CN103207430A - 一种低弯曲损耗微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微结构光纤。该光纤由基质材料、圆形高折射率纤芯、排布在纤芯周围的圆形低折射率介质柱和排布在低折射率介质柱外侧的圆形空气孔所组成。低折射率介质柱的中心与纤芯中心的距离均相同。空气孔的中心与纤芯中心的距离均相同。本发明通过在光纤中引入空气孔，利用低折射率的空气孔有效降低光纤的弯曲损耗。在纤芯周围引入低折射率介质柱，保证了光纤的低双折射和低传输损耗，以及与单模光纤的模场的相似性。本发明提出的微结构光纤的基模可以在弯曲半径为5mm时仍然具有低的弯曲损耗，引入的低折射率介质柱减小了光纤制作的精度要求，提高了产品的成品率。

Description

一种低弯曲损耗微结构光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及具有低弯曲损耗特性的光纤及由其组成的光纤通信系统。
背景技术
在光纤到户应用中，在墙角及管道的弯曲处，室内光纤可能需要很小弧度的弯曲。若光纤可以允许被弯曲到较小半径，则它也可以减小光纤光缆交接箱和以及用于存放光纤的光纤接口盒的尺寸。为满足光纤到户的应用需要，ITU-T提出了G.657标准光纤。符合G.657标准的光缆可以像铜缆一样，沿着建筑物内很小的拐角安装，因此非专业的技术人员也可以掌握施工的方法。对弯曲损耗要求最严格的G.657.B3光纤要求在1550nm波长处，弯曲半径为5mm时弯曲损耗小于0.15dB/匝。同时，光纤应仍与G.652光纤具有较好的模式匹配性。目前提出的弯曲不敏感光纤主要有三种类型：阶跃折射率剖面光纤[J.Lightwave Technol.,2005,23(11):3494]、包层带凹槽折射率分布光纤[具有波导结构的弯曲不敏感光纤(专利号ZL200610024532.4)，弯曲不敏感光纤及其制备方法（专利号：ZL200410061392.9）]和孔助型弯曲不敏感光纤[Opt.Express,2005,13(12):4770]。但为了降低光纤的弯曲损耗，都采用了减小光纤的模场直径的方法，这就导致光纤与普通单模光纤之间连接时，模场容易出现不匹配，从而增大了光纤的连接损耗。孔助型光纤中空气孔的引入，也增大了光纤本身的传输损耗，同时在与普通光纤熔接时，需要对熔接过程进行精确的控制，增加了使用的复杂度。
通过允许光纤为非单模光纤的方法，可以扩大光纤参数的选择范围，从而有效解除光纤的弯曲损耗和连接损耗之间的矛盾。例如，发明专利“一种双模光纤及其通信系统（201010589018.1）”，提出一种阶跃型双模光纤及其通信系统，通过允许光纤传输高阶模的方法，实现低弯曲损耗和与单模光纤低损耗连接的目的。同时，将双模光纤两端与单模光纤连接即可去除双模光纤中的高阶模。但双模阶跃型光纤弯曲损耗仍不够低。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的是提出一种新型低弯曲损耗光纤，这种光纤也是一种非单模光纤，通过在光纤中引入微结构，从而实现低弯曲损耗的光传输。
本发明的微结构光纤的技术方案是：微结构光纤由基质材料、圆形高折射率纤芯、排布在纤芯周围的若干圆形低折射率介质柱和排布在低折射率介质柱外侧的若干圆形空气孔所组成，所述圆形高折射率纤芯、圆形低折射率介质柱和圆形空气孔嵌设在基质材料中。各低折射率介质柱的中心与纤芯中心的距离均相同，用a表示。各空气孔的中心与纤芯中心的距离均相同，用b表示，且有b>a。纤芯与基质材料的折射率差ncore-nclad的取值范围为：0.002～0.007。这里，ncore和nclad分别为纤芯和基质材料的折射率。光纤横截面折射率分布具有旋转对称性，且旋转角小于180°。光纤的截止波长大于1.26μm。
作为本发明的进一步改进，要求低折射率介质柱的折射率nrod与基质材料的折射率差nrod-nclad的取值范围为-0.007～-0.003，低折射率介质柱的中心与纤芯中心的距离a的取值范围为8～18μm。低折射率介质柱的直径drod满足drod/a=0.4～0.9。空气孔的中心与纤芯中心的距离b的满足b-a=8～23μm，空气孔的直径dhole满足dhole/(b-a)=0.7～1.35。低折射率介质柱的数量Nrod为4～8。空气孔的数量为Nrod或2Nrod。
弯曲半径为5mm时，微结构光纤的弯曲损耗应小于0.1dB/m。波长为1.31μm时，光纤基模的模场直径的取值范围为8.6～9.5μm。
本发明的有益效果：在光纤中引入空气孔，利用低折射率的空气孔有效降低光纤的弯曲损耗。在纤芯周围引入低折射率介质柱，保证了光纤的低双折射和低传输损耗，以及与单模光纤的模场的相似性。本发明提出的微结构光纤的基模可以在弯曲半径为5mm时仍然具有低的弯曲损耗，引入的低折射率介质柱减小了光纤制作的精度要求，提高了产品的成品率。
附图说明
图1本发明光纤的一种横截面示意图。
图2本发明光纤的又一种横截面示意图。
图3为图1所示微结构光纤的弯曲损耗曲线。
图4为图1所示的微结构光纤的连接损耗曲线。
其中，1为基质材料，2为纤芯，3为低折射率介质柱，4为空气孔。
具体实施方式
本发明提出采用两种不同的微结构组合以实现低弯曲损耗传输。采用微结构光纤，首先是考虑到微结构光纤具有无休止单模或少模传输的特点，由于微结构光纤具有比普通阶跃光纤具有更少的模式数量，因而保证光纤的基模更不容易受高阶模的影响。
本发明引入两种不同类型微结构，即在纤芯周围排布低折射率的介质柱，而在介质柱外面排布空气孔。低折射率介质柱由掺氟等的石英材料组成，其折射率低于基质材料的折射率，但又远高于空气孔的折射率。由于与纤芯折射率差别较小，对纤芯中传输模式的影响也较小，因此，在纤芯中传输的光纤基模模场更接近于圆对称结构，从而有利于减小光纤与普通单模光纤的连接损耗。与空气孔相比，由于低折射率介质柱为固体材料，在拉丝过程中更容易保持其折射率分布，其与纤芯的折射率差也更小，从而使光纤的双折射更小，保证光纤具有低的偏振色散。同时，低折射率介质柱更不容易受空气孔制作误差以及表面形貌的影响，从而使其对基模的传输损耗影响也更小。在与普通单模光纤连接时，由于低折射率介质柱的存在，空气孔在熔接过程中的塌陷对光纤的连接损耗影响很小，这样，也更方便了光纤的连接。引入较大直径、折射率为1的空气孔，保证了光纤具有低的弯曲损耗。
图3给出微结构光纤的弯曲损耗曲线，作为比较还给出了不存在空气孔时的弯曲损耗曲线。由图可见，空气孔对光纤基模的弯曲损耗的减小效果非常明显。
图4给出低折射率介质柱取不同的折射率时，微结构光纤与普通单模光纤的连接损耗，由图可见，低折射率介质柱若折射率很低，连接损耗会明显增大。由此可见，纤芯周围采用低折射率介质柱而非空气孔对光纤的连接损耗的减小效果明显。
实施例一：
光纤结构如图1所示，空气孔4排布在低折射率介质柱3外侧，且其中心与相邻的两个低折射率介质柱3的中心的距离相同。纤芯2与基质材料1的折射率差ncore-nclad=0.005，纤芯2直径为8μm，低折射率介质柱3的折射率nrod与基质材料1的折射率差nrod-nclad=-0.005，低折射率介质柱3的中心与纤芯2中心的距离a=13μm，低折射率介质柱3的直径drod=7.5μm，低折射率介质柱3的数量Nrod=6。空气孔4的中心与纤芯2中心的距离b=23.5μm，空气孔4直径dhole=11.9μm。空气孔4的数量为Nhole=6。
在1.31微米波长时，其模场直径为8.9微米，光纤的弯曲半径为7.5mm时，其弯曲损耗小于0.01dB/m。
实施例二：
光纤结构如图2所示。其中4个空气孔4排布在低折射率介质柱3外侧，且其中心与相邻的两个低折射率介质柱3的中心的距离相同；另4个空气孔4的中心与纤芯中心的连线经过相邻低折射率介质柱3的中心。纤芯2与基质材料1的折射率差ncore-nclad=0.005，纤芯2直径为8μm，低折射率介质柱3的折射率nrod与基质材料1的折射率差nrod-nclad=-0.006，低折射率介质柱3的中心与纤芯2中心的距离a=15μm，低折射率介质柱3的直径drod=12μm，低折射率介质柱3的数量Nrod=4。空气孔4的中心与纤芯2中心的距离b=32μm，空气孔4直径dhole=18μm。空气孔4的数量为Nhole=8。
在1.31微米波长时，其模场直径为9微米，光纤的弯曲半径为7.5mm时，其弯曲损耗小于0.01dB/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 (6)

