中红外波段超宽带低损耗传输光纤制造技术

本发明专利技术公开了一种中红外波段超宽带低损耗传输光纤，从内至外依次包括纤芯部分、内包层部分、外包层部分和保护层部分四部分，其中外包层部分包括横断面呈圆环形的光纤外包层，在光纤外包层中设置有若干个外包层内环。本发明专利技术利用光纤外包层在中红外玻璃材料中引入大空气孔增加反谐振界面，既大大降低传输损耗，又由于外包层玻璃材料的固定作用，使得光纤机械强度提高，且使光纤制作难度降低；本发明专利技术的传输光纤可实现中红外2‑15μm乃至更宽波段的低损耗传输。

【技术实现步骤摘要】
中红外波段超宽带低损耗传输光纤
本专利技术属于光纤及器件领域，特别涉及一种中红外波段超宽带低损耗传输光纤。
技术介绍
光纤技术日臻成熟，在通信、传感、医学和军事等领域具有广泛的应用，成为现代信息社会的基石。传统光纤主要采用石英材料为基质，工作波长难以突破3.0μm，其应用局限在可见光和近红外波段。在覆盖众多气体分子特征谱线的“分子指纹区”(2.0-12.0μm)、军事航空领域至关重要的第二(3.0-5.0μm)和第三(8.0-14.0μm)大气窗口等波段无能无力，严重制约了光纤技术的发展。为了将光纤的应用拓展到2-15μm波段，近十年来中红外光纤取得飞速发展。中红外光纤材料主要包括氟化物、碲酸盐和硫系(主要为硫化物和硒化物)玻璃等。与传统光纤所采用的石英材料相比，该类材料在中红外波段具有超宽传输窗口，尤其是碲酸盐和硫系玻璃，不仅具有高折射率和高非线性折射率，而且传输窗口可达18μm，是非常重要的激光和非线性光学材料。基于该类材料研制的中红外光纤及光子功能器件在红外信号传输、军事对抗、大气污染监控、人体健康检查和激光医学手术等方面有着广阔的应用前景。目前，市场上3μm以上波段的中红外光纤器件仍然不够成熟，其主要原因在于能传输中红外2-15μm的光纤低损耗传输问题还没有得到解决。目前，中红外光纤及器件研究受到光纤损耗大、光纤结构过于集中等因素的影响，发展陷入瓶颈。现有中红外光纤结构主要有几类：阶跃折射率型、微结构型、周期性结构光子晶体光纤、空芯光纤等。第一类为阶跃折射率型光纤，其结构简单、易于拉制，但是光纤特性可控性较差。由于光纤纤芯材料的吸收，光纤损耗较大，且传输波段受限。阶跃折射率型光纤中，目前商用的能传输到波段最长的硒化物光纤也达不到10μm波长。另外由于中红外阶跃折射率光纤纤芯材料为软玻璃，其能够承受的损伤阈值较低，目前较好的氟化物光纤其可承受的平均阈值功率只有100W量级。另外阶跃折射率光纤的纤芯和包层折射率差较小，对光场模式的限制能力较差，越到长波段，对光场限制能力越差，更多的光信号进入包层传输。基于阶跃折射率结构，难以实现10-15μm波段高功率光能传输。另外，由于波导结构可调节参数少，对色散参数的调控能力较差。第二类为微结构型光纤，主要结构为纤芯加空气包层，其纤芯为中红外玻璃材料，包层为空气孔。由于纤芯包层折射率差较大，可有效地将光场限制在纤芯范围内。由于其微结构设计，该类光纤对色散和非线性调控能力大提高。但由于纤芯为中红外玻璃材料，仍然存在损耗吸收问题，并且在部分波段由于材料吸收造成不透光。长时间放置后，由于纤芯吸收空气中杂质导致损耗增大，甚至部分波段不能传输。为了防止纤芯材料吸收空气中杂质，将空气孔填充入低折射率材料，制成全固态结构，但是纤芯吸收损耗仍然存在，其由于纤芯和包层材料差异造成包层纤芯界面不连续，从而导致损伤上升。基于微结构型光纤，目前仍然难以传输整个2-15μm波段光信号，也不能传输高能量光场。第三类为周期性结构的光子晶体光纤，主要结构为纤芯加周期性排列的空气包层，其纤芯为中红外玻璃材料，包层为空气孔。由于其具有多层空气孔，所有更有效地将光场限制在纤芯，且具有更好的色散和非线性调控范围。但由于纤芯为中红外玻璃材料，在前述第一类和第二类光纤中存在的材料吸收和损伤阈值问题，仍然存在于第三类光纤中。故此，不适合传输中红外整个2-15μm波段光信号，也不能传输高能量光场。第四类为空芯光纤，包括光子带隙光纤和负曲率光纤。光子带隙光纤其包层为中红外玻璃材料，纤芯为空。负曲率光纤包层为中红外玻璃环，环中心为空，纤芯也为空。由于该类光纤中心无玻璃材料，因此可避免纤芯材料吸收，也能避免高能光场对纤芯造成的损伤和非线性效应。但是该类光纤拉制困难，机械强度不高，并且目前还无法实现2-15μm波段的低损耗传输。上述光纤中第一类拉制最为简单，第二类光纤较第一类拉制难度提升。第三类和第四类光纤拉制最难，因为要保持包层的周期性，对光纤各部分的尺寸要求严格。负曲率光纤由于其包层为玻璃环，为了降低损耗，需要对环壁厚度严格控制，拉直过程中的偏差容易造成损耗急剧上升。所以，为了实现能传输中红外2-15μm波段的光信号和能量，需要解决光纤损耗、光纤拉制工艺、光纤机械强度、色散和非线性调控范围等问题。上述问题严重制约了光纤技术在中红外波段的应用，影响了医药学、传感监测、分子学和军事等领域的发展。要突破中红外技术的发展瓶颈，需要从光纤材料和光纤结构两方面着手，以解决中红外光纤目前存在的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中的中红外波段光纤的不足，提出了一种中红外波段超宽带低损耗传输光纤，旨在通过增加由中红外玻璃组成的带有内孔的外包层结构，增加光纤反谐振面，使光纤纤芯传输损耗大为降低，同时利用外包层的引入，使得光纤内层环得到更好的支撑，从而使光纤机械强度增加，光纤制作难度也大为降低，并且使得光纤在色散和非线性等参数调控方面具有更多自由度。本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：中红外波段超宽带低损耗传输光纤，其特点在于：从内至外依次包括纤芯部分、内包层部分、外包层部分和保护层部分四部分；综合外包层部分、内包层部分、纤芯部分和保护层部分四部分，该光纤对中红外波段2-15μm乃至更宽波段具有极低的传输损耗。所述外包层部分包括横断面呈圆环形的光纤外包层，在所述光纤外包层的内圆(所述内圆为相应部分圆环形横断面处的内圆，下同)与外圆(所述外圆为相应部分圆环形横断面处的外圆)之间设置有若干个横断面呈圆环形的外包层内环。所述内包层部分包括若干个横断面呈圆环形的光纤内层环，各光纤内层环均匀设置于所述光纤外包层的内圆中，且其外圆与所述光纤外包层的内圆相内切。所述纤芯部分是由各个光纤内层环环绕而成的横断面呈圆形的中心区域。所述保护层部分是设置于所述光纤外包层外围的保护层。进一步地，所述光纤内层环两两对称、成对设置，且不少于3对，各个光纤内层环尺寸相等；所述外包层内环两两对称、成对设置，且不少于1对，各个外包层内环尺寸相等；且每对外包层内环圆心的连线与一对光纤内层环圆心的连线重合。进一步地，所述光纤外包层的内圆与外圆之间可以设置一层外包层内环，也可设置多层(≥2层)外包层内环。当为一层外包层内环时，该层中的每一个外包层内环的外圆与所述光纤外包层的内圆与外圆同时相切。当为多层外包层内环时，各层之间的外包层内环对数相等、一一对应，且相对应的外包层内环的外圆相切；最外层中每一个外包层内环的外圆皆与所述光纤外包层的外圆相切；最内层中每一个外包层内环的外圆皆与所述光纤外包层的内圆相切。进一步地，在各光纤内层环的内圆中还可设置有嵌套环，所述嵌套环的外圆与相应光纤内层环的内圆相切，切点位于相应光纤内层环圆心与光纤外包层圆心连线所在的直线上，且位于两点所在线段之外。且，嵌套环的厚度与光纤内层环的厚度相等(即环的外圆半径与内圆半径之差，或者说环的壁厚)进一步地，所述光纤外包层、所述外包层内环及所述光纤内层环皆为相同中红外玻璃材料，根据具体应用，可采用硫系玻璃、碲酸盐玻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.中红外波段超宽带低损耗传输光纤，其特征在于：从内至外依次包括纤芯部分、内包层部分、外包层部分和保护层部分四部分；/n所述外包层部分包括横断面呈圆环形的光纤外包层(1)，在所述光纤外包层(1)的内圆与外圆之间设置有若干个横断面呈圆环形的外包层内环(2)；/n所述内包层部分包括若干个横断面呈圆环形的光纤内层环(3)，各光纤内层环均匀设置于所述光纤外包层(1)的内圆中，且其外圆与所述光纤外包层(1)的内圆相内切；/n所述纤芯部分(4)是由各个光纤内层环(3)环绕而成的横断面呈圆形的中心区域；/n所述保护层部分是设置于所述光纤外包层(1)外围的保护层(5)。/n

