CN106199826B - 保偏环形芯光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保偏光纤，包括横截面为环形的纤芯、第一至第N应力棒和包层，所述第一至第N应力棒围绕所述纤芯设置且轴向分别与所述纤芯的轴向平行，其中，2≤N≤10；所述包层包覆所述纤芯与所述第一至第N应力棒。根据本发明的保偏光纤，可以实现多个模式的远距离同时传输，通信容量大，光谱利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备技术领域，尤其是涉及一种保偏环形芯光纤。
背景技术
相关技术中的通信光纤多为单模光纤，无法同时传输多个模式，从而通信容量小，光谱利用率低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种保偏环形芯光纤，所述保偏环形芯光纤可以实现多个模式的远距离同时传输，具有通信容量大、光谱利用率高的优点。
根据本发明实施例的保偏环形芯光纤，包括：横截面为环形的纤芯；第一至第N应力棒，所述第一至第N应力棒围绕所述纤芯设置且轴向分别与所述纤芯的轴向平行，其中，2≤N≤10；包层，所述包层包覆所述纤芯与所述第一至第N应力棒。
根据本发明实施例的保偏环形芯光纤，利用横截面为环形的纤芯和围绕纤芯设置的第一至第N应力棒，可以适用于模式复用通信，能够满足多个本征模式同时远距离传输，并且能够使模式在传输过程中保持偏振态和强度分布方向不变，实现模式间的低串扰传输，从而可以提高通信容量和光谱利用率。
另外，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤还具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一些实施例，所述纤芯的横截面为圆环形，所述纤芯的内直径为D1，所述纤芯的外直径为D2，其中，1000nm≤D1≤30000nm，0.05≤D1/D2≤0.95。
根据本发明的一些实施例，所述纤芯的横截面为椭圆环形，所述纤芯的内环的短轴长度为A1、长轴长度为B1，所述纤芯的外环的短轴长度为A2、长轴长度为B2，其中，1000nm≤A1≤30000nm，1000nm＜A2≤50000nm，0.05≤A1/B1≤0.95，0.05≤A2/B2≤0.95。
根据本发明的一些实施例，所述第一至第N应力棒中的每一个距离所述纤芯的最短距离为Li，1000nm≤Li≤50000nm，其中，1≤i≤10。
根据本发明的一些实施例，所述第一至第N应力棒的横截面分别为圆形、椭圆形、扇形或多边形。
可选地，所述第一至第N应力棒的横截面均为圆形，所述圆形的直径为d，1000nm≤d≤60000nm。
可选地，所述多边形为梯形、三角形、菱形或长方形。
根据本发明的一些实施例，所述纤芯为石英件或掺有共掺杂剂的石英件。
进一步地，所述共掺杂剂为锗、氟、磷、铒、铥和镱中的一种或多种。
根据本发明的一些实施例，所述第一至第N应力棒分别为石英件或掺有共掺杂剂的石英件。
有利地，所述共掺杂剂为硼、锗、氟和磷中的一种或多种。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明实施例的保偏环形芯光纤的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的保偏环形芯光纤的应力分布图；
图3是根据本发明实施例的保偏环形芯光纤的本征模式(偶偏振的拓扑结构为“3，1”的线偏振模式)的强度分布图；
图4是根据本发明实施例的保偏环形芯光纤的本征模式(奇偏振的拓扑结构为“2，1”的线偏振模式)的强度分布图；
图5是根据本发明实施例的保偏环形芯光纤的相邻本征模式之间的有效折射率差与波长的关系示意图；
图6是根据本发明第一可选实施例的保偏环形芯光纤的结构示意图；
图7是根据本发明第二可选实施例的保偏环形芯光纤的结构示意图；
图8是根据本发明第三可选实施例的保偏环形芯光纤的结构示意图；
图9是根据本发明第四可选实施例的保偏环形芯光纤的结构示意图。
附图标记：
保偏环形芯光纤1，
纤芯10，第一应力棒21，第二应力棒22，第三应力棒23，包层30。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
宽带业务、移动业务和云业务的不断增长，促使我们寻求更多的途径来扩展网络容量，提高通信速率。现有的光纤通信技术，如波分复用、时分复用和偏振复用等技术，已经发展完善并逐渐接近它们的容量极限，迫切需要发展新的技术来应对巨大的网络需求所带来的挑战。
光纤中的本征模式作为光的一种新的自由度被应用于光纤通信中，每个本征模式都可以作为一个独立的通信信道，多个模式同时传输可以大大增加单根光纤的通信容量，然而，由于现有的通信光纤多为单模光纤，无法同时传输多个模式，导致通信容量小，光谱利用率低。
为此，本发明提出一种保偏环形芯光纤1，该保偏环形芯光纤1可以实现多个模式的远距离同时传输，具有通信容量大、光谱利用率高的优点。
下面参考图1-图9描述根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1。
如图1-图9所示，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，包括横截面为环形的纤芯10、第一至第N应力棒和包层30。
具体而言，第一至第N应力棒分别为第一应力棒、第二应力棒……第N应力棒，第一至第N应力棒围绕纤芯10设置，且第一至第N应力棒的轴向分别与纤芯10的轴向平行，即，第一应力棒的轴向与纤芯10的轴向平行，第二应力棒的轴向与纤芯10的轴向平行，……第N应力棒的轴向与纤芯10的轴向平行，其中，2≤N≤10。包层30包覆纤芯10与第一至第N应力棒，如此将纤芯10与第一至第N应力棒封装在一起。可以理解，第一至第N应力棒可以均匀地分布在纤芯10与包层30之间，也可以不均匀地分布在纤芯10与包层30之间。例如，第一至第N应力棒等间距地分布在纤芯10的周向上。
由此，通过环形的纤芯10，可以使同一阶数相邻本征模式之间的有效折射率差增大，这里，对于二阶模式而言，同一阶数相邻本征模式分别指的是TM0，1、TE0，1和HE2，1；对于三阶及三阶以上模式而言，同一阶数相邻本征模式指的是HE和EH。其中，TM0，1是拓扑结构为“0，1”的横磁模，“0，1”中的0表示角向拓扑阶数，“0，1”中的1代表径向拓扑阶数；同理，TE0，1是拓扑结构为“0，1”的横磁模，HE2，1是拓扑结构为“2，1”的角向奇对称混合模式，HE是角向奇对称混合模式(模式分布为中心对称)，EH是角向偶对称混合模式(模式分布为x轴对称或y轴对称)。
而第一至第N应力棒的引入可以使偏振态相互垂直的模式之间的有效折射率差增大，这里，对于一阶模式而言，偏振态相互垂直的模式指的是和对于二阶模式而言，偏振态相互垂直的模式指的是和对于三阶及三阶以上模式而言，偏振态相互垂直的模式分别指的是和 和
其中，是x偏振的拓扑结构为“1，1”的角向奇对称混合模式，x是偏振态，“1，1”中的1分别是角向拓扑阶数和径向拓扑阶数，同理，是y偏振的拓扑结构为“1，1”的角向奇对称混合模式；是偶偏振的拓扑结构为“2，1”的角向奇对称混合模式，even是偏振态，“2，1”中的2和1分别是角向拓扑阶数和径向拓扑阶数，同理，是奇偏振的拓扑结构为“2，1”的角向奇对称混合模式；是偶偏振的拓扑结构为“n，1”的角向奇对称混合模式，是奇偏振的拓扑结构为“n，1”的角向奇对称混合模式，是偶偏振的拓扑结构为“m，1”的角向偶对称混合模式，是奇偏振的拓扑结构为“m，1”的角向偶对称混合模式。
如图2-图5所示，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1可以使光纤中相邻两个模式之间的有效折射率差值都大于1×10-4，大大降低了模间串扰，并且在应力的作用下，光纤中的本征模式演变为相应的LP(线偏振模式)，每个模式能够作为一个独立的通信信道传输信息。并且，每个模式在传输过程中能够保持其偏振态和强度分布方向不变，实现模式间的低串扰传输，便于在接收端对多个模式进行复用，可省去复杂的MIMO(Multiple InputMultiple Output，多输入多输出)处理过程，简化接收端系统。
综上所述，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，利用横截面为环形的纤芯10和围绕纤芯10设置的第一至第N应力棒，可以适用于模式复用通信，能够满足多个本征模式同时远距离传输，并且能够实现模式间的低串扰传输，从而可以提高单根光纤的通信容量和光谱利用率。
在本发明的一些实施例中，如图1-图4和图7-图9所示，纤芯10的横截面为圆环形，纤芯10的内直径为D1，纤芯10的外直径为D2，其中，1000nm≤D1≤30000nm，0.05≤D1/D2≤0.95，从而可以增大相邻本征模式之间的有效折射率差。
在本发明的另一些实施例中，纤芯10的横截面为椭圆环形，纤芯10的内环的短轴长度为A1、长轴长度为B1，纤芯10的外环的短轴长度为A2、长轴长度为B2，其中，1000nm≤A1≤30000nm，1000nm＜A2≤50000nm，0.05≤A1/B1≤0.95，0.05≤A2/B2≤0.95，从而可以增大相邻本征模式之间的有效折射率差。
根据本发明的一些实施例，第一至第N应力棒中的每一个距离纤芯10的最短距离为Li，1000nm≤Li≤50000nm，其中，1≤i≤10。即，第一应力棒距离纤芯10的最短距离为L1，1000nm≤L1≤50000nm，第二应力棒距离纤芯10的最短距离为L2，1000nm≤L2≤50000nm，……第N应力棒距离纤芯10的最短距离为LN，1000nm≤LN≤50000nm，从而降低模间串扰。
根据本发明的一些实施例，如图1和图6-图9所示，第一至第N应力棒的横截面分别为圆形、椭圆形、扇形或多边形，即第一至第N应力棒中的每一个的横截面可以为圆形、椭圆形、扇形或多边形，第一至第N应力棒的横截面的形状可以彼此相同也可以彼此不同。可选地，多边形为梯形、三角形、菱形或长方形。
可以理解，第一至第N应力棒的形状的改变可以影响应力的大小，可以根据需要将第一至第N应力棒设计成不同的形状。还可以理解的是，第一至第N应力棒的数量和分布位置影响应力的大小和方向，可以根据需要设计不同数量和分布位置的第一至第N应力棒。
有利地，如图1和图6所示，第一至第N应力棒的横截面均为圆形，圆形的直径为d，1000nm≤d≤60000nm，从而保证模式间的低串扰传输。
根据本发明的一些实施例，纤芯10为石英件或掺有共掺杂剂的石英件。优选地地，共掺杂剂为锗、氟、磷、铒、铥和镱中的一种或多种，例如，纤芯10为掺锗石英玻璃。需要说明的是，当纤芯10中掺杂诸如铒、铥、镱等稀土离子时，稀土离子作为增益材料，能够补偿模式传输过程中的部分损耗，从而使传播距离更长。
根据本发明的一些实施例，第一至第N应力棒可以分别为石英件。值得注意的是，当第一至第N应力棒中掺杂的化合物成分不同时，其产生的应力大小不同，可以改变掺杂化合物的种类，以满足不同需求，即，第一至第N应力棒可以分别为掺有共掺杂剂的石英件。有利地，共掺杂剂为硼、锗、氟和磷中的一种或多种，例如，第一至第N应力棒分别为掺硼石英玻璃。
下面参考图1-图5详细描述根据本发明的一个具体实施例的保偏环形芯光纤1，值得理解的是，下述描述只是示例性说明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1-图9所示，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，包括横截面为圆环形的纤芯10、第一应力棒21、第二应力棒22和包层30。
具体而言，纤芯10为掺锗石英玻璃，纤芯10的内直径为2200nm，纤芯10的内直径与外直径的比值为0.4。包层30为石英件，包层30的直径为125000nm。第一应力棒21为掺硼石英玻璃且横截面为圆形，第二应力棒22为掺硼石英玻璃且横截面为圆形，第一应力棒21和第二应力棒22的直径分别为20000nm，第一应力棒21的外周面与纤芯10的外周面之间的最短距离为3000nm，第二应力棒22的外周面与纤芯10的外周面之间的最短距离为3000nm。
如图2所示，由于纤芯10的热膨胀系数和弹性系数分别与第一应力棒21和第二应力棒22的热膨胀系数和弹性系数不同，导致纤芯10受到横向的拉力，而根据双折射理论，纤芯10在横向和纵向上的受力不同，在这两个方向上产生各向异性，从而使偏振态相互垂直的模式之间的有效折射率差增大。
图5示出了根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1的相邻本征模式之间的有效折射率差随着波长变化的曲线图，在波长为1500nm-1630nm的范围内，所有相邻模式之间的有效折射率差均大于1×10-4，10个本征模式可以分别作为10个独立的通信信道，并且在传输过程中保持偏振态和强度分布方向不变，因此本实施例的保偏环形芯光纤1的传输容量是单模光纤的传输容量的10倍。
综上所述，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，可以实现模式复用技术，能够完成多个模式的远距离同时传输，提升单根光纤的传输容量。
下面参照图6描述根据本发明第一可选实施例的保偏环形芯光纤1。
如图6所示，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，包括横截面为椭圆环形的纤芯10、第一应力棒21、第二应力棒22和包层30。
具体而言，纤芯10为掺锗石英玻璃，纤芯10的内环的短轴为2200nm，外环的短轴为4200nm，所述椭圆环形的短轴与长轴的比值为0.7。第一应力棒21为掺硼石英玻璃且横截面为圆形，第二应力棒22为掺硼石英玻璃且横截面为圆形，第一应力棒21和第二应力棒22的直径分别为20000nm，第一应力棒21的外周面与纤芯10的外周面之间的最短距离为3000nm，第二应力棒22的外周面与纤芯10的外周面之间的最短距离为3000nm。包层30为石英件，包层30的直径为125000nm。
根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，可以实现多个模式的远距离同时传输，通信容量大、光谱利用率高、通信速率高。
下面参照图7描述根据本发明第二可选实施例的保偏环形芯光纤1。
如图7所示，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，包括横截面为圆环形的纤芯10、第一应力棒21、第二应力棒22和包层30。
具体而言，纤芯10为掺镱石英玻璃，纤芯10的内直径为2200nm，纤芯10的内外径的比值为0.4。第一应力棒21和第二应力棒22均为掺硼石英玻璃且横截面均为椭圆形，所述椭圆形的短轴为20000nm，且短轴与长轴的比值为0.6，第一应力棒21的外周面与纤芯10的外周面之间的最短距离为3000nm，第二应力棒22的外周面与纤芯10的外周面之间的最短距离为3000nm。包层30为石英件，包层30的直径为125000nm。
根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，可以实现多个模式的远距离同时传输，通信容量大、光谱利用率高、通信速率高，并且，利用稀土离子作为增益材料，能够补偿模式传输过程中的部分损耗，使传播距离更长。
下面参照图8描述根据本发明第三可选实施例的保偏环形芯光纤1。
如图8所示，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，包括横截面为圆环形的纤芯10、第一应力棒21、第二应力棒22和包层30。
具体而言，纤芯10为掺锗石英玻璃，纤芯10的内直径为2200nm，纤芯10的内外径的比值为0.4。第一应力棒21和第二应力棒22均为掺氟石英玻璃且横截面均为扇形，所述扇形的圆心角为60°，且所述扇形的内圆弧的直径为20000nm，外圆弧的直径为40000nm。第一应力棒21的内圆弧面与纤芯10的外周面之间的最短距离为4000nm，第二应力棒22的内圆弧面与纤芯10的外周面之间的最短距离为4000nm。包层30为石英件，包层30的直径为125000nm。
根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，可以实现多个模式的远距离同时传输，通信容量大、光谱利用率高、通信速率高。
下面参照图9描述根据本发明第四可选实施例的保偏环形芯光纤1。
如图9所示，根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，包括横截面为圆环形的纤芯10、第一应力棒21、第二应力棒22、第三应力棒23和包层30。
具体而言，纤芯10为掺锗石英玻璃，纤芯10的内直径为2200nm，纤芯10的内外径的比值为0.4。第一应力棒21、第二应力棒22和第三应力棒23均为掺磷石英玻璃且横截面均为菱形，所述菱形的边长为15000nm。第一应力棒21的外表面与纤芯10的外周面之间的最短距离为5000nm，第二应力棒22的外表面与纤芯10的外周面之间的最短距离为5000nm，第三应力棒23的外表面与纤芯10的外周面之间的最短距离为5000nm。包层30为石英件，包层30的直径为125000nm。
根据本发明实施例的保偏环形芯光纤1，可以实现多个模式的远距离同时传输，并且能够实现模式间的低串扰传输，从而可以提高单根光纤的通信容量和光谱利用率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”、“可选实施例”、“示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (11)
1.一种保偏环形芯光纤，其特征在于，包括：
横截面为环形的纤芯；
第一至第N应力棒，所述第一至第N应力棒围绕所述纤芯设置且轴向分别与所述纤芯的轴向平行，其中，2≤N≤10；
包层，所述包层包覆所述纤芯与所述第一至第N应力棒。
2.根据权利要求1所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述纤芯的横截面为圆环形，所述纤芯的内直径为D1，所述纤芯的外直径为D2，其中，1000nm≤D1≤30000nm，0.05≤D1/D2≤0.95。
3.根据权利要求1所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述纤芯的横截面为椭圆环形，所述纤芯的内环的短轴长度为A1、长轴长度为B1，所述纤芯的外环的短轴长度为A2、长轴长度为B2，其中，1000nm≤A1≤30000nm，1000nm＜A2≤50000nm，0.05≤A1/B1≤0.95，0.05≤A2/B2≤0.95。
4.根据权利要求1所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述第一至第N应力棒中的每一个距离所述纤芯的最短距离为Li，1000nm≤Li≤50000nm，其中，1≤i≤10。
5.根据权利要求1所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述第一至第N应力棒的横截面分别为圆形、椭圆形、扇形或多边形。
6.根据权利要求5所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述第一至第N应力棒的横截面均为圆形，所述圆形的直径为d，1000nm≤d≤60000nm。
7.根据权利要求5所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述多边形为梯形、三角形、菱形或长方形。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述纤芯为石英件或掺有共掺杂剂的石英件。
9.根据权利要求8所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述共掺杂剂为锗、氟、磷、铒、铥和镱中的一种或多种。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述第一至第N应力棒分别为石英件或掺有共掺杂剂的石英件。
11.根据权利要求10所述的保偏环形芯光纤，其特征在于，所述共掺杂剂为硼、锗、氟和磷中的一种或多种。
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