1.本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种大模场单模传输光纤。


背景技术：

2.光电互联技术是以材料、元器件、互联设计与工艺等基本技术为支撑，通过光信号传输，把光源、互联通道、收发器等组成部分连成一体，彼此间高速交换信号的一种高效的光电混合互联技术。其主要技术包括光电互联设计与工艺、光电印制电路板与光电元器件及其封装的设计与工艺技术等。
3.光电挠性互联基板在实际运用过程中，弯曲是工作常态，中等尺寸弯曲半径将导致弯曲损耗，严重影响光信号传输质量。普通光纤在弯曲半径为20cm时，难保持较低的弯曲损耗。想要获得更好的弯曲损耗性能只能减小芯层的半径，从而保证单模状态，但会影响其使用寿命以及光路耦合效率。而且，随着输出功率的增加，光纤纤芯功率会随着增加会增强光纤中的非线性行为，影响光纤性能传输。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种大模场单模传输光纤，能够在中等尺寸半径弯曲的情况下，增大光纤的模场面积，减小基模的弯曲损耗，提高光纤传输质量，提高可制造性。
5.为实现上述目的，本发明采用的一种大模场单模传输光纤，包括从内至外依次设置的纤芯层、与模态进行共振耦合的梯形折射率渐变环、多沟壑槽和包层，所述纤芯层包括由内至外依次设置的内层纤芯和外层纤芯，所述外层纤芯折射率低于所述内层纤芯折射率值，所述多沟壑槽采用两沟壑结构，且所述多沟壑槽的折射率小于所述包层的折射率。
6.其中，所述内层纤芯半径为30μm，所述外层纤芯的厚度为5μm。
7.其中，所述纤芯层与所述梯形折射率渐变环的间隔为19μm。
8.其中，所述梯形折射率渐变环的两渐变环厚度为6μm，两渐变环间隔距离为6μm。
9.其中，所述梯形折射率渐变环与所述多沟壑槽的间隔距离为17μm。
10.其中，所述多沟壑槽的两个沟壑厚度为12μm，两个沟壑间隔距离为12μm。
11.其中，所述内层纤芯的折射率为1.44，所述外层纤芯的折射率为1.4399。
12.本发明的一种大模场单模传输光纤，所述纤芯层具有两层纤芯结构，所述外层纤芯折射率值略低于所述内层纤芯折射率值，可以调节所述纤芯层与包层之间的折射率差，有利于实现大模场单模传输。所述梯形折射率渐变环采用渐变折射率环作为谐振环，与模态进行共振耦合，有利于增大模场面积和减小弯曲损耗；采用梯形的折射率渐变模式，有利于提高可制造性。所述多沟壑槽采用折射率小于所述包层的折射率的两沟壑结构，有利于增大所述纤芯层与所述包层之间的有效折射率差，减小光纤的弯曲损耗。通过上述结构设置，能够在中等尺寸半径弯曲的情况下，增大光纤的模场面积，减小基模的弯曲损耗，提高光纤传输质量，提高可制造性。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明实施例1提供的具有梯形折射率环结构多沟壑大模场低弯曲损耗单模光纤的结构示意图。
15.图2为本发明实施例2提供的具有梯形折射率环结构多沟壑大模场低弯曲损耗单模光纤的基模和高阶模的弯曲损耗和有效模场面积在不同第一层纤芯半径条件下的趋势图。
16.图3为本发明实施例2提供的具有梯形折射率环结构多沟壑大模场低弯曲损耗单模光纤的基模和高阶模的弯曲损耗和有效模场面积在不同折射率渐变环宽度条件下的趋势图。
17.图4为本发明实施例2提供的具有梯形折射率环结构多沟壑大模场低弯曲损耗单模光纤的基模和高阶模的弯曲损耗和有效模场面积在不同多沟壑槽沟壑数条件下的趋势图。
18.图5为本发明实施例2提供的具有梯形折射率环结构的多沟壑梯两层纤芯大模场单模光纤在弯曲条件下的基模的电场模分布图。
19.图6为本发明实施例2提供的具有梯形折射率环结构多沟壑大模场低弯曲损耗单模光纤在弯曲条件下的高阶模式的电场模分布图。
具体实施方式
20.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
21.请参阅图1至图6，本发明提供了一种大模场单模传输光纤，包括从内至外依次设置的纤芯层、与模态进行共振耦合的梯形折射率渐变环、多沟壑槽和包层，所述纤芯层包括由内至外依次设置的内层纤芯和外层纤芯，所述外层纤芯折射率低于所述内层纤芯折射率值，所述多沟壑槽采用两沟壑结构，且所述多沟壑槽的折射率小于所述包层的折射率；
22.所述内层纤芯半径为30μm，所述外层纤芯的厚度为5μm；
