CN110794511B - 一种保偏色散补偿微结构光纤 - Google Patents

Abstract

一种保偏色散补偿微结构光纤，包括内芯、内包层、外芯和外包层，所述内包层、外芯和外包层采用的空气孔全部为长短轴方向一致的椭圆形空气孔，所述内包层和外包层包含的椭圆形空气孔大小相同，且所述内芯、内包层、外芯和外包层均选用石英作为基底材料；所述椭圆形空气孔中心采用底和高分别与椭圆形空气孔长短轴方向一致的等腰三角形排布方式，且等腰三角形的底为Λx，高为Λy。本发明不仅使得内芯具有保偏特性，而且内芯两个偏振模式折射率分别与外芯两个偏振模式折射率在1550nm附近出现相交，从而在1550nm处都具有大的负色散，即两个方向都可以在1550nm处实现色散补偿，解决了两个方向都在1550nm实现色散补偿和保偏特性之间的矛盾。

Description

一种保偏色散补偿微结构光纤

技术领域

本发明涉及光纤通讯领域，尤其涉及一种保偏色散补偿微结构光纤。

背景技术

光纤作为光信号的传输媒质，在光纤通信网中起着举足轻重的作用。由于保偏光纤对线偏振光具有较强的偏振保持特性而在高速光通信中具有越来越广泛的应用。为了避免传输过程中出现信号展宽的问题，需要对保偏光纤进行色散补偿。如果利用传统色散补偿光纤对保偏光纤进行补偿，由于其不具有保偏特性，因此两个偏振方向会发生模式耦合造成串扰，将无法保持光的偏振态。保偏色散补偿光纤无疑是解决上述问题的有效方案：这种光纤不仅可以对传输过程中累积的正色散进行补偿，而且可以对传输模式具有良好的偏振保持能力。既避免了因色散而产生的信号展宽的问题，也解决了由于偏振模式耦合带来的串扰问题。因此，保偏色散补偿光纤在高速光通信中具有良好的应用前景。

微结构光纤设计灵活，能够很好地同时实现保偏和色散补偿的特性。对于现有的微结构光纤，其实现保偏色散补偿特性常用技术方案是：（1）整个光纤以石英为基底，通过引入正六边形排列的圆形空气孔形成C6v结构。（2）在中心忽略一个空气孔产生的实心区域形成内芯区；通过减小某一层空气孔的直径增加该层平均折射率形成外芯，构成同轴双芯结构。因此，内芯与外芯之间的多孔区域组成内包层，外芯区之外的多孔区域为外包层。内芯与内包层组成内光纤，外芯与外包层组成外光纤。（3）改变紧邻内芯空气孔的大小、形状等，降低内光纤对称性，使得内芯传输模式产生双折射；外光纤依然是C6v对称结构，因此外芯模式不具有双折射。（4）合理优化光纤结构，内芯其中一个方向偏振模式与外芯模式在1550nm附近发生模式耦合，两个模式有效折射率出现相交，从而在耦合波长附近产生大负色散。由于内芯模式双折射很大，因此内芯另一个方向模式与外芯的模式耦合波长远离1550nm，其模式折射率不能在1550nm附近相交，无法产生大负色散。所以仅有一个方向（发生模式耦合的那个偏振方向）能够在1550nm处进行色散补偿。比如，冯朝印等人的技术方案为：（1）通过减小第三层空气孔的直径，使该层平均折射率增加，形成外芯。（2）通过减小内芯x方向上紧邻空气孔直径，将内光纤对称性降低为C2v结构,使内芯模式产生双折射，外光纤依然保持C6v对称性，即外芯模式不会产生双折射。（3）通过优化光纤结构，得到色散补偿微结构光纤。

上述现有技术方案的矛盾在于：通过降低内光纤对称性，在内芯引入双折射，可以使内芯两个方向的偏振模式产生大的折射率差，从而具有较好的保偏特性，但是由于外芯模式不具备双折射，当内芯两个偏振模式与外芯模式发生耦合时，其分别对应的模式耦合波长相距很远，不可能同时出现在1550nm附近，无法在1550nm处同时实现两个偏振模式的色散补偿。反之，若要使内芯两个偏振方向均可用于色散补偿，要求内芯两个方向的偏振模式与外芯模式（没有双折射）的耦合波长均出现在1550nm附近，这就需要降低内芯两个方向的双折射（即偏振模式的折射率差），但内芯两个偏振方向模式的折射率差太小，光纤将不能实现保偏的特性。即此方案存在内芯两个偏振模式都在1550nm处具有色散补偿特性和光纤保偏特性之间的矛盾。因此，造成上述保偏色散补偿微结构光纤方案的缺点是：在1550nm处只有一个偏振方向可以产生大负色散，用于色散补偿。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有保偏特性且两个偏振方向都可以在1550nm处实现色散补偿的一种保偏色散补偿微结构光纤。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种保偏色散补偿微结构光纤，所述光纤包括内芯和由内至外依次包裹在内芯外层的内包层、外芯和外包层；所述内芯、内包层、外芯和外包层均选用石英作为基底材料；所述内包层包含两层椭圆形空气孔，孔数依次为6个和12个；所述外包层包含六层椭圆形空气孔，孔数依次为24个、30个、36个、42个、48个和54个；所述内芯是通过忽略光纤中心的一个空气孔产生的实心区域；所述外芯是由椭圆形空气孔和周围基底材料共同形成的区域，其特征在于：所述内包层、外芯和外包层采用的空气孔全部为长短轴方向一致的椭圆形空气孔，所述内包层和外包层包含的椭圆形空气孔大小相同；所述椭圆形空气孔中心采用底和高分别与椭圆形空气孔长短轴方向一致的等腰三角形排布方式，且等腰三角形的底为Λx，高为Λy”。

