CN110501776B - 一种单模单偏振微结构光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单模单偏振微结构光纤，属光纤技术领域。使用纯石英作为基底材料，由若干空气孔划分中央芯区、内包层和包层缺陷区，同时设置了金缺陷区和外包层；记光纤的空气孔间距为Λ，记需要滤除的偏振模式的方向为x方向，记需要传输的偏振模式的方向为y方向；在x方向上由内至外依次为中央芯区、包层缺陷区、金缺陷区及外包层，并且包层缺陷区、金缺陷区及外包层均关于中央芯区的y方向中轴线对称；在y方向上由内至外依次为中央芯区和内包层；在光纤中心位置通过忽略y方向空气孔的方式构建矩形的中央芯区；包层缺陷区通过忽略x方向的空气孔的方式构建。本发明的光纤更好地实现微结构光纤的单模单偏振传输特性。

Description

一种单模单偏振微结构光纤

技术领域

本发明涉及一种单模单偏振微结构光纤，属光纤技术领域。

背景技术

随着科技发展，光纤通信技术已成为当代通信技术的主要支柱之一。光纤作为光信号的传输媒质，在光纤通信网中起着举足轻重的作用。传统的圆对称单模光纤同时传输两个线偏振正交模式，若光纤纵向均匀，同时截面的形状和折射率均是完美的圆对称，那么这两个正交的偏振模式在光纤中将会以相同的速度向前传输且不会发生变化。但是，在实际拉制过程中光纤不可能实现完美圆对称，因此两个正交的偏振模式会在传输过程中发生耦合造成串扰，严重影响信号的传输质量。单模单偏振光纤无疑是解决以上问题的有效方案：这种光纤某一方向的偏振模式损耗很高，通过有限距离的传输后此高损耗的偏振模式将被滤除，而仅保留另一个偏振模式，即能保证在光纤中稳定的传输一个偏振模式。由于只传输一个偏振模式，避免了由于偏振模式耦合带来的串扰等问题，故单模单偏振光纤在高速光通信***具有广阔的应用前景。

微结构光纤结构设计灵活，能够更好地实现单模单偏振的特性。对于现有的微结构光纤，其实现单模单偏振特性的常用技术方案为：（1）降低光纤整体对称性（例如改变芯区或包层空气孔的排布方式、尺寸、形状等），在芯区引入双折射，使两正交的偏振模式的折射率产生差值；（2）在包层二维分布的空气孔结构中，通过在合适位置（距离芯区不能过远）忽略空气孔的方式形成缺陷区，并使其支持模式传输；（3）合理优化光纤整体结构，使芯区需要滤除的偏振模式和包层缺陷区模式两者在同一通信波长下折射率存在交点，发生强耦合。通过模式耦合效应将芯区中需要滤除的偏振模式的能量转移到包层缺陷区。由于芯区存在双折射，故另一偏振模式（需要稳定传输的偏振模式）折射率与包层缺陷区模式折射率存在较大的折射率差，在工作波长处难以耦合或者耦合极弱，能量仍被限制在纤芯中；（4）由于包层缺陷区更靠近包层边缘，其外侧空气孔层数少，因此从纤芯耦合到包层缺陷区的偏振模式的光能量，将以泄露的形式损耗掉。故上述技术方案是通过令能量先耦合再泄露的方式提高芯区中需要滤除的偏振模式的损耗，使该模式在有限距离衰减，同时保证了另一模式的正常传输，达到提高两个偏振模式的损耗差值的目的，最终实现等效单模单偏振传输的技术效果。比如，Chen M Y等人设计的单模单偏振微结构光纤：首先，通过改变空气孔排列，构建矩形芯实现芯区的双折射，使得芯区x与y方向产生折射率差，在此基础上，在包层的x方向通过忽略两个相邻空气孔引入缺陷区，然后调整光纤结构参数，令芯区x方向模式与包层缺陷区的模式折射率匹配实现耦合。最后，芯区x偏振模式的能量将通过耦合的方式转移至包层缺陷区，进而经由外层空气孔间的石英通道将能量泄漏出去。采用该技术方案，Chen M Y等人最终在1550nm的通信波长处所获得的结果为：x方向（即需要滤除方向）损耗为13.60dB/m，y方向（即光信号传输方向）损耗为3.50×10^-4dB/m。

