CN100460903C - 一种保持圆偏振态的低损耗单模空芯光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特殊光纤，特别是涉及一种能保持圆偏振态的低损耗单模空芯光纤。其特征在于：为实现光波长在可见光至近红外(0.65μm～1.55μm)范围的圆偏振态单模光纤，其结构参数的范围是：光纤芯半径：r₀＝3μm～8μm，高折射率层厚度：d₂＝0.3λ～0.4λ，空气层厚度：d₁＝2d₂～8d₂，Λ＝d₁+d₂＝0.9λ～3.6λ，高折射率：n₂＝1.3～1.8，低折射率：n₁＝1(空气)。本发明提供的一种保持圆偏振态的低损耗单模空芯光纤结构及其设计，使保持圆偏振态的单模光纤损耗有大幅度降低，从而在光纤陀螺、相干通信系统等领域可获得实际应用。

Description

一种保持圆偏振态的低损耗单模空芯光纤

技术领域

本发明涉及一种特殊光纤，特别是涉及一种能保持圆偏振态的低损耗单模空芯光纤。

背景技术

有一些光纤网络和系统，无论是线偏振光还是圆偏振光，要求传输的偏振态是稳定的。在标准的单模光纤中，支持两个简并的正交偏振模(HE₁₁模)，这种光纤在结构上的无规波动或受外力作用都能产生不对称性，破坏偏振简并性，导致偏振模色散和干涉仪的偏振衰落。而过去的保偏光纤，如领结型、熊猫型、椭圆型、“一”字型和类矩型等保偏光纤，以及近几年发展的光子晶体高双折射光纤，都是一种保持线偏振态的单模光纤，这种光纤在相互连接时，双折射轴需要精确对准，如果两边保偏光纤主轴稍微错开了几度，往往也会影响光纤网络系统的正常运行。

由于圆偏振光传输比线偏振光传输具有很多优点，如圆偏振光传输可以给光纤连接、耦合和某些传感应用带来极大方便，因此早在1980年，法国光纤专家L.Jeunhomme和M.Monerie在期刊Electron.Lett.，Vol.16，No.24，PP.921-922上提出过用圆偏振光取代线偏振光的设想。70年代末至80年代初，曾有一种制备保持圆偏振光的方法，它是在“冷”状态下将光纤硬行旋扭，从而可以产生一定的保持圆偏振态功能，但由于光纤玻璃材料的强度限制，硬扭过头会使光纤断裂，操作极不方便，且硬扭状态难以保持，所以没有付诸大量实际应用。90年代上海大学黄宏嘉院士曾致力于这方面的研究和开发[黄宏嘉，中国发明专利CN92108598.2，CN92113821.0]，提出了保持圆偏振态光纤及其制备方法：在所用预制棒中含有一根或一根以上偏离中心轴线的应力作用柱体，在光纤热拉丝过程中，旋转此预制棒，即将应力柱体拉成螺旋线，从而制出所需的圆双折射光纤(即保圆光纤)。如能做到使光纤的圆双折射远大于残余线双折射，则此光纤即成为具有实用性的保持圆偏振态光纤[黄宏嘉，中国发明专利CN01132102.4]。2002年，I.M.Bassett和A.Argyros设计了一种支持单偏振模的空芯布拉格光纤[Opt.Express Vol.10，No.23，PP.1342-1346]；2004年，A.Argyros等人进一步报道了这种支持单偏振圆对称模的空芯环形结构布拉格光纤[Opt.Lett.Vol.29，No.1，PP.20-22]，包层由环内两个孔中心的间距Λ_i＝0.403μm、环间两个孔中心的间距Λ_e＝0.578μm、孔直径d＝0.335μm的孔环组成，芯半径r_co＝2.89μm，假定基质材料是无损耗的，折射率为1.49。在9个环时，最低损耗模(TE₀₁模)与第二个最低损耗模(TE₀₂模)之间束缚损耗差约70倍，TE₀₁模的束缚损耗约为0.83dB/m，TE₀₂模的束缚损耗约为57dB/m，所以在长度0.7m与24m之间完全是单模的。但是如果把TE₀₁模在最低损耗波长940nm处材料聚甲基丙烯酸甲酯(折射率为1.49)的吸收损耗(约4500dB/km)考虑进去，则TE₀₁模的传输损耗太大，单模传输长度很短，因而无广泛实用价值。

