CN102375176B - 一种低弯曲损耗光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低弯曲损耗光纤，该光纤包括纤芯和包层，所述纤芯（1）为高折射率介质柱，其位于所述包层的中心的低折射率环(2)内，6个中心连线呈正六边形的低折射率介质柱(3)位于所述低折射率环(2)的外侧；所述纤芯（1）的折射率大于所述基质材料（4）的折射率，所述低折射率环(2)和低折射率介质柱(3)的折射率分别小于所述基质材料（4）的折射率。低折射率介质柱包围的是纤芯与低折射率环，这种结构使得光纤的模式与普通单模光纤非常相似，可以实现低连接损耗，同时，起到了去除高阶模的作用。采用低折射率的介质柱来束缚光，避免了带空气孔的微结构光纤在制作、使用上的困难；这种光纤可以实现低弯曲损耗的单模传输。

Description

一种低弯曲损耗光纤
技术领域
本发明涉及微结构光纤领域，尤其涉及具有低弯曲损耗特性的单模微结构光纤。
背景技术
光纤到户（FTTH）指将光网络单元延伸至普通住宅用户，是 FTTx系列中除 FTTD（光纤到桌面）外最靠近用户的光接入网应用类型。FTTH 能够提供巨大的接入带宽，使数据、语音和视频的三网融合成为可能。而且对于网络运营商来说，FTTH 增强了物理网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。
在 FTTH 建设中，由于光缆被安放在拥挤的管道中或者经过多次弯曲后被固定在接线盒和插座等具有狭小空间的线路终端设备中，因此弯曲产生的损耗是影响FTTH 性能的主要因素。综合考虑 FTTH 应用的特点，弯曲不敏感单模光纤需要满足以下要求：一、提供全波段（1260~1625 nm）传输；二、优异的抗弯曲性能；三、光纤长期在小弯曲半径下高的机械性能可靠性；四、精准的几何特性以确保低连接损耗以及和当前G.652光纤良好的兼容性。
提高光纤抗弯曲性能的技术途径有以下几种：
(一)小模场直径单模光纤
减小光纤的模场直径(MFD)是减小其弯曲损耗的最简单的实现方法。这类光纤除在预制棒制造过程中的折射率控制不同以外，其它预制棒和光纤拉丝等生产工艺基本和常规单模光纤一样，因此制造工艺简单，而且制造成本也不高，容易规模化生产。其缺点是，光纤的模场直径减小后，其与普通单模光纤的模场匹配性变差，连接损耗也随之增大。同时，其对弯曲性能的提高也比较有限。
（2）包层折射率凹陷光纤
这种光纤采用在包层区域增加一个低折射率凹槽的方法来减小光纤的弯曲损耗，同时保证光纤高阶模被有效地泄露出去。它可以在对光纤的模式场分布干扰较小的前提下，获得低弯曲损耗传输的目的。
（3）孔助光纤
孔助光纤是在常规单模光纤纤芯四周的包层中排布了一圈圆的空气孔而成[Y. Tsuchida, K. Saitoh, and M. Koshiba, "Design and characterization of single-mode holey fibers with low bending losses(具有低弯曲损耗的单模多孔光纤的设计与性能分析," Optics Express, 2005, 13(12): 4770-4779.]。由于包层中的空气孔折射率低，使得光纤具有较高的折射率差而显著减小弯曲损耗。但由于空气孔的存在，孔助光纤熔接时需要较精确的控制，以减小其连接损耗。
（4）纳米结构光纤的设计
    纳米结构光纤是在常规单模光纤纤芯四周的包层中安排了一圈纳米结构的空气孔而成。
这些方法中，前两种类型所得到的光纤的弯曲损耗仍然较大。申请号为200810120563.9的中国发明专利 “弯曲损耗不敏感的单模光纤”采用第二种类型的一种改进结构，虽然可以获得低弯曲损耗传输，但模场面积很小，会增大光纤与普通单模光纤的连接损耗。后两种光纤虽然可以获得低弯曲损耗传输，但空气孔的引入，增加了制作的复杂度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于全固态结构的微结构单模、弯曲不敏感光纤。