23.所述纤芯层与所述梯形折射率渐变环的间隔为19μm；
24.所述梯形折射率渐变环的两渐变环厚度为6μm，两渐变环间隔距离为6μm；
25.所述梯形折射率渐变环与所述多沟壑槽的间隔距离为17μm；
26.所述多沟壑槽的两个沟壑厚度为12μm，两个沟壑间隔距离为12μm；
27.所述包层的半径为200μm；
28.所述内层纤芯的折射率为1.44，所述外层纤芯的折射率为1.4399；
29.所述梯形折射率渐变环的内侧部分折射率增率为8.33
×
10-5
/μm，所述梯形折射率渐变环的两渐变环间隔部分折射率为1.44，其外侧部分折射率增率为-8.33
×
10-5
/μm；
30.所述多沟壑槽的两个沟壑的折射率为1.439；
31.所述包层的折射率为1.4395。
32.在本实施方式中，光强在光纤中呈高斯分布，且随着离纤芯距离增大呈指数型衰减，即在中心轴线处光强最强，随着纤芯半径的增大而逐渐减弱。若光纤弯曲，光场分布则会发生变化。光纤弯曲时，光纤中的一些模场会扩散到包层。为了保持模式的完整性，同相位的电场和磁场需在一个平面内，当离纤芯距离为某一临界距离处时，包层中的部分光场会以大于光速前行，这种情况不会发生，因此，一部分光能变成辐射模，辐射到光纤外，导致光能损失，这就是弯曲损耗的物理本质。由此可知，随着弯曲半径减小，光能辐射越大，损失越大。
33.光纤的非线性系数与基模有效模场面积成反比，增大有效模场面积可以有效的降低其非线性效应。光纤基模有效模场面积表达式为：
[0034][0035]
式(1)中e(x，y)为光纤截面横向电场。
[0036]
光纤在外力的作用下，电磁场会突破纤芯的束缚，辐射到包层中泄漏到空气中，导致损耗增加，为了保证光纤传输质量，必须保证光纤的损耗足够小。光纤弯曲后，沿轴向传播常数β虚部不为0，光纤中各模式损耗由其传播常数β虚部求解而得，模式损耗计算公式为：
[0037][0038]
式(2)中，β为轴向传播常数，n
eff
为有效折射率，λ为入射波长。
[0039]
实施例1
[0040]
本实施例提供了一种具有梯形折射率芯层多沟壑大模场低弯曲损耗单模传输光纤，包括两层不同折射率的纤芯、梯形渐变折射率环、多沟壑槽和包层；由内到外依次为纤芯层、纤芯层、梯形渐变环、多沟壑槽和包层。
[0041]
其中：纤芯层包括两层纤芯结构，外层纤芯折射率值略低于内层纤芯折射率值，相对于单层纤芯结构，两层纤芯结构可以调节纤芯与包层之间的折射率差，有利于实现大模场单模传输。
[0042]
梯形折射率渐变环采用渐变折射率环作为谐振环，与模态进行共振耦合，有利于增大模场面积和减小弯曲损耗；采用梯形的折射率渐变模式，有利于提高可制造性。
[0043]
多沟壑槽采用折射率小于包层的两沟壑结构，有利于增大纤芯与包层之间的有效折射率差，减小光纤的弯曲损耗。
[0044]
上述纤芯层、梯形折射率渐变环的折射率大于包层的折射率，多沟壑槽的折射率小于包层的折射率。
[0045]
基于上述结构，本实施例的光纤能够在中等尺寸半径弯曲的情况下，增大光纤的模场面积，减小基模的弯曲损耗，提高光纤传输质量，提高可制造性。
[0046]
实施例2
[0047]
本实施例在实施例1的基础上：
[0048]
纤芯层中，内层纤芯半径r0＝30μm，折射率为1.44，外层纤芯环的厚度d0＝5μm，折射率为1.4399。
[0049]
梯形折射率渐变环中，梯形折射率渐变环内侧厚度d1＝6μm，折射率增率为8.33
×
10-5
/μm，两渐变环间隔距离t1＝6μm，折射率为1.44，外侧厚度d1＝6μm，折射率增率为-8.33
×
10-5
/μm。
[0050]
多沟壑槽中，第一沟壑的厚度d2＝12μm，折射率为1.439，两沟壑间隔距离t2＝12μm，折射率为1.4395，第二沟壑的厚度d2＝12μm，折射率为1.439。
[0051]
纤芯层与梯形折射率渐变环的间隔t0＝19μm，梯形折射率渐变环与多沟壑槽的间隔t2＝17μm。
[0052]
包层半径r1＝200μm，折射率为1.4395。
[0053]
包层的外部设置有完美匹配层(perfect matched layers，pml)吸收边界条件。
[0054]
基于上述结构，由计算机仿真分析结构可知，合理选择内层纤芯的半径r0，可以实现光纤低损耗大模场单模传输；随着梯形折射率渐变环的渐变宽度d的增加，fm的弯曲损耗不断增大，hom的弯曲损耗不断减小，其有效模场面积不断减小；随着沟壑数目的增加，沟壑折射率与纤芯的折射率差值更加明显，对光纤的束缚能力增强，fm和hom的弯曲损耗越来越小。
[0055]
图2显示了基模和高阶模的弯曲损耗和有效模场面积随第一层纤芯半径r0变化的曲线图，随着r0从26μm增大到34μm，fm弯曲损耗逐渐减小，分别为1.726
×
10-2
db/m、1.01
×
10-2
db/m、6.62
×
10-3
db/m、4.83
×
10-3
db/m和3.89
×
10-3
db/m，hom弯曲损耗先减小后增大，分别为10.02db/m、1.55db/m、1.62db/m、1.64db/m和1.73db/m，其fm有效模场面积分别为1861.72μm2、1854.04μm2、1854.18μm2、1860.08μm2和1870.02μm2，当第一层纤芯半径r0在26μm～34μm范围内变化时，基模的最大弯曲损耗小于0.1db/m，且高阶模的最小弯曲损耗大于1db/m，光纤均能实现低损耗大模场单模传输。
[0056]
图3显示了基模和高阶模的弯曲损耗和有效模场面积随梯形折射率渐变环的渐变宽度d0变化的曲线图，随着d0从3μm增大到7μm，fm弯曲损耗逐渐增大，分别为3.61
×
10-3
db/m、4.25
×
10-3
db/m、5.19
×
10-3
db/m、6.62
×
10-3
db/m和8.97
×
10-3
db/m，hom弯曲损耗逐渐减小，分别为2.71db/m、2.59db/m、1.89db/m、1.63db/m和1.33db/m，其fm有效模场面积分别为1866.75μm2、1861.73μm2、1857.59μm2、1854.18μm2和1851.40μm2，当渐变环宽度d0在3μm～7μm范围内变化时，基模的最大弯曲损耗小于0.1db/m，且高阶模的最小弯曲损耗大于1db/m，光纤均能实现低损耗大模场单模传输，但随着渐变环宽度d0的增大，纤芯层与包层的有效折射率差值减小，导致fm的弯曲损耗的增大和有效模场面积的减小。
[0057]
图4显示了基模和高阶模的弯曲损耗和有效模场面积随多沟壑槽沟壑数变化的曲线图，随着沟壑数从0增加到3，fm弯曲损耗逐渐减小，分别为1.68db/m、3.27
×
10-2
db/m、6.62
×
10-3
db/m和2.72
×
10-3
db/m，hom弯曲损耗逐渐减小，分别为50.68db/m、3.41db/m、1.63db/m和0.40db/m，其fm有效模场面积分别为1868.29μm2、1854.09μm2、1854.18μm2和1854.25μm2，当多沟壑槽沟壑数n为0时，基模的最大弯曲损耗大于0.1db/m，不满足光纤低损耗大模场单模传输条件，当多沟壑槽沟壑数n为3时，基模的最大弯曲损耗小于0.1db/m，但高级模的最小弯曲损耗不大于1db/m，不满足光纤低损耗大模场单模传输条件，当沟壑数n为2时，纤芯与包层之间的有效折射率差最大，fm的弯曲损耗和有效模场面积达到最有情况。
[0058]
图5和图6为本实施例光纤在弯曲半径为20cm时，基模与高阶模式的电场分布图。
可以看出高阶模式扩散到包层，其弯曲损耗增大(＞1db/m)，实现单模传输。本实施例光纤的纤芯层具有两层纤芯，可以调节纤芯与包层之间的折射率差，有利于实现大模场单模传输；梯形折射率渐变环采用渐变折射率环作为谐振环，与模态进行共振耦合，有利于增大模场面积和减小弯曲损耗；采用梯形的折射率渐变模式，有利于提高可制造性；多沟壑槽采用折射率小于包层的两沟壑结构，有利于增大纤芯与包层之间的有效折射率差，减小光纤的弯曲损耗。
[0059]
为了验证本实施例光纤弯曲损耗性能的优异性，本实施例对比分析了本实施例光纤与已发表的经典模型的弯曲损耗特性，如表1所示。由表1可知，文献[1]中弯曲半径为20cm，其弯曲损耗与有效模场面积分别为0.012db/m，790μm2；文献[2]中弯曲半径为20cm，其弯曲损耗与有效模场面积分别为0.95db/m，920μm2；文献[3]中弯曲半径为20cm，其弯曲损耗与有效模场面积分别为0.0023db/m，1062μm2。本实施例光纤的弯曲半径为20cm，其弯曲损耗与有效模场面积分别为0.00372db/m，1854μm2。本实施例的弯曲损耗特性优于前者。
[0060]
表1弯曲损耗特性对比分析
[0061][0062]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。