CN1991423A - 弯曲补偿抛物型折射率分布光纤 - Google Patents

Abstract

通过在制造过程中适当地定义光纤的折射率分布而形成的一种光纤，在光纤弯曲时表现出减小的模失真。将制造分布定义为将由弯曲光纤引入的梯度考虑在内的“预失真”分布。抛物型折射率分布为表现出二次形式的范例抗弯曲分布。突起的锥形折射率为可以用作“制造”分布的另一个分布。由于随着引入弯曲分布受到大致常数梯度的偏移，而在任何适当配置的形式中，显著地缩减了诸如弯曲损耗和模失真的因数。对于在安装中受到弯曲的光纤，发明性的光纤相对于现有技术光纤显著地改进了得到的有效区域。制造分布可以引入到各种类型的光纤中，例如双折射光纤，光子带隙光纤等等，并且特别适合在光纤放大器结构中使用。

Description

弯曲补偿抛物型折射率分布光纤

技术领域

本发明涉及大模场光纤，更特别的是涉及表现出特别设计(以将弯曲引起的光纤有效区域缩减的效应最小化)的折射率分布的大模式区光纤。

背景技术

本发明在由国家标准和技术学院(NIST)授予的授予号为70NANB4H3035的NIST ATP程序下，以美国政府支持作出。美国政府在本发明中具有特定权利。

在光纤通信领域，由于已知大模场(large mode area)光纤可以克服例如拉曼和布里渊散射的各种非线性损失，越来越多的兴趣集中到大模场光纤的使用，特别是关于基于光纤的光放大器之类的制造。然而，已经发现大模场光纤的使用会增加诸如宏弯损耗的其他光纤相关灵敏度，模间耦合和对于光纤折射率分布中的非均匀性的灵敏度的存在。

现有技术中至少有两种方案来将光纤中的弯曲引起的损耗最小化。在一种方案中(实质上为机械解决方案)，是使用特别抗弯曲的类似棒状光纤。通过迫使光纤基本上保持线性，可以显著减少弯曲引起的损耗。然而，在这种光纤的大部分“场(field)”应用中，存在弯曲，甚至将光纤进行缠绕的需求。因此，认为限制光纤弯曲的物理能力是不切实际的解决方案。另一个解决方案与通过定义要使用的特定“缠绕”来确定先天的(a priori)固定的弯曲损耗，然后总是根据特定的缠绕半径(以及匝数)来使用光纤。再次地，认为这种解决方案限制了大模场光纤的各种应用，以及场应用中的修改和这种光纤的使用中的变型。

尽管这些和其他设计考虑了光纤模式的弯曲引起的损耗，仍然忽略了弯曲引起的失真的问题，特别的，包括弯曲引起的有效区域缩减的失真。在使用更传统的核心尺度的之前的传统应用中，这种模式失真影响最小。然而，在大模式光纤应用中，弯曲引起的模失真的存在导致有效区域的显著减少。

从而，技术中存在提供这样一种大模场光纤的需求，这种光纤在各种应用中经受弯曲的时候有效区域不会严重的失真。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的需求，其涉及大模场光纤，更特别的是涉及表现出特别设计(以将弯曲引起的光纤有效区域缩减的效应最小化)的折射率分布的大模式区光纤。

根据本发明，大模场光纤的折射率分布特征是基于传统的弯曲引起的损耗参数，以及影响光纤的有效区域的弯曲引起的失真这两者。根据本发明的大模场光纤的折射率分布将从根本上对弯曲引起的失真进行补偿，这些失真是随着信号沿着大模场光纤传播所“经历的”。

以类似于信号“预失真”的方式，以“预弯曲”方式特别地定义本发明的大模场光纤的折射率分布，从而在光纤弯曲的时候，等效的折射率分布将具有“平”和“宽”的引导区域。本发明的一个方面是可以以各种不同类型的光纤(包括基于光纤的放大器，光子带隙光纤，双折射光纤之类)使用提供折射率分布“预失真”的能力。

在本发明的一个实施例中，形成表现出基本抛物型折射率分布的大模场光纤，其中光纤的任何弯曲作用仅仅是以保持其抛物型形状的方式偏移折射率分布。结果，光纤的特性变得对于弯曲相关的变化相对不变。

