CN109445019B - 一种矩形纤芯结构光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矩形纤芯结构光纤，由内到外依次包括矩形纤芯和包层，矩形纤芯的折射率大于包层的折射率，且之间的相对折射率差不超过2.5％。本发明解决了现有光纤中与片上矩形波导模场失配、耦合效率低的问题。本矩形纤芯结构光纤由于形状特性，是天然的保偏光纤，可以传输更多的模式，更有效地提高了光通信容量，而且易于集成，成本低。

Description

一种矩形纤芯结构光纤

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种矩形纤芯结构光纤。

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问题，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。

少模和多模光纤传输系统的难点在于各个模式的激发。目前主要的模式激发方式有以空间光调制器和相位片为代表的空间光方式、光纤型定向耦合器件以及平面光波导(PLC)三种方法。其中，空间光方式体积大，不易于集成；光纤型定向耦合器件的模式激发纯度高，但器件体积仍然在厘米量级，而且高阶模式插入损耗大，不适合量产。而PLC集成度高、模式转换效率高、插入损耗低，各项性能都要优于前面两种方法，且平面光波导技术已经成熟，易于量产。新型少模和多模光通信系统应该使用PLC进行模式激发和复用解复用。

PLC器件与普通单模光纤联合搭建的通信系统已经广泛应用于生活中的各个领域。但由于加工工艺的限制，PLC以及结构类似的硅基光电子器件须设计成矩形波导结构，可支持的模式为横电磁模(TEM模)。而传统的光纤纤芯则设计成圆形结构，支持LP模。因此，圆形纤芯的光纤与片上矩形波导存在模场形状失配的问题。在单模情况下，该问题并不突出，仅仅影响连接损耗，不会造成模式串扰。但在少模或多模情况下，片上矩形波导的TEM模与圆形纤芯光纤中LP模的高阶模式存在严重的模场失配，导致片上矩形波导与圆形纤芯光纤连接时出现严重的模式串扰和巨大的损耗，严重影响少模或多模光通信系统的性能。

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.矩形芯子光纤

这种光纤由横截面为矩形的纤芯，横截面边界形状为矩形的沟壑层，横截面边界形状为矩形的折射率缓冲层和外包层构成。其中，沟壑层的数量大于等于2。这种光纤结构主要应用在传能领域，旨在输出更高的功率以满足大功率激光源的需求，这种光纤的纤芯模场面积较大，近年来提出的低折射率多层沟壑型光纤具有易于制造的特点和较好的高阶模式抑制能力，但在弯曲的情况下极限模场面积为800μm²。这种光纤结构在传能方面具有很大优势，但在光纤通信传输系统中，这种光纤的折射率和尺寸与传统光纤差异极大，导致传输的模式数异常的多，模式间的串扰严重，难以用于通信。

ii.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，图1是圆形纤芯少模光纤的部分模场示意图；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。

iii.弱耦合环形纤芯结构少模光纤

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。

iv.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。椭圆纤芯少模光纤制备工艺复杂、不良率高，可保持模式的空间朝向，但保持度低。

v.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

针对现有技术所存在的短板，本发明提出一种矩形纤芯结构光纤，可以解决光纤和片上矩形波导之间的模场失配和耦合效率低的问题。同时矩形纤芯结构光纤由于形状特性，是天然的保偏光纤，可以传输更多的模式，利于增大光纤通信系统的传输容量。而且本发明易于集成，具有极大的性能优势。

本发明的技术方案为：

一种矩形纤芯结构光纤，由内到外依次包括矩形纤芯和包层，该矩形纤芯的折射率n₁大于该包层的折射率n₂，所述矩形纤芯与所述包层的折射率之间的相对折射率差不超过2.5％；用表达式可表示为：n₁>n₂，(n₁ ²-n₂ ²)/(2×n₁ ²)≤2.5％。

