CN117310869A - 一种光子晶体控模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤通信技术领域，具体公开了一种光子晶体控模光纤，包括：晶体结构、机械包层和保护涂层；本发明中光子晶体控模光纤的晶体结构将传输光的信号模式控制在了进入光纤的原始状态，因此不存在模式扰动、不存在模式色散；完美的力学和光学的正六方蜂窝状晶体结构使得波导结构非线性效应趋于零；数以百计到数百万计的晶体波导单元有效地分散了生产过程中不可避免遗留的玻璃结构缺陷；超大截面积的光子晶体波导传输光饱和功率阈值是传统单模光纤的十多万倍，大幅度降低了SBS对石英玻璃光学波导的伤害，大幅度提高了波导的传输容量，光子晶体控模光纤在石英光学玻璃可传输光的波长范围内，传输色散都趋近于零。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种光子晶体控模光纤。
背景技术
光纤通信技术诞生是通信事业的伟大革命，光纤通信技术发展将人类带入了信息时代，信息时代不仅大幅度推进了工农业生产技术发展，而且还大幅度提高了人们的生活福祉、大幅度推进了人类文明发展。然而光纤通信技术仅发展30年，各种光纤的传输能力，无论是单位时间可传输的信息量还是可传输的最大功率，就达到了它们的极限。因此，逼迫6G通信系统不得不向无线通讯方式发展。而无线通信发射电波占用的宇宙空间是个有限的资源，无论是谁只要在宇宙空间占用了一个可用作通信波长其他人就不可以再用了。即使从无线长波算起到微波的厘米波、毫米波，可用于宇宙空间通信的波长数也是可数的，6G通信占用了的波长发展到7G通信系统就不可以再用了。而有线通信就不同了，5G通信网络正在使用所有的光波长在6G通信网络系统中同样可以使用，甚至在7G、8G通信网络系统中也是一样。然而遗憾的是现在使用的各种光纤和现在世界各国所有光纤厂家能够生产的光纤的性能都不能满足6G通信网络的技术要求，主要是色散太大、传输的饱和功率低。
针对目前国际上运行中的各种光纤和当今世界上所有光纤生产厂家能够生产的各种光纤都满足不了6G以及更高传输速率通信网络的要求，发明人在此提出以超高纯石英光学玻璃为基础材料的光子晶体光波导，可传输光的波长范围，168nm～3500nm，色散都趋近于零，并且传输饱和功率接近1000瓦，是现今单模光纤的十多万倍，称之为“光子晶体控模光纤”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光子晶体控模光纤，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光子晶体控模光纤，包括控模光纤本体，所述控模光纤本体由内而外依次由晶体结构、机械包层和保护涂层组成，所述晶体结构由数百到数百万个光子晶体波导构成。
优选的，所述光子晶体波导截面为正六方形、圆形、椭圆形、正方形、长方形、五角形中的一种或多种。
优选的，所述光子晶体波导单元的晶体芯掺杂有锗或者包层掺进其它化学元素，使晶体芯的折射率n1大于晶体之间界面的折射率n2，折射率差Δ为0.28％～0.32％。
优选的，所述光子晶体控模光纤为六方形蜂窝状晶体结构，所述晶体波导为晶体结构中的单个晶体。
优选的，所述光子晶体控模光纤的晶体结构能够将传输光的信号模式控制在进入光纤的原始状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中光子晶体控模光纤的晶体结构将传输光的信号模式自始至终都控制在了进入光纤的原始状态，因此不存在模式扰动、不存在模式色散；完美的力学和光学的正六方蜂窝状晶体结构使得波导结构非线性效应趋于零；数以百计到数百万计的晶体波导单元有效地分散了生产过程中不可避免遗留的玻璃结构缺陷，波导缺陷引发的色散也趋近于零；超大截面积的光子晶体波导传输光饱和功率阈值是传统单模光纤的十多万倍，大幅度降低了SBS对石英玻璃光学波导的伤害，大幅度提高了波导的传输容量。
