一種用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋豆饫w的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋豆饫w，橫截面為圓形，沿半徑由內(nèi)向外方向依次包括中空纖芯、多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層、保護(hù)層；多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層由含不同周期的介質(zhì)層組構(gòu)成；介質(zhì)層組由三元結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，一個(gè)三元結(jié)構(gòu)單元為一個(gè)三元結(jié)構(gòu)周期；本實(shí)用新型所提出的空芯光子帶隙光纖設(shè)計(jì)，在拓展光子帶隙寬度的同時(shí)，可以更有效地降低傳輸損耗。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋?隙光纖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋豆?纖，屬于光纖【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]3-5微米中紅外波段是重要的大氣透射窗口，并且由于該波段涵蓋了大量氣體分 子的基頻吸收帶且反映氣體分子的指紋特征，因此3-5微米中紅外激光在紅外對(duì)抗與制 導(dǎo)、空間光通信、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制和醫(yī)療診斷等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。隨著 各種類(lèi)型的3-5微米中紅外寬帶可調(diào)諧激光源的成功研制，選擇優(yōu)良的在線傳輸介質(zhì)以實(shí) 現(xiàn)該波段激光寬帶低損耗傳輸就顯得尤為迫切?；谌瓷湓淼氖⒐饫w在近紅外光通 信波段的成功運(yùn)用，證明光纖型波導(dǎo)是激光信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)良介質(zhì)，但是受纖芯材料損耗限 制，石英光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)中紅外波段激光的長(zhǎng)距離低損耗傳輸。為此，對(duì)中紅外光波呈低吸收 損耗的氟化物、硫化物和碲化物玻璃相繼被用來(lái)拉制中紅外激光傳輸光纖。雖然制備材料 不同，但由于這類(lèi)光纖均是利用全反射原理將光波限制在高折射率固體纖芯中傳輸，因此 仍會(huì)不可避免地受到纖芯材料各種損耗、色散和非線性效應(yīng)等影響。為解決這些問(wèn)題，研究 人員相繼設(shè)計(jì)并制備了不同類(lèi)型的空芯光纖型波導(dǎo)，其中基于一維光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光新機(jī) 制的空芯布拉格光纖因其新穎的導(dǎo)波機(jī)制日益受到關(guān)注。這種光纖的一維光子晶體結(jié)構(gòu)由 折射率呈周期性變化的多層電介質(zhì)層構(gòu)成，從而可將光波限制在中空纖芯中沿光纖軸向傳 輸。由于利用光子帶隙效應(yīng)，電介質(zhì)包層可以將一定頻率范圍(全向反射光子帶隙)內(nèi)、具有 任意入射方向和任意偏振態(tài)的光波限制在低折射率的中空纖芯中傳輸，故又稱(chēng)為全向?qū)Р?光纖。與采用二維光子帶隙效應(yīng)傳輸機(jī)制的空芯光子晶體光纖相比，空芯布拉格光纖由于 采用一維周期性結(jié)構(gòu)，只需改變各電介質(zhì)包層的厚度和折射率，即可實(shí)現(xiàn)光子帶隙和模式 傳輸特性的調(diào)控，同時(shí)制備難度也相對(duì)降低。盡管空芯布拉格光纖具有寬光譜和寬角度帶 隙特性，本身更易于實(shí)現(xiàn)光波寬帶傳輸，但是現(xiàn)有的常規(guī)布拉格光纖的傳輸帶寬仍然相對(duì) 有限。雖然目前存在一些可拓展傳輸帶寬的空芯布拉格光纖設(shè)計(jì)，但是這些光纖或結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，難于制備，或低損耗傳輸窗口不連續(xù)，或模式傳輸損耗較大，不利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離低損耗 傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型為了解決上述3-5微米波段光波缺乏優(yōu)良寬帶低損耗傳輸介質(zhì)問(wèn)題， 提供了一種用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋豆饫w。