微结构光纤虽然与传统阶跃光纤均采用折射率引导（构建芯区高于包层的折射率分布，使用全内反射效应）的机理进行导光，但是与传统阶跃光纤不同的是，微结构光纤是依靠在石英基底中引入空气孔的方法来降低包层等效折射率的。由于两个相邻空气孔间总存在着石英通道，因此，微结构光纤的芯区和包层边界条件不封闭，其传输模式本质上是一种泄露模式。微结构光纤之所以能低损耗的将光能量限制于纤芯中，依靠的是多层空气孔共同、依次作用，逐层将泄露的光能量重新限制回芯中。在保证光纤其他参数不变的前提下，包层空气孔与光纤损耗的关系为：空气孔层数增多，光纤的损耗将降低；反之，空气孔层数减少，光纤的损耗将变大。

上述实现微结构光纤单模单偏振特性的技术方案，其实质是利用“耦合+泄漏”的机制，即先通过调整光纤结构，使芯区某一偏振模式与包层缺陷区模式进行耦合，将能量转移到包层缺陷区，再利用缺陷区外侧空气孔层数较少的特点，增大该方向上能量的泄露，从而改变了两个偏振模式的损耗差。因此，上述方案的矛盾在于：由于首先要保证耦合强度，纤芯和包层缺陷区的距离不能过远（一般选择X=2或者3层空气孔范围）。那么，一个具有N层空气孔的微结构光纤，对于两个不同偏振模式，其外层等效空气孔层数可以分别看作N层（不耦合的偏振模式）和N-X层（发生耦合的偏振模式）。增大空气孔层数N，可以降低需要的偏振模式的模式损耗，但是想要滤除的另一个偏振模式的模式损耗也会同时降低，难以在有限距离内滤除，不利于单模单偏振传输；反之，如果减小N，想要滤除的偏振模式的损耗会提升，利于其滤除，但是需要的偏振模式的损耗也会同时增大，降低光纤的性能。即此方案存在滤除模式和降低损耗两者对空气孔层数的选择的矛盾，也因此造成了光纤两偏振模式损耗差值小，无法有效地避免因偏振而带来的串扰问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种单模单偏振微结构光纤，在提高需要滤除的偏振模式损耗的同时，降低了需要传输的另一方向偏振模式的损耗，更好地实现微结构光纤的单模单偏振传输特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种单模单偏振微结构光纤，使用纯石英作为基底材料，由若干空气孔划分中央芯区、内包层和包层缺陷区，并且在内包层设置金缺陷区和外包层；记光纤的空气孔间距为Λ，记需要滤除的偏振模式的方向为x方向，记需要传输的偏振模式的方向为y方向；在x方向上由内至外依次为中央芯区、包层缺陷区、金缺陷区及外包层，并且包层缺陷区、金缺陷区及外包层均关于中央芯区的y方向中轴线对称；在y方向上由内至外依次为中央芯区和内包层；

在光纤中心位置通过忽略y方向空气孔的方式构建矩形的中央芯区；

包层缺陷区通过忽略x方向的空气孔的方式构建；

在紧邻包层缺陷区的y方向上采用错位0.5Λ的排列方式引入镀金空气孔构建金缺陷区，金缺陷区正对包层缺陷区两空气孔间的石英通道；

外包层包括若干层空气孔，并且空气孔在y方向上错位0.5Λ的方式排布。

本发明技术方案的进一步改进在于：内包层空气孔间距相同并且相邻的四个空气孔为正方形的排列方式，组成11×14层的矩形阵列结构，空气孔的间距Λ范围为2.65～2.67μm。

