一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤设计方法技术

本发明专利技术涉及一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤设计方法。该方法是在原有任意实芯光纤的基础上进行优化，优化时保留原光纤在纤芯区域的相对折射率分布；具体是在包层区域添加折射率为正掺杂的一层或n层(n为正整数)内包层，将纤芯区域折射率整体提高以使得纤芯与最内层内包层的折射率差等于原光纤中纤芯和包层的折射率差，并使包层区域的折射率分布呈现向内递增的阶梯状；最后，添加的内包层应当使拉锥后光纤内的本征模式的有效模场直径保持缓变。优化后的光纤拥有更好的拉锥绝热性能，高阶模式的拉锥绝热长度大大减小；优化后的光纤与原光纤拥有同样的模场分布，能够很好地互相兼容。容。容。

【技术实现步骤摘要】
一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤设计方法


[0001]本专利技术属于光纤器件
，涉及一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤结构设计方法，在光纤空分/模分复用器件与系统、少模光纤耦合器件制备以及基于多模式光纤锥的应用等领域有广泛应用。

技术介绍

[0002]锥形光纤因其相对于标准光纤的独特物理和光学特性被广泛研究，并因此而产生出很多应用。光纤的波导色散在很大程度上取决于直径，通过光纤拉锥能够调整光纤的色散，使其完全符合特定应用的要求。光纤直径的减小导致锥形区域的倏逝场增强，因此，当光波通过锥形光纤时非线性过程的效率急剧提高。锥形光纤中的强倏逝场可用于捕获和检测单个原子或分子。随着空分复用技术的产生和逐渐发展，与多种模式相结合的锥形光纤及相关器件在传感、通信、光纤激光器中呈现出更加丰富的功能和应用潜力，制备高性能的锥形光纤及相关器件成为这一领域的基本需求。
[0003]在种种基于锥形光纤的应用中，一个重要的需求是，光波在注入后保持低损耗传输。换言之，一个理想的光纤锥应当保证高透过率。在单模光纤锥中，耦合到高阶模式的任何光都无法回到输出光纤的纤芯中，因此造成光功率损失。类似地，在少模或多模光纤锥中，注入模式在通过光纤锥结构时，模式之间的耦合将造成能量在不同的模式之间游走，造成模式串扰或功率损失。避免这种耦合的有效方法之一是制造足够长、足够缓变的光纤锥。在这样的锥中，模式之间基本不发生耦合，注入功率将始终在原模式中低损耗传输，此时称该光纤锥绝热。光纤能够实现绝热的临界长度称为绝热长度。理论上只要光纤锥足够长，基于任何光纤的锥都能实现绝热。实际上，能够制造的光纤锥存在长度限制。此外，极长的器件难以封装，并且容易受到外界环境的影响。
[0004]目前来看，针对单模光纤的基模而言，其绝热长度相对较短，基于此的应用十分广泛。然而，对于少模光纤或多模光纤，由于涉及到基模之外的高阶模式，这些高阶模式的绝热长度远大于基模的绝热长度，往往超出制造极限。这大大限制了光纤锥技术在多模式耦合和复用器件与系统等领域的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决当前少模光纤和多模光纤中模式的绝热长度过长的问题，提出一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤设计方法。此方法通过在原光纤基础上添加内包层结构，能够大大减小光纤的绝热长度，进而为基于原光纤的光纤锥应用提供可能。此方法可以应用到任何实芯光纤中。经此方法优化后的光纤和原光纤的模场能够完全匹配。此方法的优点在于其通用性与低成本。利用此方法，现有单模光纤锥的制造和相关器件应用体系可以扩展到少模和多模光纤锥中。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤设计方法，本专利技术是在原有的任意实芯光纤的
基础上进行优化，且在对原光纤进行优化时，将保留原光纤在纤芯区域的相对折射率分布；该方法是在包层区域添加折射率为正掺杂的一层或n层(n为正整数)内包层，使包层区域的折射率分布呈现向光纤中心递增的阶梯状；最后，添加的内包层应当使拉锥后光纤内的本征模式的有效模场直径保持缓变；具体设计步骤如下：
[0008]步骤1、对于待优化的光纤，首先确定光纤的几何特征参数(包括纤芯直径和包层直径)及光学特征参数(包括折射率分布和其它会影响光纤光学性质的物理参数)。
[0009]步骤2、通过数值计算或者解析求解的方法，得到不同拉锥比下该光纤的本征模场及本征模场有效模场直径，分析该光纤的绝热特性。
[0010]步骤3、保持原光纤基础结构和折射率相对分布不变，在包层区域添加折射率为正掺杂的一层或n层(n为正整数)内包层结构，将纤芯区域折射率整体提高以使得纤芯与最内层内包层的折射率差等于原光纤中纤芯和包层的折射率差，同样地计算添加内包层后的光纤的本征模场及本征模场有效模场直径，分析该光纤绝热特性。原理上，内包层可以有1层或任意多层。
