三層芯結(jié)構(gòu)在單模大模場(chǎng)面積低彎曲損耗光纖中的應(yīng)用和分析

鄭斯文 劉亞卓 羅曉玲 王麗輝 張娜 張晶晶 金傳洋 徐丙立 屈強(qiáng) 陳玲

(陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072)

研究并分析了一種采用三層芯結(jié)構(gòu)的單模大模場(chǎng)面積低彎曲損耗光纖.纖芯由纖芯高折射率層、包層低折射率層和下陷低折射率層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成.系統(tǒng)地分析了三層芯光纖(three-layer-core fiber,TLF)中不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)基模模場(chǎng)面積及彎曲損耗的影響.研究表明,通過調(diào)整三層芯的結(jié)構(gòu)參數(shù),在不犧牲截止波長(zhǎng)的前提下,這種TLF 可以實(shí)現(xiàn)在增大基模有效面積(Aeff)的同時(shí),將彎曲損耗降到更低.通過調(diào)整纖芯中三層芯的結(jié)構(gòu)參量,Aeff 可以達(dá)到100—330 μm2 甚至更高.此外,在相同模場(chǎng)面積Aeff 下,三層芯光纖的彎曲損耗可以比普通階躍型光纖(SIF)要低2—4 個(gè)數(shù)量級(jí).分析表明這種大有效面積、低彎曲損耗三層芯單模光纖在寬帶大容量傳輸、及大功率光纖激光器和放大器中具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值.

1 引言

隨著目前高功率大容量光纖通信傳輸系統(tǒng)的高速發(fā)展,光纖傳輸容量的需求越來越受到廣泛關(guān)注,因此如何在光纖中實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)、基模大模場(chǎng)面積(Aeff)逐漸成為研究重點(diǎn)[1?3].針對(duì)此,目前已提出了不少光纖結(jié)構(gòu)[4?6].但存在的主要問題是制造難度較大,究其原因主要是低數(shù)值孔徑NA 的實(shí)現(xiàn)、管棒堆積拉絲技術(shù)、光子晶體光纖的六角密排結(jié)構(gòu)特點(diǎn).

然而Aeff和彎曲性能之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系[7],光纖中產(chǎn)生的彎曲損耗,使得基模Aeff的增大受到限制.低數(shù)值孔徑NA 的要求不可避免地影響彎曲性能和單模截止波長(zhǎng)[8].因此,如何在保持單模、大Aeff的同時(shí),提高彎曲性能是目前研究中亟待解決的問題.然而,目前大多數(shù)關(guān)于大模場(chǎng)面積光纖的研究中,在增大有效面積的同時(shí),并未降低其彎曲損耗.另外一些研究的重點(diǎn)是如何降低彎曲損耗[9?11].然而,他們更注重的是在模場(chǎng)直徑(MFD)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖SMF(SSMF)相匹配的情況下,如何進(jìn)一步提高其彎曲性能,對(duì)于如何增大其模場(chǎng)面積并未研究.

基于此,本文提出可以采用三層芯結(jié)構(gòu),來實(shí)現(xiàn)在保持單模、大模場(chǎng)面積Aeff的同時(shí),提高其彎曲性能.三層芯光纖(three-layer-core fiber,TLF)結(jié)構(gòu)的纖芯部分由三層組成,包括纖芯折射率層、包層折射率層和下陷折射率層.近年來曾對(duì)類似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究[12?14],然而很少有報(bào)道研究纖芯中三層芯的結(jié)構(gòu)參量對(duì)光纖的光學(xué)性能的影響,以及如何調(diào)整不同結(jié)構(gòu)參量以實(shí)現(xiàn)在增大模場(chǎng)面積 Aeff的同時(shí)保持更低的彎曲損耗[15].文獻(xiàn)[15]中只分析了部分參數(shù)d1和d2對(duì)模場(chǎng)面積Aeff和彎曲損耗的影響,且關(guān)于參數(shù)纖芯中包層低折層的厚度d1對(duì)彎曲損耗的變化分析并不全面,此外并未固定二階模的截止波長(zhǎng)λC.針對(duì)此,本文系統(tǒng)地研究了三層芯結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)TLF 光學(xué)特性的影響.詳細(xì)分析了三層芯不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)截止波長(zhǎng)λC、有效Aeff和彎曲性能的影響.研究發(fā)現(xiàn),隨著包層低折層的厚度的增大,彎曲損耗存在極小值.結(jié)果表明,在單模截止波長(zhǎng)λC保持不變的情況下,三層芯光纖結(jié)構(gòu)可以在增大有效Aeff的同時(shí),降低彎曲損耗.這種光纖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本低等優(yōu)點(diǎn),可適用于大功率光纖放大器和激光器、密集波分復(fù)用 DWDM 系統(tǒng)中,可有效滿足快速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通信需求,特別是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和其他創(chuàng)新技術(shù)的需求.

