CN104503018A - 滤模光纤 - Google Patents

滤模光纤 Download PDF

Info

Publication number
CN104503018A
CN104503018A CN201410816602.4A CN201410816602A CN104503018A CN 104503018 A CN104503018 A CN 104503018A CN 201410816602 A CN201410816602 A CN 201410816602A CN 104503018 A CN104503018 A CN 104503018A
Authority
CN
China
Prior art keywords
refractive index
high refractive
index medium
mode
core
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410816602.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104503018B (zh
Inventor
陈明阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu University
Original Assignee
Jiangsu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University filed Critical Jiangsu University
Priority to CN201410816602.4A priority Critical patent/CN104503018B/zh
Publication of CN104503018A publication Critical patent/CN104503018A/zh
Priority to US15/126,247 priority patent/US20170082796A1/en
Priority to PCT/CN2015/077615 priority patent/WO2016101470A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104503018B publication Critical patent/CN104503018B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02004—Optical fibres with cladding with or without a coating characterised by the core effective area or mode field radius
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/0238—Longitudinal structures having higher refractive index than background material, e.g. high index solid rods
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02319—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by core or core-cladding interface features
    • G02B6/02333—Core having higher refractive index than cladding, e.g. solid core, effective index guiding
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/02347—Longitudinal structures arranged to form a regular periodic lattice, e.g. triangular, square, honeycomb unit cell repeated throughout cladding
    • G02B6/02352—Complex periodic lattices or multiple interpenetrating periodic lattices, e.g. unit cell having more than two materials, partially internally coated holes, for multiple bandgaps
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/02361—Longitudinal structures forming multiple layers around the core, e.g. arranged in multiple rings with each ring having longitudinal elements at substantially the same radial distance from the core, having rotational symmetry about the fibre axis
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/02347—Longitudinal structures arranged to form a regular periodic lattice, e.g. triangular, square, honeycomb unit cell repeated throughout cladding
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02385—Comprising liquid, e.g. fluid filled holes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种滤模光纤，包层由基质材料、高折射率介质柱和高折射率介质环组成。高折射率介质柱周期性排布于低折射率基质材料上，高折射率介质环位于所述低折射率基质材料、高折射率介质柱的外侧。纤芯位于光纤的中心。本发明提出使高折射率介质柱形成超模群，并与纤芯模发生耦合，再以高折射率环使超模群获得高的泄露损耗，从而形成有效的滤模机制的方法，实现选择性地滤除光纤的模式。将多根具有不同滤模功能的光纤串接，即可以滤除多个光纤模式，从而使少模光纤仅传输单个高阶模。在滤除相应模式的同时，光纤中其它模式可以保持低损耗传输。

