的带隙结构也能有效的降低限制损耗，尤其是弯曲应用时更显优势。具有这种优良传输性能的空芯保偏光纤，在激光传输、光通信和传感领域，尤其是对光纤陀螺应用意义重大。
附图说明
16.图1为一种芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤端面结构示意图。
17.图2为本发明第一实施例中光纤双折射性能与弧形对称薄壁壁厚关系的示意图。
18.图3为本发明第一实施例中光纤双折射性能与弧形对称薄壁曲率关系的示意图。
19.图4为本发明第二实施例中光纤双折射性能与弧形对称薄壁壁厚关系的示意图。
20.附图标号
21.1—芯区，2—正六角形小孔，3—高折射率基质材料形成的负曲率弧形对称薄壁，4—高折射率基质材料，5—包层区。
具体实施方式
22.为更详细地说明本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。此处所描述的具体实施例用于解释本发明，但不用于限制本发明范围。
23.实施例一：
24.图1为本发明实施例一的一种芯区具有弧形对称薄壁不对称结构的空芯保偏光纤端面结构示意图。包括高折射率基质材料4、高折射率基质材料4形成的正六角形小孔2、高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3，芯区1和包层区5。高折射率基质材料4为高纯石英玻璃，高纯石英玻璃折射率n＝1.444。所述包层区5在以结构中心为原点建立的平面直角坐标系中，由高折射率基质材料4形成的正六角形小孔2沿x轴方向排成行，再沿y轴方向多行排列，形成正六角形小孔2按照空间密接正三角形均匀排布方式组成的包层区5，去除位于坐标轴原点的正六角形小孔2及其周围密接第一圈6个正六角形小孔2，并去除第二圈正六角形小孔2向原点凸出部分，形成近似圆形的芯区1；所述芯区1被加上两个高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3，高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3为椭圆的一部分，两个高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3以x轴为对称内接于芯区1内壁，通过纤芯内部负曲率弧形对称薄壁3不对称结构来引入高双折射；正六角形小孔2和芯区1中为空气。
25.所述包层区5由高折射率基质材料4形成的正六角形小孔2直径为正六角形小孔2内切圆直径，且正六角形小孔2为具有内圆化外六边形形状，圆角曲率直径d1＝1.9μm，d1与正六角形小孔2直径d之比为0.47。
26.所述包层区5由高折射率基质材料4形成的相邻正六角形小孔2中心间距λ为4.15μm。
27.所述包层区5由高折射率基质材料4形成的正六角形小孔2直径d与相邻正六角形小孔2中心间距λ之比为0.975。
28.所述芯区1两个高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3为椭圆的一部分，椭圆长轴a为10～11μm，椭圆长短轴之比为5～10。
29.所述芯区1两个高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3厚度t为0.55μm。
30.所述芯区1两个高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3的y轴方向最近间距为3.5～4.5μm。
31.所述芯区1中纤芯壁外正六角形小孔的圆角曲率直径d2＝0.83μm，纤芯壁内圆角曲率直径d3＝3.94μm，纤芯壁归一化厚度t＝0.5。
32.图2为本发明第一实施例中光纤双折射值与负曲率弧形对称薄壁壁厚关系的示意图。传输光波长1550nm，当负曲率弧形对称薄壁厚度t约处于0.55μm，可得到最高双折射值，为3.5
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10
‑3量级。
33.图3为本发明第一实施例中光纤双折射值与负曲率弧形对称薄壁曲率关系的示意图。随着负曲率弧形对称薄壁曲率k的提高，双折射值起初随之增大；在负曲率弧形对称薄壁曲率k到达0.15附近时，双折射值会有一个峰，双折射峰值为3.4
×
10
‑3；随着负曲率弧形对称薄壁曲率k继续增大，到达0.22附近时，双折射值变化趋于平缓；再继续提高负曲率弧形对称薄壁曲率k的话，纤芯可导光区域急剧减小，将无法很好的限制光再空芯中传输。
34.实施例二：
35.本发明第二实施例的光纤端面示意图仍为图一所示，但结构参数与第一实施例不同。
36.所述包层区5由高折射率基质材料4形成的正六角形小孔2直径为正六角形小孔2内切圆直径，且正六角形小孔2为具有内圆化外六边形形状，圆角曲率直径d1＝2.12μm，d1与正六角形小孔2直径d之比为0.46。
37.所述包层区5由高折射率基质材料4形成的相邻正六角形小孔2中心间距λ为4.6μm。
38.所述包层区5由高折射率基质材料4形成的正六角形小孔2直径d与相邻正六角形小孔2中心间距λ之比为0.98。
39.所述芯区1两个高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3为椭圆的一部分，椭圆长轴a为11～12μm，椭圆长短轴之比为4～5。
40.所述芯区1两个高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3厚度t为0.57μm。
41.所述芯区1两个高折射率基质材料4形成的负曲率弧形对称薄壁3的y轴方向最近间距为3.5～4.5μm。
42.所述芯区1中纤芯壁外正六角形小孔的圆角曲率直径d2＝1.49μm，纤芯壁内圆角曲率直径d3＝4.28μm，纤芯壁归一化厚度t＝0.5。
43.图4为本发明第二实施例中光纤双折射值与负曲率弧形对称薄壁壁厚关系的示意图。传输光波长1550nm，当负曲率弧形对称薄壁厚度t约处于0.57μm，可得到最高双折射值，为3.6
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10
‑3量级。
44.应当理解的是，对本领域的技术人员来说，可以根据以上说明进行改进和变换，而所有的改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。