CN103091769A - 一种环形微结构光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种环形微结构光纤，该光纤由基质材料(1)和第一介质柱（2）和第二折射率介质柱(3)组成。其中纤芯(4)位于光纤的中心，由基质材料组成。第一介质柱（2）的中心等间距地排布在以光纤中心为圆心的一个圆周上；第二介质柱（3）的中心等间距地排布在以光纤中心为圆心的另一个圆周上；第一介质柱（2）中心与光纤中心的距离为L1，第二介质柱（3）中心与光纤中心的距离为L2，且有L1>15μm和L2>L1。该光纤利用直径较小的第一介质柱（2）对光纤基模形成束缚，利用直径较大的第二介质柱（3）降低光纤基模的弯曲损耗，实现了单模、大模场、低弯曲损耗传输的目的。
Description
技术领域
本发明涉对称光纤结构尤其涉及大模场、低弯曲损耗特性的且有效保持单模工作的微结构光纤。
背景技术
光子晶体光纤与二氧化硅微空气在1995年第一次被提出，由于这种光纤在超宽带传输、超连续谱生成、高功率光传输，光放大和其他功能性器件仪器中的特殊应用，因此引起了众多研究者的兴趣。弯曲损耗通常被认为是在光传输方面的一个不利因素。
自光子晶体光纤被提出并制作成功之后，人们开始尝试采用光子晶体光纤结构来制作大模场光纤。由于理论上光子晶体光纤可以实现无休止单模传输，因此，采用光子晶体光纤结构可以实现超大模场面积的单模传输。目前，实验上已经制成功的单模光子晶体光纤的模场直径可达100 μm。但它的弯曲性能很差。虽然理论上可以实现单模传输，但是实际上，现在大部分都是通过损耗衰减差，来去除高阶模，即高阶模损耗较大（一般在1 dB/m以上），而基模损耗较低（一般在0.1 dB/m以下）。一种有效实现LMA的单模传输的方法就是用通道泄露光纤,如Dong提出的用一层空气孔包围纤芯的LCF，但是对于空气孔的制作工艺很难。K. Iizawa等人通过在纤芯掺杂镱和耦合的方法来获得单模传输，但是这种光纤的高阶模损耗小于1dB/m，不能完全消除达到单模传输。
专利申请号为200610119574.6的“大模场双包层单模光纤”公开了一种单模大模场光纤，纤芯半径可达72 μm，但未解决光纤的弯曲损耗问题，且结构比较复杂，不利于制作。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种有效地滤除高阶模，具有较低的弯曲损耗的大模场微结构光纤。
本发明的技术方案为：一种环形微结构光纤，包括纤芯和包层，所述包层由基质材料、第一介质柱和第二介质柱组成；所述纤芯为基质材料组成，位于光纤的中心；所述第一介质柱的中心等间距地排布在以光纤中心为圆心的圆周上，所述第二介质柱的中心等间距地排布在以光纤中心为圆心的另一圆周上；所述第一介质柱的中心与光纤中心的距离为L1，第二介质柱中心与光纤中心的距离为L2，则L1>15 μm且L2>L1；所述第一介质柱的直径d1和所述第二介质柱的直径d2满足d1< d2；所述第一介质柱和所述第二介质柱的折射率相同，且低于基质材料的折射率。
所述第一介质柱的数量N1≥12，所述第二介质柱的数量N2为4~12。
所述第一介质柱的直径d1满足 5≥d1≥2 μm；所述第二介质柱(3)的直径d2满足1.5πL2 /N2≥d2≥0.4πL2 /N2。
所述第一介质柱中心与光纤中心的距离L1与所述第二介质柱中心与光纤中心的距离L2之间满足：4L1>L2>1.5L1。
所述第一介质柱和所述第二介质柱的折射率nrod与基质材料的折射率nclad之差满足： nclad-nrod=0.001~0.01。
