CN101071189A - 光导纤维 - Google Patents

Abstract

光导纤维，主要涉及光纤通信技术。本发明包括有第一导光单元和第二导光单元，第二导光单元分布于第一导光单元的外场区域中，并且被第一导光单元的气孔包围。本发明的有益效果是，具有很大的单位长度色散补偿量，和灵活的色散补偿斜率设计。PCF包层的特殊结构可以使设计者通过改变包层空气孔的结构参量(例如空气孔的直径及空气孔间距)可灵活地改变光纤横截面的折射率分布，从而设计出具有不同色散性质的光纤。

Description

光导纤维

技术领域

本发明涉及光纤通信技术。

背景技术

在光纤通信中，存在不同程度的色散问题。色散是指不同频率或不同模式的光波在光纤中的群时延差引起的光脉冲展宽现象。由于光纤数字通信传输的是一系列光脉冲码，当光脉冲沿光纤传输时，色散使得光信号脉冲展宽，导致临近的脉冲有一部分相互重叠，从而使两个相邻脉冲不能被接受装置正确识别从而造成系统误码，影响通信质量。为了限制码间干扰，必须使色散引起的脉冲展宽限制在一定范围之内，当色散引起的光信号脉冲的展宽大于0.3倍的输入脉宽时，便使得光接收机灵敏度急剧下降、均衡困难、误码率增加。因此要想保证通信质量必须加大码间距，这就不得不付出降低码速率、减少通信容量的代价。

另外色散随着光脉冲传输距离的增加将越来越严重，也必须减小中继距离以保证通信的质量，可见纤色散对通信系统的无中继传输距离、传输速率和传输容量都有重要的限制。可是，目前全世界铺设的上亿公里的通信光纤大部分为G.652标准单模光纤，包括我国“八纵八横”的主要光纤通信干线。G.652光纤在1550nm处有很低的损耗，但其零色散点位于1310nm附近，而在1550nm处却有约17ps/km/nm的色散，显然G.652光纤的色散问题已成为对已有光纤通信系统进行升级的主要障碍，如何解决G.652光纤的色散补偿问题也就成了重要的研究课题。另外，就算采用新型的非零色散位移光纤进行长距离传输，若单信道的传输速率不断提高，在距离超过一定长度时，由于的色散累积效应，也可能限制系统的性能，此时也应采用对待G.652光纤传输系统的类似方法，适当进行色散补偿。

目前，对于光纤的色散问题已经提出了一些技术方案来解决，如色散补偿光纤(DCF)法、激光预啁啾法、中点光谱反转法、色散管理传输法和啁啾光纤光栅法[26]等。在已提出的这些技术方案中，色散补偿光纤(DCF)补偿法因为其具有安装灵活方便、可靠性好、性能稳定和与常规光纤兼容等众多优点而成为目前最成熟、工程上使用最广泛的技术。其基本原理如下，如果工作波长处的信号光在常规G.652光纤中传输一定距离后所要积累的色散大小为D_transmission，而在一定长度的DCF中传输后所要积累的色散大小D_compensation，那么信号光的总色散大小D_total就可用下式来表示。

D_total＝D_transmission+D_compensation    (1)

由此可见，如果DCF在工作波长处具很大的和常规G.652光纤符号相反的色散系数，那么就可用很短的一段DCF来补偿较长常规G.652光纤所产生色散，使总的色散最小，从而保证工作波长处的光信号可以被无畸变地正确接收。如果对多个波长的光波进行补偿，则由于不同波长的光波在经过传输光纤后有不同的色散积累，要使所有波长的色散都最小，那么就要求DCF有合适的色散斜率系数。

尽管色散补偿光纤(DCF)补偿法具有上述的优点，但同时应该注意到，DCF单位长度补偿量低，一般DCF每公里色散补偿值约为几百ps/nm的量级。另外DCF插入损耗较大，色散补偿后需要用光放大器来进行损耗补偿，成本增加。还有就是DCF与标准光纤相比，纤芯直径更细，而且折射率差也较大，所以折射率分布不好控制，制作也更加困难。为了充分发挥光纤补偿的优点，克服当前DCF作为补偿光纤的不足，寻找一种新型的能够实现色散补偿的光纤可以成为努力的方向之一。

