CN1945363A - 具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，它包括芯层和包层，其特征是：光纤包层的背景材料具有一定的折射率n₁，带有高掺杂材料折射率为n₃的基本单元分布在包层的规则网格结点上，每个基本单元的高掺杂区周围包裹着至少一层低折射率n₂的带形区域。本发明可以广泛应用于光子技术领域的光器件，如芯区进行稀土掺杂的光纤放大器和光纤激光器、光纤光栅写入等。相对带有空气孔的光纤而言，它在优化熔接损耗和提高光纤机械可靠性等方面更有优势。本发明有效地降低了全固体带隙光纤的限制损耗，使光纤在限制损耗相对较高的低阶带隙窗口通光成为可能，并有效地改善上了全固体带隙光纤因光纤变形引入附加损耗的弯曲敏感性能。

Description

具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤

技术领域

本发明涉及一种全固体带隙光纤，具体地说是一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，它属于光纤通信和光学信号处理领域。

背景技术

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber)又被称为微结构光纤或多孔光纤，是一种近年来引起广泛关注的新型光纤[J.C.Knight，et al.Opt.Lett.，21(1996)p.1547.；Errata，Opt.Lett.22(1997)p.484]，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常这类光纤的包层区含有不同排列形式的贯穿整根光纤的气孔，这些孔的尺度与光纤波长大致在同一数量级，光波可以被限制在其芯区传播。根据导光机制的不同，光子晶体光纤可以分为两大类[J.C.Knight，et al.Science，2002，296(5566)，p276]：全反射导光型(Total Internal Reflection，TIR)和带隙导光型(Photonic Band Gap，PBG)。最近的研究[F.Luan et al.Opt.Lett.29(2004)p.2369；A.Argyros et al.Opt.Express 13(2005)p.309]发现在全固体光纤中也能实现带隙型导光的机制，被称为全固体带隙光纤(All-solidBandGap Fiber)，它的横截面用孤立的高掺杂材料取代气孔排列在低折射率的背景材料上，芯区缺失高掺杂材料，如图2(b)中的光纤横截面。文献[A.Argyros et al.Opt.Express 13(2005)p.309]报道了掺杂材料相对折射率仅1％、背景材料为石英的全固体带隙光纤。这种光纤的出现表明可以利用通常的光纤拉丝技术制造带隙材料。相对空芯带隙光纤而言，这种全固体带隙光纤更有利于实现那些广泛应用于光子技术领域的光器件，如芯区进行稀土掺杂的光纤放大器和光纤激光器、光纤光栅写入等。此外，相对带有空气孔的光纤而言，它们在优化熔接损耗和提高光纤机械可靠性等方面应该更有优势。

然而，目前对于该类型光纤，即使利用损耗相对较低的高阶带隙进行导光，其传输损耗相对常规固体光纤也高很多，如文献[G.Bouwmans et al.Opt.Express 13(2005)p.8452]报道的利用第三阶带隙在1550纳米的损耗约20dB/km。此外，这类型光纤经常表现出很差的抗弯曲性能，即使是利用限制损耗(Confinement Loss)相对较低的高阶带隙进行导光，这类型光纤的损耗也很容易受到光纤变形的影响。从前面提到的文献，也可以发现，当希望损耗相对较低的高阶带隙工作在常规通信波长，一般要求光纤中基本单元的直径(Pitch Λ)显著大于带气孔的光纤的单元直径，相应地，对多层结构而言光纤的几何尺寸必然显著大于常规光纤。

发明内容

本发明的目的就是针对现有产品存在的缺陷，提供一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，以弥补现有产品的不足。

本发明的技术方案是这样实现的：它包括芯层和包层，其特征是：光纤包层的背景材料具有一定的折射率n₁，带有高掺杂材料折射率为n₃的基本单元分布在包层的规则网格结点上，每个基本单元的高掺杂区周围包裹着至少一层低折射率n₂的带形区域。