进一步地，所述矩形纤芯折射率为阶跃折射率分布或渐变折射率分布。

进一步地，所述矩形纤芯的长边和短边范围为1～30μm，长边大于等于短边。

进一步地，所述矩形纤芯如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，则所述包层采用纯二氧化硅材料；所述矩形纤芯如采用纯二氧化硅材料或掺杂有碱金属离子的二氧化硅材料，则所述包层采用掺杂有氟化硅的二氧化硅材料。

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，抑制模式间串扰，而且由于矩形纤芯结构光纤天然具有保偏特性，可以支持更多模式数，更有效地提高光通信容量。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

传统的矩形芯光纤仅用于传能(利用光纤传输光能量)，传能光纤在折射率和尺寸两方面与通信用光纤差别极大，所以其不能用于通信，通信用光纤一般都为圆形纤芯。本发明提出的矩形纤芯结构光纤通过对折射率的限定，综合了传统圆形纤芯结构光纤和片上矩形波导的优点，支持多个模式，解决了圆形纤芯与矩形波导器件耦合串扰大、损耗大的技术问题。具体地，(1)矩形纤芯结构光纤与片上矩形波导具有形状类似的特点，两者支持的模式形状类似；而圆形纤芯光纤与片上矩形波导形状差异大，两者支持的模式形状差异大，所以将光纤与片上矩形波导进行耦合对接时，矩形纤芯结构光纤具有更低的对接损耗，可以与片上矩形波导实现低损耗模式耦合；(2)矩形纤芯结构光纤的纤芯为非圆对称结构，其支持的模式也为非圆对称结构，其模式无法如圆形纤芯光纤一样的模式一样以任意角度旋转，故其具有天然的保偏特性，每个所列出的模式均存在两个偏振方向垂直的偏振模，在本矩形纤芯结构光纤中就可以完全独立保持而不发生旋转，所以支持的总模式数要乘2，这可以大大增加可用于通信的模式数量，增大通信系统的传输容量，因此矩形纤芯结构光纤天然具有保偏特性，可以支持更多模式数，增大通信系统的传输容量；(3)在C+L波段宽带范围内具有相似特性，支持多个TEM模式，因此可以与波分复用技术相结合实现多通道传输，以更有效地提高光通信容量。

附图说明

图1为普通圆形纤芯光纤的模场分布图；

图2为本发明的矩形纤芯结构光纤的模场分布图；

图3A-3B为一实施例的矩形纤芯结构光纤及其阶跃型光纤材料的折射率分布图；

图4为一实施例的矩形纤芯结构光纤的模场分布图，均包括两个偏振模；

图5为一实施例的矩形纤芯结构光纤支持的12个模式在整个C+L波段中相邻模式间有效折射率差随波长的变化曲线；

图6A-6B为另一实施例的矩形纤芯结构光纤及其阶跃型光纤材料的折射率分布图；

图7为另一实施例的矩形纤芯光纤的模场分布图，均包括两个偏振模；

图8为另一实施例的矩形纤芯结构光纤支持的12个模式在整个C+L波段中相邻模式间有效折射率差随波长的变化曲线。

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。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。

图1为普通圆形纤芯光纤的模场分布图，图2为本发明的矩形纤芯结构光纤的模场分布图，普通圆形纤芯结构光纤支持传输LP模，而矩形纤芯结构光纤支持传输TEM模，对比这两张图可以看出圆形纤芯结构光纤模式模场与方形纤芯结构光纤模式模场形状差异明显，当普通圆形纤芯与矩形波导耦合时，存在严重的模场失配问题。

在一实施例中提出一种矩形(长方形)纤芯结构光纤，如图3A所示，由矩形纤芯、包层两部分组成，该光纤的结构设计参数包括矩形纤芯的长边a、矩形纤芯的短边b、矩形纤芯的折射率n₁、包层的折射率n₂，其中a>b，n₁>n₂，矩形纤芯与包层的相对折射率差不超过2.5％。矩形纤芯采用掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，包层采用纯二氧化硅材料。图3B所示为阶跃型模式矩形纤芯结构光纤的材料折射率分布。矩形纤芯结构光纤不仅可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。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，给出满足需求的矩形纤芯结构光纤基本结构参数。具体方法是通过matlab软件对矩形纤芯的长边a、矩形纤芯的短边b、矩形纤芯的折射率n₁三个变量在一定范围内进行分点扫描，仿真得到各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，从中找到满足需求的矩形纤芯结构光纤基本结构参数。其中矩形纤芯的长边a和短边b的扫描范围为1～30μm。