以下对与本发明所需借鉴的光子晶体光纤技术作简要介绍。光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF，该光纤又称“多孔光纤”或“微结构光纤”，下文称为“光子晶体光纤”)。

光子晶体的概念是1987年E.Yablonovitch和S.John分别各自独立提出的。光子晶体实际上就是将不同介电常数的介质在空间中按一定周期排列而成的一种人造晶体，其排列周期为光波长的量级。光子晶体的空间结构可分为三种类型，如图1所示。光子晶体最主要的特性就是对不同频率的光的传输具有选择性。若光子能量和光子晶体能带相容，则光子晶体呈导通性，光子可以透过光子晶体传播出去，反之光子不能透过光子晶体，形成光子禁带。这种现象形成的原因如下：在介电材料中，根据经典电磁场理论，电磁场满足如下方程：

当介电常数周期性变化的比值足够大，并且变化的空间周期与光波长相近时，计算表明，对于特定的频率ω，方程(2)无解，也就是说存在光子带隙(photonic band gap，PBG)。由于光子晶体能够自由控制光在其中的传播，而光子又具有许多电子无法比拟的优点，所以它具有十分广泛的应用前景，引起了广泛的重视和研究，美国《Science》杂志把光子晶体列为1999年十大科学进展之一。

根据光子晶体的原理，J.C.Russell等人于1992年提出“光子晶体光纤(PCF)”的概念，并于1996年在英国南安普敦大学拉制成功世界上第一根PCF，该光纤沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在一个周期性的二维结构，如果其中一个孔遭到破坏，则会出现缺陷，光能够在该缺陷内传播，PCF与传统光纤在结构上有着根本的区别，有着许多重要特点，比如奇异的色散、大范围可变的非线性等特性、高度双折射、无限单模特性等。它的出现引起了各国研究机构的浓厚兴趣。PCF有两种导光的机制，分别是全内反射(Total internal reflection，TIR)机制和光子带隙(Photonic band gap，PBG)机制，研究表明，TIR机制导光的PCF(TIR-PCF)并不依赖于包层内的空气孔的周期性，甚至包层内随机分布的空气孔都可以把光线限制在纤芯的范围内，这为满足各种性能的光纤设计提供了极大的灵活性。相反，PBG机制导光的PCF(PBG-PCF)对空气孔分布的周期性要求很高。两种导光机制PCF的横截面的结构都有很多种，图2显示了几种PCF横截面结构的扫描电镜图。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有良好的色散补偿效果的光纤。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，光导纤维，其特征在于，包括有第一光导单元和第二光导单元，第二光导单元分布于第一光导单元的外场区域中，并且为第一光导单元的气孔包围。

