[发明专利]一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤，属于光纤技术领域。

背景技术

3-5微米中红外波段是重要的大气透射窗口，并且由于该波段涵盖了大量气体分子的基频吸收带且反映气体分子的指纹特征，因此3-5微米中红外激光在红外对抗与制导、空间光通信、大气环境监测、工业过程控制和医疗诊断等方面具有重要应用价值。随着各种类型的3-5微米中红外宽带可调谐激光源的成功研制，选择优良的在线传输介质以实现该波段激光宽带低损耗传输就显得尤为迫切。基于全反射原理的石英光纤在近红外光通信波段的成功运用，证明光纤型波导是激光信号传输的优良介质，但是受纤芯材料损耗限制，石英光纤无法实现中红外波段激光的长距离低损耗传输。为此，对中红外光波呈低吸收损耗的氟化物、硫化物和碲化物玻璃相继被用来拉制中红外激光传输光纤。虽然制备材料不同，但由于这类光纤均是利用全反射原理将光波限制在高折射率固体纤芯中传输，因此仍会不可避免地受到纤芯材料各种损耗、色散和非线性效应等影响。为解决这些问题，研究人员相继设计并制备了不同类型的空芯光纤型波导，其中基于一维光子带隙效应导光新机制的空芯布拉格光纤因其新颖的导波机制日益受到关注。这种光纤的一维光子晶体结构由折射率呈周期性变化的多层电介质层构成，从而可将光波限制在中空纤芯中沿光纤轴向传输。由于利用光子带隙效应，电介质包层可以将一定频率范围（全向反射光子带隙）内、具有任意入射方向和任意偏振态的光波限制在低折射率的中空纤芯中传输，故又称为全向导波光纤。与采用二维光子带隙效应传输机制的空芯光子晶体光纤相比，空芯布拉格光纤由于采用一维周期性结构，只需改变各电介质包层的厚度和折射率，即可实现光子带隙和模式传输特性的调控，同时制备难度也相对降低。尽管空芯布拉格光纤具有宽光谱和宽角度带隙特性，本身更易于实现光波宽带传输，但是现有的常规布拉格光纤的传输带宽仍然相对有限。虽然目前存在一些可拓展传输带宽的空芯布拉格光纤设计，但是这些光纤或结构复杂，难于制备，或低损耗传输窗口不连续，或模式传输损耗较大，不利于实现长距离低损耗传输。

发明内容

本发明为了解决上述3-5微米波段光波缺乏优良宽带低损耗传输介质问题，提供了一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤。

本发明是通过以下措施来实现的：一种用于3-5微米波段光波宽带低损耗传输的空芯光子带隙光纤，横截面为圆形，沿半径方向由内向外依次包括中空纤芯、多层介质结构包层、保护层；所述的多层介质结构包层由1-4组介质层组构成；所述的介质层组由5-20个三元结构单元构成，一个三元结构单元为一个三元结构周期；所述的三元结构单元由厚度相等的在3-5微米波段内折射率为2.74的硒化砷（As₂Se₃）构成的外层介质层和内层介质层、以及位于它们之间的在3-5微米波段内折射率为1.62的聚醚酰亚胺（PEI）材料构成的中层介质层组成，外层介质层和内层介质层的厚度之和与中层介质层的厚度满足近掠入射条件下的四分之一波条件，中层介质层的折射率低于外层介质层和内层介质层的折射率；所述的不同介质层组内的三元结构周期的周期值沿半径由内向外方向依次减小，外侧介质层组内的周期值和与其相邻的内侧介质层组内的周期值之比大于等于0.8且小于1。

本发明的空芯光子带隙光纤，所述的中空纤芯的直径为300-900微米，多层介质结构包层的厚度范围在15-70微米。

本发明的空芯光子带隙光纤，所述的多层介质结构包层中的介质层组数目随传输带宽要求的增大而增加。

本发明的空芯光子带隙光纤，所述的多层介质结构包层包含的介质层组数目优选为2-4组。

本发明的空芯光子带隙光纤，所述的介质层组包含的三元结构单元的数目优选为8-20个。

本发明的空芯光子带隙光纤，所述的保护层由聚醚酰亚胺（PEI）材料构成，厚度占整个光纤外径的15%-25%。