CN102023334B

CN102023334B - 一种大模场光纤

Info

Publication number: CN102023334B
Application number: CN2010105890533A
Authority: CN
Inventors: 陈明阳; 张永康; 佟艳群; 祝远锋
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102023334A

Abstract

本发明公开一种大模场光纤，包括纤芯和包层，纤芯包括截面为圆形的内纤芯，多个低折射率环形层和高折射率环形层交替排布在内纤芯外；高折射率环形层的层数≥2；内纤芯的折射率n_c、包层折射率n_clad、高折射率环形层的折射率n_h、低折射率环形层的折射率n_l之间的关系为：n_h>n_l=n_clad且n_h≥n_c≥n_l；与包层相邻的为高折射率环形层，与内纤芯相邻的环形层与其折射率不同；高折射率环形层和低折射率环形层之间的折射率差≤0.006。该光纤的折射率分布具有圆对称性，较低的纤芯等效折射率，适合大批量的生产。

Description

一种大模场光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及具有大模场、单模传输特性的光纤领域。

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，a为纤芯半径，λ为光波长，n _core和n _clad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，传统阶跃光纤的数值孔径NA(NA=

Figure 2010105890533100002DEST_PATH_IMAGE002

)一般最低只能达到0.05左右。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。采用具有高折射率差的多模光纤实现大模场传输[S. Ramachandran, et al., “Light propagation with ultralarge modal areas in optical fibers,” 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。基于六个空气孔环绕纤芯的大模场光纤[W. S. Wong, et al., "Breaking the limit of maximum effective area for robust single-mode propagation in optical fibers," 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。通过在包层中引入多层结构，也可以获得大模场光纤[A. Kumar, et al., "Design and analysis of a multilayer cladding large-mode-area optical fibre," J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2008, 10(1), 015303]，但同样，光纤中的高阶模并不能完全去除。

通过在纤芯中引入微结构的方法，可以获得新型的单模光纤。纤芯由折射率高于包层折射率的介质棒组成，而纤芯的基质材料可以采用与包层相同的材料或采用折射率低于包层的材料组成，从而使纤芯具有较低的等效折射率，实现大模场面积的单模传输[M. M. Vogel, et al., "Very-large-mode-area, single-mode multicore fiber," Opt. Lett., 2009,34(18), 2876]。这种光纤需要在纤芯中引入多个介质棒，一般采用制作光子晶体光纤常用的堆积-拉丝法实现。与制作传统光纤的MCVD等方法相比，这种方法在制作预制棒的过程中需要较多的人工干预，由于微结构出现在纤芯，而纤芯中光密度是最大的，因而会增加光纤的传输损耗，同时，也不适于大批量的生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种微结构的大模场光纤，该光纤的折射率分布具有圆对称性，较低的纤芯等效折射率，适合大批量的生产。

本发明的技术方案为：包括纤芯和包层，纤芯包括截面为圆形的内纤芯，多个低折射率环形层和高折射率环形层交替排布在内纤芯外；高折射率环形层的层数≥2；内纤芯的折射率n_c、包层折射率n_clad、高折射率环形层的折射率n_h、低折射率环形层的折射率n_l之间的关系为：n_h>n_l=n_clad且n_h≥n_c≥n_l；与包层相邻的为高折射率环形层，与内纤芯相邻的环形层与其折射率不同；高折射率环形层和低折射率环形层之间的折射率差Δ≤0.006。

该发明的进一步改进为：高折射率环形层的厚度均相等，低折射率环形层的厚度均相等；低折射率环形层的厚度d_l与高折射率环形层的厚度d_h之间的关系为：d₁/d_h≤5；内纤芯的半径R与低折射率环形层d_l和高折射率环形层的厚度d_h之间的关系为：R≤(d_l+d_h)/2。

本发明的有益效果：纤芯由圆形的内纤芯及在内纤芯外侧交替排布的若干同心的低折射率层和高折射率层组成，横截面具有圆对称性，使折射率仅在光纤的径向变化，而角度方向不变，从而获得较低的纤芯等效折射率。以上的结构可以采用光纤预制棒制作工艺，对光纤的折射率分布进行精确的控制和制作，可实现大模场光纤的批量生产，有效降低大模场光纤的制作成本。也避免了引入杂质的缺点以及介质棒表面的光洁度等对成品光纤的传输损耗等性能的影响。

