[發明專利]中紅外波段超寬帶低損耗傳輸光纖

有效

• 申請號: 202011148912.5
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112068242B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 高偉清;張正雄;蔣文輝;劉韶清;佟亮;陳吳;代問問;周勇;張維;馬曉輝
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B6/036
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發明公開了一種中紅外波段超寬帶低損耗傳輸光纖，從內至外依次包括纖芯部分、內包層部分、外包層部分和保護層部分四部分，其中外包層部分包括橫斷面呈圓環形的光纖外包層，在光纖外包層中設置有若干個外包層內環。本發明利用光纖外包層在中紅外玻璃材料中引入大空氣孔增加反諧振界面，既大大降低傳輸損耗，又由于外包層玻璃材料的固定作用，使得光纖機械強度提高，且使光纖制作難度降低；本發明的傳輸光纖可實現中紅外2?15μm乃至更寬波段的低損耗傳輸。

技術領域

本發明屬于光纖及器件領域，特別涉及一種中紅外波段超寬帶低損耗傳輸光纖。

背景技術

光纖技術日臻成熟，在通信、傳感、醫學和軍事等領域具有廣泛的應用，成為現代信息社會的基石。傳統光纖主要采用石英材料為基質，工作波長難以突破3.0μm，其應用局限在可見光和近紅外波段。在覆蓋眾多氣體分子特征譜線的“分子指紋區”(2.0-12.0μm)、軍事航空領域至關重要的第二(3.0-5.0μm)和第三(8.0-14.0μm)大氣窗口等波段無能無力，嚴重制約了光纖技術的發展。

為了將光纖的應用拓展到2-15μm波段，近十年來中紅外光纖取得飛速發展。中紅外光纖材料主要包括氟化物、碲酸鹽和硫系(主要為硫化物和硒化物)玻璃等。與傳統光纖所采用的石英材料相比，該類材料在中紅外波段具有超寬傳輸窗口，尤其是碲酸鹽和硫系玻璃，不僅具有高折射率和高非線性折射率，而且傳輸窗口可達18μm，是非常重要的激光和非線性光學材料。基于該類材料研制的中紅外光纖及光子功能器件在紅外信號傳輸、軍事對抗、大氣污染監控、人體健康檢查和激光醫學手術等方面有著廣闊的應用前景。目前，市場上3μm以上波段的中紅外光纖器件仍然不夠成熟，其主要原因在于能傳輸中紅外2-15μm的光纖低損耗傳輸問題還沒有得到解決。

目前，中紅外光纖及器件研究受到光纖損耗大、光纖結構過于集中等因素的影響，發展陷入瓶頸。現有中紅外光纖結構主要有幾類：階躍折射率型、微結構型、周期性結構光子晶體光纖、空芯光纖等。

第一類為階躍折射率型光纖，其結構簡單、易于拉制，但是光纖特性可控性較差。由于光纖纖芯材料的吸收，光纖損耗較大，且傳輸波段受限。階躍折射率型光纖中，目前商用的能傳輸到波段最長的硒化物光纖也達不到10μm波長。另外由于中紅外階躍折射率光纖纖芯材料為軟玻璃，其能夠承受的損傷閾值較低，目前較好的氟化物光纖其可承受的平均閾值功率只有100W量級。另外階躍折射率光纖的纖芯和包層折射率差較小，對光場模式的限制能力較差，越到長波段，對光場限制能力越差，更多的光信號進入包層傳輸。基于階躍折射率結構，難以實現10-15μm波段高功率光能傳輸。另外，由于波導結構可調節參數少，對色散參數的調控能力較差。

第二類為微結構型光纖，主要結構為纖芯加空氣包層，其纖芯為中紅外玻璃材料，包層為空氣孔。由于纖芯包層折射率差較大，可有效地將光場限制在纖芯范圍內。由于其微結構設計，該類光纖對色散和非線性調控能力大提高。但由于纖芯為中紅外玻璃材料，仍然存在損耗吸收問題，并且在部分波段由于材料吸收造成不透光。長時間放置后，由于纖芯吸收空氣中雜質導致損耗增大，甚至部分波段不能傳輸。為了防止纖芯材料吸收空氣中雜質，將空氣孔填充入低折射率材料，制成全固態結構，但是纖芯吸收損耗仍然存在，其由于纖芯和包層材料差異造成包層纖芯界面不連續，從而導致損傷上升。基于微結構型光纖，目前仍然難以傳輸整個2-15μm波段光信號，也不能傳輸高能量光場。

第三類為周期性結構的光子晶體光纖，主要結構為纖芯加周期性排列的空氣包層，其纖芯為中紅外玻璃材料，包層為空氣孔。由于其具有多層空氣孔，所有更有效地將光場限制在纖芯，且具有更好的色散和非線性調控范圍。但由于纖芯為中紅外玻璃材料，在前述第一類和第二類光纖中存在的材料吸收和損傷閾值問題，仍然存在于第三類光纖中。故此，不適合傳輸中紅外整個2-15μm波段光信號，也不能傳輸高能量光場。