本发明技术方案的进一步改进在于：中央芯区周围第一层空气孔数为10，直径均为d1，范围为0.57～0.58Λ。

本发明技术方案的进一步改进在于：包层缺陷区通过忽略x方向的两个空气孔构建，两个空气孔中心在y方向上位于中央芯区中心的下方，且到中央芯区中心的垂直距离均为0.5Λ，在x方向上到中央芯区中心的水平距离分别为3Λ和4Λ；包层缺陷区周围第一层空气孔数为10，直径均为d2，范围为0.59～0.60Λ。

本发明技术方案的进一步改进在于：金缺陷区所包含的空气孔直径d3范围为0.60～0.62Λ，金的厚度t范围为19～21nm，金缺陷区的中心与中央芯区中心位于同一水平线上，且在x方向上与中央芯区中心直线距离z范围为（6Λ-0.40）～（6Λ-0.60）μm。

本发明技术方案的进一步改进在于：内包层所包含的其他空气孔直径均为d4，范围为0.48Λ～0.50Λ；外包层包含2层空气孔且其直径d4范围为0.48Λ～0.50Λ；外包层的空气孔间距相同并且相邻的四个空气孔为正方形的排列方式，空气孔的间距为Λ。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本发明是一种单模单偏振微结构光纤，通过引入金缺陷区并对光纤整体结构进行调整，令中央芯区x方向上的偏振模式、包层缺陷区模式与金缺陷模式三者折射率在通信波长1550nm附近交于一点，即相邻两者间能够进行强耦合。由于中央芯区、包层缺陷区存在快慢轴方向相反的双折射，中央芯区y方向上的偏振模式与包层缺陷区模式的折射率在1550nm存在较大差值，耦合均极弱，故即使包层缺陷区模式折射率与金缺陷模式折射率在1550nm附近存在交点，能量仍会被限制在中央芯区。同时，结合金缺陷区对能量的吸收作用提升中央芯区x方向偏振模式的损耗，使得该光纤能够在内包层外侧通过增加空气孔层数构建外包层的方式降低光纤损耗（中央芯区y方向上的偏振模式的损耗）。在此基础上，在外包层采用y方向上错位0.5Λ的空气孔排列方式，利用空气孔对石英通道的阻截作用减少能量的传递，进一步降低损耗。因此，本方案有效地解决了以前方案中降低y方向损耗需增加包层缺陷外侧空气孔层数，而无法提升x方向损耗的技术问题，不仅提高了中央芯区x方向上偏振模式损耗，同时降低了中央芯区y方向上偏振模式的损耗，更好地解决了光纤传输中由于偏振所引起的一系列问题。采用该技术方案，最终在1550nm的通信波长处所获得的结果为：中央芯区x方向上的偏振模式损耗高达59.07dB/m，中央芯区y方向上的偏振模式损耗低于2.18×10^-4 dB/m。

本发明的单模单偏振微结构光纤，通过改变光纤结构，提高了需要滤除的偏振模式损耗，同时降低了需要传输的另一方向偏振模式的损耗，该光纤更好地实现了单模单偏振传输特性。

附图说明

图1是本发明光纤结构示意图；

图2是本发明的等效折射率示意图；

图3是本发明的损耗示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明公开了一种单模单偏振微结构光纤，主要通过改变光纤的结构来提高其传输特性。该光纤使用纯石英作为基底材料。

如图1所示，为该光纤的端面图，该光纤设置有若干空气孔，所述空气孔大体上成矩阵排列。通过设置空气孔将光纤划分为中央芯区、内包层和包层缺陷区。同时设置了金缺陷区和外包层。为了便于描述该光纤的结构，记光纤的空气孔间距为Λ，记需要滤除的偏振模式的方向为x方向，记需要传输的偏振模式的方向为y方向。

