CN101089663A - 简单实用的光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的简单实用的光子晶体光纤包含纤芯、含有空气孔的内包层和均匀外包层，纤芯包含中央圆形分层、第一环形分层以及第二环形分层；内包层基底材料中有紧密分布的空气孔层；纤芯材料可用纯SiO2，第一环形分层、第二环形分层和内包层基底材料可为掺氟SiO2；涂覆层标称外直径包含125μm和80μm；特征在于：产生漏泄模衰减，实现宽带单模特性和增大有效面积；控制漏泄模衰减，减小附加衰减和优化色散特性；单模工作波长范围包含1300nm到1625nm和1300nm到1700nm；在所述工作波长范围内，色散不大于15ps/nm－km，有效面积不小于50μm2。
Description
发明领域
本发明涉及光子晶体光纤，尤其涉及，一系列简单实用的光子晶体光纤。
背景技术
下面先对本发明涉及到的术语给出定义，所述定义符合本领域惯例；本说明书专用术语通过惯用术语说明。
光纤各分层的半径以单位μm计，按折射率定义，每一特定分层具有第一折射率点和最后折射率点。从光纤轴线到第一折射率点所在位置的半径是该分层的内半径；从光纤轴线到最后折射率点所在位置的半径是该分层的外半径。参见Δ-光纤半径分布图，中央圆形分层的半径从光纤轴线量到该分层的外半径；第一环形分层的宽度从第一环形分层的内半径量到第一环形分层的外半径；第二环形分层的宽度从第二环形分层的内半径量到第二环形分层的外半径；内包层的宽度从内包层的内半径量到内包层的外半径。
中央圆形分层、第一环形分层和第二环形分层关于内包层基底材料的相对折射率差Δ0、Δ1和Δ2以单位％计，分别定义为
Δ0＝(n0 2-nc1 2)/2n0 2
Δ1＝(n1 2-nc1 2)/2n0 2
Δ2＝(n2 2-nc1 2)/2n0 2
式中，n0表示中央圆形分层的最大折射率，n1和n2分别表示第一环形分层和第二环形分层的均匀折射率；nc1表示内包层基底材料的均匀折射率。
折射率剖面定义为相对折射率差或折射率与半径之间的关系。
α折射率剖面定义为
Δco(r)＝Δ0[1-(r/a)α]，0≤r≤a
其中，r是所处位置半径；a是所述中央圆形分层的半径。
色度色散系数以单位ps/nm-km计，简称为色散。
有效面积以单位μm2计，定义为
Aeff＝2π(∫E2(r)r dr)2/(∫E4(r)r dr)
其中，积分限为0至∞；E(r)是光传播所伴随的电场。
石英材料的衰减-波长特性表明，大约1300～1700nm波长范围是光纤通信可能应用的理想区域；然而上述波长范围内的全波单模光纤一直没有实现。这是因为全波单模光纤不仅要求色散、衰减、非线性、有效面积和模场直径等主要性能满足实用要求，而且要求色散等性能关于结构参数变化的稳定性也满足实用要求。现有光纤表现出典型的弱导结构特性，上述各项光纤性能顾此失彼。人们寄于厚望的光子晶体光纤，其周期性晶体结构不仅复杂，而且不合理，难以实际应用。
本专利申请人发现了光纤漏泄模衰减产生和控制的规律，以及纤芯和不同有限包层所组成的光纤其色散特性和色散稳定性演变的规律，应用这些规律发明了简单实用的光子晶体光纤。
本发明所涉及简单实用的光子晶体光纤包含纤芯、内包层和外包层。所述纤芯包含以光纤轴线为圆心的中央圆形分层、包覆在所述中央圆形分层上的第一环形分层以及包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层。所述中央圆形分层关于所述内包层基底材料的相对折射率差为Δ0，半径为a；所述第一环形分层关于所述内包层基底材料的相对折射率差为Δ1，宽度为H1；所述第二环形分层关于所述内包层基底材料的相对折射率差为Δ2，宽度为H2。在所述内包层基底材料中分布i＝1～3层空气孔；分布在第i个圆周上的所述第i层空气孔直径为di，圆心之间距离为Λi；所述第i个圆周相对于所述第i-1个圆周的径向位移为H3i，所述第1个圆周相对于所述第二环形分层外半径的径向位移为H31；所述内包层宽度为H4；所述中央圆形分层基本上是α折射率剖面，当α≥100时所述α折射率剖面实际上成为阶跃型折射率剖面；所述第一环形分层、所述第二环形分层和所述内包层基底材料的折射率基本上都是均匀的；所述外包层由纯SiO2组成，折射率是均匀的。
所述简单实用的光子晶体光纤无需周期性晶体结构，其特点是在纤芯外面最佳配置一个含有空气孔的内包层。所述纤芯的特点是产生漏泄模衰减，实现宽带单模特性，增大有效面积；所述纤芯和所述含有空气孔的内包层的最佳配置，可以在宽带内控制漏泄模衰减，减小附加衰减，改善光纤的色散特性和色散稳定性。
发明内容
与现有各种光纤包括现有各种光子晶体光纤相比，所发明简单实用的光子晶体光纤具有如下特点：
