CN111323869A - 一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光信息和光能量同时传输的微结构光纤，该微结构光纤光纤的纤芯为实芯，包层由周期性排列的气孔围绕而成，气孔与完美匹配层相嵌。为了证明实芯大芯径微结构光纤在信能共传领域的使用前景，本发明实际拉制出了长度超过1.37km，在976nm波段下，2.26dB/km传输损耗的微结构光纤。为接入全光纤信能共传通信系统中，本发明解决了熔接问题，将熔接损耗控制在0.25‑0.36dB，较好的解决了光纤接入全光纤通信系统中的熔接点损耗问题。综上，本发明的工作旨在开发支持能量‑信号共传的长距离光子晶体光纤，并进行通信系统应用验证。
Description
技术领域
本发明涉及激光能量传输和光纤通信技术领域，具体涉及一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤。
背景技术
移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大主要驱动力，为第五代移动通信(5G)提供了广阔的应用前景。面对数据流量的千倍增长、千亿设备连接和多样化的业务需求，5G网络建设面临诸多新挑战。在5G网络中，由于5G的高频段和大容量特征，基站覆盖范围大大减小，需要布设的基站数量，特别是室内基站大大增加。因此尽管5G网络可以提供高达1000倍于现网的速率，但也意味着高达1000倍的能耗。5G网络亟需低功耗的小型化基站。同时，海量基站在大规模布设，供电问题在网络建设中将变得更加突出，传统基站就地取电的方式将面临诸多挑战，亟需微型基站能够摆脱就地取电，实现“无源化”。
面对数据流量的千倍增长、千亿设备连接和多样化的业务需求，5G网络建设面临诸多新挑战。光子信号处理方法具有低能耗、大带宽、抗电磁干扰等优势，在5G系统的超宽带信号滤波等关键技术方面具有重要作用。因此，利用光纤传能可以克服电缆供电损耗大、成本高、灵活性差等问题。通过本项目的研究，可为未来5G网络建设中的关键问题提供解决方案。
因此，在实现5G网络建设的远端“无源化”时，如何实现信号和能量同时传输，与此同时保证较高的功率传输效率以及光电转化效率成为当务之急。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤，能够在保证传统光纤标准的功率传输效率基础上，实现光信号和光能量同时传输。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一方面，本发明提供一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤，光纤的纤芯为实芯，包层由周期性排列的气孔围绕而成，气孔与完美匹配层相嵌。
进一步地，所述纤芯直径尺寸为1/2包层直径尺寸。
进一步地，包层直径设置以标准光纤尺寸为基准，包层气孔直径为4-8μm，包层气孔壁厚设置低一个量级处理，完美匹配层尺寸为20μm宽。
进一步地，所述微结构光纤整体由石英玻璃材料制作；所述微结构光纤包层的气孔采用空气填充，为空气孔。
进一步地，所述微结构光纤的包层气孔排布为每两气孔中间隔两气孔距离。
进一步地，所述微结构光纤包括实芯单层气孔包层排布微结构光纤、实芯双层气孔包层排布微结构光纤和实芯多层气孔包层排布微结构光纤。
另一方面，本发明提供一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：将设计的微结构光纤进行物理场仿真分析其损耗和模场分布；
步骤B：将步骤A设计好的光纤结构，按照断面图等比例放大，选择合适的套管和毛细管，排好光纤预制棒；
步骤C：将步骤B得到的光纤预制棒一端熔接内径稍大、外径相近尺寸的套管；
步骤D：将步骤C得到的光纤预制棒整体放入拉丝塔进行光纤拉制；
步骤E：将所拉制光纤尾端留足够长，缠盘；
进一步地，其中步骤A中所述物理场分析包括模场分布平面图、电场方向、磁场方向和损耗数值；所选预制棒均由石英玻璃材料构成。
再一方面，本发明还提供一种光信息和光能量同时传输的微结构光纤接入检测系统的熔接方法，包括如下步骤：
步骤A：将微结构光纤的两端切平，使用光纤切割机，调整合适的切割参数，将切割刀数控制在11-20；
步骤B：将步骤A得到的微结构光纤的两端与所用检测系统激光器相匹配的多模尾纤相熔接；