进一步的，所述Λx范围为2.39~2.41um，所述Λy范围为1.19~1.21um。

进一步的，所述内包层和外包层包含的椭圆形空气孔的长轴为A1，其范围为（0.83~0.84）Λx，短轴为B1，其范围为（0.83~0.84）Λy。

进一步的，所述外芯包含的椭圆形空气孔的长轴为A2，其范围为（0.39~0.40）Λx，短轴为B2，其范围为（0.29~0.31）Λy。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提出的一种保偏色散补偿微结构光纤，综合利用多种技术效果相同或相反的模式折射率调节机制（即内、外包层空气孔及外芯空气孔中心位置采用底和高分别平行于x和y方向的等腰三角形排布，其等腰三角形的高小于以等腰三角形的底为边长的等边三角形的高，使内、外芯x偏振模式折射率均大于内、外芯y偏振模式折射率；内、外包层空气孔采用长短轴分别平行于x和y方向的椭圆形空气孔，使内、外芯x偏振模式折射率均小于其y偏振模式折射率；外芯中空气孔采用长短轴分别平行于x和y方向的椭圆空气孔，外芯x偏振模式折射率小于外芯y偏振模式折射率），使内、外芯x偏振模式折射率均大于其y偏振模式折射率，在内芯具有偏振保持特性的同时，内、外芯的x方向和y方向模式折射率同时在1550nm附近相交，从而在x和y两个偏振方向的1550nm处都会出现大的负色散，进而两个偏振方向都可以在1550nm处实现色散补偿。采用该技术方案，实施例最终在1550nm处得到的结果为：内芯模式双折射为：5.55×10^-3；x偏振方向的色散值为-1608.53ps/(nm•km)；y偏振方向的色散值为-2213.41ps/(nm•km)。

附图说明

图1是本发明所提出的一种保偏色散补偿微结构光纤一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的内外芯偏振模式折射率示意图；

图3是本发明的色散值示意图。

具体实施方式

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1，给出了本发明所提出的一种保偏色散补偿微结构光纤的一个实施例的具体结构。该微结构光纤包括内芯1、内包层2、外芯3、外包层4和基底材料5。

所述内芯1设置在基底材料5的中心处，该基底材料5为石英，所述内包层2、外芯3和外包层4由内至外依次包裹在内芯1的外层，且所述内包层2、外芯3和外包层4采用的空气孔均为长短轴方向一致的椭圆形空气孔，其中内包层2和外包层4包含的椭圆形空气孔大小相同，所有椭圆形空气孔的长短轴均分别与x和y轴方向平行，并且其中心均采用底和高分别与x和y轴方向平行的等腰三角形排布方式，且沿x方向相邻两个椭圆形空气孔的孔间距Λx为2.39-2.41μm, 沿y方向相邻两个空气孔的孔间距Λy为1.19-1.21μm。

本实施例中，所述内包层2包含两层椭圆形空气孔，是以内芯1为中心由内至外第一至第二层椭圆形空气孔，空气孔数量依次为6个和12个；所述外包层4包含六层椭圆形空气孔，是以内芯1为中心由内至外第四至第九层椭圆形空气孔，空气孔的数量依次为24个、30个、36个、42个、48个和54个；所述内包层2和外包层4包含的椭圆空气孔的长轴A1的长度为（0.83-0.84）Λx；短轴B1的长度为（0.83-0.84）Λy；所述内芯1是通过忽略光纤中心的一个空气孔产生的实心区域，其紧邻内包层2由内至外第一层椭圆形空气孔；所述外芯3是以内芯1为中心由内至外第三层椭圆形空气孔与其周围石英基底材料5共同形成的区域，该外芯3包含空气孔数为18，长轴A2的长度为（0.39-0.40）Λx，短轴B2的长度为（0.29-0.31）Λy。