1. 一种低弯曲损耗微结构光纤，其特征在于：微结构光纤由基质材料（1）、圆形高折射率纤芯（2）、排布在纤芯周围的若干圆形低折射率介质柱（3）和排布在低折射率介质柱外侧的若干圆形空气孔（4）所组成，所述圆形高折射率纤芯、圆形低折射率介质柱和圆形空气孔嵌设在基质材料中；各低折射率介质柱(3)的中心与纤芯(2)中心的距离均相同，用a表示；各个空气孔(4)的中心与纤芯(2)中心的距离均相同，用b表示，且有b>a；纤芯(2)与基质材料(1)的折射率差的取值范围为：0.002~0.007；光纤横截面折射率分布具有旋转对称性，且旋转角小于180°，光纤的截止波长大于1.26 μm。
2.根据权利要求1所述的微结构光纤，其特征在于：低折射率介质柱(3)的折射率nrod与基质材料(1)的折射率差的取值范围为-0.007~-0.003，低折射率介质柱(3)的中心与纤芯(2)中心的距离a的取值范围为8~18 μm；低折射率介质柱(3)的直径drod满足drod/a =0.4~0.9。
3.根据权利要求1所述的微结构光纤，其特征在于：空气孔(4)的中心与纤芯(2)中心的距离b满足b-a=8~23 μm，空气孔的直径d-hole满足dhole/ (b-a) =0.7~1.35。
4.根据权利要求1所述的微结构光纤，其特征在于：低折射率介质柱的数量Nrod为4~8，空气孔的数量为Nrod或2Nrod。
5.根据由权利要求1所述的微结构光纤，其特征在于：弯曲半径为5mm时，所述微结构光纤的弯曲损耗小于0.1 dB/m。
6.根据由权利要求1所述的微结构光纤，其特征在于：波长为1.31 μm时，光纤基模的模场直径的取值范围为8.6~9.5 μm。
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