CN103698843B - 一种低简并度少模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低简并度少模光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由一个主纤芯和2N个辅助纤芯所组成，所述主纤芯位于光纤中心，所述2N个辅助纤芯对称的排布在所述主纤芯两侧，所述主纤芯的中心和2N个辅助纤芯的中心处于同一直线上；所述主纤芯和辅助纤芯的折射率相同，所述主纤芯边界与相邻的所述辅助纤芯边界相切，相邻的两个所述辅助纤芯的边界相切；所述辅助纤芯直径均小于所述主纤芯直径，且所述辅助纤芯直接由内向外依次递减。本发明通过引入辅助纤芯，破坏光纤的折射率分布的圆对称性，形成具有二重对称性的折射率分布。这种折射率分布使四重简并的高阶模降为二重简并模，增大两者的有效折射率差，并使高阶模的模场分布形式固定。

Description

一种低简并度少模光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体分为可实现降低模式简并度的少模光纤。

背景技术

普通光纤的基模由两个简并的线性偏振模组成。光纤的高阶模根据其对称性和简并度，由两个或4个简并模组成，如LP11模，LP21模均由四个简并模组成，而LP02模则由两个线性偏振模组成。对于四个简并模组成的高阶模，其每种线性偏振态均由两个模式组成。这两个模式的模场分布不同，而传输常数相同。在传输过程中，这两个模式将由于光纤折射率分布的变化和外界环境的影响而发生耦合，两个模式能量发生交换。

模分复用技术被认为是提高光纤通信容量的一种新技术。在模分复用系统中，不同的模式被作为不同信息的通道，从而实现通信容量的成倍增加【D.J.Richardson,J.M.Fini,and L.E.Nelson.Space-division multiplexing in optical fibres(光纤中的空分复用技术).Nat.Photon.,2013,7(5):354-362】。为实现有效的模式复用，不同模式之间应该能够实现较独立的传输，从而避免模式间耦合造成传输信号之间的串扰。为此，需要降低高阶模的简并度。双模光纤在模式转换器、模式选择耦合器、声光移频器、干涉型光纤传感器等方面均具有广泛的应用。双模光纤指仅允许传输两个线性偏振基模即LP01模和两个LP11模的光纤。这同样需要通过增大高阶模的模式双折射来实现【W.Jin,Z.Wang,andJ.Ju.Two-mode photonic crystal fibers(双模光子晶体光纤).Opt.Express,2005,13(6):2082-2088】【双模光子晶体光纤及其应用，专利号ZL200510118576.9】。

降低高阶模简并度的方法包括采用椭圆芯光纤【H.Kubota and T.Morioka.Few-mode optical fiber for mode-division multiplexing(用于模分复用的少模光纤).Opt.Fiber Technol.,2011,17(5):490-494】以及光子晶体光纤【双模光子晶体光纤及其应用，专利号ZL200510118576.9】。其制作技术都相对复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种降低高阶模简并度的少模光纤。本发明的技术方案是，一种低简并度少模光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由一个主纤芯和2N个辅助纤芯所组成，所述主纤芯位于光纤中心，所述2N个辅助纤芯对称的排布在所述主纤芯两侧，所述主纤芯的中心和2N个辅助纤芯的中心处于同一直线上；所述主纤芯和辅助纤芯的折射率相同，所述主纤芯边界与相邻的所述辅助纤芯边界相切，相邻的两个所述辅助纤芯的边界相切；所述辅助纤芯直径均小于所述主纤芯直径，且所述辅助纤芯直接由内向外依次递减，其中N为正整数。

进一步，所述主纤芯直径应满足：辅助纤芯直径应满足：

其中，1≤i≤N，λ为光波长，n_core为纤芯折射率，n_clad为包层折射

率，d_m为主纤芯直径，d_a,i为第i号辅助纤芯的直径。

进一步，所述主纤芯直径应满足：其中：λ为光波长，

n_core为纤芯折射率，n_clad为包层折射率，d_m为主纤芯直径。

本发明的有益效果是：通过引入辅助纤芯，破坏光纤的折射率分布的圆对称性，形成具有二重对称性的折射率分布。这种折射率分布使四重简并的高阶模降为二重简并模，其中一对简并模模场向辅助纤芯扩展；而另一对简并模处于远离辅助纤芯的方向分布，与引入辅助纤芯时差别较小；由此，增大两者的有效折射率差，并使高阶模的模场分布形式固定。同时，光纤基模仍具有较好的圆对称性，有利于与普通光纤的连接。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的横截面示意图；

图2为椭圆芯光纤中不同模式的模场分布图，其中(a)LP₀₁模,(b)LP₁₁X模，(c)LP₁₁Y模，(d)LP₂₁X模，(e)LP₂₁Y模；

图3为图1所示结构中不同模式的模场分布图，其中(a)LP₀₁模,(b)LP₁₁X模，(c)LP₁₁Y模2，(d)LP₂₁X模，(e)LP₂₁Y模,(f)LP₀₂模,(g)LP₃₁X模,(h)LP₃₁Y模；