在替代的实施例中，发现突起的锥形折射率分布即使在光纤弯曲时也产生具有平的折射率峰值的相对大的引导区域。

在下面的讨论的过程中以及通过参考附图，本发明其他的和进一步的方面和实施例将变得明显。

附图说明

现在参考附图，

图1示例说明了包括光纤形状中的特定“弯曲”的大模场光纤的典型剖面图；

图2包括示例说明了图1的折射率的一对曲线图，图2(a)示例说明了传统的“直”光纤的折射率，而图2(b)示例说明了如图1所示的弯曲的光纤的等效折射率；

图3示例说明了作为光纤核心直径和弯曲半径的函数的计算的模场；其中图3(a)显示了具有30μm核心区域的“直的”光纤部分的基本模强度，图3(b)显示了具有30μm核心区域的具有7.5cm弯曲半径的光纤部分的基本模强度，图3(c)显示了具有50μm核心区域的“直的”光纤部分的基本模强度，图3(d)显示了具有50μm核心区域的具有7.5cm弯曲半径的光纤部分的基本模强度；

图4包括一对示意性光强和折射率曲线图，其中图4(a)示例说明了对于“直”光纤的光强和折射率分布曲线图，而图4(b)示例说明了对于“弯曲”光纤的光强和折射率分布曲线图；

图5是作为弯曲半径的函数的光纤有效区域的变化的曲线图；

图6包括与一光纤相关的一对折射率分布，其中图6(a)示例说明了“理想的”制造的分布，图6(b)显示了光纤弯曲后表现出的“理想的”平的和宽的分布；

图7是抛物型折射率分布光纤的曲线图，其中图7(a)示例说明了与“直的”光纤相关的分布，图7(b)示例说明了与“弯曲的”光纤相关的分布；

图8包括验证本发明的范例抛物型折射率分布抗弯曲光纤的稳定性的仿真结果；

图9是本发明的抛物型折射率分布光纤的范例分段常数结构；

图10是对于图9的光纤作为弯曲半径的函数的有效区域的曲线图；

图11包括对于本发明的抗弯曲光纤作为有效区域的函数的损耗率的曲线图；

图12是为了比较的目的的，由忽略有效区域中弯曲引起的变化得到的不正确的性能比较的曲线图；

图13是本发明的替代实施例的“突起的锥形”折射率分布的曲线图；

图14包括对于直的光纤和弯曲的光纤这两者的“突起的锥形”折射率分布的等价图；

图15是有效区域相对于弯曲半径的曲线图，将传统的阶跃型折射率核心光纤与本发明的弯曲不变光纤的突起的锥形折射率分布进行比较。

具体实施方式

图1示例说明了经过弯曲表现出定义的弯曲半径的大核心直径光纤的范例部分10。如同所示，将弯曲光纤10定义为在如同所示的x-y方向具有弯曲半径R_bend。如上所述，已经发现大核心直径光纤的弯曲将以缩减的有效区域的形式引起失真。特别是，可以确定弯曲光纤10的等效折射率模型，并接着如下地进行分析来将前进的光信号传播绕过半径R_bend的弯曲时，它在不同的横向位置x上“看到”的不同光程长度考虑在内：

$\frac{d\left(\mathrm{length}\right)}{d\left(\mathrm{angle}\right)}=R_{\mathrm{bend}}+x,$ 其中，通过定义等效折射率分布n_eq ²来调整光程长度，

$n_{\mathrm{eq}}^2(x,y)=n^2(x,y)(1+\frac{2x}{R_{\mathrm{bend}}})$

认为n_eq ²为光纤材料的标定折射率分布(n²)的修正版本。图2示例说明了弯曲对于光纤折射率的影响，其中图2(a)显示了对于光纤基本“直的”部分的折射率分布，而图2(b)显示了对于如图1中那样弯曲的光纤的折射率分布。如同所示，等效折射率被沿着由下列关系定义的斜率向上偏移：

$\mathrm{\Δn}=\frac{\mathrm{nx}}{R_{\mathrm{bend}}}.$

如图3所示的对于范例光纤和弯曲尺度计算的模场，示例说明了对于现有技术光纤弯曲的影响，在前面的两个图像中的光纤中具有中等大的核心区域(30μm)，在后面的两个图像中的光纤中具有非常大的核心区域(50μm)。在每个例子中，上侧图像示例说明了对于“直的”光纤部分的基本模强度，而下侧图像示例说明了对于具有7.5cm弯曲半径的光纤部分的基本模强度。为了示例说明的目的，使用了具有阶跃式折射率核心形状的大模场光纤来生成这些图像。没有使用本发明的弯曲补偿折射率分布的情况下，很明显每个光纤的模强度分布由于弯曲受到干扰，其中对于较大核心区域的光纤干扰较大。从而这种干扰会导致传播通过弯曲的光纤的光信号的失真。本发明借助于光纤折射率分布的“预补偿”，将对该失真进行补偿并且对于大模场光纤提供相对平坦的“等效分布”。

