CN102866455A - 一种大模场光纤传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大模场光纤传输系统，该结构系统包括主体光纤和分别连接于所述主体光纤两端的第一辅助光纤和第二辅助光纤，所述主体光纤和第一辅助光纤及第二辅助光纤均为光子晶体光纤；所述三种光纤的包层由基质材料（1）和排布在规则网格上的孔（2）所组成，纤芯（3）由规则网格中缺失的一个孔所形成。孔（2）中填充折射率低于基质材料的固体材料。所述主体光纤为多模光纤，第一辅助光纤和第二辅助光纤为单模光纤。该结构传输系统能够实现大模场、低连接损耗、低弯曲损耗单模传输的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及大模场、低连接损耗、低弯曲损耗传输的新型结构光纤。
背景技术
在高功率光纤激光器、放大器等应用发展中，非线性效应和光纤损伤等成为制约功率提高的重要因素，而大模场光纤的单模传输能有效的克服这些不利因素，因此现在光纤技术的主要发展趋势之一是能够实现各种应用的大模场单模传输的光纤。传统方法中，常采用阶跃折射率光纤来实现大模场单模光纤，但其最小的弯曲半径较大，少量的高阶模仍然存在其中。同时为了保持光纤的单模传输，将尽量减小纤芯和包层的折射率差。由于现有工艺的限制，纤芯和包层的折射率差无法做到很小，并且随着纤芯和包层的折射率差的减小，光纤的弯曲损耗将增大，使光纤的应用性能降低。
光子晶体光纤能够实现持久的单模传输，因此，可采用光子晶体光纤的结构来实现大模场单模传输。然而，由于光子晶体光纤是以降低纤芯和包层的折射率差为代价来增大纤芯直径，因此，轻微的弯曲和扰动将可能使光无法在光纤中传输。研究人员提出了一种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]，这种结构采用光纤中高阶模损耗较高而光纤基模损耗较低的特点，同时通过将光纤弯曲的方法，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。但这种光纤的基模损耗一般也较大，高阶模损耗又很难提高。因此，其使用还存在局限性。
还有人提出了一种两层空气孔环围绕纤芯的大模场光纤结构[Y. Tsuchida, K. Saitoh, and M. Koshiba, “Large-mode-area single-mode holey fiber with low bending losses: Towards high power beam delivery systems”, Optical Fiber Communication and the National Fiber Optic Engineers Conference, 2007: 1-3]，其基本思想是通过一定参数的设定，将光纤中的高阶模共振耦合到两层空气孔之间的一个环形区域内，同时将光纤中的基模锁定在纤芯中传输，通过这样的方法来保证其单模传输的特性，但是光纤中的高阶模只是在一个特定的波长范围内损耗才比较明显，也只有在这样的波长范围内，才能将高阶模共振耦合到两层空气孔之间。这种方法不但难以操作，而且也并不能保证高阶模完全稳定的被控制在两层空气孔间，同时基模又不会有损耗。专利“一种大模场光纤(200410011158.5)”公开了采用非对称多包层环形纤芯的光纤结构，来实现光纤的低损耗单模输出，但其结构复杂，不利于制作，同时也并未解决光纤的弯曲损耗的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种实现低弯曲损耗、低连接损耗、单模输出的大模场传输方法。
本发明的技术方案为：一种大模场光纤传输系统，包括主体光纤和分别连接于所述主体光纤两端的第一辅助光纤和第二辅助光纤，所述主体光纤和第一辅助光纤及第二辅助光纤均为光子晶体光纤；所述三种光纤的包层由基质材料和排布在规则网格上的孔所组成，纤芯由规则网格中缺失的一个孔所形成，孔中填充折射率低于基质材料的固体材料；主体光纤的归一化孔直径d/Λ满足：d/Λ＞0.75；第一辅助光纤的归一化直径d1/Λ1和第二辅助光纤的归一化直径d2/Λ2满足：d1/Λ1＞0.36和d2/Λ2＞0.36，且有d1/Λ1＜0.406和d2/Λ2＜0.406。
所述主体光纤、第一辅助光纤和第二辅助光纤的孔直径、孔折射率和孔周期分别用d，d1，d2，nh，nh1，nh2，Λ，Λ1，Λ2表示，其归一化孔直径分别用d/Λ，d1/Λ1，d2/Λ2表示。所述主体光纤、第一辅助光纤和第二辅助光纤的基质材料相同，其折射率用nc表示。第一辅助光纤和第二辅助光纤、主体光纤的纤芯的等效直径D1、D2、D分别为：D1=(2-d1/Λ1)Λ1，D2=(2-d2/Λ2)Λ2，D=(2-d/Λ)Λ。
作为本发明的进一步改进，三种光纤的纤芯等效直径之间满足： 
且
。当光是双向传输时，第一辅助光纤和第二辅助光纤的纤芯等效直径之间满足：和
。