所述包层掺杂部分的基本单元的中心位于正六边形或正四边形网格的结点上，优选正六边形。

所述包层掺杂部分的基本单元形成的正六边形或正四边形圈数为三圈以上，优选3-6圈，更优选5圈。

所述包层基本单元以高掺杂材料为中心，至少各包含一个折射率高于背景材料和一个折射率低于背景材料的组合方式。

为保证所述带隙光纤在通信窗口附近通光时丝径不显著大于300微米，背景材料的折射率n₁、带有高掺杂材料的折射率n₃、带形区域折射率n₂之间，典型的需要满足 $\frac{n_3-n_2}{n_1}\×100\%\≥1\%.$

为保证所述带隙光纤在通信窗口附近通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲敏感性能显著改善，背景材料的折射率n₁、带有高掺杂材料的折射率n₃、带形区域折射率n₂之间，典型的需要满足 $\frac{n_2-n_1}{n1}\×100\%\≤-0.1\%.$

所述光纤下陷环形区的等效外圆的直径d₂与等效的高掺杂材料区的直径d₃的比值，即d₂/d₃≥1.5。

本发明中高掺杂材料主要为氧化锗掺杂的石英玻璃，下陷材料主要为掺氟石英玻璃。本发明的制备方法为光纤制造领域的常规方法，它是将含有氧化锗的实心棒和背景材料的实心棒排列在一起熔缩成预制棒，然后拉丝制成本发明光纤。

本发明可以广泛应用于光子技术领域的光器件，如芯区进行稀土掺杂的光纤放大器和光纤激光器、光纤光栅写入等。相对带有空气孔的光纤而言，它在优化熔接损耗和提高光纤机械可靠性等方面应该更有优势。本发明采用引入低折射率下陷包层的基本单元，有效地降低了全固体带隙光纤的限制损耗，使光纤在限制损耗相对较高的低阶带隙窗口通光成为可能。本发明所述的低折射率下陷包层基本单元的引入，有效地改善上了全固体带隙光纤因光纤变形引入附加损耗的弯曲敏感性能。

附图说明

图1(a)为本发明主要特征的正六边形结构示意图

图1(b)为本发明主要特征的正四边形结构示意图

图2(a)为本发明第一实施例的带隙图和导模

图2(b)为未引入本发明主要特征光纤的带隙图和导模

图3(a)为未引入本发明主要特征光纤六边形圈数对限制损耗的影响示意图

图3(b)为本发明第一实施例包层基本单元形成的六边形圈数对限制损耗的影响示意图

图4为本发明第一实施例下陷包层厚度对限制损耗的影响示意图

图5为本发明第一实施例临界弯曲半径与归一化波长的关系示意图

具体实施方式

下面结合附图具体描述本发明的工作原理及此类光纤的各种实施例。为了研究全固体带隙光纤的导光性能，我们分别采用了全矢量平面波法(Full-vectorial Plane-wave method，PWM)和采用理想匹配层吸收边界(PML)的有限差分法(Finite-difference Method，FDM)[S.Guo et al.Opt.Express 12(2004)p.3341]计算全固体带隙光纤的带隙图和导模。

作为实施例一，本发明包括芯层和包层，光纤包层的背景材料1具有一定的折射率n₁，带有高掺杂材料折射率为n₃的基本单元3分布在包层的规则网格结点上，每个基本单元3的高掺杂区周围包裹着至少一层低折射率n₂的带形区域2。所述包层掺杂部分的基本单元3的中心位于正六边形网格的结点上。所述包层掺杂部分的基本单元形成的正六边形为三圈。

所述包层基本单元以高掺杂材料为中心，带有高掺杂材料的折射率n₃＞背景材料的折射率n₁＞带形区域的折射率n₂。

为保证所述带隙光纤在通信窗口附近通光时丝径不显著大于300微米，背景材料的折射率n₁、带有高掺杂材料的折射率n₃、带形区域折射率n₂之间，典型的需要满足 $\frac{n_3-n_2}{n1}\×100\%\≥1\%.$

为保证所述带隙光纤在通信窗口附近通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲敏感性能显著改善，背景材料的折射率n₁、带有高掺杂材料的折射率n₃、带形区域折射率n₂之间，典型的需要满足 $\frac{n_2-n_1}{n_1}\×100\%\≤-0.1\%.$

所述光纤下陷环形区的外圆直径d₂与等效的高掺杂材料区的直径d₃的比值，即d₂/d₃≥1.5。包层石英掺杂的基本单元3按正六边形结构排列，芯区排列与包层基本单元等径的背景石英材料，而基本单元选用最简单的中心为圆形高掺杂区、包裹外圆为d₂的折射率下陷环形区域、背景材料作为外层部分相连的结构。典型的结构示意图如图1(a)。

