CN108761634A - 一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤。本发明的光纤结构为由内到外依次包括中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯和包层；其中，所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率与所述包层的折射率之间的相对折射率差均不超过1.2％；所述中心纤芯、外环形纤芯的折射率与所述内环形纤芯的折射率之间的相对折射率差不超过0.7％。本发明解决了现存光纤中的独立模式数量少、模式串扰大、传输损耗大等问题，同时兼容目前商用普通单模光纤的制备技术，相比市场上现有光纤，具有极大的性能和成本优势。

Description

一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤。

背景技术

随着网络用户的持续增加、网络数据新型业务的不断涌现，对于网络容量的需求不断增长。由于常见的光的复用维度(时间、波长、偏振、多进制调制)都已经面临潜力开发的瓶颈，当前基于普通单模光纤的光通信系统已经无法应对蓬勃的网络容量需求。空分复用作为一种新型的光的复用维度，具有极大的潜力来解决未来光通信系统的容量，并受到了世界范围内的广泛关注。空分复用技术可分为利用少模光纤或多模光纤中多个传导模式的模分复用技术和增加光纤中纤芯数量的芯分复用技术，而且也可将二者结合来进一步提高系统的传输容量。在少模光纤和多模光纤中，多采用线偏振模式(LP模)进行模分复用。在理想情况下，各个LP模之间是相互正交，可以作为独立信道使用的，通过与传统的时间、波长、偏振和多进制调制格式进行多维复用，可以大大增加系统的传输容量。但由于在制备过程中，未经过特殊设计的少模光纤不可避免地会存在一些结构或折射率的缺陷，加之在传输过程中外界因素的干扰，模式间的串扰难以避免，而且会随着光纤所支持的模式数的增加和传输距离的增长而累积。在此情况下，接收端必须采用相干接收技术，辅以多入多出技术(MIMO)和数字信号处理(DSP)来恢复传输信号。这种方案的计算复杂度高，且会导致系统成本增高和能耗增大。

支持传导模式数超过一个的光纤在世界范围内已经得到了广泛的研究。以光纤中支持的模式数量为标准，可分为支持模式数量少于等于10个的少模光纤和支持模式数量大于10个的多模光纤；以光纤中所支持的模式间的耦合强度(串扰程度)为标准，可分为弱耦合光纤和强耦合光纤。以下按照模式耦合强度和纤芯结构分别介绍与本发明相关的现有技术：

i.圆形纤芯少模光纤

这种光纤结构沿用了标准单模光纤的简单结构，纤芯为折射率分布为阶跃折射率或渐变折射率的圆形。该种结构简单，易于加工，但是随着所支持的模式数的增加，高阶模式间有效折射率差(ΔNeff)很小，串扰程度将很大，所以在支持模式数少于等于3个时属于弱耦合少模光纤，在支持模式数大于3个时属于强耦合少模光纤或多模光纤，在传输系统中使用时，必须使用相干接收加MIMO-DSP。

这种结构的前者的典型代表是法国普林斯曼公司研制的3模少模光纤，支持模式数少，对系统传输容量的扩充能力低；后者的典型代表是各家光纤厂商都在生产的常规多模光纤(OM1-OM5)，支持模式数多，众多的模式可以分为相互间串扰较低的模式组，但是模式组内的多个模式的有效折射率(Neff)相近，串扰严重，必须使用相干接收加MIMO-DSP，也极大限制了其作为模分复用光纤的使用前景。

ii.弱耦合一重环形纤芯结构少模光纤

一重环形结构少模光纤在圆形纤芯少模光纤的基础上，对圆形纤芯的靠外环形区域的折率进行增大，可以提高光纤中特定模式间的ΔNeff，从而降低模式间的串扰，保证模式可以进行独立的传输。这种结构按照环内区域与包层的折射率是否相同，还分为两种。

一种是环内区域和包层折射率相同的设计，以北海道大学与NTT合作的3模光纤，以及华中科技大学的轨道角动量模式光纤为代表。这种设计的环与包层的折射率差极大且环形结构宽度小，给光纤拉制工艺造成了很多挑战，且制造出来的环形结构少模光纤损耗很大，无法实现较长距离的传输，且从目前的进展来看，能够支持的模式数量也较少。