所述第二光导单元结构依照光子晶体光纤方式排布。并且第一光导单元和第二光导单元皆为固体导光的光子晶体光纤结构。

进一步的，第一导光单元和第二导光单元皆为正多边形结构，第一导光单元的气孔直径和外切圆直径大于第二导光单元。第一导光单元和第二导光单元的外场区域中至少有两层气孔。

更进一步的，所述第一导光单元包括中心光波导区域和以正多边形方式均匀分布于中心光波导区域周围的多层气孔，其部分气孔为第二光导单元取代。

本发明提出的结构中，纤芯(导光单元)的直径大小不同，而且包围它们的空气孔的直径大小也不同，并且一个纤芯在整个光纤的中心，另一个纤芯偏心地分布。

本发明的突出优点是，具有很大的单位长度色散补偿量，和灵活的色散补偿斜率设计。PCF的色散特性在国内外已经进行了较广泛的研究，但对于传统DCF，理论和实践都表明，要想提高传统DCF单位长度的色散补偿量，一方面要减小纤芯的直径，另一方面要提高纤芯与包层的折射率之差，但是传统光纤中芯层与包层折射率之差不可能很大，这是因为芯层与包层折射率之差是通过在芯层中掺杂稀土元素来实现的，但这样会带来由于材料不匹配而引起较大损耗问题，因此限制了芯层与包层折射率的差值，而光子晶体光纤是由同一种材料制成，无需掺杂不存在材料失配问题，芯层与包层折射率的差值不会因此受到限制。折射率的差值大小仅与光纤包层气孔的尺寸、结构有关，由于气孔和石英的折射率差较大，因此PCF可以有很大的负色散系数。PCF包层的特殊结构可以使设计者通过改变包层空气孔的结构参量(例如空气孔的直径及空气孔间距)可灵活地改变光纤横截面的折射率分布，从而设计出具有不同色散性质的光纤，如色散位移光纤、超平坦色散光纤等。

附图说明

图1是一维、二维和三维光子晶体空间结构示意图。

图2是现有技术的几种PCF横截面结构扫描电镜图。

图3是本发明的实施例1的示意图。

图4是本发明实施例的区域划分示意图。

图5是本发明的算法流程图。

图6是本发明涉及的一种PCF横截面结构和包层等效过程示意图。

图7是模有效折射率随波长变化情况示意图。

图8是色散系数随波长变化情况示意图。

图9是电场分布随波长变化情况示意图。

具体实施方式

光纤中存在的主要色散为材料色散和波导色散两种(剖面色散和偏振模色散这里忽略，因为前者的数值很小，后者则补偿机制和方法不同，需要专门讨论)。材料色散是由于材料的群折射率n随波长变化所引起的色散特性，或者说由n＝n(ω)所引起的色散。

波导色散(又称结构色散)是由光纤的组成结构决定的色散，其中光纤的横截面积形状和折射率分布起主要作用。根据色散的定义，传统光纤的总色散可由下式确定。

$D=\frac{\mathrm{d\τ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{1}{c}\left(\frac{\mathrm{dk}{n}_2}{\mathrm{d\λ}}\right)[1+\mathrm{\Δ}\frac{d\left(\mathrm{bV}\right)}{\mathrm{dV}}]+\frac{k{n}_2}{c}\mathrm{\Δ}\left(\frac{d^2\left(\mathrm{bV}\right)}{d{V}^2}\right)\left(\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\λ}}\right)=D_m+D_w$

$D_m=\frac{1}{c}\left(\frac{\mathrm{dk}{n}_2}{\mathrm{d\λ}}\right)[1+\mathrm{\Δ}\frac{d\left(\mathrm{bV}\right)}{\mathrm{dV}}]\≈-\frac{\mathrm{\λ}}{c}\frac{d^2{n}_2}{d{\mathrm{\λ}}^2}[1+\mathrm{\Δ}\frac{d\left(\mathrm{bV}\right)}{\mathrm{dV}}]$

$D_w=\frac{k{n}_2}{c}\mathrm{\Δ}\left(\frac{d^2\left(\mathrm{bV}\right)}{d{V}^2}\right)(\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\λ}}\≈-\frac{k{n}_2}{c}\left(\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\λ}}\right)V\frac{d^2\left(\mathrm{bV}\right)}{d{V}^2}$

其中，第一项D_m就是材料色散，第二项D_w为波导色散。τ、λ、c、Δ、b、k、n₂和V分别为群时延、光波波长、光速、纤芯与包层的折射率差、归一化传播常数、波矢、包层折射率和归一化频率。材料的色散由材料的属性决定，一旦光纤的材料选定，其色散属性就确定了。目前光纤材料的折射率(决定色散)可用Sellmeier公式拟合估算。那么，可控的色散就落到了导波色散上了，由前式可见，为了使光纤具有大的负色散系数，必须加大Δ，但同时仍要保持单模传输就必须减小纤芯半径，这样就增加了传统光纤的加工和制造的难度。而光子晶体光纤是由同一种材料制成，芯层与包层折射率的差值可以做的很大，其折射率在横截面上分布特性主要依靠它的空气孔几何形状、尺寸、孔的间距和空气孔的排列来改变，所以可通过设计不同的自由度来制造具有不同色散特性的单模光纤。至于色散斜率，其不过是色散对波长的导数，设计的实质没有变化，只是要在优化具体ATC-PCF参数时增加一个自由度而已。

