CN101738680A - 一种微结构光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤通信领域，具体涉及具有大模场、单模传输特性的微结构光纤。所说的微结构光纤，包括纤芯和包层，包层由外包层(2)、扇形孔(3)和支撑条(4)组成；纤芯(1)是圆形的，纤芯(1)和外包层(2)之间沿光纤径向、纤芯(1)周缘设有3根宽度相同的支撑条(4)，使纤芯(1)和外包层(2)之间形成3个扇形孔(3)，相邻两个支撑条(4)过纤芯圆心的夹角为120度，光纤横截面具有120度旋转对称性，纤芯(1)、外包层(2)和支撑条(4)的折射率相同，扇形孔(3)的折射率低于纤芯(1)的折射率。

Description

一种微结构光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体涉及具有大模场、单模传输特性的微结构光纤。

背景技术

大模场光纤在高功率光纤激光器、放大器，以及强激光传输中有着重要的应用。由光纤理论，要保证光纤是单模传输，对于阶跃折射率光纤来说，必须满足光纤的归一化频率V小于2.405，这里 $V=\frac{2\mathrm{\πa}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_c^2-n_b^2},$ a为纤芯半径，λ为光波长，n_c，n_b分别为纤芯与包层的折射率。因此，要实现单模传输，在增大纤芯半径以增大光纤模场面积的同时，必须减小纤芯和包层的折射率差。由于工艺的限制，纤芯与包层的折射率差很难做得很小。同时，纤芯与包层折射率差的降低，也使得光纤的弯曲损耗增大，从而使得光纤的适用性变差。因此传统光纤很难获得大的模场面积。

由于光子晶体光纤可以实现无休止单模传输，因此，采用光子晶体光纤结构可以实现大模场单模传输。光子晶体光纤的纤芯直径可达100μm，但同样的，是以降低纤芯与包层的折射率差为代价的，因此，轻微的弯曲就可能导致光无法在光纤中传输。人们还提出了采用具有高折射率差的多模光纤实现大模场传输[Opt.Lett.，2006，31(12)：1797]，其方法是将输入光通过光纤光栅转换为某一高阶模，再利用高阶模模场面积较大的特点，实现等效的单模传输，但这种方法需要在光纤两端刻制光纤光栅，工艺复杂，同时由于光栅转换效率的限制，光纤并非是完全单模传输的。还有人提出了基于六个空气孔环绕纤芯的大模场光纤[Opt.Lett.，2005，30(21)：2855]，这种结构利用光纤中高阶模损耗较高而光纤基模损耗较低的特点，再通过将光纤弯曲的方法，可以进一步增大光纤基模与高阶模的损耗差，从而有效地去除高阶模。但这种光纤实际上并非真正的单模光纤。

本发明提出一种新型的微结构光纤，可以保证光纤基模具有低的损耗，从而在保证光纤单模传输的前提下，还具有大模场面积的特点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种新型大模场光纤。这种光纤由基质材料和扇形孔所组成，其中孔中还可以填充低折射率材料。扇形孔共有3个，孔与孔之间由均匀宽度的矩形基质材料(支撑条)组成，支撑条的数量也为3，且各支撑条形状相同，扇形孔形状也都相同，即光纤具有120度旋转对称性。由于纤芯折射率大于由扇形孔和支撑条所组成的包层的等效折射率，因此，这种光纤是一种基于全内反射原理的折射率引导光纤。

一种微结构光纤，包括纤芯和包层，包层由外包层2、扇形孔3和支撑条4组成；纤芯(1)是圆形的，纤芯1和外包层2之间沿光纤径向、纤芯1周缘设有3根宽度相同的支撑条4，使纤芯1和外包层之间形成3个扇形孔3，相邻两个支撑条过纤芯圆心的夹角为120度，光纤横截面具有120度旋转对称性，纤芯1、外包层2和支撑条4的折射率相同，扇形孔3的折射率低于纤芯1的折射率。