参考图4的强度和折射率曲线图可以最好的理解弯曲光纤中的模失真，其中图4(a)示例说明了“直的”光纤的强度和折射率分布，而图4(b)示例说明了“弯曲的”光纤的强度和折射率分布。在弯曲的光纤中，很清楚地显示了模强度曲线图发生了失真，其具有不对称并且峰值部分更尖锐的折射率分布。参考图4(a)的折射率曲线图，显示了直的光纤可以支持基本模(具有由引用符号A表示的有效折射率)，以及在折射率分布中以引用符号B和C示例说明的几个较高阶模(HOM)。这些模显示为很好地限制于相对宽的横向区域x₁上。与之相反，图4(b)的折射率分布曲线图示例说明了对于弯曲光纤(传统光纤)情况，光纤只能支持很少的模(在此情况中为模A和B)，并且这些较少的模限制在核心x₂的较窄引导区域中。在这种情况下由相当窄的，低折射率沟状部分x₃来提供。在右侧超过沟状部分的地方，将是相对高折射率外部覆层区域，从而模能够易消散的穿透进入覆层中，如同图4(b)的曲线图中的箭头所示。

弯曲大模场光纤所影响的关键参数为其“有效区域”。图5示例说明了对于如上所分析的相同的两根光纤，作为弯曲半径R_bend的函数的有效区域A_eff。特别是，虚线代表“直的”光纤的有效区域，而相关的曲线示例说明了由在光纤中引入弯曲导致的有效区域中的变化。曲线清楚地显示了较大核心区域(50μm)光纤的模对于任何合理的弯曲半径(如同曲线和虚线之间的双向箭头所表示的)显著地缩减了有效区域。

上面定义的等效折射率模型导致以下结论，即，光纤中弯曲的效果(特别是大模场光纤)可以看作是将常数折射率梯度加到光纤材料本身的分布上(假定低对比度)。弯曲半径越小，梯度和导致的弯曲引起的失真就越大。然而，如上所述，传统光学系统和光纤设计没有将该效应考虑在内。实际上，现有技术关注于限制/控制弯曲引起的损耗量的各种方法。然而，根据本发明，提出了配置大模场光纤的折射率分布来同时将弯曲引起的损耗和弯曲引起的失真考虑在内。实际上，已经发现可以配置折射率分布(此处以后称为“制造”分布)来增加光纤弯曲时光信号所“经历的”有效区域。

图6示例说明了本发明的这个基本前提，其中图6(b)包括对于大部分应用(即，光信号可以几乎没有失真或者没有失真地穿过的相对大和平的区域)期望的折射率分布曲线图(作为到核心的中心的距离的函数的折射率)。图6(a)显示了一旦光纤弯曲时，提供图6(b)的“等效”折射率分布结果所需要的“制造”折射率分布。尽管图6(a)所示的分布将理想地提供期望的分布，却相对较难在大部分光纤制造工艺中以合理的方式复制它。

因此，提出了可制造的并且提供在光纤弯曲的时候使得分布平坦化的预补偿方面的一系列光纤“制造”分布。如上所述，本发明的折射率处理的一个优点是它事实上适合于任何类型的光纤(大模场光纤)，特别是，认为光纤放大器(下面将会更详细的论述)是对于这种预补偿的使用特别适合的一类光纤类型。然而，发明性的技术也同样适用于各种其他类型的光纤，包括但不限制于，双折射光纤，光子带隙光纤(包括沿着纵轴延伸的气孔或者固体填充孔)以及包括诸如UV-敏感化区域或光栅特征的“特征”的光纤。本发明的一个特定实施例使用抛物型折射率分布作为“制造”分布，其中抛物型分布在增加恒定梯度(即，随着光纤弯曲)的情况下基本不变。抛物型折射率分布可以定义为：

$n(x,y)=n_{\mathrm{core}}-(n_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{clad}})(x^2+y^2)/R_{\mathrm{core}}^2$