【技术特征摘要】
1.中红外波段超宽带低损耗传输光纤，其特征在于：从内至外依次包括纤芯部分、内包层部分、外包层部分和保护层部分四部分；
所述外包层部分包括横断面呈圆环形的光纤外包层(1)，在所述光纤外包层(1)的内圆与外圆之间设置有若干个横断面呈圆环形的外包层内环(2)；
所述内包层部分包括若干个横断面呈圆环形的光纤内层环(3)，各光纤内层环均匀设置于所述光纤外包层(1)的内圆中，且其外圆与所述光纤外包层(1)的内圆相内切；
所述纤芯部分(4)是由各个光纤内层环(3)环绕而成的横断面呈圆形的中心区域；
所述保护层部分是设置于所述光纤外包层(1)外围的保护层(5)。


2.根据权利要求1所述的中红外波段超宽带低损耗传输光纤，其特征在于：所述光纤内层环(3)两两对称、成对设置，且不少于3对，各个光纤内层环尺寸相等；所述外包层内环(2)两两对称、成对设置，且不少于1对，各个外包层内环尺寸相等；且每对外包层内环圆心的连线与一对光纤内层环圆心的连线重合。


3.根据权利要求1或2所述的中红外波段超宽带低损耗传输光纤，其特征在于：所述光纤外包层(1)的内圆与外圆之间设置有一层或多层外包层内环(2)；
当为一层外包层内环时，该层中的每一个外包层内环的外圆与所述光纤外包层(1)的内圆与外圆同时相切；
当为多层外包层内环时，各层之间的外包层内环对数相等、一一对应，且相对应的外包层内环的外圆相切；最外层中每一个外包层内环的外圆皆与所述光纤外包层(1)的外圆相切；最...

【专利技术属性】
技术研发人员：高伟清，张正雄，蒋文辉，刘韶清，佟亮，陈吴，代问问，周勇，张维，马晓辉，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34