图4为图1所示实施例中不同模式的有效折射率随辅助纤芯直径的变化曲线；

图5为本发明的另一种实施例的横截面示意图；

图6图1所示结构不同模式的模场分布图，其中(a)LP₀₁模,(b)LP₁₁Y模；

图中，1,主纤芯；2，辅助纤芯；3，基质材料。

具体实施方式

一种低简并度少模光纤，由纤芯和包层组成，所述纤芯由一个主纤芯和2N个辅助纤芯所组成(N为正整数)，所有纤芯的折射率均相同。主纤芯的中心与所有辅助纤芯的中心均位于同一直线上。主纤芯中心与相邻辅助纤芯中心的间距L_ma满足：L_ma＝(d_m+d_a1)/2。相邻两个辅助纤芯的中心间距L_i,i+1满足：L_i,i+1＝(d_a,i+d_a,i+1)/2,这里i＝1～N-1。即辅助纤芯位于主纤芯两侧，且主纤芯边界与相邻辅助纤芯边界相切，相邻辅助纤芯的边界相切。光纤横截面折射率分布具有轴对称性和中心对称性。辅助纤芯的直径满足d_a,1<d_m,且有d_a,i>d_a,i+1,这里i＝1～N-1。主纤芯和辅助纤芯均具有圆对称性。

其中，d_m为主纤芯的直径；与主纤芯相邻的辅助纤芯标记为1号辅助纤芯，与1号辅助纤芯相邻的辅助纤芯标记为2号辅助纤芯，依次类推；d_a,i表示第i号辅助纤芯的直径。L_ma表示主纤芯中心与相邻辅助纤芯(即1号辅助纤芯)中心的间距；L_i,i+1表示相邻两个辅助纤芯(位于主纤芯同一侧的i号辅助纤芯和i+1号辅助纤芯)的中心间距。

作为本发明的进一步改进，主纤芯直径应满足：辅助纤芯直径应满足：这里i＝1～N，λ为光波长，n_core为纤芯折射率，n_clad为包层折射率。

本发明光纤可实现实现双模传输。此时，主纤芯直径应满足： $\frac{1.4\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{core}^2-n_{clad}^2}}<d_m<\frac{2.405\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{core}^2-n_{clad}^2}}.$

本发明通过在主纤芯两侧引入辅助纤芯的方法，使光纤折射率分布具有二重对称，从而使高阶模的模场分布对称轴固定。假设主纤芯位于坐标轴中心，且辅助纤芯的中心均位于X轴。则四重简并的高阶模将形成沿X轴对称和沿Y轴对称的两种模场分布，这里简称其为X模和Y模。对于Y模，由于辅助纤芯的存在，光将向辅助纤芯扩展，从而使此模式的有效折射率增大。而对于X模，由于模式需要保持其对称性和与Y模的正交性，其模式将远离辅助纤芯。即X模的有效折射率与引入辅助纤芯前相近。由于引入辅助纤芯后光纤折射率分布呈二重对称，此时，模场分布必须符合光纤的折射率分布要求。这样，四重简并的高阶模中原有的四个简并模式中的其中两个模式将呈现沿Y轴对称，其能流方向为沿X轴方向，从而使能量向辅助纤芯转移，使其有效折射率提高。而另两个模式与引入辅助纤芯前差别较小。这样，简并模之间形成大的折射率差。由耦合理论，有效折射率相近的模式间容易发生能量耦合，因此，增大模式间的有效折射率差以后，可以有效避免传输时模式间的能量耦合。此外，高阶模的模场分布固定，可以方便与其它光纤的连接，并有利于组成多芯光纤或光纤耦合器时实现高效、有选择性的模式耦合。

椭圆芯光纤和高双折射的光子晶体光纤中的模式会导致光纤中所有模式均发生变形，包括光纤基模也具有二重对称性。如图2所示为椭圆芯光纤的基模和和高阶模的模场分布图。由图可见，椭圆芯光纤中的模式场变形较严重。

图3给出了本发明光纤的模场分布图。与椭圆芯光纤和高双折射的光子晶体光纤不同，光纤基模仍具有类似圆对称的模场分布。这是因为，对于圆纤芯来说，光纤基模具有圆对称性。由于少模光纤的归一化频率较大，基模能量主要集中在纤芯区，因此，辅助纤芯对其影响较小。特别地，因为辅助纤芯仅边界点与主纤芯相切，主纤芯附近区域仍以基质材料(即包层)为主，基质材料足以束缚光纤基模，因此当引入的辅助纤芯较小时，光纤基模仍将维持其原对称性。只有当辅助纤芯足够大或主纤芯的归一化频率较小时，其模场分布才会发生一定的变形。由光纤理论可知，当不存在辅助纤芯时，其LP₁₁模、LP₂₁模、LP₃₁模均为四重简并模。而引入辅助纤芯后，由图可见，其四重简并模降为二重简并模，即分裂为Y模和X模。其中X模与引入辅助纤芯前模场相似，而Y模则向辅助纤芯扩展，并可随辅助纤芯的增大而发生一定的变形。