从而定义了在增加恒定梯度的情况下不变的分布。只要相关的边界效应保持足够小，它就会对事实上任何的弯曲半径自动进行预补偿。该特性在图7中示例说明，其中图7(a)中示例说明了抛物型折射率分布。该分布的一个截短的版本在图7(b)中由较暗的线示出，其中对于截短的分布，对于r＞R_core，n(x，y)＝n_core。通过算术地完成平方：

$n(x,y)+\mathrm{Bx}=n_{\mathrm{core}}-\frac{\mathrm{\Δn}}{R_{\mathrm{core}}^2}(x^2+y^2)+\mathrm{Bx}$

$=n_{\mathrm{core}}-\frac{\mathrm{\Δn}}{R_{\mathrm{core}}^2}[{(x-x_d)}^2+y^2]+C,$

其中Δn＝n_core-n_clad。从而，弯曲引起的项Bx的增加等价于位移x_d，其中

$x_d=B\frac{R_{\mathrm{core}}^2}{2\mathrm{\Δn}},$

并且常数折射率偏移量C的增加由下式定义：

$C=\frac{x_d^2}{R_{\mathrm{core}}^2}\mathrm{\Δn}.$

这种变换在光纤弯曲的时候在模尺寸或形状中不会引起变化，如同比较图7(a)所示的分布和图7(b)所示的分布那样。此外，截短的抛物型分布光纤将显示出对于弯曲引起的有效区域缩减的某种额外的抵抗力，从而将对于非线性损害有更好的抵抗力。引导光的弯曲引起的失真和移位还可能对于光和增益介质之间的重叠有重要的改变。从而弯曲引起的失真的预补偿可以具有改进放大的信号经历的增益重叠的额外的好处。如同所示，抛物型折射率函数在弯曲的影响下是本质上不变的(但是发生转化)，从而模场对于弯曲引起的失真，不对称，以及收缩具有很大的抵抗力。作为这个理解的一个结果，已经发现根据本发明的该实施例，与没有弯曲的相同光纤的模相比，在“弯曲的”光纤中有效区域可能缩减。这个结果在光纤放大器的情况下非常重要，由于在光纤放大器的领域中采用时，大部分光纤都是弯曲的(缠绕在卷轴上的)。通过根据本发明对折射率分布进行预补偿，可以改进传播信号的期望的(信号)模式和增益介质之间的重叠，同时也缩减了不期望的(“噪声”)模和增益介质之间的重叠。实际上，本发明的光纤放大器可以以类似于传统放大器的方式，使用稀土掺杂的核心区域(诸如，例如铒，镱之类的稀土元素)来形成。实际上，可以将核心掺杂剂限制到核心的一部分，从而进一步改进期望的信号模和增益区域之间的重叠，来进一步提高放大器的效率。也可以在光纤放大器中提供模混合特征，以在增益介质内提供抽运(pump)光的有效吸收。在某些情况下，可以在定义的覆层区域上形成低折射率外部覆层，从而可以沿着覆层区域引导抽运信号。

图8包括验证本发明的该特定实施例的抛物型折射率分布光纤的稳定性的仿真结果。图8(a)示例说明了对于具有抛物型分布的“直的”光纤的模场分布，而图8(b)示例说明了对于具有7.5cm的弯曲半径的光纤的模场分布。将这些结果与图3中传统折射率分布的光纤的曲线图比较，很明显抛物型折射率分布的使用导致更少的失真。即使对于相当紧的弯曲，模基本上没有失真或者收缩。

在本发明的该实施例的特定结构中，可以通过多个单独步骤(每个具有不同的折射率)的分段线形近似来实现折射率分布的抛物型形状。图9包括这种分段常数折射率实施例的折射率分布。该光纤的仿真的有效区域(A_eff)作为弯曲半径的函数，以较暗曲线示于图10中。很清楚的显示了抛物型折射率分布的使用使得在从小于8cm到至少20cm的弯曲半径范围内保持有效区域基本恒定。为了比较的目的，图10中也示出了对于30μm核心现有技术光纤的有效区域变化(曲线II)和对于50μm核心现有技术光纤的有效区域变化(曲线III)。很明显现有技术光纤更多地受到光纤弯曲的影响。