Description

滤模光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体为一种具有选择性滤除纤芯中传输模式功能的微结构光纤。
背景技术
单模光纤的信息容量通过时分复用、波分复用、偏振复用等技术获得了极大的提高，已经接近于极限。近年来，采用多芯光纤或少模光纤，通过不同的纤芯或同一光纤中不同的模式来实现传输不同信息的方法，即所谓的空分复用技术，引起了人们广泛的兴趣。空分复用系统中，每路信号载荷着不同的信息，且每路信号均可通过时分复用、波分复用技术实现大容量通信。采用少模光纤，以不同的模式传输不同的信息的方法，即所谓的模分复用技术，可以成倍地提高光纤的传输容量。除了在模分复用技术方面的应用以外，少模光纤还可以通过选择性激发高阶模的方法，实现大模场单模传输、色散补偿、超短脉冲传输以及非线性应用等。因此，如何有效地操纵、控制少模光纤中的传输模式，成为这些技术应用的关键。
光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用，是波分复用系统中的重要器件。相似的，在少模光纤应用中，也需要有滤模器，即能够选择性地滤除光纤中的某个或某些模式的器件。
基于单模光纤与少模光纤耦合的双芯光纤可以实现模式的分离，但难以避免不同模式之间的耦合【Opt.Fiber Technol.，2011，17(5)：490-494】。采用多芯光纤可以实现多种模式的复用与分离，其缺点其模场变形比较严重【Opt.Express，2010，18(5)：4709-4716】。采用波导结构，也可实现模式分离，但结构相对复杂【Opt.Express，2013，21(15)：17904-17911，Opt.Express，2013，21(17)：20220-20229】。
利用高阶模的弯曲损耗较大，而低阶模的弯曲损耗较小的特点，通过弯曲的方法，可以使光纤中的某个或某些高阶模产生大的损耗，从而实现滤模的目的。但如果想要滤除基模或低阶模而保留高阶模，则难以用这种方法实现。对于光子带隙光纤，由于传输模式需处于带隙内才能传输，而带隙可以出现在低折射率区，因此，采用带隙光纤结构，有可能可以使光纤的基模处于带隙之外，而让高阶模处于带隙之内，从而实现滤除基模的效果。然而，由于这种结构下的带隙一般较窄，导致其对高阶模的束缚能力较弱，因而高阶模的泄露损耗也往往很大【Opt.Express，2010，18(9)：8906-8915】。
能够有效滤除光纤中特定的模式而又保持其它模式低损耗传输的光纤结构，目前尚未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有选择性滤除纤芯中模式功能的微结构光纤。
本发明的技术方案为：一种微结构光纤，包括纤芯和包层，所述包层包括基质材料、高折射率介质柱和高折射率介质环。所述高折射率介质柱围绕纤芯并周期性排布于基质材料内。所述纤芯位于光纤的中心。所述高折射率介质环位于所述基质材料、高折射率介质柱的外侧。其折射率之间的关系满足：nout＞nclad，ncore＞nclad，nrod＞nclad。纤芯与基质材料的参数关系满足：V＞2.405，这里这里，ncore，nrod，nclad，nout分别为纤芯、高折射率介质柱、基质材料和高折射率介质环的折射率。rcore为纤芯半径，λ0为工作波长。
高折射率介质柱和基质材料组成的微结构区域可传输的模式形成超模群。超模群中最低阶模式的有效折射率的和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间。在工作波长范围内，至少有一个纤芯模式的有效折射率处于超模群区间，其泄露损耗大于有效折射率未处于超模群区间的其它纤芯模式。
作为本发明的进一步改进方案，在工作波长范围内，高折射率介质环的折射率处于超模群区间以上。
作为本发明的进一步改进方案，高折射率介质环为一圆环，其内径为din，其圆心与纤芯中心位置相同。定义L为纤芯中心与每一个高折射率介质柱的中心之间的距离的集合，其中的最大值为Lmax。则高折射率介质环与高折射率介质柱之间的距离需满足：din-Lmax-rrod＜4μm。这里rrod为高折射率介质柱的半径。
作为本发明的改进方案，要求：高折射率介质柱的层数N满足：N≥3。