本发明中高掺杂材料主要为氧化锗掺杂的石英玻璃，下陷材料主要为掺氟石英玻璃。本发明的制备方法为光纤制造领域的常规方法，它是将含有氧化锗的实心棒和背景材料的实心棒排列在一起熔缩成预制棒，然后拉丝制成本发明光纤。

作为实施例二，本发明包括芯层和包层，光纤包层的背景材料1具有一定的折射率n₁，带有高掺杂材料折射率为n₃的基本单元3分布在包层的规则网格结点上，每个基本单元3的高掺杂区周围包裹着至少一层低折射率n₂的带形区域2。所述包层掺杂部分的基本单元3的中心位于正四边形网格的结点上。所述包层掺杂部分的基本单元形成的正四边形为三圈。

所述包层基本单元以高掺杂材料为中心，带有高掺杂材料的折射率n₃＞背景材料的折射率n₁＞带形区域的折射率n₂。

为保证所述带隙光纤在通信窗口附近通光时丝径不显著大于300微米，背景材料的折射率n₁、带有高掺杂材料的折射率n₃、带形区域折射率n₂之间，典型的需要满足 $\frac{n_3-n_2}{n_1}\×100\%\≥1\%.$

为保证所述带隙光纤在通信窗口附近通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲敏感性能显著改善，背景材料的折射率n₁、带有高掺杂材料的折射率n₃、带形区域折射率n₂之间，典型的需要满足 $\frac{n_2-n_1}{n_1}\×100\%\≤-0.1\%.$

所述光纤下陷环形区的外圆直径d₂与等效的高掺杂材料区的直径d₃的比值，即d₂/d₃≥1.5。

包层石英掺杂的基本单元按正四边形结构排列，芯区排列与包层基本单元等径的背景石英材料，而基本单元选用最简单的中心为圆形高掺杂区、包裹外圆直径为d₂的折射率下陷环形区域、背景材料作为外层部分相连的结构。典型的结构示意图如图1(b)。

为了说明本发明的工作原理，我们选用实施例一的一个特定参数(记为Fiber A)计算该结构光纤的带隙图和导模，其中背景材料n₁＝1.45、高掺杂区n₃＝1.4858而归一化直径为0.4Λ，而下陷环形区n₂＝1.4428，归一化直径为0.8Λ，基本单元形成的六边形圈数为三圈。该结构有效实现了带隙导光机制，如图2(a)示出了几个低阶带隙内光纤基模有效折射率。

为了便于说明本发明的优势，我们也采用相同的方法计算了未引入本发明主要特征类似结构的全固体带隙光纤(记为Fiber B)，其中背景材料n₁＝1.45、高掺杂区n₃＝1.4858而归一化直径为0.4Λ，基本单元形成的六边形圈数三圈，但不包含下陷环形区。如图2(b)示出了它对应的几个低阶带隙内光纤基膜有效折射率。

比较两种结构的带隙图，能明显注意到本发明带有下陷环结构的带隙宽度在低阶带隙窗口优于以前报道的带隙结构，尤其是在低阶带隙窗口导模有效折射率更远离包层模有效折射率。此外一个显著的特征是，本发明带有下陷环结构光纤的第三阶带隙区特征显著区别于以前报道的带隙结构。这些特征有利于优化光纤的限制损耗和抗弯曲性能，使本发明带有下限环结构的光纤稳定工作在低阶带隙窗口成为可能。

