專利名稱:彎曲補償拋物型折射率分布光纖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大模場光纖，更特別的是涉及表現(xiàn)出特別設計(以將彎曲引起的光纖有效區(qū)域縮減的效應最小化)的折射率分布的大模式區(qū)光纖。
背景技術：
本發(fā)明在由國家標準和技術學院(NIST)授予的授予號為70NANB4H3035的NIST ATP程序下，以美國政府支持作出。美國政府在本發(fā)明中具有特定權利。
在光纖通信領域，由于已知大模場(large mode area)光纖可以克服例如拉曼和布里淵散射的各種非線性損失，越來越多的興趣集中到大模場光纖的使用，特別是關于基于光纖的光放大器之類的制造。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大模場光纖的使用會增加諸如宏彎損耗的其他光纖相關靈敏度，模間耦合和對于光纖折射率分布中的非均勻性的靈敏度的存在。
現(xiàn)有技術中至少有兩種方案來將光纖中的彎曲引起的損耗最小化。在一種方案中(實質上為機械解決方案)，是使用特別抗彎曲的類似棒狀光纖。通過迫使光纖基本上保持線性，可以顯著減少彎曲引起的損耗。然而，在這種光纖的大部分“場(field)”應用中，存在彎曲，甚至將光纖進行纏繞的需求。因此，認為限制光纖彎曲的物理能力是不切實際的解決方案。另一個解決方案與通過定義要使用的特定“纏繞”來確定先天的(a priori)固定的彎曲損耗，然后總是根據(jù)特定的纏繞半徑(以及匝數(shù))來使用光纖。再次地，認為這種解決方案限制了大模場光纖的各種應用，以及場應用中的修改和這種光纖的使用中的變型。
盡管這些和其他設計考慮了光纖模式的彎曲引起的損耗，仍然忽略了彎曲引起的失真的問題，特別的，包括彎曲引起的有效區(qū)域縮減的失真。在使用更傳統(tǒng)的核心尺度的之前的傳統(tǒng)應用中，這種模式失真影響最小。然而，在大模式光纖應用中，彎曲引起的模失真的存在導致有效區(qū)域的顯著減少。
從而，技術中存在提供這樣一種大模場光纖的需求，這種光纖在各種應用中經(jīng)受彎曲的時候有效區(qū)域不會嚴重的失真。

發(fā)明內容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中存在的需求，其涉及大模場光纖，更特別的是涉及表現(xiàn)出特別設計(以將彎曲引起的光纖有效區(qū)域縮減的效應最小化)的折射率分布的大模式區(qū)光纖。
根據(jù)本發(fā)明，大模場光纖的折射率分布特征是基于傳統(tǒng)的彎曲引起的損耗參數(shù)，以及影響光纖的有效區(qū)域的彎曲引起的失真這兩者。根據(jù)本發(fā)明的大模場光纖的折射率分布將從根本上對彎曲引起的失真進行補償，這些失真是隨著信號沿著大模場光纖傳播所“經(jīng)歷的”。
以類似于信號“預失真”的方式，以“預彎曲”方式特別地定義本發(fā)明的大模場光纖的折射率分布，從而在光纖彎曲的時候，等效的折射率分布將具有“平”和“寬”的引導區(qū)域。本發(fā)明的一個方面是可以以各種不同類型的光纖(包括基于光纖的放大器，光子帶隙光纖，雙折射光纖之類)使用提供折射率分布“預失真”的能力。
在本發(fā)明的一個實施例中，形成表現(xiàn)出基本拋物型折射率分布的大模場光纖，其中光纖的任何彎曲作用僅僅是以保持其拋物型形狀的方式偏移折射率分布。結果，光纖的特性變得對于彎曲相關的變化相對不變。
