一种高双折射保偏单模空芯反谐振光纤

本发明涉及光纤，具体涉及一种高双折射保偏单模空芯反谐振光纤。

背景技术：

1、保偏光纤(pmf)能够有效防止两个正交偏振态在长距离传输过程中发生相互耦合，因此在多个领域中发挥着至关重要的作用。

2、2007年，couny等提出了空芯反谐振光纤(hc-arf，也称为抑制耦合hcf)。hc-arf已展现出多种优势，如宽传输带宽、高损伤阈值、纯空间模式、低背向散射和超低损耗。然而，要实现具有高双折射的保偏空芯反谐振光纤仍是具有很大挑战性的任务

3、为了推动hc-arf在保偏领域的应用，2015年，丁伟等提出了一种在hc-arf中引入高双折射的方法，通过调整正交方向上的壁厚，成功实现了约10-4的双折射。2022年，洪奕峰等制造成功了首根采用双厚度半圆管的保偏hc-arf，实现了9.1×10-5的相位双折射，然而hc-arf光纤偏振保持的能力还无法达到传统保偏光纤的水平。

4、在先申请cn118795591a，虽然公开了一种低损耗保偏空芯反谐振光纤，通过双厚度薄壁设计和结构简单的光纤嵌套包层管设计，使光纤具有保持偏振态的双折射，在c波段和l波段范围内双折射平均超过3×10-5，降低了两个偏振模式的传输损耗。然而，该专利的保偏效果仍然未能完全满足实际需求，并且未考虑高阶模的传输抑制，在单模传输方面存在显著缺陷。这主要体现在其结构虽然有助于降低损耗，但在保持高双折射和单模传输方面仍有待提升。

5、综上所述，尽管当前hc-arf在保偏领域取得了一定的进展，但仍存在诸多挑战和不足。特别是在实现高双折射保偏特性的同时，如何确保光纤的单模传输性能，成为当前亟待解决的关键问题。

6、因此，开发一种既具有高双折射又能实现单模传输的保偏hc-arf，对于推动光纤通信和相关领域的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明公开了一种具有高双折射的保偏单模空芯反谐振光纤，该光纤的结构包括从外向内依次排列的光纤外包层、多个相同结构的封闭腔以及空气纤芯。每个封闭腔由以下部分组成：最外层混合二氧化硅/硅管壁，其径向截面为第一直径的扇形或圆形；第二层二氧化硅管壁，其径向截面呈扇形或圆形，其直径为第二直径或第三直径；以及最内层二氧化硅壁，其径向截面为第四直径的圆形，包围着一个内部空间。该结构可保持hc-arf光纤的双折射在145nm的带宽范围内，保持大于3.2×10-4。同时在通信波段，两个正交偏振基模的限制损耗均低于1db/m，高阶模式消光比达到222，能实现低损耗的准单模传输。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种高双折射保偏单模空芯反谐振光纤，包括光纤外包层和空气纤芯，其特征在于：

4、在于所述光纤外包层和空气纤芯之间，沿慢轴方向设有第一封闭腔和第二封闭腔，沿快轴方向设有第三封闭腔和第四封闭腔，各封闭腔的径向截面为直径ds的扇形，且所述第一封闭腔和第二封闭腔之间间距、以及第三封闭腔和第四封闭腔之间间距均为dc；所述每个封闭腔由外至内均包括最外层管壁、中间层管壁和最内层管壁，所述最外层管壁材料为二氧化硅和硅混合，所述中间层管壁材料为二氧化硅，所述最内层管壁材料为二氧化硅；

5、优选地，所述第一封闭腔和第二封闭腔的最外层管壁的厚度均为t1+t3，该最外层管壁到光纤外包层的距离为s1，所述第三封闭腔和第四封闭腔的最外层管壁的厚度均为t2+t3，该最外层管壁到光纤外包层的距离为s2，其中，t1为所述第一封闭腔和第二封闭腔的最外层管壁中二氧化硅管壁的厚度，t2为所述第三封闭腔和第四封闭腔的最外层管壁中二氧化硅管壁的厚度，t3为最外层管壁中硅管的厚度，且t1≠t2；