另一种是环内区域折射率高于包层折射率，但低于环形区域折射率的设计，以上海交通大学的4模一重环形结构少模光纤为代表。这种结构对光纤拉制工艺相对友好，传输损耗接近普通单模光纤，且最小有效折射率差大于前一种设计，具有更低的模式串扰。但同样受限于光纤拉制工艺，能够支持的模式数较少。

iii.椭圆纤芯少模光纤

由于LP模式实际上是由多个有效折射率极为接近的本征矢量模(HE、EH、TE、TM)简并而成。在包层纤芯折射率差受到光纤拉制工艺的限制，无法进一步增加的情况下，通过采用椭圆形的纤芯设计，打破LP模式的内部简并，是增加少模光纤能够支持的模式数的有效手段。而且椭圆纤芯能够有效保持模式的空间分布，使得它们受到光纤制备缺陷和外界因素的影响大大降低，降低了模式间的串扰。

椭圆纤芯少模光纤在国内外都有广泛的研究，以澳大利亚墨尔本大学的3模椭圆纤芯光纤及华中科技大学的3模椭圆纤芯光纤为主要代表。但椭圆纤芯少模光纤制备工艺复杂、不良率高，进一步增加支持模式数较为困难。

iv.保偏少模光纤

保偏少模光纤对模式的影响与椭圆纤芯少模光纤相同，但是其实现方式是通过一对包层中的应力区来对纤芯施加应力，增大光纤的双折射效应，从而增大有效折射率差。该种设计以康宁公司的2模保偏少模光纤为代表。缺陷也与椭圆纤芯少模光纤相同。

发明内容

针对现存技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤，可以解决现存技术的独立模式数量少、模式串扰大、传输损耗大等问题，同时兼容目前商用普通单模光纤的制备技术，相比市场上现有光纤，具有极大的性能和成本优势。

本发明的技术方案为：

一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤，其特征在于，由内到外依次包括中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯和包层；其中，所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率与所述包层的折射率之间的相对折射率差均不超过1.2％；所述中心纤芯、外环形纤芯的折射率与所述内环形纤芯的折射率之间的相对折射率差不超过0.7％。

进一步的，所述内环形纤芯的折射率大于所述中心纤芯、外环形纤芯的折射率；所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率大于所述包层的折射率。

进一步的，所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率为阶跃折射率分布或渐变折射率分布。

进一步的，所述内环形纤芯的内环半径为1μm～5μm，环宽为1μm～5μm；所述外环形纤芯的环宽为1μm～5μm。

进一步的，所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯均采用掺杂有二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料；所述包层采用纯二氧化硅材料。

进一步的，所述外环形纤芯外侧设置一圈环形沟槽结构，所述外环形纤芯的折射率>所述包层的折射率>环形沟槽的折射率；所述环形沟槽结构的折射率与所述包层的折射率之间的相对折射率差不超过-1％。

进一步的，所述环形沟槽结构的宽度为2μm～10μm。

进一步的，所述环形沟槽结构采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料。

进一步的，所述光纤内传输的各线偏振模之间的有效折射率差均>10^-3。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

(1)模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤采用了双重环形纤芯设计，支持线偏振模。可以更加精细地控制光纤中支持的传导模式的有效折射率，增大光纤中的最小有效折射率差，降低模式间串扰，增加了可用独立模式数。所有模式之间的有效折射率差均>10^-3，具有超低模式串扰特性，均可以独立采用强度调制直接检测的方式进行光信号传输，无需相干检测加MIMO-DSP辅助，系统简单、经济、低能耗。

(2)模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤的纤芯整体与包层的折射率差较小，纤芯内部的中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯之间的折射率差较小，降低了因高折射率差引起的光纤拉制难度和高损耗，兼容现有成熟的商用低损耗普通单模光纤和多模光纤的拉制工艺，可有效降低光纤损耗，加工成本低。

(3)模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤在C+L波段宽带范围内具有相似特性，因此可以与波分复用技术相结合以更有效地提高光通信容量。

附图说明

图1为模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤；

图2为阶跃型模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤的材料折射率分布图；

图3为阶跃型带沟槽模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤；

图4为阶跃型带沟槽模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤的材料折射率分布图；

图5为光纤支持的10个线偏振模在整个C+L波段中相邻模式间有效折射率差随波长的变化曲线；

其中，1-中心纤芯、2-内环形纤芯、3-外环形纤芯、4-包层、5-环形沟槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤综合了多种模分复用光纤的优点，支持多个线偏振模，模式间具有超低串扰，所有模式均独立支持强度调制直接检测的光信号传输方案，采用成熟的商用普通单模光纤和多模光纤的加工技术，光纤损耗低，解决了现有模分复用光纤广泛存在的支持模式数量少、模式间串扰大因而需要大规模MIMO-DSP、损耗大的技术问题。具体地，本发明提供的模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤具有如下优点：(1)可以支持多个独立模式以有效提升模分复用通信系统容量；(2)光纤设计可精细控制模式有效折射率，增大模式间串扰，不需要使用相干检测加MIMO-DSP技术，所有模式均独立支持强度调制直接检测的光信号传输方案，系统简单、经济、低能耗；(3)兼容现有成熟的商用普通单模光纤和多模光纤拉制工艺，光纤损耗低，加工成本低；(4)在C+L波段宽带范围内具有相似特性，因此可以与波分复用技术相结合以更有效地提高光通信容量。

本发明提出一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤，由内到外依次包括：中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯和包层；所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率与所述包层的折射率之间的相对折射率差均不超过1.2％；所述中心纤芯和所述外环形纤芯的折射率与所述内环形纤芯的折射率之间的相对折射率差不超过0.7％。

所述模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤支持线偏振模，所有模式之间的有效折射率差均>10^-3。

内环形纤芯的折射率大于所述中心纤芯与外环形纤芯的折射率；所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率大于所述包层的折射率。

所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率为阶跃折射率分布或渐变折射率分布。

在所述外环形纤芯外侧可设置一圈环形沟槽结构，所述外环形纤芯的折射率>所述包层的折射率>环形沟槽的折射率。环形沟槽结构的折射率与所述包层的折射率之间的相对折射率差不超过-1％。

内环形纤芯的内环半径为1μm～5μm，环宽为1μm～5μm。外环形纤芯的环宽为1μm～5μm。环形沟槽宽度为2μm～10μm。

中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯均采用掺杂有二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料，掺杂浓度影响折射率，掺杂越多折射率越大。包层采用纯二氧化硅材料；所述环形沟槽采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料，掺杂浓度影响折射率，掺杂越多折射率越小。

总体上，在上述给定各参数扫描范围内，光纤所支持的模式数、模式间有效折射率差等模式特性会有相应不同。不过，最优光纤设计参数位于上述参数扫描范围内，可以增大模式间有效折射率差，所有模式之间的有效折射率差均>10^-3，抑制模式间串扰，增加光纤所支持模式数，保证所有模式均独立支持强度调制直接检测的光信号传输方案。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，仅仅是提供其中一种可能的具体实施方案，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出的一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤由中心纤芯1、内环形纤芯2、外环形纤芯3和包层4四部分组成。中心纤芯1、内环形纤芯2和外环形纤芯3采用掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，包层4采用纯二氧化硅材料。图2为该阶跃型模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤的材料折射率分布图。图2中为阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。内环形纤芯2的折射率大于中心纤芯1的折射率和外环纤芯3的折射率，内环形纤芯2与中心纤芯1及外环纤芯3的相对折射率差均不超过0.7％。中心纤芯1、内环形纤芯2和外环形纤芯3的折射率均大于包层4的折射率，中心纤芯1、内环形纤芯2和外环形纤芯3与包层4的相对折射率差均不超过1.2％。中心纤芯1的折射率与外环形纤芯3的折射率间无固定大小关系。该光纤的结构设计参数包括内环形纤芯2内环半径r₁、内环形纤芯2环宽d₂、外环形纤芯3环宽d₃、中心纤芯1折射率n₁、内环形纤芯2折射率n₂、外环形纤芯3折射率n₃。包层4半径取62.5μm。在全矢量有限元分析方法中，根据对于模式数目的要求确定光纤各参数初步范围，根据对模式有效折射率差的要求进一步确定光纤各参数范围，给出满足需求的模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤基本结构参数。具体方法是通过matlab软件对内环形纤芯2内环半径r₁、内环形纤芯2环宽d₂、外环形纤芯3环宽d₃、中心纤芯1折射率n₁、内环形纤芯2折射率n₂、外环形纤芯3折射率n₃六个变量在一定范围内进行分点扫描，仿真得到个光纤参数组合下光纤中支持的模式数目及模式有效折射率分布，从众找到满足需求的模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤基本结构参数。其中内环形纤芯2的内环半径扫描范围为2μm～5μm，环宽扫描范围为1μm～5μm，外环形纤芯3的环宽扫描范围为1μm～5μm。

如图3所示，本发明提出了一种阶跃型带沟槽模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤由中心纤芯1、内环形纤芯2、外环形纤芯3、包层4和环形沟槽5五部分组成。中心纤芯1、内环形纤芯2和外环形纤芯3采用掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，包层4采用纯二氧化硅材料，环形沟槽5采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料。图4为该阶跃型带沟槽模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤的材料折射率分布图。图4中为阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。内环形纤芯2的折射率大于中心纤芯1的折射率和外环纤芯3的折射率，内环形纤芯2与中心纤芯1及外环纤芯3的相对折射率差均不超过0.7％。中心纤芯1、内环形纤芯2和外环形纤芯3的折射率均大于包层4的折射率，中心纤芯1、内环形纤芯2和外环形纤芯3与包层4的相对折射率差均不超过1.2％。中心纤芯1的折射率与外环形纤芯3的折射率间无固定大小关系。包层4的折射率大于环形沟槽5的折射率，环形沟槽5与包层4的相对折射率差不超过-1％。该光纤的结构设计参数包括内环形纤芯2内环半径r₁、内环形纤芯2环宽d₂、外环形纤芯3环宽d₃、环形沟槽5环宽d₄、中心纤芯1折射率n₁、内环形纤芯2折射率n₂、外环形纤芯3折射率n₃、环形沟槽5折射率n₄。包层4半径取62.5μm。在全矢量有限元分析方法中，根据对于模式数目的要求确定光纤各参数初步范围，根据对模式有效折射率差的要求进一步确定光纤各参数范围，给出满足需求的模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤基本结构参数。具体方法是先对内环形纤芯2内环半径r₁、内环形纤芯2环宽d₂、外环形纤芯3环宽d₃、中心纤芯1折射率n₁、内环形纤芯2折射率n₂、外环形纤芯3折射率n₃六个变量在一定范围内进行参数扫描，再对环形沟槽5环宽d₄和折射率n₄在一定范围内进行参数扫描。其中内环形纤芯2的内环半径扫描范围为2μm～5μm，环宽扫描范围为1μm～5μm，外环形纤芯3的环宽扫描范围为1μm～5μm，环形沟槽宽度5扫描范围为2μm～10μm。

对于本发明用到的阶跃型模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤，提供一种支持10个线偏振模式数的结构。内环形纤芯内外半径为3.015μm和6.432μm，即内环形纤芯环宽为3.417μm，外环形纤芯外半径为10.05μm，即外环形纤芯环宽为3.618μm，包层半径为62.5μm。中心纤芯和包层的相对折射率差为0.842％，内环形纤芯和包层的相对折射率差为1.064％，外环形纤芯和包层的相对折射率差为0.876％，该结构支持10个线偏振模。对这个结构的模拟仿真结果如图5所示。

图5显示了在整个C+L波段(1530nm到1625nm)中相邻模式间有效折射率差随波长的变化曲线。该种光纤结构共支持10个线偏振模式，相邻模式间的有效折射率差均大于10^-3。这种光纤能够实现模式间超低串扰，所有模式均独立支持强度调制直接检测的光信号传输方案，不需要相干检测加MIMO-DSP技术。同时在C+L波段具有宽带特性，可以与波分复用技术相结合以进一步提高光通信容量。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤，其特征在于，由内到外依次包括中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯和包层；其中，所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率与所述包层的折射率之间的相对折射率差均不超过1.2％；所述中心纤芯、外环形纤芯的折射率与所述内环形纤芯的折射率之间的相对折射率差不超过0.7％。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述内环形纤芯的折射率大于所述中心纤芯、外环形纤芯的折射率；所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率大于所述包层的折射率。

3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯的折射率为阶跃折射率分布或渐变折射率分布。

4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述内环形纤芯的内环半径为1μm～5μm，环宽为1μm～5μm；所述外环形纤芯的环宽为1μm～5μm。

5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述中心纤芯、内环形纤芯和外环形纤芯均采用掺杂有二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料；所述包层采用纯二氧化硅材料。

6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述外环形纤芯外侧设置一圈环形沟槽结构，所述外环形纤芯的折射率>所述包层的折射率>环形沟槽的折射率；所述环形沟槽结构的折射率与所述包层的折射率之间的相对折射率差不超过-1％。

7.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述环形沟槽结构的宽度为2μm～10μm。

8.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述环形沟槽结构采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料。

9.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤内传输的各线偏振模之间的有效折射率差均>10^-3。