下面再以包层等效折射率方法为例讨论本发明提出的ATC-PCF能够实现项目目标的基本原理。

首先简单介绍一下PCF的等效折射率模型。如图6(a)所示的光子晶体光纤，其横截面可划分为由纯石英柱构成的半径为r的芯区和在石英衬底上按照三角形周期排列的直径为d、间距为￠的空气孔构成的包层区。等效折射率模型的基本思想是将带有规则周期性空气孔的包层等效为折射率为n_cl的石英，那么对于光子晶体光纤的分析，就可以利用传统阶跃型光纤的分析方法和分析结果。等效折射率模型的关键是求出基空间填充模式(Fundamental Space-Filling Mode，FSM)的传输常数β_FSM，这样，光子晶体光纤包层区的等效折射率为可按下式计算：

n_eff＝β_FSM/k₀    (3)

k₀＝2π/λ₀       (4)

其中，k₀和λ₀分别为自由空间的波数和波长。为了得到β_FSM，可将光子晶体光纤包层近似为无限大周期性结构，包层中的一个单元，如图6(b)所示，在空气孔直径d不是很大的时候，可将其正六边形边界近似为半径为r_eff的圆，如图6(c)所示。在这样一个周期性单元中，采用柱坐标求解包层的标量波动方程，在基模传输的条件下，结合元胞周期性边界条件和元胞内石英-空气界面的连续性边界条件可得：

$\frac{{\mathrm{UI}}_0\left(W\right)}{{\mathrm{WI}}_1\left(W\right)}=\frac{J_1(U\·r_{\mathrm{eff}}/a)N_0\left(U\right)-J_0\left(U\right)N_1(U\·r_{\mathrm{eff}}/a)}{J_1\left(U\right)N_1(U\·r_{\mathrm{eff}}/a)-J_1(U\·r_{\mathrm{eff}}/a)N_1\left(U\right)}---\left(5\right)$

其中a＝d/2，其余各个符号的含义和传统光纤的场解相同，这里不再赘述。该特征方程的最大根就是β_FSM，从而利用(3)式可以得到光子晶体光纤包层等效折射率n_cl。有了包层区的等效折射率n_cl，就可以利用阶跃光纤的理论来研究光子晶体光纤的导模特性。

根据前面介绍过的分析光子晶体光纤的包层等效折射率理论，本发明提出的横截面结构如图3所示ATC-PCF可以看成具有两个平行纤芯的光子晶体光纤，其中一个纤芯1由A区构成，另一个纤芯2由C区构成。通过调整其结构参数，使两个纤芯各自独立地分别支持单模传输，那么根据超模(Supermodes)理论，该结构光纤支持一个偶超模和一个奇超模，它们的传播常数和电场分布由下式本征值方程决定：

$\{{\▿}_t^2+{k_0}^2{n}^2(x,y)-{\mathrm{\β}}_{\±}^2\}{\mathrm{\ψ}}_{\±}(x,y)=0---\left(6\right)$

其中，β_±和ψ_±分别是偶、奇超模的传播常数和电场分布，_t为二维Laplace算符，n(x，y)为光纤横截面的折射率分布，这里我们看到，光波场的传播常数(根据定义，色散和色散斜率由该参数决定)和电场分布(根据定义，有效纤芯面积由该参数决定)完全由光纤横截面的折射率分布n(x，y)决定。通过恰当的参数设置，可使两个超模在某一波长处具有相同的传播常数，该波长称为相位匹配波长(Phase-Matching Wavelength，PMW)，在远离PMW处这两个超模的有效折射率曲线非常接近两个纤芯各自所传播模式的有效折射率曲线，所以当光波的波长小于PMW时，所有光的偶超模被紧紧地限制在A区纤芯1中，导致有效的交叠面积较小，当光波的波长增大到超过PMW时，光波的能量逐渐扩散到C区纤芯2中，导致有效的交叠面积增大。同理，由于传播常数和电场的模式分布由同一个本征方程(6)决定，当电场的分布发生变化时，其传播常数也必然发生变化(因为只有两个超模，不存在简并的情况)。图7～图9是我们根据以上分析，采用一种凭经验估计的ATC-PCF的参数计算得到的初步结果。可见，有效折射率、色散、电场分布和有效面积的变化都和上述的分析吻合。

