光子晶体光纤型单模光纤的制作方法

本发明涉及单模光纤，尤其涉及，光子晶体光纤型单模光纤。
背景技术：
：下面先对本发明涉及到的术语给出定义，其中普通术语符合本领域惯例；本说明书的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。参见折射率剖面图，纤芯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。纤芯中央圆形分层、第一环形分层和第二环形分层的相对折射率差Δ0、Δ1和Δ2以单位％计，分别定义为Δ0＝(n02-nc12)/2n02；Δ1＝(n12-nc12)/2n02；Δ2＝(n22-nc12)/2n02；其中，n0和n2分别表示纤芯中央圆形分层和第二环形分层的最大折射率；n1表示第一环形分层的最小折射率；nc1表示外包层的均匀折射率。本说明书使用如下结构变量：H1＝r1-a；H2＝r2-r1；p1＝Δ1/Δ0；p2＝Δ2/Δ0；n1小于nc1的光纤称为凹陷包层光纤，其中相对凹陷深度定义为Δ1和Δ0之比。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。纤芯中央圆形分层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是所述纤芯中央圆形分层的半径；α取任意值，α大于10可以看作阶跃型折射率剖面。α折射率剖面包括与其光传输性能相似的其他折射率剖面。色度色散系数以单位ps/(nm·km)计，本说明书简称为色散。色度色散斜率系数以单位ps/(nm2·km)计，本说明书简称为色散斜率。有效面积以单位μm2计，定义为Aeff＝2π(∫E2(r)rdr)2/(∫E4(r)rdr)，其中，积分限为0至∞；E(r)是光传播所伴随的电场，r是所处位置半径。宏弯损耗利用下述公式计算：αmacro=10ln10(πV816aRbW3)exp(-4R6ΔW33aV2)[∫0∞(1-g)F0rdr]2∫0∞F02r2rdr]]>g=n(r)2-nmin2nmax2-nmin2,V=kanmax2-nmin2]]>W=aβ2-(knmin)2,Δ=nmax2-nmin22nmax2]]>五十年前高锟发明的光纤和二十年前如火如荼兴起的光子晶体光纤标志着两大飞跃。光子晶体光纤非线性应用可能孕育科学突破的预言已被2014年诺贝尔医学和生理学奖与化学奖所证实；然而首先问世的无限单模光子晶体光纤迄今一直未能在长途通信光纤中获得商业应用。目前光子晶体光纤研究正处于从基础科学应用向工业应用转变，本专利所涉及的光子晶体光纤型光纤可以改进无限单模光子晶体光纤，在长途通信光纤总获得商业应用。它是一种尺寸可以和波长比拟的光纤，具有某些类似光子晶体光纤的性能，可以利用光子晶体光纤新颖的设计制造方法的基本原理实现批量生产。光子晶体光纤现在只能少量手工制造，需要反复制造和测试；发明人从中提炼出如下新颖的精髓。当光纤性能飞跃时，设计和制造方法必须集成一体，由三个环节组成：首先制造一组性能稍有不同的光纤；第二必须考虑生产过程中光纤性能自然的变化；第三选择一个最接近目标的光纤。发明人经过多年的理论研究，提出了靶向设计方法。它不仅可以使设计和制造方法集成一体，而且无需反复制造和测试，使得批量生产可以代替手工操作和少量制作。首先，靶向设计方法是一种设计光纤的系统工程方法。系统中三包层单模光纤在给定的相对凹陷深度p1下初始色散斜率S0经过优化；光纤可以通过改变p1成为p1＝-1.413的光纤。第二，在靶向设计方法中p1变化范围大，例如从-0.367变化到-1.413，可以预先设定生产流程中光纤性能较大的生产误差。第三，最接近目标的光纤可以由包含p1＝-1.413的性能参数的光纤得到。批量生产的控制变量可以减少到3个，分别是所述纤芯中央圆形分层、所述第一环形分层和所述第二环形分层的容许公差Δ0a、Δ1H1和Δ2H2。对照国际标准和光纤制造工艺，本专利给出批量生产可以接受的控制变量的容许公差。技术实现要素：所发明光子晶体光纤型单模光纤最终产品，高次模截止波长小于1400nm；在波长1400nm下最小色散大于2.0ps/(nm·km)；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm2。