CN106597603A - 一种新型少模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型少模光纤，该光纤包括：纤芯以及包围纤芯的包层；所述包层包括：包围纤芯的第一内包层；包围第一内包层的第一高折射率滤模层；包围第一高折射率滤模层的第二内包层；包围第二内包层的第二高折射率滤模层；包围第二高折射率滤模层的外包层。本发明提供一种弯曲半径在7.5mm以上具有极低弯曲损耗（<1×10‑3 dB/匝）的新型少模光纤解决方案。在常规的光通信波段（1260~1625nm波长），本发明在直波导状态下为非单模光纤。通过将光纤在足够小的弯曲半径进行弯曲，使其纤芯高阶模与高折射率滤模层的模式发生强耦合，可以滤除高阶模，从而实现单模传输的目的。

Description

一种新型少模光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，更具体地说，涉及一种能够单模工作且光纤基模具有低弯曲损耗特性的新型少模光纤。
背景技术
在城域网、局域网、光纤到户以及中短距离通信等应用领域，为了便于铺设或减少所占空间，经常需要光纤光缆在小弯曲半径下工作,而常规的单模光纤无法满足小弯曲半径下工作的要求。为满足对光纤低弯曲损耗的要求，国际上提出了G.657光纤标准。低弯曲损耗光纤通常采用通过减小光纤的纤芯尺寸、引入带凹槽的包层结构、以及采用孔助结构光纤等来实现[K.Himeno,S.Matsuo,N.Guan,and A.Wada,"Low-Bending-Loss Single-Mode Fibers for Fiber-to-the-Home(用于光纤到户的低弯曲损耗单模光纤),"Journalof Lightwave Technology,2005,23(11):3494-3499.]。
G.657光纤虽然可以在7.5mm甚至5mm的弯曲半径下工作，但其弯曲损耗仍然较大，难以实现在小弯曲半径下长期稳定的工作，例如G.657B3光纤应满足在7.5和5mm弯曲半径下弯曲损耗应分别小于0.08和0.15dB/匝(1550nm波长)。显然，光纤在此小弯曲半径下被缠绕几圈后仍会产生较大的损耗，影响通信系统性能。
由光纤理论可知，对于阶跃光纤，在工作波长下归一化频率小于2.405时，光纤为单模光纤，当归一化频率大于2.405时，光纤即可传输高阶模，从而为非单模光纤。常规多模或少模光纤由于高阶模的存在，会导致信号光在光纤中传输时具有严重的模间色散问题，从而限制了光纤的通信速率和容量。为此，目前光纤通信系统中仍采用单模光纤作为主要的传输媒介。
若在光纤通信系统中采用非单模光纤，通过有效增大光纤纤芯与包层的折射率差，来获得低弯曲损耗传输，再通过与单模光纤的匹配连接，可实现单模传输[一种光纤通信系统，中国专利，201010589018.1，一种基于少模光纤的通信系统，ZL201210393511.5]。这种技术通过放宽对光纤传输模式数量的限制，并通过与单模光纤的连接，抑制高阶模的产生，实现了低弯曲损耗、单模传输和低连接损耗传输的几项要求。然而，这种方法要求少模光纤两端连接单模光纤且连接偏差要小，这就使得其实际使用受到了一定的限制。
因此，如何提供一种可以实现单模传输且光纤在小弯曲半径下被缠绕多圈而仍能够保持低损耗传输的光纤是现阶段亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种新型少模光纤，该光纤可以实现单模传输且在小弯曲半径下保持低损耗传输。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型少模光纤，该光纤包括：纤芯以及包围纤芯的包层，所述包层包括：包围纤芯的第一内包层；包围第一内包层的第一高折射率滤模层；包围第一高折射率滤模层的第二内包层；包围第二内包层的第二高折射率滤模层；包围第二高折射率滤模层的外包层。
其中，所述纤芯、第一内包层、第一高折射率滤模层、第二内包层、第二高折射率滤模层以及外包层的折射率分别为n1，n2，n3，n4，n5，n6，满足：n1＞n3＞n5>n6，且有n2＝n4＝n6；所述纤芯与第一内包层之间满足：2.405<V<4.4,其中V表示归一化频率，λ0＝1625nm，a1表示所述纤芯的半径；所述第一高折射率滤模层的折射率n3和径向宽度a3满足：1.7<F<3.3,且有V>F，其中λ0＝1625nm；所述第一内包层、第一高折射率滤模层、第二内包层、第二高折射率滤模层的径向宽度分别为a2，a3，a4，a5。