图4为图1所示实施例中不同模式的有效折射率随辅助纤芯直径的变化曲线。由图可见，。简并模的有效折射率相等。当引入辅助纤芯后，其四重简并模降为二重简并模。以LP₁₁模为例，其LP₁₁Y模的有效折射率随着辅助纤芯直径的增大而增大。而其LP₁₁X模的有效折射率基本不随辅助纤芯直径的变化而变化。因此，选择合适的辅助纤芯，即可使同一偏振态下光纤中传输的模式均具有一定的折射率差，减小不同模式之间的耦合。

辅助纤芯的折射率应与主纤芯相同。若辅助纤芯的折射率低于主纤芯，其作用减弱。若辅助纤芯的折射率高于主纤芯，则易导致主纤芯中主要能量向辅助纤芯扩展，从而使模场发生严重变形，同时辅助纤芯会因为被低折射率材料包围而形成单独的模式。

在实际使用时，可以不传输模场向辅助纤芯扩展的那组高阶模，而只传输圆对称光纤中的二重简并模和四重简并模经降低简并度后有效折射率变化较小的那组模式，这些模式与普通光纤中的模式具有更好的相似性，易于实现低损耗连接。

利用光纤中LP₁₁模的两组模式的有效折射率不同的特点，还可以实现具有双模传输特性的光纤。即这种光纤中仅存在基模和LP₁₁Y模，而其LP₁₁X模被截止。这是因为LP₁₁Y模由于能量被扩展到辅助纤芯，其有效折射率较大，而其LP₁₁X模仍保持在主纤芯中，其有效折射率较小。选择合适光纤参数即可使LP₁₁X模截止。

对于双模光纤要求：其主纤芯直径应满足：即在无辅助纤芯时，光纤应为单模传输。如图3(c)所示，LP₁₁Y模有部分能量在辅助纤芯中传输，因此，辅助纤芯的引入对于LP₁₁Y模来说，其等效的纤芯面积增大，从而使该模式能够产生。另对于LP₁₁X模来说，其模场分布仍与引入辅助纤芯时相似，因此，当纤芯归一化频率较小时，此模式仍无法形成。主纤芯应与辅助纤芯组成足以形成LP₁₁Y模的折射率分布。

本发明光纤可以采用与光子晶体光纤相似的制作方法来实现。比如将高折射率介质柱排布成纤芯，用低折射率介质柱组成包层，将其放置于石英管中形成固定结构，再经拉丝形成所需尺寸的光纤结构。由于不存在空气孔，光纤的制作时不需要复杂的控制以保持空气孔，在光纤使用如与普通光纤连接时也更为简单。制作时也比需要复杂制作工艺的椭圆芯光纤更为简单。实现双模传输时，本发明光纤的纤芯尺寸更大，从而更有利于与普通单模光纤的连接，且带宽比椭圆芯光纤宽。

实施例一：

光纤横截面如图1所示。主纤芯直径d_m＝20μm，1号辅助纤芯直径d_a1＝6μm，纤芯与包层折射率差0.01。在波长为1.55μm时，其模式场分布如图3所示，模式的有效折射率如图4所示。

实施例二：

光纤横截面如图1所示。主纤芯直径d_m＝10μm，1号辅助纤芯直径d_a1＝4μm，纤芯与包层折射率差0.004。在波长为1.39～1.73μm范围内，光纤均为双模传输。

实施例三：

光纤横截面如图5所示。主纤芯直径d_m＝10μm，1号辅助纤芯直径d_a1＝4μm，2号辅助纤芯直径d_a2＝3μm，纤芯与包层折射率差0.004。在波长为1.42～1.9μm范围内，光纤均为双模传输。其模场分布如图6所示，可见基模主要能量仍集中在主纤芯中，而其LP₁₁Y模的主要能量集中在辅助纤芯中。

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (1)

1.一种低简并度少模光纤，包括纤芯和包层，其特征在于，所述纤芯由一个主纤芯和2N个辅助纤芯所组成，所述主纤芯位于光纤中心，所述2N个辅助纤芯对称的排布在所述主纤芯两侧，所述主纤芯的中心和2N个辅助纤芯的中心处于同一直线上；所述主纤芯和辅助纤芯的折射率相同，所述主纤芯边界与相邻的所述辅助纤芯边界相切，相邻的两个所述辅助纤芯的边界相切；所述辅助纤芯直径均小于所述主纤芯直径，且所述辅助纤芯直径由内向外依次递减，其中N为正整数；所述主纤芯直径应满足：辅助纤芯直径应满足：其中，1≤i≤N，λ为光波长，n_core为纤芯折射率，n_clad为包层折射率，d_m为主纤芯直径，d_a,i为第i号辅助纤芯的直径。