CN105866881B - 用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤及其传输方法 - Google Patents

Abstract

一种用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤及其传输方法，包括：纤芯和包层结构，纤芯中设有一个高折射率环，该高折射率环在光纤中的位置处的LP₀₂模的电场强度为峰值强度的(0,30％]处，所述的纤芯除高折射率环外其它部位折射率相同。本发明有效减小了传输过程中的模式耦合。通过这项技术，可以在保证模场面积基本不变的情况下，将模式间最小有效折射率差提高一倍以上，从而获得大模场面积、低模式串扰的非耦合少模光纤，对于中短距离模分复用传输具有重要意义和应用前景。

Description

用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤及其传输方法

技术领域

本发明涉及一种光纤通信领域的技术，具体涉及一种用于模分复用光传输的弱耦合少模光纤及其传输方法。

背景技术

近年来，数据传输需求持续保持约40％的年增长率，对于光纤通信系统的容量提出了更高的要求。通过采用高功率拉曼放大、密集波分复用等先进的复用方式以及相干探测和DSP数字处理技术，普通单模光纤网络的传输容量得到了非常大的提升，已经接近其理论上限100Tb/s。因此，为了进一步提升单根光纤的传输容量，基于少模光纤的模分复用技术吸引了众多研究人员的目光。

目前模分复用技术主要有两个实现方案。其一是基于强模式耦合的方案，其关键是要尽可能地减小整条链路的差分模式群延时(DMGD)，使得所有模式能够同时被一个复杂的2N*2N(N为空间模式的数量)的MIMO技术探测，而无需考虑模式耦合引入的串扰问题。在这一方案中，差分模式群延时以及模式相关损耗的增加会大大增加MIMO系统的复杂度，尽管各模式群之间较强的耦合可以一定程度上减小差分模式群延时和模式相关损耗，但仍然需要对少模光纤进行合理设计使差分模式群延时最小化，目前主要采用制备工艺较为复杂的渐变折射率光纤。

方案二是基于弱模式耦合的方案，其关键是抑制模式间的耦合，使得各模式作为独立的信道传输信号，且非简并的和简并的LP模式可以分别由2*2和4*4的MIMO技术独立探测，可以免受模式差分群延时的影响，并大大减小MIMO的复杂度。这一方案要求光纤链路长度小于任意两个模式间的相干长度，因此适用于中短距离的光通信。为获得小的模式串扰和更长的传输距离，这一方案要求设计高模式有效折射率差的光纤，目前主要采用在制备工艺较为简单的阶跃折射率光纤基础上进行设计优化。

在传输模式数确定的情况下(即V值确定)，增大纤芯/包层折射率差，可以获得更高的模式有效折射率差和更低的弯曲损耗，但是这意味着需要减小纤芯尺寸，进而使得模场面积下降，光纤将更容易面临非线性效应的威胁。而如果增大纤芯尺寸，减小纤芯包层折射率差，虽然可以获得较高的模场面积，但是会减小模式间的有效折射率差，并增大弯曲损耗。理论研究表明，模式有效折射率差大于10^-3能够有效缓解模式串扰问题，如何在获得较高模式间有效折射率差的同时获得较大的模场面积和较低的高阶模弯曲损耗仍然是一个亟待解决的问题。

OFS公司采用大纤芯(直径25μm)、低折射率差(n_core-n_clading＝0.005)的阶跃折射率方案，实现了模场面积大于280μm²的四模光纤，有效抑制了非线性效应。然而这一方案带来的显著问题是，LP₂₁与LP₀₂模的有效折射率差小于0.4*10^-3，极易引起模式串扰，此外该光纤在1550nm处还支持LP₃₁模传输，且对弯曲十分敏感。