在替代的實施例中，發(fā)現(xiàn)突起的錐形折射率分布即使在光纖彎曲時也產(chǎn)生具有平的折射率峰值的相對大的引導區(qū)域。
在下面的討論的過程中以及通過參考附圖，本發(fā)明其他的和進一步的方面和實施例將變得明顯。
現(xiàn)在參考附圖，圖1示例說明了包括光纖形狀中的特定“彎曲”的大模場光纖的典型剖面圖；圖2包括示例說明了圖1的折射率的一對曲線圖，圖2(a)示例說明了傳統(tǒng)的“直”光纖的折射率，而圖2(b)示例說明了如圖1所示的彎曲的光纖的等效折射率；
圖3示例說明了作為光纖核心直徑和彎曲半徑的函數(shù)的計算的模場；其中圖3(a)顯示了具有30μm核心區(qū)域的“直的”光纖部分的基本模強度，圖3(b)顯示了具有30μm核心區(qū)域的具有7.5cm彎曲半徑的光纖部分的基本模強度，圖3(c)顯示了具有50μm核心區(qū)域的“直的”光纖部分的基本模強度，圖3(d)顯示了具有50μm核心區(qū)域的具有7.5cm彎曲半徑的光纖部分的基本模強度；圖4包括一對示意性光強和折射率曲線圖，其中圖4(a)示例說明了對于“直”光纖的光強和折射率分布曲線圖，而圖4(b)示例說明了對于“彎曲”光纖的光強和折射率分布曲線圖；圖5是作為彎曲半徑的函數(shù)的光纖有效區(qū)域的變化的曲線圖；圖6包括與一光纖相關的一對折射率分布，其中圖6(a)示例說明了“理想的”制造的分布，圖6(b)顯示了光纖彎曲后表現(xiàn)出的“理想的”平的和寬的分布；圖7是拋物型折射率分布光纖的曲線圖，其中圖7(a)示例說明了與“直的”光纖相關的分布，圖7(b)示例說明了與“彎曲的”光纖相關的分布；圖8包括驗證本發(fā)明的范例拋物型折射率分布抗彎曲光纖的穩(wěn)定性的仿真結果；圖9是本發(fā)明的拋物型折射率分布光纖的范例分段常數(shù)結構；圖10是對于圖9的光纖作為彎曲半徑的函數(shù)的有效區(qū)域的曲線圖；圖11包括對于本發(fā)明的抗彎曲光纖作為有效區(qū)域的函數(shù)的損耗率的曲線圖；圖12是為了比較的目的的，由忽略有效區(qū)域中彎曲引起的變化得到的不正確的性能比較的曲線圖；圖13是本發(fā)明的替代實施例的“突起的錐形”折射率分布的曲線圖；圖14包括對于直的光纖和彎曲的光纖這兩者的“突起的錐形”折射率分布的等價圖；圖15是有效區(qū)域相對于彎曲半徑的曲線圖，將傳統(tǒng)的階躍型折射率核心光纖與本發(fā)明的彎曲不變光纖的突起的錐形折射率分布進行比較。
具體實施方式圖1示例說明了經(jīng)過彎曲表現(xiàn)出定義的彎曲半徑的大核心直徑光纖的范例部分10。如同所示，將彎曲光纖10定義為在如同所示的x-y方向具有彎曲半徑Rbend。如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大核心直徑光纖的彎曲將以縮減的有效區(qū)域的形式引起失真。特別是，可以確定彎曲光纖10的等效折射率模型，并接著如下地進行分析來將前進的光信號傳播繞過半徑Rbend的彎曲時，它在不同的橫向位置x上“看到”的不同光程長度考慮在內d(length)d(angle)=Rbend+x,]]>其中，通過定義等效折射率分布neq2來調整光程長度，neq2(x,y)=n2(x,y)(1+2xRbend)]]>認為neq2為光纖材料的標定折射率分布(n2)的修正版本。圖2示例說明了彎曲對于光纖折射率的影響，其中圖2(a)顯示了對于光纖基本“直的”部分的折射率分布，而圖2(b)顯示了對于如圖1中那樣彎曲的光纖的折射率分布。