双芯空心反谐振光纤及偏振分束器的构建方法与流程

1.本技术涉及光纤技术领域，尤其涉及双芯空心反谐振光纤及偏振分束器的构建方法。


背景技术：

2.偏振分束器可以将光分成两束单一偏振态的光，是光通信系统中的基础光器件。基于光消逝场在两纤芯间的耦合，双芯光纤可以实现对光功率、波长以及光偏振态等多重选择的分束合束器件。传统结构双芯光纤，制作难度较大，对制作工艺条件的要求高，结构可变参数少，纤芯与包层折射率差可变范围小，波长和偏振依赖性强。因此，基于传统双芯光纤制作的分束合束器带宽窄、器件长度长，同时具有很强的波长和偏振依赖性，难以满足超大容量、超高速率及超低损耗的全光网络的发展需求。
3.同时，相较于实芯光纤，空芯光纤具有更小的色散和非线性系数，可以广泛应用于超短脉冲或高功率激光传输、中红外传输、光纤陀螺和太赫兹等领域。此外，空芯光纤可以填充气体和液体，在脉冲压缩、超连续光谱产生、光纤传感以及新型光器件开发等方面具有广阔的应用前景。
4.2002年，一种具有kagome包层结构的空心微结构光纤被提出，其结构虽类似于光子带隙光纤，但对包层周期性要求并不严格，大大降低了制作难度。kagome空心微结构光纤的导光机制是基于限制耦合理论，因此被称为空心反谐振光纤。该光纤的出现不仅为降低空心微结构光纤制作难度提供了新的途径，还为空心微结构光纤器件性能提高和结构创新提供了一种新的有效途径。2017年，双芯空芯反谐振光纤被首次制作出，通过实验测试该光纤的耦合特性，结果表明该光纤耦合长度长达35cm。考虑到双芯空心反谐振光纤在实际系统中的应用要求，宽的带宽、短的器件长度、高的分光比以及单模运转是设计时需要考虑的重要因素。
5.目前，双芯空心微结构光纤偏振分束器主要基于带隙型微结构光纤，两纤芯间能量耦合较难实现，且带隙形成所需的严苛条件提高了光纤制作难度。空芯反谐振光纤，较之空芯光子带隙光纤，对包层周期性结构要求和制作难度低，结构设计灵活。现有的双芯空心反谐振光纤偏振分束器，由于双芯空心反谐振光纤的两对称纤芯距离过长，进而会导致双芯空心反谐振光纤偏振分束器的整体长度变长，使得其使用场景受限，并会提高其生产成本。


技术实现要素：

6.鉴于此，本技术实施例提供了一种双芯空心反谐振光纤，包括：内包层组件，以及，套设在所述内包层组件之外的外包层圆管；
7.所述内包层组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个椭圆管和两个第一圆管组件，且每个所述椭圆管内均设有第二圆管组件；各个所述椭圆管和各个所述第一圆管组件均与所述外包层圆管相切；
8.两个所述椭圆管的横截面以y轴为对称轴呈镜像对称，且两个所述椭圆管的长轴均沿x轴延伸以将所述外包层圆管的内部划分为两个对称的纤芯区，其中，所述x轴和y轴对应的直角坐标系原点为所述双芯空心反谐振光纤的横截面的圆心；
9.两个所述第一圆管组件分别位于两个所述纤芯区内，且两个所述第一圆管组件的横截面以x轴为对称轴呈镜像对称。
10.进一步地，所述第一圆管组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第一圆管和两个第二圆管，且所述第一圆管的内径大于所述第二圆管的内径；
11.两个所述第二圆管间隔设置在两个所述第一圆管之间，且每个所述第一圆管和第二圆管均与所述外包层圆管相切。
12.进一步地，所述第二圆管组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第三圆管，且所述第三圆管的内径小于所述第二圆管的内径；
13.两个所述第三圆管以自身所在的所述椭圆管的长轴为对称轴呈镜像对称，且每个所述第三圆管均沿所述椭圆管的短轴延伸，每个所述第三圆管的内壁均与所述椭圆管相切。
14.进一步地，所述第二圆管的内径、所述第一圆管的内径、所述第三圆管的内径、所述椭圆管的长轴、短轴和椭圆率分别预先基于各自对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据而确定。
15.进一步地，所述第二圆管的内径d1为12.2μm；所述第一圆管的内径d2为14.6μm；所述第三圆管的内径ds为4μm；
16.所述椭圆管的长轴da为28.8μm，短轴db为10μm，椭圆率e为0.35。
17.进一步地，所述外包层圆管的内半径、以及所述第二圆管、第一圆管、第三圆管和椭圆管的管壁厚度预先基于所述双芯空心反谐振光纤的尺寸、耦合长度及工作波长范围确定。
18.进一步地，所述外包层圆管的内半径rn为30μm；
19.所述第二圆管、第一圆管、第三圆管和椭圆管的管壁厚度t相同，均为0.53μm。
20.本技术的另一个方面提供了一种宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法，包括：
21.将所述的双芯空心反谐振光纤的各个结构参数分别划分至第一结构参数组和第二结构参数组中；
22.针对所述第一结构参数组中的结构参数，以各个结构参数分别对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据对各个结构参数进行赋值；并对所述第二结构参数组中的结构参数进行赋值，以得到包含有结构参数赋值后的所述双芯空心反谐振光纤的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器。