本发明的技术方案为：一种低弯曲损耗光纤，包括纤芯和包层，所述包层包括基质材料、低折射率环和低折射率介质柱；所述纤芯为高折射率介质柱，其位于所述包层的中心的低折射率环内，6个中心连线呈正六边形的所述低折射率介质柱位于所述低折射率环的外侧；所述纤芯的折射率大于所述基质材料的折射率，所述低折射率环和低折射率介质柱的折射率分别小于所述基质材料的折射率。
进一步，低折射率介质柱的折射率n3与基质材料的折射率n4之间满足：
Figure 2011103565202100002DEST_PATH_IMAGE001
；
其中：R为光纤允许的最小弯曲半径，Λ为孔周期，即相邻两个低折射率介质柱的中心间距（或者纤芯中心与低折射率介质柱的中心的间距），d3为低折射率介质柱的直径。
进一步，高折射率介质柱的折射率n1与低折射率环的折射率n2及纤芯的半径a之间满足：
Figure 393682DEST_PATH_IMAGE002
，其中a 的单位是微米。
进一步，低折射率介质柱的直径d3的取值范围为：0.5Λ<d3<0.85Λ。
本发明的技术效果为：
1）采用高折射率介质柱的纤芯与低折射率环结构相当于光纤的内包层，正六边形的低折射率介质柱和基质材料相当于光纤的外包层，使该光纤的模式与普通单模光纤结构非常相似，从而有效地降低光纤的连接损耗；
2）低折射率环的引入，使得高折射率介质柱的纤芯才是唯一的纤芯，避免了纤芯面积的扩大，从而可以保证光纤的单模传输；同时，减小了被低折射率介质柱包围的纤芯区域的折射率，避免了高阶模的出现；
3）采用正六边形的低折射率介质柱来束缚光，同时光纤采用全固态的结构，避免了采用空气孔的光纤与普通石英单模光纤熔接时，需要对熔接进行精确的控制，以及带空气孔光纤制作时控制空气孔尺寸和精度的难度，提高了成品率，也降低了传输损耗。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的横截面示意图；
其中：1-高折射率介质柱，2-低折射率介质柱，3-低折射率环，4-基质材料。
具体实施方式
实施例一：
光纤的横截面结构如图1所示。基质材料4采用纯石英，孔材料采用掺杂的石英材料。其中低折射率介质柱3的折射率n3与基质材料4的折射率n4之差为n4-n1=0.01。纤芯1的折射率n1与低折射率环2的折射率n2之差为：n1-n2=0.0065。低折射率环2的折射率n2与基质材料4的折射率n4之差n4-n2=0.0012；低折射率环2的厚度H=5.7 μm。纤芯1的半径a=3.5 μm；低折射率介质柱3的直径d3为13.5 μm；孔周期Λ=18 μm。
光纤在1310 nm波长时的模场直径为7.8 μm，符合G657. B对光纤模场直径的要求。光纤在1550 nm波长时，弯曲半径为10 cm时的弯曲损耗为 0.01 dB/匝；弯曲半径为 7.5 cm时的弯曲损耗为 0.05 dB/匝。在光波长为1250 nm波长时，其高阶模损耗大于30 dB/m。
本发明采用低折射率介质3柱起到束缚光，降低光纤的弯曲损耗的作用。避免了采用空气孔时，光纤与普通石英单模光纤熔接时，需要对熔接进行精确的控制，以及带空气孔光纤制作时控制空气孔尺寸和精度的难度。同时，采用了两个包层，内包层(即低折射率环2)与纤芯1组成了与普通单模光纤相同的光纤结构，从而使光纤模场与普通单模光纤更为相似，从而有效地降低光纤的连接损耗。另一方面，如果不引入内包层（即低折射率环2），则由于包层是由基质材料4和低折射率介质柱5组成的，包层等效折射率低于基质材料，则由于高折射率的纤芯1以及纤芯1外和低折射率介质柱3之间的基质材料部分的折射率均大于包层的等效折射率，因此等效纤芯部分面积增大，使光纤更容易出现高阶模，因此低折射率环2的引入，使得高折射率纤芯1才是唯一的纤芯，避免了纤芯面积的扩大，从而可以保证光纤的单模传输；从另一角度来说，低折射率环2的引入，减小了被低折射率介质柱3包围的纤芯区域的折射率，因而避免了高阶模的出现。
由光纤的弯曲理论可知，当光纤弯曲时，其结构可等效为一直波导，这个直波导的折射率是在原光纤折射率分布的基础上产生一个扰动。即等效的直波导的折射率分布可表示为：
Figure 854138DEST_PATH_IMAGE004
，这里
Figure 668510DEST_PATH_IMAGE006
是未弯曲时光纤的横截面折射率分布，