如图1所示，在x方向上由内至外依次为中央芯区、包层缺陷区、金缺陷区及外包层，并且包层缺陷区、金缺陷区及外包层均关于中央芯区的y方向中轴线对称。即包层缺陷区设置两个并且关于y方向的中轴线对称，金缺陷区也设置两个并且关于y方向的中轴线对称。该光纤在y方向上由内至外依次为中央芯区和内包层。

该光纤的中央芯区和包层缺陷区均是通过忽略空气孔的方式来构建的，具体的是，在光纤中心位置忽略若干y方向空气孔构建形成矩形的中央芯区，图1中忽略了两个空气孔。包层缺陷区通过忽略x方向的若干空气孔的构建形成，图1中忽略了两个空气孔。

该光纤的金缺陷区紧邻包层缺陷区设置，通过在y方向上采用错位0.5Λ的排列方式引入镀金空气孔构建金缺陷区，金缺陷区正对包层缺陷区两空气孔间的石英通道。具体结构如图1所示。

该光纤在y方向的最外侧设置外包层，所述外包层包括若干层空气孔，外包层的空气孔同内包层的空气孔在y方向上错位0.5Λ排布。

以上为该光纤的结构描述，下面结合该光纤的参数进行说明。

在具体的实施中，内包层空气孔间距相同，相邻的四个空气孔能够形成正方形的排列结构，空气孔间距Λ范围控制在2.65～2.67μm之间。如图1所示，组成11×14层的矩形阵列结构，空气孔的间距Λ为2.66μm。

图1中，该光纤的中央芯区是忽略了两个y方向的空气孔构建形成的，中央芯区周围第一层空气孔数为10，这10个空气孔围绕成矩形的中央芯区。空气孔直径范围为0.57～0.59Λ。该实施例中空气孔的直径d1均为0.58Λ。

图1中，包层缺陷区是忽略了两个x方向的两个空气孔构建，两个空气孔中心均在y方向上并且位于中央芯区中心的下方。忽略的两个空气孔到中央芯区中心的垂直距离均为0.5Λ，在x方向上到中央芯区中心的水平距离分别为3Λ和4Λ。包层缺陷区周围第一层空气孔数为10，这10个空气孔围绕形成矩形的包层缺陷区，包括缺陷区第一层的空气孔的直径d2范围为0.59～0.61Λ。该实施例中d2均为0.6Λ。

该光纤的金缺陷区所包含的空气孔直径d3范围为0.60～0.62Λ，金的厚度t范围为19～21nm。图1中该光纤的金缺陷区所包含的空气孔直径d3为0.61Λ，金的厚度t为20nm。金缺陷区的中心与中央芯区中心位于同一水平线上，且在x方向上与中央芯区中心直线距离z范围为（6Λ-0.40）～（6Λ-0.60）μm。该实施例中z为（6Λ-0.50）μm。

该光纤的内包层中除了构建包层缺陷区和金缺陷区空气孔外，还有其他的空气孔，内包层所包含的其他空气孔直径d4范围为0.48Λ～0.50Λ，该实施例中d4均为0.49Λ。

该光纤x方向的两侧的最外侧对称设置外包层，所述外包层包含2层空气孔，这两层空气孔的直径也记做d4范围为0.48Λ～0.50Λ。该实施例中d4为0.49Λ。外包层的空气孔的间距相同，并且空气孔的间距为Λ。外包层中相邻的四个空气孔能够形成正方形的结构。如图1所示，外包层的空气孔与内包层的空气孔在y方向上错位0.5Λ。

