CN106908894A - 一种色散平坦全固微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

一种色散平坦全固微结构光纤，它包括基底材料、包层和纤芯，其中基底材料为纯石英材料，包层为一层六边形排列围绕纤芯结构的掺杂石英棒，纤芯为双层石英棒结构，其中位于中心的第一层为一个高掺石英棒，第一层高掺石英棒直径与包层的低掺石英棒的直径均为1300‑1400nm，纤芯的第二层是六根高掺石英棒，其围绕第一层纤芯按照六边形排列组成，第二层石英棒的直径为1750‑1850nm，纤芯区和包层区的石英棒的孔间距均为2050‑2150nm。本发明有效解决了空气孔微结构光纤由于表面张力和制作工艺而造成的空气孔坍塌现象，并且易与传统光纤耦合、易制备，具有近零色散平坦特性，可实现平顶光束的传输。

Description

一种色散平坦全固微结构光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种色散平坦全固微结构光纤。
背景技术
随着社会的不断进步，人们对通信技术的要求越来越高，而光子晶体光纤由于其具有高传输速度、高密度、高容错性和抗干扰能力强等优点，目前已经成为主流的发展趋势。而在能量传输过程中，由于色散的积累造成脉冲展宽，导致误码率的产生，从而降低了光纤通信的质量，因此制备出具有色散平坦特性的光纤是微结构研究的热点之一。
微结构光子晶体光纤具有许多周期或无序排列的空气孔，由于这种特殊的结构，使微结构光纤具有很高的自由度，具有很高的色散调控能力。随着2000年第一根利用单一孔径结构设计出的色散平坦微结构光纤，为石英空气孔材料色散平坦光子晶体光纤的研究拉开了序幕。随后通过调整包层空气孔排布方式，空气孔形状和大小，或者对光纤进行掺杂等方式设计石英空气孔材料色散平坦微结构光纤
但由于制作工艺和表面张力的存在，导致以上基于石英空气孔材料设计的光子晶体光纤在拉制时会出现空气孔坍塌的现象，而全固光纤与微结构光纤不同的是采用掺杂石英棒代替空气孔构成，很好的解决了空气孔塌陷的问题，并且还具有易与传统光纤耦合、易制备等优点。正是由于全固微结构光纤所具有的独特优势，使其在温度传感、滤波器和光纤激光器等领域同样具有广泛的应用。
目前，对于色散平坦全固微结构的研究大致可以按结构划分为：包层孔直径一致的全固微结构光纤、包层孔直径变化的全固微结构光纤、混合纤芯结构的全固微结构光纤和特殊形状或排列方式的全固微结构光纤。如利用包层石英棒正方形排列方式得到一种色散平坦全固微结构光纤；利用在光纤的纤芯由一个大孔径的高折射率的掺锗石英周围外加一层低折射率的掺氟石英同心圆环结构来代替纤芯和包层第一层处的7个石英棒结构设计了一种色散平坦全固微结构光纤；利用在包层孔中引入六边形的石英棒来取代传统的圆形石英棒来设计了一种色散平坦全固微结构光纤；利用卤化银材料通过在纤芯处忽略7个石英棒结构设计了一种色散平坦全固微结构光纤；利用硫系玻璃在包层中仅含一层正方形排列石英棒结构设计了一种色散平坦全固微结构光纤。但由于存在结构复杂，光纤制备困难；色散的平坦程度较低；近零色散平坦波段发生在非通信波长等原因而无法满足通信的需求。
本发明就是通过简化微结构光纤的设计过程，研究结构参数对全固微结构光纤特性的影响，并设计出结构相对简单、结构参数较少、易于制备，同时满足色散平坦特性的全固微结构光纤，本发明具有近零色散平坦特性和平顶光束传输特性，可有效用于波分复用通信系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、结构参数较少、易于制备、有近零色散平坦特性和平顶光束传输特性，可有效用于波分复用通信系统的色散平坦全固微结构光纤。
本发明包括基底材料、包层和纤芯，其中基底材料为纯石英材料，基底材料折射率为n4＝1.45，包层仅为一层六边形排列围绕纤芯结构的低掺石英棒，其折射率为(n3-n石英)/n石英<-1.02％，低于基底材料折射率，包层中的低掺石英棒直径相同为1300-1400nm，纤芯为双层石英棒结构，其中位于中心的第一层为一个高掺石英棒，高掺石英棒直径与包层的低掺石英棒的直径相同，为1300-1400nm，其折射率为(n1-n石英)/n石英>0.31％，纤芯的第二层是六根高掺石英棒，其围绕第一层纤芯按照六边形排列组成，第二层的高掺石英棒折射率为(n2-n石英)/n石英>1.02％，大于第一层高掺石英棒折射率，第二层石英棒的直径为1750-1850nm，大于第一层高掺石英棒的直径，纤芯区和包层区的石英棒的孔间距均为2050-2150nm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)具有近零色散平坦特性，可实现平顶模式光束传输，有效保证通信的质量，易与传统光纤耦合。
(2)包层仅包含一层低折射率石英棒，增加了纤芯与包层的折射率差，以便把光约束到纤芯区进行传输，减小了光纤的限制损耗，并使光束具有陡直的光场分布，还可以在通信波段获得单模传输并获得较低的损耗。
(3)结构简单、结构参数较少、易于制备。
附图说明
图1是本发明的截面结构示意图；
图2是本发明径向折射率分布示意图；
图3是本发明实施例1的色散曲线图；
图4是本发明实施例1的模场分布图，其中(a)是在波长1550nm下的三维模式传输图，(b)是在波长1550nm下的二维模式传输图。
其中，1-纤芯第一层高掺石英棒、2-纤芯第二层高掺石英棒、3-包层低掺石英棒、4-基底材料。
具体实施方式
在图1所示的色散平坦全固微结构光纤示意图中，以柱状的纯石英基质作为基底材料4，基底材料折射率为n4＝1.45，包层仅为一层六边形排列围绕纤芯结构的低掺石英棒3，其折射率为(n3-n石英)/n石英<-1.02％，低于基底材料折射率，包层中的低掺石英棒直径相同为1380nm，纤芯为双层石英棒结构，其中位于中心的第一层为一个高掺石英棒1，高掺石英棒直径与包层的低掺石英棒的直径相同，其折射率为(n1-n石英)/n石英>0.31％，纤芯的第二层是六根高掺石英棒2，其围绕第一层纤芯按照六边形排列组成，第二层的高掺石英棒折射率为(n2-n石英)/n石英>1.02％，大于第一层高掺石英棒折射率，第二层石英棒的直径为1792nm，大于纤芯处石英棒的孔径，纤芯区和包层区的石英棒的孔间距均Λ为2100nm。
如图2所示，利用全内反射原理，光首先在纤芯第二层高折射棒处传播，随着波长的增加，耦合回纤芯最中央的方式来形成平顶光束。最外层的低折射率柱起到对光的束缚作用，由于包层折射率较低，能有效的抑制光向外层的泄漏，减小损耗，使得平顶光纤的边沿更为陡直。
如图3所示，可以看出光纤色散曲线在1.494μm～2.0μm波长范围内实现平坦，色散值在-0.5624ps/(nm·km)～1.2691ps/(nm·km)范围波动，且在1550nm处色散值为0.551ps/(nm·km)，由此本发明的光纤具有近零色散平坦特性，在1550nm通信波段的色散值很小可以有效保证通信的质量，并具备易与传统光纤耦合、易制备等优点。
如图4所示，通过光纤在波长1550nm下的模场分布图可得，所设计光纤为平顶光束传输，与传统高斯分布相比，可使得脉冲在传输过程中的时空扭曲较小，具有更高的损伤阈值和更高的非线性阈值，可用于提高光纤输出功率。
光纤制作时，首先拉制出光纤纤芯和包层所需的掺杂石英棒，再将拉丝所得的纤芯与包层掺杂石英棒与基底材料进行组合，利用堆积法制作出色散平坦全固微结构光纤所需的光纤预制棒，再次拉丝后获得所需的色散平坦全固微结构光纤。