2 三層芯光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置

TLF 的橫截面結(jié)構(gòu)及折射率分布如圖1 所示.纖芯由內(nèi)到外依次由纖芯高折射率層、包層低折射率層和下陷低折射率層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成.圖中的中心黑色區(qū)域代表纖芯高折射率層,中間白色區(qū)域代表包層低折射率層,外圍灰色區(qū)域代表下陷低折射率層.實(shí)際制造的光纖纖芯高折層可以由鉺離子及鋁離子的摻雜來實(shí)現(xiàn),而下陷低折層可以通過摻氟來實(shí)現(xiàn).包層低折射率層為純石英結(jié)構(gòu),其折射率為nclad=1.444.假定纖芯高折射率層的半徑為a,纖芯高折層和包層之間的折射率差為Δ1=n1–nclad,其中n1是纖芯高折層的折射率.下陷低折層寬度為c,包層低折層的厚度為b,包層與下陷低折層之間的折射率差為Δ2=nclad–n2,其中n2為下陷低折層的折射率.包層直徑為dclad=125 μm,包層折射率為nclad=1.444.除非另有說明,否則本文將單模工作波長(zhǎng)λ 固定在 1.55 μm.為了確保單模工作在1.55 μm,二階模的截止波長(zhǎng)λC固定在1.3 μm.系統(tǒng)地分析了包層低折層和下陷低折層參數(shù)對(duì)TLF 特性的影響,為大模場(chǎng)面積和低彎曲損耗的光纖設(shè)計(jì)提供了參考.

圖1 TLF 的橫截面結(jié)構(gòu)及折射率分布圖Fig.1.Cross section schematic and refractive index profile of TLF structure.

3 不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三層芯光纖性能的影響

在TLF 中,傳輸各模式的電場(chǎng)強(qiáng)度E 滿足亥姆霍茲方程:

其中,E=E(x,y)×e?jβz,n 是光纖中的橫截面折射率大小,k0是真空中的波數(shù),β 是傳播常數(shù),β=(2π/λ)×neff.這里采用傳輸矩陣法進(jìn)行求解[16,17],通過(1)式可以求出其特征向量和特征值,即不同模式的電場(chǎng)強(qiáng)度E 及傳播常數(shù)β.通過給定TLF的結(jié)構(gòu)參量:纖芯高折層的半徑a,纖芯高折層和包層之間的折射率差Δ1,包層低折層的厚度b,下陷低折層寬度c,包層與下陷低折層之間的折射率差Δ2,就能唯一確定TLF 的折射率大小,從而確定某一特定波長(zhǎng)λ 下不同模式的電場(chǎng)分布E 及傳播常數(shù)β.

在傳統(tǒng)光纖中,導(dǎo)模的模式折射率neff必須滿足:nclad

圖2 截止波長(zhǎng)λC 隨不同層結(jié)構(gòu)參數(shù) (a)c、(b) b 和 (c) Δ2的變化關(guān)系Fig.2.Cutoff wavelength λC as a function of the layer parameters:(a) c;(b) b;(c) Δ2.

為了能更加完整和全面地反映滿足截止波長(zhǎng)條件下的參數(shù)區(qū)間,本文給出了TLF 纖芯中的任意兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)參量對(duì)截止波長(zhǎng)λC的影響.圖3分別給出了截止波長(zhǎng)λC隨纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)b 和c,b 和Δ2,Δ2和c 的三維變化圖.其中圖3(a)—圖3(c)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別固定為:Δ2=0.004,c=6 μm,b=3 μm.如圖中所示,纖芯不同層結(jié)構(gòu)參量c,b 和Δ2對(duì)截止波長(zhǎng)λC的影響與圖2 中的分析結(jié)果一致,故可以反映出截止波長(zhǎng)λC隨纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系.

圖3 截止波長(zhǎng)λC 隨不同層結(jié)構(gòu)參數(shù) (a)b 和c、(b) b和Δ2、(c) Δ2 和c 的變化關(guān)系Fig.3.Cutoff wavelength λC as a function of the layer parameters:(a) b and c,(b) b and Δ2,(c) Δ2 and c.

