CN107490820B - 一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤，包括纯石英玻璃基底、纤芯区和包层区；所述纯石英玻璃基底的折射率为n0；所述纤芯区引入微结构，所述纤芯区由第一层、第二层和第三层高掺杂石英柱以及纯石英玻璃基底共同构成；第一层为最中心1根高掺杂石英柱，其半径为r1，折射率为n1；第二层为按正六边形排布包围第一层的6根高掺杂石英柱，其半径为r1，折射率为n1；第三层为按正六边形排布包围第二层的12根高掺杂石英柱，其半径为r2，折射率为n2；所述包层区是由按正六边形排布包围纤芯区第三层的18根低掺杂石英柱和纯石英玻璃基底共同组成；所述低掺杂石英柱的半径为r3，折射率为n3；折射率分布满足：n3<n0<n1<n2，掺杂石英柱尺寸满足：r1>r2>r3。

Description

一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤。
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，光纤作为新一代的传输介质以其信息传输量大，传输速度快等优点，目前有着迅猛的发展趋势。在信号传输过程中，由于非线性的原因，导致传输信号产生附加损耗、信道间串扰和信号频率移动；由于色散的积累导致脉冲展宽及误码率增大，上述两个因素都会降低通信的容量与质量。同样的信号功率下，具有大模面积特性的光纤可以显著减小功率密度，从而减弱非线性造成的影响；具有近零色散平坦特性的光纤则可以有效的抑制脉冲展宽，降低误码率或者提升通信速度。因此同时具有大模面积和近零色散平坦特性的光纤在密集波分复用系统有着重要应用。
光纤的特性由构成光纤的材料及光纤几何结构共同决定。阶跃型光纤结构简单，可供调整的参数少，难以在一根光纤中同时实现大模面积和近零色散平坦特性。微结构光纤端面含有人造光学尺度的微结构，可调整参数多，对光纤特性有很强的调控能力。现阶段利用微结构光纤实现大模面积或近零色散平坦特性多采用如下方案：
(1)纤芯与基底为同一材料，在基底中引入周期性排布的空气孔或者折射率低于基底材料的介质柱阵列构成微结构包层。通过增大包层中周期性排布空气孔或者介质柱的间距，可以增大光纤芯径；在此基础上，减小包层中空气孔或者介质柱尺寸，降低纤芯折射率与包层等效折射率差值，可以使光纤在等效单模传输的同时具有大模面积特性。但是因为包层中空气孔或者介质柱所占比重少，同时纤芯过大，波导色散作用远小于材料色散，波导色散无法平衡材料色散的作用实现近零平坦色散特性。比如，Wei H等人设计的包层含周期排布介质柱的微结构光纤，柱间距为50μm，折射率差为0.004。1064nm处模面积为1256μm2，但是波导色散对光纤总色散的影响很小，光纤总色散基本等于其材料色散，其色散不平坦(Wei H,Chen K,YangY,et al.All-solid very large mode area ytterbium-dopedsilica microstructured fiber based on accurate control on cladding index[J].Optics Express,2016,24(8):8978.)。
(2)纤芯与基底为同一材料，在基底中引入周期性排布的空气孔或者折射率低于基底材料的介质柱阵列构成微结构包层。通过减小包层中周期性排布空气孔或者介质柱的间距来减小纤芯直径，或者增大包层中空气孔或者介质柱尺寸，都可以加强波导色散的影响，使光纤具备近零色散平坦特性。但是此时光纤芯径小，纤芯折射率与包层等效折射率差大，造成模式面积远小于传统单模光纤，无法得到大模面积特性。比如，SaitohK等人设计的包层含周期排布空气孔的微结构光纤，虽然在1200nm～1700nm区间实现了-0.5ps/(nm·km)～0.5ps/(nm·km)的近零平坦色散特性，但其空气孔间距仅为1.58μm，1550nm处模式面积为8.95μm2，不到传统单模光纤的八分之一。(Saitoh K,Koshiba M,Hasegawa T,etal.Chromatic dispersion control in photonic crystal fibers:applicationtoultra-flattened dispersion[J].Optics Express,2003,11(8):843.)。