Sillard等人[P.Sillard,M.Bigot-Astruc,D.Boivin,H.Maerten&L.Provost,“Few-mode fiber for uncoupled mode-division multiplexing transmissions,”inProc.Eur.Conf.Opt.Commun.,2011,Paper Tu.5]详细分析了常规阶跃式少模光纤的模式有效折射率差与模场面积之间的相互制约关系，并设计了最小模式有效折射率差(LP₂₁与LP₀₂模式)为0.8*10^-3且模场面积大于118μm²的四模光纤，且具有较低的损耗。然而在保证弯曲损耗等特性不恶化的情况下，如何进一步提高模场直径与模式间有效折射率差仍然缺少有效的方案。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103649797A，公开(公告)日2014.03.19，公开了一种少模光纤，纤芯为阶跃折射率分布，包层可以包括外包层区域和位于纤芯与外包层区域中间的向下掺杂的沟槽区域。该结构被配置为支持多个希望的导模传输，而不希望的高阶模成为漏模，并且具有最低有效折射率的希望的模与具有最高有效折射率的漏模间有效折射率差足够大以有效防止他们之间的耦合。但该技术仅在支持LP01和LP11模的两模光纤中能获得大于0.9×10^-3的有效折射率差，而其描述的支持四个LP模式的光纤中，该技术能够实现的有效折射率差小于0.5×10^-3，难以有效抑制LP21与LP02模之间的耦合，因此该技术方案不适用于支持4个或更多LP模式的弱耦合少模光纤。

发明内容

本发明针对非耦合模分复用的技术瓶颈，以阶跃型折射率光纤为基础，结合创新型的高折射率环，并根据需求在必要时可采用沟槽辅助结构对弯曲损耗进行补偿，提出了一种用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤及其传输方法，通过在纤芯中特定位置增加高折射率环，使得原阶跃折射率光纤中各模式的有效折射率重新分布，特别的，LP₂₁与LP₀₂模式间的有效折射率差显著提高，从而有效减小了传输过程中的模式耦合。通过这项技术，可以在保证模场面积基本不变的情况下，将模式间最小有效折射率差提高一倍以上，从而获得大模场面积、低模式串扰的非耦合少模光纤，对于中短距离模分复用传输具有重要意义和应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤，包括：纤芯和包层结构，纤芯中设有一个高折射率环，该高折射率环在光纤中的位置处的LP₀₂模的电场强度为峰值强度的(0,30％]处，所述的纤芯除高折射率环外其它部位折射率相同。

所述的高折射率环与纤芯的相对折射率差为(0,0.40％]，优选[0.15％,0.30％]。

所述的高折射率环优选在光纤中的位置处的LP₀₂模的电场强度为峰值强度的(0,20％]处。

所述的纤芯与包层具有阶跃折射率分布以支持多个希望的导模低损耗传输的同时抑制不希望的模式。

所述的光纤的最高阶导模在弯曲半径10mm情况下的弯曲损耗小于10dB/turn，第一个漏模在弯曲半径为140mm情况下的弯曲损耗大于1dB/m，优选为各模式间具有较高的有效折射率差，各模式间最小有效折射率差大于10^-3，且各模式模场面积大于100μm²。

所述的模场面积优选大于80μm²，各模式间最小有效折射率差优选大于0.5×10^-3。

所述的纤芯半径优选为7.3～8.5μm，纤芯与包层结构的相对折射率差Δn为[0.63％,0.92％]，高折射率环内圆半径R_{in_ring}为3.5μm～3.8μm，高折射率环的径向厚度W_ring为1.5μm～1.8μm，高折射率环与纤芯的相对折射率差Δn⁺进一步优选为[0.20％,0.30％]。

所述的纤芯和包层结构之间优选进一步设有低折射率沟槽结构，该沟槽结构的径向宽度W_trench为4.0μm，沟槽结构与包层结构的相对折射率差Δn^-为0.25％。

本发明涉及上述环辅助型少模光纤的应用，将其用于制备模式耦合器，模式耦合器转换效率大于50％，优选大于70％；模式消光比大于10dB，优选大于15dB。

本发明涉及上述环辅助型少模光纤的非耦合模分复用传输方法，通过在信号发送端采用具有所述环辅助型少模光纤的模式耦合器将不同的信号以不同的模式耦合到少模光纤中；在信号接收端采用模式解复用器将不同的LP模式分离，并用光电探测器进行对应的接收。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过在LP₀₂模模场分布较弱的位置引入高折射率环，改变了阶跃折射率光纤中各模式的有效折射率，在保持与常规阶跃折射率光纤基本相同的模场面积的情况下，显著提高了LP₂₁与LP₀₂模式的有效折射率差，各模式间最小有效折射率差提高了一倍以上，从而大大减小了传输过程中的模式耦合和模间非线性效应，应用本发明所述光纤制备的模式耦合器有望实现更好的LP₂₁与LP₀₂模的模式消光比。同时，阶跃折射率的光纤设计方案显著减小了制备难度，本发明所述光纤对中短距离非耦合模分复用技术的发展具有重要的意义。