假設(shè)固定截止波長(zhǎng)λC=1.3 μm,通過改變TLF 中纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)較大的纖芯高折層半徑a.光纖分為有源光纖和無源光纖,對(duì)于有源光纖如稀土摻雜光纖,增大a 有利于稀土離子的吸收,從而提高光纖的增益性能.對(duì)于無源光纖,增大a 有利于模場(chǎng)有效面積Aeff的增大,從而增強(qiáng)光纖的傳輸性能.圖4 給出了纖芯高折層半徑a 隨纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)c,b 和Δ2的變化關(guān)系.其中圖4(a),圖4(b),圖4(c)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別固定為:b=1 μm,Δ2=0.004;c=6 μm,Δ2=0.004;c=6 μm,b=1 μm.如圖4(a)所示,當(dāng)Δ1=0.0025 時(shí),隨著c 從 0 增大到 6.5 μm,a 可以從 5.8 μm 增大到 7.2 μm.圖4(b)和4(c)分別顯示,a 隨b 的增大而減小,隨Δ2的增大而增大.而在階躍型單模光纖中,當(dāng)工作波長(zhǎng)λ 和截止波長(zhǎng)λC均固定時(shí),纖芯半徑與Δ1成反比.通常情況下,在普通階躍型光纖中,由于制造工藝的限制,纖芯折射率Δ1不能過小,即數(shù)值孔徑NA 不能低于0.06,否則基模的彎曲損耗將呈指數(shù)形式遞增,光纖對(duì)彎曲效應(yīng)將變得十分敏感,因而普通階躍型光纖的纖芯半徑a 存在最大極限值.而這種TLF則可以避免這些問題,TLF 中的下陷低折層可以增強(qiáng)對(duì)基模模場(chǎng)的限制能力,防止模場(chǎng)擴(kuò)散到包層中,基模將被很好地限制在纖芯中.因此,TLF 可以突破NA 的極限值,在增大纖芯半徑的同時(shí)保持單模運(yùn)轉(zhuǎn).

圖4 纖芯高折層半徑a 隨不同層結(jié)構(gòu)參數(shù) (a)c、(b) b和(c) Δ2 的變化曲線Fig.4.Relationship between core radius a and (a) c,(b) b,and (c) Δ2.

在實(shí)現(xiàn)高功率大容量光纖通信中,保持大傳輸容量的同時(shí)減小非線性效應(yīng)是必不可少的,因而增大光纖模場(chǎng)面積Aeff十分重要.這種TLF 結(jié)構(gòu)的基模模場(chǎng)分布并不是近高斯型的,因而采用Petermann I 定義的公式來計(jì)算其模場(chǎng)有效面積Aeff[16,20?22]:

其中,E 為基模電場(chǎng)分布.假設(shè)固定截止波長(zhǎng)λC=1.3 μm,圖5 給出了基模有效面積Aeff隨纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)c,b 和Δ2的變化關(guān)系.其中a 由截止波長(zhǎng)λC來確定,即通過改變a 以達(dá)到λC=1.3 μm的要求.由圖5 可以看出,隨著Δ1的減小Aeff逐漸增大,可以達(dá)到約220 μm2.Aeff隨著c 和Δ2的增大而減小,隨著b 的增大而增大.因此實(shí)際制作中若想要大的Aeff,則需選擇小的c、小的Δ2以及大的b 值.可以看出,通過調(diào)整三層芯的結(jié)構(gòu)參數(shù),在不犧牲截止波長(zhǎng)λC的前提下,這種三層芯光纖結(jié)構(gòu)可以增大Aeff.

其物理意義可以表述如下:由于纖芯周圍的下陷低折層的限制,使得光纖基模模場(chǎng)不易泄漏到光纖包層區(qū)域,光纖基模模場(chǎng)被很好地限制在了纖芯內(nèi)部,從而使得光纖基模的Aeff就越小.通過改變下陷層參數(shù)大小,可以調(diào)節(jié)模場(chǎng)束縛的程度.c 和Δ2越大說明纖芯中的最外層—下陷低折層越大,下陷低折層對(duì)基模場(chǎng)的限制能力就越強(qiáng),因而Aeff就越小.b 越大說明纖芯高折層離纖芯的最外層—下陷低折層就越遠(yuǎn),下陷低折層對(duì)纖芯的影響就越小,因而Aeff就越大.