(3)在纤芯和包层同时引入周期性排布的空气孔阵列，在纤芯和包层同时构建含有空气孔的微结构。根据目前报道，仅Sankawa I等人利用此方法设计出了同时具有大模面积和近零色散平坦特性的微结构光纤，他们设计的光纤在1550nm处模面积可以达到100μm2，色散值在1300nm-1650nm附近3.7ps/(nm·km)～5.3ps/(nm·km)的变化。(Sankawa I,Zhou J,Nakajima K,et al.Dispersion-Flattened Photonic Crystal Fiber WithLarge Effective Area and Low Confinement Loss[J].Journal ofLightwaveTechnology,2006,23(12):4178-4183.)。但是包层与纤芯同时含有空气孔的微结构光纤，在拉制时很容易出现空气孔坍塌的情况，制备难度大，制备成功率低，成本高，在与其他光纤熔接时，也会因为光纤内部空气孔坍塌增加熔接损耗，影响系统性能。
发明内容
本发明要解决的术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种全固态同时具有大模面积和近零色散平坦特性的微结构光纤。
为了解决上述存在的技术问题实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤，包括纯石英玻璃基底、纤芯区和包层区；所述纯石英玻璃基底的折射率为n0；所述纤芯区引入微结构，所述纤芯区由第一层、第二层和第三层高掺杂石英柱以及纯石英玻璃基底共同构成；第一层为最中心1根高掺杂石英柱，其半径为r1，折射率为n1；第二层为按正六边形排布包围第一层的6根高掺杂石英柱，其半径为r1，折射率为n1；第三层为按正六边形排布包围第二层的12根高掺杂石英柱，其半径为r2，折射率为n2；所述包层区是由按正六边形排布包围纤芯区第三层的18根低掺杂石英柱和纯石英玻璃基底共同组成；所述低掺杂石英柱的半径为r3，折射率为n3；折射率分布满足：n3<n0<n1<n2，掺杂石英柱尺寸满足：r1>r2>r3。
所述高掺杂石英柱为掺二氧化锗石英柱；所述低掺杂石英柱为掺氟石英柱。
进一步的，所述光纤纤芯区第一层1和第二层2掺二氧化锗石英柱的半径r1范围为1220-1320nm。
进一步的，所述光纤纤芯区第三层3掺二氧化锗石英柱的半径r2范围为650nm-750nm。
进一步的，所述光纤包层区4的掺氟石英柱的半径r3范围为640nm-740nm。
进一步的，所述光纤纤芯区和包层区中任意两个相邻掺杂石英柱圆心之间的距离为柱间距，柱间距Λ范围为2600nm-2700nm。
进一步的，所述光纤纤芯区第一层1和第二层2高掺石英柱的折射率n1满足：0＜(n1-n0)/n0＜0.15％。
进一步的，所述光纤第三层3掺杂石英柱的折射率n2满足：0＜(n2-n0)/n0＜0.35％。
进一步的，所述光纤包层区掺杂石英柱的折射率n3满足：0＜(n0-n3)/n0＜0.70％。
本发明提出了一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤，具有以下优点：
(1)本发明光纤在1410nm～1670nm波长范围内，色散值在3.89ps/(nm·km)～5.85ps/(nm·km)范围内波动；
(2)本发明光纤在1550nm处有效模式面积达到194μm2；
(3)本发明光纤可以在S+C通信波段获得单模传输的效果。
附图说明
图1是本发明的全固大模面积近零色散平坦微结构光纤实施例的截面结构示意图；
图2是本发明的全固大模面积近零色散平坦微结构光纤实施例的径向折射率分布示意图；
图3是本发明的全固大模面积近零色散平坦微结构光纤实施例的色散曲线图；
图4是本发明的全固大模面积近零色散平坦微结构光纤实施例的模场分布图。
图中，1为光纤第一层高掺二氧化锗石英柱，2为光纤第二层高掺二氧化锗石英柱，3为光纤第三层高掺二氧化锗石英柱，4为光纤包层区低掺氟石英柱，5为纯石英玻璃基底，6为柱间距。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步介绍：