附图说明

图1为实施例一光纤横截面示意图；

图2为图1光纤沿光纤径向的折射率分布示意图；

图3为图1光纤基模沿光纤径向的场分布图；

图4 为实施例二光纤横截面示意图；

图5为图4光纤沿光纤径向的折射率分布示意图；

图6为图4光纤基模沿光纤径向的场分布图；

图7 为实施例四的光纤横截面示意图；

其中：1-内纤芯，2-低折射率环形层，3-高折射率环形层，4-包层。

具体实施方式

如图1所示，本发明的大模场光纤包括纤芯和包层4，纤芯包括截面为圆形的内纤芯1，多个低折射率环形层2和高折射率环形层3交替排布在内纤芯外；高折射率环形层3的层数≥2；内纤芯1的折射率n_c、包层4折射率n_clad、高折射率环形层3的折射率n_h、低折射率环形层2的折射率n_l之间的关系为：n_h>n_l=n_clad且n_h≥n_c≥n_l；与包层4相邻的为高折射率环形层3，与内纤芯1相邻的环形层与其折射率不同；高折射率环形层3和低折射率环形层2之间的折射率差Δ≤0.006。对于每个环形层来说，它与相邻两个区域的折射率大小关系应满足：低折射率环形层2的折射率总是小于与其相邻的两个区域的折射率，高折射率环形层3的折射率总是大于与其相邻的两个区域的折射率。由于纤芯的等效折射率大于包层4的折射率，这种光纤是一种基于全内反射原理的折射率引导型光纤。

本发明采用内纤芯1和折射率不同的环形层组成了纤芯，通过调整纤芯的尺寸和各个区域的参数可以灵活地调整纤芯的等效折射率。由光纤理论，当微结构光纤的尺寸足够小时，采用折射率平均的方法可以计算出其包层等效折射率[P. S. J. Russell, "Photonic-Crystal Fibers," Journal of Lightwave Technology 24, 4729 (2006)]。相类似地，对于本发明的微结构纤芯，纤芯的等效折射率n_core可采用如下公式计算得到：

，

其中：S_c为内纤芯的面积、S_h为高折射率环形层的面积之和、S_l为低折射率环形层的面积之和，n_c为内纤芯、n_h为高折射率环形层、n_l为低折射率环形层的折射率；

因此光纤可以等效为一个纤芯折射率为、纤芯半径为

，包层4折射率为n_c的阶跃光纤。因而我们可以采用单模光纤归一化频率公式

及0<V<2.40483这个阶跃折射率光纤的单模传输条件来确定光纤参数，以获得单模传输。这里

为纤芯半径(即与包层相邻的高折射率环形层的外侧圆半径)，

Figure 2010105890533100002DEST_PATH_IMAGE007

为包层折射率，

为光波长。

为保证光纤的基模模场分布具有类似高斯型场的特点，从而有利于其与其它光纤的耦合及高斯型光源的输入，环形层的数量不能过少。一般地，高折射率环形层的数量≥2个。为保证场分布的规则性，所有高折射率环形层的厚度应相同，所有低折射率环形层的厚度应相同。

环形层折射率差为Δ=(n_h-n_l)/n_l，一般要求满足：Δ≤0.006。这主要是为了避免两者相差太大而导致模式场向高折射率环形层3集中而导致的模场的变形。因此，一般而言，应使Δ值小一些，这样场分布会更加规则，也更有利于获得低的纤芯等效折射率。若Δ的值过大，为获得较低的纤芯等效折射率，就要求高折射率环形层3的厚度d_h比低折射率环形层2的厚度d_l小很多，这会带来制作的困难。在更为优选的条件下，高折射率环形层3的折射率n_h和低折射率环形层2的折射率n_l之差要求满足：Δ≤0.002。

为了避免低折射率环形层2过宽而导致在单个高折射率环形层3中形成一些特殊的模式，一般要求低折射率环形层2的厚度d_l与高折射率环形层3的厚度d_h之间的关系为：d₁/d_h≤5。