作为本发明的进一步改进方案，要求：纤芯和与之相邻的高折射率介质柱之间的中心距离S满足：S-(rcore+rrod)≥3μm且S-(rcore+rrod)≤8μm。
作为本发明的进一步改进方案，要求：高折射率介质环的折射率nout与超模群中最低阶模式的有效折射率nceff之间满足：nout-nceff＞0.0005。
以不同介质柱的组合可以实现在同一根光纤同时滤除多个模式。这要求：高折射率介质柱由2-3种不同类型的高折射率介质柱组成，且同一类型的高折射率介质柱组成1-3区域；形成的区域总数为2-6个；在同一个区域内，高折射率介质柱的周期、直径和折射率均相同，且所有的高折射率介质柱中心位于以纤芯中心为圆心的扇形区域内。
作为一种优化方案，所述光纤横截面分布具有轴对称性。
作为一种优化方案，所述纤芯采用高折射率液体。
作为实现可调滤模的一种方案，以高折射率液体柱替代高折射率介质柱或以高折射率液体作为纤芯。
本发明的技术效果为：本发明提出通过纤芯模式与微结构包层模发生耦合，再经高折射率环形成滤模机制的方法，可以实现选择性地滤除光纤的模式。例如，可以滤除双模光纤的基模，从而使光纤可以仅传输单个高阶模，也可以选择性地滤除少模光纤中的某一个或多个高阶模。在滤除相应模式的同时，光纤中其它模式可以保持低损耗传输，从而实现了对光纤中模式的有效控制。将多根具有不同滤模功能的光纤串接，即可以滤除多个光纤模式，从而使少模光纤仅传输单个高阶模。与其它滤模方法相比，本发明光纤的滤模方法简单：通过将少模光纤与本发明光纤连接的方法，即可实现滤除少模光纤中传输的特定模式，而无需对光纤做其它处理。
附图说明
图1为一种本发明光纤的横截面结构示意图；
图2为由两种不同尺寸高折射率介质柱组成的另一种本发明光纤的横截面结构示意图；
图3为由两种不同尺寸高折射率介质柱且具有两个对称轴的组成的另一种本发明光纤横截面结构示意图；
图4为实施例1光纤的模场分布图，其中，4(a)为LP01模；4(b)为LP11模；
图5为实施例1中纤芯模式的有效折射率和泄露损耗随波长变化曲线；
图6为实施例1中纤芯基模随传输距离的能量变化曲线；
图7为实施例1中纤芯模式泄露损耗与高折射率介质环的内径的关系曲线；
图8为实施例1中纤芯模式的泄露损耗与高折射率介质环的折射率的关系曲线；
图9为实施例2中纤芯模式有效折射率与纤芯模式的泄露损耗随波长变化曲线；
其中，9(a)为纤芯模式有效折射率曲线；9(b)为纤芯模式的泄露损耗曲线；
图10为实施例3中光纤的横截面折射率分布示意图；
图11为实施例3中纤芯模式的泄露损耗随波长变化曲线。
图中，1为基质材料，2为高折射率介质柱，3为高折射率介质环，4为纤芯。
具体实施方式
图1给出了本发明光纤的一种结构示意图。其中，包层包括基质材料1、高折射率介质柱2和高折射率介质环3。高折射率介质柱2周期性地排布于基质材料1上，高折射率介质环3位于高折射率介质柱2和基质材料1外侧。纤芯4位于光纤的中心。其中高折射率介质柱2、高折射率介质环3、纤芯4的折射率均高于基质材料1。
高折射率介质柱2排布于低折射率的基质材料1上，因而，当高折射率介质柱2之间距离足够远时，任一高折射率介质柱2都可以独立地传导基模。假设高折射率介质柱2仅支持单模传输，则两个高折射率介质柱2排布于基质材料1上时距离较近时，其基模会发生耦合，形成两个超模，其中一个超模的有效折射率高于基模，而另一个超模的有效折射率低于基模。同理，若三个相同的高折射率介质柱2排布于基质材料1上，则可以形成三个超模。相类似的，当在基质材料1上排布更多的高折射率介质柱2时，其产生的超模的有效折射率分布在高折射率介质柱2的基模有效折射率周围，形成一个超模群。
本发明光纤的滤模原理是：高折射率纤芯4排布于低折射率的基质材料1上，形成阶跃型光纤结构。纤芯4与基质材料1的参数关系满足：V＞2.405，这里即纤芯可以传输基模和一定数量的高阶模。高折射率介质柱2排布于低折射率的基质材料1上，形成超模群。因此，由耦合理论，若纤芯中的某个模式的有效折射率与高折射率介质柱2形成的超模的有效折射率匹配，则两个模式将发生能量耦合。即使两者不完全匹配，只要其有效折射率相近，也可发生部分的能量耦合。因此，这就使得纤芯模式可以耦合到包层。当高折射率介质柱2形成的超模的有效折射率低于高折射率介质环3的折射率时，则由于无法满足全内反射条件，此超模将发生强的泄漏，因此达到滤除此纤芯模式的目的。称此纤芯模式为受抑制模式，即此模式在由纤芯4和基质材料1组成的阶跃光纤中是传导模，而在引入高折射率介质柱2和高折射率介质环3后，受到抑制，成为传输损耗很大的模式。若高折射率介质柱距离高折射率介质环3较远，则由于高折射率介质柱2周围为低折射率的基质材料1，形成一定的折射率引导机制，其泄漏损耗也较小。