基质材料的折射率nc与所述主体光纤、第一辅助光纤和第二辅助光纤的孔折射率nh，nh1，nh2之差nc-nh，nc- nh1，nc- nh2，均大于0.001。
作为本发明的进一步改进，主体光纤、第一辅助光纤和第二辅助光纤之间相互连接时，其横向偏移量小于3μm。同时，第一辅助光纤和第二辅助光纤的长度L都满足：L≤100mm。
本发明的技术效果为：主体光纤为多模大模场光纤，可有效的降低光纤基模的弯曲损耗。第一辅助光纤和第二辅助光纤为单模光子晶体光纤，利用光子晶体光纤可以实现大模场面积单模传输的特点，起到有效的抑制高阶模产生的作用。由于光纤结构匹配，更容易实现低损耗连接。
本发明通过在多模光子晶体光纤两端各接一个单模光子晶体光纤的方法，实现了单模传输的目的，同时整个系统实现大模场传输，多模光子晶体光纤还具有低弯曲损耗、低连接损耗等优点。光纤结构简单，容易制作。
附图说明
图1为主体光纤的横截面示意图；
图2为不同的孔直径时，主体光纤的弯曲损耗随弯曲半径的变化曲线；
图3为主体光纤的归一化直径d/Λ=0.85时，光从第一辅助光纤进入主体光纤时，其基模的连接损耗随第一辅助光纤的孔周期的变化曲线；
图4为主体光纤的归一化直径d/Λ=0.85时，光从主体光纤进入第二辅助光纤时，其基模的连接损耗随第一辅助光纤的孔周期的变化曲线；
图5为主体光纤的归一化直径d/Λ=0.85时，主体光纤的高阶模与辅助光纤的基模之间的连接损耗随横向偏移的变化曲线；
其中：1-基质材料；2-孔；3-纤芯。
具体实施方式
本发明所述的大模场光纤传输系统，包括主体光纤和分别连接于主体光纤两端的第一辅助光纤和第二辅助光纤。主体光纤和第一辅助光纤及第二辅助光纤均为光子晶体光纤；三种光纤的包层由基质材料1和排布在规则网格上的孔2所组成，纤芯3由规则网格中缺失的一个孔所形成，孔中填充折射率低于基质材料的固体材料；主体光纤采用大孔，为多模传输；第一辅助光纤和第二辅助光纤采用小孔组成，为单模传输。图1为光纤中孔排布的一种例子，图中孔排布在正三角形网格中，纤芯由中心缺失的一个孔所形成。
三种光纤中的孔均采用固体材料进行填充，而不采用空气孔，这样通过成熟的熔接法可将主体光纤和辅助光纤连接起来，使整个系统的结构更加稳定牢固。在这个系统中，为了减小光纤基模的弯曲损耗，使主体光纤可以在弯曲时使用，我们用多模光纤作为主体光纤。即利用多模光纤的纤芯与包层折射率差大的特点，提高光纤的抗弯曲性能。
主体光纤两端连接与之匹配的单模光纤，从而避免了高阶模在多模光纤中的产生，以及高阶模被输出。即输入端为第一辅助光纤，为一根单模光纤，其只输出基模模场，其基模模场与主体光纤的基模相似，而与主体光纤的高阶模具有正交性，因而可以高效地转化为主体光纤的基模，而不容易激发出主体光纤的高阶模，从而抑制了高阶模在主体光纤中的产生。由于输出端也连接了一根单模光纤，即第二辅助光纤，因此，主体光纤中存在的高阶模（如果有的话），将无法在单模光纤中传输，从而被滤除，而第二辅助光纤的基模同样与主体光纤的基模匹配，从而可以实现高效地将主体光纤的基模耦合进第二辅助光纤。
由图2可见，当光子晶体光纤的孔直径较大时，其弯曲损耗就可以较低。因此，一般要求主体光纤的归一化直径d/Λ需要满足：d/Λ＞0.75。
由光子晶体光纤的基本理论可知，当光子晶体光纤的包层由相同尺寸的孔排布在三角网格上组成、而纤芯由中心缺失的一个孔所形成（即纤芯尺寸较小时），只要归一化孔直径小于一定值，光纤就可以实现无休止单模传输（对孔为空气孔的情况，其归一化孔直径应小于0.406，[N. A. Mortensen, J. R. Folkenberg, M. D. Nielsen, and K. P. Hansen, "Modal cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers, " Opt.Lett. 2003, 28(20): 1879]）。第一辅助光纤和第二辅助光纤中的孔主要在光纤为直光纤状态时起束缚光纤基模。因此，要求第一辅助光纤的归一化直径d1/Λ1和第二辅助光纤的归一化直径d2/Λ2满足： d1/Λ1＜0.406和d2/Λ2＜0.406。同时，为了有效地束缚光，应有d1/Λ1＞0.36和d2/Λ2＞0.36。
由于辅助光纤与主体光纤的结构参数不同，因此，两种光纤连接时，必须合理选择光纤参数，以提高光纤基模之间的耦合效率。一般情况下，两种不同的光纤连接时，当光纤的模场面积大小相当时，其连接损耗最小，或者一般当光从模场面积较小的光纤，进入到模场面积较大的光纤时，其连接损耗小。可以根据等效纤芯直径来确定辅助光纤与主体光纤的孔周期关系。即以二倍的孔周期减去孔的直径作为纤芯的等效直径。即定义三种光纤的纤芯的等效直径分别为：第一辅助光纤中D1=(2-d1/Λ1)Λ1，第二辅助光纤中D2=(2-d2/Λ2)Λ2，主体光纤中D=(2-d/Λ)Λ。
图3和图4为在主体光纤结构参数固定的情况下，辅助光纤的孔周期的变化时，其连接损耗的变化曲线。可见第一辅助光纤与主体光纤在宽范围内均具有低连接损耗；而主体光纤与第二辅助光纤之间连接损耗稍大。最低连接损耗均出现在两种光纤等效纤芯相匹配的时候。
