一种全固态宽带色散补偿折射率引导型微结构光纤，它包括内、外层纤芯圆柱、包层圆柱和基底材料，其中基底材料为纯石英，内层纤芯圆柱为掺锗的纯石英棒，外层纤芯圆柱为一层按正六边形紧密排列的掺氟或硼的纯石英棒；包层圆柱为按正六边形紧密排列的掺氟或硼的纯石英棒；内层纤芯圆柱的折射率大于基底材料折射率，基底材料折射率大于外层纤芯圆柱折射率，外层纤芯圆柱折射率大于包层圆柱折射率；包层圆柱的直径相同，且大于外层纤芯圆柱直径，内层纤芯圆柱直径大于外层芯圆柱直径；所有圆柱的柱间距相等。本发明易制备、易与传统光纤耦合，能对高速密集波分复用光纤通信传输过程中的累积色散进行宽带色散补偿、为光纤通信系统提供有效传输介质。
1.一种全固态宽带色散补偿折射率引导型微结构光纤，其包括内、外层纤芯圆柱、包层圆柱以及基底材料，其特征在于：所述基底材料为纯石英，内层纤芯圆柱为掺锗的纯石英棒，外层纤芯圆柱为一层按照正六边形紧密排列的掺氟或硼的纯石英棒；包层圆柱为按照正六边形紧密排列的掺氟或硼的纯石英棒；内层纤芯圆柱的折射率大于基底材料折射率，基底材料折射率大于外层纤芯圆柱折射率，外层纤芯圆柱折射率大于包层圆柱折射率；所有包层圆柱的直径相同，并且大于外层纤芯圆柱直径，内层纤芯圆柱直径大于外层芯圆柱直径；所有圆柱的柱间距相等；
所述光纤基底材料折射率为1.45；所述光纤内层芯圆柱的折射率范围为1.45～1.485；
所述光纤外层芯圆柱的折射率范围为1.44～1.45；所述光纤包层圆柱的折射率范围为
1.425～1.44；所述光纤内层芯圆柱直径范围为1.2～2.0μm；所述光纤外层芯圆柱直径范围为0.4～0.59μm；所述光纤包层圆柱直径范围为0.8～1.8μm；上述所有圆柱的柱间距均为
内层纤芯和外层纤芯的圆柱折射率均大于包层圆柱的折射率，形成基于全内反射导光的微结构光纤，通过灵活设置内、外层纤芯圆柱的折射率和直径、包层圆柱的折射率和直径以及柱间距，可以灵活调节色散特性；
当波长小于相位匹配波长时，基模在内层芯中传播，此时内层芯基模有效折射率大于外层芯高阶模有效折射率；当波长等于相位匹配波长时，内层芯基模和外层芯高阶模的有效折射率相等，从而内层芯基模和外层芯高阶模发生耦合，即内层芯基模转换到外层芯中传播，外层芯高阶模转换到内层芯中传播，当波长大于相位匹配波长时，内层芯基模能量逐渐向外层芯耦合，此时外层芯基模有效折射率大于内芯层高阶模有效折射率；
由于光纤的色散随波长发生变化，为了适应宽带色散补偿的需要，必须考虑对色散和色散斜率同时进行补偿，为了同时考虑色散和色散斜率的因素；在相位匹配波长前，色散值具有负色散值以及负色散斜率，满足宽带色散补偿的需要，在1500nm～1600nm波长范围内，色散值在-220ps/nm·km～-163ps/nm·km内变化，所述光纤的卡帕值接近于标准单模光纤的卡帕值，且在1538nm和1578nm处光纤的卡帕值与标准单模光纤的卡帕值相等，具有良好的宽带色散补偿特性。
2.根据权利要求1所述的全固态宽带色散补偿折射率引导型微结构光纤，其特征在于：
所述光纤包层总层数为6层，在内层纤芯和外层纤芯之间有三层，外层纤芯之外有三层。
一种全固态宽带色散补偿折射率引导型微结构光纤
技术领域
[0001] 本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种微结构光纤。
背景技术
[0002] 在现代光纤通信系统中，尤其是高速密集波分复用光纤通信系统中，传输过程中的累积色散成为对该类系统的主要限制。因此，对高速密集波分复用光纤通信系统进行宽带色散补偿成为一个研究热点。
[0003] 随着人们对微结构光纤(又叫光子晶体光纤)的理论研究和制备技术的不断了解，人们发现通过调整光纤微结构设计，可以极大地调节光纤的色散特性,例如光纤的色散平坦特性、色散补偿特性等。
