CN106154409A - 光子晶体光纤型单模光纤 - Google Patents

Abstract

所发明光子晶体光纤型单模光纤包括纤芯中央圆形分层、包覆在所述纤芯中央圆形分层上的第一环形分层、包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层以及包覆在所述第二环形分层上的均匀外包层，所述第一环形分层的折射率低于均匀外包层的折射率。高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积从大于55.0μm²到不小于70.0μm²；在波长1700nm下最大色散不大于15.5ps/(nm·km)。

Description

光子晶体光纤型单模光纤

发明领域

本发明涉及单模光纤，尤其涉及，光子晶体光纤型单模光纤。

背景技术

下面先对本发明涉及到的术语给出定义，其中普通术语符合本领域惯例；本说明书的专用术语通过惯用术语说明。

光纤各分层的半径以单位μm计，按折射率定义，每一特定分层具有第一折射率点和最后折射率点。从光纤轴线到第一折射率点所在位置的半径是该分层的内半径；从光纤轴线到最后折射率点所在位置的半径是该分层的外半径。参见折射率剖面图，纤芯中央圆形分层的半径从光纤轴线量到该分层的外半径；第一环形分层的宽度从第一环形分层的内半径量到第一环形分层的外半径；第二环形分层的宽度从第二环形分层的内半径量到第二环形分层的外半径。

纤芯中央圆形分层、第一环形分层和第二环形分层的相对折射率差Δ₀、Δ₁和Δ₂以单位％计，分别定义为

Δ₀＝(n₀ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²；

Δ₁＝(n₁ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²；

Δ₂＝(n₂ ²-n_c1 ²)/2n₀ ²；

其中，n₀和n₂分别表示纤芯中央圆形分层和第二环形分层的最大折射率；n₁表示第一环形分层的最小折射率；n_c1表示外包层的均匀折射率。

本说明书使用如下结构变量：

H₁＝r₁-a；

H₂＝r₂-r₁；

p₁＝Δ₁/Δ₀；

p₂＝Δ₂/Δ₀；

n₁小于n_c1的光纤称为凹陷包层光纤，其中相对凹陷深度定义为Δ₁和Δ₀之比。

折射率剖面定义为相对折射率差或折射率与半径之间的关系。

纤芯中央圆形分层α折射率剖面定义为

Δ_co(r)＝Δ₀[1-(r/a)^α]，0≤r≤a，

其中，r是所处位置半径；a是所述纤芯中央圆形分层的半径；α取任意值，α大于10可以看作阶跃型折射率剖面。α折射率剖面包括与其光传输性能相似的其他折射率剖面。

色度色散系数以单位ps/(nm·km)计，本说明书简称为色散。

色度色散斜率系数以单位ps/(nm²·km)计，本说明书简称为色散斜率。

有效面积以单位μm²计，定义为

A_eff＝2π(∫E²(r)r dr)²/(∫E⁴(r)r dr)，

其中，积分限为0至∞；E(r)是光传播所伴随的电场，r是所处位置半径。

宏弯损耗利用下述公式计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{macro}}=\frac{10}{\ln 10}\left(\frac{\mathrm{\π}{V}^8}{16a{R}_b{W}^3}\right)\exp \left(\frac{-4R_6\mathrm{\Δ}{W}^3}{3a{V}^2}\right)\frac{{\left[{\∫}_0^{\∞}(1-g)F_0\mathrm{rdr}\right]}^2}{{\∫}_0^{\∞}{F}_0^2{r}^2\mathrm{rdr}}$

$g=\frac{n{\left(r\right)}^2-n_{\min }^2}{n_{\max }^2-n_{\min }^2},V=\mathrm{ka}\sqrt{n_{\max }^2-n_{\min }^2}$

$W=a\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-{\left({\mathrm{kn}}_{\min }\right)}^2},\mathrm{\Δ}=\frac{n_{\max }^2-n_{\min }^2}{2n_{\max }^2}$

五十年前高锟发明的光纤和二十年前如火如荼兴起的光子晶体光纤标志着两大飞跃。光子晶体光纤非线性应用可能孕育科学突破的预言已被2014年诺贝尔医学和生理学奖与化学奖所证实；然而首先问世的无限单模光子晶体光纤迄今一直未能在长途通信光纤中获得商业应用。目前光子晶体光纤研究正处于从基础科学应用向工业应用转变，本专利所涉及的光子晶体光纤型光纤可以改进无限单模光子晶体光纤，在长途通信光纤总获得商业应用。它是一种尺寸可以和波长比拟的光纤，具有某些类似光子晶体光纤的性能，可以利用光子晶体光纤新颖的设计制造方法的基本原理实现批量生产。

