CN115857089A - 一种全固体反谐振光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体反谐振光纤通信技术领域，具体的说是涉及一种全固体反谐振光纤，全固体反谐振光纤用于产生和传输平顶光，全固体反谐振光纤包括包层，在包层内部设置有纤芯内层和高折射率环形嵌套纤芯外层，高折射率环形嵌套纤芯外层由16个两环形内切嵌套原件组成且相邻的两个所述嵌套原件相切且16个嵌套原件均相切于纤芯内层。本发明首次将***振结构应用于平顶光纤，这将大大减少平顶光纤的产生和传播的约束损耗，此外，由于反谐振结构，全固体反谐振光纤传输平顶光束的约束损耗很低，较大的模面积，它产生并传输波长从1100～2200nm的低损耗的平顶光束，这将开启***振光纤在光束整形中的应用。
Description
技术领域
本发明属于固体反谐振光纤通信技术领域，具体的说是涉及一种全固体反谐振光纤。
背景技术
传统的***振光纤是中空的，利用纤芯模的***振以及空气和包层内模式之间的耦合抑制的共同作用来实现更好的光学性能。空心***振光纤(ARF)是一种空芯光纤,光可以局限在折射率小于光纤材料的中空中沿光纤轴向传导。
近年来，空心***振光纤(ARF)经历了巨大的发展，空心***振光纤(ARF)具备超过现有石英光纤损耗的潜力，传输速度快，又因其宽的传输带宽和低传输损耗而受到青睐。
但现有技术中空心***振光纤(ARF)的空心空腔主要充满空气或其他气体，因此空心***振光纤(ARF)容易受到不稳定纤维结构的坍塌，这不可避免地增加了纤维拉伸和制造工艺的难度。
发明内容
为了解决现有技术缺陷，本发明提供了一种平顶光束产生的全固体反谐振光纤，首次将***振光纤用于平顶光纤，全固体反谐振光纤结构更加稳定，解决了传统空心***振光纤制造难的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种全固体反谐振光纤，该全固体反谐振光纤用于产生和传输平顶光，所述全固体反谐振光纤包括纤芯和包层，在所述纤芯内部设置有纤芯内层和高折射率环形嵌套纤芯外层，所述高折射率环形嵌套纤芯外层由16个两环形内切嵌套原件组成且相邻的两个所述嵌套原件相切且16个嵌套原件均相切于纤芯内层，所述纤芯内层的边长为2Rcor，Rcor是纤芯内层的半径，所述高折射率环形嵌套纤芯外层的两环形的外环厚度为tor、内环厚度为tir。
本发明的进一步改进在于：所述全固体反谐振光纤能产生并传输的平顶光束的波长范围是1100-2200nm。
本发明的进一步改进在于：高折射率环形嵌套纤芯外层掺杂，掺杂的介质是二氧化锗，折射率为1.48。
本发明的进一步改进在于：纤芯内层掺杂，掺杂的介质是锗石英材料，折射率为1.46。
本发明的进一步改进在于：包层为石英材料，折射率最低，为1.45。
本发明的进一步改进在于：纤芯内层的边长2Rcor为17.6微米。
本发明的进一步改进在于：高折射率环形嵌套纤芯外层的外环厚度为110纳米，外环半径1.9微米。
本发明的进一步改进在于：高折射率环形嵌套纤芯外层的内环厚度为120纳米，内环半径1.63微米。
本发明的进一步改进在于：纤芯内层为轴对称形状。
本发明的进一步改进在于：纤芯内层为正方形、圆形、六边形、八角形。
本发明的有益效果是：
(1)本发明首次将***振结构应用于平顶光纤，这将大大减少平顶光纤的产生和传播的约束损耗。
(2)由于反谐振结构，全固体反谐振光纤传输平顶光束的约束损耗很低，反谐振结构将约束损耗降低到10-13个量级，这也有利于其具有更大的模态面积。
(3)本发明所得到的平顶模态场的不均匀性(Δ)为0.2％，斑点侧长度为15微米。
(4)本发明的全固态反谐振光纤结构更稳定，更容易制造，未来更特殊的光纤结构设计将集中在这一领域。
(5)在1100nm～2200nm波段内，可产生低损耗的平顶光。
附图说明
图1是本发明全固体反谐振光纤的横截面原理图。
图2是本发明全固体反谐振光纤部分纤芯图。
图3是全固体反谐振光纤限制损耗和平顶模态场的不均匀性Δ随纤芯内包层半径的变化图。
图4是用于平顶光束产生的方形芯光纤的折射率分布示意图，Rh是纤芯外层的半径。
图5是平顶光纤CL、平顶模态场的不均匀性Δ随纤芯折射率变化图，ncore，ndoped分别为纤芯内层和外层掺杂的折射率。
图6是平顶光纤CL、平顶模态场的不均匀性Δ随内环厚度tir，外环厚度tor变化图。
图7是LP11模式(a和b)和LP21模式(c和d)的场分布。
图8是模式场图。
图9是输出模式场中心轴段的功率流。
图10是全固体反谐振光纤弯曲半径为10cm、8.5cm和7cm时的光纤损耗图。
图11是波长为1600nm时弯曲8.5cm后的平顶模场。
图12是平顶光纤CL在波长为750nm到2250nm的变化图。
图13是光纤的分散性特性。
图14为六角形芯(a、b)、八角形芯(c、d)、圆芯(e、f)的结构和输出平顶模场。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
如图1-2所示，本发明是一种全固体反谐振光纤，所述全固体反谐振光纤包括纤芯和包层1，在所述纤芯内部设置有纤芯内层2和高折射率环形嵌套纤芯外层3。
其中，所述纤芯内层2为掺锗石英材料，折射率为1.46，纤芯Rcor为8.8微米。
所述纤芯内层2的折射率为1.46，所述高折射率环形嵌套纤芯外层3的折射率为1.48，纤芯内层2的折射率低于纤芯外层3的折射率，总体折射率分布由内而外为低—高—低。
