專利名稱：一種微結(jié)構(gòu)光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信領(lǐng)域，具體涉及具有大模場、單模傳輸特性的微結(jié)構(gòu)光纖。
背景技術(shù)：
大模場光纖在高功率光纖激光器、放大器，以及強(qiáng)激光傳輸中有著重要的應(yīng)用。由光纖理論，要保證光纖是單模傳輸，對于階躍折射率光纖來說，必須滿足光纖的歸一化頻率V小于2.405，這里^^^/^，a為纖芯半徑，A為光波長，ne， nb分別為纖芯與包層的折
射率。因此，要實(shí)現(xiàn)單模傳輸，在增大纖芯半徑以增大光纖模場面積的同時(shí)，必須減小纖芯和包層的折射率差。由于工藝的限制，纖芯與包層的折射率差很難做得很小。同時(shí)，纖芯與包層折射率差的降低，也使得光纖的彎曲損耗增大，從而使得光纖的適用性變差。因此傳統(tǒng)光纖很難獲得大的模場面積。 由于光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)無休止單模傳輸，因此，采用光子晶體光纖結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大模場單模傳輸。光子晶體光纖的纖芯直徑可達(dá)100 i！ m，但同樣的，是以降低纖芯與包層的折射率差為代價(jià)的，因此，輕微的彎曲就可能導(dǎo)致光無法在光纖中傳輸。人們還提出了采用具有高折射率差的多模光纖實(shí)現(xiàn)大模場傳輸[Opt. Lett. ，2006,31 (12) :1797]，其方
法是將輸入光通過光纖光柵轉(zhuǎn)換為某一高階模，再利用高階模模場面積較大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)等效的單模傳輸，但這種方法需要在光纖兩端刻制光纖光柵，工藝復(fù)雜，同時(shí)由于光柵轉(zhuǎn)換
效率的限制，光纖并非是完全單模傳輸?shù)摹＿€有人提出了基于六個(gè)空氣孔環(huán)繞纖芯的大模
場光纖[Opt. Lett. ，2005,30(21) :2855]，這種結(jié)構(gòu)利用光纖中高階模損耗較高而光纖基
模損耗較低的特點(diǎn)，再通過將光纖彎曲的方法，可以進(jìn)一步增大光纖基模與高階模的損耗
差，從而有效地去除高階模。但這種光纖實(shí)際上并非真正的單模光纖。 本發(fā)明提出一種新型的微結(jié)構(gòu)光纖，可以保證光纖基模具有低的損耗，從而在保
證光纖單模傳輸?shù)那疤嵯?，還具有大模場面積的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種新型大模場光纖。這種光纖由基質(zhì)材料和扇形孔所組成，其中孔中還可以填充低折射率材料。扇形孔共有3個(gè)，孔與孔之間由均勻?qū)挾鹊木匦位|(zhì)材料(支撐條)組成，支撐條的數(shù)量也為3，且各支撐條形狀相同，扇形孔形狀也都相同，即光纖具有120度旋轉(zhuǎn)對稱性。由于纖芯折射率大于由扇形孔和支撐條所組成的包層的等效折射率，因此，這種光纖是一種基于全內(nèi)反射原理的折射率引導(dǎo)光纖。
—種微結(jié)構(gòu)光纖，包括纖芯和包層，包層由外包層2、扇形孔3和支撐條4組成；纖芯(1)是圓形的，纖芯1和外包層2之間沿光纖徑向、纖芯1周緣設(shè)有3根寬度相同的支撐條4，使纖芯l和外包層之間形成3個(gè)扇形孔3，相鄰兩個(gè)支撐條過纖芯圓心的夾角為120度，光纖橫截面具有120度旋轉(zhuǎn)對稱性，纖芯1、外包層2和支撐條4的折射率相同，扇形孔3的折射率低于纖芯1的折射率。 上述所說微結(jié)構(gòu)光纖，其中支撐條寬度W^ IOA， A為傳輸?shù)墓獠ㄩL。光纖纖芯半徑R與支撐條寬度W的大小關(guān)系為W^ R且W《^R。纖芯半徑R〉10A， A為傳 輸?shù)墓獠ㄩL。扇形孔3的半徑F要求為F^3R且F《10R?？渍凵渎逝c纖芯射率之差 An > 0008。 這里扇形孔半徑F指扇形外圓的半徑，即從纖芯中心到扇形孔與外包層的交界處 的距離。 支撐條除有具有保證光纖形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)外，最主要的作用是將高階模從纖芯引導(dǎo) 到支撐條或外包層中，從而使高階模無法在光纖中傳輸。由于支撐條的折射率與外包層折 射率相同，因此，當(dāng)高階模的模場被引導(dǎo)到支撐條時(shí)，光就很容易從外包層泄露出去，從而 達(dá)到了濾除高階模的效果。由于支撐條越寬，光纖的基模損耗也會增大，因此，支撐條寬度 加寬的同時(shí)，扇形的半徑也應(yīng)該增大。 