因为纤芯是由内纤芯1和低折射率环形层2和高折射率环形层3组成的，一般不宜采用过大的内纤芯1。对于内纤芯1折射率低于高折射率环形层3的折射率的情况，过大的内纤芯1会导致基模在内纤芯1区域形成较大的一个凹陷。对于内纤芯1折射率等于高折射率环形层3的折射率的情形，由于内纤芯1尺寸较大的结果是：为使纤芯的等效折射率较低，从而保证单模传输，要求低折射率环形层2的厚度较厚，而高折射率环形层3的厚度较薄。从而，一方面过薄的高折射率环形层3会不利于制作，另一方面，过大的内纤芯1会导致基模模场容易集中到内纤芯1区，从而使光纤的模场面积减小。为此，一般要求内纤芯1的半径R与低折射率环形层2厚度d_l和高折射率环形层3的厚度d_h之间的关系为：R≤(d_l+d_h)/2。

在满足单模传输的前提下，光纤的归一化频率V的值应较大，因为在同样的纤芯尺寸的前提下，这意味着纤芯等效折射率与包层4的折射率之差较大，从而有利于获得较低的弯曲损耗。为此，要求纤芯的半径和等效折射率满足：

Figure 2010105890533100002DEST_PATH_IMAGE009

≥1.5，其中λ为传输的光波长，

为纤芯半径，

为纤芯的等效折射率，

为包层4折射率。在更为优化的条件下，要求纤芯的半径和等效折射率满足：

≥2。

在各个区域折射率不变的情况下，若增加环形层的数量，为了保持单模传输，就要求单个环形层的厚度要较薄。为了减少制作的复杂度和减少制作误差，优选情况下要求为高折射率环形层3的数量为2或3；这样既可以保证模场分布较为规则，又容易制作。

单个环形层内部折射率可以不变，也可以是渐变的，但总体要求单个环形层的平均折射率与其相邻的环形层的平均折射率之间仍然要求满足：低折射率环形层2的平均折射率总是小于与其相邻的两个区域的平均折射率，高折射率环形层3的平均折射率总是大于与其相邻的两个区域的平均折射率。在实际制作过程中，由于工艺原因，内纤芯、每个圆环层的内部的折射率分布可能会存在变化。只要这种变化较小且满足纤芯的等效折射率不变，一般对传输模式的影响不大。制作时，应尽量保证折射率分布的圆对称性；

以下光纤均以石英或掺杂的石英为基质材料，以传输波长为1.55μm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：

光纤的结构如图1所示，环形层总数为6。与高折射率的内纤芯1相邻的是低折射率环形层2。图2给出了图1所示结构沿光纤径向的折射率分布图。内纤芯1外侧是交替排布的高折射率环形层3和低折射率环形层2，纤芯外侧是包层4。由图3可见，光纤模分布从纤芯中心向外总体呈渐减的趋势，光纤的基模场分布具有类似于高斯型场分布的特点，与普通阶跃光纤的场分布相似，因此容易实现与其它光纤的连接及光信号的输入。

本实施例中内纤芯1的半径R_c为0.89 μm, 高折射率环形层3的厚度d_h为 1.78 μm，低折射率环形层2的厚度d_h为 1.78 μm，包层4材料为纯石英，环形层折射率差Δ=0.1%，内纤芯1的折射率n_core与高折射率环形层3的折射率n_h相同。这种光纤在光波长为1.55μm时，模场面积为 605 μm²；光纤波长大于1.5μm时，可保持单模传输。弯曲半径为20cm时的弯曲损耗小于0.05 dB/m。

实施例二：

光纤的结构如图4所示，环形层总数N=3。与低折射率的内纤芯1相邻的是高折射率环形层3。图5给出了图4所示结构沿光纤径向的折射率分布图。低折射率的内纤芯1外侧是交替排布的高折射率环形层3和低折射率环形层2，纤芯外侧是包层4。由图6可见，光纤模分布从纤芯中心向外总体呈渐减的趋势，光纤的基模场分布同样具有类似于高斯型场分布的特点，但由于内纤芯的折射率低，纤芯中心处的场是凹陷的。

