硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器

本发明属于特种光纤及其光子器件领域，涉及一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器。

背景技术：

1、中红外光谱区不仅涵盖了大气红外窗口，还覆盖了众多原子和分子的吸收峰，为此中红外激光技术在通信、传感、医疗及军事等诸多领域具有重要的应用需求。然而传统石英光纤在中红外波段应用存在较强本征吸收，导致其传输损耗极大。硫系材料是目前研究成熟且被认为是性能优异的中红外介质材料之一，其具有极好的中红外透过性且透过范围最远可达25μm。硫系光纤在中红外光纤传感、光纤脉冲激光器以及全光网络的实现等领域有着重要的应用。

2、以反谐振式反射波导机理引导光传输的空芯反谐振光纤因其宽带宽、低损耗、设计灵活等优点，被认为是中红外光波导的理想媒介。但由于硫系玻璃的粘度-温度特性以及空芯结构，制备高性能的硫系空芯反谐振光纤具有一定的挑战性。同时，空芯反谐振光纤应用时，传输光经过实芯-空芯界面时还存在模场匹配、散射损耗以及菲涅尔反射等问题。因此，为降低空芯反谐振光纤的制备难度并解决以上问题，开始使用多种硫系材料设计实芯全固态反谐振光纤。全固态光纤结构使反谐振光纤设计更加灵活，有利于各类功能实现，同时全固态结构也使得光纤结构更加稳定，提高了光纤制备的精度。

3、从实际应用的角度来看，迫切需要设计出满足中红外应用的各类功能性全固态反谐振光纤器件，推动中红外全固态光纤走向大规模应用和实现实芯光纤光学系统的小型化、集成化乃至全光纤化。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，将双芯反谐振光纤设计成实芯结构，使光纤更加坚固，双芯之间通过两个大包层管之间的间隔进行模式耦合和能量交换，从而实现偏振分束功能。同时嵌套管的引入，使光纤分束器获得了单模特性。

2、本发明解决上述问题的技术方案是：一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特殊之处在于：

3、包括第一纤芯、第二纤芯、大包层管、小包层管一和小包层管二；

4、所述第一纤芯和第二纤芯关于光纤轴心中心对称；

5、所述大包层管的数量为两个，且关于光纤轴心中心对称；所述两个大包层管中心连线与所述第一纤芯、第二纤芯之间的连线垂直；

6、所述小包层管一的数量为两个，小包层管二的数量为四个；所述小包层管一、二的大小形状完全相同；所述小包层管一关于光纤轴心中心对称，且其中心连线与所述大包层管中心连线垂直；所述四个小包层管二关于所述小包层管一中心连线对称分布在所述两个小包层管一的两侧；

7、所述大包层管内设有嵌套管；所述小包层管一、小包层管二内分别同心设置嵌套管一、嵌套管二；所述大包层管、嵌套管、小包层管一、小包层管二、嵌套管一和嵌套管二的截面均为圆环；

8、所述嵌套管一、嵌套管二的大小形状完全相同。

9、进一步地，上述光纤直径为74μm。

10、进一步地，上述两个大包层管之间的间距为3.6μm。

11、进一步地，上述小包层管一、小包层管二的内半径为6.6μm，管壁厚度为0.5μm；所述嵌套管一、嵌套管二的内半径与小包层管一、小包层管二的内半径比值均为0.6，嵌套管一、嵌套管二的管壁厚度均为1.0μm。

12、进一步地，上述小包层管一中心到光纤轴心的距离为25.9μm；所述小包层管二中心到光纤轴心的距离为22.9μm。

13、进一步地，上述小包层管二中心与相邻所述小包层管一中心与光纤轴心连线所成夹角为36°。

14、进一步地，上述大包层管、嵌套管、小包层管一、小包层管二和嵌套管一、嵌套管二的管壁材料为硫族化物材料as2se3，其余光纤部分的材料均为硫族化物材料as2s3，as2se3和as2s3的折射率用塞尔迈耶尔方程描述，

