一种新型大模场低弯曲损耗光纤

摘要

本发明公开了一种新型大模场低弯曲损耗光纤，包括纤芯层、包层和基底，包层置于纤芯层的外部，纤芯层和包层设置于基底中；纤芯层包括多个低掺杂的微结构氟棒；包层由内到外依次为第一空气孔层、氟棒层和第二空气孔层，第一空气孔层在第一侧设置有多个大直径空气孔；氟棒层在第一侧设置有多个低掺杂的大直径氟棒，在第二侧设置有多个低掺杂的小直径氟棒；第二空气孔层在第二侧设置有多个小直径空气孔；微结构氟棒、大直径氟棒和小直径氟棒的折射率小于基底的折射率。本发明的光纤能够在小半径弯曲的情况下，将高阶模式扩散到包层中，增加高阶模式的损耗，滤掉纤芯中高阶模式，使得整个纤芯内只包含基模，可减小基模的弯曲损耗，提高光纤传输质量。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种新型大模场低弯曲损耗光纤。

背景技术

光电互联技术是以机械工程科学、电子科学、光子科学与信息科学等为基础，以材料、元器件、互联设计与工艺等基本技术为支撑，通过光信号传输，把光源、互联通道、收发器等组成部分连成一体，彼此间高速交换信息的一种高效的光和电混合互联技术，是电气互联技术中一项典型的多学科、综合性工程技术。其主要技术包含光电互联设计与工艺、光电印制电路板和光电元器件及其封装的设计与工艺技术等。

挠性光电互联基板在实际运用过程中，弯曲是工作常态，弯曲半径经常减小到10cm，将会引起大量的弯曲损耗，严重损害光信号传输质量。普通光纤在弯曲半径为10cm甚至更小时，难保持较低的弯曲损耗。想要获得更高的弯曲损耗性能只能减小芯层的半径，从而确保单模状态，但会严重影响其使用寿命以及光路耦合效率。而且，随着输出功率的增加，光纤纤芯功率的增加会增强光纤中的非线性行为，影响光纤性能传输。针对在弯曲半径为cm级(弯曲半径为10cm)时，为降低光纤非线性，实现弯曲不敏感大模场单模传输光纤结构设计，亟需设计一种具有空气孔与低折射率氟棒的新型大模场低弯曲损耗光纤。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种新型大模场低弯曲损耗光纤，其能够在小半径弯曲的情况下，将高阶模式扩散到包层中，增加高阶模式的损耗，滤掉纤芯中高阶模式，使得整个纤芯内只包含基模，减小基模的弯曲损耗，提高光纤传输质量。

本发明的一种新型大模场低弯曲损耗光纤，包括纤芯层、包层和基底，所述包层置于所述纤芯层的外部，所述纤芯层和所述包层设置于所述基底中；所述纤芯层包括多个低掺杂的微结构氟棒；所述包层由内到外依次为第一空气孔层、氟棒层和第二空气孔层，其中：

所述第一空气孔层在第一侧设置有多个大直径空气孔，所述大直径空气孔能够将光束缚在纤芯层，降低基模弯曲损耗；

所述氟棒层在第一侧设置有多个低掺杂的大直径氟棒，在第二侧设置有多个低掺杂的小直径氟棒，相对于所述大直径空气孔，增加所述大直径氟棒和所述小直径氟棒有利于维持基模的有效模场面积；

所述第二空气孔层在第二侧设置有多个小直径空气孔；所述微结构氟棒、所述大直径氟棒和所述小直径氟棒的折射率均小于所述基底的折射率。

进一步的，所述纤芯层中多个所述微结构氟棒呈正六边形周期性排列，所述氟棒层中多个所述大直径氟棒和所述小直径氟棒亦呈正六边形周期性排列。

进一步的，所述微结构氟棒的孔间距Λ

进一步的，所述小直径空气孔的直径d

进一步的，所述大直径氟棒的直径d

进一步的，所述微结构氟棒的折射率为1.4495。

进一步的，所述大直径氟棒和所述小直径氟棒的折射率为1.4455-1.4495。

进一步的，所述基底的折射率为1.45。

进一步的，所述基底为二氧化硅。

进一步的，还包括完全匹配层，所述完全匹配层设置于所述包层的外部。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的一种新型大模场低弯曲损耗光纤，其能够在小半径弯曲的情况下，将高阶模式扩散到包层中，增加高阶模式的损耗，滤掉纤芯中高阶模式，使得整个纤芯内只包含基模，可减小基模的弯曲损耗，提高光纤传输质量；

包层的第一空气孔层中，在一侧设置有多个大直径空气孔，该大直径空气孔能够将光束缚在纤芯层，降低基模弯曲损耗；

包层的氟棒层中，在一侧设置有多个低掺杂的大直径氟棒，在另一侧设置有多个低掺杂的小直径氟棒，相对于大直径空气孔，该大直径氟棒和小直径氟棒有利于维持基模的有效模场面积。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的新型大模场低弯曲损耗光纤的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的新型大模场低弯曲损耗光纤的基模与高阶模式的弯曲损耗在不同弯曲半径条件下的趋势图；