23.进一步地，所述第一圆管组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第一圆管和两个第二圆管；所述第二圆管组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第三圆管；
24.所述第一结构参数组包括：所述第二圆管的内径d1、所述第一圆管的内径d2、所述第三圆管的内径ds、所述椭圆管的长轴da和椭圆率e；
25.相对应的，所述针对所述第一结构参数组中的结构参数，以各个结构参数分别对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据对各个结构参数进行赋值，包括：
26.为所述第二圆管的内径d1、所述第一圆管的内径d2、所述第三圆管的内径ds、所述椭圆管的长轴da和椭圆率e分别设置初始值；
27.赋值步骤：在所述第一结构参数组中的各个结构参数中择一作为当前的目标参数，并固定其他结构参数的初始值；为目标参数依次赋不同的值，并针对目标参数的每一个值和其他结构参数的初始值，均采用基于有限单元法的多物理场仿真方式对所述双芯空心反谐振光纤进行仿真模拟计算，以得到所述目标参数的每一个值对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据，并基于该特性影响数据在所述目标参数的各个值中选取最优值，将所述目标参数的取值确定为该最优值；
28.判断当前所述第一结构参数组中各个结构参数是否均已被赋予最优值，若否，则返回执行所述赋值步骤，直至所述第一结构参数组中的所有结构参数均已被赋予各自对应的最优值。
29.进一步地，所述第二结构参数组包括：所述外包层圆管的内半径rn、以及所述第二圆管、第一圆管、第三圆管和椭圆管的相同的管壁厚度t；
30.相对应的，所述对所述第二结构参数组中的结构参数进行赋值，包括：
31.基于预获取的所述双芯空心反谐振光纤的尺寸、耦合长度及工作波长范围数据，分别确定所述外包层圆管的内半径rn和管壁厚度t的值。
32.本技术提供的双芯空心反谐振光纤，包括：内包层组件，以及，套设在所述内包层组件之外的外包层圆管；所述内包层组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个椭圆管和两个第一圆管组件，且每个所述椭圆管内均设有第二圆管组件；各个所述椭圆管和各个所述第一圆管组件均与所述外包层圆管相切；两个所述椭圆管的横截面以y轴为对称轴呈镜像对称，且两个所述椭圆管的长轴均沿x轴延伸以将所述外包层圆管的内部划分为两个对称的纤芯区，其中，所述x轴和y轴对应的直角坐标系原点为所述双芯空心反谐振光纤的横截面的圆心；两个所述第一圆管组件分别位于两个所述纤芯区内，且两个所述第一圆管组件的横截面以x轴为对称轴呈镜像对称，能够有效解决双芯空心反谐振光纤的两对称纤芯因距离过长而导致的双芯空心反谐振光纤偏振分束器的整体长度变长等问题，能够有效缩短双芯空心反谐振光纤的两对称纤芯的距离，进而能够有效降低双芯空心反谐振光纤偏振分束器的整体长度，实现超宽工作带宽以及良好单模运转特性，能够提高偏振分束器的适用广泛性。
33.本技术的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本技术的实践而获知。本技术的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
34.本领域技术人员将会理解的是，能够用本技术实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本技术能够实现的上述和其他目的。
附图说明
35.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本技术的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本技术的原理。为了便于示出和描述本技术的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本技术
实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
36.图1为本技术一实施例中的双芯空心反谐振光纤的结构示意图。
37.图2为本技术一实施例中的双芯空心反谐振光纤中各结构参数的标识示意图。
38.图3为本技术另一实施例中的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法的第一种流程示意图。
39.图4为本技术另一实施例中的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法的第二种流程示意图。
40.图5为本技术另一实施例中的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建装置的结构示意图。
41.图6为本技术应用实例中提供的在波长1.55μm处，耦合长度及两偏振态耦合长度差随第一圆管的内径d2的变化示意图。
42.图7为本技术应用实例中提供的在波长1.55μm处，光纤的限制损耗和高阶模消光比随第一圆管3的内径d2的变化示意图。