关于本发明所提出的光纤的生产制造问题，对于传统光纤制造而言，双芯光纤对工艺条件的要求较高，制造质量较高的双芯光纤非常困难，过程相当繁琐，一般由两根普通的单模光纤预制棒经加工、清洗后一起放入套管中然后置于玻璃车床上，经负压、高温火焰烧成。主要存在的问题是预先设计的光纤参数不易保证，预制棒中容易产生气泡，套管与组件结合不好，接头部分容易产生应力，因而时常出现炸裂现象，使预制棒报废，成品率低。

对于光子晶体光纤来讲，双芯光子晶体光纤的制作比普通双芯光纤的制作容易得多。光子晶体光纤的拉制工艺经过多年的发展，目前已经发展的比较成熟，常见的制造工艺有三种：毛细管集束(管棒堆积拉丝)法、溶胶凝胶法和挤压法。其中得到广泛应用的是毛细管集束法，制作过程中将石英毛细管按照预期设计的周期性结构进行堆积，在光纤芯子的位置以石英棒代替石英毛细管形成纤芯，然后外加套管制成预制棒；最后将预制棒在光纤拉丝塔上拉制成光纤。毛细管集束法的突出优点是能够制造具有十分复杂的横截面几何形状，因为可以通过对石英棒和毛细管的个数、位置、间距和大小的调节实现各种光子晶体光纤的设计。早在2001年G.Kakarantzas等就已经成功拉制出了双芯光子晶体光纤。可见拉制本申请提出的ATC-PCF并不存在技术本质上难以克服的困难。

实施例1：

参考固体导光的光子晶体光纤结构，其是由包层内的石英以及空气孔构成，可以视为空气孔包围着中心的石英。鉴于此，本发明将这样的结构称为光导单元，中央的固体部分称为中心光波导区域，外围的空气孔及其附近的区域称为外场区域。如图4所示，中间圆环内为中心光波导区域，外部分布有气孔的区域为外场区域。

参见图3。本实施例包括有第一光导单元和第二光导单元，第二光导单元分布于第一光导单元的外场区域中，并且为第一光导单元的气孔包围。第一和第二光导单元结构依照光子晶体光纤方式排布，即，皆为“气孔包围固体”的排布方式。第一导光单元包括中心光波导区域和以正六边形方式均匀分布于中心光波导区域周围的多层气孔，其部分气孔为第二光导单元取代。以图4为例，B区中的两层气孔及其中央的固体即构成第二光导单元，其占据的位置正为第一光导单元的一个气孔的位置。

本实施例的第一和第二光导单元为正六边形结构，即每一层气孔构成一个正六边形。其仅为一个实施例，采用其他的多边形同样能够实现。

本实施例的第一光导单元的尺寸大于第二光导单元，使第二光导单元处于第一光导单元的外场区域。即，第一导光单元的气孔直径和外切圆直径都大于第二导光单元。

本实施例的包括一个第一导光单元和一个第二导光单元。作为其他的实施例，也可以有多个第二导光单元。本发明可以通过第一导光单元和第二导光单元的有效面积比实现色散控制，对于导光单元的数量并不敏感。

