CN111999797B - 一种单模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单模光纤，包括纤芯和包层，所述包层包括背底以及若干第一组件，所述第一组件围绕所述纤芯分布；任一所述第一组件包括若干第二组件；所述纤芯的折射率为n1，所述背底的折射率为n2，所述第二组件的折射率为n4，且n2≥n4且n1≥n4；所述包层的折射率为n5，所述n2≥n5≥n4，且归一化频率

其中r1为所述纤芯的半径，λ为光纤的工作波长。本发明能够扩大纤芯直径，并且降低制备难度。

Description

一种单模光纤

技术领域

本发明涉及大模场、单模传输特性的光纤领域，具体涉及一种单模光纤。

背景技术

单模稀土掺杂的双包层阶跃光纤由于其在光通信、光传感、先进加工、生物医学、国防军事等领域的重要应用而受到广泛的研究，其研究的重点之一就是光纤输出功率的提高。目前提高光纤功率的主要限制因素在于非线性效应。而解决非线性效应的有效途径之一是利用大模场微结构光纤增大增益光纤的纤芯面积。

现有技术中大模场微结构光纤包括泄露通道光纤(G.Gu et al.,"Impact offiber outer boundaries on leaky mode losses in leakage channel fibers,"OptExpress 21,24039,2013),带隙光纤(G.Gu et al."Ytterbium-doped large-mode-areaall-solid photonic bandgap fiber lasers,"Opt Express,22,13962,2014),分布式模式滤波光纤(M.M.

et al."Optimizing single mode robustness of thedistributed modal filtering rod fiber amplifier,"Opt Express 20,7263--7273,2012),光子晶体光纤(J.A.Sanchez-Martin et al.,"Erbium-doped photonic crystalfiber lasers optimization by microstructure control:experimental studyanalysis,"Applied Physics B-Lasers and Optics 110,579-584,2013)，大跨距光纤(C.Gaida et al."Triple-clad large-pitch fibers for compact high-power pulsedfiber laser systems,"Opt Lett,39,209--211,2014)，多沟道光纤(D.Jainet al.,"Large Mode Area Multi-Trench Fiber With Delocalization of Higher OrderModes,"IEEE J Sel Top Quant 20,242-250,2014)和手信耦合光纤(X.Ma et al.,"Single-mode chirally-coupled-core fibers with larger than 50μm diametercores,"OptExpress 22,9206,2014)。

但是，泄露通道光纤、带隙光纤、分布式模式滤波光纤、光子晶体光纤和大跨距光纤中用于调制包层有效折射率的低折射率棒是一个整体，其对包层有效折射率的调制能力有限，因而扩大纤芯直径的能力也有限。手信耦合光纤和多沟道光纤对光纤结构较为敏感，参数的微小变化就会对其单模传输性能产生很大影响，降低了其一致性和可靠性，制备难度也很大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单模光纤，其能够扩大纤芯直径，并且降低制备难度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单模光纤，包括纤芯和包层，所述包层包括背底以及若干第一组件，所述第一组件围绕所述纤芯分布；任一所述第一组件包括若干第二组件；所述纤芯的折射率为n1，所述背底的折射率为n2，所述第二组件的折射率为n4，且n2≥n4，n1≥n4；所述包层的折射率为n5，所述n2≥n5≥n4，且归一化频率

其中r1为所述纤芯的半径，λ为光纤的工作波长。

进一步的，所述第一组件内包括至少两所述第二组件，相邻的所述第二组件的中心距Λ₄满足0≤r4/Λ4≤1，其中r4为第二组件的半径。

进一步的，所述第一组件包括至少两所述第二组件，所述第一组件的半径r3满足r3＝d/2，其中d为位于同一所述第一组件内的两相距最远的所述第二组件的中心距。

进一步的，相邻的所述第一组件的中心距Λ₃满足0≤r₃/Λ₃≤1。

进一步的，所述第一组件呈微结构排布。

进一步的，所述第二组件呈微结构排布。

进一步的，所述归一化频率V，

其中r1为所述纤芯的半径，λ为光纤的工作波长。

进一步的，所述第一组件呈六边形、圆环形或矩形分布。

进一步的，所述第二组件呈六边形、圆环形或矩形分布。

进一步的，所述第二组件的横截面呈圆形设置。

本发明的有益效果：

包层包括背底以及若干第一组件，任意第一组件还包括若干第二组件，本申请中的单模光纤通过将现有技术中的折射率棒改成分散排布的多个毛细棒，因此增加了折射率调制的参数；第一组件包括若干第二组件，通过调制多个第二组件半径以及排列方式，增加了光纤折射率的两个调解的自由度，因此扩大了包层有效折射率的调制能力，进一步的降低了纤芯的数值孔径，增大单模纤芯的直径；