為了避免陷入局部極值,本文給出了多維參數(shù)對(duì)應(yīng)的Aeff的變化曲線,即纖芯中的任意兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)參量對(duì)Aeff的影響.纖芯高折層和包層的折射率差Δ1=0.003.圖6 分別給出了基模有效面積Aeff隨纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)b 和c,b 和Δ2,Δ2和c 的三維變化圖.其中圖6(a)—6(c)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別固定為:Δ2=0.004,c=6 μm,b=3 μm.如圖中所示,模場(chǎng)面積Aeff隨纖芯結(jié)構(gòu)參量c,b 和Δ2的變化趨勢(shì)與文中圖5 的分析結(jié)果一致,故可以反映出Aeff隨纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系.

圖5 Aeff 隨不同層結(jié)構(gòu)參數(shù) (a) c、(b) b 和 (c) Δ2 的變化曲線Fig.5.Relationship between Aeff and (a) c,(b) b,and (c) Δ2.

圖6 Aeff 隨不同層 結(jié)構(gòu)參 數(shù) (a) b 和c、(b) b 和Δ2 和(c) Δ2 和c 的變化關(guān)系Fig.6.Relationship between Aeff and (a) b and c,(b)b and Δ2,and (c) Δ2 and c.

基模有效面積Aeff和彎曲性能之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系,光纖中產(chǎn)生的彎曲損耗,使得Aeff的增大受到限制.在不犧牲截止波長(zhǎng)λC的前提下,這種三層芯光纖結(jié)構(gòu)可以在相同模場(chǎng)面積 Aeff下,降低光纖的彎曲損耗.光纖彎曲時(shí),由于形變?cè)斐傻膸缀谓Y(jié)構(gòu)及折射率差Δ 發(fā)生變化,從而使得傳輸性能受到影響.假設(shè)光纖沿+x 方向發(fā)生彎曲,可以等效為折射率沿彎曲方向呈傾斜分布的平直光纖,彎曲半徑越小,傾斜斜率越大.光纖橫截面的等效折射率表示為[23]

其中,n0(x,y)是彎曲光纖的等效折射率大小,n(x,y)是平直光纖的折射率大小,x 為彎曲方向,R 為彎曲半徑.計(jì)算結(jié)果基于有限元方法,通過全矢量麥克斯韋方程組,采用商業(yè)軟件Comsol Multiphysics計(jì)算得出.除光纖結(jié)構(gòu)外,在光纖邊界處采用圓形完美匹配層邊界條件(PML)來模擬模型中無限域的效果,因而模式的傳播常數(shù)β 成為一個(gè)復(fù)數(shù),實(shí)部是模式折射率,虛部是與限制損耗有關(guān)的量.光纖中某一模式的限制損耗αB由β 的虛部計(jì)算得出:

利用等效折射率模型[9,24]及(3)式和(4)式,當(dāng)為平直光纖時(shí),計(jì)算結(jié)果為限制損耗.當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時(shí),計(jì)算結(jié)果為彎曲損耗[9,24].

假設(shè)固定截止波長(zhǎng)λC=1.3 μm,圖7 給出了纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)c,b 和Δ2下,彎曲損耗隨不同彎曲半徑R 的變化關(guān)系.其中a 由λC來確定,通過改變a 以達(dá)到λC=1.3 μm 的要求.光纖中的彈光修正因子Reff/R=1.28,這里Reff是有效彎曲半徑[25].工作波長(zhǎng)固定為λ=1.55 μm.其中圖7(a)—7(d)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別固定為:Δ1=0.003,b=1 μm,Δ2=0.004;Δ1=0.003,c=6 μm,Δ2=0.004;Δ1=0.003,c=6 μm,Δ2=0.004;Δ1=0.003,c=6 μm,b=1 μm.從圖7 可以看出,隨著彎曲半徑R 的增大,彎曲損耗呈指數(shù)方式逐漸降低,之后不再變化.如圖7(a)和(d) 所示,彎曲損耗隨著c、Δ2的增大而減小.圖7(b)中顯示,隨著b 的增大,彎曲損耗先減小后增大.這一點(diǎn)從圖7(c)中也可以清楚地看出,隨著b 的增大,彎曲損耗首先減小,當(dāng)b 超過4 μm 時(shí),彎曲損耗逐漸增大.值得注意的是,彎曲損耗存在極小值,此時(shí)的b 即為設(shè)計(jì)低彎曲損耗的最佳值.因此在實(shí)際制作中,為了提高彎曲性能,可以選擇盡量大的c、大的Δ2以及靠近最佳值的b 值.