步骤C：将步骤B得到的全光纤放入损耗测量系统测熔接损耗。
进一步地，针对特定的熔接机，合理设置主熔通光点位置、预熔功率、预熔通光时长、重叠距离、主熔功率、主熔通光时长。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1、所述的微结构光纤相比于现有信能共传用的多模光纤，模式色散更低，损耗更低。
2、所述的微结构光纤相比于现有信能共传用的双包层光纤，损伤阈值更高，损耗更低。
3、所述的微结构光纤在宽波段损耗低，对于信号光和能量光均有很高的通过率。
4、相比与掺杂纤芯，本微结构光纤采用全硅材料，价格更低廉。
5、微结构光纤结构新颖，单层空气孔的环芯排布，增大了纤芯包层折射率差，更好地将光限制在纤芯内传输。
6、机理的新颖性。光纤实现信能共传理念，有低能耗、大带宽、抗电磁干扰等优势，克服电缆供电损耗大、成本高、灵活性差等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
图1是本发明仿真软件设计的信能共传微结构光纤结构示意图；
图2是本发明仿真软件设计的信能共传微结构光纤模式分析示意图；
图3是本发明用于光信息和光能量共同传输的微结构光纤端面示意图；
图4是熔接机熔接界面示意图；
图5是熔接机熔接60/125多模光纤和120/230信能共传微结构光纤熔接情况示意图；
图6是熔接机熔接105/125多模光纤和120/230信能共传微结构光纤熔接情况示意图；
图7是传能系统检测平台示意图；
图8是传信系统检测质量示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤，其结构设计由Comsol多物理场仿真软件来完成，图1为所设计光纤端面图，光纤的纤芯为实芯，包层由周期性排列的气孔围绕而成，气孔采用空气填充，为空气孔，空气孔与完美匹配层相嵌。纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，包层空气孔直径为5μm，包层空气孔壁厚为0.5μm，完美匹配层尺寸为20μm宽(图中不予体现)。
具体地，所设计信能共传微结构光纤为全硅材料，纤芯折射率如下表1所示，信能共传概念，应满足长距离传输，传输损耗低，传输功率大，信号不失真的条件。
表1
| μm | 折射率n＝ | |
| 0.633 | 1.4570127271E+00 | 1.4571080653E+00 |
| 1.060 | 1.4496838856E+00 | 1.4497724839E+00 |
| 1.550 | 1.4440263037E+00 | 1.4441323219E+00 |
| 1.950 | 1.4388069964E+00 | 1.4389332097E+00 |
| 2.000 | 1.4380843852E+00 | 1.4382132396E+00 |
具体地，所述纤芯直径尺寸接近1/2包层直径的大小。
具体地，所述微结构光纤包括实芯单层空气孔包层排布微结构光纤、实芯双层空气孔包层排布微结构光纤和实芯多层空气孔包层排布微结构光纤。
本发明在信能共传微结构光纤的设计过程中，根据其用途，主要考虑到光纤的传输损耗、模场分布两个直接关系到光能量和光信息传输质量的决定性因素。只有控制好光纤的传输损耗，才能将其用于传输光能量；控制好光传输的模场分布，才能将其用于传输光信号。微结构光纤特点是结构灵活，可以通过结构的变化，降低传输损耗，控制模场分布。正是出于这样的考虑，本发明设计出所述的信能共传用微结构光纤。在976nm波段下具有2.26dB/km的传输损耗，且长度超过1.37km。光纤整体由全硅材料制作，纤芯大，包层空气孔占空比合适，传输损耗极低。
实施例2
本发明提供一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：将设计的信能共传微结构光纤导入Comsol软件进行物理场仿真分析其损耗和模场分布；
步骤B：将步骤A设计好的光纤结构，按照断面图等比例放大，选择合适的套管和毛细管，排好光纤预制棒；
步骤C：将步骤B得到的光纤预制棒一端熔接内径稍大、外径相近尺寸的套管；
步骤D：将步骤C得到的光纤预制棒整体放入拉丝塔进行光纤拉制；
步骤E：将所拉制光纤尾端留足够长，缠盘；
具体地，其中步骤A中Comsol软件选择频域物理场分析，对光纤结构进行分析为模式分析。