归一化频率V≤2.406，使得本申请中的单模光纤的制备要求与现有技术中阶跃光纤的制备要求基本一致，因此能够极大地降低本申请中单模光纤的制备难度，进而保证光纤具有一致性和可靠性。

附图说明

图1为实施例一的光纤端面示意图；

图2为图1光纤中第一组件的放大图，其中，标出外部圆虚线是为了便于分辨，实际光纤中不存在；

图3为图1光纤沿光纤径向的折射率分布示意图；

图4为实施例二的光纤端面示意图；

图5为图4光纤中第一组件的放大图，其中标出外部圆虚线是为了便于分辨，实际光纤中不存在；

图6为图4光纤沿光纤径向的折射率分布示意图；

图7为实施例三的光纤端面示意图；

图8为图7光纤中第一组件的放大图，其中标出外部圆虚线是为了便于分辨，实际光纤中不存在；

图9为图7光纤沿光纤径向的折射率分布示意图；

图10为实施例四的光纤端面示意图；

图11为图10光纤中第一组件的放大图，其中标出外部圆虚线是为了便于分辨，实际光纤中不存在；

图12为图10光纤沿光纤径向的折射率分布示意图。

图中标号说明：1、纤芯；2、背底；3、第一组件；4、第二组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-图12所示，本发明的一种单模光纤的一实施例，包括纤芯1和包层，包层包括背底2以及若干第一组件3，全部的第一组件3均环绕纤芯1分布设置；同时任意第一组件3还包括若干第二组件4。本申请中的单模光纤通过将现有技术中的折射率棒改成分散排布的多个毛细棒，因此增加了折射率调制的参数。第一组件3包括若干第二组件4，通过调制多个第二组件4半径以及排列方式，增加了光纤折射率的两个调解的自由度，因此扩大了包层有效折射率的调制能力，进一步的降低了纤芯1的数值孔径，增大单模纤芯的直径。

纤芯1的折射率为n1，背底2的折射率为n2，第二组件4的折射率为n4，且n2≥n4，同时n1≥n4，n1与n2的大小关系不做限定；根据有限时域差分法、有限元法等算法通过解麦克斯韦方程组获得包层的折射率为n5，所述n2≥n5≥n4。因而通过调整第二组件4的折射率n4、第二组件4的半径以及第二组件4的排列方式，以及背底2折射率n2便能够灵活地调整包层的折射率n5，因此增大了包层有效折射率的调制能力。

归一化频率

其中r1为所述纤芯的半径，λ为光纤的工作波长。基于全内反射原理，本申请中的单模光纤能够等效为纤芯1折射率为n₁、纤芯1半径r₁、包层折射率为n₅的阶跃光纤。根据归一化频率V≤2.406，以保证实现单模输出，因而归一化频率

并相应的调整结构光纤的参数。

此外，当归一化频率

时，制备本申请中的单模光纤的制备要求与现有技术中阶跃光纤的制备要求基本一致，因此能够极大地降低本申请中单模光纤的制备难度，进而保证光纤具有一致性和可靠性。

第一组件3呈微结构排布，第二组件4呈微结构排布，同时第二组件4的横截面呈圆形设置。利用呈微结构排布的第一组件3和第二组件4有效解决传统结构中大模场面积与单模运转的矛盾制约，突破了由弯曲导致光纤弯曲损耗高和弯曲方向角敏感等问题。

第一组件3内包括至少两第二组件4，相邻的第二组件4的中心距Λ₄满足0≤r4/Λ4≤1，其中r4为第二组件4的半径。通过调整相邻两第二组件4之间的中心距，可以调整第二组件4的排布方式，增加了光纤折射率的方式，增大了包层有效折射率的调制能力。