上述所说微结构光纤，其中支撑条宽度W≥10λ，λ为传输的光波长。光纤纤芯半径R与支撑条宽度W的大小关系为：W≥R且 $W\≤\sqrt{3}R$ 。纤芯半径R＞10λ，λ为传输的光波长。扇形孔3的半径F要求为：F≥3R且F≤10R。孔折射率与纤芯射率之差Δn≥0.0008。

这里扇形孔半径F指扇形外圆的半径，即从纤芯中心到扇形孔与外包层的交界处的距离。

支撑条除有具有保证光纤形成稳定结构外，最主要的作用是将高阶模从纤芯引导到支撑条或外包层中，从而使高阶模无法在光纤中传输。由于支撑条的折射率与外包层折射率相同，因此，当高阶模的模场被引导到支撑条时，光就很容易从外包层泄露出去，从而达到了滤除高阶模的效果。由于支撑条越宽，光纤的基模损耗也会增大，因此，支撑条宽度加宽的同时，扇形的半径也应该增大。

为了保证光纤单模传输，支撑条必须足够宽，其宽度W与纤芯半径R应该有：W≥R。同时，纤芯半径越大，则W值也应越大。由于支撑条过宽会导致支撑条之间的重叠，从而实际上使得扇形孔半径的减小并导致纤芯半径增大，为明确纤芯半径R、支撑条宽度W和扇形孔半径F之间的关系，支撑条宽度W应有 $W\≤\sqrt{3}R.$

为减少基模传输损耗，纤芯要足够大，从而避免光向支撑条区的转移。因此，纤芯半径半径R应大于10λ，λ为传输的光波长。

由于不同数量的支撑条对应的高阶模是不同的，采用4个以及更多根支撑条时，将出现纤芯中有的高阶模无法被完全衰减的情况，因此，支撑条数量应为3。

为保证光纤基模以及光纤的弯曲损耗较小，扇形孔的半径应足够大，扇形孔半径也不可过大，否则会导致高阶模泄露不够。因此扇形孔半径F与纤芯半径R的关系应为F≥3R，且F≤10R。

由于孔折射率与纤芯折射率相差过小时会导致光纤基模无法被束缚，从而导致传输损耗过大，因此，孔折射率与纤芯折射率之差Δn应有Δn≥0.0008。理论上，纤芯半径越大，则光越容易集中在纤芯，因而Δ值可以越小。

光纤除了可以采用单一材料，即光纤由基质材料和扇形空气孔组成外，孔中还可以填充折射率低于基质材料的固态或液态、气态材料。例如基质材料可由纯石英组成，扇形孔由掺氟的石英所组成。基质材料也可以为多组分玻璃、聚合物材料等。由于这种光纤的纤芯半径可以达到光波长的几十甚至上百倍以上，因此，基质材料采用有机聚合物时，利用聚合物材料的柔软性，可以使光纤在包层直径较大时仍然能够具有较好的弯曲性能。

本发明采用低折射率孔束缚纤芯中的基模，同时通过足够宽的支撑条使高阶模无法集中在纤芯，而被引导到支撑条区域，最后被泄漏掉，从而实现单模传输的目的。同时，由于光纤具有类似于渐变折射率变化的包层。因此，光纤可以在孔与纤芯(基质材料)的折射率差较大的同时，还可以保证光纤单模传输，从而使光纤具有低的传输损耗。同时，纤芯是圆形的，使光纤基模具有类似圆对称的场分布，有利于这种光纤与其它圆对称光纤的连接。这种光纤是一种真正意义上的单模、大模场光纤。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的横截面示意图