对于本发明用到的阶跃型矩形纤芯结构光纤，提供一种支持12个模式数的结构。矩形纤芯的长边10.6μm、矩形纤芯的短边9.4μm，包层半径为62.5μm。在矩形纤芯中，由于TEM模式的偏振可独立传输，该结构可支持12个模式无串扰传输。该矩形纤芯结构光纤的模场模拟仿真结果如图4所示。

图5显示了在整个C+L波段(1520nm到1670nm)中相邻模式间有效折射率差随波长的变化曲线。在矩形纤芯中，由于TEM模式的偏振可独立传输，该结构可支持12个模式独立传输，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。

考虑到正方形纤芯在矩形纤芯中的特殊性，在另一实施例提供一种矩形(正方形)芯结构光纤，如图6A所示，由矩形纤芯、包层两部分组成，该光纤的结构设计参数包括矩形纤芯的边长r、矩形纤芯的折射率n₁，其中n₁>n₂，矩形纤芯与包层的相对折射率差不超过2.5％。矩形纤芯采用掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，包层采用纯二氧化硅材料。图6B所示为阶跃型模式矩形纤芯结构光纤的材料折射率分布。矩形纤芯结构光纤不仅可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。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，给出满足需求的矩形纤芯结构光纤基本结构参数。具体方法是通过matlab软件对矩形纤芯的边长r、矩形中心纤芯的折射率n₁两个变量在一定范围内进行分点扫描，仿真得到各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，从中找到满足需求的矩形纤芯结构光纤基本结构参数。其中矩形纤芯的边长r扫描范围为1～30μm。

对于本发明用到的阶跃型矩形纤芯结构光纤，提供一种支持12个模式数的结构。矩形纤芯边长为12.4μm，包层半径为62.5μm。在矩形纤芯中，由于TEM模式的偏振可独立传输，该结构可支持12个模式传输。该矩形光纤的模场模拟仿真结果如图7所示。

图8显示了在整个C+L波段(1520nm到1670nm)中相邻模式间有效折射率差随波长的变化曲线。在矩形纤芯中，由于TEM模式的偏振可独立传输，该结构可支持12个模式无串扰传输。虽然TEM₀₁与TEM₁₀这两个模式的有效折射率很接近，但由于TEM₀₁与TEM₁₀的偏振方向正交，因此可以保证模式间的独立传输，TEM₀₂与TEM₂₀同理。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 (5)

1.一种矩形纤芯结构光纤，其特征在于，由矩形纤芯和包裹该矩形纤芯的包层构成，该矩形纤芯的折射率n₁与该包层的折射率n₂的关系为：n₁>n₂，(n₁ ²-n₂ ²)/(2×n₁ ²)≤2.5％；所述矩形纤芯的横截面形状的边长为1～12.4μm。

2.如权利要求1所述的一种矩形纤芯结构光纤，其特征在于，所述矩形纤芯的折射率为阶跃折射率分布或渐变折射率分布。

3.如权利要求1所述的一种矩形纤芯结构光纤，其特征在于，所述矩形纤芯的横截面形状为长方形或正方形。

4.如权利要求1所述的一种矩形纤芯结构光纤，其特征在于，所述矩形纤芯采用掺杂有二氧化锗、二氧化钛、五氧化二磷中的一种的二氧化硅材料，所述包层采用纯二氧化硅材料。

5.如权利要求1所述的一种矩形纤芯结构光纤，其特征在于，所述矩形纤芯采用纯二氧化硅材料或掺杂有碱金属离子的二氧化硅材料，所述包层采用掺杂有氟化硅的二氧化硅材料。

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