[發明專利]一種單模單偏振微結構光纖

有效

• 申請號: 201910791882.0
• 申請日: 2019-08-26
• 公開（公告）號: CN110501776B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 王偉;林天旭;楊騏豪;周凡迪;李正然;徐海東
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02
• 代理公司: 石家莊眾志華清知識產權事務所(特殊普通合伙) 13123
• 代理人: 張明月

本發明涉及一種單模單偏振微結構光纖，屬光纖技術領域。使用純石英作為基底材料，由若干空氣孔劃分中央芯區、內包層和包層缺陷區，同時設置了金缺陷區和外包層；記光纖的空氣孔間距為Λ，記需要濾除的偏振模式的方向為x方向，記需要傳輸的偏振模式的方向為y方向；在x方向上由內至外依次為中央芯區、包層缺陷區、金缺陷區及外包層，并且包層缺陷區、金缺陷區及外包層均關于中央芯區的y方向中軸線對稱；在y方向上由內至外依次為中央芯區和內包層；在光纖中心位置通過忽略y方向空氣孔的方式構建矩形的中央芯區；包層缺陷區通過忽略x方向的空氣孔的方式構建。本發明的光纖更好地實現微結構光纖的單模單偏振傳輸特性。

技術領域

本發明涉及一種單模單偏振微結構光纖，屬光纖技術領域。

背景技術

隨著科技發展，光纖通信技術已成為當代通信技術的主要支柱之一。光纖作為光信號的傳輸媒質，在光纖通信網中起著舉足輕重的作用。傳統的圓對稱單模光纖同時傳輸兩個線偏振正交模式，若光纖縱向均勻，同時截面的形狀和折射率均是完美的圓對稱，那么這兩個正交的偏振模式在光纖中將會以相同的速度向前傳輸且不會發生變化。但是，在實際拉制過程中光纖不可能實現完美圓對稱，因此兩個正交的偏振模式會在傳輸過程中發生耦合造成串擾，嚴重影響信號的傳輸質量。單模單偏振光纖無疑是解決以上問題的有效方案：這種光纖某一方向的偏振模式損耗很高，通過有限距離的傳輸后此高損耗的偏振模式將被濾除，而僅保留另一個偏振模式，即能保證在光纖中穩定的傳輸一個偏振模式。由于只傳輸一個偏振模式，避免了由于偏振模式耦合帶來的串擾等問題，故單模單偏振光纖在高速光通信系統具有廣闊的應用前景。

微結構光纖結構設計靈活，能夠更好地實現單模單偏振的特性。對于現有的微結構光纖，其實現單模單偏振特性的常用技術方案為：（1）降低光纖整體對稱性（例如改變芯區或包層空氣孔的排布方式、尺寸、形狀等），在芯區引入雙折射，使兩正交的偏振模式的折射率產生差值；（2）在包層二維分布的空氣孔結構中，通過在合適位置（距離芯區不能過遠）忽略空氣孔的方式形成缺陷區，并使其支持模式傳輸；（3）合理優化光纖整體結構，使芯區需要濾除的偏振模式和包層缺陷區模式兩者在同一通信波長下折射率存在交點，發生強耦合。通過模式耦合效應將芯區中需要濾除的偏振模式的能量轉移到包層缺陷區。由于芯區存在雙折射，故另一偏振模式（需要穩定傳輸的偏振模式）折射率與包層缺陷區模式折射率存在較大的折射率差，在工作波長處難以耦合或者耦合極弱，能量仍被限制在纖芯中；（4）由于包層缺陷區更靠近包層邊緣，其外側空氣孔層數少，因此從纖芯耦合到包層缺陷區的偏振模式的光能量，將以泄露的形式損耗掉。故上述技術方案是通過令能量先耦合再泄露的方式提高芯區中需要濾除的偏振模式的損耗，使該模式在有限距離衰減，同時保證了另一模式的正常傳輸，達到提高兩個偏振模式的損耗差值的目的，最終實現等效單模單偏振傳輸的技術效果。比如，Chen M Y等人設計的單模單偏振微結構光纖：首先，通過改變空氣孔排列，構建矩形芯實現芯區的雙折射，使得芯區x與y方向產生折射率差，在此基礎上，在包層的x方向通過忽略兩個相鄰空氣孔引入缺陷區，然后調整光纖結構參數，令芯區x方向模式與包層缺陷區的模式折射率匹配實現耦合。最后，芯區x偏振模式的能量將通過耦合的方式轉移至包層缺陷區，進而經由外層空氣孔間的石英通道將能量泄漏出去。采用該技術方案，Chen M Y等人最終在1550nm的通信波長處所獲得的結果為：x方向（即需要濾除方向）損耗為13.60dB/m，y方向（即光信號傳輸方向）損耗為3.50×10^-4dB/m。

微結構光纖雖然與傳統階躍光纖均采用折射率引導（構建芯區高于包層的折射率分布，使用全內反射效應）的機理進行導光，但是與傳統階躍光纖不同的是，微結構光纖是依靠在石英基底中引入空氣孔的方法來降低包層等效折射率的。由于兩個相鄰空氣孔間總存在著石英通道，因此，微結構光纖的芯區和包層邊界條件不封閉，其傳輸模式本質上是一種泄露模式。微結構光纖之所以能低損耗的將光能量限制于纖芯中，依靠的是多層空氣孔共同、依次作用，逐層將泄露的光能量重新限制回芯中。在保證光纖其他參數不變的前提下，包層空氣孔與光纖損耗的關系為：空氣孔層數增多，光纖的損耗將降低；反之，空氣孔層數減少，光纖的損耗將變大。