专利名称：一种大模场光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及具有大模场、单模传输特性的光纤领域。
背景技术：
大模场光纤在高功率光纤激光器、放大器，以及强激光传输中有着重要的应 用。由光纤理论，要保证光纤是单模传输，对于阶跃折射率光纤来说，必须满足光纤的
归一化频率V小于2.405，这里緊=芊g^J ’ a为纤芯半
径，2为光波长，和/7dad分别为纤芯与包层的折射率。因此，要实现单模传输，在 增大纤芯半径以增大光纤模场面积的同时，必须减小纤芯和包层的折射率差。由于工艺 的限制，传统阶跃光纤的数值孔径NA(NA=) —般最低只能达到0.05左右。因
此传统光纤很难获得大的模场面积。由于光子晶体光纤可以实现无休止单模传输，因此，采用光子晶体光纤结构可 以实现大模场单模传输。光子晶体光纤的纤芯直径可达100 μ m，但同样的，是以降低纤 芯与包层的折射率差为代价的，因此，轻微的弯曲就可能导致光无法在光纤中传输。采 用具有高折射率差的多模光纤实现大模场传输[S. Ramachandran, et al "Light propagation with ultralarge modal areas in optical fibers,” Opt. Lett., 2006, 31 (12): 1797],其方法是将输 入光通过光纤光栅转换为某一高阶模，再利用高阶模模场面积较大的特点，实现等效的 单模传输，但这种方法需要在光纤两端刻制光纤光栅，工艺复杂，同时由于光栅转换效 率的限制，光纤并非是完全单模传输的。基于六个空气孔环绕纤芯的大模场光纤[W. S. Wong, et al., "Breaking the limit of maximum effective area for robust single-mode propagation in optical fibers," Opt. Lett., 2005, 30(21): 2855],这种结构利用光纤中高阶模损耗较高而 光纤基模损耗较低的特点，再通过将光纤弯曲的方法，可以进一步增大光纤基模与高阶 模的损耗差，从而有效地去除高阶模。但这种光纤实际上并非真正的单模光纤。通过 在包层中引入多层结构，也可以获得大模场光纤[A. Kumar, et al., "Design and analysis of a multilayer cladding large-mode-area optical fibre," J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2008, 10 (1), 015303],但同样，光纤中的高阶模并不能完全去除。通过在纤芯中引入微结构的方法，可 以获得新型的单模光纤。纤芯由折射率 高于包层折射率的介质棒组成，而纤芯的基质材料可以采用与包层相同的材料或采用折 射率低于包层的材料组成，从而使纤芯具有较低的等效折射率，实现大模场面积的单模 传输[Μ. M. Vogel, et al., "Very-large-mode-area, single-mode multicore fiber," Opt. Lett.,
2009,34(18), 2876]。这种光纤需要在纤芯中引入多个介质棒，一般采用制作光子晶体光 纤常用的堆积_拉丝法实现。与制作传统光纤的MCVD等方法相比，这种方法在制作 预制棒的过程中需要较多的人工干预，由于微结构出现在纤芯，而纤芯中光密度是最大 的，因而会增加光纤的传输损耗，同时，也不适于大批量的生产。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种微结构的大模场光纤，该光纤的折射率 分布具有圆对称性，较低的纤芯等效折射率，适合大批量的生产。本发明的技术方案为包括纤芯和包层，纤芯包括截面为圆形的内纤芯，多个 低折射率环形层和高折射率环形层交替排布在内纤芯外；高折射率环形层的层数》； 内纤芯的折射率η。、包层折射率ndad、高折射率环形层的折射率nh、低折射率环形层的 折射率Ii1之间的关系为nh>ni=ndad且I^ngni;与包层相邻的为高折射率环形层，与内 纤芯相邻的环形层与其折射率不同；高折射率环形层和低折射率环形层之间的折射率差 <0.006。该发明的进一步改进为高折射率环形层的厚度均相等，低折射率环形层的厚 度均相等；低折射率环形层的厚度d ^与高折射率环形层的厚度dh之间的关系为Ci1/ dh<5 ；内纤芯的半径R与低折射率环形层Ci1和高折射率环形层的厚度dh之间的关系为 RddM)/2。本发明的有益效果纤芯由圆形的内纤芯及在内纤芯外侧交替排布的若干同 心的低折射率层和高折射率层组成，横截面具有圆对称性，使折射率仅在光纤的径向变 化，而角度方向不变，从而获得较低的纤芯等效折射率。以上的结构可以采用光纤预制 棒制作工艺，对光纤的折射率分布进行精确的控制和制作，可实现大模场光纤的批量生 产，有效降低大模场光纤的制作成本。也避免了引入杂质的缺点以及介质棒表面的光洁 度等对成品光纤的传输损耗等性能的影响。