光子晶体光纤现在只能少量手工制造，需要反复制造和测试；发明人从中提炼出如下新颖的精髓。当光纤性能飞跃时，设计和制造方法必须集成一体，由三个环节组成：首先制造一组性能稍有不同的光纤；第二必须考虑生产过程中光纤性能自然的变化；第三选择一个最接近目标的光纤。

发明人经过多年的理论研究，提出了靶向设计方法。它不仅可以使设计和制造方法集成一体，而且无需反复制造和测试，使得批量生产可以代替手工操作和少量制作。

首先，靶向设计方法是一种设计光纤的系统工程方法。系统中三包层单模光纤在给定的相对凹陷深度p₁下初始色散斜率S₀经过优化；光纤可以通过改变p₁成为p₁＝-1.413的光纤。

第二，在靶向设计方法中p₁变化范围大，例如从-0.367变化到-1.413，可以预先设定生产流程中光纤性能较大的生产误差。

第三，最接近目标的光纤可以由包含p₁＝-1.413的性能参数的光纤得到。

批量生产的控制变量可以减少到3个，分别是所述纤芯中央圆形分层、所述第一环形分层和所述第二环形分层的容许公差Δ₀a、Δ₁H₁和Δ₂H₂。对照国际标准和光纤制造工艺，本专利给出批量生产可以接受的控制变量的容许公差。

发明内容

所发明光子晶体光纤型单模光纤最终产品，高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

一种光子晶体光纤型单模光纤最终产品，在波长1550nm下，有效面积不小于60.0μm²；模场直径不小于8.60μm；弯曲半径5mm时宏弯损耗小于0.002dB/100圈；在波长1700nm下最大色散不大于13.5ps/(nm·km)。其设计和制造方法如下：

设计取光纤结构参数α≥10；Δ₀＝0.29到0.45％；Δ₁＝-0.367到-0.486Δ₀；Δ₂＝0.40到1.00Δ₀；a＝3.32到4.18μm；H₁＝1.04到1.59a；H₂＝0.17到0.58a。在批量生产中可以接受的Δ₀a、Δ₁H₁和Δ₂H₂的正公差分别不小于+13％、+54％和+72％。最后得到光纤结构参数α≥10；Δ₀＝0.29到0.45％；Δ₁＝-0.876到-1.413Δ₀；Δ₂＝0.40到1.00Δ₀；a＝3.54到4.54μm；H₁＝0.46到0.83a；H₂＝0.22到0.81a所对应的光纤性能。

一种光子晶体光纤型单模光纤最终产品，在波长1550nm下，有效面积不小于70.0μm²；模场直径不小于9.30μm；弯曲半径5mm时宏弯损耗小于0.2dB/100圈；在波长1700nm下，最大色散不大于15.5ps/(nm·km)。其设计和制造方法如下：

设计取光纤结构参数α≥10；Δ₀＝0.26到0.39％；Δ₁＝-0.367到-0.486Δ₀；Δ₂＝0.40到1.00Δ₀；a＝3.62到4.46μm；H₁＝1.07到1.59a；H₂＝0.19到0.65a。在批量生产中可以接受的Δ₀a、Δ₁H₁和Δ₂H₂正公差分别不小于+11％、+56％和+61％。最后得到光纤结构参数α≥10；Δ₀＝0.26到0.39％；Δ₁＝-0.876到-1.413Δ₀；Δ₂＝0.40到1.00Δ₀；a＝3.83到4.82μm；H₁＝0.47到0.85a；H₂＝0.22到0.80a所对应的光纤性能。

附图说明

参照以下附图，熟悉本技术领域的人员，从本发明的详细描述中，将显而易见本发明的上述和其他目的、特征和优点。

图1是所发明光纤的理想折射率剖面的一种情况。未画出由于工艺原因在光纤轴线附近出现的不大的中心凹陷，未画出实际折射率剖面与所述理想折射率剖面不大的差异。

图2是所发明光纤的理想折射率剖面的一种情况。纤芯中央圆形分层采用纯SiO₂材料，可以避免在光纤轴线附近出现中心凹陷。未画出实际折射率剖面与所述理想折射率剖面不大的差异。