[0004]本實(shí)用新型是通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳 輸?shù)目招竟庾訋豆饫w，橫截面為圓形，沿半徑方向由內(nèi)向外依次包括中空纖芯、多層介質(zhì) 結(jié)構(gòu)包層、保護(hù)層；所述的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層由1-4組介質(zhì)層組構(gòu)成；所述的介質(zhì)層組由 5-20個(gè)三元結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成,一個(gè)三元結(jié)構(gòu)單元為一個(gè)三元結(jié)構(gòu)周期；所述的三元結(jié)構(gòu)單元由厚度相等的在3-5微米波段內(nèi)折射率為2.74的硒化砷(As2Se3)構(gòu)成的外層介質(zhì)層和內(nèi)層 介質(zhì)層、以及位于它們之間的在3-5微米波段內(nèi)折射率為1.62的聚醚酰亞胺(PEI)材料構(gòu) 成的中層介質(zhì)層組成，外層介質(zhì)層和內(nèi)層介質(zhì)層的厚度之和與中層介質(zhì)層的厚度滿足近掠 入射條件下的四分之一波條件，中層介質(zhì)層的折射率低于外層介質(zhì)層和內(nèi)層介質(zhì)層的折射 率；所述的不同介質(zhì)層組內(nèi)的三元結(jié)構(gòu)周期的周期值沿半徑由內(nèi)向外方向依次減小，外側(cè) 介質(zhì)層組內(nèi)的周期值和與其相鄰的內(nèi)側(cè)介質(zhì)層組內(nèi)的周期值之比大于等于0.8且小于I。
[0005]本實(shí)用新型的空芯光子帶隙光纖，所述的中空纖芯的直徑為300-900微米，多層 介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層的厚度范圍在15-70微米。
[0006]本實(shí)用新型的空芯光子帶隙光纖，所述的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層中的介質(zhì)層組數(shù)目隨 傳輸帶寬要求的增大而增加。
[0007]本實(shí)用新型的空芯光子帶隙光纖，所述的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層包含的介質(zhì)層組數(shù)目 優(yōu)選為2-4組。
[0008]本實(shí)用新型的空芯光子帶隙光纖，所述的介質(zhì)層組包含的三元結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目?jī)?yōu) 選為8-20個(gè)。
[0009]本實(shí)用新型的空芯光子帶隙光纖，所述的保護(hù)層由聚醚酰亞胺(PEI)材料構(gòu)成，厚 度占整個(gè)光纖外徑的15%-25%。
[0010]本實(shí)用新型的有益效果是:由于本實(shí)用新型的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層采用三元結(jié)構(gòu)周 期，與現(xiàn)有的二元結(jié)構(gòu)周期相比，在周期數(shù)目和大小均相同時(shí)，光纖包層對(duì)纖芯中的入射光 波具有更高的反射率，這意味著可以獲得更低的泄漏損耗；由于最靠近纖芯的介質(zhì)層是高 折射率層，且其厚度為二元結(jié)構(gòu)周期包層中高折射率層厚度的一半，因此可以有效抑制表 面模產(chǎn)生，從而進(jìn)一步降低導(dǎo)波模傳輸損耗；光纖包層由所含周期值沿半徑方向由內(nèi)向外 依次減小的不同介質(zhì)層組構(gòu)成，這可以有效拓展光子帶隙范圍，并且增大了包層結(jié)構(gòu)參數(shù) 調(diào)控自由度，易于實(shí)現(xiàn)中紅外光波寬帶低損耗傳輸。綜上所述，本實(shí)用新型所提出的空芯光 子帶隙光纖設(shè)計(jì)，在拓展光子帶隙寬度的同時(shí)，可以更有效地降低傳輸損耗。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1表不用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋豆饫w橫截面結(jié)構(gòu) 示意圖。
[0012]圖2表示三元結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3表示空芯光子帶隙光纖的折射率徑向分布示意圖。
[0014]圖4表示實(shí)施例1中所述結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時(shí)，常規(guī)的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層分別基于二 元結(jié)構(gòu)周期和三元結(jié)構(gòu)周期的空芯光子帶隙光纖中AZi1模的泄漏損耗對(duì)比示意圖。