图2为本发明的光纤等效率折射示意图，图2中，光纤中央芯区、包层缺陷区及金缺陷区中，每个区域均支持两个偏振模式，其模式折射率分别用n1(x)、n1(y)，n2(x)、n2(y)和n3(x)、n3(y)表示。光纤作为一个整体结构，某一参数变化将对最靠近该参数的区域的模式折射率产生极大的影响，但同时也会对光纤其他部分的模式起到一定的作用。具体而言，中央芯区正交的两偏振模式折射率n1(x)、n1(y)主要由Λ、d1、d2、d4决定，包层缺陷区模式折射率n2(x)、n2(y)主要由Λ、d1、d2、d3、d4、t、z共同决定，金缺陷区模式折射率n3(x)、n3(y)主要由Λ、d2、d3、d4、t、z决定。因此，需要综合考虑光纤各参数对中央芯区、包层缺陷区及金缺陷区模式折射率的影响。对光纤结构参数进行整体设计及优化后，最终得到n1(x)、n2(x)、n3(x)在1547nm处交于一点， n1(y)与n2(y)在1500～1600nm范围内不存在交点，n2(y)与n3(y)交于1559nm的结果。可见，此实施例保证了在附图2的x方向上：n1(x)、n2(x)、n3(x)在1550nm附近交于一点，故能量在中央芯区、包层缺陷区、金缺陷区相邻的两者间能够实现强耦合，即中央芯区x方向上的偏振模式的能量首先耦合至包层缺陷区，然后由包层缺陷区耦合至金缺陷区，再利用金的表面等离子体共振效应对传递至其表面上的能量进行强吸收，将光能转化为热能，从而提高中央芯区中x方向上的偏振模式能量的损耗；而在附图2的y方向上：由于中央芯区、包层缺陷区存在合理的双折射使n1(y)、n2(y)在1550±50nm范围内不存在交点，能量耦合极弱，因此，即使n2 (y)与n3 (y)在1550nm附近存在交点，但能量仍然会被限制在中央芯区。本专利采用“耦合+耦合+吸收”代替以前“耦合+泄漏”的方案提高中央芯区x方向损耗，因此，可采用在内包层外侧添加具有多层空气孔的外包层的方式降低y方向损耗，且本专利在外包层采用y方向上错位0.5Λ的空气孔排列方式，通过空气孔阻截石英通道来减少能量的传递，进一步降低了光纤传输方向上的能量损耗。两者共同作用形成本专利所述的单模单偏振光纤技术方案。

图３为本发明光纤的损耗示意图，采用上述结构在1550nm的工作波长处所获得的结果为：芯区x方向上的偏振模式损耗高达59.07dB/m，芯区y方向上的偏振模式损耗低于2.18×10^-4 dB/m。

本发明的光纤的原理如下：（1）在内包层中心位置，沿y方向通过忽略包层的两个空气孔的方式来构建矩形的中央芯区，以达到降低微结构光纤结构对称性的目的，使光纤纤芯中x和y方向偏振模式折射率产生差值；（2）在x方向与中央芯区隔两排空气孔的位置通过忽略内包层的两个空气孔的方式构建包层缺陷区，并使其能够支持模式传输；（3）在紧邻包层缺陷区的y方向上采用错位0.5Λ的排列方式引入镀金空气孔结构，以此来构建金缺陷区，故金缺陷区正对包层缺陷区两空气孔间的石英通道，利用该石英通道实现包层缺陷区与金缺陷间能量的耦合与传递；（4）合理优化光纤各个参数，令中央芯区x方向上的偏振模式、包层缺陷区模式、金缺陷区模式三者在工作波长1550nm附近折射率存在交点，故相邻的两者间能够实现强耦合；（5）在保证上述技术效果的同时，光纤构成及各参数的选择保证了中央芯区、包层缺陷区存在快慢轴方向相反的双折射，中央芯区y方向上的偏振模式与包层缺陷区模式的折射率在1550nm存在较大差值，耦合均极弱；故即使包层缺陷区模式折射率与金缺陷模式折射率在1550nm附近存在交点，能量仍会被限制在中央芯区；（6）在内包层外侧添加多层空气孔形成外包层，并采用y方向上错位0.5Λ的方式进行排布，即外包层空气孔正对内包层用于能量泄漏的石英通道，阻截了y方向能量在石英通道的传输，进一步降低了中央芯区y方向上偏振模式的损耗。