图11包括对于本发明的该实施例的抛物型分布光纤以及传统光子晶体光纤(作为微结构光纤形成)的、作为有效区域的函数的损耗率的曲线图(曲线I)(其与图2中所示的标准阶跃式折射率光纤的曲线图比较)。该曲线图允许有效区域和较高阶模之间的折衷的比较，其中沿着曲线向上(表示作为单模的性能)并向右(更大的模区)获得“最佳性能”。如同所示，根据测量，本发明的抛物型分布光纤比现有技术光纤提供了改进的性能。为了比较的目的，图12包括了相同的曲线图，其中略去了弯曲引起的模区域的变化。通过忽略弯曲引起的模区域的缩减，很清楚该曲线完全忽略了抛物型设计潜在的重要优点。该曲线进一步证实了基于“弯曲的”光纤部分进行实验并理解结果的需求，特别是在使用了大模场光纤的应用中。

图13包括本发明另一个实施例的折射率“制造”分布，在此例子中为也在光纤弯曲的时候提供相对平的折射率分布的“突起的锥形”折射率分布。如同抛物型分布那样，突起的锥形折射率分布也可以通过有限数量的常数折射率层的分段近似来形成。特别是，可以如下定义突起的锥形实施例的折射率分布：

n(x，y)＝n_core-Ar(for r＜R_core)；和

       ＝n_clad(for r＞R_core)

其中r定义为距离核心的中心的轴向距离。

在此例子中，如果锥形的梯度与弯曲引起的梯度匹配，得到的等效折射率分布将具有宽和平的引导区域。图14示例说明了对于该光纤折射率分布的等价图，其中图14(a)示例说明了对于“直的”光纤部分的等价图，而图14(b)示例说明了对于“弯曲”光纤部分的等价图。参考图14(b)，很清楚该特定的突起的锥形分布在光纤弯曲时提供了具有平的折射率峰值的大区引导区域。

图15是作为弯曲半径的函数的有效区域的曲线图，将现有技术的阶跃式折射率光纤(虚线)和根据本发明形成的突起的锥形弯曲不变光纤(实线)比较。可以看到，对于小于大约12cm的弯曲，突起的锥形分布得到较大的有效区域。从而，通过形成具有突起的锥形分布的大模场光纤，将消除现有技术中发现的由缩减的有效区域引起的问题。

总而言之，发明概念是定义一“制造”折射率分布，对于弯曲的光纤内引导的光所经历的弯曲引起的梯度进行本质上的补偿。“制造”折射率分布可以概括地定义为“传统的”分布，其中将弯曲引起的梯度从传统分布中减去。

对于本领域技术人员很明显，在不偏离本发明的精神和范围之下可以对本发明进行各种修改和变型。特别是，可以使用其它各种折射率分布结构来使得折射率分布“预失真”，以将与光纤弯曲相关的梯度考虑在内。从而，意图是本发明将覆盖本发明的修改和变型(只要它们处于所附的权利要求的范围之内)以及它们的等价物。

Claims (10)

1.一种可以抵抗弯曲的影响的光纤，该光纤包括

相对大的核心区域；以及

包围核心区域的覆层，其中在制造中定义相对大核心区域的折射率分布表现出预失真的分布，其对与所述光纤的弯曲相关的模失真进行补偿。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中该光纤为大模场光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤，其中预失真的分布为由预期的弯曲引起的梯度缩减的充分宽和平的分布。

4.根据权利要求1所述的光纤，其中预失真的分布定义为大致抛物型分布。

5.根据权利要求1所述的光纤，其中预失真的分布定义为大致突起的锥形形状的折射率分布。

6.根据权利要求1所述的光纤，其中相对大的核心区域包括增益介质，并且特别地配置预失真的分布来增强期望的传播光信号模和增益介质之间的重叠。

7.根据权利要求6所述的光纤，其中将增益介质限制在相对大的核心区域的中心部分，从而增强期望的传播光信号模和所述增益介质之间的重叠。

8.根据权利要求1所述的光纤，其中相对大的核心区域包括增益介质，并且特别地配置预失真的分布来将不期望的传播模和增益介质之间的重叠最小化。

9.根据权利要求1所述的光纤，其中相对大的核心区域包括增益介质，并且光纤表现出模混合特征以在增益介质内提供抽运信号的改进的吸收。

10.根据权利要求1所述的光纤，其中相对大的核心区域包括增益介质，并且光纤进一步包括包围覆层区域的外部覆层，其中低折射率外部覆层的存在允许沿着覆层区域引导抽运信号。

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