图3为本发明实施例2提供的新型大模场低弯曲损耗光纤的基模与高阶模式有效模场面积在不同弯曲半径条件下的趋势图；

图4为本发明实施例2提供的新型大模场低弯曲损耗光纤在弯曲条件下的基模电场模分布图；

图5为本发明实施例2提供的新型大模场低弯曲损耗光纤在弯曲条件下基模的电场模分布图；

图6为本发明实施例2提供的新型大模场低弯曲损耗光纤在弯曲条件下高阶模式的电场模分布图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

光强在光纤中呈高斯分布，且随着离纤芯距离增大呈指数型衰减，即在中心轴线处光强最强，随着纤芯半径的增大而逐渐减弱。若光纤弯曲，光场分布则会发生变化。光纤弯曲时，光纤中的一些模场会扩散到包层。为了保持模式的完整性，同相位的电场和磁场需在一个平面内，当离纤芯距离为某一临界距离处时，包层中的部分光场会以大于光速度前行，这种情况不会发生，因此，一部分光能变成辐射模，辐射到光纤外，导致光能损失，这就是弯曲损耗的物理本质。由此可知，随着弯曲半径减小，光能辐射越大，损耗越大。

光纤的非线性系数与基模有效模场面积成反比，增大有效模场面积可以有效地降低其非线性效应。光纤基模有效模场面积表达式为：

式(1)中E(x,y)为光纤截面横向电场。

光纤在外力的作用下，电磁场会突破纤芯的束缚，辐射到包层中泄漏到空气，导致损耗增加。为了保证光纤传输质量，必须保证光纤的损耗足够小。光纤弯曲后，沿轴向传播常数β虚部不为0，光纤中各模式损耗由其传播常数β虚部求解而得，模式损耗计算公式为：

式(2)中，β为轴向传播常数，n

实施例1

本实施例提供了一种新型大模场低弯曲损耗光纤，如图1所示，包括纤芯层、包层和基底，包层置于纤芯层的外部，纤芯层和包层设置于基底中。纤芯层包括多个低掺杂的微结构氟棒，包层由内到外依次为第一空气孔层、氟棒层和第二空气孔层，其中：

第一空气孔层在第一侧设置有多个大直径空气孔，大直径空气孔能够将光束缚在纤芯层，降低基模弯曲损耗；

氟棒层在第一侧设置有多个低掺杂的大直径氟棒，在第二侧设置有多个低掺杂的小直径氟棒，相对于大直径空气孔，增加大直径氟棒和小直径氟棒有利于维持基模的有效模场面积；

第二空气孔层在第二侧设置有多个小直径空气孔；

上述微结构氟棒、大直径氟棒和小直径氟棒的折射率均小于基底的折射率。

基于上述结构，本实施例的新型大模场低弯曲损耗光纤能够在小半径弯曲的情况下，将高阶模式扩散到包层中，增加高阶模式的损耗，滤掉纤芯中高阶模式，使得整个纤芯内只包含基模，减小基模的弯曲损耗，提高光纤传输质量。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

纤芯层中，6个低掺杂的微结构氟棒呈正六边形周期性排列，孔间距Λ

第一空气孔层中，缺失左侧的3个空气孔，同时右侧的3个空气孔为大直径空气孔，大直径空气孔的直径d

氟棒层中，左侧为6个低掺杂的小直径氟棒，右侧为5个低掺杂的大直径氟棒，大直径氟棒和小直径氟棒呈正六边形周期性排列，大直径氟棒的直径d

第二空气孔层中，缺失右侧的7个空气孔，左侧的11个空气孔为小直径空气孔，小直径空气孔的直径d

基底为二氧化硅，该二氧化硅的折射率为1.45。

包层的外部设置有完全匹配层(Perfect Matched Layers，PML)吸收边界条件。

基于上述结构，由计算机仿真分析结果可知，随着微结构氟棒直径d

图3与图4显示了有效模场面积与模场分布随d

图5和6为本实施例光纤在弯曲半径为10cm时，基模与高阶模式的电场分布图。可以看出高阶模式扩散到包层，其弯曲损耗增大(>1dB/m)，实现单模传输。本实施例光纤的纤芯层具有低折射率氟棒的微芯结构，该结构能够降低纤芯层的有效折射率，减小纤芯层与包层的有效折射率差，降低约束光的能力，从而增加基模效模场面积。弯曲方向上的空气孔可将基模限制纤芯，降低基模的弯曲损耗，同时滤掉高阶模，增大高阶模的弯曲损耗，保证光纤能实现单模传输。

为了验证光纤弯曲损耗性能的优异性，本实施例对比分析了本实施例光纤与已发表的经典模型的弯曲特性，如表1所示。由表1可知，文献[1]中弯曲半径为15cm，其弯曲损耗与有效模场面积分别为0.04dB/m，790μm

表1几种光纤弯曲损耗性能对比分析

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。