15、

16、as2se3的折射率为n1，其中a1＝4.994871876241，a2＝0.120715248481，

17、a3＝1.712368530625，λ1＝0.24164μm，λ2＝19μm，λ3＝0.48328μm；

18、as2s3的折射率为n2，其中a1＝4.626261968807459，a2＝1.16819527529024，λ1＝-0.2690645648975598μm，λ2＝-31.3101221206341μm；

19、其中，λ为工作波长。

20、进一步地，上述大包层管与嵌套管同心设置，或者，所述嵌套管与大包层管内壁上距光纤轴心最远一点相内切。

21、进一步地，上述大包层管的内半径为9.3μm，管壁厚度为0.9μm；

22、当大包层管与嵌套管同心设置时，所述嵌套管的内半径与大包层管的内半径比值为0.5，嵌套管的管壁厚度为0.5μm；

23、当嵌套管与大包层管内壁上距光纤轴心最远一点相内切时，所述嵌套管的内半径与大包层管的内半径比值为0.7，嵌套管的管壁厚度为0.5μm。

24、进一步地，当大包层管与嵌套管同心设置时，9.5cm长度的光纤可实现2.98μm-3.03μm波长范围的偏振分束器，在3μm波长下，偏振消光比可达-55.98db，在2.95μm-3.05μm的波长范围内，该光纤的高阶模消光比均高于100；

25、当嵌套管与大包层管内壁上距光纤轴心最远一点相内切时，8.2cm长度的光纤可实现2.98μm-3.03μm波长范围的偏振分束器，在3μm波长下，偏振消光比可达-41.35db，在2.95μm-3.05μm的波长范围内，该光纤的高阶模消光比均高于100。

26、本发明与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

27、1、本发明所提出的双芯反谐振光纤为全固态结构，现有的反谐振光纤的纤芯和包层管内均为空气，光被限制在空气纤芯中传输，而本发明利用两种硫系材料as2se3和as2s3将光纤制成全固态结构，光被限制在介质纤芯中传输，全固态结构使得光纤更加坚固并降低了光纤的制备难度；

28、2、本发明提供的光纤偏振分束器，第一纤芯和第二纤芯之间通过两个大包层管之间的间隙进行模式耦合和能量交换，从而实现偏振分束性能；

29、3、本发明提供的光纤偏振分束器，在所有小包层管内加入同心嵌套管，使得所设计光纤偏振分束器能够实现单模特性；

30、4、本发明提供的光纤偏振分束器，结构一和结构二两种结构均可实现中红外3μm波段的偏振分束和单模输出。

技术特征：

1.一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

8.根据权利要求1-7任一所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，其特征在于：

技术总结本发明属于特种光纤及其光子器件领域，涉及一种硫系双芯全固态反谐振光纤偏振分束器，包括第一纤芯、第二纤芯、大包层管、小包层管一和小包层管二；第一纤芯和第二纤芯关于光纤轴心中心对称；两个大包层管关于光纤轴心中心对称；两个大包层管中心连线与第一纤芯、第二纤芯之间的连线垂直；小包层管一、二的大小形状完全相同；小包层管一关于光纤轴心中心对称，且其中心连线与大包层管中心连线垂直；四个小包层管二关于所述小包层管一中心连线对称分布在所述两个小包层管一的两侧；大包层管内设有嵌套管；小包层管一、小包层管二内分别同心设置嵌套管一、嵌套管二；大包层管、嵌套管、小包层管一、小包层管二、嵌套管一和嵌套管二的截面均为圆环；所述嵌套管一、嵌套管二的大小形状完全相同。本发明将双芯反谐振光纤设计成实芯结构，使光纤更加坚固，双芯之间通过两个大包层管之间的间隔进行模式耦合和能量交换，从而实现偏振分束功能。同时嵌套管的引入，使光纤分束器获得了单模特性。技术研发人员：李建设,张振龙,郭海涛,李曙光,许彦涛,郭英,赵原源受保护的技术使用者：燕山大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27