如同所示，等效折射率被沿著由下列關系定義的斜率向上偏移Δn=nxRbend.]]>如圖3所示的對于范例光纖和彎曲尺度計算的模場，示例說明了對于現(xiàn)有技術光纖彎曲的影響，在前面的兩個圖像中的光纖中具有中等大的核心區(qū)域(30μm)，在后面的兩個圖像中的光纖中具有非常大的核心區(qū)域(50μm)。在每個例子中，上側圖像示例說明了對于“直的”光纖部分的基本模強度，而下側圖像示例說明了對于具有7.5cm彎曲半徑的光纖部分的基本模強度。為了示例說明的目的，使用了具有階躍式折射率核心形狀的大模場光纖來生成這些圖像。沒有使用本發(fā)明的彎曲補償折射率分布的情況下，很明顯每個光纖的模強度分布由于彎曲受到干擾，其中對于較大核心區(qū)域的光纖干擾較大。從而這種干擾會導致傳播通過彎曲的光纖的光信號的失真。本發(fā)明借助于光纖折射率分布的“預補償”，將對該失真進行補償并且對于大模場光纖提供相對平坦的“等效分布”。
參考圖4的強度和折射率曲線圖可以最好的理解彎曲光纖中的模失真，其中圖4(a)示例說明了“直的”光纖的強度和折射率分布，而圖4(b)示例說明了“彎曲的”光纖的強度和折射率分布。在彎曲的光纖中，很清楚地顯示了模強度曲線圖發(fā)生了失真，其具有不對稱并且峰值部分更尖銳的折射率分布。參考圖4(a)的折射率曲線圖，顯示了直的光纖可以支持基本模(具有由引用符號A表示的有效折射率)，以及在折射率分布中以引用符號B和C示例說明的幾個較高階模(HOM)。這些模顯示為很好地限制于相對寬的橫向區(qū)域x1上。與之相反，圖4(b)的折射率分布曲線圖示例說明了對于彎曲光纖(傳統(tǒng)光纖)情況，光纖只能支持很少的模(在此情況中為模A和B)，并且這些較少的模限制在核心x2的較窄引導區(qū)域中。在這種情況下由相當窄的，低折射率溝狀部分x3來提供。在右側超過溝狀部分的地方，將是相對高折射率外部覆層區(qū)域，從而模能夠易消散的穿透進入覆層中，如同圖4(b)的曲線圖中的箭頭所示。
彎曲大模場光纖所影響的關鍵參數(shù)為其“有效區(qū)域”。圖5示例說明了對于如上所分析的相同的兩根光纖，作為彎曲半徑Rbend的函數(shù)的有效區(qū)域Aeff。特別是，虛線代表“直的”光纖的有效區(qū)域，而相關的曲線示例說明了由在光纖中引入彎曲導致的有效區(qū)域中的變化。曲線清楚地顯示了較大核心區(qū)域(50μm)光纖的模對于任何合理的彎曲半徑(如同曲線和虛線之間的雙向箭頭所表示的)顯著地縮減了有效區(qū)域。
上面定義的等效折射率模型導致以下結論，即，光纖中彎曲的效果(特別是大模場光纖)可以看作是將常數(shù)折射率梯度加到光纖材料本身的分布上(假定低對比度)。彎曲半徑越小，梯度和導致的彎曲引起的失真就越大。然而，如上所述，傳統(tǒng)光學系統(tǒng)和光纖設計沒有將該效應考慮在內。實際上，現(xiàn)有技術關注于限制/控制彎曲引起的損耗量的各種方法。然而，根據(jù)本發(fā)明，提出了配置大模場光纖的折射率分布來同時將彎曲引起的損耗和彎曲引起的失真考慮在內。實際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以配置折射率分布(此處以后稱為“制造”分布)來增加光纖彎曲時光信號所“經(jīng)歷的”有效區(qū)域。
圖6示例說明了本發(fā)明的這個基本前提，其中圖6(b)包括對于大部分應用(即，光信號可以幾乎沒有失真或者沒有失真地穿過的相對大和平的區(qū)域)期望的折射率分布曲線圖(作為到核心的中心的距離的函數(shù)的折射率)。圖6(a)顯示了一旦光纖彎曲時，提供圖6(b)的“等效”折射率分布結果所需要的“制造”折射率分布。盡管圖6(a)所示的分布將理想地提供期望的分布，卻相對較難在大部分光纖制造工藝中以合理的方式復制它。
因此，提出了可制造的并且提供在光纖彎曲的時候使得分布平坦化的預補償方面的一系列光纖“制造”分布。如上所述，本發(fā)明的折射率處理的一個優(yōu)點是它事實上適合于任何類型的光纖(大模場光纖)，特別是，認為光纖放大器(下面將會更詳細的論述)是對于這種預補償?shù)氖褂锰貏e適合的一類光纖類型。然而，發(fā)明性的技術也同樣適用于各種其他類型的光纖，包括但不限制于，雙折射光纖，光子帶隙光纖(包括沿著縱軸延伸的氣孔或者固體填充孔)以及包括諸如UV-敏感化區(qū)域或光柵特征的“特征”的光纖。本發(fā)明的一個特定實施例使用拋物型折射率分布作為“制造”分布，其中拋物型分布在增加恒定梯度(即，隨著光纖彎曲)的情況下基本不變。拋物型折射率分布可以定義為n(x,y)=ncore-(ncore-nclad)(x2+y2)/Rcore2]]>從而定義了在增加恒定梯度的情況下不變的分布。只要相關的邊界效應保持足夠小，它就會對事實上任何的彎曲半徑自動進行預補償。該特性在圖7中示例說明，其中圖7(a)中示例說明了拋物型折射率分布。該分布的一個截短的版本在圖7(b)中由較暗的線示出，其中對于截短的分布，對于r＞Rcore，n(x，y)＝ncore。通過算術地完成平方n(x,y)+Bx=ncore-ΔnRcore2(x2+y2)+Bx]]>=ncore-ΔnRcore2[(x-xd)2+y2]+C,]]>其中Δn＝ncore-nclad。從而，彎曲引起的項Bx的增加等價于位移xd，其中xd=BRcore22Δn,]]>并且常數(shù)折射率偏移量C的增加由下式定義C=xd2Rcore2Δn.]]>這種變換在光纖彎曲的時候在模尺寸或形狀中不會引起變化，如同比較圖7(a)所示的分布和圖7(b)所示的分布那樣。此外，截短的拋物型分布光纖將顯示出對于彎曲引起的有效區(qū)域縮減的某種額外的抵抗力，從而將對于非線性損害有更好的抵抗力。引導光的彎曲引起的失真和移位還可能對于光和增益介質之間的重疊有重要的改變。從而彎曲引起的失真的預補償可以具有改進放大的信號經(jīng)歷的增益重疊的額外的好處。如同所示，拋物型折射率函數(shù)在彎曲的影響下是本質上不變的(但是發(fā)生轉化)，從而模場對于彎曲引起的失真，不對稱，以及收縮具有很大的抵抗力。作為這個理解的一個結果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的該實施例，與沒有彎曲的相同光纖的模相比，在“彎曲的”光纖中有效區(qū)域可能縮減。這個結果在光纖放大器的情況下非常重要，由于在光纖放大器的領域中采用時，大部分光纖都是彎曲的(纏繞在卷軸上的)。通過根據(jù)本發(fā)明對折射率分布進行預補償，可以改進傳播信號的期望的(信號)模式和增益介質之間的重疊，同時也縮減了不期望的(“噪聲”)模和增益介質之間的重疊。實際上，本發(fā)明的光纖放大器可以以類似于傳統(tǒng)放大器的方式，使用稀土摻雜的核心區(qū)域(諸如，例如鉺，鐿之類的稀土元素)來形成。實際上，可以將核心摻雜劑限制到核心的一部分，從而進一步改進期望的信號模和增益區(qū)域之間的重疊，來進一步提高放大器的效率。也可以在光纖放大器中提供?；旌咸卣鳎栽谠鲆娼橘|內提供抽運(pump)光的有效吸收。在某些情況下，可以在定義的覆層區(qū)域上形成低折射率外部覆層，從而可以沿著覆層區(qū)域引導抽運信號。