圖7 不同層結(jié)構(gòu)參數(shù) (a) c、(b) b 和 (d) Δ2 下彎曲損耗隨彎曲半徑R 的變化曲線;(c)彎曲半徑R=0.01 m 時(shí)彎曲損耗隨b 的變化曲線Fig.7.Relationship between the bending lossand (a) c,(b) b,and (d) Δ2 at various R;(c) relationship between the bending lossand b at R=0.01 m.

其物理意義可以表述如下:當(dāng)彎曲光纖中某處包層的折射率超過模式的等效折射率時(shí),該處模式的電場(chǎng)邊緣處會(huì)引發(fā)功率泄漏,從而導(dǎo)致彎曲損耗[26,27].由于纖芯最外層折射率較低,可以抑制電場(chǎng)邊緣的有效折射率的增大,因而這種光纖的彎曲損耗可以保持在一個(gè)較低的水平.c,Δ2越大說明纖芯中的最外層—下陷低折層越大,下陷低折層抑制電場(chǎng)邊緣有效折射率的效果就越明顯,因而彎曲損耗就越低.

參數(shù)b 對(duì)彎曲損耗的影響要從兩個(gè)方面來講:一方面,隨著b 的增大,纖芯中間的包層低折層逐漸增大,導(dǎo)致纖芯的等效折射率變大,使得光功率較多的分布于纖芯中,因而彎曲損耗變小;另一方面,隨著b 的增大,纖芯高折層離下陷低折層就越遠(yuǎn),下陷低折層抑制電場(chǎng)邊緣有效折射率的效果就越弱,因而彎曲損耗就變大.這兩種效應(yīng)給彎曲損耗帶來的影響是相反的,因而要結(jié)合起來辯證地看影響結(jié)果.當(dāng)b 較小時(shí),下陷低折層離纖芯高折層距離較近,此時(shí)對(duì)整個(gè)纖芯的等效折射率影響較大,因而主要表現(xiàn)為彎曲損耗變小;當(dāng)b 較大時(shí),下陷低折層離纖芯高折層距離較遠(yuǎn),此時(shí)對(duì)纖芯的等效折射率影響較小,而主要表現(xiàn)為抑制電場(chǎng)邊緣有效折射率的效果,因而主要表現(xiàn)為彎曲損耗變大.

圖8 給出了在彎曲半徑R 為 0.01 m 時(shí),TLF光纖結(jié)構(gòu)的Aeff與彎曲損耗之間的變化關(guān)系.為了驗(yàn)證彎曲性能是否得到改善,圖中同樣給出了傳統(tǒng)普通階躍型光纖SIF 的變化關(guān)系.這里纖芯高折層和包層的折射率差Δ1由不同Aeff的變化確定,纖芯高折層半徑a 由截止波長(zhǎng)λC=1.3 μm 的大小來確定.工作波長(zhǎng)固定為λ=1.55 μm.其他結(jié)構(gòu)參數(shù)固定如下:TLF1:c=6 μm,b=3 μm,Δ2=0.004;TLF2:c=7 μm,b=4 μm,Δ2=0.004.從圖8 可以看出,在相同Aeff下,TLF 的彎曲損耗要比SIF 低2—4 個(gè)數(shù)量級(jí).如圖中所示,在R=0.01 m、基模Aeff約為180 μm2時(shí),SIF 的彎曲損耗高達(dá)320 dB/m,而TLF1 的三層芯光纖結(jié)構(gòu)的彎曲損耗很低,約為 2.05 dB/m,而 TLF2 的彎曲損耗可以低至 0.34 dB/m.研究證明,通過調(diào)整TLF中纖芯的不同層結(jié)構(gòu)參數(shù),彎曲性能可以進(jìn)一步得到改善.綜上所述,由于下陷低折射率層的存在,TLF 光纖結(jié)構(gòu)可以有效改善彎曲性能和/或增大Aeff.研究表明,在不犧牲截止波長(zhǎng)λC的前提下,TLF 光纖可以實(shí)現(xiàn)在增大基模有效面積Aeff的同時(shí),將彎曲損耗降到更低.

圖8 TLF 和SIF 光纖結(jié)構(gòu)的基模彎曲損耗隨Aeff 的變化曲線Fig.8.Bending loss as a function of Aeff for TLFs comparedto step-index fiber.