针对上述问题，本专利申请的发明人于2005年3月25日向中国国家知识产权局提出了名称为“蜘蛛网状空芯光纤”(专利申请号200510060031.7)的专利申请，并于2006年4月19日公开。这种蜘蛛网状空芯光纤由纤芯区(I)、包层(II)和外包层(III)组成，其特征是：纤芯区(I)为空气，包层(II)为若干同心圆的单一材料和空气交替层以及由截面上对称分布若干支撑条构成的蜘蛛网状结构，交替层的层数N＝4～6，支撑条的数量m＝6～12，支撑条的宽度W_s＝λ/3～λ/30，λ为光纤传输的光波长。这种结构增加了可实现性，扩展了可制作光纤的品种和可传输的光谱范围。

这里对单模长度范围的计算需要加以说明。每个模式可用两个长度来表征：一个是该模式传输功率降为1％(即传输功率有20dB的损耗)的长度L_1％，另一个是该模式的功率降为0.01％(即传输功率有40dB的损耗)的长度L_0.01％。对最低损耗导模(TE₀₁模)用L_max＝L_1％表示，对第二个最低损耗导模(TE₀₂模)用L_sm＝L_0.01％表示，光纤单模长度范围在L_sm和L_max之间。上述文献及本专利均用此方法计算。

发明内容

本发明的目的是提供一种保持圆偏振态的低损耗单模空芯光纤结构及其设计，使保持圆偏振态的单模光纤损耗有大幅度降低，从而在光纤陀螺、相干通信系统等领域可获得实际应用。

本发明所采用的技术方案是：为实现光波长在可见光至近红外(0.65μm～1.55μm)范围的圆偏振态单模光纤，其结构参数范围是：光纤芯半径(r₀)＝3μm～8μm，高折射率层厚度(d₂)＝0.3λ～0.4λ(λ为光纤传输的光波长)，空气层厚度(d₁)＝2d₂～8d₂，Λ＝d₁+d₂＝0.9λ～3.6λ，高折射率(n₂)＝1.3～1.8，低折射率(n₁)＝1(空气)。

为了进行比较，从而说明本申请所述结构的有效性，先计算一种与上面文献[Opt.Lett.Vol.29，No.1，PP.20-22]结构参数类似的光纤。设r₀＝2.89μm，n₂＝1.49，n₁＝1，d₂＝0.25μm，d₁＝0.625μm，Λ＝d₁+d₂＝0.875μm，我们同样假定基质材料是无损耗的。计算结果表明TE₀₁模的最低损耗波长在0.79μm处，当N＝6、5和4时，TE₀₁模在0.79μm处的束缚损耗分别为8.953×10^-4dB/μm、1.911×10^-2dB/m和0.408dB/m；而TE₀₂模(第二个最低损耗模)在0.79μμm处的束缚损耗分别为2.054dB/m、15.62dB/m和118.8dB/m。TE₀₂模损耗与TE₀₁模损耗之比达到2294倍(N＝6)、817倍(N＝5)和291倍(N＝4)。所以在长度19m与22.4km之间(N＝6)、25m与1.05km之间(N＝5)和33cm与49m之间(N＝4)完全是单模的。显然我们的结果，无论是TE₀₁模的损耗值、还是TE₀₂模与TE₀₁模损耗值之间差，都要远远优于文献值。即使包层只用4层，TE₀₁模的束缚损耗要比文献用9个环时还低一倍，而TE₀₂模与TE₀₁模损耗值之间差要大4倍多。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。