圖8包括驗證本發(fā)明的該特定實施例的拋物型折射率分布光纖的穩(wěn)定性的仿真結果。圖8(a)示例說明了對于具有拋物型分布的“直的”光纖的模場分布，而圖8(b)示例說明了對于具有7.5cm的彎曲半徑的光纖的模場分布。將這些結果與圖3中傳統(tǒng)折射率分布的光纖的曲線圖比較，很明顯拋物型折射率分布的使用導致更少的失真。即使對于相當緊的彎曲，?；旧蠜]有失真或者收縮。
在本發(fā)明的該實施例的特定結構中，可以通過多個單獨步驟(每個具有不同的折射率)的分段線形近似來實現(xiàn)折射率分布的拋物型形狀。圖9包括這種分段常數(shù)折射率實施例的折射率分布。該光纖的仿真的有效區(qū)域(Aeff)作為彎曲半徑的函數(shù)，以較暗曲線示于圖10中。很清楚的顯示了拋物型折射率分布的使用使得在從小于8cm到至少20cm的彎曲半徑范圍內保持有效區(qū)域基本恒定。為了比較的目的，圖10中也示出了對于30μm核心現(xiàn)有技術光纖的有效區(qū)域變化(曲線II)和對于50μm核心現(xiàn)有技術光纖的有效區(qū)域變化(曲線III)。很明顯現(xiàn)有技術光纖更多地受到光纖彎曲的影響。
圖11包括對于本發(fā)明的該實施例的拋物型分布光纖以及傳統(tǒng)光子晶體光纖(作為微結構光纖形成)的、作為有效區(qū)域的函數(shù)的損耗率的曲線圖(曲線I)(其與圖2中所示的標準階躍式折射率光纖的曲線圖比較)。該曲線圖允許有效區(qū)域和較高階模之間的折衷的比較，其中沿著曲線向上(表示作為單模的性能)并向右(更大的模區(qū))獲得“最佳性能”。如同所示，根據(jù)測量，本發(fā)明的拋物型分布光纖比現(xiàn)有技術光纖提供了改進的性能。為了比較的目的，圖12包括了相同的曲線圖，其中略去了彎曲引起的模區(qū)域的變化。通過忽略彎曲引起的模區(qū)域的縮減，很清楚該曲線完全忽略了拋物型設計潛在的重要優(yōu)點。該曲線進一步證實了基于“彎曲的”光纖部分進行實驗并理解結果的需求，特別是在使用了大模場光纖的應用中。
圖13包括本發(fā)明另一個實施例的折射率“制造”分布，在此例子中為也在光纖彎曲的時候提供相對平的折射率分布的“突起的錐形”折射率分布。如同拋物型分布那樣，突起的錐形折射率分布也可以通過有限數(shù)量的常數(shù)折射率層的分段近似來形成。特別是，可以如下定義突起的錐形實施例的折射率分布n(x，y)＝ncore-Ar(for r＜Rcore)；和＝nclad(for r＞Rcore)其中r定義為距離核心的中心的軸向距離。
在此例子中，如果錐形的梯度與彎曲引起的梯度匹配，得到的等效折射率分布將具有寬和平的引導區(qū)域。圖14示例說明了對于該光纖折射率分布的等價圖，其中圖14(a)示例說明了對于“直的”光纖部分的等價圖，而圖14(b)示例說明了對于“彎曲”光纖部分的等價圖。參考圖14(b)，很清楚該特定的突起的錐形分布在光纖彎曲時提供了具有平的折射率峰值的大區(qū)引導區(qū)域。
圖15是作為彎曲半徑的函數(shù)的有效區(qū)域的曲線圖，將現(xiàn)有技術的階躍式折射率光纖(虛線)和根據(jù)本發(fā)明形成的突起的錐形彎曲不變光纖(實線)比較。可以看到，對于小于大約12cm的彎曲，突起的錐形分布得到較大的有效區(qū)域。從而，通過形成具有突起的錐形分布的大模場光纖，將消除現(xiàn)有技術中發(fā)現(xiàn)的由縮減的有效區(qū)域引起的問題。
