一种O波段色散补偿光纤的制作方法

一种o波段色散补偿光纤
技术领域
1.本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种o波段色散补偿光纤。


背景技术：

2.在信息传输过程中，由于光纤中存在色散，使光脉冲发生展宽，造成码间干扰，降低了光纤通信网络的传输质量。为了减小色散在传输过程中产生的不良影响，具有色散补偿特性的光纤应运而生，该光纤通过产生负色散，来实现对前端光纤累积的正色散进行补偿，成为最具潜力的一类光通信传输介质。同时，随着5g的发展，光通信系统开始从s-l波段(1460～1625nm)向o波段(1260～1360nm)拓展，因此对o波段的色散补偿光纤产生了需求。
3.现有技术中实现大负色散特性，常采用多芯结构，利用模式耦合机理，使内芯、外芯(或缺陷)模式发生强烈能量耦合，导致内芯模式折射率数值在谐振点处突变，使得内芯模式产生绝对值很大的负色散。
4.其中一类实现大负色散特性的方案，光纤采用同轴双芯结构，其外芯是一个与内芯中心同轴的环状芯。此类光纤内、外芯几何形态差别较大，因此内、外芯基模折射率随波长变化的规律(模式折射率-波长曲线的斜率)差异较大，即容易实现斜率失配。在保证了内、外芯模式折射率随波长变化曲线斜率失配度大的前提下，调整内、外芯模式折射率数值，容易使两者在工作波长处相交，即在该波长实现内、外芯模式折射率数值匹配。利用上述方案实现的色散补偿光纤，工作波长一般位于c波段。相比c波段，o波段波长更短，采用同轴双芯结构的色散补偿光纤方案，很难实现工作波长的大幅度蓝移，因此上述方案难以将此种色散补偿光纤工作波长移动到o波段。其原因在于：光纤仍采用同轴双芯结构仅优化其结构参数，使工作波长蓝移至o波段，会导致内芯模式在工作波长处的负色散数值的绝对值、光纤与前端单模光纤的耦合损耗及光纤的限制和弯曲损耗等三方面性能急剧恶化：通过减小内芯的直径、减小内芯的折射率、增大外芯的宽度、增大外芯的折射率、增大内包层的宽度或增大外包层的折射率等方案，虽然可以使工作波长蓝移，但是上述方案不仅会导致内、外芯模式在工作波长处的耦合强度降低，使得内芯模式在工作波长处的大负色散数值的绝对值降低；而且会增强与前端单模光纤芯径尺寸的不匹配，导致此光纤与前端单模光纤的耦合损耗加剧；还会减小内芯与内包层的折射率差，导致内芯模式的限制损耗和弯曲损耗增大。
5.另外一类实现大负色散特性的方案，其在微结构光纤中构建多个环绕内芯的外芯(或缺陷)。此类光纤，从位置上看是多个外芯相互独立。但是从作用效果上看，各个外芯之间距离近且具有石英泄露通道，使各个外芯模式之间会发生能量耦合从而形成超模，此超模能量分布于所有外芯中。因此，多个外芯其实是作为一个整体起作用的，此类光纤的外芯实质上还是一个外环芯。
6.上述两类光纤本质上均是同轴双芯结构，通过构建几何形态差别较大的内、外芯，形成场分布形态差别很大的内、外芯模式，来增大内、外芯模式折射率随波长变化曲线斜率失配度。然而，此方案同时会导致内、外芯模式折射率数值匹配波长较长，所以基于此类内、
外芯形态差别大的同轴双芯结构很难蓝移到o波段。


技术实现要素：

7.本发明通过提供一种o波段色散补偿光纤，解决现有技术中无法得到性能良好的o波段色散补偿光纤的问题。
8.本发明提供一种o波段色散补偿光纤，包括：内芯、外芯和包层；所述内芯是以光纤中心为圆心的第一圆柱，所述内芯的半径r1为3.5～5.0μm，所述内芯的折射率为n1；n个所述外芯包围所述内芯，n个所述外芯的中心连线呈正n边形，每个所述外芯的中心与所述内芯的中心之间的距离均为λ，λ为18.0～32.0μm，n为大于等于4的偶数；所述外芯包括第二圆柱和第一圆环，所述第一圆环与所述第二圆柱同心且包裹所述第二圆柱；所述第一圆环的外半径r2为5.0～7.0μm，所述第一圆环的折射率为n1；所述第二圆柱的半径r3小于1260nm，所述第二圆柱的折射率为n3；所述包层为包围所述内芯和所述外芯的基底材料，所述包层的折射率为n2；其中，r2-r3﹥r1，n1﹥n2﹥n3。