图1为保持圆偏振态单模空芯光纤的结构图；

图2为保持圆偏振态单模空芯光纤的折射率分布图。

在图1、图2中，n₁＝1(空气)，n₂为介质材料的折射率，d₁为空气层的厚度，d₂为介质层的厚度，r₀为空芯半径，Λ＝d₁+d₂为每个交替层的厚度。

具体实施方式

实施例1

在本实施例中，要实现如图1所示结构的保持圆偏振态单模空芯光纤，结构参数为r₀＝3μm、n₁＝1、n₂＝1.49、d₂＝0.25μm、d₁＝0.75μm，假定基质材料是无损耗的。TE₀₁模的最低束缚损耗位于波长0.80μm处。当N＝6、5和4时，在λ＝0.80μm处TE₀₁模的束缚损耗分别为0.2232dB/km、5.893dB/km和155.6dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝0.80μm处的束缚损耗分别为4502dB/km、28690dB/km和182800dB/km。所以在长度8.9m与89.6km之间(N＝6)、1.4m与3.4km之间(N＝5)和22cm与129m之间(N＝4)完全是单模的。

实施例2

在本实施例中，要实现如图1所示结构的保持圆偏振态单模空芯光纤，结构参数为r₀＝4.5μm、n₁＝1、n₂＝1.49、d₂＝0.25μm、d₁＝0.75μm，假定基质材料是无损耗的。TE₀₁模的最低束缚损耗位于波长0.78μm处。当N＝6、5和4时，在λ＝0.78μm处TE₀₁模的束缚损耗分别为0.0155dB/km、0.5198dB/km和17.43dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝0.78μm处的束缚损耗分别为1.747dB/km、35.67dB/km和728.5dB/km。所以在长度22.9km与1290km之间(N＝6)、1.1km与38.5km之间(N＝5)和55m与1148m之间(N＝4)完全是单模的。

实施例3

在本实施例中，要实现如图1所示结构的保持圆偏振态单模空芯光纤，结构参数为r₀＝6μm、n₁＝1、n₂＝1.49、d₂＝0.25μm、d₁＝0.75μm，假定基质材料是无损耗的。TE₀₁模的最低束缚损耗位于波长0.78μm处。当N＝6、5和4时，在λ＝0.78μm处TE₀₁模的束缚损耗分别为0.003996dB/km、0.1456dB/km和5.303dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝0.78μm处的束缚损耗分别为0.1136dB/km、3.194dB/km和89.77dB/km。所以在长度352km与5005km之间(N＝6)、12.5km与137.4km之间(N＝5)和446m与3.8km之间(N＝4)完全是单模的。

实施例4

在本实施例中，要实现如图1所示结构的保持圆偏振态单模空芯光纤，结构参数为r₀＝3.5μm、n₁＝1、n₂＝1.30、d₂＝0.30μm、d₁＝0.75μm，假定基质材料是无损耗的。TE₀₁模的最低束缚损耗位于波长0.71μm处。当N＝6、5和4时，在λ＝0.71μm处的TE₀₁模束缚损耗分别为0.5227dB/km、11.22dB/km和240.7dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝0.71μm处的束缚损耗分别为1059dB/km、8255dB/km和64360dB/km。所以在长度37.8m与38.3km之间(N＝6)、4.8m与1.78km之间(N＝5)和62cm与83m之间(N＝4)完全是单模的。

实施例5

在本实施例中，要实现如图1所示结构的保持圆偏振态单模空芯光纤，结构参数为r₀＝3.5μm、n₁＝1、n₂＝1.75、d₂＝0.30μm、d₁＝0.75μm，假定基质材料是无损耗的。TE₀₁模的最低束缚损耗位于波长1.23μm处。当N＝6、5和4时，在λ＝1.23μm处的TE₀₁模束缚损耗分别为0.9177dB/km、19.7dB/km和423.1dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝1.23μm处的束缚损耗分别为1895dB/km、14850dB/km和116300dB/km。所以在长度21m与21.8km之间(N＝6)、2.7m与1015m之间(N＝5)和34cm与47m之间(N＝4)完全是单模的。