当高折射率介质柱2较多时，其形成的超模数量也较多。由此，其在单个高折射率介质柱2模式的有效折射率附近的一个区间内形成有效折射率差值很小的一个超模群。由于最低阶模式的有效折射率最大，而最高阶模式的有效折射率最小，因此，可定义超模群中最低阶模式的有效折射率的和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间。这样，当一个纤芯模式处于这个超模群的有效折射率区间时，纤芯模式就会与其中的超模发生耦合。由于超模群的有效折射率形成数量很多、排布很密的一个区间，这就使得这个纤芯模式可以在宽波长范围内都有可能与其中的一个或多个超模发生耦合，从而形成宽带的滤模效果。一般要求高折射率介质柱2的层数N满足：N≥3，从而保证高折射率介质柱2的数量足够多，从而形成足够的超模，同时，其纤芯4与高折射率介质环3的距离也足够远，以保证纤芯中的传输模式具有低的损耗。
高折射率介质环3的作用是使超模无法满足全内反射条件，产生泄露损耗。由光纤理论，若高折射率介质环3不存在，则由于纤芯4和高折射率介质柱2的折射率均大于基质材料1，因而，纤芯模及高折射率介质柱形成的超模都是传导模，这些模式均基于折射率引导机制传输，不存在泄露损耗。
当纤芯模式有效折射率处于超模群区间以上时，由于纤芯4折射率本身高于基质材料1，其纤芯模式满足折射率引导机制，因而，纤芯模式的损耗较小。其可能存在损耗的原因是：高折射率介质环3的折射率可能会高于纤芯模式的有效折射率，从而导致泄露损耗。其泄露损耗随着纤芯模式有效折射率的增大而减小，这是因为纤芯模式与超模的有效折射率差别增大，折射率引导效应增强。
当纤芯模式有效折射率位于超模群区间以下时，纤芯模仍然可以被束缚在纤芯区传输，原因是高折射率介质柱2形成的超模与纤芯模式的有效折射率有一定差别，其耦合效应弱，因而纤芯模式仍然在纤芯及附近传输，而高折射率介质环与纤芯距离较远，因而其对纤芯模的泄漏作用较弱。
由此可见，当纤芯基模的有效折射率位于超模群区间时，其模式损耗增大，可以实现滤除的目的。而当其高阶模的有效折射率位于超模群区间以下时，其泄露损耗较低，仍可以在光纤中传输。若光纤只存在基模和一个高阶模，则通过这种方式可以实现光纤只存在单个高阶模而无基模的传输。
若纤芯某一个或几个高阶模的有效折射率位于超模群区间时，其模式损耗增大，可以实现滤除的目的。而其基模及其它有效折射率位于超模群区间以上的模式可以以折射率引导型的传输方式传导，其有效折射率位于超模群区间以下的模式可以以带隙型传导的方式传输。因此，这种情况下可以实现选择性地滤除少模光纤中的一个或几个模式。
高折射率介质环3的存在是为了对超模群引入损耗。其需要与高折射率介质柱距离较近，从而破坏超模的模场，引入损耗。一般地，高折射率介质环3与高折射率介质柱2之间的距离需满足：din-Lmax-rrod＜4μm。
高折射率介质环3的折射率需要高于超模群区间，从而使超模无法形成有效的折射率引导传输机制，实现滤模的目的。在工作波长范围内，高折射率介质环3的折射率nout满足：nout＞nceff，这里nceff为超模群最低阶模式的有效折射率。
为使纤芯中的受抑制模式与高折射率介质柱2形成的超模能够形成强的耦合，纤芯4与高折射率介质柱2距离不能太远；而为使得纤芯中的传输模式仍能保持较规则的模场，纤芯4与高折射率介质柱2距离不能太近。综合而言，一般要求纤芯和与之相邻的高折射率介质柱2之间的中心距离S满足：8μm≥S-(rcore+rrod)≥3μm。
为保证受抑制模式的高损耗，一般要求高折射率介质环3的折射率nout与超模群中最低阶模式的有效折射率nceff之间满足：nout-nceff＞0.0005。