一种光子晶体光纤型单模光纤最终产品，在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm2；模场直径不大于8.60μm；在弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.003dB/100圈；在波长1700nm下最大色散不大于7.1ps/(nm·km)。其设计和制造方法如下：设计取光纤结构参数α≥10；Δ0＝0.27到0.45％；Δ1＝-0.367到-0.486Δ0；Δ2≤Δ0；a＝3.05到3.84μm；H1＝1.17到1.74a；H2＝0.22到0.29a。在批量生产中可以接受的Δ0a、Δ1H1和Δ2H2的正公差分别不小于+15％、+53％和+58％。最后得到光纤结构参数α≥10；Δ0＝0.27到0.45％；Δ1＝-0.876到-1.413Δ0；Δ2≤Δ0；a＝3.59到4.57μm；H1＝0.51到0.92a；H2＝0.28到0.39a所对应的光纤性能。一种光子晶体光纤型单模光纤最终产品，在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm2；模场直径不大于9.30μm；在弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.05dB/100圈；在波长1700nm下最大色散不大于8.8ps/(nm·km)。其设计和制造方法如下：设计取光纤结构参数α≥10；Δ0＝0.27到0.45％；Δ1＝-0.367到-0.486Δ0；Δ2≤Δ0；a＝3.23到4.03μm；H1＝1.16到1.74a；H2＝0.21到0.29a。在批量生产中可以接受的Δ0a、Δ1H1和Δ2H2正公差分别不小于+15％、+54％和+66％。最后得到光纤结构参数α≥10；Δ0＝0.27到0.45％；Δ1＝-0.876到-1.413Δ0；Δ2≤Δ0；a＝3.59到4.57μm；H1＝0.51到0.92a；H2＝0.28到0.39a所对应的光纤性能。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是所发明光纤的理想折射率剖面的一种情况。未画出由于工艺原因在光纤轴线附近出现的不大的中心凹陷，未画出实际折射率剖面与所述理想折射率剖面不大的差异。图2是所发明光纤的理想折射率剖面的一种情况。纤芯中央圆形分层采用纯SiO2材料，可以避免在光纤轴线附近出现中心凹陷。未画出实际折射率剖面与所述理想折射率剖面不大的差异。所述α折射率剖面，当α大于10可以看作阶跃型折射率剖面，上述两种折射率剖面之间的过度是连续的。具体实施方式在图1中，1、2、3和4分别表示所述光纤的纤芯中央圆形分层、第一环形分 层、第二环形分层和外包层，5、6和7分别表示所述纤芯中央圆形分层半径a、所述第一环形分层宽度H1和所述第二环形分层宽度H2。n0是所述纤芯中央圆形分层α折射率剖面的最高折射率，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表示所述外包层的均匀折射率。在图2中，1、2、3和4分别表示所述光纤的纤芯中央圆形分层、第一环形分层、第二环形分层和外包层，5、6和7分别表示所述纤芯中央圆形分层半径a、所述第一环形分层宽度H1和所述第二环形分层宽度H2，n0、n1和n2分别表示所述纤芯中央圆形分层、所述第一环形分层和所述第二环形分层的均匀折射率，nc1表示所述外包层的均匀折射率。表1给出了按图1所述实施方式实现所述光子晶体光纤型单模光纤初始设计和最终产品的参数范围的一组示例结构参数。表1结构参数指标纤芯中央圆形分层折射率剖面参数α≥5纤芯中央圆形分层相对折射率差Δ0＝0.26到0.60％纤芯中央圆形分层半径a＝3.00到5.10μm第一环形分层相对折射率差Δ1＝-0.367到-1.413Δ0第一环形分层宽度H1＝0.51到1.74a第二环形分层相对折射率差Δ2≤Δ0第二环形分层宽度H2＝0.21到0.39a所述光子晶体光纤型单模光纤最终产品，高次模截止波长小于1400nm；在波长1400nm下最小色散大于2.0ps/(nm·km)；在波长1550nm下有效面积大于55.0μm2。