Figure 2011103565202100002DEST_PATH_IMAGE007
是等效的直波导的折射率分布，
Figure 553289DEST_PATH_IMAGE008
为材料的弹光系数，对石英，其值为-0.22，R为光纤的弯曲半径。由公式可见，光纤弯曲后，其朝外的一侧的纤芯1和包层折射率都将升高，且弯曲半径越小，折射率升高越多，而越远离纤芯中心，其折射率升高越多。在弯曲半径较大时，折射率大于纤芯的包层部分距离纤芯很远，因此，这种弯曲对纤芯中传输的模式影响较小。而当弯曲半径小到一定程度时，包层中折射率较高的部分将距离纤芯越来越近，最终使得原来在纤芯的中传输的模式向包层转移，从而导致光的泄露。由于本发明的光纤主要是靠低折射率介质柱3在弯曲时束缚光；因此，为有效地束缚弯曲光纤中的基模，在朝外的一侧，低折射率介质柱3的在被弯曲后的折射率至少应低于基质材料4的折射率。这样，才可能有效地束缚光。由于纤芯中心与低折射率介质柱中区域的最远距离为
Figure 2011103565202100002DEST_PATH_IMAGE009
。因此，低折射率介质柱3的折射率n3与基质材料4的折射率n4之间满足：；这里R为光纤允许的最小弯曲半径。Λ为孔周期，即相邻两个低折射率介质柱的中心间距（或者纤芯中心与低折射率介质柱的中心的间距），d3为低折射率介质柱的直径。
由于低折射率介质柱3主要作用为减小光纤的弯曲损耗，而光纤的基模场分布及大小主要由纤芯1及低折射率环2的参数决定，而这种光纤要求与普通单模光纤具有低的连接损耗。因此在低折射率介质柱不存在的情况下，光纤仍应具有与普通单模光纤相似的特性。同时，由于低折射率介质柱的束缚光能力强于低折射率环，显然，这种结构比包层整个由低折射率环组成阶跃型光纤更容易出现高阶模。因此，至少应保证包层整个由低折射率环组成阶跃型光纤是单模传输的。根据阶跃型光纤在单模传输时对归一化频率要求，可以得出：纤芯1的折射率n1与低折射率环2的折射率n2及纤芯1的半径a(单位:微米)之间满足：；
低折射率介质柱3的直径要适中，过小会导致弯曲损耗大，过大则会出现高阶模。因此，低折射率介质柱的直径d3与的取值范围一般取为：0.5<d3/Λ<0.85。
光纤的制作方法可采用以下两种方法：第一种方法，类似于光子晶体光纤的制作时的堆积-拉丝法。即首先制作外层为基质材料内层为低折射率介质棒和由内纤芯和内包层组成的纤芯棒以及石英管，然后将低折射率介质棒和纤芯棒排布在石英管中。然后，在拉丝塔中进行拉丝，获得最终所需光纤。在拉丝过程中，可采用抽真空的方法，去除光纤中的空气间隙孔。
第二种方法采用两步法，即首先制得仅由基质材料组成的预制棒以及低折射率介质棒和由内纤芯和内包层组成的纤芯棒，然后将低折射率介质棒和纤芯棒放入预制棒的相应孔中，即获得了最终的预制棒。再经与第一种方法相同的拉丝过程，获得最终的光纤。
上述附图和说明仅为说明性示意图，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)

1.一种低弯曲损耗光纤，包括纤芯（1）和包层，其特征在于：所述包层包括基质材料（4）、低折射率环(2)和低折射率介质柱(3)；所述纤芯（1）为高折射率介质柱，其位于所述包层的中心的低折射率环(2)内， 6个中心连线呈正六边形的所述低折射率介质柱(3)位于所述低折射率环(2)的外侧；所述纤芯（1）的折射率大于所述基质材料（4）的折射率，所述低折射率环(2)和低折射率介质柱(3)的折射率分别小于所述基质材料（4）的折射率；低折射率介质柱(3)的折射率n3与基质材料(4)的折射率n4之间满足：
Figure 653042DEST_PATH_IMAGE001
；
其中：R为光纤允许的最小弯曲半径，Λ为孔周期，是相邻两个低折射率介质柱的中心间距，d3为低折射率介质柱的直径；所述纤芯(1)的折射率n1与低折射率环(2)的折射率n2及所述纤芯(1)的半径a之间满足：
Figure 632499DEST_PATH_IMAGE002
；低折射率介质柱(3)的直径d3的取值范围为：0.5Λ<d3<0.85Λ。
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