此外，第一组件3包括至少两第二组件4，第一组件3的半径r3满足r3＝d/2，其中d为位于同一第一组件3内的两相距最远的第二组件4的中心距。通过限制第二组件4排布时两相距最远的第二组件4的中心距，可以调整第一组件3的半径。相邻的第一组件3的中心距Λ₃满足0≤r₃/Λ₃≤1，使以保证包层内设置有多个第一组件3。通过改变第二组件4的排布，能够可以改变相邻两第二组件4之间的中心距，也能够调整第一组件3的半径。同时包层内设置有多个第一组件3，并且第一组件3包括多个第二组件4，利用多个第二组件4的半径和排列方式，进一步的降低了纤芯1的数值孔径，增大单模纤芯的直径。

第一组件3呈六边形、圆环形或矩形分布，根据单模光纤的要求可以合理地排布第一组件3。

第二组件4呈六边形、圆环形或矩形分布，通过调整第二组件4的排布的方式，既能够适应性的改变第一组件3的半径，更加便于调整包层的折射率；从而便于降低了纤芯1的数值孔径，增大单模纤芯的直径。

将上述单模光纤的技术方案应用到实际当中，以如下的实施例进一步的描述应用。

实施例1：单模光纤的结构如图1所示，纤芯1的半径r₁为25μm，包层的半径r₂为140μm，共2层的第一组件3；第一组件3由12层第二组件构成。图3为图1中光纤沿径向的折射率分布图，其中，相邻两第一组件3的中心间距为Λ₃为52μm，相邻两第二组件4的中心间距为Λ₄为2μm，第一组件3的半径r₃为24.5μm，第二组件4的半径r₄为0.5μm。光纤在波长1μm处的模场直径为～1500μm²，在波长1μm以上为单模运转。

实施例2：单模光纤的结构如图4所示，纤芯1的半径r₁为15μm，包层的半径r₂为150μm，共2层的第一组件3；第一组件3由2层第二组件4构成。图6为图4中光纤沿径向的折射率分布图，相邻两第一组件3的中心间距为Λ₃为30μm，相邻两第二组件4的中心间距为Λ₄为6μm，第一组件3的半径r₃为13.5μm，第二组件4的半径r₄为1.5μm。光纤在波长1μm处的模场直径为～570μm²，在波长1μm以上为单模运转。

实施例3：单模光纤结构如图7所示，纤芯1的半径r₁为24μm，包层的半径r₂为130μm，共2层的第一组件3；第一组件3由6层第二组件4构成。图9为图7中光纤沿径向的折射率分布图，相邻两第一组件3的中心间距为Λ₃为48μm，相邻两第二组件4的中心间距为Λ₄为6μm，第一组件3的半径r₃为24μm，第二组件4的半径r₄为1μm。光纤在波长1μm处的模场直径为～1450μm²，在波长1μm以上为单模运转。

实施例4：单模光纤结构如图10所示，纤芯1的半径r₁为20μm，包层的半径r₂为160μm，共3层的第一组件3；第一组件3由4层第二组件4构成。图12为图10中光纤沿径向的折射率分布图，相邻两第一组件3的中心间距为Λ₃为40μm，相邻的两第二组件4的中心间距为Λ₄为4.2μm，第一组件3的半径r₃为20μm，第二组件4的半径r₄为1.2μm。光纤在波长1μm处的模场直径为～1000μm²，在波长1μm以上为单模运转。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种单模光纤，其特征在于，包括纤芯和包层，所述包层包括背底以及若干第一组件，所述第一组件围绕所述纤芯分布；任一所述第一组件包括若干第二组件；所述纤芯的折射率为n1，所述背底的折射率为n2，所述第二组件的折射率为n4，且n2≥n4，n1≥n4；所述包层的折射率为n5，所述n2≥n5≥n4，且归一化频率

其中r1为所述纤芯的半径，λ为光纤的工作波长。

2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述第一组件内包括至少两所述第二组件，相邻的所述第二组件的中心距Λ₄满足0≤r4/Λ4≤1，其中r4为第二组件的半径。

3.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述第一组件包括至少两所述第二组件，所述第一组件的半径r3满足r3＝d/2，其中d为位于同一所述第一组件内的两相距最远的所述第二组件的中心距。

4.如权利要求3所述的单模光纤，其特征在于，相邻的所述第一组件的中心距Λ₃满足0≤r₃/Λ₃≤1。

5.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述第一组件呈微结构排布。

6.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述第二组件呈微结构排布。

7.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述归一化频率V，

其中r1为所述纤芯的半径，λ为光纤的工作波长。

8.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述第一组件呈六边形、圆环形或矩形分布。

9.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述第二组件呈六边形、圆环形或矩形分布。

10.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述第二组件的横截面呈圆形设置。

Images