為了保證光纖單模傳輸，支撐條必須足夠?qū)挘鋵挾萕與纖芯半徑R應(yīng)該有 W^R。同時(shí)，纖芯半徑越大，則W值也應(yīng)越大。由于支撐條過寬會導(dǎo)致支撐條之間的重疊， 從而實(shí)際上使得扇形孔半徑的減小并導(dǎo)致纖芯半徑增大，為明確纖芯半徑R、支撐條寬度W 和扇形孔半徑F之間的關(guān)系，支撐條寬度W應(yīng)有W《^R。 為減少基模傳輸損耗，纖芯要足夠大，從而避免光向支撐條區(qū)的轉(zhuǎn)移。因此，纖芯 半徑半徑R應(yīng)大于IOA， A為傳輸?shù)墓獠ㄩL。 由于不同數(shù)量的支撐條對應(yīng)的高階模是不同的，采用4個(gè)以及更多根支撐條時(shí)， 將出現(xiàn)纖芯中有的高階模無法被完全衰減的情況，因此，支撐條數(shù)量應(yīng)為3。
為保證光纖基模以及光纖的彎曲損耗較小，扇形孔的半徑應(yīng)足夠大，扇形孔半徑 也不可過大，否則會導(dǎo)致高階模泄露不夠。因此扇形孔半徑F與纖芯半徑R的關(guān)系應(yīng)為 F > 3R，且F《IOR。 由于孔折射率與纖芯折射率相差過小時(shí)會導(dǎo)致光纖基模無法被束縛，從而導(dǎo)致傳 輸損耗過大，因此，孔折射率與纖芯折射率之差A(yù)n應(yīng)有An > 0.0008。理論上，纖芯半徑 越大，則光越容易集中在纖芯，因而A值可以越小。 光纖除了可以采用單一材料，即光纖由基質(zhì)材料和扇形空氣孔組成外，孔中還可 以填充折射率低于基質(zhì)材料的固態(tài)或液態(tài)、氣態(tài)材料。例如基質(zhì)材料可由純石英組成，扇形 孔由摻氟的石英所組成?；|(zhì)材料也可以為多組分玻璃、聚合物材料等。由于這種光纖的 纖芯半徑可以達(dá)到光波長的幾十甚至上百倍以上，因此，基質(zhì)材料采用有機(jī)聚合物時(shí)，利用 聚合物材料的柔軟性，可以使光纖在包層直徑較大時(shí)仍然能夠具有較好的彎曲性能。
本發(fā)明采用低折射率孔束縛纖芯中的基模，同時(shí)通過足夠?qū)挼闹螚l使高階模無 法集中在纖芯，而被引導(dǎo)到支撐條區(qū)域，最后被泄漏掉，從而實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)哪康?。同時(shí)，由 于光纖具有類似于漸變折射率變化的包層。因此，光纖可以在孔與纖芯(基質(zhì)材料)的折射 率差較大的同時(shí)，還可以保證光纖單模傳輸，從而使光纖具有低的傳輸損耗。同時(shí)，纖芯是 圓形的，使光纖基模具有類似圓對稱的場分布，有利于這種光纖與其它圓對稱光纖的連接。 這種光纖是一種真正意義上的單模、大模場光纖。


圖1為本發(fā)明的一種實(shí)施例的橫截面示意圖 圖2為圖1所示實(shí)施例在無支撐條時(shí)的橫截面示意圖
圖3為不同支撐條寬度下高階模的場分布情況(a)支撐條寬與纖芯半徑之比W/ R = 0. 2時(shí)的LPQ1模分布；(b)支撐條寬與纖芯半徑之比W/R = 1時(shí)的LPQ1模分布
圖4為圖1所示實(shí)施例沿光纖徑向的等效折射率分布示意圖 其中，I-纖芯；2-外包層；3-扇形孔；4_支撐條。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合

其原理。圖l給出了一種扇形結(jié)構(gòu)光纖的橫截面示意圖。圓形 的纖芯1被扇形的孔3所包圍，由3根支撐條4形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。即其實(shí)際上相當(dāng)于由高折 射率的纖芯和低折射率的圓環(huán)組成，纖芯1與外包層2之間通過支撐條4連接，即在如圖2 所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再加上3根支撐條4。低折射率孔起束縛光纖中基模的作用。而支撐條4 除了起支撐作用外，最主要的還是將高階模從纖芯1引導(dǎo)到支撐條4，最后從外包層2泄露 出去，因此支撐條4的寬度要足夠?qū)?，以保證光纖中的高階模都無法在纖芯1中存在。如圖 3所示，給出了不同支撐條寬度時(shí)光纖的高階模情況?？梢娭螚l寬度足夠?qū)挄r(shí)，高階模將 被引導(dǎo)到支撐條區(qū)，最后通過外包層泄漏出去，從而無法傳輸。由于不管支撐條寬度如何， 光纖基模能量主要還是集中在纖芯中心。因此，支撐條的增寬，只會導(dǎo)致光纖基模損耗的增 大，但不會使光纖基模轉(zhuǎn)移到支撐條中去。雖然支撐條相對纖芯半徑而言其寬度較寬，但由 于支撐條寬度是不變的，所以從徑向看，越向外，孔在整個(gè)圓周中占的比例越高，因此，孔對 基模的束縛也就越強(qiáng)，從而可以有效地降低光纖基模的損耗。