9.优选的，所述基底材料采用纯石英玻璃，n1的范围为1.009n2～1.011n2。
10.优选的，所述第一圆柱、所述第一圆环均采用掺锗的石英玻璃。
11.优选的，n3的范围为0.9925n2～0.9935n2。
12.优选的，所述第二圆柱采用掺氟的石英玻璃。
13.优选的，r1的范围为4.4～4.6μm。
14.优选的，r2的范围为5.70～6.05μm。
15.优选的，r3的范围为0.91～1.09μm。
16.优选的，所述外芯的数量n为6时，所述外芯的中心与所述内芯的中心之间的距离λ为20.0～21.2μm。
17.优选的，所述外芯的数量n为4时，所述外芯的中心与所述内芯的中心之间的距离λ为28～30μm。
18.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
19.本发明内芯、外芯的构成、排布及折射率的设置，能够将工作波长蓝移至o波段；多个外芯结构上相互独立，且相关结构参数及间距的取值范围保证了相邻外芯模式间能量不耦合，进而使得多个外芯中模式的能量不会由于耦合作用而切向扩散形成环状超模；内芯、外芯的构成、排布不会使内芯模式产生双折射，不会影响内、外芯耦合效果，在满足上述条件基础上，外芯具有最大的分布密度及数量，能够最大化内、外芯的耦合强度，增大内芯模式在工作波长处的负色散绝对值的技术效果；内芯为实芯高折射率圆柱体，且其直径与单模光纤直径接近，能够实现与前端单模光纤的芯径与模场匹配，降低与前端单模光纤的耦合损耗。
附图说明
20.图1为本发明提供的一种o波段色散补偿光纤在包括6个外芯的情况下的横截面示意图；
21.图2为本发明实施例1提供的一种o波段色散补偿光纤的内、外芯模式的折射率数值随波长蓝移的曲线；
22.图3为本发明实施例1提供的一种o波段色散补偿光纤的内芯模式的色散数值随波长变化的曲线；
23.图4为本发明实施例2提供的一种o波段色散补偿光纤的内、外芯模式的折射率数值随波长蓝移的曲线；
24.图5为本发明实施例2提供的一种o波段色散补偿光纤的内芯模式的色散数值随波长变化的曲线；
25.图6为本发明实施例3提供的一种o波段色散补偿光纤的内、外芯模式的折射率数值随波长蓝移的曲线；
26.图7为本发明实施例3提供的一种o波段色散补偿光纤的内芯模式的色散数值随波长变化的曲线；
27.图8为本发明提供的一种o波段色散补偿光纤在包括4个外芯的情况下的横截面示意图；
28.图9为本发明实施例4提供的一种o波段色散补偿光纤的内、外芯模式的折射率数值随波长蓝移的曲线；
29.图10为本发明实施例4提供的一种o波段色散补偿光纤的内芯模式的色散数值随波长变化的曲线。
具体实施方式
30.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
31.本发明提供一种o波段色散补偿光纤，参见图1，包括：内芯、外芯和包层；所述内芯是以光纤中心为圆心的第一圆柱，所述内芯的半径r1为3.5～5.0μm，所述内芯的折射率为n1；n个所述外芯包围所述内芯，n个所述外芯的中心连线呈正n边形，每个所述外芯的中心与所述内芯的中心之间的距离均为λ，λ为18.0～32.0μm，n为大于等于4的偶数；所述外芯包括第二圆柱和第一圆环，所述第一圆环与所述第二圆柱同心且包裹所述第二圆柱；所述第一圆环的外半径r2为5.0～7.0μm，所述第一圆环的折射率为n1；所述第二圆柱的半径r3小于1260nm，所述第二圆柱的折射率为n3；所述包层为包围所述内芯和所述外芯的基底材料，所述包层的折射率为n2；其中，r2-r3﹥r1，n1﹥n2﹥n3。