附图说明

图1为V＝5.1常规阶跃折射率光纤模式有效折射率差与模场面积的制约关系；

图2为实施例1的光纤结构示意图；

图中：(a)为光纤截面结构示意图；(b)为光纤截面折射率分布示意图，1为纤芯、2为高折射率环、3为包层结构；

图3(a)为实施例1高折射率环位置示意图，图3(b)-(f)为所支持传导的四个模式以及第一个漏模的模场分布图，其中(b)LP01模，(c)LP11模，(d)LP21模，(e)LP02模，(f)LP31模；

图4为实施例1的设计改进效果与设计容限计算结果图；

图5为实施例2的光纤结构示意图；

图6为实施例2的设计改进效果与设计容限计算结果图；

图中：(a)为光纤截面结构示意图；(b)光纤截面折射率分布示意图，1为纤芯、2为高折射率环、3为包层结构、4为沟槽结构。

具体实施方式

实施例1

本实施例中，设计并优化了一种环辅助型弱耦合四模光纤。为确保四模操作且最高阶导模(LP₀₂模)能够低损耗传输，首先研究V＝5.1情况下的阶跃折射率光纤可能存在的纤芯尺寸和折射率组合，并研究它们在1550nm处各模式间有效折射率差和模场面积随光纤参数的变化关系。如图1所示，在保持V值不变的情况下，随着纤芯尺寸的增大，各模式的有效折射率差逐渐减小，各模式的最小模场面积显著增加，因此对于常规阶跃式结构少模光纤来说，模式有效折射率差与模场面积间存在明显的相互制约关系，且限制瓶颈主要是LP₂₁与LP₀₂之间很小的折射率差。要想确保模式间最小有效折射率差大于10^-3，最小模场面积就不能超过100μm²。

本实施例中，光纤结构如图2(a)所示，横线所示区域为纤芯1，竖线所示区域为纤芯中高折射率环2。如图2(b)所示，为该光纤截面折射率的示意图，如图可见：纤芯直径为2R，纤芯/包层相对折射率差为Δn，纤芯中高折射率环的内圆直径为2R_{in_ring}，环径向宽度为W_ring，环与纤芯的相对折射率差为Δn⁺。

如图3所示为高折射率环与不同模式空间交叠情况示意图，可见当高折射率环恰好置于LP₀₂模模场分布较弱的位置时，LP₀₂模与高折射率环交叠面积很小，而其它模式与高折射率环模场交叠面积较大，因此高折射率环的引入对于不同模式的有效折射率有不同的效果：LP₀₂模有效折射率基本不变，其它模式有效折射率增加。设计光纤纤芯半径为7.5μm，包层为纯二氧化硅，纤芯与包层结构的相对折射率差为0.67％，相应的阶跃折射率光纤中模间最小有效折射率差为0.8×10^-3。高折射率环内圆半径R_{in_ring}为3.5μm，改变环的厚度W_ring和环与纤芯的相对折射率差Δn⁺，如图4所示，随着环的厚度和折射率差增加，LP₂₁与LP₀₂模的有效折射率差增加(如实线所示)，有利于减小二者间的模式耦合；而LP₀₂与LP₃₁模的有效折射率差减小(如虚线所示)，易引起两者间的耦合并增大LP₀₂模的传输损耗。通过调整环的参数，可以实现各模式间有效折射率差大于1.8*10^-3，从而实现低的模式串扰。

考虑到四模光纤设计要使得LP₃₁模截止，因此还需对纤芯尺寸及纤芯/包层折射率差进行调整，如图5所示。可见，在箭头所示区域内，光纤能够在C波段内实现稳定的四模传输。最终确定光纤结构参数如下：包层为纯SiO₂材料，纤芯半径R为7.3μm，纤芯与包层结构的相对折射率差为0.63％，高折射率环内圆半径R_{in_ring}为3.5μm，环径向厚度W_ring为1.5μm，环与纤芯的相对折射率差Δn⁺为0.30％。计算得到的光纤在1550nm处性能参数如表1所示，经验证此光纤在整个C波段均能正常使用，最小模场面积约122μm²，模间有效折射率差达到1.9×10^-3，比相近参数及模场面积的阶跃折射率光纤提高超过130％(从0.8×10^-3到1.9×10^-3)。

表1为实施例1中特定光纤的性能计算结果。

实施例2

本实施例中设计了一种带沟槽的环辅助型弱耦合七模光纤。光纤结构如图6(a)所示，横线所示区域为纤芯1，竖线所示区域为纤芯中高折射率环2，点所示区域为沟槽结构4，用于对弯曲损耗进行补偿。如图6(b)所示，为该光纤截面折射率分布的示意图，如图可见：纤芯直径为2R，纤芯/包层相对折射率差为Δn，纤芯中高折射率环的内圆直径为2R_{in_ring}，环径向宽度为W_ring，环与纤芯的相对折射率差为Δn⁺，纤芯与包层之间设置一低折射率沟槽，沟槽径向宽度为W_trench，沟槽/包层相对折射率差为Δn^-。

最终设计光纤结构参数如下：纤芯半径a为8.5μm，纤芯与包层结构的相对折射率差Δn为0.92％，高折射率环内圆半径R_{in_ring}为3.8μm，环的厚度W_ring为1.8μm，环与纤芯的相对折射率差Δn⁺为0.20％，沟槽宽度W_trench为4.0μm，沟槽结构与包层结构的相对折射率差Δn^-为0.25％。

光纤在1550nm处性能参数如表2所示。光纤最小模场面积为103μm²，最小模间有效折射率差为1.7×10^-3，比相近模场面积的阶跃式七模光纤提高超过100％。如果适度减小模场面积，可以实现更大的模间有效折射率差。光纤在整个C+L波段表现出非常小的弯曲损耗和优秀的高阶模截止性能。

表2为实施例2中特定光纤的性能计算结果。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (11)

1.一种用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤，其特征在于，包括：纤芯和包层结构，纤芯中设有一个高折射率环，该高折射率环在光纤中的位置处的LP₀₂模的电场强度为峰值强度的(0,30%]处，所述的纤芯除高折射率环外其它部位折射率相同，高折射率环与纤芯的相对折射率差为(0,0.40%]。

2.根据权利要求1所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的高折射率环在光纤中的位置处的LP₀₂模的电场强度为峰值强度的(0,20%]。

3.根据权利要求1或2所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的纤芯与包层具有阶跃折射率分布，以便在C波段或C+L波段支持三个以上LP模式低损耗传输，其它更高阶模式具有大的传输损耗。

4.根据权利要求1或2所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的光纤的最高阶导模在弯曲半径10 mm情况下的弯曲损耗小于10 dB/turn，第一个漏模在弯曲半径为140 mm情况下的弯曲损耗大于1 dB/m。

5.根据权利要求4所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的光纤的模场面积大于80μm²，各模式间最小有效折射率差大于0.5×10^-3。

6.根据权利要求1或2所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的纤芯半径为7.3~8.5μm，纤芯与包层结构的相对折射率差∆n为[0.63%,0.92%]，高折射率环内圆半径R_{in_ring}为3.5μm ~3.8μm，高折射率环的厚度W_ring为1.5μm~1.8μm，高折射率环与纤芯的相对折射率差∆n⁺为[0.20%,0.30%]。

7.根据权利要求1或2所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的纤芯和包层结构之间设有沟槽结构。

8.根据权利要求7所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的沟槽结构的宽度W_trench为4.0μm，沟槽结构与包层结构的相对折射率差∆n^-为0.25%。

9.根据权利要求1或2所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的光纤在1565nm处弯曲半径为10mm时，最高阶导模的弯曲损耗小于10dB/turn；在1530nm处弯曲半径为140mm时，更高阶漏模损耗大于1dB/m。

10.一种基于权利要求1~9中任一所述环辅助型少模光纤的应用，其特征在于，将其用于制备模式耦合器。

11.一种基于权利要求1~9中任一所述环辅助型少模光纤的非耦合模分复用传输方法，其特征在于，通过在信号发送端采用具有所述环辅助型少模光纤的模式耦合器将不同的信号以不同的模式耦合到少模光纤中；在信号接收端采用模式解复用器将不同的LP模式分离，并用光电探测器进行对应的接收。

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