從徑向看，由支撐條和扇形孔 組成的包層的折射率是由內(nèi)向外逐漸減小的(如圖4所示)。這種結(jié)構(gòu)具有類似于普通的 漸變折射率光纖的折射率分布特點(diǎn)，因此，光纖可以有效地保證光纖既保持單模傳輸，同時(shí) 又具有較好的抗彎曲能力。 以下光纖截面如圖l，均以石英為基質(zhì)材料，以光波長為1.064iim時(shí)的結(jié)果為例， 說明光纖的傳輸特性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)不同的基質(zhì)材料和基質(zhì)材料所適用的波長范圍 來選擇相應(yīng)的光纖結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例一 纖芯半徑R為21. 3 ii m，扇形孔半徑F為85. 1 y m，支撐條寬度W為23. 4 y m，孔為 空氣孔，基質(zhì)材料為純石英。光纖的模場面積為988ym、傳輸損耗小于10dB/km。
實(shí)施例二 纖芯半徑R為31. 9 ii m，扇形孔半徑F為159. 6 y m，支撐條寬度W為38. 3 y m，孔 中填充摻氟的石英，基質(zhì)材料為純石英。光纖的模場面積為2735ii!^，傳輸損耗小于10dB/ km。 實(shí)施例三 纖芯半徑R為42. 6 ii m，扇形孔半徑F為212. 8 y m，支撐條寬度W為51 y m，孔中填 充摻氟的石英，基質(zhì)材料為純石英。光纖的模場面積為4709 ii !112，傳輸損耗小于0. 5dB/km。
實(shí)施例四 纖芯半徑R為53iim，扇形孔半徑F為270iim，支撐條寬度W為64iim，孔為空氣
孔，基質(zhì)材料為純石英。光纖的模場面積為6815ym、傳輸損耗小于ldB/km。 上述附圖僅為說明性示意圖，并不對本發(fā)明的保護(hù)范圍形成限制。應(yīng)理解，這些實(shí)
施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種微結(jié)構(gòu)光纖，包括纖芯和包層，其特征在于包層由外包層(2)、扇形孔(3)和支撐條(4)組成；纖芯(1)是圓形的，纖芯(1)和外包層(2)之間沿光纖徑向、纖芯(1)周緣設(shè)有3根寬度相同的支撐條(4)，使纖芯(1)和外包層(2)之間形成3個(gè)扇形孔(3)，相鄰兩個(gè)支撐條(4)過纖芯圓心的夾角為120度，光纖橫截面具有120度旋轉(zhuǎn)對稱性，纖芯(1)、外包層(2)和支撐條(4)的折射率相同，扇形孔(3)的折射率低于纖芯(1)的折射率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，支撐條寬度W與光纖纖芯半徑R 的大小關(guān)系為力R^W》R。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，纖芯半徑R〉 IOA， A為傳輸?shù)墓獠ㄩL。
4. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，扇形孔(3)的半徑F^3R且 F《IOR。
5. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，孔折射率與纖芯射率之差 An > 0008。
6. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，扇形孔(3)中填充折射率低于纖 芯基質(zhì)材料的固態(tài)或液態(tài)、氣態(tài)材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖通信領(lǐng)域，具體涉及具有大模場、單模傳輸特性的微結(jié)構(gòu)光纖。所說的微結(jié)構(gòu)光纖，包括纖芯和包層，包層由外包層(2)、扇形孔(3)和支撐條(4)組成；纖芯(1)是圓形的，纖芯(1)和外包層(2)之間沿光纖徑向、纖芯(1)周緣設(shè)有3根寬度相同的支撐條(4)，使纖芯(1)和外包層(2)之間形成3個(gè)扇形孔(3)，相鄰兩個(gè)支撐條(4)過纖芯圓心的夾角為120度，光纖橫截面具有120度旋轉(zhuǎn)對稱性，纖芯(1)、外包層(2)和支撐條(4)的折射率相同，扇形孔(3)的折射率低于纖芯(1)的折射率。
文檔編號G02B6/02GK101738680SQ20101001821
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者張永康, 陳明陽 申請人:江蘇大學(xué)