(2)本发明中光子晶体控模光纤在石英光学玻璃可传输光的波长范围内，168nm到3500nm，传输色散都趋近于零，光子晶体控模光纤能够将大型计算机超算中心与用户终端组成闭环网络，如气象和航天等，用户终端通过光纤超高速网直接将数据输入超算大型计算机，计算结果再通过光纤超高速网随即发给终端计算机指令，能大幅度提高超算中心的效率。
附图说明
图1为光子晶体控模光纤结构图；
图2为光子晶体控模光纤的晶体结构A与合束的光纤簇B对比图；
图3为光线交叉错位引发模式扰动图；
图4为晶体传光方向图；
图5为单晶体全反射光波导图；
图6为点阵式传输光模式，模斑是由众多密集的能量光点构成图；
图7为点阵式传输光模式中每一个光点的光线在自己专属的单晶体波导中传播图；
图8为光子晶体控模光纤基本的几何参数图；
图9为每个光子晶体波导单元在结构中的位置、排序图；
图10为波导结构散射图；
图11为六方形平面波导传输光线图；
图12为光子晶体控模光纤衰减曲线图；
图中：1、晶体结构；2、机械包层；3、保护涂层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，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：
请参阅图1至图12所示，一种光子晶体控模光纤，所述控模光纤本体由内而外依次由晶体结构1、机械包层2和保护涂层3组成，所述晶体结构1由数百到数百万个光子晶体波导构成。
具体的，所述光子晶体波导截面为正六方形、圆形、椭圆形、正方形、长方形、五角形中的一种或多种。
具体的，所述光子晶体波导单元的晶体芯掺杂有锗或者包层掺进其它化学元素，使晶体芯的折射率n1大于晶体之间界面的折射率n2，折射率差Δ为0.28％～0.32％。
具体的，所述光子晶体控模光纤为六方形蜂窝状晶体结构1，所述晶体波导为晶体结构1中的单个晶体；光子晶体控模光纤正六方蜂窝状晶体结构改变了传统光纤波导的传输概念，光在晶体里传播有非常强的方向性，晶格的Y轴方向光无法透过和传播，而晶格的X轴方向透过率非常高传输的衰耗非常低。
具体的，所述光子晶体控模光纤的晶体结构能够将传输光的信号模式控制在进入光纤的原始状态。
为了获取光在光子晶体里传播的最低损耗，我们适当地提高了晶体芯的折射率n1，使n1大于晶体之间界面的折射率n2，折射率差Δ为0.28％～0.32％，将晶体的界面作成了光学的全反射界面，使得每单个晶体成为细小丝状独立完美的全反射光波导，称作晶体波导单元。一条细长丝状单晶就是一个晶体波导单元，所以，光子晶体控模光纤的传光晶体波导是由数千只至数百万只晶体波导单元构成的蜂窝状结构。
传输光耦合进入光子晶体控模光纤后，光信号的能量模式就被所有的晶体波导单元分摊，光信号模式场的结构、模式场的能量分布都被晶体结构转换成了点阵结构，但模式场的结构以及模式场中的能量分布仍然保持了它们的原始状态；
除模式光斑外围的光晕之外，模式光斑中每一个光点对应着一个专属自己的单晶体波导，称作晶体波导单元，每一个光点的光线只能在专属自己的晶体波导单元里传输，不会向波导外扩散，也不会出现相互串扰产生错位；
每个光点在点阵模式场中的位置就被它的专属晶体波导单元固定在了它的原始位置上；无论光信号传输多远，传输光携带的调制信号同样自始至终被控制在原始状态。光信号模式自始至终没有发生变化、没有出现畸变。光子晶体控模光纤结构决定光信号传输过程没有可能产生模式扰动、模式色散趋于零；
光子晶体控模光纤的基本几何参数下表1所述
| OD涂敷后光纤总外径(μm) | 240 |
| FD裸光纤外径(μm) | 200 |
| ID光纤芯径(μm) | 160 |
| MD模场直径(μm) | 220 |
表1
光子晶体控模光纤正六方形波导结构平直的全反射界面不会使平行光产生混乱，何况一耦合进入光纤的光线就被各晶体波导单元分摊，光线被分配进了各晶体波导单元，无论传输多远分配给各晶体波导单元的光线始终保持在专属自己的晶体波导单元里传播，相互之间没有渗透、不产生串扰或扩散，不会随着传输距离愈来愈远它们之间的次序、排列产生混乱，因此，传输光携带的信号数字脉冲不会随着传输距离增加脉冲变宽。
无论传输光信号模式是单模结构还是多模结构，在光子晶体控模光纤中传输模式色散都趋于零。多模光信号传输的模式色散也趋于零，所以，光子晶体控模光纤芯总传光面积是传统单模光纤(G652)的260多倍，传输饱和功率阈值大约是G652的十万多倍。
