CN107621669B

CN107621669B - 一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤

Info

Publication number: CN107621669B
Application number: CN201710806009.5A
Authority: CN
Inventors: 于如愿; 郑宏军; 黎昕; 白成林; 胡卫生
Original assignee: Liaocheng University
Current assignee: Liaocheng University
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2037-09-08
Also published as: CN107621669A

Abstract

本发明提出了一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤，实现了大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度、低差分模式群时延的超模运作；且非线性系数和差分模式群时延在C波段范围内呈平坦分布；光纤中超模的模场特性可以通过改变圆环尺寸、位置和折射率分布来改变；可应用于光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域。

Description

一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤

技术领域

本发明涉及一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤，可应用于光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域等领域。

背景技术

近年来，各种通信业务流量指数增长，单模光纤通信受到了前所未有的挑战。光纤通信业界围绕空分复用（包括芯式复用和模分复用及其结合）这一物理维度对通信网络传输容量实现了突破；空分复用中的多芯光纤和少模光纤研究成为前沿研究热点[GuifangLi, Neng Bai, and Ningbo Zhao and Cen Xia, Space-division multiplexing: thenext frontier in optical communication. Advances in Optics & Photonics, 2014,6(4):5041 – 5046；Guifang Li, Magnus Karlsson, Xiang Liu, and YvesQuiquempois, Focus issue introduction: space-division multiplexing, Opt.Express 22, 32526-32527 (2014)]；少模光纤可以通过增大有效面积来减小传输系统中的非线性效应；文献[He Wen, Hongjun Zheng, Benyuan Zhu and Guifang Li,Experimental Demonstration of Long-Distance Analog Transmission over Few-ModeFibers. OFC2015, M3E.2, 2015, 1-3]采用1550 nm波段130

模场面积的少模光纤，减小了模拟传输信号三阶交调畸变3 dB，提高了信号无杂散动态范围1.5 dB；文献[MotokiKasahara, Kunimasa Saitoh, Taiji Sakamoto, et al., Design of Three-Spatial-Mode Ring-Core Fiber, Journal of Lightwave Technology, Vol. 32, No. 7, April1, 2014,1337; Alexander R. May and Michalis N. Zervas, Few-Mode Fibers withImproved Mode Spacing, ECOC 2015, 0501]提出了模场面积80到360

可调的大有效面积环形芯少模光纤；环形芯少模光纤具有较大的模式有效折射率差，可以进一步提高光纤传输特性。一种多实芯强耦合的超模光纤也得到了大家的关注；多实芯超模光纤本质上是具有更大的有效模场面积、模场密度大、低模式依赖损耗、低模式耦合和低差分模式群时延的少模光纤[Cen Xia, Neng Bai, Ibrahim Ozdur, et al., Supermodes for opticaltransmission, Optics Express, 2011, 19(17):16653-16664; Cen Xia, Neng Bai,Rodrigo Amezcua-Correa, et al., Supermodes in strongly-coupled multi-corefibers, OFC 2013, OTh3K.5]；综上，为了减小光纤的非线性系数，增大光纤有效模场面积也是空分复用少模光纤的一种有效解决方案；少模光纤的研究挑战之一在于实现较宽带宽的大有效模场面积、低非线性系数的少模运作。而环形芯少模光纤、大有效面积多实芯强耦合的超模光纤具有各自的优点受到大家关注；若将两者有机融合，有望解决目前少模光纤的研究挑战，有重要的学术价值和应用价值，研究意义重大、应用前景广阔。

发明内容

在国家自然科学基金 (编号61671227和61431009）、山东省自然科学基金（ZR2011FM015）、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本发明提出了一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤；该光纤融合了环形芯少模光纤和多实芯超模光纤的优点，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出了一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤；其横截面包括纯二氧化硅基质和三个折射率稍大的圆环芯；三个圆环芯大小相同、折射率分布相同，而且相邻间隔很小；三个圆环芯内圆半径为R1=R3=R5=5.25E-6 m，外圆半径为R2=R4=R6=1.05E-5 m；R7=3E-5 m，R8=5E-5 m，R9=1.1E-4 m；左侧圆环芯中心坐标为（-9.31E-6 m，0），右上侧圆环芯中心坐标为（9.31E-6 m，1.075E-5 m），右下侧圆环芯中心坐标为（9.31E-6 m，-1.075E-5m）；三个圆环芯的折射率是

=1.445468，纯二氧化硅的折射率包层

=1.444024；R7和R8之间是凹陷的折射率包层，其折射率为1.4436；R8和R9之间是最外包层，其折射率为1.444024。该光纤受入射光激发，三个环形芯中的光纤模式出现强耦合，实现了大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度、低差分模式群时延的超模运作，从而进一步提高光纤传输性能；光纤中超模的模场特性可以通过改变这些圆环尺寸、位置和折射率分布来改变。

本发明的有益效果如下：

1.三个环形芯中的光纤模式出现强耦合，实现了大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度、低差分模式群时延的超模运作，从而进一步提高光纤传输性能；

2.该光纤凹陷的折射率包层，可以有效减小弯曲损耗；

3.该光纤结合了环形芯少模光纤和多实芯超模光纤的优点，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入和光学信息处理、新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持;

4.该光纤中超模的模场特性可以通过改变这些圆环尺寸、位置和折射率分布来改变。

附图说明

图1是本发明一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤横截面示意图；该光纤整体上是由纯二氧化硅基质和三个折射率稍大的圆环芯组成；三个圆环芯大小相同，相邻间隔很小；三个圆环芯内圆半径为R1=R3=R5=5.25E-6 m，外圆半径为R2=R4=R6=1.05E-5m；R7=3E-5 m，R8=5E-5 m，R9=1.1E-4 m；左侧圆环芯中心坐标为（-9.31E-6 m，0），右上侧圆环芯中心坐标为（9.31E-6 m，1.075E-5 m），右下侧圆环芯中心坐标为（9.31E-6 m，-1.075E-5 m）；三个圆环芯的折射率是

=1.445468，纯二氧化硅的折射率包层

=1.444024；R7和R8之间是凹陷的折射率包层，其折射率为1.4436；R8和R9之间是最外包层，其折射率为1.444024。

图2是光纤线性偏振模式LP01（a）、LP11（b）、LP21（c）和LP02（d）在1550nm波长的电场分布图。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。

图3是光纤不同模式的色散随入射波长的变化情况。图3（a）是LP21模式的材料色散（点线）、波导色散（点划线）、总色散（实线）。图3（b）是LP01（虚线）、LP11（点线）、LP21（点划线）和LP02（实线）四种模式的材料色散。

图4是四种模式的有效面积（a）和非线性系数（b）随入射波长的变化情况。带星号、小圆圈、小实点和小正方形的实线分别对应LP01、LP11、LP21和LP02模式。

图5是差分模式群时延随入射波长的变化；实线、点线和点划线分别是模式LP11、LP21和LP02的差分模式群时延随波长的变化情况。

图6是各模式的弯曲损耗随入射波长和弯曲半径的变化情况。图6（a）是弯曲半径为0.2m时的各模式弯曲损耗随入射波长的变化情况。图6（b）是在1.425 μm时各模式弯曲损耗随弯曲半径的变化情况。图中带小正方形、小实心正方形和小实点的实线分别对应LP21a、LP21b和LP02的损耗情况。

图7是四种模式的有效折射率差

随d/r的变化情况；d是环形芯之间的距离，r是环形芯的外径；图中带星号、小圆圈、小实点和小正方形的实线分别对应LP01、LP11、LP21和LP02情况；d/r数值是保持d、改变r情况。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不限于此。

实施例1 图1是本发明一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤横截面示意图；该光纤整体上是由纯二氧化硅基质和三个折射率稍大的圆环芯组成；三个圆环芯大小相同，相邻间隔很小；三个圆环芯内圆半径为R1=R3=R5=5.25E-6 m，外圆半径为R2=R4=R6=1.05E-5 m；R7=3E-5 m，R8=5E-5 m，R9=1.1E-4 m；左侧圆环芯中心坐标为（-9.31E-6 m，0），右上侧圆环芯中心坐标为（9.31E-6 m，1.075E-5 m），右下侧圆环芯中心坐标为（9.31E-6m，-1.075E-5 m）；三个圆环芯的折射率是

=1.445468，纯二氧化硅的折射率包层

=1.444024；R7和R8之间是凹陷的折射率包层，其折射率为1.4436；R8和R9之间是最外包层，其折射率为1.444024。光纤中超模的模场特性可以通过改变这些圆环尺寸、位置和折射率分布来改变。

图2是光纤线性偏振模式LP01（a）、LP11（b）、LP21（c）和LP02（d）在1550nm波长的电场分布图。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。图中可见，光纤三个环形芯中的线性偏振模式出现强耦合，实现了大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度、低差分模式群时延的超模运作，能进一步提高光纤传输性能；若考虑偏振简并模式，该光纤可支持12种超模；光纤简并模式的有效折射率、色散、有效面积、非线性系数等一致，下面相关问题的讨论中没有涉及简并模式。

图3是光纤不同模式的色散随入射波长的变化情况。图3（a）是LP21模式的材料色散（点线）、波导色散（点划线）、总色散（实线）。图3（b）是LP01（虚线）、LP11（点线）、LP21（点划线）和LP02（实线）四种模式的材料色散。图3（a）可见，由于模式LP21的波导色散很小且平坦分布，导致模式LP21总色散与材料色散近似一致，随入射波长的增加而增加。图3（b）可见，从1.3 μm到1.6 μm范围，四种模式的波导色散都很小且平坦分布，导致四种模式总色散与材料色散近似一致，随入射波长的增加而增加。在1.55 μm处，四种模式总色散约为20ps/(km·nm)，与文献[Li M J, Hoover B, Li S, et al. Low delay and largeeffective area few-mode fibers for mode-division multiplexing. Opto-Electronics and Communications Conference, 2012:495-496]色散一致。

图4是四种模式的有效面积（a）和非线性系数（b）随入射波长的变化情况。带星号、小圆圈、小实点和小正方形的实线分别对应LP01、LP11、LP21和LP02模式。由图4（a）可见，四种模式的有效面积随波长增加而增大；LP01模式有效面积远小于其他三种模式的面积；从1.3μm到1.6μm范围，对应给定入射波长，LP11、 LP21和LP02模式的有效面积近似相等。在1.55 μm处，模式LP01有效面积为 735.7078 μm2，约为标准单模光纤的9倍多[ Bigot-Astruc M, Sillard P. OSA, Optical Fiber Communication Conference ＆Exposition, 1-3(2012)]。图4（b）可见，四种模式的非线性系数随入射波长增加而减小；从1.3μm到1.6μm范围，四种模式的非线性系数随波长的变化很小且随波长呈平坦分布。四种模式的非线性系数很小且模式LP01非线性系数最大。在1.55 μm处，模式LP01非线性系数为0.1433(W·km)^-1，远小于标准单模光纤的非线性系数0.95(W·km)^-1[Liu S, Zheng H.Measurement of nonlinear coefficient of optical fiber based on small chirpedsoliton transmission. Chinese Optics Letters, 2008, 6(7):533-535]。

图5是差分模式群时延随入射波长的变化；实线、点线和点划线分别是模式LP11、LP21和LP02的差分模式群时延随波长的变化情况。从1.3μm到1.6μm范围，四种模式的差分模式群时延随波长的变化很小且随波长呈平坦分布。对应给定的入射波长，LP11的差分模式群时延最小，LP21的差分模式群时延最大；在1.55μm处，模式LP01差分模式群时延为0.1307 ns/km，与文献[Li M J, Hoover B, Li S, et al. Low delay and largeeffective area few-mode fibers for mode-division multiplexing. Opto-Electronics and Communications Conference, 2012:495-496]的数据一致。

图6是各模式的弯曲损耗随入射波长和弯曲半径的变化情况。图6（a）是弯曲半径为0.2m时的各模式弯曲损耗随入射波长的变化情况。图6（b）是在1.425 μm时各模式弯曲损耗随弯曲半径的变化情况。图中带小正方形、小实心正方形和小实点的实线分别对应LP21a、LP21b和LP02的损耗情况。在图6所示情况下，LP01和LP11没有弯曲损耗，可以运行在更小的弯曲半径情况；图6（a）可见，LP21a、LP21b和LP02的弯曲损耗随入射波长增加而增加；给定入射波长，LP21a和LP21b的弯曲损耗近似相等，大于LP02的损耗。当入射波长1.4μm时，LP21b、LP21a和LP02的弯曲损耗分别为0.3360、0.3077和 0.0437 dB/m。图6（b）可见，在1.425μm时各模式的弯曲损耗随弯曲半径增大而减小。弯曲半径R=0.2 m时，LP21b、LP21a和LP02的弯曲损耗都小于1 dB/m；弯曲半径R=0.3 m时，LP21b、LP21a和LP02的弯曲损耗都非常小，分别为0.0730、0.0572和0.009dB/m。拉曼泵浦和遥泵的泵浦激光器波长一般选择在1.4 -1.48 μm范围；在此波长范围，该光纤模式弯曲损耗较小；该光纤可以有效传输高功率少模泵浦光，应用前景好。

图7是四种模式的有效折射率差

随d/r的变化情况；d是环形芯之间的距离，r是环形芯的外径；图中带星号、小圆圈、小实点和小正方形的实线分别对应LP01、LP11、LP21和LP02情况；d/r数值是保持d、改变r情况。图中可见，四种模式的有效折射率差随d/r增加而减小。其中，LP11有效折射率差的变化最小；LP01、LP21和LP02有效折射率差的变化类似，比LP11的变化大。改变d/r的数值，可以改变光纤模式的有效折射率，以满足超模光纤的特殊应用场景。

应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议的得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。

Claims

1.一种凹陷折射率包层的低非线性系数少模光纤；其特征是横截面包括纯二氧化硅基质和三个折射率稍大的圆环芯；三个圆环芯大小相同、折射率分布相同，而且相邻间隔很小；所述三个圆环芯相邻间隔很小，使得该光纤受入射光激发，三个环形芯中的光纤模式出现强耦合，实现了大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度、低差分模式群时延的超模运作，从而进一步提高光纤传输性能；三个圆环芯内圆半径为R1=R3=R5=5.25E-6 m，外圆半径为R2=R4=R6=1.05E-5 m；R7=3E-5 m，R8=5E-5 m，R9=1.1E-4 m；左侧圆环芯中心坐标为（-9.31E-6 m，0），右上侧圆环芯中心坐标为（9.31E-6 m，1.075E-5 m），右下侧圆环芯中心坐标为（9.31E-6 m，-1.075E-5 m）；三个圆环芯的折射率是1.445468，纯二氧化硅的折射率包层 =1.444024；R7和R8之间是凹陷的折射率包层，其折射率为1.4436；R8和R9之间是最外包层，其折射率为1.444024。

2.根据权利要求1所述少模光纤，其性能特征在于实现了大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度、低差分模式群时延的超模运作；且非线性系数和差分模式群时延在C波段范围内呈平坦分布；光纤中超模的模场特性可以通过改变圆环尺寸、位置和折射率分布来改变。