——与现有弱导光纤相比，在纤芯外面最佳配置含有空气孔的内包层；
——所述纤芯的特点在于，产生所需要的漏泄模衰减，实现宽带单模特性，增大有效面积：
——与现有光子晶体光纤相比，所述内包层基底材料中分布的空气孔，不是周期性晶体排列，而是紧密排列；
——所述纤芯和所述内包层最佳配置，既可以在宽带内控制漏泄模衰减，不致产生明显的附加损耗，又可以改善色散特性和色散稳定性；
——因此，结构简单，性能实用。
附图说明
参照以下附图，熟悉本技术领域的人员，从本发明的详细描述中，将显而易见本发明的上述和其他目的、特征和优点。
图1是所发明光纤纤芯以及一部分内包层基底材料的一种折射率剖面的示意图。所述的α折射率剖面，从α＝5变化到α≥100，无法一一画出，图1所示只是其中的一种情况；所述内包层折射率只画出基底材料的均匀折射率，其中所述空气孔中空气的折射率n＝1无法按比例画出；所述内包层中空气孔层外面的部分对于光纤传输性能没有实质性影响，未全部画出，图1所示只是所述内包层的一部分。
具体实施方式
图1中，1、2、3和4分别表示所述光纤的中央圆形分层、第一环形分层、第二环形分层和所述内包层基底材料的一部分，5、6和7分别表示中央圆形分层半径a、第一环形分层宽度H1和第二环形分层宽度H2，n0表示所述中央圆形分层的最大折射率，n1和n2分别表示所述第一环形分层和所述第二环形分层的均匀折射率，nc1表示所述内包层基底材料的折射率。
本发明所涉及的一种简单实用的光子晶体光纤，在1300nm到1625nm波长范围内，色散为正，最大色散Dmax不大于15ps/nm-km，有效面积Aeff不小于50μm2。
本发明所涉及的一种简单实用的光子晶体光纤，在1300nm到1700nm波长范围内，色散为正，最大色散Dmax不大于15ps/nm-km，有效面积Aeff不小于50μm2。
本发明所涉及的一种简单实用的光子晶体光纤，采用纯SiO2的所述中央圆形分层以及掺氟SiO2的所述第一环形分层、所述第二环形分层和所述内包层基底材料，既可以降低中央圆形分层衰减，又可以削减1365nm附近区域的衰减水峰，设置隔离层阻挡空气孔中OH-的扩散，在全波范围内维持较低的衰减。
本发明所涉及的各种简单实用的光子晶体光纤，涂覆层的标称外直径除做成125μm以外，还可做成不小于80μm，以改善光纤的可靠性等性能。
表1给出所发明简单实用的光子晶体光纤纤芯的一种较佳实施例的主要结构参数。
表1
| 结构参数 | 指标 |
| 纤芯折射率剖面参数 | α≥5 |
| 纤芯相对折射率差％ | Δ0＝0.30～0.60 |
| 纤芯半径μm | a＝2.80～6.30 |
| 第一环形分层相对折射率差％ | Δ1＝-0.15～-0.34 |
| 第一环形分层宽度μm | H1＝2.60～6.00 |
| 第二环形分层相对折射率差％ | Δ2＝0.14～0.33 |
| 第二环形分层宽度μm | H2＝4.40～10.00 |
表2给出所发明简单实用的光子晶体光纤内包层的一种较佳实施例的主要结构参数，所述结构参数对应于光纤如下性能：在1300nm到1700nm波长范围内，色散为正，最大色散Dmax不大于15ps/nm-km，有效面积Aeff不小于50μm2。
表2
| 结构参数 | 指标 |
| 第1层空气孔直径μm | d1≤1.0 |
| 第1层空气孔间距μm | Λ1≤1.5 d1 |
| 第1层空气孔圆心径向位移μm | H31＝d1+1.00～4.00 |
| 第2层空气孔直径μm | d2≤1.0 |
| 第2层空气孔间距μm | Λ2≤1.5 d2 |
| 第2层空气孔圆心径向位移μm | H32＝d2+1.00～4.00 |
表3给出所发明简单实用的光子晶体光纤内包层的一种较佳实施例的主要结构参数，所述结构参数对应于如下光纤性能：在1300nm到1625nm波长范围内，色散为正，最大色散Dmax不大于15ps/nm-km，有效面积Aeff不小于50μm2。
表3
| 结构参数 | 指标 |
| 第1层空气孔直径μm | d1≤1.0 |
| 第1层空气孔间距μm | Λ1≤1.5 d1 |
| 第1层空气孔圆心径向位移μm | H31＝d1+0.50～1.50 |
| 第2层空气孔直径μm | d2≤1.0 |
| 第2层空气孔间距μm | Λ2≤1.5 d2 |
| 第2层空气孔圆心径向位移μm | H32＝d2+0.50～1.50 |
光纤折射率剖面实际上可由多层沉积组成；沉积层数因制造方法而异，少则几层，多到几百层。中央圆形分层的光滑折射率剖面可看作无穷多层阶跃型折射率剖面的极限情况。
由于工艺原因光纤折射率剖面在轴线附近会有不大的中心凹陷。本领域内的技术人员都知道，不大的中心凹陷不会严重影响光纤基本性能。当所述中心凹陷深度和倒置锥形底面半径都很小其影响可以不计时，可看成极限情况无中心凹陷。