43.图8为本技术应用实例中在波长1.55μm处，耦合长度、耦合长度差和两椭圆管之间的间距随椭圆管的长轴da的变化示意图。
44.图9为本技术应用实例中提供的在波长1.55μm处，限制损耗和高阶模损耗比随椭圆管的长轴da的变化示意图。
45.图10为本技术应用实例中提供的波长为1.55μm时，光纤耦合长度以及两耦合长度之差随椭圆管的椭圆率的变化示意图。
46.图11为本技术应用实例中提供的在波长1.55μm处，限制损耗和高阶模损耗比随椭圆管椭圆率e的变化示意图。
47.图12为本技术应用实例中提供的x、y偏振态耦合长度以及两偏振态间偶和长度差随波长的变化关系图。
48.图13为本技术应用实例中提供的光纤长度为8.15cm时，第一纤芯区a和第二纤芯区b中归一化功率随光在光纤中传输距离的变化关系图。
49.图14为本技术应用实例中提供的消光比随波长的变化关系图。
50.图15为本技术应用实例中提供的光纤限制损耗和高阶模消光比随波长的变化关系图。
51.其中，附图标号如下：
52.1、外包层圆管；
53.2、椭圆管；
54.a、第一纤芯区；
55.b、第二纤芯区；
56.3、第一圆管；
57.4、第二圆管；
58.5、第三圆管。
具体实施方式
59.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对
本技术做进一步详细说明。在此，本技术的示意性实施方式及其说明用于解释本技术，但并不作为对本技术的限定。
60.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本技术，在附图中仅仅示出了与根据本技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本技术关系不大的其他细节。
61.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
62.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
63.在下文中，将参考附图描述本技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
64.在本技术的一个或多个实施例中，所述空心反谐振光纤是指空心光纤的一种，基于限制耦合导光机制，将光束缚在空心中传播；所述偏振分束器是一种基础光纤器件，可将一束光分离成x，y单一偏振态的光。
65.参见图1，为了解决现有的双芯空心反谐振光纤存在的光纤两对称纤芯距离过长而导致器件长度变长等问题，本技术实施例提供一种双芯空心反谐振光纤，所述双芯空心反谐振光纤可作为双芯空心反谐振光纤偏振分束器适用，该双芯空心反谐振光纤具体包含有如下内容：内包层组件，以及，套设在所述内包层组件之外的外包层圆管1；
66.所述内包层组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个椭圆管2和两个第一圆管3组件，且每个所述椭圆管2内均设有第二圆管4组件；各个所述椭圆管2和各个所述第一圆管3组件均与所述外包层圆管1相切；
67.两个所述椭圆管2的横截面以y轴为对称轴呈镜像对称，且两个所述椭圆管2的长轴均沿x轴延伸以将所述外包层圆管1的内部划分为两个对称的纤芯区，其中，所述x轴和y轴对应的直角坐标系原点为所述双芯空心反谐振光纤的横截面的圆心；
68.两个所述第一圆管3组件分别位于两个所述纤芯区内，及第一纤芯区a和第二纤芯区b，且两个所述第一圆管3组件的横截面以x轴为对称轴呈镜像对称。
69.可以理解的是，现有的双芯空心反谐振光纤在在x轴上设置两个大圆管，这种方式会使得光纤两对称纤芯距离过长，进而导致器件长度变长，因此会导致其使用场景受限，并会提高其生产成本。因此，为了解决这一问题，本技术实施例提供的双芯空心反谐振光纤，通过设置两个椭圆管2，且两个所述椭圆管2的横截面以y轴为对称轴呈镜像对称，且两个所述椭圆管2的长轴均沿x轴延伸以将所述外包层圆管1的内部划分为两个对称的纤芯区以解决该上述问题，并起到缩短纤芯距离进而减小器件长度的效果。
70.从上述描述可知，本技术实施例提供的双芯空心反谐振光纤，能够有效缩短双芯空心反谐振光纤的两对称纤芯的距离，进而能够有效降低双芯空心反谐振光纤偏振分束器的整体长度，实现超宽工作带宽以及良好单模运转特性，能够提高偏振分束器的适用广泛性。
71.为了进一步解决现有的双芯空心反谐振光纤存在的光纤限制损耗大、无法实现光纤单模运转的问题，在本技术实施例提供的双芯空心反谐振光纤中，所述第一圆管3组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第一圆管3和两个第二圆管4，且所述第一圆管3的内
径大于所述第二圆管4的内径；
72.两个所述第二圆管4间隔设置在两个所述第一圆管3之间，且每个所述第一圆管3和第二圆管4均与所述外包层圆管1相切。
73.可以理解的是，现有的双芯空心反谐振光纤在每一个纤芯区中分别设置3个小圆管，会使得双芯空心反谐振光纤存在光纤限制损耗大、无法实现光纤单模运转问题，因此，本技术实施例通过在每个纤芯区中均设置互相之间非接触式平行设置的两个第一圆管3和两个第二圆管4，能够有效降低双芯空心反谐振光纤的光纤限制损耗，并能够支持光纤单模运转。