图2为图1所示实施例在无支撑条时的横截面示意图

图3为不同支撑条宽度下高阶模的场分布情况：(a)支撑条宽与纤芯半径之比W/R＝0.2时的LP₀₁模分布；(b)支撑条宽与纤芯半径之比W/R＝1时的LP₀₁模分布

图4为图1所示实施例沿光纤径向的等效折射率分布示意图

其中，1-纤芯；2-外包层；3-扇形孔；4-支撑条。

具体实施方式

下面结合附图说明其原理。图1给出了一种扇形结构光纤的横截面示意图。圆形的纤芯1被扇形的孔3所包围，由3根支撑条4形成稳定结构。即其实际上相当于由高折射率的纤芯和低折射率的圆环组成，纤芯1与外包层2之间通过支撑条4连接，即在如图2所示结构的基础上再加上3根支撑条4。低折射率孔起束缚光纤中基模的作用。而支撑条4除了起支撑作用外，最主要的还是将高阶模从纤芯1引导到支撑条4，最后从外包层2泄露出去，因此支撑条4的宽度要足够宽，以保证光纤中的高阶模都无法在纤芯1中存在。如图3所示，给出了不同支撑条宽度时光纤的高阶模情况。可见支撑条宽度足够宽时，高阶模将被引导到支撑条区，最后通过外包层泄漏出去，从而无法传输。由于不管支撑条宽度如何，光纤基模能量主要还是集中在纤芯中心。因此，支撑条的增宽，只会导致光纤基模损耗的增大，但不会使光纤基模转移到支撑条中去。虽然支撑条相对纤芯半径而言其宽度较宽，但由于支撑条宽度是不变的，所以从径向看，越向外，孔在整个圆周中占的比例越高，因此，孔对基模的束缚也就越强，从而可以有效地降低光纤基模的损耗。从径向看，由支撑条和扇形孔组成的包层的折射率是由内向外逐渐减小的(如图4所示)。这种结构具有类似于普通的渐变折射率光纤的折射率分布特点，因此，光纤可以有效地保证光纤既保持单模传输，同时又具有较好的抗弯曲能力。

以下光纤截面如图1，均以石英为基质材料，以光波长为1.064μm时的结果为例，说明光纤的传输特性。实际应用时，可根据不同的基质材料和基质材料所适用的波长范围来选择相应的光纤结构。

实施例一：

纤芯半径R为21.3μm，扇形孔半径F为85.1μm，支撑条宽度W为23.4μm，孔为空气孔，基质材料为纯石英。光纤的模场面积为988μm²，传输损耗小于10dB/km。

实施例二：

纤芯半径R为31.9μm，扇形孔半径F为159.6μm，支撑条宽度W为38.3μm，孔中填充掺氟的石英，基质材料为纯石英。光纤的模场面积为2735μm²，传输损耗小于10dB/km。

实施例三：

纤芯半径R为42.6μm，扇形孔半径F为212.8μm，支撑条宽度W为51μm，孔中填充掺氟的石英，基质材料为纯石英。光纤的模场面积为4709μm²，传输损耗小于0.5dB/km。

实施例四：

纤芯半径R为53μm，扇形孔半径F为270μm，支撑条宽度W为64μm，孔为空气孔，基质材料为纯石英。光纤的模场面积为6815μm²，传输损耗小于1dB/km。

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (6)

1.一种微结构光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：包层由外包层(2)、扇形孔(3)和支撑条(4)组成；纤芯(1)是圆形的，纤芯(1)和外包层(2)之间沿光纤径向、纤芯(1)周缘设有3根宽度相同的支撑条(4)，使纤芯(1)和外包层(2)之间形成3个扇形孔(3)，相邻两个支撑条(4)过纤芯圆心的夹角为120度，光纤横截面具有120度旋转对称性，纤芯(1)、外包层(2)和支撑条(4)的折射率相同，扇形孔(3)的折射率低于纤芯(1)的折射率。

2.根据权利要求书1所述的微结构光纤，其特征在于，支撑条宽度W与光纤纤芯半径R的大小关系为： $\sqrt{3}R\≥W\≥R.$

3.根据权利要求书2所述的微结构光纤，其特征在于，纤芯半径R＞10λ，λ为传输的光波长。

4.根据权利要求书2所述的微结构光纤，其特征在于，扇形孔(3)的半径F≥3R且F≤10R。

5.根据权利要求书2所述的微结构光纤，其特征在于，孔折射率与纤芯射率之差Δn≥0.0008。

6.根据权利要求书1所述的微结构光纤，其特征在于，扇形孔(3)中填充折射率低于纤芯基质材料的固态或液态、气态材料。

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