在理想对称结构和不考虑夹杂等缺陷(它们主要取决于光纤的制造工艺)的影响下，带隙光纤的损耗主要决定于光纤本身的限制损耗，它取决于光纤本身的结构设计。我们从光纤限制损耗的定义出发，分别计算了图2所示两种光纤在低阶带隙窗口的限制损耗，并考虑了基本单元圈数对限制损耗的影响(计算中取Λ等于4微米)。图3(a)是以前文献报道结构(如图2(b))的限制损耗计算结果。图3(b)是本发明带有下陷环结构(如图2(a))的限制损耗计算结果。比较两种结构的限制损耗计算结构，可以明显的发现本发明介绍的结构在低阶带隙窗口实现的限制损耗低于1dB/km，在接近的归一化波长对应的限制损耗仅为以前文献报道结构的计算结果1/10^3～4，这使得本发明所述的光纤工作在低阶带隙窗口实现通光成为可能。我们也注意到增加基本单元的圈数能显著的降低光纤的限制损耗，但在实际应用中光纤的直径不可能无限大。因此，为保证全固体带隙光纤在接近常规光纤直径附近能在通信窗口附近通光，本发明提供的方案从光纤结构结构设计的角度有效的解决了以前文献报道的全固体带隙光纤在低阶带隙窗口损耗大的问题，并在一定范围内提供了增加基本单元圈数进一步优化光纤损耗的可能。

为了进一步说明本发明所述下陷环对全固体带隙光纤限制损耗的影响，我们进一步分析了下陷环归一化厚度对限制损耗的影响。基于如图2(a)结构的光纤，图4示出了在低阶带隙窗口最低限制损耗对应归一化波长不同下陷环归一化厚度对限制损耗的影响。从分析结果可以看出，在高掺杂区不变的条件下，随着归一化厚度的增加，光纤的限制损耗可以降低4～5个数量级。Argyros et al.Opt.Express 13(2005)p.2503报道了一些带隙光纤的弯曲性能区别于常规阶跃折射率分布光纤。T.A.Birks et al.Opt.express 14(2006)p.5688定义了一个临界弯曲半径的概念用于近似描述带隙光纤的抗弯曲性能：

$R_c\≈\frac{4\mathrm{\π}2\mathrm{\λ}{n}_m^2}{{|n_{\mathrm{fm}}^2-n_{\mathrm{edge}}^2|}^{3/2}}$

其中n_m是背景材料折射率，n_fm是基模的有效折射率，而n_edge是带隙边带的有效折射率。

采用上述定义，我们计算了前面提到的两种光纤(Fiber A，Fiber B)在低阶带隙窗口的临界弯曲半径。为了进一步分析下陷环归一化厚度对弯曲性能的影响，我们也计算了Fiber C，它在Fiber A的基础上减少了下陷环厚度到0.6Λ。图5示出了相关的计算结果。从该图中可以看出，本发明所述下陷环的引入显著地降低了全带隙光纤的临界弯曲半径约一个数量级，即本发明所述下陷环的引入显著地改善了光纤的抗弯曲性能。我们也能注意到随着下陷环厚度的增加，光纤的抗弯曲性能得到进一步的改善。

Claims (8)

1、—种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，它包括芯层和包层，其特征是：光纤包层的背景材料具有一定的折射率n₁，带有高掺杂材料折射率为n₃的基本单元分布在包层的规则网格结点上，每个基本单元的高掺杂区周围包裹着至少一层低折射率n₂的带形区域。

2、根据权利要求1所述的一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，其特征是：所述包层掺杂部分的基本单元的中心位于正六边形网格的结点上。

3、根据权利要求1所述的一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，其特征是：所述包层掺杂部分的基本单元的中心位于正四边形网格的结点上。

4、根据权利要求1、2或3所述的一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，其特征是：所述包层基本单元以高掺杂材料为中心，至少各包含一个折射率高于背景材料和一个折射率低于背景材料的组合方式。

5、根据权利要求2或3所述的一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，其特征是：所述包层掺杂部分的基本单元形成的正六边形或正四边形圈数为三圈以上。

6、根据权利要求1、2或3所述的一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，其特征是：所述背景材料的折射率n₁、带有高掺杂材料的折射率n₃、带形区域折射率n₂之间满足 $\frac{n_3-n_2}{n_1}\×100\%\≥1\%.$

7、根据权利要求1、2或3所述的一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，其特征是：所述背景材料的折射率n₁、带有高掺杂材料的折射率n₃、带形区域折射率n₂之间满足 $\frac{n_2-n_1}{n_1}\×100\%\≤-0.1\%.$

8、根据权利要求1、2或3所述的一种具有低限制损耗和低弯曲损耗的全固体带隙光纤，其特征是：所述光纤下陷环形区等效外圆的直径d₂与等效的高掺杂材料区的直径d₃的比值，即d₂/d₃≥1.5。

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