为此，要求等效纤芯直径之间满足：
且
。显然，当光是双向传输时，第一辅助光纤和第二辅助光纤的参数应相同，此时，应有
和
。
图5为主体光纤的归一化直径d/Λ=0.85时，主体光纤的高阶模与辅助光纤的基模之间的连接损耗随横向偏移的变化曲线。可见，随着横向偏移的增大，基模与高阶模的耦合会逐渐增多。为了保持有效的单模传输，必须控制横向偏移量。光纤连接时，其横向偏移量需小于3μm。
主体光纤、第一辅助光纤和第二辅助光纤与基质材料之间应具有较大的折射率差，这样孔才有较强的束缚光能力，从而保证光纤的泄漏损耗和弯曲损耗较低。即基质材料的折射率nc与主体光纤、第一辅助光纤和第二辅助光纤的孔折射率nh，nh1，nh2之差nc-nh，nc- nh1，nc- nh2，均大于0.001。
主体光纤的长度可以根据需要来确定。第一辅助光纤和第二辅助光纤的长度L应该都满足：L≤100mm。这是因为光能量在第一辅助光纤和第二辅助光纤中传输，由于它们都为单模光纤，抗弯曲和干扰能力较弱，为了减小可能会引起的弯曲损耗，第一辅助光纤和第二辅助光纤的长度不能太长（在实际的实验操作中，可以通过一些辅助工具将第一辅助光纤和第二辅助光纤固定住，避免弯曲和晃动）。
以下以石英作为基质材料为例，说明该光纤结构的传输特性。实际应用时，可根据不同的基质材料和基质材料所适应的波长范围来选择相应的光纤结构。
实施例一：
主体光纤的横截面结构如图1所示。基质材料采用纯石英，第一辅助光纤和第二辅助光纤及主体光纤中的孔填充折射率低于基质材料的固体材料。输入端第一辅助光纤的长度为10mm，输出端第二辅助光纤的长度为10mm。第一辅助光纤中孔的孔周期Λ1=38μm，孔直径d1=15.2μm，孔的折射率比基质材料低0.006。主体光纤中孔周期Λ=50μm，孔直径d=42.5μm，孔的折射率比基质材料低0.006。第二辅助光纤中的孔周期Λ2=33μm，孔直径d2=13.2μm，孔的折射率比基质材料低0.006。第一辅助光纤和第二辅助光纤的基质材料与主体光纤相同。传输波长为1064nm时，在主体光纤为直光纤时的基模模场面积可达1593μm2，在弯曲半径为20cm时，基模的模场面积为1081.1μm2。光纤可在弯曲半径可低至10cm时仍保持低损耗传输，此时主体光纤中基模泄漏损耗小于0.002 dB/m。
实施例二：
主体光纤的横截面结构如图1所示。基质材料采用纯石英，第一辅助光纤和第二辅助光纤及主体光纤中的孔填充折射率低于基质材料的固体材料。输入端第一辅助光纤的长度为10mm，输出端第二辅助光纤的长度为10mm。第一辅助光纤中孔周期Λ1=54μm，孔直径d1=21.6μm，孔的折射率比基质材料低0.006。主体光纤中孔周期Λ=70μm，孔直径d=63μm，孔的折射率比基质材料低0.006。第二辅助光纤中孔周期Λ2=45μm，孔直径d2=18μm，孔的折射率比基质材料低0.006。第一辅助光纤和第二辅助光纤的基质材料与主体光纤相同。传输波长为1064nm时，在主体光纤为直光纤时的基模模场面积可达2768.6μm2，在弯曲半径为20cm时，基模的模场面积为1165.8μm2。光纤可在弯曲半径可低至10cm时仍保持低损耗传输，此时主体光纤中基模泄漏损耗小于6.5×10-5 dB/m。
Claims (8)
1.一种大模场光纤传输系统，其特征在于：由主体光纤和分别连接于所述主体光纤两端的第一辅助光纤和第二辅助光纤所组成，所述主体光纤和第一辅助光纤及第二辅助光纤均为光子晶体光纤；所述三种光纤的包层由基质材料（1）和排布在规则网格上的孔（2）所组成，纤芯（3）由规则网格中缺失的一个孔所形成；孔（2）中填充折射率低于基质材料的固体材料；主体光纤的归一化孔直径d/Λ满足：d/Λ＞0.75；第一辅助光纤的归一化直径d1/Λ1和第二辅助光纤的归一化直径d2/Λ2满足：0.406＞d1/Λ1＞0.36和0.406＞d2/Λ2＞0.36；
其中主体光纤、第一辅助光纤和第二辅助光纤的孔直径、孔周期分别用d，d1，d2，Λ，Λ1，Λ2表示。
2.根据权利要求1所述的一种大模场光纤传输系统，其特征在于：所述主体光纤为多模光子晶体光纤，所述第一辅助光纤和第二辅助光纤为单模光子晶体光纤。
3.根据权利要求1所述的一种大模场光纤传输系统，其特征在于：所述第一辅助光纤和第二辅助光纤、主体光纤的的纤芯等效直径之间满足： 且
，其中第一辅助光纤和第二辅助光纤、主体光纤的纤芯的等效直径D1、D2、D分别为：D1=(2-d1/Λ1)Λ1，D2=(2-d2/Λ2)Λ2，D=(2-d/Λ)Λ。
4.根据权利要求1所述的一种大模场光纤传输系统，其特征在于：所述第一辅助光纤和第二辅助光纤、主体光纤的纤芯的等效直径之间满足：且
，其中第一辅助光纤和第二辅助光纤、主体光纤的纤芯的等效直径D1、D2、D分别为：D1=(2-d1/Λ1)Λ1，D2=(2-d2/Λ2)Λ2，D=(2-d/Λ)Λ。
5.根据权利要求1所述的一种大模场光纤传输系统，其特征在于：所述第一辅助光纤、第二辅助光纤与主体光纤连接的横向偏移量小于3μm。