本发明的工作原理，（1）所述光纤以石英为基底材料5，其上周期性排布长短轴方向一致的椭圆形空气孔，通过在中心忽略一个空气孔产生实芯区域形成内芯1，通过减小第三层椭圆形空气孔提高该层的平均折射率形成外芯3。其内芯1与外芯3之间的多孔区域成为内包层2，外芯3之外的多孔区域成为外包层4，光纤构成同轴双芯结构。（2）内包层2、外包层4内的椭圆形空气孔及外芯3椭圆形空气孔中心位置采用底和高分别与椭圆形空气孔长短轴方向一致（即分别平行于x和y方向）的等腰三角形排布方式，该等腰三角形的高小于以等腰三角形的底为边长的等边三角形的高；上述椭圆形空气孔排布方式使内、外芯的x方向空气填充率小于y方向，导致内、外芯的x方向平均折射率高于y方向，同时使内芯1区域的x方向长度大于y方向，因此形成内、外芯的x偏振模式折射率均大于内、外芯的y偏振模式折射率的技术效果。（3）内包层2、外包层4的方法空气孔采用长短轴分别平行于x和y轴方向的相同大小的椭圆形空气孔，使内、外芯x方向的空气填充率大于y方向的空气填充率，导致内、外芯x方向平均折射率低于y方向，因此形成内、外芯x偏振模式折射率均小于内、外芯y偏振模式折射率的技术效果。（4）外芯3中空气孔采用长短轴分别平行于x和y方向的椭圆形空气孔，使外芯3内的x方向空气填充率增加，y方向空气填充率减小，导致外芯x方向平均折射率小于y方向，因此形成外芯3的x偏振模式折射率小于外芯3的y偏振模式折射率的技术效果。（5）综合利用模式折射率调节机制（2）和（3）的共同作用构建内光纤结构，实现内芯1的x偏振模式折射率大于其y的偏振模式折射率，且具有良好保偏特性的综合技术效果。（6）综合利用模式折射率调节机制（2）、（3）和（4）的共同作用构建外光纤结构，实现外芯3的双折射方向与内芯1相同，即外芯3的x偏振模式折射率大于其y的偏振模式折射率的技术效果。同时，由于外芯3具有与内芯1大小相匹配的双折射，不仅使内芯1具有保偏特性，而且内芯1的x和y偏振模式折射率分别与外芯3的x和y偏振模式的折射率均在1550nm附近出现相交，即两个偏振方向在1550nm处都具有大负色散，从而两个偏振方向都可以在1550nm处实现色散补偿。

参见附图2，光纤内芯1和外芯3中，每个区域均支持两个偏振模式，即内芯1的x偏振模式、内芯1的y偏振模式、外芯3的x偏振模式及外芯3的y偏振模式，其模式折射率分别用n1、n2、n3和n4表示。具体而言，内芯1两个偏振模式折射率n1、n2主要由Λx、Λy、A1、B1共同决定，外芯3两个偏振模式折射率n3、n4主要由Λx、Λy、A1、B1、A2、B2共同决定。因此，需要综合考虑光纤各参数对内芯1和外芯3模式折射率的影响。通过调节光纤参数并综合利用多种技术效果相同或相反的模式折射率调节机制，不仅使得内、外芯的x偏振模式折射率均大于其y的偏振模式折射率，而且内、外芯模式具有大小相匹配的双折射，最终得到n1和n3在1569nm处交于一点，n2和n4在1556nm交于一点的结果。故在x方向，内芯1的x偏振模式与外芯3的x偏振模式折射率发生相交，从而在耦合波长1569nm处具有最大负色散；y方向上，内芯1的y偏振模式与外芯3的y偏振模式折射率发生相交，从而在耦合波长1556nm处具有最大负色散，因其耦合波长都与1550nm相距较近，故两个偏振方向都在1550nm处出现大的负色散。

由附图3可知，采用上述结构在1550nm的工作波长处获得的结果为：内芯1的x偏振方向的色散值为-1608.53ps/(nm•km)，内芯1的y偏振方向的色散值为-2213.41ps/(nm•km)，内芯模式双折射为：5.55×10^-3。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种保偏色散补偿微结构光纤，所述光纤包括内芯和由内至外依次包裹在内芯外层的内包层、外芯和外包层；所述内芯、内包层、外芯和外包层均选用石英作为基底材料；所述内包层包含两层椭圆形空气孔，孔数依次为6个和12个；所述外包层包含六层椭圆形空气孔，孔数依次为24个、30个、36个、42个、48个和54个；所述内芯是通过忽略光纤中心的一个空气孔产生的实心区域；所述外芯是由椭圆形空气孔和周围基底材料共同形成的区域，其特征在于：所述内包层、外芯和外包层采用的空气孔全部为长短轴方向一致的椭圆形空气孔，所述内包层和外包层包含的椭圆形空气孔大小相同；所述椭圆形空气孔中心采用底和高分别与椭圆形空气孔长短轴方向一致的等腰三角形排布方式，且等腰三角形的底为Λx，高为Λy。

2.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述Λx范围为2.39~2.41um，所述Λy范围为1.19~1.21um。

3.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述内包层和外包层包含的椭圆形空气孔的长轴为A1，其范围为（0.83~0.84）Λx，短轴为B1，其范围为（0.83~0.84）Λy。

4.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述外芯包含的椭圆形空气孔的长轴为A2，其范围为（0.39~0.40）Λx，短轴为B2，其范围为（0.29~0.31）Λy。

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