6、优选地，所述第一封闭腔、第二封闭腔、第三封闭腔和第四封闭腔的中间层管壁的厚度均为t4，所述第一封闭腔和第四封闭腔中间层管壁的径向截面为直径das1的扇形，所述第二封闭腔和第三封闭腔中间层管壁的径向截面为直径das2的扇形，且das1≠das2；

7、优选地，所述第一封闭腔、第二封闭腔、第三封闭腔和第四封闭腔的最内层管壁的的厚度均为t4，且该最内层管壁的径向截面为直径dac的圆。

8、优选地，所述第一封闭腔和第四封闭腔最外层管壁到中间层管壁的距离均为z1，所述第二封闭腔和所述第三封闭腔最外层管壁到中间层管壁的距离均为z2；为满足光纤单模传输条件，两者取不同的值，即z1≠z2。

9、优选地，所述第一封闭腔和第四封闭腔最外层管壁到中间层管壁的距离均为z1和扇形直径das1满足：das1＝das-z1；所述第二封闭腔和第三封闭腔最外层管壁到中间层管壁的距离均为z2和扇形直径das2满足das2＝das-z2。

10、

11、优选地，所述硅层厚度t3取值范围为0.02～0.04μm，t4遵循反谐振波导振波导条件：

12、

13、其中，λ为c波段工作波长，n1表示二氧化硅的折射率，n0表示空气的折射率，m为正整数，m的取值范围为1，2，...。λ＝1.15um，m＝2时，可得t4＝1.15μm。

14、优选地，所述的高双折射保偏单模空芯反谐振光纤，其特征在于，t1和t2分别在与工作波长所在的通带相邻的两个阻带内遵循谐振波导条件：

15、

16、当λ＝1.55um时，两个相邻阻带的波长范围为1.445-1.480um和1.787–1.820um，t1取值范围1.38-1.42um，t2取值范围0.93-0.95um。

17、本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

18、1.本发明通过在正交方向上引入双层厚度的混合二氧化硅/硅管壁，破坏包层模式的简并。在145nm的宽带(1.510μm至1.655μm)内，光纤结构能够稳定保持超过3.2×10-4的高双折射值。

19、2.本文使用非二重旋转对称嵌套管结构，将大部分光能量限制在空气纤芯中，有效避免了传统实芯光纤中基体材料吸收导致的高损耗问题。由于空气对光的吸收几乎为零，因此这种结构能够极大降低传输过程中的材料吸收损耗，同时也抑制了光的泄漏。在95nm带宽范围内，两个正交偏振基模的限制损耗均低于1db/m，且在1.554μm处，y偏振基模的限制损耗仅为0.004db/m。

20、3.封闭腔的设计通过精细调控其形状和尺寸，实现了对高阶模的抑制。该光纤结构在1.55μm时，高阶模式消光比达到222，并在80nm带宽内(1.526μm至1.606μm)保持良好的稳定性，确保了纯单模传输的实现。

21、4.本发明的空芯反谐振光纤通过精心设计的光纤结构和封闭腔排列方式，有效维持了光波在传输过程中的偏振状态。这种保偏性能对于需要高精度偏振控制的应用场景(如相干光纤通信、光纤陀螺等)至关重要。保偏光纤能够减少光信号在传输过程中的偏振串扰和偏振模式色散，提高系统的整体性能。

22、5.低损耗特性意味着光信号在光纤中的衰减减小，从而提高了光信号的传输效率。这使得该光纤特别适用于需要长距离传输的应用场景，如光纤通信、光纤传感等领域。在高功率激光传输应用中，低损耗特性也有助于减少激光损伤和波长转换效应，提高激光传输的稳定性和可靠性。

23、6.本发明的光纤结构具有一定的灵活性和可扩展性，通过调整封闭腔的数量、形状和尺寸等参数，可以进一步优化光纤的性能，满足不同应用场景的需求。这种灵活性还体现在光纤的制备工艺上，通过先进的微结构加工技术，可以实现光纤的批量化生产和定制化设计。