本实施例中内纤芯1的半径R_c为1.52 μm, 高折射率环形层3的厚度d_h为 3.05 μm，低折射率环形层2的厚度d_h为 3.05 μm，包层4材料为纯石英，环形层折射率差Δ=0.1%，内纤芯1的折射率n_core与高折射率环形层3的折射率n_h相同。这种光纤在光波长为1.55μm时，光纤的模场面积为 537 μm²；光纤波长大于1.497 μm时，可保持单模传输。弯曲半径为20 cm时的弯曲损耗小于0.05 dB/m。

实施例三：

环形层总数N=3。内纤芯1的半径R_c=2.71 μm, 高折射率环形层3的厚度d_h= 2.71 μm，低折射率环形层2的厚度d_h= 2.71 μm，包层4材料为纯石英，环形层折射率差Δ=0.1%，内纤芯1的折射率n_core与低折射率环形层2的折射率n_l相同。这种光纤在光波长为1.55μm时，光纤的模场面积为 576 μm²；光纤波长大于1.49 μm时，保持单模传输。弯曲半径为20cm时的弯曲损耗小于0.05 dB/m。

实施例四：

光纤的结构如图7所示，环形层总数N=4。内纤芯1的半径R_c=1.43μm, 高折射率环形层3的厚度d_h=1.91 μm，低折射率环形层2的厚度d_h=3.82 μm，包层4的材料为纯石英，环形层折射率差Δ=0.1%，内纤芯1的折射率n_core与高折射率环形层3的折射率n_h相同。这种光纤在光波长为1.55μm时，光纤的模场面积为 889 μm²；光纤波长大于1.486 μm时，保持单模传输。弯曲半径为30cm时的弯曲损耗小于0.5 dB/m。

实施例五：

环形层总数N=8。内纤芯1的半径R_c=1.12μm, 高折射率环形层3的厚度d_h=1.12 μm，低折射率环形层2的厚度d_h=3.37 μm，包层4的材料为掺氟的石英，高折射率环形层的材料为纯石英，环形层折射率差Δ=0.07%，内纤芯1的折射率n_core与高折射率环形层3的折射率n_h相同。这种光纤在光波长为1.55μm时，光纤的模场面积为 1696 μm²；光纤波长大于1.485 μm时，保持单模传输。弯曲半径为60cm时的弯曲损耗小于 1 dB/m。

实施例六：

环形层总数N=4。内纤芯1的半径R_c=1.39 μm, 高折射率环形层3的厚度d_h=1.39 μm，低折射率环形层2的厚度d_h=4.18 μm，包层4的材料为纯石英，环形层折射率差Δ=0.14%，内纤芯1的折射率n_core与高折射率环形层3的折射率n_h相同。这种光纤在光波长为1.55μm时，光纤的模场面积为845 μm²；光纤波长大于1.51 μm时，保持单模传输。弯曲半径为30 cm时的弯曲损耗小于0.5 dB/m。

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

1.一种大模场光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：纤芯包括截面为圆形的内纤芯，多个低折射率环形层和高折射率环形层交替排布在内纤芯外；所述高折射率环形层的层数≥2；内纤芯的折射率n_c、包层折射率n_clad、高折射率环形层的折射率n_h、低折射率环形层的折射率n_l之间的关系为：n_h>n_l=n_clad且n_h≥n_c≥n_l；与包层相邻的为高折射率环形层，与内纤芯相邻的环形层与其折射率不同；所述高折射率环形层和低折射率环形层之间的折射率差Δ≤0.006；所述高折射率环形层的厚度均相等，所述低折射率环形层的厚度均相等；所述低折射率环形层的厚度d_l与高折射率环形层的厚度d_h之间的关系为：d₁/d_h≤5；所述内纤芯的半径R与低折射率环形层d_l和高折射率环形层的厚度d_h之间的关系为：R≤(d_l+d_h)/2；所述纤芯半径满足：

Figure 2010105890533100001DEST_PATH_IMAGE001

≥1.5，其中：λ为传输的光波长，

为纤芯半径，为纤芯的等效折射率，

为包层折射率。

2.根据权利要求1所述的大模场光纤，其特征在于：所述高折射率环形层和低折射率环之间的折射率差Δ≤0.002。

3.根据权利要求1所述的大模场光纤，其特征在于：所述高折射率环形层的层数为2或3。