[0015]圖5表示實(shí)施例2中所述包層包含兩個(gè)介質(zhì)層組時(shí)的空芯光子帶隙光纖包層對(duì)纖 芯中具有不同入射角的橫磁(TM)波的反射譜。
[0016]圖6表示實(shí)施例3中所述光纖中M1模的泄漏損耗曲線，以及與其具有相同結(jié)構(gòu) 參數(shù)的基于二元結(jié)構(gòu)周期的光纖中模的泄漏損耗曲線。
[0017]圖7表示實(shí)施例4中所述包層包含三個(gè)介質(zhì)層組時(shí)的空芯光子帶隙光纖中HEn 模的泄漏損耗曲線。[0018]圖中:1、中空纖芯，2、介質(zhì)層組，4、保護(hù)層，5、多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層，6、三元結(jié)構(gòu)單元，7、內(nèi)層介質(zhì)層，8、中層介質(zhì)層，9、外層介質(zhì)層。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作具體的說(shuō)明。
[0020]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋豆饫w如圖1、圖2所示，沿圓形的橫截面半徑方向由內(nèi)向外依次是充滿空氣的中空纖芯1、多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層5和保護(hù)層4。
[0021]所述的中空纖芯I的直徑為300-900微米。
[0022]所述的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層5為異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由若干介質(zhì)層組2構(gòu)成，多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層5的作用是構(gòu)建一維光子晶體結(jié)構(gòu)，將光波限制在充滿空氣的中空纖芯I中傳輸；構(gòu)成多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層5的介質(zhì)層組2數(shù)目視傳輸帶寬要求而定，傳輸帶寬越寬，所需要的介質(zhì)層組2數(shù)目就越多，一般2-4組即可滿足應(yīng)用要求；每個(gè)介質(zhì)層組2內(nèi)包含若干個(gè)三元結(jié)構(gòu)單元6，不同介質(zhì)層組2內(nèi)的三元結(jié)構(gòu)單元6數(shù)目可以不同，一般為5-20個(gè)；所述的一個(gè)三元結(jié)構(gòu)單元6為一個(gè)三元結(jié)構(gòu)周期，由厚度相等的外層介質(zhì)層9和內(nèi)層介質(zhì)層7中間夾有中層介質(zhì)層8構(gòu)成，外層介質(zhì)層9和內(nèi)層介質(zhì)層7的厚度之和與中層介質(zhì)層8的厚度滿足近掠入射條件下的四分之一波條件，中層介質(zhì)層8的折射率低于外層介質(zhì)層9和內(nèi)層介質(zhì)層7 的折射率，因此外層介質(zhì)層9和內(nèi)層介質(zhì)層7采用在3-5微米波段內(nèi)折射率為2.74的硒化砷(As2Se3),中層介質(zhì)層8采用在3-5微米波段內(nèi)折射率為1.62的聚醚酰亞胺(PEI);所述屬于不同介質(zhì)層組2內(nèi)的三元結(jié)構(gòu)周期值大小不同，且沿橫截面半徑方向由內(nèi)向外依次減小，外側(cè)介質(zhì)層組內(nèi)和與其相鄰的內(nèi)側(cè)介質(zhì)層組內(nèi)的周期值之比小于1，但不能小于0.8 ; 所述三元結(jié)構(gòu)周期是本實(shí)用新型最大的特色，也是本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)良中紅外寬帶低損耗傳輸特性的根本保證。
[0023]光纖保護(hù)層4由聚醚酰亞胺(PEI)材料構(gòu)成，厚度占整個(gè)光纖外徑的15%_25%， 其作用是提高光纖的機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖免受損傷；所述空芯光子帶隙光纖利用一維光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光，其帶隙結(jié)構(gòu)和損耗傳輸特性可以通過(guò)改變光纖介質(zhì)層組數(shù)目，各介質(zhì)層組內(nèi)的三元結(jié)構(gòu)周期值和數(shù)目等參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)控。所述用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋豆饫w的工藝制備方法簡(jiǎn)單，便于制作，可采用和布拉格光纖相同的預(yù)制棒-熔融拉絲工藝制備方法。