如图2-3所示，改变高折射率介质柱的周期、直径或折射率均可以实现对超模群的折射率区间的调节。因此，若需要对两个以上模式进行滤除，可采用两种或多种类型的高折射率介质柱组成滤模结构。为在一个折射率区间内形成模式数量足够多的超模群，同一类型高折射率介质柱应聚集在一起，且分布在1-3个区域内。同时，超模与纤芯模重叠的区域越大，其耦合效果越好，形成的模式损耗也越高。因此，为有效滤模，高折射率介质柱的类型不宜多，一般以2-3类为宜，且形成的区域总数为2-6个。显然，为使超模成为滤除纤芯模式的通道，应在一定区域内，自内外向各层的高折射率介质柱的周期、直径、折射率相同，即在一定的扇形区域内，其高折射率介质柱是相同的。以轴对称方式排布高折射率介质柱可以有效提高光纤发生弯曲等情形下的滤模效果，并使传输的纤芯模式具有良好的对称性。图2给出了一种光纤结构，由两种不同尺寸的高折射率介质柱组成，可实现滤除两个纤芯模式。图3给出了另一种光纤结构，由两种不同尺寸的高折射率介质柱组成，其中高折射率介质柱区域有4个，形成具有两个对称轴的轴对称分布。
本方案可以灵敏变化，实现在线可调滤模。其方法是：高折射率介质柱改成高折射率液体柱。采用对温度敏感的高折射率液体，通过控制液体温度即可调节液体的折射率，从而改变其超模群的折射率区间，即可实现滤除不同模式的目的。若将一根光纤分为多段，每段对应的环境温度不同，从而使其滤除的模式也不同，即可实现在一根光纤上滤除多个模式的目的。
本发明也可以采用液体纤芯，改变液体温度即可使光纤模式的有效折射率发生改变，从而将不同的模式移动至超模群区间，达到滤除多个模式的效果。
下面详细阐述本发明的具体实施方式中的实施例。
实施例一：
图1给出了本发明的一种实施例的横截面示意图。基质材料1取为纯石英，高折射率介质柱2与基质材料1的折射率差为0.029，高折射率介质环3与基质材料1的折射率差为0.01。纤芯4与基质材料1的折射率差为0.0075。高折射率介质柱2的周期为7.75μm，纤芯直径为12μm。高折射率介质柱2层数N＝3。
上述实施例的基模(LP01模)和高阶模(LP11模)的模场分布如图4所示。可见，基模模场被耦合到高折射率介质柱2排布的区域，从而形成高的泄露损耗。而高阶模的模场分布特性与全固态带隙光纤中的模式场相似，虽然也有少量能量会在与纤芯相邻的高折射率介质柱2上传输，但其主要能量仍然集中在纤芯区。LP01模的泄露损耗达到79dB/m，而LP11模的泄露损耗为0.005dB/m。
图5(a)为纤芯模式有效折射率曲线与高折射率介质柱形成的超模群区间。其中，A01为LP01模的有效折射率曲线，A11为LP11模的有效折射率曲线，A2为超模群的上边界，A3为超模群的下边界，A4为高折射率介质柱的带隙上边缘。在1.55μm波长处，超模数量达到30个以上，因而，当纤芯模式的有效折射率处于超模群区间时，总有超模与其有效折射率相等或相近，从而实现纤芯模与超模的强耦合。前面曾指出，超模的有效折射率分布于高折射率介质柱基模的有效折射率两侧。事实上，只存在单个高折射率介质柱2时，在1.55μm波长处，其基模的有效折射率为nreff＝1.45499。从图5(a)可见，nreff确实处于包层模的中间区域。因此，可以选择高折射率介质柱2和纤芯4的参数使得纤芯4中受抑制模式的有效折射率与高折射率介质柱2的基模有效折射率相等。这样可以保证纤芯受抑制模式与包层模发生耦合，且波长变化时，纤芯受抑制模式的有效折射率仍处于超模群区间，从而使光纤具有较宽的滤模工作带宽。
图5(b)为纤芯模式的泄露损耗随波长变化曲线。其中，B01为LP01模的泄露损耗曲线；B11为LP11模的泄露损耗曲线。由图5(a)和(b)可见：当基模处于超模群区间时，其泄露损耗可达达到20dB/m以上，而在远离超模群区间时，其泄露损耗迅速减小。对于LP11模，在远离超模群区间，其泄露损耗较低，其泄露损耗随着波长的增加而增大。这与波长增加后模场向包层扩展有关。若以模式损耗大于20dB/m为滤除该模式的基本要求，而以模式损耗小于0.1dB/m为模式传输的条件，则此光纤可以在1.503～1.61μm波长范围内保持只传输LP11模。
如图6所示，为纤芯基模随传输距离的能量变化曲线；其中C1为实施例1中的纤芯基模能量曲线，C2为高折射率介质环3不存在时，即包层仅由高折射率介质柱2和基质材料1组成时，纤芯基模的能量曲线。对于本实施例1的光纤，其基模能量将随传输距离的增加而减小，从而实现滤除的目的，如图6中C1曲线所示。而当高折射率介质环3不存在时，即包层仅由高折射率介质柱2和基质材料1组成时，光纤基模的能量传输曲线为C2。由图可见，光纤基模与包层模仅发生部分耦合。由此可见，纤芯受抑制模式不需要与超模发生完全耦合，即可达到滤模的目的。由此，保证了光纤的宽带滤模能力。