74.为了在同样达到减小光纤限制损耗效果的同时，进一步缩短器件长度，在本技术实施例提供的双芯空心反谐振光纤中，所述第二圆管4组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第三圆管5，且所述第三圆管5的内径小于所述第二圆管4的内径；
75.两个所述第三圆管5以自身所在的所述椭圆管2的长轴为对称轴呈镜像对称，且每个所述第三圆管5均沿所述椭圆管2的短轴延伸，每个所述第三圆管5的内壁均与所述椭圆管2相切。
76.可以理解的是，现有的双芯空心反谐振光纤通常在沿x轴设置的大圆管里设置1个小管，可有效降低光纤限制损耗，但这样会进一步导致器件长度增长的问题，而本技术实施例通过在椭圆管中设置互相之间非接触式平行设置的两个第三圆管5，相较于现有技术，能够在同样达到减小光纤限制损耗效果的同时，进一步缩短双芯空心反谐振光纤的长度。
77.为了进一步满足光纤偏振分束器对带宽、器件长度、分光比以及单模运转条件的要求，在本技术实施例提供的双芯空心反谐振光纤中，所述第二圆管4的内径、所述第一圆管3的内径、所述第三圆管5的内径、所述椭圆管2的长轴、短轴和椭圆率分别预先基于各自对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据而确定。这样能够有效提高双芯空心反谐振光纤的双芯空心反谐振光纤中，所述第二圆管4的内径、所述第一圆管3的内径、所述第三圆管5的内径、所述椭圆管2的长轴、短轴和椭圆率的数值选取的可靠性和有效性，进而提高偏振分束器的应用性能。
78.为了进一步满足光纤偏振分束器对带宽、器件长度、分光比以及单模运转条件的要求，在本技术实施例提供的双芯空心反谐振光纤中，所述外包层圆管1的内半径、以及所述第二圆管4、第一圆管3、第三圆管5和椭圆管2的管壁厚度预先基于所述双芯空心反谐振光纤的尺寸、耦合长度及工作波长范围确定。这样能够有效提高双芯空心反谐振光纤的外包层圆管1的内半径、以及所述第二圆管4、第一圆管3、第三圆管5和椭圆管2的管壁厚度的数值选取的可靠性和有效性，进而提高偏振分束器的应用性能。
79.在此基础上，经过大量的实验及验证，在本技术实施例提供的双芯空心反谐振光纤中，如图2所示的所述双芯空心反谐振光纤的各个结构参数的优选值如下：
80.(1)所述第二圆管4的内径d1为12.2μm；
81.(2)所述第一圆管3的内径d2为14.6μm；
82.(3)所述第三圆管5的内径ds为4μm；
83.(4)所述椭圆管2的长轴da为28.8μm，
84.(5)所述椭圆管2的短轴db为10μm，
85.(6)所述椭圆管2的椭圆率e为0.35。
86.(7)所述外包层圆管1的内半径rn为30μm；
87.(8)所述第二圆管4、第一圆管3、第三圆管5和椭圆管2的管壁厚度t相同，均为0.53μm。
88.可以理解的是，以上的所述双芯空心反谐振光纤的各个结构参数的优选值仅为本技术的较佳实施方式，微调结构或调整结构参数的值也在本技术提及的双芯空心反谐振光纤的适用范围内。
89.也就是说，本技术实施例提供的可以作为宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的双芯空心反谐振光纤，所述双芯空心反谐振光纤主体为外包层圆管1与内包层的十管无接触的圆管及椭圆管2，所述内包层与外包层相切，且相切点沿外包层内壁等间距对称分布；所述分束器结构关于x轴、y轴均为对称结构；所述内包层结构包括两种尺寸的圆管以及一种尺寸的椭圆管2，大尺寸圆管(第一圆管3)介于小尺寸圆管(第二圆管4)与椭圆管2之间；所述椭圆管2位于分束器x轴上，将纤芯区域隔离成对称的第一纤芯区a和第二纤芯区b，椭圆管2中含有两个小圆管(即第三圆管5)，所述小圆管位于椭圆管2短轴上，且相切于椭圆管；所述双芯空心反谐振光纤的管壁材料均可以采用纯石英玻璃，所述内包层的所有圆管与椭圆管2的管壁厚度均相同。外包层圆管1的半径rn取30μm；内包层的第二圆管4的管内直径d1取12.2μm；内包层的第一圆管3的管内直径d2取14.6μm；管壁厚度t取0.53μm；椭圆管2的短轴db取10μm，长轴da取28.8μm；椭圆管2内的第三圆管5的管内直径ds取4μm。
90.也就是说，针对现有的双芯空心反谐振光纤偏振分束器，耦合长度长达35cm，且未考虑器件的工作带宽、单模运转条件等问题，本技术实施例针对光纤偏振分束器对带宽、器件长度、分光比以及单模运转条件的要求，提出了一种内包层无节点的双芯空心反谐振光纤。
91.为了进一步提高宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建过程的可靠性及效率，基于前述实施例提供的宽带双芯空心反谐振光纤，本技术还提供一种宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法的实施例，参见图3，所述宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法具体包含有如下内容：
92.步骤100：将所述的双芯空心反谐振光纤的各个结构参数分别划分至第一结构参数组和第二结构参数组中。