具体地，所述物理场分析主要包括模场分布平面图，电场方向，磁场方向和损耗数值。所设计信能共传微结构光纤理论基模电场分布及损耗情况如图2所示。
具体地，所选预制棒均有硅基材料构成。
信能共传微结构光纤的预制棒排布及拉制：
具体地，微结构光纤的包层气孔排布为每两气孔中间隔两气孔距离，即预制棒由11根毛细管贯穿和22根支撑管构成包层结构。信能共传微结构光纤预制棒采用的是15mm纤芯棒一支、2.2mm的包层毛细管33支(其中11支用于包层结构填充，22支用于包层支撑填充)、20/30mm的套管。
具体地，将所排信能共传微结构光纤预制棒放入光纤拉丝塔，拉制出实际的用于光信号和光能量同时传输的微结构光纤端面图如图3所示。光纤的纤芯直径120μm，包层直径230μm，长度达到1.37km。
光纤的传输损耗由纤芯大小和包层空气孔占空比决定。实芯大芯径微结构光纤是通过包层空气孔规律性排布来控制纤芯、包层折射率差来限制光传输的微结构光纤，当包层材料占空比达到一定值，光可以很好的被限制在纤芯传播。
式中D为纤芯直径，d为包层空气孔外径，N为整数，则实芯微结构光纤的包层占空比为
在当前结构下，纤芯尺寸62.5μm、包层尺寸125μm、空气孔直径5μm，本发明合理地控制该数值，当
光在石英中会达到传输效率，光会很好地被限制在纤芯进行传输。特别地，根据此前拉制的相近结构光纤损耗大的失败经验，在这里，采取了每个空气孔中间隔两个支撑管的排布方式在理想条件下，更进一步提升了包层占空比。
实施例3
本发明还提供一种光信息和光能量同时传输的大芯径微结构光纤接入全光纤信能共传检测系统的熔接方案，包括如下步骤：
步骤A：将信能共传微结构光纤的两端切平，使用光纤切割机，调整合适的切割参数，将切割刀数控制在11-20；
步骤B：将步骤A得到的信能共传微结构光纤的两端与所用检测系统激光器相匹配的多模尾纤相熔接；
步骤C：将步骤B得到的全光纤放入损耗测量系统测熔接损耗。
如图4所示，具体地，其中步骤A中所使用光线切割机为Fujikura CT105光纤切割机，适用于包层直径20-1250μm、涂覆层直径160-3000μm的光纤,所述信能共传微结构光纤包层直径230μm、涂覆层直径430μm。
具体地，所述光纤切割机的切割机理实际为压断法，千分尺提供压力施加平台，步进式切割刀提供切割压力，利用两侧保持切割张力的前提下，压断光纤切割点，使之形成规整端面。
具体地，所述的信能共传微结构光纤纤芯直径120μm、包层直径230μm，所用信能共传检测系统激光器尾纤为105/125μm多模光纤。
具体地，本发明将熔接点损耗降至0.25-0.36dB。
全光纤系统光纤跳线的选取与全光纤的制备
一开始，所选取信能共传检测系统激光器的尾纤为60/125μm，经熔接处理后，实际测量熔接损耗值始终不低于1dB。本实验中使用藤仓公司的LZM-100熔接机对光纤进行熔接处理。熔接情况如图5所示，该情况下，熔接损耗为3.3dB，多次实验，损耗可以稳定在1-4dB。
经分析，由于模场不匹配而造成的功率损失不可忽略。
其中，d为尾纤纤芯直径，D为微结构光纤纤芯直径。当前情况下，d＝60μm，D＝120μm。α＝75％，可见模场不匹配造成的功率损耗非常大。
接下来，为了与所拉制的信能共传微结构光纤模场匹配，选取了105/125μm的多模尾纤。理论上，由于模场不匹配造成的功率损失降低至α＝23.4％，这一次的熔接质量与熔接损耗均来到了一个较好的情况，如图6所示。该情况下，熔接损耗为0.48dB，多次实验，损耗可以稳定在0.25-0.89dB。
综上，所拉制的一种用于光信息和光能量同时传输的微结构光纤本身损耗在目标检测系统976nm中心波长的激光器下是2.26dB/km，接入全光纤系统两个熔接点后，可以保证在不低于1km的传输距离下，传输部分损耗低于3.5dB。
信能共传微结构光纤的传光能量质量检测
首先，搭建截断法测损耗空间光路，光源选取中心波长为976nm的激光器，输出光束经过二色镜滤波，透镜聚焦，输入两端面已切平的待测信能共传微结构光纤，输出端光能量由功率计接收，光路图如图7所示。
经过精细地调整空间光路的耦合质量后，得到截断前功率为380.5mW，截断1.37km后功率为778.5mW。
显然α＝2.26dB/km
信能共传微结构光纤的传光信号质量检测