[0024]下面參照附圖，結(jié) 合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
[0025]如圖3所示，中空纖芯I的半徑為Ee，折射率=1，多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層5中
使用的硒化砷(As2Se3)的折射率為= 2.74，聚醚酰亞胺(PEI)的折射率~=1.62 ,多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層5所包含的介質(zhì)層組2數(shù)目為Ig個(gè)，第i個(gè)介質(zhì)層組2包含Nvi個(gè)三元結(jié)構(gòu)周期，其中外層介質(zhì)層9和內(nèi)層介質(zhì)7層所用的硒化砷(As2Se3)的厚度均為dM/2，中層介質(zhì)層8所用的聚醚酰亞胺(PEI)的厚度為^ ,周期值力4 = ‘ +七，其中一個(gè)周期中所含各介質(zhì)層的厚度滿足近掠入射情況下的四分之一波條件為=;不同介質(zhì)層組2內(nèi)的三元結(jié)構(gòu)周期的周期值沿橫截面半徑方向由內(nèi)向外滿足
【權(quán)利要求】
1.一種用于3-5微米波段光波寬帶低損耗傳輸?shù)目招竟庾訋豆饫w，其特征在于:橫 截面為圓形，沿半徑方向由內(nèi)向外依次包括中空纖芯(I)、多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層(5)、保護(hù)層(4);所述的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層(5)由1-4組介質(zhì)層組(2)構(gòu)成；所述的介質(zhì)層組(2)由5-20 個(gè)三元結(jié)構(gòu)單元(6)構(gòu)成,一個(gè)三元結(jié)構(gòu)單元(6)為一個(gè)三元結(jié)構(gòu)周期；所述的三元結(jié)構(gòu)單 元(6)由厚度相等的在3-5微米波段內(nèi)折射率為2.74的硒化砷(As2Se3)構(gòu)成的外層介質(zhì) 層(9)和內(nèi)層介質(zhì)層(7)、以及位于它們之間的在3-5微米波段內(nèi)折射率為1.62的聚醚酰 亞胺(PEI)材料構(gòu)成的中層介質(zhì)層(8)組成，外層介質(zhì)層(9)和內(nèi)層介質(zhì)層(7)的厚度之和 與中層介質(zhì)層(8)的厚度滿足近掠入射條件下的四分之一波條件，中層介質(zhì)層(8)的折射 率低于外層介質(zhì)層(9)和內(nèi)層介質(zhì)層(7)的折射率；所述的不同介質(zhì)層組(2)內(nèi)的三元結(jié)構(gòu) 周期的周期值沿半徑方向由內(nèi)向外依次減小，外側(cè)介質(zhì)層組內(nèi)的周期值和與其相鄰的內(nèi)側(cè) 介質(zhì)層組內(nèi)的周期值之比大于等于0.8且小于I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空芯光子帶隙光纖，其特征在于:所述的中空纖芯(I)的直徑 為300-900微米，多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層(5)的厚度范圍在15-70微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空芯光子帶隙光纖，其特征在于:所述的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層(5)所包含的介質(zhì)層組(2)數(shù)目隨傳輸帶寬要求的增大而增加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的空芯光子帶隙光纖，其特征在于:所述的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu) 包層(5 )包含的介質(zhì)層組(2 )的數(shù)目為2-4組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空芯光子帶隙光纖，其特征在于:所述的介質(zhì)層組(2)包含的 三元結(jié)構(gòu)單元(6)的數(shù)目為8-20個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空芯光子帶隙光纖，其特征在于:所述的保護(hù)層(4)由聚醚酰 亞胺(PEI)材料構(gòu)成，厚度占整個(gè)光纖外徑的15%-25%。
【文檔編號(hào)】G02B6/032GK203433143SQ201320554204
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】尚亮, 夏云杰 申請(qǐng)人:曲阜師范大學(xué)