圖9 給出了不同彎曲半徑R 下,TLF 彎曲損耗及Aeff的變化曲線.光纖結(jié)構(gòu)參量固定為:λC=1.3 μm,c=7 μm,b=4 μm,Δ2=0.004.工作波長(zhǎng)λ 固定為1.55 μm.為進(jìn)行對(duì)比,圖中同樣給出了相同Aeff下的傳統(tǒng)普通階躍型光纖SIF 的變化關(guān)系.從圖9 可以看出,隨著彎曲半徑R 的增大,彎曲損耗和Aeff以指數(shù)方式逐步降低.在相同的R 下,TLF 的彎曲損耗要比SIF 低的多.當(dāng)R=0.02 m時(shí),SIF 的彎曲損耗高達(dá)約為 3930.375 dB/m,而TLF 的彎曲損耗約為0.43 dB/m.當(dāng)R 增大到0.14 m時(shí),SIF 的彎曲損耗約為1.2×10–4dB/m,而TLF的彎曲損耗低至3.7×10–6dB/m.當(dāng)R >0.2 m時(shí),彎曲損耗基本不再變化.總體上TLF 的彎曲損耗比SIF 要低2—4 個(gè)數(shù)量級(jí).

圖9 不同彎曲半徑R 下 (a)彎曲損耗、(b) Aeff 的變化曲線 Fig.9.Relationship between (a) bending loss,(b) effective area Aeff and bending radius.R.

從圖9(b)可以看出,當(dāng)彎曲半徑R >0.2 m 時(shí),TLF 的Aeff與SIF 基本一致.但當(dāng)R 較小時(shí),如R <0.2 m 時(shí),SIF 的Aeff模場(chǎng)形變量要比TLF 大的多.當(dāng)R=0.02 m 時(shí),SIF 的Aeff增大至 4302.63 μm2,比平直狀態(tài)增大了約3996.44 μm2,由此可以看出SIF 的模場(chǎng)變形和增大問題更為嚴(yán)重.而當(dāng)R=0.02 m 時(shí),TLF 的Aeff約為371.32 μm2,比平直狀態(tài)增大了約65.17 μm2,二者處于同一數(shù)量級(jí)水平.說明TLF 的模場(chǎng)形變量比SIF 有著明顯的降低,可以滿足大與低彎曲損耗的實(shí)際應(yīng)用需求.

為了討論TLF 結(jié)構(gòu)的限制損耗特性,這里固定光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)為:TLF1:λC=1.3 μm,a=10.36 μm,Δ1=0.0011,c=7 μm,b=4 μm,Δ2=0.004;TLF2:λC=1.3 μm,a=8.74 μm,Δ1=0.00155,c=6 μm,b=3 μm,Δ2=0.004.圖10給出了不同工作波長(zhǎng)λ 下,TLF 的基模限制損耗的變化關(guān)系.從圖10 可以看出,隨著λ 的不斷增大,基模的限制損耗逐漸增大.在1.2 μm <λ <1.65 μm時(shí),基模的限制損耗總體上低于10–5dB/m 水平.在λ=1.55 μm 時(shí),TLF1 的限制損耗約為2.81 ×10–7dB/m,而TLF2 的限制損耗約為 3.14×10–8dB/m.綜上所述,這種單模、大、低彎曲損耗三層芯光纖在大容量、高功率光纖通信系統(tǒng)中具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

圖10 TLF 基模的限制損耗隨波長(zhǎng)的變化曲線Fig.10.Transmission loss of fundamentalmode for TLFs.

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)的研究并分析了如何采用三層芯結(jié)構(gòu)光纖,來實(shí)現(xiàn)在保持單模、大Aeff的同時(shí),提高其彎曲性能.分析了不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)TLF 性能的影響,為大和低彎曲損耗光纖的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)意義.詳細(xì)分析了纖芯不同層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)截止波長(zhǎng)、和彎曲性能的影響.通過調(diào)整纖芯中三層芯的結(jié)構(gòu)參量,Aeff可以達(dá)到100—330 μm2甚至更高.此外,TLF 光纖結(jié)構(gòu)可以有效改善彎曲性能,在相同的Aeff下,TLF 的彎曲損耗比SIF 要低2—4 個(gè)數(shù)量級(jí).研究表明,在不犧牲截止波長(zhǎng)的前提下,TLF 光纖可以實(shí)現(xiàn)在增大基模有效面積Aeff的同時(shí),將彎曲損耗降到更低.這種光纖制作簡(jiǎn)單,可以采用傳統(tǒng)的MCVD 法.分析表明這種單模、大、低彎曲損耗三層芯光纖在寬帶大容量傳輸、及大功率光纖激光器和放大器中具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值.