本发明的一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤的一个实施例，其截面结构示意图如图1所示，所述光纤包括纯石英玻璃基底5、纤芯区和包层区；所述纯石英玻璃基底5的折射率为n0；所述纤芯区引入微结构，所述纤芯区由第一层1、第二层2和第三层3掺二氧化锗石英柱以及纯石英玻璃基底共同构成；第一层1为最中心1根掺二氧化锗石英柱，其半径为r1＝1270nm；折射率为n1，折射率满足(n1-n0)/n0＝0.15％；第二层2为按正六边形排布包围第一层1的6根掺二氧化锗石英柱，其半径为r1＝1270nm；折射率为n1，折射率满足(n1-n0)/n0＝0.15％；第三层3为按正六边形排布包围第二层2的12根掺二氧化锗石英柱，其半径为r2＝700nm；折射率为n2，折射率满足(n2-n0)/n0＝0.35％；所述包层区4是由按正六边形排布包围纤芯区第三层3的18根掺氟石英柱和纯石英玻璃基底共同组成；所述掺氟石英柱的半径为为r3＝690nm；折射率为n3，折射率满足(n0-n3)/n0＝0.70％。柱间距6等于2650nm。
折射率分布如图2所示，在这个折射率分布下，使得光随着波长的增加向内汇聚而非向外发散，在这个折射率分布下调节掺杂石英柱大小和柱间距使得光纤在S+C波段近零色散平坦。
如图3所示通过对光纤的参数的设计和优化，作出色散曲线，通过色散曲线可知本光纤色散曲线在1410nm～1670nm波长范围内实现近零色散平坦，色散值在3.89ps/(nm·km)～5.85ps/(nm·km)范围波动。
模场图如图4所示，根据模式面积公式算出，本光纤在1550nm模式面积为194μm2。
实施例一：纤芯部分引入高掺石英柱，第一、二层高掺石英柱1、2的半径r1＝1220nm，折射率n1＝1.451；纤芯区第三层高掺石英柱3的半径r2＝650nm，折射率n2＝1.454，包层低掺石英柱4，折射率n3＝1.435，半径为640nm。纤芯区和包层区石英柱的柱间距Λ为2600nm。
实施例二：纤芯部分引入高掺石英柱，第一、二层高掺石英柱1、2的半径r1＝1320nm，折射率n1＝1.453；纤芯区第三层高掺石英柱3的半径r2＝750nm，折射率n2＝1.456，包层低掺石英柱4，折射率n3＝1.445，半径为740nm。纤芯区和包层区石英柱的柱间距Λ为2700nm。
上述附图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 (5)

1.一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤，其特征在于：光纤包括纯石英玻璃基底、纤芯区和包层区；所述纯石英玻璃基底的折射率为n0；所述纤芯区引入微结构，所述纤芯区由第一层、第二层和第三层高掺杂石英柱以及纯石英玻璃基底共同构成；第一层为最中心1根高掺杂石英柱，其半径为r1，折射率为n1；第二层为按正六边形排布包围第一层的6根高掺杂石英柱，其半径为r1，折射率为n1；第三层为按正六边形排布包围第二层的12根高掺杂石英柱，其半径为r2，折射率为n2；所述包层区是由按正六边形排布包围纤芯区第三层的18根低掺杂石英柱和纯石英玻璃基底共同组成；所述低掺杂石英柱的半径为r3，折射率为n3；折射率分布满足：n3<n0<n1<n2，掺杂石英柱尺寸满足：r1>r2>r3；
所述光纤第三层3掺杂石英柱的折射率n2满足：0＜(n2-n0)/n0＜0.35％；
所述光纤纤芯区第三层3掺二氧化锗石英柱的半径r2范围为650nm-750nm；
所述光纤纤芯区第一层1和第二层2高掺石英柱的折射率n1满足：0＜(n1-n0)/n0＜0.15％；
所述光纤包层区掺杂石英柱的折射率n3满足：0＜(n0-n3)/n0＜0.70％。
2.根据权利要求1所述的一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤，其特征在于：所述高掺杂石英柱为掺二氧化锗石英柱；所述低掺杂石英柱为掺氟石英柱。
3.根据权利要求1或者2所述的一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤，其特征在于：所述光纤纤芯区第一层1和第二层2掺二氧化锗石英柱的半径r1范围为1220-1320nm。
4.根据权利要求1或者2所述的一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤，其特征在于：所述光纤包层区4的掺氟石英柱的半径r3范围为640nm-740nm。
5.根据权利要求1或者2所述的一种全固态大模面积近零色散平坦微结构光纤，其特征在于：所述光纤纤芯区和包层区中任意两个相邻掺杂石英柱圆心之间的距离为柱间距，柱间距Λ范围为2600nm-2700nm。
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