93.步骤200：针对所述第一结构参数组中的结构参数，以各个结构参数分别对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据对各个结构参数进行赋值；并对所述第二结构参数组中的结构参数进行赋值，以得到包含有结构参数赋值后的所述双芯空心反谐振光纤的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器。
94.其中，为了进一步提高述第一结构参数组的数值选取的可靠性和有效性，进而提高偏振分束器的应用性能，在本技术实施例提供的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法中，所述第一圆管3组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第一圆管3和两个第二圆管4；所述第二圆管4组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第三圆管5；所述第一结构参数组包括：所述第二圆管4的内径d1、所述第一圆管3的内径d2、所述第三圆管5的内径ds、所述椭圆管2的长轴da、短轴db和椭圆率e；参见图4，所述宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法中的步骤200具体包含有如下内容：
95.步骤210：为所述第二圆管的内径d1、所述第一圆管的内径d2、所述第三圆管的内径ds
、所述椭圆管的长轴da、短轴db和椭圆率e分别设置初始值；
96.步骤220：赋值步骤：在所述第一结构参数组中的各个结构参数中择一作为当前的目标参数，并固定其他结构参数的初始值；为目标参数依次赋不同的值，并针对目标参数的每一个值和其他结构参数的初始值，均采用基于有限单元法的多物理场仿真方式对所述双芯空心反谐振光纤进行仿真模拟计算，以得到所述目标参数的每一个值对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据，并基于该特性影响数据在所述目标参数的各个值中选取最优值，将所述目标参数的取值确定为该最优值；
97.步骤230：判断当前所述第一结构参数组中各个结构参数是否均已被赋予最优值，若否，则返回执行所述赋值步骤，直至所述第一结构参数组中的所有结构参数均已被赋予各自对应的最优值。
98.为了进一步提高述第二结构参数组的数值选取的可靠性和有效性，进而提高偏振分束器的应用性能，在本技术实施例提供的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法中，所述第二结构参数组包括：所述外包层圆管1的内半径rn、以及所述第二圆管4、第一圆管3、第三圆管5和椭圆管2的相同的管壁厚度t；参见图4，所述宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法中的步骤200还具体包含有如下内容：
99.步骤240：基于预获取的所述双芯空心反谐振光纤的尺寸、耦合长度及工作波长范围数据，分别确定所述外包层圆管的内半径rn和管壁厚度t的值。
100.从软件层面来说，本技术还提供一种用于执行所述双芯空心反谐振光纤中全部或部分内的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建装置，参见图5，所述宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建装置具体包含有如下内容：
101.结构参数划分模块10，用于将所述的双芯空心反谐振光纤的各个结构参数分别划分至第一结构参数组和第二结构参数组中。
102.结构参数赋值模块20，用于针对所述第一结构参数组中的结构参数，以各个结构参数分别对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据对各个结构参数进行赋值；并对所述第二结构参数组中的结构参数进行赋值，以得到包含有结构参数赋值后的所述双芯空心反谐振光纤的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器。
103.本技术提供的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建装置的实施例具体可以用于执行上述实施例中的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法的实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法的实施例的详细描述。
104.为了进一步说明本方案，本技术还提供一种宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建的具体应用实例，具体包含有如下内容：
105.s1：设置双芯光纤的新型结构，对应前述实施例提及的双芯空心反谐振光纤的结构改进部分；
106.s2：设置双芯空心反谐振光纤的上述新型结构对应的部分初始结构参数；
107.例如：将双芯空心反谐振光纤的初始结构参数设定为：第二圆管4的内径d1为12.2μm；所述第一圆管3的内径d2为14.6μm；所述第三圆管5的内径ds为4μm；所述椭圆管2的长轴da为28.8μm，所述椭圆管2的短轴db为10μm，所述椭圆管2的椭圆率e为0.35。
108.s3：在s2设定初始值的各个结构参数中先确定一个目标参数，固定光纤其他初始
