[发明专利]一种单模单偏振微结构光纤

说明书

本发明涉及一种单模单偏振微结构光纤，属光纤技术领域。使用纯石英作为基底材料，由若干空气孔划分中央芯区、内包层和包层缺陷区，同时设置了金缺陷区和外包层；记光纤的空气孔间距为Λ，记需要滤除的偏振模式的方向为x方向，记需要传输的偏振模式的方向为y方向；在x方向上由内至外依次为中央芯区、包层缺陷区、金缺陷区及外包层，并且包层缺陷区、金缺陷区及外包层均关于中央芯区的y方向中轴线对称；在y方向上由内至外依次为中央芯区和内包层；在光纤中心位置通过忽略y方向空气孔的方式构建矩形的中央芯区；包层缺陷区通过忽略x方向的空气孔的方式构建。本发明的光纤更好地实现微结构光纤的单模单偏振传输特性。

技术领域

本发明涉及一种单模单偏振微结构光纤，属光纤技术领域。

背景技术

随着科技发展，光纤通信技术已成为当代通信技术的主要支柱之一。光纤作为光信号的传输媒质，在光纤通信网中起着举足轻重的作用。传统的圆对称单模光纤同时传输两个线偏振正交模式，若光纤纵向均匀，同时截面的形状和折射率均是完美的圆对称，那么这两个正交的偏振模式在光纤中将会以相同的速度向前传输且不会发生变化。但是，在实际拉制过程中光纤不可能实现完美圆对称，因此两个正交的偏振模式会在传输过程中发生耦合造成串扰，严重影响信号的传输质量。单模单偏振光纤无疑是解决以上问题的有效方案：这种光纤某一方向的偏振模式损耗很高，通过有限距离的传输后此高损耗的偏振模式将被滤除，而仅保留另一个偏振模式，即能保证在光纤中稳定的传输一个偏振模式。由于只传输一个偏振模式，避免了由于偏振模式耦合带来的串扰等问题，故单模单偏振光纤在高速光通信系统具有广阔的应用前景。

微结构光纤结构设计灵活，能够更好地实现单模单偏振的特性。对于现有的微结构光纤，其实现单模单偏振特性的常用技术方案为：（1）降低光纤整体对称性（例如改变芯区或包层空气孔的排布方式、尺寸、形状等），在芯区引入双折射，使两正交的偏振模式的折射率产生差值；（2）在包层二维分布的空气孔结构中，通过在合适位置（距离芯区不能过远）忽略空气孔的方式形成缺陷区，并使其支持模式传输；（3）合理优化光纤整体结构，使芯区需要滤除的偏振模式和包层缺陷区模式两者在同一通信波长下折射率存在交点，发生强耦合。通过模式耦合效应将芯区中需要滤除的偏振模式的能量转移到包层缺陷区。由于芯区存在双折射，故另一偏振模式（需要稳定传输的偏振模式）折射率与包层缺陷区模式折射率存在较大的折射率差，在工作波长处难以耦合或者耦合极弱，能量仍被限制在纤芯中；（4）由于包层缺陷区更靠近包层边缘，其外侧空气孔层数少，因此从纤芯耦合到包层缺陷区的偏振模式的光能量，将以泄露的形式损耗掉。故上述技术方案是通过令能量先耦合再泄露的方式提高芯区中需要滤除的偏振模式的损耗，使该模式在有限距离衰减，同时保证了另一模式的正常传输，达到提高两个偏振模式的损耗差值的目的，最终实现等效单模单偏振传输的技术效果。比如，Chen M Y等人设计的单模单偏振微结构光纤：首先，通过改变空气孔排列，构建矩形芯实现芯区的双折射，使得芯区x与y方向产生折射率差，在此基础上，在包层的x方向通过忽略两个相邻空气孔引入缺陷区，然后调整光纤结构参数，令芯区x方向模式与包层缺陷区的模式折射率匹配实现耦合。最后，芯区x偏振模式的能量将通过耦合的方式转移至包层缺陷区，进而经由外层空气孔间的石英通道将能量泄漏出去。采用该技术方案，Chen M Y等人最终在1550nm的通信波长处所获得的结果为：x方向（即需要滤除方向）损耗为13.60dB/m，y方向（即光信号传输方向）损耗为3.50×10^-4dB/m。

微结构光纤虽然与传统阶跃光纤均采用折射率引导（构建芯区高于包层的折射率分布，使用全内反射效应）的机理进行导光，但是与传统阶跃光纤不同的是，微结构光纤是依靠在石英基底中引入空气孔的方法来降低包层等效折射率的。由于两个相邻空气孔间总存在着石英通道，因此，微结构光纤的芯区和包层边界条件不封闭，其传输模式本质上是一种泄露模式。微结构光纤之所以能低损耗的将光能量限制于纤芯中，依靠的是多层空气孔共同、依次作用，逐层将泄露的光能量重新限制回芯中。在保证光纤其他参数不变的前提下，包层空气孔与光纤损耗的关系为：空气孔层数增多，光纤的损耗将降低；反之，空气孔层数减少，光纤的损耗将变大。