CN111948752A - 一种低弯损的大模场面积双模光纤及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低弯损的大模场面积双模光纤，所述光纤包括：纤芯、空气孔、折射率下陷层和包层，所述纤芯和空气孔的半径均为2.2μm；纤芯与空气孔构成了正六边形位于光纤的中心；折射率下陷层的宽度Wt为6μm至8μm；光纤整体的半径为62.5μm，包层的折射率ncl为1.444，包层与纤芯的折射率差Δn1为0.0022，包层与折射率下陷层的折射率差Δn2为‑0.004，空气孔的折射率为1.000，纤芯的折射率为折射率差Δn1与包层的折射率之和，下陷层的折射率为折射率差Δn2与包层的折射率之和；本发明不仅具有大的模场面积，而且具有极低的弯曲损耗解决了当前模场面积与弯曲损耗不能兼顾的难题，可用于光纤通信以及光纤器件的加工与制造。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种低弯损的大模场面积双模光纤及其应用。
背景技术
由于光纤通信具有传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、中继距离长等优点，已经被应用于多个领域。但是近几年来，随着光纤入户技术的迅速发展以及各种高功率激光技术的进步，对于光纤的传输性能提出了新的要求。传统光纤的传输容量已经不能满足当前的通信需求，同时随着各种高功率激光器的使用，光纤中的非线性效应会显著增加。增大光纤的模场面积是被普遍认可的用于解决光纤非线性效应的有效途径。但是随着模场面积的增加光纤的弯曲损耗也会随之增大。光纤入网的最大特点之一就是配线网络密度大，铺设线路复杂，应用于室内环境的光纤，其存储空间和弯曲半径都很小。这就要求光纤的操作性能好、对弯曲的敏感性较低。现阶段大多数的研究都通过减少光纤中高阶模发的数量来实现低的弯曲损耗。
为了解决光纤的传输容量问题，也有多种光纤结构先后问世。目前效果比较显著的便是多芯光纤。多芯光纤是在一个包层中设置多个纤芯同时进行数据传输，这样的一根多芯光纤的传输容量就相当于几根传统单芯光纤的传输容量。相较于单芯单模光纤，多芯光纤一方面提高了传输容量，另一方面它并没有增加光缆安装铺设的空间和资金投入，且节约了实际施工成本。因此也是当前的研究热点。
虽然多芯光纤是解决光纤传输容量问题的有效手段，但是在同一包层中加入多个纤芯会在一定程度上降低包层的相对厚度，而在这样的情况下光纤的限制损耗和弯曲损耗就会明显增加，这对于长距离传输是十分不利的。另一方面，相邻的纤芯之间极易发生耦合，导致纤芯之间串扰也会十分严重，这将会导致接收端接收到错误的信息。而在本发明中空气孔的引入便很有效地解决了上述问题。同时折射率下陷层也增大了纤芯与包层的折射率差，进而减小了光纤的弯曲损耗。
发明内容
本发明提供了一种低弯损的大模场面积双模光纤及其应用，该光纤的传输模式仅包括标量模LP01和LP11模中的部分模式，具体为
模,
模，
模和
模。其中，
模和
是简并的，
模和
模也是简并的，由于简并模之间的差别很小可以忽略，所以只需分别考虑这两对简并模中的一个即可，故而该光纤可称为双模光纤。通过不断调整影响光纤性能的结构参数，即纤芯半径，纤芯之间的距离，常规纤芯与包层的折射率差，下陷层与包层的折射率差，下陷层的宽度等可以有效的增加光纤的模场面积，降低光纤的弯曲损耗，详见下文描述：
一种低弯损的大模场面积双模光纤，所述光纤包括：纤芯、空气孔、折射率下陷层和包层，
所述纤芯和空气孔的半径均为2.2μm；纤芯与空气孔构成了正六边形位于光纤的中心；折射率下陷层的宽度Wt为6μm至8μm；光纤整体的半径为62.5μm，包层的折射率ncl为1.444，包层与纤芯的折射率差Δn1为0.0022，包层与折射率下陷层的折射率差Δn2为-0.004，空气孔的折射率为1.000，纤芯的折射率为折射率差Δn1与包层的折射率之和，下陷层的折射率为折射率差Δn2与包层的折射率之和；
所述光纤在保持双模传输时即实现了大的模场面积又实现了低弯曲损耗。
其中，所述纤芯之间的距离Λ为14-14.8μm。所述光纤在1550nm波长处当弯曲半径为5cm时，基模的弯曲损耗最低为3.197×10-6dB/m。
进一步地，所述光纤在1550nm波长处基模有效模场面积最大为1985.534μm2。所述光纤在1550nm波长处的传输模式为双模传输。