实施例6

在本实施例中，要实现如图1所示结构的保持圆偏振态单模空芯光纤，结构参数为r₀＝8μm、n₁＝1、n₂＝1.45、d₂＝0.48μm、d₁＝1.92μm，假定基质材料是无损耗的。当N＝6、5和4时，在λ＝1.30μm处的TE₀₁模束缚损耗分别为0.003253dB/km、0.1266dB/km和4.926dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝1.30μm处的束缚损耗分别为36.09dB/km、379.2dB/km和3984dB/km。所以在长度1.1km与6148km之间(N＝6)、106m与158km之间(N＝5)和10m与4.1km之间(N＝4)完全是单模的。

当N＝6、5和4时，在λ＝1.55μm处的TE₀₁模束缚损耗分别为0.001597dB/km、0.07359dB/km和3.391dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝1.55μm处的束缚损耗分别为3.579dB/km、60.3dB/km和1016dB/km。所以在长度11.2km与12524km之间(N＝6)、663m与272km之间(N＝5)和39m与5.9km之间(N＝4)完全是单模的。

实施例7

在本实施例中，要实现如图1所示结构的保持圆偏振态单模空芯光纤，结构参数为r₀＝6μm、n₁＝1、n₂＝1.49、d₂＝0.21μm、d₁＝0.84μm，假定基质材料是无损耗的。TE₀₁模的最低束缚损耗位于波长0.66μm处。当N＝6、5和4时，在λ＝0.66μm处的TE₀₁模束缚损耗分别为0.0001555dB/km、0.00917dB/km和0.5406dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝0.66μm处的束缚损耗分别为0.005912dB/km、0.256dB/km和11.09dB/km。

考虑和加上材料聚甲基丙烯酸甲酯(折射率为1.49)在λ＝0.66μm的吸收损耗(100dB/km)后，则TE₀₁模在该波长的传输损耗(即束缚损耗加上材料吸收损耗)分别为0.1958dB/km，0.2048dB/km和0.7362dB/km；而第二个最低损耗模(TE₀₂模)在λ＝0.66μm处的束缚损耗分别为1.238dB/km、1.488dB/km和12.32dB/km。所以在长度32.3km与102.2km之间(N＝6)、26.9km与97.7km之间(N＝5)和3.2km与27.2km之间(N＝4)完全是单模的。

按照各种应用对性能(如单模传输长度及范围、波长、温度及力学性能等)的实际需要，可以选择不同的基质材料，灵活改变一些结构参数。

制造本发明的保圆单模光纤，可利用现成的一些设备和工艺。如目前已有的两步法：先用各种方法(超声钻孔法、挤出法和注塑法等)做成预制棒，然后再拉成所需直径的光纤；也可用本申请同一申请人的专利申请03108794.9中的连续制造方法(一步法)。这种光纤结构可以采用吸收损耗较低的材料作为基质材料，如各种塑料、低熔点多组分玻璃以及各种复合材料。

根据本发明的上述基本结构和参数，本领域有经验的人员还可对此作出各种变换和修改，但这种变换和修改均属于本发明的范围。

Claims (1)

1.一种保持圆偏振态的低损耗单模空芯光纤，其纤芯区(I)为空气、包层(II)为若干同心圆的单一材料和空气交替层以及由截面上对称分布若干支撑条构成的蜘蛛网状结构，交替层的层数N＝4～6，支撑条的数量m＝6～12，支撑条宽度W_s＝λ/3～λ/30，其特征在于：为实现光波长在可见光至近红外范围的圆偏振态单模光纤，其结构参数的范围是：

光纤芯半径：r₀＝3μm～8μm；

高折射率层厚度：d₂＝0.3λ～0.4λ；

空气层厚度：d₁＝2d₂～8d₂；

Λ＝d₁+d₂＝0.9λ～3.6λ；

高折射率：n₂＝1.3～1.8；

低折射率：n₁＝1空气；

其中：λ—为光纤传输的光波长。

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