一种光子晶体光纤制造技术

本发明专利技术公开了一种光子晶体光纤，由内向外依次包括中心气孔、环芯和包层，包层包括间距为环芯厚度1～2倍的第一层结构、第二层结构、第三层结构；环芯的外表面紧密排列第一层结构，第一层结构为圆周阵列分布的空气孔；第二层结构、第三层结构包括空气孔、空气层中的一种或多种，空气层的圆心角为0～180

【技术实现步骤摘要】
一种光子晶体光纤


[0001]本专利技术属于光纤，具体为一种光子晶体光纤。

技术介绍

[0002]随着智慧城市概念的提出以及大数据、云计算和移动互联网等技术的飞速发展，新业务对带宽和容量的需求已极大超出人们的预想。为了提高数据传输容量，传统的复用方法，如时分复用(TDM)和波分复用(WDM)被广泛用于光通信系统。然而，这些复用方式已经很难满足需求，为了达到更高的数据速率和更大的容量，需要探索一种新的复用方式。一根光纤可以支持多种空间模式，每一种模式都代表着一个独立的数据传输通道。利用这些模式在一根光纤内同时进行多通道通信，构成了模分复用(MDM)的基础。MDM被认为是提高光通信系统容量和效率的一项有前途的技术。它允许通过利用光纤内的不同空间模式来同时传输多个独立的通道。
[0003]轨道角动量(OAM)模式，也被称为涡旋光模式，是光束的一种独特性质，光束的相位波前会围绕其传播轴旋转。不同的OAM模式是相互正交的，这意味着它们不会相互干扰或重叠。这种正交特性允许独立传输和接收多个承载OAM的信道，并且没有明显的串扰或干扰。MDM可以使用OAM模式进行复用。OAM模式在光纤中的传播性能需要仔细的考虑，以实现高效通信。
[0004]在标准的单模光纤(SMF)中，OAM模式在其中传输。专门为OAM模式设计和优化的光纤，如多模光纤(MMF)或光子晶体光纤(PCF)，经常被用来在较长的传输距离内保持OAM模式的纯度和质量。PCF被认为是最有潜力的光纤，在光通信系统中传输OAM模式方面有着巨大的前景。PCF独特的结构特性为有效和可靠地传输OAM模式提供了若干优势，例如低损耗、高模式质量、高模式纯净度、长距离以及结构灵活性。
[0005]光子晶体光纤的明显特征之一就是位于包层紧密排列的多层空气孔，这些气孔的大小和排列方式会极大地影响光纤的性能表现。气孔的总体面积越大，往往光纤性能越好，但是不能无休止的增大气孔面积，会导致光纤的结构十分脆弱，需要对此部分进行优化，尽可能提升光纤的性能。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术的目的是提供一种结构强度高、传输质量高的光子晶体光纤。
[0007]技术方案：本专利技术所述的一种光子晶体光纤，由内向外依次包括中心气孔、环芯和包层，包层包括间距为环芯厚度1～2倍的第一层结构、第二层结构、第三层结构；环芯的外表面紧密排列第一层结构，第一层结构为圆周阵列分布的空气孔；第二层结构、第三层结构包括空气孔、空气层中的一种或多种，空气层的圆心角为0～180
°
。超过180
°
会导致结构的不稳定性。空气孔、空气层可以增大环芯和包层之间的材料折射率差值，气孔的数量和半径越大，材料折射率差值越大，光纤可以高质量传输的模式数量越多。
[0008]作为第一种优选方案，第二层结构包括空气孔和空气层，第三层结构包括空气孔和空气层，第二层结构中的空气层与第三层结构中的空气层相差180
°
，避免一个方向上的结构强度严重下降。第一层结构的空气孔为圆孔。圆孔的直径与环芯厚度相同。
[0009]作为第二种优选方案，第二层结构包括空气层，第三层结构包括空气层，第二层结构、第三层结构的空气层之间的间隔互相错开。空气层能够增加空气孔的面积，同时不会导致结构出现断层，光纤的形状可以维持。第一层结构的空气孔为梯形孔。梯形孔的上底为1.5～2微米，下底2.3～2.5微米，高2～2.5微米。空气层的圆心角为75
°
～85
°
。
[0010]进一步地，环芯的材质为二氧化硅掺杂25～30wt％的二氧化锗。包层的材质为纯二氧化硅。
[0011]进一步地，中心气孔的厚度为7～8微米。
[0012]最内层气孔不使用半圆形，为了保证环芯的对称性，OAM模式的传输对光纤的对称性要求很高。
[0013]工作原理：光纤传输模式时，电场能量集中在环芯中。随着模式阶数的上升，模式的n
eff
越来越接近包层材料，环芯对模式的约束能力越差，电场能量逐渐泄露到包层中，模式无法高质量传输。理论上，环芯和包层之间的材料折射率越大，可以高质量容纳的模式数量越多。最简单的方式是增加环芯的材料折射率，但这种方式同样会增加光纤的传输损耗。通过在包层中增加气孔的方式可以降低包层的材料折射率，等效于将二氧化硅和空气进行掺杂，这种方式不会大幅增加传输损耗。增加空气孔的面积，就是增加环芯与包层的折射率差值。同时，气孔的面积增加会降低光纤的结构强度，气孔的形状和排列方式也至关重要。
[0014]有益效果：本专利技术和现有技术相比，具有如下显著性特点：
[0015]1、没有改动纤芯，对结构强度的影响较小，不仅能够保证光纤的结构稳定性，还能在显著提升模式质量，具有低约束损耗，有利于光纤的远距离传输；
[0016]2、空气孔、空气层可以增大环芯和包层之间的材料折射率差值，气孔的数量和半径越大，材料折射率差值越大，光纤可以高质量传输的模式数量越多；
[0017]3、空气层能够增加空气孔的面积，同时不会导致结构出现断层，光纤的形状可以维持；
[0018]4、第二层结构中的空气层与第三层结构中的空气层相差180
°
，避免一个方向上的结构强度严重下降；最内层气孔不使用半圆形，能够保证环芯的对称性。
附图说明
[0019]图1是理想状态的结构示意图；
[0020]图2是本专利技术实施例1的结构示意图；
[0021]图3是本专利技术实施例2的结构示意图；
[0022]图4是对比例的结构示意图；
[0023]图5是本专利技术实施例2、对比例的PCF的归一化频率对比；
[0024]图6是本专利技术PCF中部分矢量模式的模式质量，其中，(a)为对比例，(b)为实施例2；
[0025]图7是本专利技术PCF优化前后的约束损耗变化；
[0026]图8是PCF优化前后的应力测试对比图，其中，(a)为对比例的应力测试侧视图，(b)为对比例的应力测试正视图，(c)为实施例2的应力测试侧视图，(d)为实施例2的应力测试
正视图。
具体实施方式
[0027]PCF的特征之一就是环芯的外围存在紧密排列的多层空气孔7，这些空气孔7可以增大环芯2和包层3之间的材料折射率差值，空气孔7的数量和半径越大，材料折射率差值越大，光纤可以高质量传输的模式数量越多。最理想的情况如图1所示，空气孔7完全连在一起成为空气层8，然而这种结构在实际生产中是不可能存在的，结构出现了断层，无法维持光纤的结构形状。
[0028]实施例1
[0029]如图2，光子晶体光纤由内向外依次包括中心气孔1、环芯2和包层3，环芯2为二氧化硅掺杂30wt％二氧化锗的纤芯，材料折射率在1.55微米波长时为1.4884。包层3为纯二氧化硅，折射率在1.55微米时为1.444。中心气孔1半径r1＝8微米，高折射率环芯2的外半径为r2＝10微米。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光子晶体光纤，其特征在于：由内向外依次包括中心气孔(1)、环芯(2)和包层(3)，所述包层(3)包括间距为环芯厚度1～2倍的第一层结构(4)、第二层结构(5)、第三层结构(6)；所述环芯(2)的外表面紧密排列第一层结构(4)，所述第一层结构(4)为圆周阵列分布的空气孔(7)；所述第二层结构(5)、第三层结构(6)包括空气孔(7)、空气层(8)中的一种或多种，所述空气层(8)的圆心角为0～180
°
。2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述第二层结构(5)包括空气孔(7)和空气层(8)，所述第三层结构(6)包括空气孔(7)和空气层(8)，所述第二层结构(5)中的空气层(8)与第三层结构(6)中的空气层(8)相差180
°
。3.根据权利要求2所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述第一层结构(4)的空气孔(8)为圆孔。4.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓晖，余永泽，邓冬冬，汪洋，毛帅，顾昊宇，庄立运，季仁东，杨松，何晓凤，朱铁柱，王超，杨玉东，张涛，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：