结构参数，研究目标参数对光纤特性的影响，以分别确定各个参数各自的最优参数值，具体来说：
109.(1)使用基于有限单元法的comsol软件(多物理场仿真平台)对光纤进行模拟计算，确定包层管的直径对光纤基模及高阶模限制损耗的影响，并将得到的x、y偏振态基模和偶模的有效折射率，带入下述的公式(1)，以确定包层管的直径d2对光纤耦合长度的影响，以确定第一圆管3的内径d2的最优值；
110.(2)使用基于有限单元法的comsol软件对光纤进行模拟计算，确定椭圆管长轴直径da对两椭圆管之间的间隙的影响，并考虑单模运转特性及光纤限制损耗，以确定椭圆管2的长轴da的最优值；
111.(3)使用基于有限单元法的comsol软件对光纤进行模拟计算，确定椭圆管椭圆率e对光纤耦合长度的影响，并以优化光纤的单模特性为目标，确定椭圆管2的椭圆率e的最优值；
112.(4)第二圆管4的内径d1变化对光纤耦合长度及限制损耗的影响，与第一圆管3的内径d2的影响相似，确定第二圆管4的内径d1最优值。
113.s4：考虑光纤的尺寸、耦合长度及光纤的工作波长范围，将光纤的外包层圆管1的内半径rn为30μm及管壁厚度t分别预设为rn＝30μm和t＝0.53μm。
114.其中，针对步骤s3的具体说明如下：
115.根据耦合模理论，双芯光纤中存在四个超模，包括x偏振态奇模和偶模、y偏振态奇模和偶模。光在沿光纤传输时，相同偏振态的模式将会在两个纤芯进行周期性的转移。耦合长度表示某个偏振态的光从一个纤芯完全转移到另一个纤芯时，在光纤中传输的长度。如以下公式所示：
[0116][0117]
其中，λ为自由空间波长，和分别表示x、y偏振态基模的有效折射率(x偏振态和y偏振态的基模的有效折射率)和x、y偏振态偶模的有效折射率(即：x偏振态和y偏振态的偶模的有效折射率)。
[0118]
当入射光沿着光纤传输时，能量将从一个纤芯耦合到另一个纤芯。如果功率为pin的光入射到纤芯a，则归一化输出功率可以通过以下公式计算：
[0119][0120][0121]
其中，和分别为光纤输出端的第一纤芯区a和第二纤芯区b中的能量，和分别为光纤输出端第一纤芯区a中x和y偏振态光的能量，和分别为光纤输出端第二纤芯区b中x和y偏振态光的能量，和分别为入射光中x和y偏振态的能量。
[0122]
当传输距离设定为l时，x、y偏振态对应的耦合系数c
x
和cy定义为：
[0123][0124]
[0125]
其中，为光波波数，分别为x偏振态的偶模、奇模和y偏振态的偶模、奇模对应的折射率。和分别为x和y偏振态光对应的耦合长度。
[0126]
消光比作为衡量偏振分束器性能的重要参数之一，定义为同一纤芯中一个偏振态光和另一偏振态光之间的归一化功率之比，主要是用来描述两个偏振光束的分离程度：
[0127][0128]
其中，和分别代表了在输出端口的第一纤芯区a中，x偏振光的能量和y偏振光的能量。当消光比的值大于20db时，输出端口上的第一纤芯区a中的y偏振光的能量是x偏振光能量的100多倍，此时，一般认为该偏振分束能够具有良好的工作效果。因此，一般认为消光比大于20db的波长范围即为偏振分束器的工作带宽。
[0129]
通过固定光纤其他参数，研究其中某一参数对光纤特性的影响。将光纤的初始结构参数设定为：rn＝30μm，d1＝12.2μm，d2＝14.6μm，da＝28.8μm，e＝0.35和t＝0.53μm，研究所述第一圆管3的内径d2对光纤耦合长度和限制损耗的影响。从图6可以看出，光纤中x、y偏振态对应耦合长度及两偏振态之间耦合长度的差δlc均随所述第一圆管3的内径d2的增加而逐渐减小，但变化幅度较小。
[0130]
图7给出了在波长1.55μm处，光纤的限制损耗和高阶模消光比随第一圆管3的内径d2的变化。可以看出，纤芯中基模的限制损耗随包层管直径的增大缓慢增大，同时高阶模的限制损耗先增大后减小。图7中d2值为14和15之间部分与高阶模消光比为100的横线相接的区域表示高阶模消光比大于100的包层管直径范围，包层管直径在11.72μm到12.3μm范围内时，高阶模消光比大于100，且当d2＝14.6μm时，高阶模消光比达到最大值300。综上，大包层管直径d2最优值为14.6μm。
[0131]
在所提出光纤结构中，通过引入两个椭圆管将纤芯区域分成了两个对称的第一纤芯区a和第二纤芯区b。而两纤芯之间模式的耦合依赖于两个椭圆管之间的空气间隙。因此，椭圆管的尺寸和两椭圆管之间的间隙会显著影响光纤的耦合特性。从图8可以看出，固定其它结构参数不变，随着椭圆管2的长轴da的增加，两椭圆管之间的间距线性减小，即两椭圆管之间的间隙变窄。随着空气间隙变窄，两纤芯之间的耦合难度加大，耦合长度随之增大。且椭圆管长轴直径变化对x偏振态耦合长度的影响较大。
[0132]
从图9可以看出，基模的最高限制损耗先是随椭圆管长轴直径的增大而减小，当椭圆管2的长轴da大于28.4μm时，限制损耗基本保持不变。同时高阶模的最低限制损耗及高阶模消光比随椭圆管长轴直径的增大，变化趋势一致，均为先增加后减小。在11.3μm到12.8μm的波长范围内，高阶模消光比大于100。综合考虑单模运转特性及光纤限制损耗，椭圆管2的长轴da最优值为28.8μm。
[0133]