所述α折射率剖面，当α大于10可以看作阶跃型折射率剖面，上述两种折射率剖面之间的过度是连续的。

具体实施方式

在图1中，1、2、3和4分别表示所述光纤的纤芯中央圆形分层、第一环形分层、第二环形分层和外包层，5、6和7分别表示所述纤芯中央圆形分层半径a、所述第一环形分层宽度H₁和所述第二环形分层宽度H₂。n₀是所述纤芯中央圆形分层α折射率剖面的最高折射率，n₁和n₂分别表示所述第一环形分层和所述第二环形分层的均匀折射率，n_c1表示所述外包层的均匀折射率。

在图2中，1、2、3和4分别表示所述光纤的纤芯中央圆形分层、第一环形分层、第二环形分层和外包层，5、6和7分别表示所述纤芯中央圆形分层半径a、所述第一环形分层宽度H₁和所述第二环形分层宽度H₂，n₀、n₁和n₂分别表示所述纤芯中央圆形分层、所述第一环形分层和所述第二环形分层的均匀折射率，n_c1表示所述外包层的均匀折射率。

表1给出了按图1所述实施方式实现所述光子晶体光纤型单模光纤的一组示例的初始设计和最终产品的结构参数。

表1

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥5
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ0＝0.26到0.60％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.10到5.80μm
第一环形分层相对折射率差	Δ1＝-0.367到-1.413Δ0
		第一环形分层宽度	H1＝0.40到1.75a
第二环形分层相对折射率差	Δ2＝0.40到1.00Δ0
		第二环形分层宽度	H2＝0.15到0.95a

所述光子晶体光纤型单模光纤最终产品，高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

一种所述光子晶体光纤型单模光纤最终产品，在波长1550nm下，有效面积不小于60.0μm²；模场直径不小于8.60μm；弯曲半径5mm时宏弯损耗小0.002dB/100圈；在波长1700nm下最大色散不大于13.5ps/(nm·km)。

表2给出了按图2所述实施方式实现上述光子晶体光纤型单模光纤的一组初始设计的示例结构参数。

表2

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ0＝0.29到0.45％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.32到4.18μm
第一环形分层相对折射率差	Δ1＝-0.367到-0.486Δ0
		第一环形分层宽度	H1＝1.04到1.59a

第二环形分层相对折射率差	Δ2＝0.40到1.00Δ0
		第二环形分层宽度	H2＝0.17到0.58a

考虑到批量生产可接受的Δ₀a、Δ₁H₁和Δ₂H₂的正公差分别不小于+13％、+54％和+72％，表3给出了按图2所述实施方式实现上述光子晶体光纤型单模光纤最终产品的一组示例结构参数。

表3

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ0＝0.29到0.45％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.54到4.54μm
第一环形分层相对折射率差	Δ1＝-0.876到-1.413Δ0
		第一环形分层宽度	H1＝0.46到0.83a
第二环形分层相对折射率差	Δ2＝0.40到1.00Δ0
		第二环形分层宽度	H2＝0.22到0.81a

一种所述光子晶体光纤型单模光纤最终产品，在波长1550nm下，有效面积不小于70.0μm²；模场直径不小于9.30μm；弯曲半径5mm时宏弯损耗小于0.2dB/100圈；在波长1700nm下最大色散不大于15.5ps/(nm·km)。

表4给出了按图2所述实施方式实现如上所述光子晶体光纤型单模光纤的一组初始设计的示例结构参数。

表4

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ0＝0.26到0.39％
		纤芯中央圆形分层半径	A＝3.62到4.46μm
第一环形分层相对折射率差	Δ1＝-0.367到-0.486Δ0
		第一环形分层宽度	H1＝1.07到1.59a
第二环形分层相对折射率差	Δ2＝0.40到1.00Δ0
		第二环形分层宽度	H2＝0.19到0.65a

考虑到批量生产可接受的Δ₀a，Δ₁H₁和Δ₂H₂的正公差分别不小于+11％、+56％和+61％，表5给出了所示按图2所述实施方式实现上述光子晶体光纤型单模光纤最终产品的一组示例结构参数。

表5

结构参数	指标
		纤芯中央圆形分层折射率剖面参数	α≥10
纤芯中央圆形分层相对折射率差	Δ0＝0.26到0.39％
		纤芯中央圆形分层半径	a＝3.83到4.82μm
第一环形分层相对折射率差	Δ1＝-0.876到-1.413Δ0
		第一环形分层宽度	H1＝0.47到0.85a
第二环形分层相对折射率差	Δ2＝0.40到1.00Δ0
		第二环形分层宽度	H2＝0.22到0.80a