32.本发明提供的o波段色散补偿光纤工作波长位于1260～1360nm，可以理解为本发明采用纯石英玻璃作为基底材料，在基底材料上排列着高折射率圆柱(即第一圆柱)，低折射率圆柱(即第二圆柱)和高折射率圆环(即第一圆环)；高折射率圆柱是以光纤中心为圆心的圆柱区域，多个低折射率圆柱是以高折射圆柱的中心为中心而构成的正n边形的n个顶点为圆心的多个圆柱区域；高折射率圆环是包裹低折射率圆柱并且与低折射率圆柱同心的圆环形区域，高折射率圆环的材料与高折射率圆柱的材料相同。
33.其中，所述基底材料采用纯石英玻璃，n2为1.45732，n1的范围为1.009n2～1.011n2，所述第一圆柱、所述第一圆环均采用掺锗的石英玻璃，n3的范围为0.9925n2～0.9935n2，所述第二圆柱采用掺氟的石英玻璃。
34.优选的方案中，r1的范围为4.4～4.6μm，r2的范围为5.70～6.05μm，r3的范围为0.91～1.09μm。
35.下面对本发明进行详细说明。
36.本发明与传统的色散补偿光纤的设计思路不同，本发明的主要思路为：首先，构建几何形态相近的，但是非同轴排布的内芯、外芯，使内、外芯模式折射率在很宽的波段数值接近；其次，通过一系列技术方案的有机作用，令内、外芯模式折射率在o波段的某一波长数值相同(数值匹配)的前提下，实现内芯模式折射率随波长蓝移曲线的斜率大于外芯模式折射率随波长蓝移曲线的斜率(斜率失配)；最后，n个外芯的中心连线呈正n边形，同时达到各外芯模式之间不耦合，最大化增大内、外芯耦合强度、消除内芯模式的双折射等多重技术效果，从而保证单个外芯与内芯的谐振波长即为最终光纤内、外芯模式折射率数值匹配波长(工作波长)，且内芯模式在工作波长处能产生绝对值很大的负色散。本发明提供的技术方案可以同时解决了以下三个技术问题：
37.(1)使内、外芯模式折射率数值在很宽波段内差值小。
38.传统的同轴双芯色散补偿光纤方案中，内芯为圆柱形实芯高折射率圆柱，外芯为环绕内芯、其中心与内芯中心重合的环状结构。此种内、外芯构成方式，使得外芯的内、外半径均远大于内芯半径，内、外芯的形状差异大。两芯形状上的巨大差异使得内、外芯模场分布形态具有很大差别，内、外芯模式折射率数值随波长变化的趋势差别大，两者在很宽波段内数值差值较大。
39.为了实现内、外芯模式折射率数值在很宽波段内差值小的技术效果，本发明从以下四方面进行了设计：
40.(1.1)本发明中，内芯形状上仍采用圆柱形实芯高折射率圆柱。为了实现与前端单模光纤的芯径与模场匹配，降低与前端单模光纤的耦合损耗，本发明中内芯直径与单模光纤直径接近。
41.(1.2)在外芯形状上，本发明并未使用传统的同轴双芯色散补偿光纤外芯构成方案。本发明中单个外芯虽然仍为环状芯结构，但其中心位于以光纤中心为中心的正n边形的顶点，与内芯中心并不重合，且单个外芯并未环绕内芯。在外芯高折射率圆环内、外半径取值上，采用外芯的内半径数值较小，外芯的外半径略大于内芯半径的方案。与传统的同轴双芯色散补偿光纤方案相比，本发明的上述方案及相关参数取值，保证了内、外芯的几何形状更相似。