[0004] 目前有关色散补偿微结构光纤的研究，主要集中在空芯、全固带隙型和空气孔-石英结构折射率引导型微结构光纤方面。但是带隙型光纤限制了导光窗口，不适于做传输介质；空气孔-石英结构的微结构光纤存在不易与传统光纤耦合、拉制过程中由于温度过高，包层中的空气孔很容易出现塌陷或形变等缺点。
[0005] 由于全固折射率引导型微结构光纤采用不同折射率的介质柱代替空气孔构成，在适合做传输介质的同时具有易与传统光纤耦合、易制备等优点，能有效解决上述空芯、全固带隙型和空气孔-石英结构折射率引导型微结构光纤所存在问题。目前已有部分研究人员对全固折射率引导型微结构光纤展开研究，但他们主要对其色散平坦特性、大模面积特性等进行研究。该类光纤能有效的在光纤通信中传输信号，但都不具备色散补偿特性，无法对光纤通信传输过程中的累积色散进行补偿。
[0006] 目前未见研究人员对全固折射率引导型微结构光纤的色散补偿特性展开研究，仅发现两篇与全固色散补偿微结构光纤密切相关的报道。一是Gautam Prabhakar等设计一种局部全固色散补偿折射率引导型微结构光纤，该光纤虽然具有单点色散补偿特性或宽带色散补偿特性，但该光纤仍然含有两层圆形空气孔，存在不易与传统光纤耦合、拉制过程中由于温度过高，包层中的空气孔很容易出现塌陷或形变等缺点。二是贺冯良等设计一种全固色散补偿带隙型微结构光纤，该光纤虽然具有多零色散点特性和负色散补偿特性，但该光纤为带隙型光纤，限制了导光窗口，不适于做传输介质。
发明内容
[0007] 本发明目的在于提供一种易制备、易与传统光纤耦合、能对高速密集波分复用光纤通信传输过程中的累积色散进行宽带色散补偿并且能为光纤通信系统提供有效传输介质的全固态宽带色散补偿折射率引导型微结构光纤。
[0008] 本发明包括内、外层纤芯圆柱、包层圆柱以及基底材料，其中基底材料为纯石英，内层纤芯圆柱为掺锗的纯石英棒，外层纤芯圆柱为一层按照正六边形紧密排列的掺氟或硼的纯石英棒；包层圆柱为按照正六边形紧密排列的掺氟或硼的纯石英棒；内层纤芯圆柱的折射率大于基底材料折射率，基底材料折射率大于外层纤芯圆柱折射率，外层纤芯圆柱折射率大于包层圆柱折射率；所有包层圆柱的直径相同，并且大于外层纤芯圆柱直径，内层纤芯圆柱直径大于外层芯圆柱直径；所有圆柱的柱间距相等。
[0009] 所述基底材料折射率为1.45；
[0010] 所述内层纤芯圆柱的折射率为1.45～1.485；
[0011] 所述外层纤芯圆柱的折射率为1.44～1.45；
[0012] 所述包层圆柱的折射率为1.425～1.44；
[0013] 所述内层纤芯圆柱直径为1.2～2.0μm；
[0014] 所述外层纤芯圆柱直径为0.43～0.59μm；
[0015] 所述包层圆柱直径为0.8～1.8μm；
[0016] 所述所有圆柱的柱间距均为1.8～2.4μm。
[0017] 所述包层总层数为6层，在内层纤芯和外层纤芯之间有三层，外层纤芯之外有三层。
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0019] 1、光纤是双层芯结构，利用内层芯和外层芯模式之间的耦合机理，获得较大负色散值。
[0020] 2、通过设计合适的内外层芯圆柱的折射率和直径、包层圆柱的折射率和直径以及柱间距，可以获得宽带色散补偿特性。
[0021] 3、全固结构降低了成纤工艺复杂度，易于制备，易于与传统光纤耦合。
[0022] 4、折射率引导型微结构光纤不限制导光窗口，能作为有效的传输介质。
附图说明
[0023] 图1是本发明的结构截面示意图。
[0024] 图2是本发明实施例1的折射率分布图。
[0025] 图3是本发明实施例1的基模有效折射率随波长的变换及不同波长下基模的模场分布图。
[0026] 图4是本发明实施例1的色散值与波长的关系图。