由于在光波导的传输功率达到或超过饱和功率阈值时才会引发布里渊散射，而光子晶体控模光纤光波导的传光面积约是传统单模光纤(G652)芯面积的260多倍；传输饱和功率阈值大约是传统光纤(G652)的十多万倍，即使不考虑色散对光纤通信系统及光纤传输网络传输容量的影响，仅超大的传输饱和功率就确保了光子晶体控模光纤的传输容量超出了当代G652单模光纤十多万倍。
此外，光子晶体控模光纤不仅有超高的传输速率和超大的传输容量，而且接续也能够像传统光纤一样简单，也能够无限制地重复接续：
1)熔融固定接续：在现有的光纤自动熔接机的基础上稍加改进就能做到最低衰耗的无限制地重复熔接，在熔接过程中被熔接光纤的端头除了三维自动调节外还需要以轴为心扭转，迫使两个正六方形端面重合、对齐，熔接的附加衰耗远远低于现运行的各种商用光纤。虽然光子晶体控模光纤的芯是由许许多多微细的晶体波导单元构成的，但在接续的时候不需要考虑两根光纤芯中的逐个晶体波导单元一一对齐。高温熔融两根光纤相接界面虽然每个晶体单元波导的芯和包层都变的模糊，但因熔接的界面很薄，只有0.1或0.2毫米，对光纤的传输色散不构成影响。熔接试验表明：一万次不同编号的控模光纤相互交叉熔接，在1550nm波长最低熔接衰耗0.12dB最高0.21dB，出现衰耗大于0.16dB的熔接概率不到5％。
2)尾纤接插连接：由于光子晶体控模光纤芯的面积大约是传统单模光纤芯面积的260多倍，尾纤接插件制作更加容易。尾纤接插连接衰耗80％小于1dB。光子晶体控模光纤尾纤或跳线接插接续性能也远优于传统的各种光纤。
本发明的光子晶体控模光纤与现有商用G652单模光纤对比如下：
商用G652单模光纤参数如下所示：
光子晶体控模光纤：
| 波长范围(nm) | 色散[ps/(nm-km)] |
| 168～3500 | 0 |
| 截止波长 | 无 |
衰减如附图12所示。
由上可知，光子晶体控模光纤的晶体结构将传输光的信号模式自始至终都控制在了进入光纤的原始状态，因此不存在模式扰动、不存在模式色散；完美的力学和光学的正六方蜂窝状晶体结构使得波导结构非线性效应趋于零；数以百计到数百万计的晶体波导单元有效地分散了生产过程中不可避免遗留的玻璃结构缺陷，波导缺陷引发的色散也趋近于零；超大截面积的光子晶体波导传输光饱和功率阈值是传统单模光纤的十多万倍，大幅度降低了SBS对石英玻璃光学波导的伤害，大幅度提高了波导的传输容量。
光子晶体控模光纤在石英光学玻璃可传输光的波长范围内，168nm到3500nm，传输色散都趋近于零，光子晶体控模光纤能够将大型计算机超算中心与用户终端组成闭环网络，如气象和航天等，用户终端通过光纤超高速网直接将数据输入超算大型计算机，计算结果再通过光纤超高速网随即发给终端计算机指令，能大幅度提高超算中心的效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种光子晶体控模光纤，包括控模光纤本体，其特征在于，所述控模光纤本体由内而外依次由晶体结构(1)、机械包层(2)和保护涂层(3)组成，所述晶体结构(1)由数百到数百万个光子晶体波导构成。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体控模光纤，其特征在于：所述光子晶体波导截面为正六方形、圆形、椭圆形、正方形、长方形、五角形中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体控模光纤，其特征在于：所述光子晶体波导单元的晶体芯掺杂有锗或者包层掺进其它化学元素，使晶体芯的折射率n1大于晶体之间界面的折射率n2，折射率差Δ为0.28％～0.32％。
4.根据权利要求1所述的一种光子晶体控模光纤，其特征在于：所述光子晶体控模光纤为六方形蜂窝状晶体结构(1)，所述晶体波导为晶体结构(1)中的单个晶体。
5.根据权利要求1所述的一种光子晶体控模光纤，其特征在于：所述光子晶体控模光纤的晶体结构能够将传输光的信号模式控制在进入光纤的原始状态。
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