一种所述光子晶体光纤型单模光纤最终产品，在波长1550nm下有效面积不小于60.0μm2；模场直径不大于8.60μm；在弯曲半径5mm时弯曲损耗小0.003dB/100圈；在波长1700nm下最大色散不大于7.1ps/(nm·km)。表2给出了按图2所述实施方式实现上述光子晶体光纤型单模光纤的一组示例的初始设计的结构参数。表2结构参数指标纤芯中央圆形分层折射率剖面参数α≥10纤芯中央圆形分层相对折射率差Δ0＝0.27到0.45％纤芯中央圆形分层半径a＝3.05到3.84μm第一环形分层相对折射率差Δ1＝-0.367到-0.486Δ0第一环形分层宽度H1＝1.17到1.74a第二环形分层相对折射率差Δ2≤Δ0第二环形分层宽度H2＝0.17到0.21a考虑到批量生产可接受的Δ0a、Δ1H1和Δ2H2的正公差分别不小于+15％、+53％和+58％，表3给出了按图2所述实施方式实现上述光子晶体光纤型单模光纤最终产品的一组示例结构参数。表3结构参数指标纤芯中央圆形分层折射率剖面参数α≥10纤芯中央圆形分层相对折射率差Δ0＝0.27到0.45％纤芯中央圆形分层半径a＝3.59到4.57μm第一环形分层相对折射率差Δ1＝-0.876到-1.413Δ0第一环形分层宽度H1＝0.28到0.39a第二环形分层相对折射率差Δ2≤Δ0第二环形分层宽度H2＝0.24到0.30a一种所述光子晶体光纤型单模光纤最终产品，在波长1550nm下有效面积不小于70.0μm2；模场直径不大于9.30μm；在弯曲半径5mm时弯曲损耗小于0.05dB/100圈；在波长1700nm下最大色散不大于8.8ps/(nm·km)。表4给出了按图2所述实施方式实现上述光子晶体光纤型单模光纤初始设计的一组示例结构参数。表4结构参数指标纤芯中央圆形分层折射率剖面参数α≥10纤芯中央圆形分层相对折射率差Δ0＝0.26到0.46％纤芯中央圆形分层半径a＝3.23到4.03μm第一环形分层相对折射率差Δ1＝-0.367到-0.486Δ0第一环形分层宽度H1＝1.16到1.74a第二环形分层相对折射率差Δ2≤Δ0第二环形分层宽度H2＝0.21到0.29a考虑到批量生产可接受的Δ0a，Δ1H1和Δ2H2的正公差分别不小于+15％、+54％和+66％，表5给出了按图2所述实施方式实现上述光子晶体光纤型单模光纤最终产品的一组示例结构参数。表5结构参数指标纤芯中央圆形分层折射率剖面参数α≥10纤芯中央圆形分层相对折射率差Δ0＝0.27到0.45％纤芯中央圆形分层半径a＝3.59到4.57μm第一环形分层相对折射率差Δ1＝-0.876到-1.413Δ0第一环形分层宽度H1＝0.51到0.92a第二环形分层相对折射率差Δ2≤Δ0第二环形分层宽度H2＝0.28到0.39a表1到表5所列数据对应于下述条件：所述纤芯中央圆形分层的折射率剖面基本上是α折射率剖面，无中心凹陷，包括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外包层基底材料基本上是均匀的，包括光学传输性能相似的接近于均匀的其他折射率剖面。当实际情况与所述条件稍有差异时，对应数据与表列稍有不同。所发明的光子晶体光纤型单模光纤具有如下特征和优点：色散特性堪比无限单模光子晶体光纤，性能的飞跃伴随设着设计和制造方法的飞跃，靶向设计方法不仅可以使设计和制造方法集成一体，而且无需反复制造和测试，使得批量生产可以代替手工操作和少量制作，有望克服无限单模光子晶体光纤二十年来在长途极宽频带通信光纤方面应用最关键的障碍。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。对这些实施例进行各种修改，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实例不需要创造性。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。当前第1页1 2 3