如图8所示，检测过所拉制用于光信息和光能量共同传输的微结构光纤的传输损耗后，为了检测其传输光信号的能力，需将其接入全光纤的光通信系统中，将信能共传用微结构光纤两端与多模光纤熔接。其中一端，作为入射端，与105/125的多模光纤跳线相熔接，再通过法兰使之连接到信号源激光器的尾纤；另一端，作为出射端，最终以以光电转换器和示波器的方式接受光信息。
光信号的接收情况如下，输入一个55MHz的单频调制信号，冲击峰为-67dB，接入1.37km的信能共传用微结构光纤后，仍然可以得到相同频率下的光信号，其冲击峰为-70dB。验证了所拉制的微结构光纤传输光信息的能力。
本发明光信息和光能量共同传输的微结构光纤具有极低的传输损耗，976nm波段下2.26dB/km的传输损耗，由于光纤材料全硅构成，降低制作成本的同时，使光纤具备较低的非线性，色散，同时损伤阈值较高。在光信息和光能量的传输领域具有极大的应用前景。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1、所拉制的微结构光纤损耗低，在976nm波段下，传输损耗为2.26dB/km。
2、纤芯尺寸较大，损伤阈值较大。
3、光纤由全硅材料拉制，相比于纤芯掺氟光纤成本更低，降低非线性、模间色散，提高传输光信息能力。
4、硅的热稳定性高，硅基传输光纤对恶劣环境具有较强的耐久性。由于硅1600度的熔点使其在高温下也具有适用性。
5、光纤结构新颖，大芯径提升了损伤阈值，包层气孔的占空比很好地限制了光在纤芯传输。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤，其特征在于，光纤的纤芯为实芯，包层由周期性排列的气孔围绕而成，气孔与完美匹配层相嵌。
2.根据权利要求1所述的光信息和光能量共同传输的微结构光纤，其特征在于，所述纤芯直径尺寸为1/2包层直径尺寸。
3.根据权利要求1所述的光信息和光能量共同传输的微结构光纤，其特征在于，纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，包层气孔直径为5μm，包层气孔壁厚为0.5μm，完美匹配层尺寸为20μm宽。
4.根据权利要求1所述的光信息和光能量共同传输的微结构光纤，其特征在于，所述微结构光纤整体由全硅材料制作；所述微结构光纤包层的气孔采用空气填充，为空气孔。
5.根据权利要求1所述的光信息和光能量共同传输的微结构光纤，其特征在于，所述微结构光纤的包层气孔排布为每两气孔中间隔两气孔距离。
6.根据权利要求1所述的光信息和光能量共同传输的微结构光纤，其特征在于，所述微结构光纤包括实芯单层气孔包层排布微结构光纤、实芯双层气孔包层排布微结构光纤和实芯多层气孔包层排布微结构光纤。
7.一种光信息和光能量共同传输的微结构光纤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：将设计的微结构光纤导入仿真软件进行物理场仿真分析其损耗和模场分布；
步骤B：将步骤A设计好的光纤结构，按照断面图等比例放大，选择合适的套管和毛细管，排好光纤预制棒；
步骤C：将步骤B得到的光纤预制棒一端熔接内径稍大、外径相近尺寸的套管；
步骤D：将步骤C得到的光纤预制棒整体放入拉丝塔进行光纤拉制；
步骤E：将所拉制光纤尾端留足够长，缠盘。
8.根据权利要求7所述的光信息和光能量共同传输的微结构光纤的制备方法，其特征在于，其中步骤A中仿真软件为Comsol软件，Comsol软件选择频域物理场分析，对光纤结构进行分析为模式分析；所述物理场分析包括模场分布平面图、电场方向、磁场方向和损耗数值；所选预制棒均由硅基材料构成。
9.一种光信息和光能量同时传输的微结构光纤接入检测系统的熔接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：将微结构光纤的两端切平，使用光纤切割机，调整合适的切割参数，将切割刀数控制在11-20；
步骤B：将步骤A得到的微结构光纤的两端与所用检测系统激光器相匹配的多模尾纤相熔接；
步骤C：将步骤B得到的全光纤放入损耗测量系统测熔接损耗。
10.根据权利要求9所述的光信息和光能量同时传输的微结构光纤接入检测系统的熔接方法，其特征在于，熔接参数如下：主熔通光点左-10μm，预熔功率为标准功率547bt，预熔通光时长25ms，重叠距离11μm，主熔功率为标准功率597bt，主熔通光时长1600ms。
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