6.根据权利要求1所述的一种大模场光纤传输系统，其特征在于：基质材料的折射率nc与所述主体光纤、第一辅助光纤和第二辅助光纤的孔折射率nh，nh1，nh2之差nc-nh＞0.001，nc- nh1＞0.001，nc- nh2＞0.001。
7.根据权利要求1所述的一种大模场光纤传输系统，其特征在于：所述第一辅助光纤和第二辅助光纤的长度L都满足：L≤100mm。
8.根据权利要求1所述的一种大模场光纤传输系统，其特征在于：所述规则网格为正三角形网格。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Address after: 211200 Jiangsu Province, Lishui District Yong Yang Town Bridge Road, No. 688 Applicant after: Jiangsu University Address before: Zhenjiang City, Jiangsu Province, 212013 Jingkou District Road No. 301 Applicant before: Jiangsu University |
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Application publication date: 20130109 Assignee: JIANGSU TIANXING PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Jiangsu University Contract record no.: 2015320000205 Denomination of invention: Large mode field optical fiber transmission system Granted publication date: 20140528 License type: Exclusive License Record date: 20150415 |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 212114 Zhenjiang, Zhejiang Province, Dantu high capital street, Xiangshan Road, No. 1 Patentee after: Jiangsu University Address before: 211200 Jiangsu Province, Lishui District Yong Yang Town Bridge Road, No. 688 Patentee before: Jiangsu University |
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Effective date of registration: 20171117 Address after: 212100 Zhenjiang province Jiangsu city Dantu District Shangdang ecological Automobile Industrial Park No. 8 Patentee after: JIANGSU HUIZHI INTELLECTUAL PROPERTY SERVICES CO., LTD. Address before: 212114 Zhenjiang, Zhejiang Province, Dantu high capital street, Xiangshan Road, No. 1 Patentee before: Jiangsu University |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191220 Address after: 225200 No. 88 Wenchang East Road, Jiangdu District, Yangzhou, Jiangsu. Patentee after: Yangzhou (Jiangdu) New Energy Automobile Industry Research Institute of Jiangsu University Address before: 212100 Zhenjiang province Jiangsu city Dantu District Shangdang ecological Automobile Industrial Park No. 8 Patentee before: JIANGSU HUIZHI INTELLECTUAL PROPERTY SERVICES CO., LTD. |
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