Claims (8)

1.一种色散平坦全固微结构光纤，其包括基底材料、包层和纤芯，其特征在于：所述基底材料为纯石英材料，包层仅为一层六边形排列围绕纤芯结构的低掺石英棒，其折射率低于基底材料折射率，包层中的低掺石英棒直径相同，纤芯为双层石英棒结构，其中位于中心的第一层为一个高掺石英棒，高掺石英棒直径与包层的低掺石英棒的直径相同，纤芯的第二层是六根高掺石英棒，其围绕第一层纤芯按照六边形排列组成，第二层的高掺石英棒折射率大于第一层高掺石英棒折射率，第二层高掺石英棒的直径大于第一层高掺石英棒的直径。
2.根据权利要求1所述的色散平坦全固微结构光纤，其特征在于：所述包层中的低掺石英棒和纤芯第一层的高掺石英棒的直径均为1300-1400nm。
3.根据权利要求1所述的色散平坦全固微结构光纤，其特征在于：所述第二层石英棒的直径为1750-1850nm。
4.根据权利要求1所述的色散平坦全固微结构光纤，其特征在于：所述纤芯区和包层区的石英棒的孔间距均为2050-2150nm。
5.根据权利要求1所述的色散平坦全固微结构光纤，其特征在于：所述光纤基底材料折射率为n4＝1.45。
6.根据权利要求1所述的色散平坦全固微结构光纤，其特征在于：所述包层中的低掺石英棒的折射率为：(n3-n石英)/n石英<-1.02％。
7.根据权利要求1所述的色散平坦全固微结构光纤，其特征在于：所述纤芯第一层高掺石英棒的折射率为：(n1-n石英)/n石英>0.31％。
8.根据权利要求1所述的色散平坦全固微结构光纤，其特征在于：所述纤芯第二层高掺石英棒的折射率为：(n2-n石英)/n石英>1.02％。
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