一种低弯损的大模场面积双模光纤的应用，所述的大模场面积双模光纤应用于光纤通信以及光纤器件的加工与制造。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明提出了一种将纤芯、空气孔以及折射率下陷层相结合的多芯光纤结构，使得结构灵活，可调节多个参数来调整光纤的传输性能；
2、本发明通过空气孔的引入使得包层与纤芯的折射率差增大，进而降低损耗，同时还破坏了模式的圆对称性，使得类似TE模和TM模的模式通过泄漏通道消耗殆尽，达到使高阶模截止的目的，仅保留一对简并的基模和一对简并的二阶模；
3、本发明通过折射率下陷层的引入也能使得光纤的包层与纤芯的折射率差增大，从而进一步降低了光纤的损耗；
4、本发明与普通光纤相比由于空气孔与折射率下陷层的引入实现了较低弯曲损耗，同时该结构中纤芯的数量较多以及纤芯的间距较大所以还实现了大的模场面积。
附图说明
图1为光纤横截面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
增加纤芯数目是增大光纤模场面积的有效途径，但是随着纤芯数目的增加光纤的弯曲损耗也会随之增大。为解决这一问题，研究者先后提出了包含空气孔或折射率下陷层结构的光纤。本发明将两者结合，既利用空气孔破坏了光纤中模式的圆对称性使高阶模截止，也在一定程度上增加了纤芯与包层的折射率差。同时在最外层引入折射率下陷层更大程度增加了纤芯与包层的折射率差，进而使得弯曲损耗降低。两者结合使光纤在保持双模传输时不但实现了大的模场面积还实现了低弯曲损耗。此效果是单独使用其中一个时难以实现的。
为了能够简便的介绍本发明的内容，先将本发明中涉及到的一些术语进行说明。
光纤基模的有效模场面积Aeff：
其中，E代表基模电场大小，E*代表E的共轭量，A为基模的模场面积。
光纤模式的有效折射率neff：
其中，β为传播常数，k0为真空中的波数，Re为有效折射率的实部。
光纤的损耗系数α：
其中，λ为传输波长，Im为有效折射率的虚部。
具体实现时，光纤的损耗系数与有效折射率的虚部有关，β为传输常数。
实施例1
本发明解决上述背景技术中提出的问题所采用的技术方案为，参见图1，一种低弯损的大模场面积双模光纤，包括：纤芯1、空气孔2、折射率下陷层3和包层4，纤芯1和空气孔2的半径a为2.2μm；折射率下陷层3的宽度Wt为6μm至8μm；光纤整体的半径为62.5μm，包层4的折射率ncl为1.444，包层4与纤芯1的折射率差Δn1为0.0022，包层4与折射率下陷层3的折射率差Δn2为-0.004，空气孔2的折射率为1.000，纤芯1的折射率为折射率差Δn1与包层4的折射率之和，下陷层3的折射率为折射率差Δn2与包层4的折射率之和。
本发明不仅具有大的模场面积，而且具有极低的弯曲损耗解决了当前模场面积与弯曲损耗不能兼顾的难题，可用于光纤通信以及光纤器件的加工与制造。
优选地，折射率下陷层3的宽度Wt分别取6μm和8μm。具体实现时，还可以为其他数值，本发明实施例对此不做限制。
具体实现时，纤芯1与空气孔2构成了正六边形位于光纤的中心。
按上述方案，纤芯1的折射率n1为包层折射率与Δn1之和为1.4462。
折射率下陷层的折射率n2为包层折射率与Δn2之和为1.440。
优选地，纤芯1之间的距离Λ为14-14.8μm。光纤在1550nm波长处基模有效模场面积最大为1985.534μm2。相比于同类型光纤，其基模模场面积有了大幅度增加。模场面积越大纤芯中的光功率密度越低，从而使光纤中非线性效应的影响减小，进而使得光纤功率容限和损伤阈值得以提升。这就为高功率光纤激光器的应用提供了坚实的基础。
其中，光纤在1550nm波长处当弯曲半径为5cm时，基模的弯曲损耗最低为3.197×10-6dB/m。在实际应用中，低的弯曲损耗可以促进高功率光纤激光器和放大器等在小型化、集成化领域飞速发展。
优选地，光纤在1550nm波长处的传输模式为双模传输。
实施例2
一种低弯损的大模场面积双模光纤，包括：纤芯1、空气孔2、折射率下陷层3和包层4。纤芯1由掺锗的二氧化硅组成，下陷层3由掺硼或者氟的二氧化硅构成，包层4由纯二氧化硅构成，包层4的半径为62.5μm。
表1所列为本发明从所有实例中选取的效果较好的结构参数，及纤芯半径，纤芯之间的距离，纤芯1与包层4的折射率差，下陷层3与包层4的折射率差，下陷层3的宽度，以及实现的模场面积和弯曲损耗。
表1
| 序号 | a(μm) | Δn<sub>1</sub> | Δn<sub>2</sub> | W<sub>t</sub>(μm) | Λ(μm) | A<sub>eff</sub>(μm<sup>2</sup>) | BL(dB/m) |