当光纤其它结构参数固定时，变化椭圆管的椭圆率，即变化所述椭圆管2的短轴db。图10为波长为1.55μm时，光纤耦合长度以及两耦合长度之差随椭圆管椭圆率的变化。当椭圆管长轴固定时，即两椭圆管之间的间距固定时，椭圆率的变化对两纤芯之间耦合通道影响较小，因此光纤椭圆管椭圆率对光纤耦合长度并无明显影响。
[0134]
从图11可以看出，高阶模消光比随椭圆率的增大，先增大后减小。因此，可以通过
调节椭圆管的椭圆率来优化光纤的单模特性。当椭圆管的椭圆率位于0.32到0.42之间时，光纤高阶模消光比大于100，并在e＝0.35时达到最大值。综合考虑，椭圆管的椭圆率最优值为0.35。
[0135]
根据前面的讨论，光纤结构参数最优值为：rn＝30μm，d1＝12.2μm，d2＝14.6μm，ds＝4μm，da＝28.8μm，e＝0.35和t＝0.53μm。在此光纤结构参数下，两偏振态的耦合长度以及两偏振态耦合长度差随波长的变化如图12所示，可以看出y偏振态的耦合长度远大于x偏振态。由于两偏振态耦合长度之间存在差异，可以使两偏振态的光在光纤中传输一定距离后发生分离。此外，两偏振态耦合长度的差值随波长的变化相对平坦，这意味着基于所提出双芯光纤的偏振分束器可以实现宽的带宽。
[0136]
将耦合长度带入公式(2)和公式(3)可得，当一束光从第一纤芯区a入射后，x偏振态光和y偏振态光沿光纤传输过程中的状态。x偏振态光和y偏振态光以各自的耦合速率在第一纤芯区a和第二纤芯区b中来回耦合。参见图13，两偏振态在纤芯a中对应的归一化功率与的之间的差距，以及两偏振态在纤芯b中对应的归一化功率与之间的差距均在8.15cm处达到最大值。因此，选取8.15cm长的本技术光纤用作光纤偏振分束器。
[0137]
采用公式(4)计算光纤x和y偏振态光消光比。如图14所示，该光纤在x和y偏振态光消光比高于20db的条件下，工作带宽为355nm，覆盖了从1.285μm至1.64μm的波长范围，该工作波段包含了1.31μm和1.55μm两个常用波长。
[0138]
如图15所示，该光纤在除靠近谐振波长处，基模损耗均在2db/m左右，较为平坦。同时高阶模的最低损耗维持在500db/m以上。在1.23μm到1.72μm的波长范围内高阶模消光比高于100。该波长范围覆盖了偏振分束器的整个工作波段，表明基于所提出的光纤的偏振分束器具有优良的单模特性。
[0139]
综上所述，通过本技术应用实例提供的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法构建的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器，在x和y偏振态光消光比高于20db的条件下，工作带宽为355nm，覆盖了从1.285μm至1.64μm的波长范围，该工作波段包含了1.31μm和1.55μm两个常用波长。
[0140]
本技术的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器在除靠近谐振波长处，损耗均在2db/m左右，较为平坦。同时高阶模的最低损耗维持在500db/m以上。在1.23μm到1.72μm的波长范围内高阶模消光比高于100。该波长范围覆盖了偏振分束器的整个工作波段，表明基于所提出的光纤的偏振分束器具有优良的单模特性。
[0141]
需要明确的是，本技术并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本技术的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本技术的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0142]
本技术中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征
[0143]
以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术实施例可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双芯空心反谐振光纤，其特征在于，包括：内包层组件，以及，套设在所述内包层组件之外的外包层圆管；所述内包层组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个椭圆管和两个第一圆管组件，且每个所述椭圆管内均设有第二圆管组件；各个所述椭圆管和各个所述第一圆管组件均与所述外包层圆管相切；两个所述椭圆管的横截面以y轴为对称轴呈镜像对称，且两个所述椭圆管的长轴均沿x轴延伸以将所述外包层圆管的内部划分为两个对称的纤芯区，其中，所述x轴和y轴对应的直角坐标系原点为所述双芯空心反谐振光纤的横截面的圆心；两个所述第一圆管组件分别位于两个所述纤芯区内，且两个所述第一圆管组件的横截面以x轴为对称轴呈镜像对称。2.根据权利要求1所述的双芯空心反谐振光纤，其特征在于，所述第一圆管组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第一圆管和两个第二圆管，且所述第一圆管的内径大于所述第二圆管的内径；两个所述第二圆管间隔设置在两个所述第一圆管之间，且每个所述第一圆管和第二圆管均与所述外包层圆管相切。3.