所述高折射率环形嵌套纤芯外层3掺杂，掺杂的介质是二氧化锗，所述纤芯内层2掺杂，掺杂的介质是二氧化锗。
所述高折射率环形嵌套纤芯外层3由16个两环形内切嵌套原件组成且相邻的两个所述嵌套原件相切且16个嵌套原件均相切于纤芯内层2，所述高折射率环形嵌套纤芯外层3的外环厚度为110纳米，外环半径1.9微米，所述高折射率环形嵌套纤芯外层3的内环厚度为120纳米，内环半径1.63微米。
图3是全固体反谐振光纤限制损耗和平顶模态场的不均匀性Δ随纤芯内包层半径的变化图，图中可见在纤芯内包层半径Rcore＝8.5μm至9μm的范围内,限制损耗和相对功率差Δ都较小，因此，纤芯内包层半径Rcore选择为8.8μm，为了获得平顶光束，对光纤的折射率分布有一个低-高-低的要求。
图4是全固体反谐振光纤折射率分布，在纤芯内引入一个低折射率区域，但其折射率高于包层，二氧化锗掺杂环形嵌套纤芯外层形成高折射率区域以实现所需的折射率分布。
图5是CL和Δ随纤芯内、外层折射率变化图,可见纤芯内、外层折射率分别选择1.46和1.48，有较小CL和Δ。
图6是CL和Δ随纤芯外层套管外、内厚度变化图，外、内厚度确定为120nm、110nm。此平顶光纤是多模光纤，平顶模式是基本模式，LP11和LP21模式如图7所示，由于方形芯和掺杂层的影响，它们具有不同程度的均匀化失真，LP11和LP21模式的限制损耗分别约为10-8和10-7，大于基本模式。
在1550nm波长下，其输出光场如图8，模场呈现平顶的方柱形，图9是沿过中心轴强度分布，其不均匀度小到0.2％，模场面积为1699.32μm2。除了上述CL之外，光纤的另一个基本损耗是弯曲损耗，它反映了光纤弯曲时的传输损耗。
图10是全固体反谐振光纤在弯曲半径为10cm、8.5cm和7cm时光纤的损耗图。图11为在1600nm波长下弯曲8.5cm后的平顶模场，平顶模式场强度向弯曲方向倾斜，但基本光束轮廓不会变形。通过实际测量，发现平顶光可以在图12中的1200nm至2200nm的波长范围内稳定输出。
随着波长变短，出现多个损耗峰，平顶模式不再可以透射，主最大峰值出现在1100nm，最大峰值随着波长的减小而减小。全固体反谐振平顶光纤零色散波长在1650nm附近，并且色散随着波长的增加而增加。在1550nm处，通信窗口可以以较小的负色散满足通信需求。
在优化过程中全固体反谐振光纤中，改变纤芯的形状即变为轴对称形状并不影响平顶光束的产生和传输。其原因在于，在每个方向上，***振结构都能很好地实现光场均匀化的目的。将铁芯修改为六角形、八角形、圆形等边形，结果如图14所示。一个特定的形状可以产生类似的光束场轮廓。
本发明的全固体结构的平顶光束产生的反谐振光纤，在***振原理的基础上加上全固体结构增强结构的稳定性，降低制造难度。通过改变纤芯的结构和参数，实现了光场的匀化输出平顶光，所提出的平顶光纤是一种多模光纤，平顶模式为基本模式。在1100～2200nm极大的减少了传输的限制损耗，具有较大的模场面积。
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述全固体反谐振光纤用于产生和传输平顶光，所述全固体反谐振光纤包括纤芯和包层(1)，在所述纤芯内部设置有纤芯内层(2)和高折射率环形嵌套纤芯外层(3)，所述高折射率环形嵌套纤芯外层(3)由16个两环形内切嵌套原件组成且相邻的两个所述嵌套原件相切且16个嵌套原件均相切于纤芯内层(2)，所述高折射率环形嵌套纤芯外层(3)的两环形的外环厚度为tor、内环厚度为tir。
2.根据权利要求1所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述全固体反谐振光纤能产生并传输的平顶光束的波长范围是1100-2200nm。
3.根据权利要求1所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述高折射率环形嵌套纤芯外层(3)掺杂，掺杂的介质是二氧化锗，折射率为1.48。
4.根据权利要求1所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述纤芯内层(2)掺杂，掺杂的介质是锗石英材料，折射率为1.46。
5.根据权利要求1所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述包层(1)为石英材料，折射率为1.45。
6.根据权利要求1所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述纤芯内层(2)的边长2Rcor为17.6微米。
7.根据权利要求1所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述高折射率环形嵌套纤芯外层(3)的外环厚度为110纳米，外环半径1.9微米。
8.根据权利要求1所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述高折射率环形嵌套纤芯外层(3)的内环厚度为120纳米，内环半径1.63微米。
9.根据权利要求1所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：纤芯内层(2)为轴对称形状。
10.根据权利要求9所述的一种全固体反谐振光纤，其特征在于：所述纤芯内层(2)为正方形、圆形、六边形、八角形。
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