优选的，在上述光纤中，在1260～1625nm波长范围内，所述光纤的LP11模的有效折射率均大于所述光纤的包层缺陷模的有效折射率。
优选的，在上述光纤中，第一高折射率滤模层与第二高折射率滤模层的折射率之间满足：n3-n5>(a5/2+a4+a3/2)/Rb，Rb＝7.5mm。
优选的，在上述光纤中，第一高折射率滤模层的径向宽度a3与第二高折射率滤模层的径向宽度a5满足：a3≥a5。
优选的，在上述光纤中，纤芯的折射率n1与外包层的折射率n6满足：0.015>n1-n6>0.007。
优选的，在上述光纤中，第一内包层的径向宽度a2满足：7.9μm≥a2≥4.0μm。
优选的，在上述光纤中，第一高折射率滤模层的径向宽度a3满足：8.5μm≥a3≥3.5μm。
优选的，在上述光纤中，第二内包层的径向宽度a4满足：4.6μm≥a4≥2.4μm。
优选的，在上述光纤中，第二高折射率滤模层的径向宽度a5满足：8.5μm≥a5≥3.5μm。
所述光纤在1550nm波长时的弯曲损耗满足：弯曲半径Rb≥7.5mm时，LP01模弯曲损耗小于1×10-3dB/匝；弯曲半径Rb≤7.5mm时，LP11模的弯曲损耗大于5dB/匝。
所述光纤的截止波长大于1.625μm。
本发明的有益效果：本发明提供一种弯曲半径在7.5mm以上具有极低弯曲损耗(<1×10-3dB/匝)的新型少模光纤解决方案。在常规的光通信波段(1260～1625nm波长)，本发明光纤在直波导状态下为非单模光纤，通过将光纤在足够小的弯曲半径进行弯曲，使其纤芯高阶模与高折射率滤模层的模式发生强耦合，可以实现滤除高阶模，从而实现等效的单模传输的目的。允许纤芯与包层之间具有高的折射率差，保证了光纤基模的超低弯曲损耗传输，可以实现光纤在小弯曲半径下的多次缠绕仍具有低的弯曲损耗，同时又可以与单模光纤一样实现单模传输工作，既可以通过熔接的方式，也可通过活动连接的方式与单模光纤连接。本发明光纤仅需要将光纤通过适当的弯曲即可实现单模传输的目的，适用于各种短距离通信系统中需要紧凑型光纤器件和光纤组件的场合。本发明的光纤结构具有圆对称性，可以采用现有成熟的光纤制作工艺实现，仅需要对纤芯和两个高折射率滤模层进行掺杂，而其它区域的折射率均与外包层相同，简化了光纤的制备工艺，可有效降低光纤的制作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的一种光纤的径向折射率分布图，其中1-纤芯、2-第一内包层、3-第一高折射率滤模层、4-第二内包层、5-第二高折射率滤模层、6-外包层；
图2(a)为本申请实施例提供的一种光纤在弯曲半径为7.5mm时，其LP01模的模场分布图；
图2(b)为本申请实施例提供的一种光纤在弯曲半径为7.5mm时，其LP11模的模场分布图；
图2(c)为本申请实施例提供的一种光纤在弯曲半径为7.5mm时，其另一LP11模的模场分布图；
图3为本申请实施例的一个包层缺陷模的模场分布图；
图4(a)为本发明光纤、对比光纤1、对比光纤2的LP01模的弯曲损耗随工作波长的变化关系曲线图；
图4(b)为本发明光纤、对比光纤1、对比光纤2的LP11模的弯曲损耗随工作波长的变化关系曲线图。
具体实施方式
本发明的设计方案是：在具有超低弯曲损耗的少模纤芯基础上，设计弯曲状态下具有高泄露损耗的缺陷模，从而使光纤的高阶模既能够与包层缺陷模发生强耦合而泄露掉，又能够保持光纤基模的低弯曲损耗传输。
由光纤的弯曲理论可知，当光纤弯曲时，其结构仍可等效为一直波导，即等效的直波导的折射率分布可表示为：这里n0(x,y)是未弯曲时光纤的横截面折射率分布，n(x,y)等效的直波导的折射率分布，χ为材料的弹光系数，Rb为光纤的弯曲半径，这里假设光纤沿x轴正方向弯曲。由公式可见，光纤弯曲后，越远离纤芯中心、弯曲半径越小，其折射率变化越大。由于光通常集中在高折射率区域，因而纤芯中模式能量将向折射率增高的一侧集中，即其模式有效折射率通常随着弯曲半径的增大而增加。同时，在纤芯折射率增大的一侧，外包层的折射率也随弯曲而增大，最终导致包层缺陷模无法满足全内反射条件而发生泄露。