[0027] 图5是本发明实施例1的卡帕值与波长的关系图。
[0028] 图6是本发明实施例1的残余色散曲线图。
[0029] 图中：1-内层纤芯圆柱、2-外层纤芯圆柱、3-包层圆柱、4-基底材料、5-圆柱之间的柱间距、6-内层纤芯圆柱的折射率、7-外层纤芯圆柱的折射率、8-包层圆柱折射率。
具体实施方式
[0030] 实施例1
[0031] 在图1所示的全固态宽带色散补偿折射率引导型微结构光纤示意图中，基底材料4为纯石英，内层纤芯圆柱1为掺锗的纯石英棒，外层纤芯圆柱2为一层按照正六边形紧密排列的掺氟的纯石英棒；包层圆柱3为按照正六边形紧密排列的掺氟的纯石英棒；所有包层圆柱的直径相同，均为1.64μm，外层纤芯圆柱直径为0.51μm，内层纤芯圆柱直径为1.6μm，所有圆柱的柱间距相等，均为2.1μm；包层总层数为6层，在内层纤芯和外层纤芯之间有三层，外层芯之外有三层；如图2所示，基底材料折射率n0为1.45，内层纤芯圆柱的折射率n1为1.48，外层纤芯圆柱折射率n2为1.445，包层圆柱折射率n3为1.43。
[0032] 内层纤芯和外层纤芯的圆柱折射率均大于包层圆柱的折射率，形成基于全内反射导光的微结构光纤，通过合理设计内、外层纤芯圆柱的折射率和直径、包层圆柱的折射率和直径以及柱间距，可以灵活的调节色散特性。采用多极法进行理论计算，得到本发明所述光纤基模有效折射率随波长的变换及不同波长下基模的模场分布。如图3所示。从图中可以看出，在某一波长处，折射率产生突变，该波长就称为相位匹配波长λp。当波长小于相位匹配波长时，基模在内层芯中传播，此时内层芯基模有效折射率大于外层芯高阶模有效折射率；当波长等于相位匹配波长时，内层芯基模和外层芯高阶模的有效折射率相等，从而二者发生耦合，即内层芯基模转换到外层芯中传播，外层芯高阶模转换到内层芯中传播。当波长大于相位匹配波长时，内层芯基模能量逐渐向外层芯耦合，此时外层芯基模有效折射率大于内芯层高阶模有效折射率。
[0033] 由于光纤的色散随波长发生变化，为了适应宽带色散补偿的需要，必须考虑对色散和色散斜率同时进行补偿，为了同时考虑色散和色散斜率的因素，人们定义了一个新的参数卡帕(K)，其表达式为K＝D/Dslope。它表示器件对光纤色散和色散斜率的同时补偿能力。如果要达到理想的宽带色散补偿，一般要求色散补偿光纤的卡帕值与被补偿光纤接近或相等。
[0034] 图4和图5所示，从图中可以看出，在相位匹配波长处，色散值发生突变。且在相位匹配波长前，色散值具有负色散值以及负色散斜率，满足宽带色散补偿的需要。在1500nm～1600nm范围内，色散值在-220ps/nm·km～-163ps/nm·km内变化，本发明所述光纤的卡帕值和标准单模光纤的卡帕值非常接近，且在1538nm和1578nm处两卡帕值相等，具有良好的宽带色散补偿特性。
[0035] 如图6表示，从图中可以看出，在1500nm～1600nm范围内，本发明所述光纤补偿10.69倍的标准单模光纤之后，残余色散近零平坦，进一步表明本发明所述光纤具有良好的宽带色散补偿特性。
[0036] 实施例2
[0037] 基底材料为纯石英，内层纤芯圆柱为掺锗的纯石英棒，外层纤芯圆柱为一层按照正六边形紧密排列的掺硼的纯石英棒；包层圆柱为按照正六边形紧密排列的掺硼的纯石英棒；所有包层圆柱的直径相同，均为1.0μm，外层纤芯圆柱直径为0.43μm，内层纤芯圆柱直径为2.0μm，所有圆柱的柱间距相等，均为1.8μm；包层总层数为6层，在内层纤芯和外层纤芯之间有三层，外层芯之外有三层；基底材料折射率n0为1.45，内层纤芯圆柱的折射率n1为1.46，外层纤芯圆柱折射率n2为1.44，包层圆柱折射率n3为1.425。
[0038] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