图1为实施例一光纤横截面示意图2为图1光纤沿光纤径向的折射率分布示意图； 图3为图1光纤基模沿光纤径向的场分布图； 图4为实施例二光纤横截面示意图； 图5为图4光纤沿光纤径向的折射率分布示意图； 图6为图4光纤基模沿光纤径向的场分布图； 图7为实施例四的光纤横截面示意其中1-内纤芯，2-低折射率环形层，3-高折射率环形层，4-包层。
具体实施例方式如图1所示，本发明的大模场光纤包括纤芯和包层4，纤芯包括截面为圆形的内 纤芯1，多个低折射率环形层2和高折射率环形层3交替排布在内纤芯外；高折射率环形 层3的层数》；内纤芯1的折射率η。、包层4折射率ndad、高折射率环形层3的折射率 nh、低折射率环形层2的折射率ηι之间的关系为nh>ni=ndad且I^ngni ；与包层4相邻 的为高折射率环形层3，与内纤芯1相邻的环形层与其折射率不同；高折射率环形层3和 低折射率环形层2之间的折射率差动.006。对于每个环形层来说，它与相邻两个区域的 折射率大小关系应满足低折射率环形层2的折射率总是小于与其相邻的两个区域的折 射率，高折射率环形层3的折射率总是大于与其相邻的两个区域的折射率。由于纤芯的等效折射率大于包层4的折射率，这种光纤是一种基于全内反射原理的折射率引导型光 纤。本发明采用内纤芯1和折射率不同的环形层组成了纤芯，通过调整纤芯的尺 寸和各个区域的参数可以灵活地调整纤芯的等效折射率。由光纤理论，当微结构光纤 的尺寸足够小时，采用折射率平均的方法可以计算出其包层等效折射率[P. S. J. Russell, "Photonic-Crystal Fibers," Journal of Lightwave Technology 24, 4729 (2006)]。相类似地，
对于本发明的微结构纤芯，纤芯的等效折射率n。。re可采用如下公式计算得到
权利要求
1.一种大模场光纤，包括纤芯和包层，其特征在于纤芯包括截面为圆形的内纤 芯，多个低折射率环形层和高折射率环形层交替排布在内纤芯外；所述高折射率环形层 的层数』；内纤芯的折射率η。、包层折射率ndad、高折射率环形层的折射率nh、低折射率 环形层的折射率Ii1之间的关系为nh>ni=ndad且与包层相邻的为高折射率环形 层，与内纤芯相邻的环形层与其折射率不同；所述高折射率环形层和低折射率环形层之 间的折射率差《0.006。
2.根据权利要求1所述的大模场光纤，其特征在于所述高折射率环形层的厚度均 相等，根据权利要求1所述的大模场光纤，其特征在于所述低折射率环形层的厚度均相等。
3.根据权利要求2或3所述的大模场光纤，其特征在于，所述低折射率环形层的厚度 d 、与高折射率环形层的厚度dh之间的关系为(1/(165。
4.根据权利要求3所述的大模场光纤，其特征在于，所述内纤芯的半径R与低折射率 环形层Ci1和高折射率环形层的厚度dh之间的关系为RS^+dh)/^。
5.根据权利要求1所述的大模场光纤，其特征在于所述高折射率环形层和低折射 率环之间的折射率差《0.002。
6.根据权利要求1所述的大模场光纤，其特征在于所述高折射率环形层的层数为2 或3。
7.根据权利要求1所述的大模场光纤，其特征在于所述纤芯半径满足 >1.5,其中λ为传输的光波长，为纤芯半径，为纤芯的等效折射率，为包层折射率。
全文摘要
本发明公开一种大模场光纤，包括纤芯和包层，纤芯包括截面为圆形的内纤芯，多个低折射率环形层和高折射率环形层交替排布在内纤芯外；高折射率环形层的层数≥2；内纤芯的折射率nc、包层折射率nclad、高折射率环形层的折射率nh、低折射率环形层的折射率nl之间的关系为nh>nl=nclad且nh≥nc≥nl；与包层相邻的为高折射率环形层，与内纤芯相邻的环形层与其折射率不同；高折射率环形层和低折射率环形层之间的折射率差≤0.006。该光纤的折射率分布具有圆对称性，较低的纤芯等效折射率，适合大批量的生产。
文档编号G02B6/036GK102023334SQ20101058905
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者佟艳群, 张永康, 祝远锋, 陈明阳 申请人:江苏大学