42.(1.3)在内、外芯几何形态相似的基础上，与传统的同轴双芯色散补偿光纤方案相比，本发明内、外芯模场分布形态更相似：本发明内芯由高折射率圆柱构成，因此内芯模式能量呈高斯分布于高折射率圆柱中。本发明外芯为高折射率圆环区域，高折射率圆环宽度仅为o波段波长的数倍，其中间存在一个低折射率圆柱且圆柱半径小于o波段下限波长。当波长明显小于中部低折射率圆柱的半径时，外芯模式的能量主要限制在高折射率圆环中，此时单个外芯中模场分布为环状光场。随着波长红移，外芯模式的能量将逐渐从高折射率圆环向中部低折射率圆柱扩散。但是当波长位于o波段某一特定波长(即工作波长)附近及更长波长时，外芯模式的模场为能量既分布在高折射率圆环中又分布在低折射率圆柱中的实芯光场。因此，在工作波长附近，内、外芯模场分布形态比较相近。
43.(1.4)在内、外芯模式折射率数值调控上，本发明中内芯高折射率圆柱与外芯高折射率圆环折射率数值一致。短波极限下(波长趋近于零时)，内、外芯模式折射率的数值以各自高折射率区折射率为上限，因此两者上限相同。本发明包裹内芯高折射率圆柱与外芯高
折射率圆环的基底材料折射率数值一致。长波极限下(波长趋近于正无穷大时)，内、外芯模式折射率的数值以包层折射率为下限，因此两者下限也相同。本发明外芯中部低折射率圆柱半径小于o波段下限波长，并且外芯高折射率圆环宽度与内芯高折射率圆柱的半径数值相近，因此内、外芯模式折射率数值随波长蓝移而增大的规律相似。
44.在上述多方面方案和相关参数取值的共同作用下，本发明实现了内、外芯模式折射率数值在很宽波段内差值小的技术效果。
45.(2)在o波段，内、外芯模式折射率数值在工作波长相等(即数值匹配)，且内芯模式折射率随波长蓝移曲线的斜率大于外芯模式折射率随波长蓝移曲线的斜率(即斜率失配)。
46.(2.1)为了实现数值匹配的技术效果，本发明从以下三方面对内、外芯模式折射率数值进行了调控：
47.(2.1.1)本发明利用(1)中所述技术方案，使得：短波极限下，内、外芯模式折射率的数值上限相同；长波极限下，内、外芯模式折射率的数值下限相同；同时，内、外芯模式折射率数值随波长蓝移均增大，且规律相似。因此，内、外芯模式折射率数值在很宽波段内数值接近。
48.(2.1.2)本发明中外芯中部存在低折射率圆柱，其折射率数值小于包层折射率数值且半径数值小于o波段下限波长1260nm。随着波长红移，外芯模式的部分能量将越来越多的进入中部低折射率圆柱中。因此，环状外芯中部的低折射率圆柱具有降低外芯模式折射率数值的技术效果。
49.(2.1.3)本发明中外芯高折射率圆环的外半径大于内芯半径大约1倍工作波长左右。由于外芯中部低折射率圆柱半径小于o波段下限波长1260nm，因此外芯高折射率圆环的宽度(即高折射率圆环外半径与中部低折射率圆柱半径之差)大于内芯半径。上述技术方案具有增大外芯模式折射率数值的效果。
50.本发明(2.1.2)与(2.1.3)中技术方案对于外芯折射率数值大小的影响相反，但不会出现两者在每一波长产生的折射率数值改变均完全抵消的情况。再合理设定外环芯内部低折射率圆柱半径、折射率及外环芯外径等参数的取值范围，能够有效调控不同波长下，特别是o波段外芯模式折射率的数值。结合(2.1.1)中所述内、外芯模式折射率数值在很宽波段内数值接近的技术效果，使得外芯模式折射率数值随波长红移曲线与内芯模式折射率数值随波长红移曲线在o波段的某一波长相交，即实现了内、外芯模式折射率在该波长数值匹配的技术效果。
51.(2.2)本发明的光纤，为了使其内芯模式在工作波长及其附近波段具有大负色散，还需使内芯模式折射率随波长蓝移曲线的斜率大于外芯模式折射率随波长蓝移曲线的斜率的技术效果。为了实现此技术效果，本发明从以下两方面对内、外芯模式折射率随波长蓝移的斜率进行了调控：
52.(2.2.1)本发明中内芯为实芯圆柱体结构，整个波长范围内，内芯模式折射率以内芯高折射率圆柱折射率为上限，以包层折射率为下限，折射率上、下限差值大，内芯模式折射率数值随波长变化空间大。同时，内芯半径小于高折射率圆环的外半径及环宽，等量的波长变化将导致内芯具有更大的波长-芯径比值的变化，因此内芯模式折射率数值随波长蓝移而增大的更快。结合内芯半径的取值范围为数倍o波段波长的参数选择，上述技术方案实现了增大内芯模式折射率数值随波长蓝移曲线的斜率的技术效果；
53.(2.2.2)本发明外芯为高折射率圆环，中间含低折射率圆柱。随着波长变长，外芯模式的能量逐渐从外芯高折射率圆环中向内部低折射率圆柱扩散，最终分布于整个高折射率圆环与中部低折射率圆柱中。因此，中部低折射率圆柱的存在，降低了外芯模式折射率数值的上限。由于外芯模式折射率数值同样以包层折射率作为其下限，因此与内芯模式折射率数值相比，其外芯模式折射率数值随波长变化的空间较小。本发明外芯高折射率圆环宽度大于内芯半径，中部低折射率圆柱半径小于o波段下限波长，且其折射率数值低于包层折射率数值。上述方案和相关参数取值范围的选择，使得当波长较短时，外芯模式的光能量大部分被限制于高折射率圆环中而无法进入低折射率圆柱，中部低折射率圆柱的存在使得外芯模式形成环状光场而减小了光场的分布面积，此时从传导光的实际作用而言中部低折射率圆柱作为包层的作用更强，而其折射率又低于包层折射率，因此中部低折射率圆柱的存在导致在波长小于工作波长时外芯模式折射率数值降低并低于内芯。当波长变长时，外芯模式的光能量逐渐从高折射率圆环扩散进入低折射率圆柱中，环状光场的中空部分逐渐减小而最终成为实芯光场，此时从传导光的实际作用而言中部低折射率圆柱作为纤芯的作用更强，其与高折射率圆环共同作用大大限制了外芯模式光能量向基底材料的扩散，因此中部低折射率圆柱的存在导致在波长大于工作波长时外芯模式折射率数值增大并高于内芯。
54.上述技术方案实现了减小外芯模式折射率数值随波长蓝移曲线的斜率的技术效果；综合本段(2.2.1)、(2.2.2)所述，本发明最终实现了内芯模式折射率数值随波长蓝移曲线斜率大于外芯模式折射率随波长蓝移曲线的斜率，及两者斜率失配的技术效果。
55.在内、外芯模式折射率在工作波长数值匹配和内、外芯模式折射率随波长蓝移的曲线的斜率失配两者共同作用下，使内、外芯模式折射率数值的差值在向工作波长靠近时减小，在远离工作波长时增大。在工作波长附近向工作波长靠近时，内、外芯模式能量从弱耦合到强耦合到最终谐振，使得内芯模式折射率数值在能量耦合的作用下产生不同程度的改变，从而在工作波长附近波段形成下凸的折变，使得本发明的光纤在工作波长附近具有大绝对值的负色散。
56.(3)在保持其他优良特性的前提下，最大化内芯模式在工作波长处的负色散绝对值。为了实现上述技术效果，本发明采用了如下三方面方案：
57.(3.1)发明采用内芯中心与光纤中心重合，n个外芯对称环绕内芯且各外芯的中心分别位于以光纤中心为中心的正n边形的顶点的排布结构。此方案使得光纤整体结构呈cn对称性，能够避免内芯中x、y两个偏振方向的模式产生双折射。
58.(3.2)由于本发明外芯高折射率圆环宽度大于内芯半径，中部低折射率圆柱半径小于o波段下限波长，当波长变长时，外芯模式的光能量逐渐从高折射率圆环扩散进入低折射率圆柱中最终成为实芯光场，此时从传导光的实际作用而言中部低折射率圆柱作为纤芯的作用更强，其与高折射率圆环共同作用使得限制外芯模式光能量的能力大大增强。而内芯半径小于高折射率圆环的外半径及环宽，等量的波长变化将导致内芯具有更大的波长-芯径比值的变化。上述方案决定了在工作波长附近，内芯限制光的能力弱于外芯限制光的能力。因此，本发明中内、外芯构成方案及相关参数的取值范围，内、外芯中心间距，相邻外芯中心间距相等的方案及间距的取值范围，保证了内、外芯模式能够产生足够强度能量耦合的前提下，相邻外芯模式间能量不耦合。
59.(3.3)本发明的外芯分布方式，还保证了在满足其他条件的基础上，外芯具有最大
的分布密度及数量，能够增强内、外芯模式的光能量谐振强度，有利于增大内芯模式在工作波长处的负色散绝对值。
60.以上所有方案共同作用，实现了在保持其他优良特性的前提下，最大化内芯模式在工作波长处的负色散绝对值的技术效果。
61.下面以所述外芯的数量n为6，并结合具体参数对本发明进行说明。
62.所述外芯的数量n为6时，所述外芯的中心与所述内芯的中心之间的距离λ为20.0～21.2μm。
63.实施例1：
64.参见图1，实施例1中基底材料的折射率n2＝1.45732；高折射率圆柱的折射率n1＝1.009n2，半径r1＝4.4μm；高折射率圆环的折射率n1＝1.009n2，外半径r2＝5.7μm；低折射率圆柱的折射率n3＝0.9925n2，半径r3＝0.91μm；正六边形边长(即n为6时，外芯的中心与内芯的中心之间的距离)λ＝20.0μm。
65.参见图2，在谐振波长1320nm附近向谐振波长靠近时，内、外芯模式的折射率数值随波长蓝移的曲线迅速接近，使两者数值上的差值迅速减小；而当远离谐振波长时，内、外芯模式的折射率数值随波长蓝移的曲线快速分离，使两者数值上的差值迅速增大，使得内、外芯模式在非工作波段耦合迅速减弱，在工作波段耦合迅速增强，最终形成了内芯模式的折射率数值在窄带宽突降。
66.参见图3，根据色散公式可知，内芯模式的折射率数值在窄带宽突降形成下凸时，内芯模式的折射率数值对波长的二阶导数为正值，因此在1320nm处内芯模式产生色散值为-2687ps/(nm
·
km)的大负色散。
67.实施例2：
68.实施例2中基底材料的折射率n2＝1.45732；高折射率圆柱的折射率n1＝1.01n2，半径r1＝4.5μm；高折射率圆环的折射率n1＝1.01n2，外半径r2＝5.875μm；低折射率圆柱的折射率n3＝0.993n2，半径r3＝1μm；正六边形边长λ＝20.6μm。
69.参见图4，在谐振波长1333nm处，内芯模式的折射率数值随波长变化的曲线发生折变，参见图5，在1333nm处内芯模式产生色散值为-4361ps/(nm
·
km)的大负色散。
70.实施例3：
71.实施例3中基底材料的折射率n2＝1.45732；高折射率圆柱的折射率n1＝1.011n2，半径r1＝4.6μm；高折射率圆环的折射率n1＝1.011n2，外半径r2＝6.05μm；低折射率圆柱的折射率n3＝0.9935n2，半径r3＝1.09μm；正六边形边长λ＝21.2μm。
72.参见图6，在谐振波长1344.5nm处，内芯模式的折射率数值随波长变化的曲线发生折变，参见图7，在1344.5nm处内芯模式产生色散值为-2112ps/(nm
·
km)的大负色散。
73.下面以所述外芯的数量n为4，并结合具体参数对本发明进行说明。
74.所述外芯的数量n为4时，所述外芯的中心与所述内芯的中心之间的距离λ为28～30μm。
75.实施例4：
76.参见图8，实施例4中基底材料的折射率n2＝1.45732；高折射率圆柱的折射率n1＝1.011n2，半径r1＝4.2μm；高折射率圆环的折射率n1＝1.011n2，外半径r2＝6.3μm；低折射率圆柱的折射率n3＝0.9933n2，半径r3＝1.05μm；n为4时，外芯的中心与内芯的中心之间的
距离λ＝28.8μm。
77.参见图9，在谐振波长1328nm处，内芯模式的折射率数值随波长变化的曲线发生折变，参见图10，在1328nm处内芯模式产生色散值为-2782ps/(nm
·
km)的大负色散。
78.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。