高折射率介质柱2的作用可以通过比较存在与不存在高折射率介质柱2时纤芯模式的损耗来看出。若高折射率介质柱2不存在，则其LP01和LP11模的泄露损耗为8.8×10-9和6×10-6dB/m。而高折射率介质柱2存在时，LP01模的泄露损耗达到79dB/m，而LP11模的泄露损耗为0.005dB/m。可见，高折射率介质柱2的存在使得两模式的损耗均增大，但LP01模与包层模的耦合导致其损耗增加量级远远超过LP11模。
如图7所示，为实施例1中纤芯模式泄露损耗与高折射率介质环3的内径的关系曲线；其中D01为LP01模的泄露损耗曲线；D11为LP11模的泄露损耗曲线。高折射率介质环3的内径对基模损耗有直接的影响，当高折射率介质环3的内径较小时，其LP01模损耗总是很大，而当其内径值增加到一定值以后，其LP01模损耗将迅速减小。其原因是LP01模的能量损耗是通过与超模的耦合而实现的，而超模的损耗来源于与其相邻的高折射率介质环3的高折射率。显然，当高折射率介质环3与高折射率介质柱2的距离达到较小的值以后，超模的折射率引导机制即被破坏，从而无法实现有效的光传输。而相对比的，高阶模的泄露损耗总是随高折射率介质环3的内径的增大而减小。这是因为高阶模没有与超模发生耦合，其模场距离高折射率介质环3较远，因而，高折射率介质环3的内径再小也不会导致高阶模无法传输。
如图8所示，为实施例1中纤芯模式的泄露损耗与高折射率介质环3的折射率的关系曲线；其中E01为LP01模的泄露损耗曲线；E11为LP11模的泄露损耗曲线。高折射率介质环3的折射率大小决定了基模的损耗。当高折射率介质环3的折射率位于超模群区间以上时，基模的泄露损耗很大。当高折射率介质环3的折射率达到一定值以后，其值进一步增大对基模的泄露损耗基本没有影响。这说明高折射率介质环3的折射率须高于超模群的折射率，从而形成滤模机制。另一方面，高折射率介质环3的折射率在超模群区间及附近变化时对高阶模的损耗影响很小。
实施例二：
同样按照图1给出的一种光纤实施例结构，基质材料1取为纯石英，高折射率介质柱2与基质材料1的折射率差为0.029，高折射率介质环3与基质材料1的折射率差为0.01。纤芯4与基质材料1的折射率差改变为0.0105。高折射率介质柱2的周期为7.75μm，纤芯直径为12μm。高折射率介质柱2层数N＝3。纤芯结构可以支持LP01、LP11、LP21、LP02四个模式。
如图9所示，为实施例2中纤芯模式有效折射率与纤芯模式的泄露损耗随波长变化曲线；图9(a)为纤芯模式有效折射率曲线与高折射率介质柱形成的超模群区间。图9(b)为纤芯模式的泄露损耗随波长变化曲线。F01为LP01模的有效折射率曲线，F11为LP11模的有效折射率曲线，F21为LP21模的有效折射率曲线，F02为LP02模的有效折射率曲线，F30为超模群的上边界，F40为超模群的下边界，F50为高折射率介质柱的带隙上边缘；G01为LP01模的泄露损耗曲线；G11为LP11模的泄露损耗曲线，G21为LP21模的泄露损耗曲线；G02为LP02模的泄露损耗曲线。
由两图可见：此光纤的LP11模处于超模群区间时，其泄露损耗达到20dB/m以上，而在远离超模群区间时，其泄露损耗迅速减小。对于LP01模，其处于折射率引导区域，泄露损耗很低。对于LP21、LP02两个模式，其处于带隙传导区，但其模场在包层区扩展，其损耗较大。若要求LP11模的损耗大于20dB/m，而以其它模式损耗小于0.1dB/m为模式传输的条件，则此光纤的工作波长范围可以达70nm以上。
实施例三：
图10给出了本发明的另一种实施例的横截面示意图。其参数与实施例二相同，差别是高折射率介质柱2层数N＝4。此结构通过增加高折射率介质柱数量，以减小LP21、LP02两个模式的泄露损耗。如图11所示，为实施例3中纤芯模式的泄露损耗随波长变化曲线；其中，H01为LP01模的泄露损耗曲线；H11为LP11模的泄露损耗曲线，H21为LP21模的泄露损耗曲线；H02为LP02模的泄露损耗曲线。LP11模仍具有高的泄露损耗，而LP21、LP02两个模式的损耗得到减小。若要求LP11模的损耗大于20dB/m，而以其它模式损耗小于0.1dB/m为模式传输的条件，则此光纤的工作波长范围可以达200nm以上。
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 (10)

1.一种滤模光纤，包括纤芯(4)和包层，其特征在于：所述包层包括基质材料(1)、高折射率介质柱(2)和高折射率介质环(3)；
所述纤芯(4)位于光纤的中心，所述高折射率介质柱(2)围绕纤芯(4)并周期性排布在基质材料(1)内，所述高折射率介质环(3)环绕在所述基质材料(1)、高折射率介质柱(2)的外侧，其折射率之间的关系满足：nout＞nclad，ncore＞nclad，nrod＞nclad；纤芯(4)与基质材料(1)的参数关系满足：V＞2.405，这里关系式中，ncore，nrod，nclad，nout分别为纤芯(4)、高折射率介质柱(2)、基质材料(1)和高折射率介质环(3)的折射率，rcore为纤芯半径，λ0为工作波长；
所述高折射率介质柱(2)和基质材料(1)组成的微结构区域可传输的模式形成超模群，超模群中最低阶模式的有效折射率和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间，在工作波长范围内，至少有一个纤芯模式的有效折射率处于超模群区间，其泄露损耗大于有效折射率未处于超模群区间的其它纤芯模式。
2.根据权利要求书1所述的一种滤模光纤，其特征在于：在工作波长范围内，所述高折射率介质环(3)的折射率处于超模群区间以上。
3.根据权利要求书2所述的一种滤模光纤，其特征在于：所述高折射率介质环(3)为一圆环，所述高折射率介质环(3)的内径为din，其圆心与纤芯中心位置相同；定义L为纤芯中心与每一个高折射率介质柱(2)的中心之间的距离的集合，其中的最大值为Lmax，则高折射率介质环(3)与高折射率介质柱(2)之间的距离需满足：din-Lmax-rrod＜4μm，这里rrod为高折射率介质柱(2)的半径。
4.根据权利要求书1所述的一种滤模光纤，其特征在于：所述高折射率介质柱(2)的层数N满足：N≥3。
5.根据权利要求书1所述的一种滤模光纤，其特征在于：所述纤芯(4)和与之相邻的高折射率介质柱(2)之间的中心距离S满足：S-(rcore+rrod)≥3μm且S-(rcore+rrod)≤8μm。
6.根据权利要求书3所述的一种滤模光纤，其特征在于：所述高折射率介质环(3)的折射率nout与超模群中最低阶模式的有效折射率nceff之间满足：nout-nceff＞0.0005。
7.根据权利要求书1所述的一种滤模光纤，其特征在于：所述高折射率介质柱(2)由2-3种不同类型的高折射率介质柱组成，且同一类型的高折射率介质柱组成1-3区域；形成的区域总数为2-6个，在同一个区域内，高折射率介质柱(2)的周期、直径和折射率均相同，且所有的高折射率介质柱(2)中心位于以纤芯中心为圆心的扇形区域内。
8.根据权利要求书7所述的一种滤模光纤，其特征在于：所述光纤横截面分布具有轴对称性。
9.根据权利要求书1所述的一种滤模光纤，其特征在于：所述纤芯(4)采用高折射率液体。
10.根据权利要求书1所述的一种滤模光纤，其特征在于：以高折射率液体柱替代高折射率介质柱。
CN201410816602.4A 2014-12-24 2014-12-24 滤模光纤 Active CN104503018B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410816602.4A CN104503018B (zh) 2014-12-24 2014-12-24 滤模光纤
US15/126,247 US20170082796A1 (en) 2014-12-24 2015-04-28 Mode filtering optical fibre
PCT/CN2015/077615 WO2016101470A1 (zh) 2014-12-24 2015-04-28 滤模光纤