根据权利要求2所述的双芯空心反谐振光纤，其特征在于，所述第二圆管组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第三圆管，且所述第三圆管的内径小于所述第二圆管的内径；两个所述第三圆管以自身所在的所述椭圆管的长轴为对称轴呈镜像对称，且每个所述第三圆管均沿所述椭圆管的短轴延伸，每个所述第三圆管的内壁均与所述椭圆管相切。4.根据权利要求3所述的双芯空心反谐振光纤，其特征在于，所述第二圆管的内径、所述第一圆管的内径、所述第三圆管的内径、所述椭圆管的长轴、短轴和椭圆率分别预先基于各自对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据而确定。5.根据权利要求4所述的双芯空心反谐振光纤，其特征在于，所述第二圆管的内径d1为12.2μm；所述第一圆管的内径d2为14.6μm；所述第三圆管的内径d
s
为4μm；所述椭圆管的长轴d
a
为28.8μm，短轴d
b
为10μm，椭圆率e为0.35。6.根据权利要求3所述的双芯空心反谐振光纤，其特征在于，所述外包层圆管的内半径、以及所述第二圆管、第一圆管、第三圆管和椭圆管的管壁厚度预先基于所述双芯空心反谐振光纤的尺寸、耦合长度及工作波长范围确定。7.根据权利要求6所述的双芯空心反谐振光纤，其特征在于，所述外包层圆管的内半径r
n
为30μm；所述第二圆管、第一圆管、第三圆管和椭圆管的管壁厚度t相同，均为0.53μm。8.一种宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法，其特征在于，包括：将如权利要求1至7任一项所述的双芯空心反谐振光纤的各个结构参数分别划分至第一结构参数组和第二结构参数组中；针对所述第一结构参数组中的结构参数，以各个结构参数分别对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据对各个结构参数进行赋值；并对所述第二结构参数组中的结构参数进行赋值，以得到包含有结构参数赋值后的所述双芯空心反谐振光纤的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器。
9.根据权利要求8所述的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法，其特征在于，所述第一圆管组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第一圆管和两个第二圆管；所述第二圆管组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个第三圆管；所述第一结构参数组包括：所述第二圆管的内径d1、所述第一圆管的内径d2、所述第三圆管的内径d
s
、所述椭圆管的长轴d
a
和椭圆率e；相对应的，所述针对所述第一结构参数组中的结构参数，以各个结构参数分别对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据对各个结构参数进行赋值，包括：为所述第二圆管的内径d1、所述第一圆管的内径d2、所述第三圆管的内径d
s
、所述椭圆管的长轴d
a
和椭圆率e分别设置初始值；赋值步骤：在所述第一结构参数组中的各个结构参数中择一作为当前的目标参数，并固定其他结构参数的初始值；为目标参数依次赋不同的值，并针对目标参数的每一个值和其他结构参数的初始值，均采用基于有限单元法的多物理场仿真方式对所述双芯空心反谐振光纤进行仿真模拟计算，以得到所述目标参数的每一个值对所述双芯空心反谐振光纤的特性影响数据，并基于该特性影响数据在所述目标参数的各个值中选取最优值，将所述目标参数的取值确定为该最优值；判断当前所述第一结构参数组中各个结构参数是否均已被赋予最优值，若否，则返回执行所述赋值步骤，直至所述第一结构参数组中的所有结构参数均已被赋予各自对应的最优值。10.根据权利要求9所述的宽带双芯空心反谐振光纤偏振分束器的构建方法，其特征在于，所述第二结构参数组包括：所述外包层圆管的内半径r
n
、以及所述第二圆管、第一圆管、第三圆管和椭圆管的相同的管壁厚度t；相对应的，所述对所述第二结构参数组中的结构参数进行赋值，包括：基于预获取的所述双芯空心反谐振光纤的尺寸、耦合长度及工作波长范围数据，分别确定所述外包层圆管的内半径r
n
和管壁厚度t的值。

技术总结
本申请提供一种双芯空心反谐振光纤及偏振分束器的构建方法，光纤包括：内包层组件，以及，套设在内包层组件之外的外包层圆管；内包层组件包括：互相之间非接触式平行设置的两个椭圆管和两个第一圆管组件，且每个椭圆管内均设有第二圆管组件；各个椭圆管和各个第一圆管组件均与外包层圆管相切；两个椭圆管的横截面以Y轴为对称轴呈镜像对称，且两个椭圆管的长轴均沿X轴延伸以将外包层圆管的内部划分为两个对称的纤芯区。本申请能够有效缩短双芯空心反谐振光纤的两对称纤芯的距离，进而能够有效降低双芯空心反谐振光纤偏振分束器的整体长度，实现超宽工作带宽以及良好单模运转特性，能够提高偏振分束器的适用广泛性。能够提高偏振分束器的适用广泛性。能够提高偏振分束器的适用广泛性。


技术研发人员：赵彤彤 林澄 王越 程秀忠 陈园园
受保护的技术使用者：中国兵器装备研究院
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/28