表1到表5所列数据对应于下述条件：所述纤芯中央圆形分层的折射率剖面基本上是α折射率剖面，无中心凹陷，包括与该剖面相近的光传输性能相似的其他折射率剖面。所述第一环形分层、所述第二环形分层以及所述外包层基底材料基本上是均匀的，包括光学传输性能相似的接近于均匀的其他折射率剖面。当实际情况与所述条件稍有差异时，对应数据与表列稍有不同。

所发明的光子晶体光纤型单模光纤具有如下特征和优点：色散特性堪比无限单模光子晶体光纤，性能的飞跃伴随设着设计和制造方法的飞跃，靶向设计方法不仅可以使设计和制造方法集成一体，而且无需反复制造和测试，能够批量生产，有望改进无限单模光子晶体光纤，在长途极宽频带通信光纤方面获得应用。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例进行各种修改，对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施实例不需要创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (10)

1.一种光子晶体光纤型单模光纤，包括纤芯中央圆形分层、包覆在所述纤芯中央圆形分层上的第一环形分层、包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层以及包覆在所述第二环形分层上的均匀外包层。所述纤芯中央圆形分层的相对折射率差为Δ₀，半径为a；所述第一环形分层的相对折射率差为Δ₁，宽度为H₁；所述第二环形分层的相对折射率差为Δ₂，宽度为H₂；所述纤芯中央圆形分层基本上是α折射率剖面，所述第一环形分层和所述第二环形分层基本上是均匀折射率，所述第一环形分层的折射率低于所述均匀外包层的折射率，所述第二环形分层的折射率高于所述均匀外包层的折射率。其特征在于：Δ₁H₁+Δ₂H₂＜0；Δ₀a+Δ₁H₁+Δ₂H₂＞0；初始设计和最终产品参数范围为α≥5；Δ₀＝0.26到0.60％；Δ₁＝-0.367到-1.413Δ₀；Δ₂＝0.40到1.00Δ₀；a＝3.10到5.80μm；H₁＝0.40到1.75a；H₂＝0.15到0.95a。

2.根据权利要求1所述光纤，其特征在于：最终产品高次模截止波长小于1300nm；零色散波长介于1300到1324nm之间；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm²。

3.根据权利要求2所述光纤，其特征在于：初始设计参数α≥10；Δ₀＝0.29到0.45％；Δ₁＝-0.367到-0.486Δ₀；a＝3.32到4.18μm；H₁＝1.04到1.59a；H₂＝0.17到0.58a。

4.根据权利要求3所述光纤，其特征在于：批量生产可接受的Δ₀a、Δ₁H₁和Δ₂H₂的正公差分别不小于+13％、+54％和+72％。

5.根据权利要求4所述光纤，其特征在于：最终产品参数α≥10；Δ₀＝0.29到0.45％；Δ₁＝-0.876到-1.413Δ₀；a＝3.54到4.54μm；H₁＝0.46到0.83a；H₂＝0.22到0.81a。

6.根据权利要求5所述光纤，其特征在于：在波长1550nm下，最终产品有效面积不小于60.0μm²；模场直径不小于8.60μm；弯曲半径5mm时宏弯损耗小于0.002dB/100圈；在波长1700nm下，最大色散不大于13.5ps/(nm·km)。

7.根据权利要求2所述光纤，其特征在于：初始设计参数α≥10；Δ₀＝0.26到0.39％；Δ₁＝-0.367到-0.486Δ₀；a＝3.62到4.46μm；H₁＝1.07到1.59a；H₂＝0.19到0.65a。

8.根据权利要求7所述光纤，其特征在于：批量生产可接受的Δ₀a、Δ₁H₁和Δ₂H₂的正公差分别不小于+11％、+56％和+61％。

9.根据权利要求8所述光纤，其特征在于：最终产品参数α≥10；Δ₀＝0.26到0.39％；Δ₁＝-0.876到-1.413Δ₀；a＝3.83到4.82μm；H₁＝0.47到0.85a；H₂＝0.22到0.80a。

10.根据权利要求9所述光纤，其特征在于：在波长1550nm下，最终产品有效面积不小于70.0μm²；模场直径不小于9.30μm；弯曲半径5mm时宏弯损耗小于0.2dB/100圈；在波长1700nm下，最大色散不大于15.5ps/(nm·km)。