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为了研究梯形折射率环和多下陷层结构的光纤弯曲性能,固定设置折射率为n1=1.44,n2=1.4395,n3=1.439,并对相关参数r、t、d、t1、t2、d1、t3进行参数化扫描,总结不同结构对光纤弯曲性能的影响,选择较优的结构参数。文中提出的光纤原始参数为r=30 μm,t=14 μm,d=4 μm,t1=4 μm,t2=22 μm,d1=12 μm,t3=17 μm。
首先,文中讨论了通过改变r值,即纤芯半径对光纤弯曲性能的影响。当其他参数保持不变时,r值在25~32 μm范围内变化。如图3(a)所示,随着r的增加,FM的弯曲损耗持续下降。当t分别为25 μm和32 μm时,对应的FM的弯曲损耗为0.027334 dB/m和0.00855 dB/m,弯曲损耗提高了一个数量级。然而,HOMs的弯曲损耗也不断下降,它从t=25 μm时的4.549815 dB/m下降到t=32 μm时的1.455636 dB/m,减少了68%。按照这个变化趋势,r继续增加,所提出的光纤将不能满足单模操作的要求。所以,弯曲损耗的改善是以牺牲单模操作为代价的。图3(b)显示了光纤的模场面积和损耗比随r的变化趋势,随着r
的增加,弯曲光纤的模场面积逐渐变大,损耗比先增加后减少。当r=32 μm时,模场面积达到最大,最大值为2007.42 μm2,损耗比为170。当r=28 μm时,模场面积为1898.02 μm2,损耗比达到最大值243。笔者选择r=28 μm,舍弃模场面积,使设计的光纤具有更好的弯曲性能。 -
纤芯到梯形折射率环的距离以及梯形折射率环到多下陷层的距离分别用t、t2表示,t的变化范围是12~20 μm,t2的范围是20~26 μm。从图4(a)可看出,当t=20 μm时,FM的弯曲损耗大于0.1 dB/m,不符合单模工作的要求。随着t和t2的减少,FM的弯曲损耗持续下降。当t=12 μm、t2=20 μm时,FM的弯曲损耗达到最小值0.007735 dB/m。这是因为t和t2的增加,间接降低了纤芯的折射率,导致纤芯与包层之间的折射率差减小,不利于改善光纤的弯曲损耗。HOMs的弯曲损耗总是随着t和t2的增加先增加后减少。当t=14 μm、t2=26 μm时,HOMs的弯曲损耗为10.08 dB/m,较大的损耗有利于光纤的单模工作,弯曲损耗随着FM和包层模式之间的耦合达到峰值。图4(b)为模场面积随t和t2的变化曲线。模场面积随着t的增大先减小后增大,且与t2呈正比关系。t的增大间接降低了纤芯的折射率,纤芯与包层的折射率差减小,不利于增加光纤的模场面积。t继续增大,纤芯的直径变大,模场面积克服了折射率差的影响。当t=18 μm、t2=24 μm时,在满足单模工作的前提下,模场面积达到2018.61 μm2。图4(c)显示了光纤的损耗比,这表明了光纤的弯曲性能。当t=14 μm、t2=24 μm时,损耗比高达342,同时,此处光纤的模场面积为1907.49 μm2,这种结构参数的光纤具有更好的弯曲性能。
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通过改变d和t1,研究梯形折射率环结构对光纤性能的影响。如图5所示,d和t1都在2~5 μm的范围内变化。图5(a)显示了FM和HOMs的弯曲损耗随d和t1的变化情况,从图5(a)中可以看出,当d=5 μm、t1=5 μm时,FM的弯曲损耗为0.132385 dB/m,大于0.1 dB/m,除此以外,其他范围内都满足单模工作的要求。随着d和t1的增加,HOMs的弯曲损耗先增加后减少。梯形折射环起到了耦合环的作用,HOMs与耦合环之间的谐振耦合效应增强,HOMs的弯曲损耗增大;随着t1的增加,耦合效果下降,HOMs损耗降低。当t1为3 μm,d={2,3,4,5}时,FM损耗从0.002047 dB/m增加到0.0213 dB/m;HOMs损耗分别为2.2847 dB/m、7.3798 dB/m、6.347 dB/m与7.95 dB/m。
Figure 5. (a) Bending loss of FM and HOMs; (b) Mode field area of FM; (c) Variation of high-fundament loss ratio with t1 and d
图5(b)为光纤模场面积的变化曲线,模场面积随着d和t1的增加而扩大,参数越大,变化越明显。当d保持5 μm不变,t1为3 μm时,模场面积为1894.555 μm2;t1为4 μm时,模场面积为2307.317 μm2,增幅为22%。图5(c)显示了光纤损耗比随d和t1的变化曲线。在t1=5 μm,d=4 μm时,损耗比达到46,此时光纤的模场面积为2312.71 μm2。
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通过改变t3和d1的尺寸,分析研究了多下陷层对光纤性能的影响。图6所示为FM和HOMs的弯曲损耗随t3和d1的变化情况,d1的变化范围为10~16 μm,t3的变化范围为16~19 μm。当d1=16 μm时,HOMs的弯曲损耗小于1 dB/m,不能进行单模传输。当d1增大、t3减小时,包层的等效折射率减小,纤芯和包层的折射率差变大,有利于改善光纤的弯曲损耗。当t保持16 μm不变,d1从10 μm增加到16 μm时,FM的弯曲损耗从0.078083 dB/m降低到0.009186 dB/m。图6(b)显示了光纤模场面积的变化趋势。如上所述,光纤的模场面积随着t3的增加而增加,随着d1的增加而减小。不过,这种影响还不明显,下陷层结构对改变光纤模场面积几乎没有作用。当t3=19 μm、d1=12 μm时,在其他参数不变的情况下,光纤的模场面积达到最大值2314.98 μm2。图6(c)中显示了光纤损耗率的变化情况,当t3=18 μm、d1=12 μm时,损耗比达到最大值63。
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表1显示了不同结构的折射率环对光纤的弯曲损耗和模场面积的影响。由电模式场分布可知,梯形折射率环和三角形折射率环都有一个折射率渐变区域,可以与弯曲光纤的HOMs耦合得更充分。HOMs向包层溢出,弯曲损耗也随之增加,使得所提出的光纤能够满足单模操作的需要。梯形折射率环的弯曲损耗为0.056868 dB/m,三角形折射率环的弯曲损耗为0.010790 dB/m。然而,三角形折射率环结构的模场面积并不理想,其值为1699.19 μm2。通过比较这三种结构可知梯形折射率环更具优越性。
Classification Diagram Bending
loss of FM/
dB·m−1Bending
loss of HOM/
dB·m−1Mode field area/
μm2Trapezoid 0.056868 3.584245 2313.67 Rectangle 0.045282 0.090814 1904.19 Triangle 0.010790 5.790616 1699.19 Table 1. Performance comparison of fibers with different structures of refractive index ring
图7显示了不同结构的谐振环所对应的FM和HOMs的电模式场分布。由图可知,矩形折射率谐振环的FM都集中在环上,没有集中在纤芯,是不符合实际情况的;三角形折射率谐振环虽然具有较低的FM损耗,但是对有效摸场面积影响较大,对比分析可知,梯形折射率谐振环更具有优势。
Figure 7. (a1)-(c1) Electric mode field distribution of FM when the refractive index ring are trapezoidal, rectangular, Triangle; (a2)-(c2) Electric mode field distribution of HOMs when the refractive index ring are trapezoid, rectangular, triangle
图8(a)显示了FM和HOMs的弯曲损耗随下陷层数量的变化情况。只有当下陷层数量为2时,光纤才能进行单模操作。随着下陷层数的增加,纤芯和包层之间的折射率差异增加,光纤的弯曲损耗得到了改善。图8(b)显示了光纤的模场面积和损耗比的变化情况,当下陷层数量为0和1时,光纤的模场面积分别为2601.758 μm2和2311.248 μm2。多下陷层的结构将模场限制在纤芯中,当下陷层的数量继续增加时,模场面积基本上保持不变。
图9为不同下陷层对应FM与HOMs的电场分布,随着下陷层层数的增加,芯层与包层折射率差越来越大,限制光的能力逐渐增强,导致FM与HOMs的损耗逐渐减小;随着下陷层的层数继续增加,光能所受限制也会增强,但只限制在芯层,所以FM的有效摸场面积保持不变。
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光纤FM、HOMs与有效模场面积随热载荷变化趋势如图10所示,从图中可知,随着热载荷的增加,光纤FM、HOMs与有效模场面积均会减小。
FM从0.0568 dB/m减小到0.0099 dB/m;HOMs从3.5842 dB/m减小到0.0942 dB/m;有效模场面积从2313.67 μm2减小到2021 μm2。当Q为9.5 W/m时,HOMs小于1 dB/m,此时光纤不能实现单模传输。
Structural design of bending-resistant all-solid fiber with large mode field
doi: 10.3788/IRLA20220551
- Received Date: 2022-08-24
- Rev Recd Date: 2022-11-14
- Available Online: 2023-03-20
- Publish Date: 2023-03-25
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Key words:
- optical fiber structure design /
- large mode field area /
- finite element analysis /
- bending loss /
- single-mode operation
Abstract: