一种方芯光纤

摘要

本发明涉及一种方芯光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层径向截面形状为矩形，矩形长度a为9～400μm,芯层宽度b为3～400μm，矩形的长宽比a/b为1～12，芯层的相对折射率差Δ1为0％～2.2％。本发明的有益效果在于：矩形纤芯可以提高光纤和片上矩形波导之间的模场匹配和耦合效率，改善少模和多模光纤传输系统的模分复用性能；本发明能与半导体激光器输出端的模式很好匹配，可以提高耦合效率，广泛应用于半导体激光器光纤合束器组件等。本发明纤芯长宽比和包芯比易于控制，光纤衰减低，在满足不同应用需求方面具有极大的优势。

权利要求

1.一种方芯光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层径向截面形状为矩形，矩形长度a为9～400μm,芯层宽度b为3～400μm，矩形的长宽比a/b为1～12，芯层的相对折射率差Δ1为0％～2.2％；所述的包层从内至外包括内包层、中间包层和外包层，所述的内包层紧密包覆在芯层外周，其内边界为矩形，内包层的相对折射率差Δ2为‑1.5％～0％，且Δ2＜Δ1，内包层外径与芯层对角线的包芯比B/A为1.1～5.0。

2.按权利要求1所述的方芯光纤，其特征在于所述的中间包层包覆在内包层外周，其相对折射率差Δ3为‑0.8％‑0％，且Δ2≤Δ3≤Δ4，所述的外包层为纯二氧化硅层或掺氟的二氧化硅层。

3.按权利要求2所述的方芯光纤，其特征在于所述的中间包层半径r3为20μm‑450μm，所述的外包层半径r4为50μm‑500μm。

4.按权利要求1或2所述的方芯光纤，其特征在于所述光纤在1550nm波长处的衰减为

0.006dB/m～0.012dB/m。

5.按权利要求2或3所述的方芯光纤，其特征在于在外包层外涂覆树脂涂覆层，所述的树脂涂覆层包括内涂覆层和外涂覆层。

说明书

一种方芯光纤

技术领域

[0001] 本发明涉及一种方芯光纤，属于光纤技术领域。

背景技术

[0002] 光纤通信具有传输容量大、传输距离远、传输速率快等特点，被广泛应用于长途干线网、城域网以及接入网等光通信网络。在高速发展的宽带数据传输业务需求的推动下，光
通信网络用户数量和网络数据新业务持续增加。为了满足对网络容量不断增长的需求，光
通信系统采用光信号在光纤中的各种多路复用技术，包括波分复用(WDM)、偏分复用(PDM)、
频分复用(FDM)和时分复用(TDM)。但这些维度的复用技术都已经接近传输容量的极限，当
前基于普通单模光纤的光通信系统已经无法应对持续增长的网络容量需求。

[0003] 空分复用(SDM)技术作为一种新型的光的复用技术，被认为是解决未来光通信系统容量问题的下一代通信技术。空分复用利用少模光纤、多模光纤或者多芯光纤中多个传
导模式在空间上的自由度来复用多路信道，目的在于提高单模光纤的传输容量。其中，利用
少模或多模光纤实现空间复用被称为模分复用(MDM)。在少模光纤和多模光纤中，多采用线
偏振模式(LP模)进行模分复用，在理想情况下，各个模之间是相互正交，可以作为独立信道
使用的，通过与传统的时间、波长、偏振和多进制调制格式进行多维复用，可以大大增加系
统的传输容量。少模和多模光纤传输系统的难点在于各个模式的激发，而采用平面光波导
(PLC)模式激发方法，集成度高、模式转换效率高、插入损耗低，且平面光波导技术已经成
熟，易于量产，适合用于新型少模和多模光通信系统的模式激发和复用解复用，并且PLC器
件与普通单模光纤联合搭建的通信系统已经广泛应用于生活中的各个领域。但由于加工工
艺的限制，PLC以及结构类似的硅基光电子器件须设计成矩形波导结构，可支持的模式为横
电磁模(TEM模)。

[0004] 然而，传统的少模光纤、多模光纤均设计为圆形纤芯，支持LP模，但圆形纤芯的光纤与片上矩形波导存在模场形状失配的问题。在单模情况下，该问题并不突出，仅仅影响连
接损耗，不会造成模式串扰。但在少模或多模情况下，片上矩形波导的TEM模与圆芯光纤中
LP模的高阶模式存在严重的模场失配，导致片上矩形波导与圆芯光纤连接时出现严重的模
式串扰和巨大的损耗，严重影响少模或多模光通信系统的性能。

[0005] 另外，在激光传能领域，大功率半导体激光器在激光加工应用的不断推动下得到了迅速发展，其输出功率大、亮度高，成为世界各国关注的焦点。半导体激光器与其它激光
器相比，具有很多明显优势，可直接用于激光焊接、熔覆以及表面处理等激光制造领域中。
半导体激光光纤能量合束组件，能高效提升半导体激光器的输出功率，与其他半导体激光
器合束系统相比，其具有高效率、低成本、结构简单的优势，是当前半导体激光合束研究领
域中最新的热点之一。但是半导体激光光纤能量合束组件中的光纤一般为传统光纤，其纤
芯结构为圆形，和半导体激光器输出端的模式匹配不好，耦合效率难以提高，限制了半导体
激光器的应用范围。

[0006] 专利CN107132612A中提出一种矩形芯子光纤，包括横截面为矩形的纤芯、横截面边界为矩形的沟壑层、横截面边界为矩形的折射率缓冲层和外包层，外包层与纤芯的折射
率差值的绝对值小于0.0005，纤芯长边边长为短边边长的2倍，光纤在弯曲的情况下具有较
大的基模模场面积，沟壑层的折射率是各个介质中折射率最小的，使得纤芯中的高阶模具
有较大的传输损耗，而基模传输性能较好，该光纤采用MCVD在矩形石英管内壁沉积高低折
射率相间分布的多层结构和纤芯层，但矩形石英管管内沉积工艺难控制，可行性差。

发明内容

[0007] 为方便介绍本发明内容，定义如下术语：

[0008] 纤芯长宽比：a/b＝方形纤芯的长度a与宽度b的比值。

[0009] 光纤各层半径：ri＝光纤第i层外边缘到光纤中心的距离。

[0010] 包芯比：B/A＝光纤内包层直径B与方形纤芯层对角线长度A的比值,其中A＝(a2+2 1/2
b) ，B＝2r2。

[0011] 相对折射率差：Δi＝(第i层折射率ni‑外包层折射率n4)/外包层折射率n4×100％，即各层相对于外包层的相对折射率差。

[0012] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提出一种方芯光纤，它能提高光纤和片上矩形波导之间的模场匹配和耦合效率，改善少模和多模光纤传输
系统的模分复用性能。

[0013] 本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征在于所述的芯层径向截面形状为矩形(长方形或正方形)，矩形长度a为9～400μm,芯层宽度
b为3～400μm，矩形的长宽比a/b为1～12，芯层的相对折射率差Δ1为0％～2.2％。

[0014] 按上述方案，所述的包层从内至外包括内包层、中间包层和外包层，所述的内包层紧密包覆在芯层外周，其内边界为矩形，内包层的相对折射率差Δ2为‑1.5％～0％，且Δ2
＜Δ1，内包层外径与芯层对角线的包芯比B/A为1.1～5.0。

[0015] 按上述方案，所述的中间包层包覆在内包层外周，其相对折射率差Δ3为‑0.8％‑0％，且Δ2≤Δ3≤Δ4，所述的外包层为纯二氧化硅层或掺氟的二氧化硅层。

[0016] 按上述方案，所述光纤在1550nm波长处的衰减为0.006dB/m～0.012dB/m。

[0017] 按上述方案，所述的中间包层半径r3为20μm‑450μm，所述的外包层半径r4为50μm‑500μm。

[0018] 按上述方案，在外包层外涂覆树脂涂覆层，所述的树脂涂覆层包括内涂覆层和外涂覆层。

[0019] 本发明的有益效果在于：矩形纤芯可以提高光纤和片上矩形波导之间的模场匹配和耦合效率，改善少模和多模光纤传输系统的模分复用性能；本发明能与半导体激光器输
出端的模式很好匹配，可以提高耦合效率，广泛应用于半导体激光器光纤合束器组件等。本
发明纤芯长宽比和包芯比易于控制，光纤衰减低，在满足不同应用需求方面具有极大的优
势。

附图说明

[0020] 图1为本发明光纤的径向结构示意图。

[0021] 图2为本发明光纤的长宽比和包芯比示意图

[0022] 图3为本发明光纤的折射率剖面结构图。

[0023] 图4为本发明一个实施例的折射率剖面结构图。

[0024] 图5为本发明另一个实施例的折射率剖面结构图。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

[0026] 第一个实施例如图4所示，该方芯光纤包含芯层1、内包层2、中间包层3、外包层4以及树脂涂覆层的内涂覆层5和外涂覆层6；所述芯层的形状为矩形(长方形或正方形)，芯层
的相对折射率差Δ1为0％～0.3％，芯层的长宽比a/b为2.0～3.0，芯层长度a为16～30μm,
芯层宽度b为5～15μm，芯层由PCVD制备的二氧化硅组成，该二氧化硅可为纯二氧化硅，或掺
杂有锗或者氟，或者同时掺杂有锗和氟，或者掺杂有锗、氟中的一种或者两种加上碱金属；
所述的内包层包覆在芯层上，其内边界为矩形，内包层的相对折射率差Δ2＜Δ1，Δ2为‑
0.3％～0％，内包层外径与芯层对角线的包芯比B/A为2.0～3.0，内包层由PCVD制备的二氧
化硅组成，该二氧化硅掺杂有氟或者氟加碱金属；所述的中间包层包覆在内包层上，其相对
折射率差Δ3在Δ2和Δ4之间(Δ2≤Δ3≤Δ4)，Δ3为‑0.3％‑0％，中间包层由PCVD制备的
二氧化硅组成，该二氧化硅掺杂有氟；所述的外包层包覆在中间包层上，其相对折射率差Δ
4≥Δ3，外包层为纯二氧化硅组成，或者由掺氟的二氧化硅组成，外包层直径为125μm。所述
的内涂覆层和外涂覆层由紫外固化高分子树脂组成，可为聚丙烯酸树脂、聚酰亚胺或环氧
树脂等,内涂覆层外径为194μm，外涂覆层外径为244μm。本实施例制备的方芯光纤在1550nm
波长处衰减为0.006dB/m～0.012dB/m，并且长宽比和包心比可灵活控制,可以改善模场匹
配和提高耦合效率，在满足模分复用和半导体激光器的不同应用需求方面具有极大的优
势。本实施例中某一段光纤的具体参数见表1和表2。

[0027] 表1第一个实施例中光纤参数

[0028]

[0029] 表2第一个实施例中光纤参数(续)

[0030]

[0031] 第二个实施例如图5所示，与第一个实施例的不同之处在于芯层的相对折射率差Δ1为0.3％～0.8％，芯层的长宽比a/b为5.0～10.0，芯层长度a为50～75μm,芯层宽度b为5
～15μm，芯层由PCVD制备的二氧化硅组成，该二氧化硅掺杂有锗，或者同时掺杂有锗加上氟
或者碱金属；所述的内包层包覆在芯层上，其内边界为矩形，内包层的相对折射率差Δ2＜
Δ1，Δ2为‑0.2％～0％，内包层外径与芯层对角线的包芯比B/A为3.0～5.0，内包层由PCVD
制备的二氧化硅组成，该二氧化硅掺杂有氟或者氟加碱金属；所述的中间包层包覆在内包
层上，其相对折射率差Δ3在Δ2和Δ4之间(Δ2≤Δ3≤Δ4)，Δ3为‑0.2％～0％，中间包层
由PCVD制备的二氧化硅组成，该二氧化硅掺杂有氟；所述的外包层包覆在中间包层上，其相
对折射率差Δ4≥Δ3，Δ4为‑0.2％～0％，外包层为纯二氧化硅组成，或者由掺氟的二氧化
硅组成，外包层直径为125μm。本实施例制备的方芯光纤在1550nm波长处为0.008dB/m‑
0.020dB/m。本实施例中某一段光纤的具体参数见表3和表4。

[0032] 表3第二个实施例中光纤参数

[0033]

[0034] 表4第二个实施例中光纤参数(续)

[0035]