由此可以看出，本方案在增大x偏振模式损耗方面：其能量传递采用的是“芯区与包层缺陷区耦合”、“包层缺陷区与金缺陷耦合”两次耦合的方案，而非以前方案的一次耦合；其能量损耗是利用金缺陷具有的等离子体共振效应对能量的吸收作用，将光能变换成热能来进行损耗的，而非以前方案中将光能通过包层空气孔间的石英通道直接泄漏的方式。由于采用金缺陷“吸收”代替传统的“泄漏”方案，在降低y偏振模式损耗方面：可以通过在包层外增加空气孔层数的方式进一步降低光纤损耗（芯区y方向上偏振模式的损耗），在此基础上采用内、外包层空气孔错层的方案进一步降低y方向损耗，而非以前方案的单包层空气孔方案；因此，本方案完全解决了以前方案中滤除模式和降低损耗两者对空气孔层数的选择存在矛盾的技术问题，在提高需要滤除的偏振模式损耗的同时，降低了需要传输的另一方向偏振模式的损耗，更好地实现了微结构光纤的单模单偏振传输特性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单模单偏振微结构光纤，其特征在于：使用纯石英作为基底材料，由若干空气孔划分中央芯区、内包层和外包层，并且在内包层设置包层缺陷区和金缺陷区；记光纤的空气孔间距为Λ，记需要滤除的偏振模式的方向为x方向，记需要传输的偏振模式的方向为y方向；在x方向上由内至外依次为中央芯区、包层缺陷区、金缺陷区及外包层，并且包层缺陷区、金缺陷区及外包层均关于中央芯区的y 方向中轴线对称；在y方向上由内至外依次为中央芯区和内包层；

在光纤中心位置通过忽略y方向空气孔的方式构建矩形的中央芯区；

包层缺陷区通过忽略x方向的空气孔的方式构建；

在紧邻包层缺陷区的y方向上采用错位0.5Λ的排列方式引入镀金空气孔构建金缺陷区，金缺陷区正对包层缺陷区两空气孔间的石英通道；

外包层包括若干层空气孔，并且空气孔在y方向上错位0.5Λ的方式排布。

2.根据权利要求1所述的一种单模单偏振微结构光纤，其特征在于：内包层空气孔间距相同并且相邻的四个空气孔为正方形的排列方式，组成11×14层的矩形阵列结构，空气孔的间距Λ范围为2.65～2.67μm。

3.根据权利要求2所述的一种单模单偏振微结构光纤，其特征在于：中央芯区周围第一层空气孔数为10，直径均为d1，范围为0.57～0.59Λ。

4.根据权利要求2所述的一种单模单偏振微结构光纤，其特征在于：包层缺陷区通过忽略x方向的两个空气孔构建，两个空气孔中心在y方向上位于中央芯区中心的下方，且到中央芯区中心的垂直距离均为0.5Λ，在x方向上到中央芯区中心的水平距离分别为3Λ和4Λ；包层缺陷区周围第一层空气孔数为10，直径均为d2，范围为0.59～0.61Λ。

5.根据权利要求2所述的一种单模单偏振微结构光纤，其特征在于：金缺陷区所包含的空气孔直径d3范围为0.60～0.62Λ，金的厚度t范围为19～21nm，金缺陷区的中心与中央芯区中心位于同一水平线上，且在x方向上与中央芯区中心直线距离z范围为（6Λ-0.40）～（6Λ-0.60）μm。

6.根据权利要求2所述的一种单模单偏振微结构光纤，其特征在于：内包层所包含的其他空气孔直径均为d4，范围为0.48Λ～0.50Λ；外包层包含2层空气孔且其直径d4范围为0.48Λ～0.50Λ；外包层的空气孔间距相同并且相邻的四个空气孔为正方形的排列方式，空气孔的间距为Λ。

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