| 1 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 6 | 14 | 1774.742 | 1.414×10<sup>-5</sup> |
| 2 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 6 | 14.2 | 1826.465 | 1.518×10<sup>-5</sup> |
| 3 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 6 | 14.4 | 1878.838 | 1.622×10<sup>-5</sup> |
| 4 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 6 | 14.6 | 1931.869 | 1.733×10<sup>-5</sup> |
| 5 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 6 | 14.8 | 1985.543 | 1.832×10<sup>-5</sup> |
| 6 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 8 | 14 | 1774.418 | 3.197×10<sup>-6</sup> |
| 7 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 8 | 14.2 | 1826.128 | 3.385×10<sup>-6</sup> |
| 8 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 8 | 14.4 | 1878.415 | 3.449×10<sup>-6</sup> |
| 9 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 8 | 14.6 | 1931.524 | 3.829×10<sup>-6</sup> |
| 10 | 2.2 | 0.0022 | -0.004 | 8 | 14.8 | 1985.215 | 4.188×10<sup>-6</sup> |
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种低弯损的大模场面积双模光纤，其特征在于，所述光纤包括：纤芯、空气孔、折射率下陷层和包层，
所述纤芯和空气孔的半径均为2.2μm；纤芯与空气孔构成了正六边形位于光纤的中心；折射率下陷层的宽度Wt为6μm至8μm；光纤整体的半径为62.5μm，包层的折射率ncl为1.444，包层与纤芯的折射率差Δn1为0.0022，包层与折射率下陷层的折射率差Δn2为-0.004，空气孔的折射率为1.000，纤芯的折射率为折射率差Δn1与包层的折射率之和，下陷层的折射率为折射率差Δn2与包层的折射率之和；
所述光纤在保持双模传输时即实现了大的模场面积又实现了低弯曲损耗。
2.根据权利要求1所述的一种低弯损的大模场面积双模光纤，其特征在于，所述纤芯之间的距离Λ为14-14.8μm。
3.根据权利要求1所述的一种低弯损的大模场面积双模光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长处当弯曲半径为5cm时，基模的弯曲损耗最低为3.197×10-6dB/m。
4.根据权利要求1所述的一种低弯损的大模场面积双模光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长处基模有效模场面积最大为1985.534μm2。
5.根据权利要求1所述的一种低弯损的大模场面积双模光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm波长处的传输模式为双模传输。
6.一种低弯损的大模场面积双模光纤的应用，其特征在于，权利要求1-5中的任一权利要求所述的大模场面积双模光纤应用于光纤通信以及光纤器件的加工与制造中。
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