CN104345380A - 一种双模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双模光纤，由纤芯和包层构成，所述纤芯由两个半径相同、折射率相同的圆形高折射率介质柱组成,两个高折射率介质柱的中心连线经过光纤的中心，其长度等于高折射率介质柱的直径。本发明结构可以实现双模传输的效果，且可以采用微结构光纤的制备工具来实现。

Description

一种双模光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体可涉及双模传输。

背景技术

单模光纤由于固有的非线性效应的限制，理论上讲，单模光纤可能在不久的将来达到“带宽耗尽”，即香农极限。为此，人们提出了空分复用的概念。其中一种方法是利用模场面积可以更大的非单模光纤，以不同的模式传输不同的信息，即所谓的模式复用。根据信息论的观点，多模光纤中的每一个正交模式都可以看做一个独立的信道。模式复用技术利用少模光纤中有限的稳定模式作为独立的信道传递信息，可以成倍的提高光纤容量和频谱效率。简并的模式在传输时容易发生耦合，因而基于多输入多输出技术的模式复用技术需要采用复杂的数字信号处理技术实现模式的分离，这给系统增加了复杂度。若模式之间不容易发生耦合，则模式的分离可以借助纯光学器件实现。由于传统多模光纤存在较严重的模间色散和模式串扰，研究人员将注意力转移到了少模光纤中，双模光纤就是一种典型的少模光纤。

所谓双模光纤是指可以支持两个低阶模式传输的光纤，即LP₀₁模和LP₁₁模的光纤。专利[Pure-silica core dual-mode optical fiber,美国专利局Patent Number:5329607]提出一种圆对称结构的双模光纤。但基于圆对称结构的双模光纤的性能并不稳定，因为LP₁₁模有四种传播常数基本相同的模式，外界的轻微扰动会使oLP₁₁模和eLP₁₁模出现模式耦合,从而导致二阶模的光强分布沿光纤长度方向变化,即环境的变化会使四个二阶模感应不同的相位变化。因此在双模光纤器件中，存在着二阶模的不稳定性，这也限制了双模光纤器件的实用化。论文[Composition of LP₁₁modes in elliptically cored fiber,作者：R.B.Dyott]提出一种椭圆纤芯的双模光纤，适当调节椭圆纤芯双模光纤的参数，使oLP₁₁模和eLP₁₁模传播常数有一定的差异，从而使光纤中不再传输oLP₁₁模，也就是说光纤中只剩下LP₀₁和eLP₁₁两种模式，这两种模式几乎不发生耦合，保持了模场的稳定。但是这种方法提高了制备难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种新型双模光纤。

本发明的技术方案是，一种双模光纤，其特征在于，包括纤芯和包层，所述纤芯包括两个半径相同、折射率相同、且相互外切的圆形高折射率介质柱。

进一步的，所述两个高折射率介质柱的切点经过光纤的中心线。

进一步的，光纤的归一化频率V满足2.405<V<3.832，

且 $V=\frac{2\mathrm{\&pi;a}}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2},$

即 $\frac{0.6932\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}}<a<\frac{1.0931\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}},$

式中a为所述高折射率介质柱的半径，λ为光纤的入射波长，n_core分别为高折射率介质柱的折射率，n_clad为包层的折射率。

进一步的，光纤的入射波长满足：

1.1μm<λ<1.78μm。

进一步的，所述光纤的包层折射率n_clad为1.44402，高折射率圆柱的折射率n_core为1.45，高折射率介质柱的半径a＝3μm。

本发明的有益效果：

1，采用简单的两个并排放置的高折射率介质柱的结构，通过限制高折射率介质柱的半径和入射波长的大小，实现双模传输的效果，并且光纤中的偏振模传播常数几乎一致。

2，具有二重对称性的光纤结构造成LP₁₁模的两种模式的传播常数差异变大，导致了eLP₁₁模和oLP₁₁模的分离。

3，相比较椭圆形的高折射率纤芯，本发明结构采用圆对称的高折射率介质柱，避免了椭圆形高折射率纤芯制作时需要复杂的抛磨等工艺，因而更易于制作和实现，也可有效减小纤芯侧面光滑度对光纤传输损耗的影响

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为光纤的LP₀₁模式的模场分布图

图3为双模光纤的LP₁₁模式的模场分布图

图4为高折射率圆柱的半径a＝3μm时，双圆光纤的模式有效折射率随波长的关系示意图。

图中：(A)x偏振模，(B)y偏振模，(a)eLP₁₁模的x偏振模，(b)eLP₁₁模的y偏振模，(c)oLP₁₁模的x偏振模，(d)oLP₁₁模的y偏振模。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明提出采用两个紧靠在一起的高折射率介质柱组成纤芯，其结构如图1所示。这种具有二重对称性的光纤结构造成LP₁₁模的两种模式的传播常数差异变大，导致了eLP₁₁模和oLP₁₁模的分离。虽然采用椭圆形高折射率纤芯也可实现类似于这种纤芯的效果，但本发明结构采用圆对称的高折射率介质柱，避免了椭圆形高折射率纤芯制作时需要复杂的抛磨等工艺，因而更易于制作和实现，也可有效减小纤芯侧面光滑度对光纤传输损耗的影响。图2为本发明光纤基模的模场分布图，由图可见，虽然两个高折射率介质柱之间存在空隙，但仍可形成连续模场。图3为双模光纤的LP₁₁模式的模场分布图，由图可见，双圆柱光纤中的eLP₁₁模的模场集中在纤芯区，而oLP₁₁模的模场向包层扩展较多。这种模场分布的差异会带来两种模式在有效折射率上的差别。

对于圆形阶跃型纤芯光纤，其传输基模和LP₁₁模的条件为：光纤的归一化频率满足2.405<V<3.832。由光纤模式理论这里a为纤芯半径，λ为光波长，n_core为纤芯折射率，n_clad为包层折射率。对于本发明光纤，由于纤芯尺寸增大，同样必须至少满足此条件，才可能形成双模传输。由此可得，对于阶跃光纤，其半径应满足 $\frac{1.2025\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}}<a<\frac{1.916\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}}.$ 对于由两个高折射率介质柱组成的光纤结构，由于还需要去除oLP₁₁模，其高折射率介质柱的半径应更小。图4为不同模式的有效折射率曲线，当模式有效折射率等于包层折射率时，其模式场将截止。研究表明，其半径满足 $\frac{0.6932\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}}<a<\frac{1.0931\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}}$ 时，可以使光纤保持双模传输，且可以避免纤芯与包层折射率差过大而导致的模场分布不匀现象。

以下结合附图说明本发明的优选实施例。本实施例实现基模和eLP11模的稳定传输。

光纤横截面如图1所示。光纤的包层折射率为1.44402(即纯石英)，高折射率圆柱的折射率为1.45，半径a＝3μm。光纤的模式有效折射率随波长的关系如图3所示。从图4可以看到双圆柱结构中x偏振方向的有效折射率与y偏振方向的有效折射率几乎一致，也就是说没有发生双折射现象。因此x偏振方向与y偏振方向的模式之间不会产生混合模。入射波长在1.1μm至1.78μm之间时，满足 $\frac{0.6932\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}}<a<\frac{1.0931\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}},$ 双圆纤芯中只存在两种模式，即LP01模和eLP11模。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双模光纤，其特征在于，包括纤芯和包层，所述纤芯包括两个半径相同、折射率相同、且相互外切的圆形高折射率介质柱。

2.根据权利要求1所述的一种双模光纤，其特征在于，所述两个高折射率介质柱的切点经过光纤的中心线。

3.根据权利要求书1所述的一种双模光纤，其特征在于，光纤的归一化频率V满足2.405<V<3.832，

且 $V=\frac{2\mathrm{\&pi;a}}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2},$

即 $\frac{0.6932\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}}<a<\frac{1.0931\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{n_{\mathrm{nore}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2}},$

式中a为所述高折射率介质柱的半径，λ为光纤的入射波长，n_core分别为高折射率介质柱的折射率，n_clad为包层的折射率。

4.根据权利要求书2所述的一种双模光纤，其特征在于，光纤的入射波长满足：

1.1μm<λ<1.78μm。

5.根据权利要求3所述的一种双模光纤，其特征在于，所述光纤的包层折射率n_clad为1.44402，高折射率圆柱的折射率n_core为1.45，高折射率介质柱的半径a＝3μm。