这里在保证纤芯足够大的情况下，设置纤芯与其相邻的内包层之间具有大的折射率差，即其归一化频率足够大。由此保证光纤基模具有超低的弯曲损耗。此时，其高阶模的有效折射率也较大，为此要求包层缺陷模的有效折射率也较大，从而有利于两者在弯曲状态下的耦合。较大的模式有效折射率也就意味着包层缺陷模在弯曲状态下的损耗较低，不利于将高阶模损耗掉。为此，我们提出采用双层高折射率滤模层，其中靠近纤芯的高折射率滤模层的折射率较大，有利于其缺陷查与高阶模的耦合，而远离纤芯的高折射率滤模层的折射率较低，有利于其缺陷模在弯曲状态下产生大的损耗。同时，由于弯曲状态下，远离纤芯的区域折射率变化较大，因而在适当的弯曲状态下，两种高折射率滤模层中的缺陷模仍能具有相近的有效折射率，从而保证其发生强的耦合，最终使高阶模经两层高折射率滤模层后发生泄露。
常规单模光纤在工作波长处是单模传输的，即其截止波长小于其工作波长。而本发明光纤的截止波长大于其工作波长。因而，在直光纤状态下，光纤可以支持高阶模传输，而在光纤弯曲状态下，其高阶模可产生大的弯曲损耗最终导致其无法形成有效传输，从而实现等效的单模传输。
纤芯的折射率须足够高，以实现基模的超低弯曲损耗的传输。同时避免出现过多的模式出现而影响光纤传输性能。为此要求所述纤芯与第一内包层之间满足：2.405<V<4.4,这里：V表示归一化频率，λ0＝1625nm。即其纤芯在1625nm波长及更短的波长范围内都能够支持高阶模的传输。
第一高折射率滤模层应具有足够多的缺陷模，以保证与高阶模产生有效耦合，同时，束缚光能力又不能过强，从而利于其在弯曲状态下能量的泄露。所述第一高折射率滤模层的折射率n3和径向宽度a3满足：1.7<F<3.3,且有V>F。这里：λ0＝1625nm。
包层缺陷模的有效折射率应该低于高阶模。因为当光纤弯曲以后，其缺陷模的有效折射率增加较大，正好使两者容易达到有效折射率相近(即模式匹配)的目的。而另一方面，正是因为包层缺陷模的有效折射率较低，从而保证了其在直光纤状态下和弯曲状态下，有效折射率与光纤基模都相差较大，从而光纤基模的损耗影响较小，保证光纤基模的低弯曲损耗传输。
由于为了保证纤芯基模的低弯曲损耗传输，纤芯与包层的折射率差较大，即其高阶模的有效折射率也比较大，从而使得第一高折射率滤模层和第二高折射率滤模层也必须具有较高的折射率以实现其缺陷模与纤芯高阶模的匹配。而第一高折射率滤模层和第二高折射率滤模层的折射率越大，其弯曲损耗也就越小。为使缺陷模的弯曲损耗增大，这里要求第一高折射率滤模层的折射率比第二高折射率滤模层的折射率高。一方面，第一高折射率滤模层的缺陷模的有效折射率较高，易于与纤芯高阶模发生耦合；而另一方面，第二高折射率滤模层的折射率较低，易于发生泄露；同时，由于第二高折射率滤模层远离纤芯，其折射率随光纤的弯曲会产生更大的变化，因而，其在弯曲状态下，具有与第一高折射率滤模层相近的折射率，保证了两个滤模层的模式间的强耦合。即在弯曲状态下，第一高折射率滤模层起到将纤芯高阶模耦合到包层的作用。而第二高折射率滤模层起到增大缺陷模的弯曲损耗的作用。在弯曲状态下，沿折射率增加方向，所述第一高折射率滤模层仍然应大于所述第二高折射率滤模层的折射率，为此要求：所述第一高折射率滤模层与所述第二高折射率滤模层的折射率之间满足：n3-n5>(a5/2+a4+a3/2)/Rb，这里Rb＝7.5mm。
下面结合图形说明本发明光纤原理与特点。
光纤由纤芯(、第一内包层、第一高折射率滤模层、第二内包层、第二高折射率滤模层和外包层组成。图1为本申请实施例提供的一种光纤的径向折射率分布图，其中1-纤芯、2-第一内包层、3-第一高折射率滤模层、4-第二内包层、5-第二高折射率滤模层、6-外包层；参考图2为一种本发明光纤在弯曲半径为7.5mm时的光纤基模(即LP01模)和高阶模(LP11模)的模场面积分布，图2(a)为本申请实施例提供的一种光纤在弯曲半径为7.5mm时，其LP01模的模场分布图；图2(b)为本申请实施例提供的一种光纤在弯曲半径为7.5mm时，其LP11模的模场分布图；图2(c)为本申请实施例提供的一种光纤在弯曲半径为7.5mm时，其另一LP11模的模场分布图；由图可见，LP01模仍集中在纤芯中心区域，而LP11模明显与第一高折射率滤模层中的缺陷模发生耦合。图3为本申请实施例的一个包层缺陷模的模场分布图，由图可见，包层缺陷模主要集中分布在第一高折射率滤模层、第二内包层、第二高折射率滤模层。为了反映高折射率滤模层的作用，我们对比了本发明光纤、对比光纤1(相当于本发明光纤取a5＝0，即不存在第二高折射率滤模层)、以及对比光纤2(相当于本发明光纤取a3＝0和a5＝0，即为一种阶跃光纤)三种情况下和LP11模的弯曲损耗曲线。由图4可见，图4(a)为本发明光纤、对比光纤1、对比光纤2的LP01模的弯曲损耗随工作波长的变化关系曲线图；图4(b)为本发明光纤、对比光纤1、对比光纤2的LP11模的弯曲损耗随工作波长的变化关系曲线图；本发明光纤的LP01模的弯曲损耗最大，但在图示波长范围内均小于1×10-4dB/匝，保证了光纤基模的低弯曲损耗传输。而当其波长达到1.3μm以上时，其LP11模的弯曲损耗超过2dB/匝，保证可被弯曲后滤除。而不论是对比光纤1还是对比光纤2，其LP11模的弯曲损耗均要低得多，从而难以实现宽带滤除高阶模的目的。因此，采用本发明的双滤模层结构，可以有效提高其LP11模的弯曲损耗，从而在宽波长范围内实现等效的单模传输。实施例：
光纤由纤芯、第一内包层、第一高折射率滤模层、第二内包层、第二高折射率滤模层和外包层组成。纤芯的半径a1＝5μm，纤芯与第一内包层的折射率差n1-n2＝0.01，第一高折射率滤模层的径向宽度为6μm，其与外包层的折射率差n3-n6＝0.005，第二高折射率滤模层的径向宽度为6μm，其与外包层的折射率差n5-n6＝0.003。光纤的弯曲半径为7.5mm时，在1.26～1.625μm波长范围内，其LP01模弯曲损耗均小于1×10-4dB/匝；而当光波长在1.3μm波长以上时，其LP11模弯曲损耗均大于2dB/匝，保证了其可以被有效滤除。在1.31μm波长时，其模场直径为8.8μm。
以上光纤可采用与普通单模光纤相同的制作工艺实现。
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 (10)

1.一种新型少模光纤，其特征在于，包括：纤芯以及包围所述纤芯的包层；
所述包层包括：包围纤芯的第一内包层；包围第一内包层的第一高折射率滤模层；包围第一高折射率滤模层的第二内包层；包围第二内包层的第二高折射率滤模层；以及包围第二高折射率滤模层的外包层；
其中，纤芯、第一内包层、第一高折射率滤模层、第二内包层、第二高折射率滤模层以及所述外包层的折射率分别为n1、n2、n3、n4、n5、n6，满足：n1＞n3＞n5>n6，且有n2＝n4＝n6；所述纤芯与第一内包层之间满足：2.405<V<4.4,其中V表示归一化频率，λ0＝1625nm，a1表示所述纤芯的半径；所述第一高折射率滤模层的折射率n3和径向宽度a3满足：1.7<F<3.3,且有V>F，其中所述第一内包层、第一高折射率滤模层、第二内包层以及第二高折射率滤模层的径向宽度分别为a2，a3，a4，a5。
2.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于，在1260～1625nm波长范围内，所述光纤的LP11模的有效折射率均大于所述光纤的包层缺陷模的有效折射率。
3.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于：第一高折射率滤模层与第二高折射率滤模层的折射率之间满足n3-n5>(a5/2+a4+a3/2)/Rb，Rb＝7.5mm。
4.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于：第一高折射率滤模层的径向宽度a3与第二高折射率滤模层的径向宽度a5满足a3≥a5。
5.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于：纤芯的折射率n1与外包层的折射率n6满足0.015>n1-n6>0.007。
6.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于：第一内包层的径向宽度a2满足7.9μm≥a2≥4.0μm。
7.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于：第一高折射率滤模层的径向宽度a3满足8.5μm≥a3≥3.5μm。
8.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于：第二内包层的径向宽度a4满足4.6μm≥a4≥2.4μm。
9.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于：第二高折射率滤模层的径向宽度a5满足8.5μm≥a5≥3.5μm。
10.根据权利要求1所述的新型少模光纤，其特征在于：在1550nm波长时，所述光纤的弯曲损耗满足：弯曲半径Rb≥7.5mm时，LP01模弯曲损耗小于1×10-3dB/匝；弯曲半径Rb≤7.5mm时，LP11模的弯曲损耗大于5dB/匝。
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