本发明的技术效果为：在纤芯周围排布一层直径较小的低折射率介质柱，形成较低的折射率层，从而有效地束缚光，使光纤基模具有较低的弯曲损耗。将低折射率介质柱排布在以纤芯为中心的周围上，从而使光纤基模模场更具圆对称性。同时，在此低折射率介质柱外侧排布一层直径较大、介质柱之间间隙也较大的低折射率介质柱，以降低基模的束缚损耗和弯曲损耗，同时，由于介质柱之间的间隙大，从而保证光纤高阶模光能够被有效泄露，达到单模传输的目的。从而实现了单模、大模场、低弯曲损耗传输的目的。由于包层仅采用两层孔，结构简单对称，保证了包层具有较小的尺寸。
附图说明
图1为本发明的实施例的横截面示意图；
图2为图1第一介质柱2的直径变化时光纤基模与高阶模的束缚损耗曲线。
图3为图1第一介质柱2取不同圆心角时光纤基模与高阶模的束缚损耗曲线。
图4为图1所示结构中第二介质柱3取不同直径的基模和高阶模的损耗曲线。
图5为图（1）所示结构光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线。
其中：1-基质材料，2-第一介质柱2，3-第二介质柱3，4-纤芯。
具体实施方式
图1给出了本发明的一种实施例的横截面示意图，纤芯4被两层直径不同的低折射率介质柱包围。其中第一介质柱2的直径较小，排布较密，且第一介质柱2的直径与相邻的第一介质柱2的间距之比较大。由光子晶体光纤理论，间距较小的介质柱组成的包层结构，其等效的折射率较低，因此，可以在直波导和弯曲时在一定程度上束缚住光纤基模。但由于只有一层介质柱，其束缚光的能力有限，而光纤的高阶模能量更易向包层区扩展，因此，光纤的高阶模仍然能够保持高损耗。
如果光纤仅由基质材料1和第一介质柱2组成，其基模与高阶模的损耗差别很小。图2给出第一介质柱2的直径变化时光纤基模与高阶模的束缚损耗曲线。由图可见，两者相差较小，光纤基模损耗较大，不适合实际应用。
由光子晶体光纤理论，引入多层低折射率介质柱即可有效地束缚光。但在大模场光纤中，由于纤芯尺寸大，引入两层低折射率柱即可使光纤的高阶模损耗很小，无法实现单模传输的目的。例如，如图2中例子，当取第一介质柱2的直径为5μm时，若只有一层介质柱，其高阶模束缚损耗为2.98 dB/m，若在其外侧再增加一层直径相同、与第一介质柱2间距相同的低折射率介质柱，则基模、高阶模的束缚损耗分别降至0.51dB/m，2.13dB/m。因此，光纤仍然是非单模光纤。
为此，我们在第一介质柱2外侧增加一层距离纤芯较远、直径较大、其直径与介质柱的间距之比较小的第二介质柱3以实现降低基模损耗，同时保持高阶模的高损耗的目的。可以这样来看第二介质柱3的作用：若无第一介质柱2，则光纤纤芯是由第二介质柱3所包围以束缚光。由于第二介质柱3距离纤芯远、其直径与第二介质柱3间距之比较大，因此其类似于只有单层孔组成的光子晶体光纤，是单模传输的，即高阶模可以从第二介质柱3的空隙中泄漏出去。因此第二介质柱3的引入，不会对光纤的高阶模损耗产生较大影响。但第二介质柱3却可以有效地降低光纤基模的束缚损耗和弯曲损耗。例如，第二介质柱3引入后，其基模束缚损耗可以降低1200倍。
由于第一介质柱2与基质材料1组成的包层区域有效折射率应较低，因此，第一介质柱2的直径应较小，同时其数量N1应较多，即第一介质柱2排布较密。而第二介质柱3是要束缚基模而泄漏高阶模，因此，其直径应较大，同时其数量N2较少。特别地，应有第二介质柱3的直径d2满足1.5πL2 /N2≥d2≥0.4πL2 /N2。即第二介质柱3的直径与相邻第二介质柱3的间距之比不大于0.75，从而满足使高阶模损耗保持在较高的要求。