参见图5。本实施例的参数L1、d1、D1、λ和Λ可以通过粒子群算法确定。具体为：

假设在一个D维的目标搜索空间中，有m个粒子组成一个群落，其中第i个粒子的位置可以表示为一个D维的向量x_i＝(x_i1，x_i2，L，x_iD)，i＝1，2，L，m，x_i就是所求问题的一个潜在解。将x_i代入一个目标函数就可以计算出其适应值，根据适应值的大小来衡量x_i的优劣。第i个粒子的“飞翔”速度也是一个D维向量，记为v_i(v_i1，v_i2，L，v_iD)。记第i个粒子迄今为止搜索到的最优位置为p_i＝(p_i1，p_i2，L，p_iD)，整个粒子群迄今为止搜索到的最优位置为p_g＝(p_g1，p_g2，L，p_gD)，则粒子群优化算法的计算公式为：

v_i＝wv_id+c₁r₁(p_id-x_id)+c₂r₂(p_gd-x_id)    (7)

x_id＝x_id+v_id    (8)

其中，d＝1，2，L，D，w是非负的常数，称为惯性因子，c₁，c₂是非负的常数，称为学习因子，r₁，r₂ ∈[0，1]是随机数，在实际的应用中，如果是有界问题，一般还有如下的约束条件：

v_id∈[v_dmin，v_dmax]，x_id∈[x_dmin，x_dmax]其中v_dmin，v_dmax，x_dmin和x_dmax为预先设定的常数，当v_id或(和)x_id超出预定的边界时，v_id或(和)x_id就等于相应边界值。粒子群算法的一般优化步骤为：

1)随机初始化所有粒子的位置和速度；

2)根据已知目标函数计算各微粒的适应值；

3)对于每个微粒，比较当前位置适应值和历史最好位置的适应值，如果当前位置适应值最优则更新p_i；

4)比较当前所有粒子最好位置的适应值和历史上所有粒子位置的最好适应值，如果当前最好位置更优，则更新p_g；

5)判断终止条件，若满足则退出，不满足则转到第2步运行。

本实施例中，可根据上述算法计算出粒子最好位置的适应值，包括大空气孔的直径D1，小空气孔的直径d1，大空气孔的空间距Λ，小空气孔的空间距λ，纤芯1区A和纤芯2区C的中心距离L1。应当注意的是，此处的L1、d1和D1是有具体的物理意义，与粒子群算法公式中的L、d和D是完全不同的。

本实施例中，可根据上述算法计算出粒子最好位置的适应值，包括大空气孔的直径D1，小空气孔的直径d1，大空气孔的空间距Λ，小空气孔的空间距λ，纤芯1区A和纤芯2区C的中心距离L1。

Claims (9)

1、光导纤维，其特征在于，包括有第一导光单元和第二导光单元，第二导光单元分布于第一导光单元的外场区域中，并且被第一导光单元的气孔包围。

2、如权利要求1所述的光导纤维，其特征在于，所述第二导光单元结构依照固体导光的光子晶体光纤方式排布。

3、如权利要求1所述的光导纤维，其特征在于，所述第一导光单元和第二导光单元皆为固体导光的光子晶体光纤结构。

4、如权利要求1所述的光导纤维，其特征在于，所述第一导光单元和第二导光单元皆为正多边形结构，第一导光单元的气孔直径和中心光波导区域外切圆直径大于第二导光单元的气孔直径和中心光波导区域外切圆直径。

5、如权利要求4所述的光导纤维，其特征在于，所述第一导光单元和第二导光单元皆为正六边形结构。

6、如权利要求1所述的光导纤维，其特征在于，所述第一导光单元和第二导光单元的外场区域中至少有两层气孔。

7、如权利要求1所述的光导纤维，其特征在于，所述第一导光单元包括中心光波导区域和以正多边形方式均匀分布于中心光波导区域周围的多层气孔，其部分气孔被第二导光单元取代。

8、如权利要求1所述的光导纤维，其特征在于，第一导光单元和/或第二导光单元的气孔为圆形、三角形、矩形或六边形气孔。

9、如权利要求1所述的光导纤维，其特征在于，第一导光单元位于整个光纤的中心，第二导光单元偏心分布。

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