[0011]步骤4、通过反复优化内包层的层数、内包层直径、内包层折射率，得到理想的本征模式有效模场直径曲线，使拉锥后光纤内的本征模式有效模场直径曲线保持缓变，从而得到绝热特性更好的光纤，优化完成。
[0012]上述步骤2的具体计算或求解过程如下：
[0013]拉锥比定义为拉锥后光纤直径与原光纤直径的比值。在拉锥时，光纤的包层和纤芯以及其它尺寸参数均随拉锥比呈等比例缩放。因此可以由拉锥比得到拉伸后光纤的几何参数及折射率分布，由此计算特定拉锥比下光纤的本征模场及本征模场的有效模场直径，得到本征模场的有效模场直径与拉锥比的关系曲线。本征模场的有效模场直径随拉锥比的变化斜率绝对值大小反映了光纤的绝热特性，斜率越大，则绝热特性越差。
[0014]上述步骤3的具体计算过程如下：
[0015]首先确定最内层第一内包层直径和第一内包层相对于包层的折射率差Δn1，而后将第一层内包层直径范围中的原光纤折射率等同地提高Δn1；而后确定由内而外的第二层内包层的直径和第二内包层相对于包层的折射率差Δn2,而后将第二层内包层直径范围中的原光纤折射率等同地提高Δn2，依此类推，直至第n层内包层。
[0016]上述步骤4的具体计算过程如下：
[0017]通过扫描内包层的层数、内包层直径、内包层折射率这些参数，可以逐步地将本征模式有效模场直径相对于拉锥比的曲线斜率降低，直到曲线斜率低于设定的斜率临界值，则优化过程结束。其中，斜率临界值根据对所设计光纤的绝热性能的预期要求选取。斜率临界值的选取决定了最终得到的光纤的拉锥绝热性能的优劣。斜率临界值越小，则光纤的拉锥绝热性能也越好。
[0018]本专利技术的优点和积极效果：
[0019]首先，本专利技术方法适用于任意实芯光纤；其次，经本专利技术优化后的光纤与优化前的光纤具备良好的兼容性；再次，优化后的光纤具备良好的绝热性能，能够在短距离上实现高阶模式的绝热传输。因此，本专利技术是一种针对光纤绝热性能的低成本、高效、普适的光纤优化方法，在多模式拉锥器件制备、空分复用通信、粒子操控等方面都有应用价值。
附图说明
[0020]图1为实施例中一种少模光纤优化前的折射率分布。
[0021]图2为实施例中一种少模光纤优化前的本征模式的有效模场直径随拉锥比的变化曲线。
[0022]图3为实施例中一种少模光纤首次优化后的折射率分布。
[0023]图4为实施例中一种少模光纤首次优化后的本征模式的有效模场直径随拉锥比的变化曲线。
[0024]图5为实施例中一种少模光纤最终优化后的折射率分布。
[0025]图6为实施例中一种少模光纤最终优化后的本征模式的有效模场直径随拉锥比的变化曲线。
具体实施方式
[0026]以下结合附图，以一种少模阶跃光纤的绝热性能优化为例，介绍本专利技术的应用方法，附图仅用于示例目的，而不是限制本专利技术的适用范围。
[0027]需要说明的是：本专利技术所述实芯光纤，既包括常见的单模光纤、少模光纤和多模光纤，也包括任意由全固体构成的、纵向不变的电磁波导，并不限制波导的材料、工作波段和支持的模式数。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤设计方法，该方法是在原有的任意实芯光纤的基础上进行优化，且对原光纤进行优化时，将保留原光纤在纤芯区域的相对折射率分布；具体设计步骤如下：步骤1、确定待优化光纤的几何特征参数及光学特征参数；步骤2、通过数值计算或者解析求解的方法，得到不同拉锥比下该光纤的本征模场及本征模场有效模场直径，并分析该光纤的绝热特性；步骤3、保持原光纤基础结构和折射率相对分布不变，在包层区域添加折射率为正掺杂的一层或n层内包层，n为正整数，将纤芯区域折射率整体提高以使得纤芯与最内层内包层的折射率差等于原光纤中纤芯和包层的折射率差，同样地计算添加内包层后的光纤的本征模场及本征模场有效模场直径，分析该光纤的绝热特性；步骤4、通过反复优化内包层的层数、内包层直径、内包层折射率，得到理想的本征模式有效模场直径曲线，使拉锥后光纤内的本征模式有效模场直径曲线保持缓变，从而得到绝热特性更好的光纤，优化完成。2.根据权利要求书1所述的一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤设计方法，其特征是：所述步骤2的计算或求解过程如下：拉锥比，定义为拉锥后光纤直径与原光纤直径的比值；在拉锥时，光纤的包层和纤芯以及其它尺寸参数均随拉锥比呈等比例缩放，因此由拉锥比得到拉伸后光纤的几何参数及折射率分布，由此计算出对应拉锥比下光纤的本征模场及本征模场的有效模场直径，得到本征模场的有效模场直径与拉锥比的关系曲线；本征模场的有效模场直径随拉锥比的变化斜率绝对值大小反映了光纤的绝热特性，斜率越大，则绝热特性越差。3.根据权利要求书1所述的一种优化光纤拉锥绝热性能的光纤设计方法，其特征是：所述步骤3的计算过程如下：步骤3.1、首先确定最内层第一内包层的直径和第一内包层相对于包层的折射率差Δn...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳格，郭慧毅，王志，王攀，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：