若第二介质柱3距离第一介质柱2很近，则高阶模泄漏的空间变小，因此，第二介质柱3应和第一介质柱2保持一定的距离。但若过远又会使其束缚基模作用减弱。因此，要求：第一介质柱2中心与光纤中心的距离L1，第二介质柱3中心与光纤中心的距离L2之间满足：4L1>L2>1.5L1。
图3为第二介质柱3参数不变的情况下，内层第一介质柱2的相邻圆心角θ从6°到15°，直径d1从2μm到5μm时的高阶模和基模的束缚损耗以及损耗比。由图可见，增大第二介质柱3的直径可以提高高阶模和基模的损耗比，实现很好的单模传输。
图4为第二介质柱3的L2不变为60μm，内层孔圆心角为15°，直径d1为5μm时，高阶模和基模的束缚损耗与直径d2的变化关系。由图可见，在外层孔的归一化直径为0.7左右时，损耗比达到最大。
图5为第二介质柱3直径d2=42μm， L2=59μm，内层孔圆心角θ为18°，直径d1为4μm时，基模的弯曲损耗和光纤弯曲半径的变化关系。从图中可以发现，在弯曲半径为0.5m时，弯曲损耗小于0.1 dB/m。
以下以石英为基质材料为例，说明光纤的传输特性。实际应用时，可根据不同的基质材料和基质材料所适用的波长范围来选择相应的光纤结构。
实施例：
光纤的横截面结构如图1所示。基质材料采用纯石英，孔材料采用掺杂的石英材料。第一介质柱2的直径d1=5μm，与光纤中心间距L1=30μm，数量N1=20。第二介质柱3的直径d2=42μm，与光纤中心间距L2=60μm，数量N2=6。低折射率介质柱的折射率比基质材料低0.004。传输波长为1064 nm时，在直光纤时的基模模场面积可达1498 μm2，在弯曲半径为50 cm时，基模的模场面积为1384 μm2。光纤在弯曲半径为50cm时弯曲损耗为0.095dB/m。直光纤时其基模泄漏损耗小于0.002dB/m，高阶模损耗大于 1.11dB/m。
上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
Claims (5)
1.一种环形微结构光纤，包括纤芯（4）和包层，其特征在于：所述包层由基质材料(1)、第一介质柱（2）和第二介质柱(3)组成；所述纤芯(4)为基质材料组成，位于光纤的中心；所述第一介质柱（2）的中心等间距地排布在以光纤中心为圆心的圆周上，所述第二介质柱（3）的中心等间距地排布在以光纤中心为圆心的另一圆周上；所述第一介质柱（2）的中心与光纤中心的距离为L1，第二介质柱（3）中心与光纤中心的距离为L2，则L1>15 μm且L2>L1；所述第一介质柱（2）的直径d1和所述第二介质柱(3)的直径d2满足d1< d2；所述第一介质柱（2）和所述第二介质柱(3)的折射率相同，且低于基质材料（1）的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种环形微结构光纤，其特征在于：所述第一介质柱（2）的数量N1≥12，所述第二介质柱（3）的数量N2为4~12。
3.根据权利要求1所述的一种环形微结构光纤，其特征在于：所述第一介质柱（2）的直径d1满足 5≥d1≥2 μm；所述第二介质柱(3)的直径d2满足1.5πL2 /N2≥d2≥0.4πL2 /N2。
4.根据权利要求1所述的一种环形微结构光纤，其特征在于：所述第一介质柱（2）中心与光纤中心的距离L1与所述第二介质柱（3）中心与光纤中心的距离L2之间满足：4L1>L2>1.5L1。
5.根据权利要求1所述的一种环形微结构光纤，其特征在于：所述第一介质柱（2）和所述第二介质柱（3）的折射率nrod与基质材料(1)的折射率nclad之差满足： nclad-nrod=0.001~0.01。
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