所述中央圆形分层的折射率剖面基本上是α折射率剖面，包含与该剖面相近的光传输性能相似的其他折射率剖面。所述第一环形分层、所述第二环形分层以及所述内包层基底材料基本上是均匀的，包含光传输性能相似的接近于均匀的其他折射率剖面。
表中所列数据对应于下述条件：所述中央圆形分层有光滑的α折射率剖面，无中心凹陷，所述其他各分层和各包层的折射率剖面是理想的阶跃型折射率剖面，当实际情况与所述条件稍有差异时，有关数据与表列对应数据稍有不同。
本发明所涉及的简单实用的光子晶体光纤，按照发明人所发现的原理，产生和控制漏泄模衰减，实现宽带单模特性，增大有效面积，减小附加衰减，改善光纤的色散特性和色散稳定性。这些特点使所发明光纤区别于现有各种光纤包括现有各种光子晶体光纤。
前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。
Claims (10)
1、一种简单实用的光子晶体光纤包含一个纤芯、一个包覆在所述纤芯上的内包层和一个包覆在所述内包层上的外包层。所述纤芯包含以光纤轴线为圆心的中央圆形分层、包覆在所述中央圆形分层上的第一环形分层以及包覆在所述第一环形分层上的第二环形分层。所述中央圆形分层关于所述内包层基底材料的相对折射率差为Δ0，半径为a；所述第一环形分层关于所述内包层基底材料的相对折射率差为Δ1，宽度为H1；所述第二环形分层关于所述内包层基底材料的相对折射率差为Δ2，宽度为H2。在所述内包层基底材料中分布i＝1～3层空气孔；分布在第i个圆周上的所述第i层空气孔直径为di，圆心之间距离为Λi；所述第i个圆周相对于所述第i-1个圆周的径向位移为H3i，所述第1个圆周相对于所述第二环形分层外半径的径向位移为H3i；所述内包层宽度为H4；所述中央圆形分层基本上是α折射率剖面，当α≥100时所述α折射率剖面实际上成为阶跃型折射率剖面；所述第一环形分层、所述第二环形分层和所述内包层基底材料的折射率基本上都是均匀的；所述外包层由纯SiO2组成，折射率是均匀的。所述光纤的特征在于：
所述第一环形分层Δ1＜0；
所述第二环形分层Δ2＞0；
所述内包层i＝1～3，H3i＝0.50～4.00μm，di＜1.0μm，Λi＜1.5di。
2、根据权利要求1所述的光纤，其特征在于：
所述中央圆形分层α≥5，Δ0＝0.30～0.60％，a＝2.80～6.30μm。
3、根据权利要求2所述的光纤，其特征在于：
所述第一环形分层H1＝2.60～6.00μm，Δ1＝-0.15～-0.34％；
4、根据权利要求3所述的光纤，其特征在于：
所述第二环形分层H2＝4.00～10.00μm，Δ2＝0.14～0.33％。
5、根据权利要求4所述的光纤，其特征在于：
所述内包层i＝1，d1＜1.0μm，Λ1＜1.5d1，H31＝d1+0.50～1.50μm；
在1300nm到1625nm波长范围内，色散D为正，最大色散Dmax不大于15ps/nm-km，有效面积Aef不小于50μm2。
6、根据权利要求4所述的光纤，其特征在于：
所述内包层i＝1，d1＜1.0μm，Λ1＜1.5 d1，H31＝d1+1.00～4.00μm。
在1300nm到1700nm波长范围内，色散D为正，最大色散Dmax不大于15ps/nm-km，有效面积Aef不小于50μm2。
7、根据权利要求4所述的光纤，其特征在于：
所述内包层i＝2，d1＜1.0μm，Λ1＜1.5 d1，H31＝d1+0.50～1.50μm；
d2＜1.0μm，Λ2＜1.5 d1，H32＝d1+0.50～1.50μm。
在1300nm到1625nm波长范围内，色散D为正，最大色散Dmax不大于15ps/nm-km，有效面积Aef不小于50μm2。
8、根据权利要求4所述的光纤，其特征在于：
所述内包层i＝2，d1＜1.0μm，Λ1＜1.5 d1，H31＝d1+1.00～4.00μm；
d2＜1.0μm，Λ2＜1.5 d1，H32＝d2+1.00～4.00μm。
在1300nm到1700nm波长范围内，色散D为正，最大色散Dmax不大于15ps/nm-km，有效面积Aeff不小于50μm2。
9、根据权利要求5或权利要求6或权利要求7或权利要求8所述的光纤，其特征在于：
所述中央圆形分层由纯SiO2组成，阶跃型折射率剖面；
所述第一环形分层、所述第二环形分层和所述内包层基底材料都由掺氟SiO2组成，阶跃型折射率剖面。
10、根据权利要求5或权利要求6或权利要求7或权利要求8所述的光纤，其特征在于被覆层直径不小于80μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |