CN109188604B - 一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤；光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；实现了高模场密度、低损耗、低色散、低串扰和低DMGD的超模运作，采用凹陷的折射率包层有效减小了弯曲损耗。

Description

一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤

技术领域

本发明涉及一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤，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。

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：the nextfrontier in optical communication.Advances in Optics&Photonics，2014，6(4)：5041-5046；Guifang Li，Magnus Karlsson，Xiang Liu，and Yves Quiquempois，Focusissue introduction：space-division multiplexing，Opt.Express 2014，22，32526-32527；He Wen，Hongjun Zheng et al.Few-mode fibre-optic microwave photoniclinks[J].Light：Science and Applications 2017，6，8；郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018，1-184]；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，etal.，Supermodes for optical transmission，Optics Express，2011，19(17)：16653-16664；Cen Xia，Neng Bai，Rodrigo Amezcua-Correa，et al.，Supermodes in strongly-coupled multi-core fibers，OFC 2013，OTh3K.5；Yu Ruyuan，Hongjun Zheng et al.Anovel three-ring-core few-mode fiber with large effective area and lownonlinear coefficient[J]，Optoelectronics Letters.2018，14(1)：30-35]；纯二氧化硅纤芯可以有效地减少光纤衰减和熔接损耗，目前大都应用于单模光纤(T.Hasegawa etal.2016.Advances in ultra-low loss silica fibers[J].Frontiers in Optics，paperFTu2B.2；S.Ten.2016.Ultra Low-loss Optical Fiber Technology[J].Optical FiberCommunication Conference，paper Th4E.5；Yoshiaki Tamura.2018.Ultra-low losssilica core fiber for long haul transmission[J].Optical Fiber CommunicationConference，paper M4B.1)。具有渐变折射率分布的少模光纤可以实现低差分模式群时延DMGD以及远场和近场具有相同模式宽度，并且不同模式下的有效折射率差(ERID)大于0.5x10^-3可以避免模式耦合(Pierre Sillard et al.Few-Mode Fibers for Space-Division Multiplexed Transmissions[J]，European Conference&Exhibition onOptical Communication，2013.03(A1)：1-3；Roland Ryf.Switching and MultiplexingTechnologies for Mode-Division Multiplexed Networks，Optical FiberCommunication Conference&Exposition，2017，Tu2c)。综上，若将纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布及多实芯强耦合的超模光纤的概念有机融合，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，本发明提出了一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤；该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布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：

本发明提出了一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤；光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；六个纤芯的半径均为R1＝3μm，沟槽的内半径为R2＝20μm，沟槽的外半径为R3＝30μm，包层半径为R4＝62.5μm；六个纤芯的中心坐标依次为(6μm，0)，(3μm，

)，(-3μm，

)，(-6μm，0)，(-3μm，

)，(3μm，

)；六个纤芯中心、沟槽和纯二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.444024，n2＝1.433524，n3＝1.437024；每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)²]^0.5渐变折射率分布，r是纤芯中任意一点到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差

该光纤受入射光激发，六个纤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纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。

本发明的有益效果如下：

1.六个纤芯中的光纤模式出现强耦合，实现了高模场密度、低色散、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.该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布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纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。

附图说明

图1是本发明一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤横截面示意图；光纤由六个渐变折射率分布的纤芯(左斜阴影部分)、折射率沟槽(右斜阴影部分)和掺氟二氧化硅包层(白色部分)组成。

图2给出了在1.55μm波长下两个超模LP01和LP11的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。如果我们考虑偏振和空间简并，所提出的光纤可以支持6种超模，例如LP01 X，LP01 Y，LP11a X，LP11a Y，LP11b X和LP11b Y。

图3显示两个超模的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形和圆形的实线分别为LP01和LP11超模情况。

图4显示了六芯少模光纤的色散随输入波长的变化情况。虚线、点划线和实线分别表示LP01(a)和LP11(b)模式的材料色散、波导色散和总色散。

图5显示LP11的DMGD随输入波长的变化情况。

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是本发明一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤横截面示意图；光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯(左斜阴影部分)、折射率沟槽(右斜阴影部分)和掺氟二氧化硅包层(白色部分)组成；六个纤芯的半径均为R1＝3μm，沟槽的内半径为R2＝20μm，沟槽的外半径为R3＝30μm，包层半径为R4＝62.5μm；六个纤芯的中心坐标依次为(6μm，0)，(3μm，

)，(-3μm，

)，(-6μm，0)，(-3μm，

)，(3μm，

)；六个纤芯中心、沟槽和纯二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.444024，n2＝1.433524，n3＝1.437024；每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)²]^0.5渐变折射率分布，r是纤芯中任意一点到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差

通过调整光纤中的纤芯尺寸和折射率分布，可以改变光纤中电磁场特性。

图2给出了在1.55μm波长下两个超模LP01和LP11的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。如果我们考虑偏振和空间简并，所提出的光纤可以支持6种超模，例如LP01 X，LP01 Y，LP11a X，LP11a Y，LP11b X和LP11b Y。我们得到了六个纤芯间模式强耦合形成的超模，其中纤芯到纤芯的距离比传统的多芯光纤短得多。超模的场分布可以看作是各纤芯独立模式的叠加和强重构。因此，六芯少模光纤可以支持比传统光纤更大的有效面积和更高的模式密度，这可以有效地减少光纤和光通信的非线性效应。由于简并模式的有效折射率(ERI)、色散、有效面积和非线性系数类似，因此本文讨论两种超模的特性、未讨论两种超模简并模式的特性。

图3显示两个超模的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形和圆形的实线分别为LP01和LP11超模。两种超模的有效折射率均随波长的增加而减小。LP11模随波长的减小速度快于LP01模式。对于给定的输入波长，LP01模式的有效折射率大于LP11模式的有效折射率。两超模间的ERID大于0.5×10^-3获得低串扰特性。

图4显示了六芯少模光纤的色散随输入波长的变化情况。虚线、点划线和实线分别表示LP01(a)和LP11(b)模式的材料色散、波导色散和总色散。从图4(a)可以看出，随着输入波长的增加，在1.4μm至1.7μm波长范围内，因为波导色散平坦且低于-6ps/(km·nm)，LP01模式的总色散小于材料色散。从图4(b)可以看出，在1.4μm至1.7μm范围内，LP11模式的波导色散比LP01模式的波导色散低。在300nm范围内LP11模式的总色散明显小于材料色散。因此，随着输入波长的增加，在1.4μm至1.7μm范围内，两种超模的总色散变化明显小于材料色散。LP01和LP11模式在1.53μm处的总色散分别为15.46和14.01ps/(km·nm)，明显小于标准单模光纤。LP01和LP11模式在1.55μm处的总色散分别为16.93和15.16ps/(km·nm)，明显低于参考文献中的光纤色散(Yu Ruyuan，Hongjun Zheng et al.A novel three-ring-corefew-mode fiber with large effective area and low nonlinear coefficient[J]，Optoelectronics Letters.2018，14(1)：30-35)。我们将结合掺杂二氧化硅的透明性能和折射率分布，以进一步优化未来少模光纤的色散。

图5显示LP11的DMGD随输入波长的变化情况。DMGD缓慢降低并且在1.4μm至1.6μm波长范围内较平坦。对于给定的输入波长，LP11的DMGD小于2.85ps/m。在1.55μm的波长下，LP11的DMGD为2.74ps/m，与参考文献中的数值一致(郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018.1，1-184)。

总之，所提出的光纤实现了两种低损耗、低色散、低串扰和低DMGD的超模。所提出的光纤在较大波长范围内DMGD平坦分布。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地得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。

Claims (2)

1.一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤；其特征在于：光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；六个纤芯的半径均为R1＝3μm，沟槽的内半径为R2＝20μm，沟槽的外半径为R3＝30μm，包层半径为R4＝62.5μm；六个纤芯的中心坐标依次为(6μm，0)，

(-6μm，0)，

六个纤芯中心、沟槽和掺氟二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.444024，n2＝1.433524，n3＝1.437024；每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)²]^0.5渐变折射率分布，r是纤芯中任意一点到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差

在1.4μm至1.7μm波长范围内，所提出光纤LP01和LP11两种超模的总色散小，LP01和LP11模式在1.53μm处的总色散分别为15.46和14.01ps/(km·nm)，明显小于标准单模光纤的色散；LP01和LP11模式在1.55μm处的总色散分别为16.93和15.16ps/(km·nm)；LP11模式的差分模式群时延DMGD缓慢降低并且在1.4μm至1.6μm波长范围内较平坦；在1.55μm的波长下，LP11的DMGD为2.74ps/m；光纤中超模的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。

2.根据权利要求1所述光纤，其性能特征在于融合了纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布和多实芯超模光纤的优点，实现了高模场密度、低损耗、低色散、低串扰和低DMGD的超模运作，采用凹陷的折射率包层有效减小了弯曲损耗。

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