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410816602.4A CN104503018B (zh) 2014-12-24 2014-12-24 滤模光纤

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104503018A true CN104503018A (zh) 2015-04-08
CN104503018B CN104503018B (zh) 2017-03-29

Family

ID=52944429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410816602.4A Active CN104503018B (zh) 2014-12-24 2014-12-24 滤模光纤

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20170082796A1 (zh)
CN (1) CN104503018B (zh)
WO (1) WO2016101470A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016101470A1 (zh) * 2014-12-24 2016-06-30 江苏大学 滤模光纤
CN107884877A (zh) * 2017-11-23 2018-04-06 江苏大学 一种少模波导
CN111175883A (zh) * 2020-02-21 2020-05-19 燕山大学 一种用于传输轨道角动量的超模光纤

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107634814B (zh) * 2017-09-13 2019-03-01 吉林大学 一种自零差检测模分复用系统中载波路串扰的消除方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101408641A (zh) * 2008-11-06 2009-04-15 燕山大学 锥形微结构光纤高阶模滤波器
US20120188632A1 (en) * 2007-09-26 2012-07-26 Imra America, Inc. Glass large-core optical fibers
CN103091770A (zh) * 2012-12-28 2013-05-08 江苏大学 一种光子晶体光纤偏振分束器件
CN103560383A (zh) * 2013-11-19 2014-02-05 山东海富光子科技股份有限公司 一种高功率光纤包层模式滤除器
CN103698842A (zh) * 2013-12-18 2014-04-02 江苏大学 一种光纤模式插分复用器
CN103698843A (zh) * 2013-12-18 2014-04-02 江苏大学 一种低简并度少模光纤

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7110646B2 (en) * 2002-03-08 2006-09-19 Lucent Technologies Inc. Tunable microfluidic optical fiber devices and systems
US6931187B2 (en) * 2002-12-11 2005-08-16 Kwangju Institute Of Science And Technology Mode-filtering and mode-selecting method in multi-mode waveguide, and waveguide amplifier, semiconductor laser, and VCSEL using the method
US7272287B2 (en) * 2005-05-11 2007-09-18 Fitel Usa Corp Optical fiber filter for suppression of amplified spontaneous emission
US8374472B2 (en) * 2007-06-15 2013-02-12 Ofs Fitel, Llc Bend insensitivity in single mode optical fibers
US8204349B2 (en) * 2009-10-28 2012-06-19 Ipg Photonics Corporation Optical fiber with multiple ring-shaped core regions
CN104503018B (zh) * 2014-12-24 2017-03-29 江苏大学 滤模光纤

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120188632A1 (en) * 2007-09-26 2012-07-26 Imra America, Inc. Glass large-core optical fibers
CN101408641A (zh) * 2008-11-06 2009-04-15 燕山大学 锥形微结构光纤高阶模滤波器
CN103091770A (zh) * 2012-12-28 2013-05-08 江苏大学 一种光子晶体光纤偏振分束器件
CN103560383A (zh) * 2013-11-19 2014-02-05 山东海富光子科技股份有限公司 一种高功率光纤包层模式滤除器
CN103698842A (zh) * 2013-12-18 2014-04-02 江苏大学 一种光纤模式插分复用器
CN103698843A (zh) * 2013-12-18 2014-04-02 江苏大学 一种低简并度少模光纤

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016101470A1 (zh) * 2014-12-24 2016-06-30 江苏大学 滤模光纤
CN107884877A (zh) * 2017-11-23 2018-04-06 江苏大学 一种少模波导
CN107884877B (zh) * 2017-11-23 2019-10-01 江苏大学 一种少模波导
CN111175883A (zh) * 2020-02-21 2020-05-19 燕山大学 一种用于传输轨道角动量的超模光纤
CN111175883B (zh) * 2020-02-21 2021-06-29 燕山大学 一种用于传输轨道角动量的超模光纤

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016101470A1 (zh) 2016-06-30
US20170082796A1 (en) 2017-03-23
CN104503018B (zh) 2017-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110927863B (zh) 一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤
CN103698843B (zh) 一种低简并度少模光纤
JP5311417B2 (ja) 光ファイバ製造方法並びに光ファイバ母材及びその製造方法
CN106019475B (zh) 一种少模光纤器件
CN104503018A (zh) 滤模光纤
CN103605187B (zh) 一种基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器
CN112083525A (zh) 一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤
CN104199141A (zh) 一种五角芯型高非线性色散平坦光子晶体光纤
CN108732678B (zh) 一种光子晶体光纤
CN105785510A (zh) 基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法
CN101592761B (zh) 一种基于非对称双芯光子晶体光纤的宽带模式转换器
CN205333906U (zh) 一种少模光纤
CN107490820B (zh) 一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤
CN104020521A (zh) 一种正方结构全固态带隙光纤
CN107831566A (zh) 一种可支持22个oam模式传输的低平坦色散微结构光纤
CN108614322B (zh) 一种光子晶体光纤
CN103207430A (zh) 一种低弯曲损耗微结构光纤
CN106908894A (zh) 一种色散平坦全固微结构光纤
CN103091773A (zh) 1.31微米和1.55微米双波段可调谐光子晶体光纤滤波器
CN107884877B (zh) 一种少模波导
CN102023334A (zh) 一种大模场光纤
CN102782537B (zh) 光纤
CN113568089B (zh) 一种基于多芯环形光子灯笼的模分复用器
CN102778723A (zh) 一种由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形阵列的单模单偏振光子晶体光纤
CN102866455B (zh) 一种大模场光纤传输系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant