滤模光纤制造技术

本发明专利技术公开了一种滤模光纤，包层由基质材料、高折射率介质柱和高折射率介质环组成。高折射率介质柱周期性排布于低折射率基质材料上，高折射率介质环位于所述低折射率基质材料、高折射率介质柱的外侧。纤芯位于光纤的中心。本发明专利技术提出使高折射率介质柱形成超模群，并与纤芯模发生耦合，再以高折射率环使超模群获得高的泄露损耗，从而形成有效的滤模机制的方法，实现选择性地滤除光纤的模式。将多根具有不同滤模功能的光纤串接，即可以滤除多个光纤模式，从而使少模光纤仅传输单个高阶模。在滤除相应模式的同时，光纤中其它模式可以保持低损耗传输。

【技术实现步骤摘要】
滤模光纤
本专利技术涉及光纤通信领域，具体为一种具有选择性滤除纤芯中传输模式功能的微结构光纤。
技术介绍
单模光纤的信息容量通过时分复用、波分复用、偏振复用等技术获得了极大的提高，已经接近于极限。近年来，采用多芯光纤或少模光纤，通过不同的纤芯或同一光纤中不同的模式来实现传输不同信息的方法，即所谓的空分复用技术，引起了人们广泛的兴趣。空分复用系统中，每路信号载荷着不同的信息，且每路信号均可通过时分复用、波分复用技术实现大容量通信。采用少模光纤，以不同的模式传输不同的信息的方法，即所谓的模分复用技术，可以成倍地提高光纤的传输容量。除了在模分复用技术方面的应用以外，少模光纤还可以通过选择性激发高阶模的方法，实现大模场单模传输、色散补偿、超短脉冲传输以及非线性应用等。因此，如何有效地操纵、控制少模光纤中的传输模式，成为这些技术应用的关键。光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用，是波分复用系统中的重要器件。相似的，在少模光纤应用中，也需要有滤模器，即能够选择性地滤除光纤中的某个或某些模式的器件。基于单模光纤与少模光纤耦合的双芯光纤可以实现模式的分离，但难以避免不同模式之间的耦合【Opt.FiberTechnol.，2011，17(5)：490-494】。采用多芯光纤可以实现多种模式的复用与分离，其缺点其模场变形比较严重【Opt.Express，2010，18(5)：4709-4716】。采用波导结构，也可实现模式分离，但结构相对复杂【Opt.Express，2013，21(15)：17904-17911，Opt.Express，2013，21(17)：20220-20229】。利用高阶模的弯曲损耗较大，而低阶模的弯曲损耗较小的特点，通过弯曲的方法，可以使光纤中的某个或某些高阶模产生大的损耗，从而实现滤模的目的。但如果想要滤除基模或低阶模而保留高阶模，则难以用这种方法实现。对于光子带隙光纤，由于传输模式需处于带隙内才能传输，而带隙可以出现在低折射率区，因此，采用带隙光纤结构，有可能可以使光纤的基模处于带隙之外，而让高阶模处于带隙之内，从而实现滤除基模的效果。然而，由于这种结构下的带隙一般较窄，导致其对高阶模的束缚能力较弱，因而高阶模的泄露损耗也往往很大【Opt.Express，2010，18(9)：8906-8915】。能够有效滤除光纤中特定的模式而又保持其它模式低损耗传输的光纤结构，目前尚未见报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种具有选择性滤除纤芯中模式功能的微结构光纤。本专利技术的技术方案为：一种微结构光纤，包括纤芯和包层，所述包层包括基质材料、高折射率介质柱和高折射率介质环。所述高折射率介质柱围绕纤芯并周期性排布于基质材料内。所述纤芯位于光纤的中心。所述高折射率介质环位于所述基质材料、高折射率介质柱的外侧。其折射率之间的关系满足：nout＞nclad，ncore＞nclad，nrod＞nclad。纤芯与基质材料的参数关系满足：V＞2.405，这里这里，ncore，nrod，nclad，nout分别为纤芯、高折射率介质柱、基质材料和高折射率介质环的折射率。rcore为纤芯半径，λ0为工作波长。高折射率介质柱和基质材料组成的微结构区域可传输的模式形成超模群。超模群中最低阶模式的有效折射率的和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间。在工作波长范围内，至少有一个纤芯模式的有效折射率处于超模群区间，其泄露损耗大于有效折射率未处于超模群区间的其它纤芯模式。作为本专利技术的进一步改进方案，在工作波长范围内，高折射率介质环的折射率处于超模群区间以上。作为本专利技术的进一步改进方案，高折射率介质环为一圆环，其内径为din，其圆心与纤芯中心位置相同。定义L为纤芯中心与每一个高折射率介质柱的中心之间的距离的集合，其中的最大值为Lmax。则高折射率介质环与高折射率介质柱之间的距离需满足：din-Lmax-rrod＜4μm。这里rrod为高折射率介质柱的半径。作为本专利技术的改进方案，要求：高折射率介质柱的层数N满足：N≥3。作为本专利技术的进一步改进方案，要求：纤芯和与之相邻的高折射率介质柱之间的中心距离S满足：S-(rcore+rrod)≥3μm且S-(rcore+rrod)≤8μm。作为本专利技术的进一步改进方案，要求：高折射率介质环的折射率nout与超模群中最低阶模式的有效折射率nceff之间满足：nout-nceff＞0.0005。以不同介质柱的组合可以实现在同一根光纤同时滤除多个模式。这要求：高折射率介质柱由2-3种不同类型的高折射率介质柱组成，且同一类型的高折射率介质柱组成1-3区域；形成的区域总数为2-6个；在同一个区域内，高折射率介质柱的周期、直径和折射率均相同，且所有的高折射率介质柱中心位于以纤芯中心为圆心的扇形区域内。作为一种优化方案，所述光纤横截面分布具有轴对称性。作为一种优化方案，所述纤芯采用高折射率液体。作为实现可调滤模的一种方案，以高折射率液体柱替代高折射率介质柱或以高折射率液体作为纤芯。本专利技术的技术效果为：本专利技术提出通过纤芯模式与微结构包层模发生耦合，再经高折射率环形成滤模机制的方法，可以实现选择性地滤除光纤的模式。例如，可以滤除双模光纤的基模，从而使光纤可以仅传输单个高阶模，也可以选择性地滤除少模光纤中的某一个或多个高阶模。在滤除相应模式的同时，光纤中其它模式可以保持低损耗传输，从而实现了对光纤中模式的有效控制。将多根具有不同滤模功能的光纤串接，即可以滤除多个光纤模式，从而使少模光纤仅传输单个高阶模。与其它滤模方法相比，本专利技术光纤的滤模方法简单：通过将少模光纤与本专利技术光纤连接的方法，即可实现滤除少模光纤中传输的特定模式，而无需对光纤做其它处理。附图说明图1为一种本专利技术光纤的横截面结构示意图；图2为由两种不同尺寸高折射率介质柱组成的另一种本专利技术光纤的横截面结构示意图；图3为由两种不同尺寸高折射率介质柱且具有两个对称轴的组成的另一种本专利技术光纤横截面结构示意图；图4为实施例1光纤的模场分布图，其中，4(a)为LP01模；4(b)为LP11模；图5为实施例1中纤芯模式的有效折射率和泄露损耗随波长变化曲线；图6为实施例1中纤芯基模随传输距离的能量变化曲线；图7为实施例1中纤芯模式泄露损耗与高折射率介质环的内径的关系曲线；图8为实施例1中纤芯模式的泄露损耗与高折射率介质环的折射率的关系曲线；图9为实施例2中纤芯模式有效折射率与纤芯模式的泄露损耗随波长变化曲线；其中，9(a)为纤芯模式有效折射率曲线；9(b)为纤芯模式的泄露损耗曲线；图10为实施例3中光纤的横截面折射率分布示意图；图11为实施例3中纤芯模式的泄露损耗随波长变化曲线。图中，1为基质材料，2为高折射率介质柱，3为高折射率介质环，4为纤芯。具体实施方式图1给出了本专利技术光纤的一种结构示意图。其中，包层包括基质材料1、高折射率介质柱2和高折射率介质环3。高折射率介质柱2周期性地排布于基质材料1上，高折射率介质环3位于高折射率介质柱2和基质材料1外侧。纤芯4位于光纤的中心。其中高折射率介质柱2、高折射率介质环3、纤芯4的折射率均高于基质材料1。高折本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种滤模光纤，包括纤芯(4)和包层，其特征在于：所述包层包括基质材料(1)、高折射率介质柱(2)和高折射率介质环(3)；所述纤芯(4)位于光纤的中心，所述高折射率介质柱(2)围绕纤芯(4)并周期性排布在基质材料(1)内，所述高折射率介质环(3)环绕在所述基质材料(1)、高折射率介质柱(2)的外侧，其折射率之间的关系满足：nout＞nclad，ncore＞nclad，nrod＞nclad；纤芯(4)与基质材料(1)的参数关系满足：V＞2.405，这里关系式中，ncore，nrod，nclad，nout分别为纤芯(4)、高折射率介质柱(2)、基质材料(1)和高折射率介质环(3)的折射率，rcore为纤芯半径，λ0为工作波长；所述高折射率介质柱(2)和基质材料(1)组成的微结构区域可传输的模式形成超模群，超模群中最低阶模式的有效折射率和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间，在工作波长范围内，至少有一个纤芯模式的有效折射率处于超模群区间，其泄露损耗大于有效折射率未处于超模群区间的其它纤芯模式。

【技术特征摘要】
1.一种滤模光纤，包括纤芯(4)和包层，其特征在于：所述包层包括基质材料(1)、高折射率介质柱(2)和高折射率介质环(3)；所述纤芯(4)位于光纤的中心，所述高折射率介质柱(2)围绕纤芯(4)并周期性排布在基质材料(1)内，所述高折射率介质环(3)环绕在所述基质材料(1)、高折射率介质柱(2)的外侧，其折射率之间的关系满足：nout＞nclad,ncore＞nclad,nrod＞nclad；纤芯(4)与基质材料(1)的参数关系满足：V＞2.405，这里关系式中，ncore,nrod,nclad,nout分别为纤芯(4)、高折射率介质柱(2)、基质材料(1)和高折射率介质环(3)的折射率，rcore为纤芯半径，λ0为工作波长；所述高折射率介质柱(2)和基质材料(1)组成的微结构区域可传输的模式形成超模群，超模群中最低阶模式的有效折射率和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间，在工作波长范围内，至少有一个纤芯模式的有效折射率处于超模群区间，其泄露损耗大于有效折射率未处于超模群区间的其它纤芯模式。2.根据权利要求1所述的一种滤模光纤，其特征在于：在工作波长范围内，所述高折射率介质环(3)的折射率处于超模群区间以上。3.根据权利要求2所述的一种滤模光纤，其特征在于：所述高折射率介质环(3)为一圆环，所述高折射率介质环(3)的内径为din，其圆心与纤芯中心位置相同；定义L为纤芯中心与每一个高折射率介质柱(2)的中心之间的距离的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明阳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32