總而言之，發(fā)明概念是定義一“制造”折射率分布，對于彎曲的光纖內引導的光所經(jīng)歷的彎曲引起的梯度進行本質上的補償?！爸圃臁闭凵渎史植伎梢愿爬ǖ囟x為“傳統(tǒng)的”分布，其中將彎曲引起的梯度從傳統(tǒng)分布中減去。
對于本領域技術人員很明顯，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍之下可以對本發(fā)明進行各種修改和變型。特別是，可以使用其它各種折射率分布結構來使得折射率分布“預失真”，以將與光纖彎曲相關的梯度考慮在內。從而，意圖是本發(fā)明將覆蓋本發(fā)明的修改和變型(只要它們處于所附的權利要求
的范圍之內)以及它們的等價物。
權利要求
1.一種可以抵抗彎曲的影響的光纖，該光纖包括相對大的核心區(qū)域；以及包圍核心區(qū)域的覆層，其中在制造中定義相對大核心區(qū)域的折射率分布表現(xiàn)出預失真的分布，其對與所述光纖的彎曲相關的模失真進行補償。
2.根據(jù)權利要求
1所述的光纖，其中該光纖為大模場光纖。
3.根據(jù)權利要求
1所述的光纖，其中預失真的分布為由預期的彎曲引起的梯度縮減的充分寬和平的分布。
4.根據(jù)權利要求
1所述的光纖，其中預失真的分布定義為大致拋物型分布。
5.根據(jù)權利要求
1所述的光纖，其中預失真的分布定義為大致突起的錐形形狀的折射率分布。
6.根據(jù)權利要求
1所述的光纖，其中相對大的核心區(qū)域包括增益介質，并且特別地配置預失真的分布來增強期望的傳播光信號模和增益介質之間的重疊。
7.根據(jù)權利要求
6所述的光纖，其中將增益介質限制在相對大的核心區(qū)域的中心部分，從而增強期望的傳播光信號模和所述增益介質之間的重疊。
8.根據(jù)權利要求
1所述的光纖，其中相對大的核心區(qū)域包括增益介質，并且特別地配置預失真的分布來將不期望的傳播模和增益介質之間的重疊最小化。
9.根據(jù)權利要求
1所述的光纖，其中相對大的核心區(qū)域包括增益介質，并且光纖表現(xiàn)出?；旌咸卣饕栽谠鲆娼橘|內提供抽運信號的改進的吸收。
10.根據(jù)權利要求
1所述的光纖，其中相對大的核心區(qū)域包括增益介質，并且光纖進一步包括包圍覆層區(qū)域的外部覆層，其中低折射率外部覆層的存在允許沿著覆層區(qū)域引導抽運信號。
專利摘要
通過在制造過程中適當?shù)囟x光纖的折射率分布而形成的一種光纖，在光纖彎曲時表現(xiàn)出減小的模失真。將制造分布定義為將由彎曲光纖引入的梯度考慮在內的“預失真”分布。拋物型折射率分布為表現(xiàn)出二次形式的范例抗彎曲分布。突起的錐形折射率為可以用作“制造”分布的另一個分布。由于隨著引入彎曲分布受到大致常數(shù)梯度的偏移，而在任何適當配置的形式中，顯著地縮減了諸如彎曲損耗和模失真的因數(shù)。對于在安裝中受到彎曲的光纖，發(fā)明性的光纖相對于現(xiàn)有技術光纖顯著地改進了得到的有效區(qū)域。制造分布可以引入到各種類型的光纖中，例如雙折射光纖，光子帶隙光纖等等，并且特別適合在光纖放大器結構中使用。
文檔編號G02B6/02GK1991423SQ200610169953
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月25日
發(fā)明者約翰·菲尼 申請人:美國飛泰爾有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan