CN109683234A - 一种弱模间耦合少模光纤 - Google Patents

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孙建彬
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Abstract

本发明涉及一种弱模间耦合少模光纤，属于光纤通信领域。其特征在于：包括低折射率中芯(Ⅰ)、围绕在低折射率中芯(Ⅰ)周围的高折射率环(Ⅱ)，覆盖低折射率中芯(Ⅰ)和高折射率环(Ⅱ)的纤芯(Ⅲ)，以及覆盖低折射率中芯(I)、高折射率环(Ⅱ)和纤芯(Ⅲ)的包层(Ⅳ)。通过采用低折射率中芯(Ⅰ)与高折射率环(Ⅱ)相结合的方式，改变特定模式的折射率，从而增大总体模式有效折射率差。其优势在于可以在保持传输模式数量的同时降低模式之间的耦合，并有效缓解嵌入单一结时构造成的模式截止和高阶模式弯曲损耗增大的情况。本发明可广泛应用于短距离超大容量光传输系统，具有广阔的应用前景。

Description

一种弱模间耦合少模光纤
技术领域
本发明涉及一种弱模间耦合少模光纤，属于光纤通信领域。
背景技术
近年来，随着光纤通信系统及光网络的高速发展，普通单模光纤逐渐无法满足传输容量的需求。以模分复用技术为主导的下一代光传输系统以其多信道和大容量传输的优良特性被广泛而深入地研究。作为模分复用技术的主要实现形式，少模光纤能够在同一纤芯中传输多个模式，极大地增加了单芯光纤的传输容量，更好地克服单模光纤传输容量的限制，具有十分广阔的应用前景。
在大多数少模光纤传输系统中，多输入-多输出(MIMO)技术用于补偿相邻模式之间的串扰而被广泛使用。随着传输模式的增加，模式之间的差分模式延迟(DMD)也随之增加，MIMO设备的复杂程度急剧上升。一种可行的方法是设计低DMD的渐变折射率少模光纤来缓解对于MIMO设备设计的复杂度。但是这种渐变折射率少模光纤折射率剖面的设计需要十分精确，并且其制作过程复杂，生产难度大。因此，设计一种具有弱模间耦合的阶跃折射率少模光纤可以极大地降低模式之间的串扰，从而大幅度地地降低系统对于MIMO设备的依赖程度。弱模间耦合少模光纤在模分复用少模光传输系统中发挥极其着重要的作用，尤其是其能够满足数据中心以及超级计算机光网络这种超大容量，短距离传输的系统需求。
弱模间耦合少模光纤有两个重要参数：一个是传输模式的数量，其代表着光纤的传输容量；另外一个是相邻模式之间的最小有效折射率差(△neff)，足够大的有效折射率差(△neff≥1*10-3)可以有效降低模间耦合，从而降低系统对MIMO设备的依赖程度。近年来，研究者们设计了多种弱模间耦合少模光纤。一种高折射率环状芯弱耦合少模光纤设计方案，其采用纤芯中嵌入高折射率环的方式，增加特定模式(LP21)的有效折射率，从而增加光纤总体的有效折射率差。然而，这种较高折射率环的引入使得纤芯中支持的传输模式大大减少，以牺牲少模光纤的传输模式的方式换来模间串扰的降低，并且这种设计方案还会导致纤芯折射率的提升，进而增加了少模光纤的实际制作难度。另外一种中心区域为低折射率的少模光纤设计方案随后被提出，其采用降低纤芯中心部分折射率的方式，降低特定模式(LP02)的有效折射率，从而增加光纤的有效折射率差。但是这种设计方案为了满足弱耦合少模光纤最低有效折射率差的要求，通常需要大范围地降低纤芯部分的折射率，造成纤芯对于高阶模式能量的限制减弱，从而导致高阶模式弯曲损耗的增加，并且更容易截止。
发明内容
本发明所要解决的技术问题主要是针对降低弱耦合少模光纤中模式串扰这一问题所提出的。
本发明的技术方案：
一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：包括低折射率中芯Ⅰ、围绕在低折射率中芯Ⅰ周围的高折射率环Ⅱ，覆盖低折射率中芯Ⅰ和高折射率环Ⅱ的纤芯Ⅲ，以及覆盖低折射率中芯I、高折射率环Ⅱ和纤芯Ⅲ的包层Ⅳ。
进一步，所述低折射率中芯Ⅰ具有与包层Ⅳ相同的折射率。包层折射率设定为1.444。
进一步，所述低折射率中芯Ⅰ具有较小半径，且位于纤芯Ⅲ中心位置，降低特定模式(LP02)的有效折射率。低折射率中芯Ⅰ的半径与纤芯Ⅲ的半径比值应在0.11至0.125之间。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ位于纤芯Ⅲ的中间位置，增大特定模式(LP21)的有效折射率。高折射率环Ⅱ所在位置与纤芯Ⅲ的半径比值应在0.57至0.67之间。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ具有较小半径，减小对其他模式的影响。其半径大小应在0.75um至1um之间。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ具有与纤芯Ⅲ较小的折射率差△a，避免造成传输模式的减少。△a的值应在0.1％至0.11％之间。
进一步，所述覆盖低折射率中芯Ⅰ和高折射率环Ⅱ的纤芯Ⅲ的半径为7.5um，且与包层Ⅳ的折射率差△的值为0.9％，保证传输模式的数量。
进一步，所述覆盖低折射率中芯I、高折射率环Ⅱ和纤芯Ⅲ的包层Ⅳ的半径应在62.5um至75um之间。
本发明的有益效果具体如下：
本发明采用了低折射率中芯与高折射率环相结合的设计方案，通过在特定区域嵌入低折射率中芯与高折射率环，改变特定模式的折射率，从而增大总体模式有效折射率差，进而降低模间串扰，实现弱模间耦合的特性。通过这种结构设计，可以在不降低传输模式数量的同时增大模式之间的有效折射率差。同时有效缓解了嵌入单一结构时造成的模式截止和高阶模式弯曲损耗增大的情况。该发明可广泛应用于短距离超大容量光传输系统，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1为一种弱模间耦合少模光纤横截面示意图。
图2为一种弱模间耦合少模光纤折射率剖面示意图。
图1中的标记如下：I、低折射率中芯；Ⅱ、高折射率环；Ⅲ、纤芯；Ⅳ、包层。
图2中的标记如下：△、纤芯与包层的折射率差；△a、高折射率环与纤芯之间的折射率差。
具体实施方式
下面结合附图1与附图2对一种弱模间耦合少模光纤作进一步描述。
实施例一
一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：包括低折射率中芯Ⅰ、围绕在低折射率中芯Ⅰ周围的高折射率环Ⅱ，覆盖低折射率中芯Ⅰ和高折射率环Ⅱ的纤芯Ⅲ，以及覆盖低折射率中芯I、高折射率环Ⅱ和纤芯Ⅲ的包层Ⅳ。
进一步，所述低折射率中芯Ⅰ具有与包层Ⅳ相同的折射率。包层折射率设定为1.444。
进一步，所述低折射率中芯Ⅰ具有较小半径，且位于纤芯Ⅲ中心位置，降低特定模式(LP02)的有效折射率。低折射率中芯Ⅰ的半径与纤芯Ⅲ的半径比值为0.11。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ位于纤芯Ⅲ的中间位置，增大特定模式(LP21)的有效折射率。高折射率环Ⅱ所在位置与纤芯Ⅲ的半径比值为0.57。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ具有较小半径，减小对其他模式的影响。其半径为0.75um。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ具有与纤芯Ⅲ较小的折射率差△a，避免造成传输模式的减少。△a的值为0.1％。
进一步，所述覆盖低折射率中芯Ⅰ和高折射率环Ⅱ的纤芯Ⅲ的半径为7.5um，且与包层Ⅳ的折射率差△的值为0.9％，保证传输模式的数量。
进一步，所述覆盖低折射率中芯I、高折射率环Ⅱ和纤芯Ⅲ的包层Ⅳ的半径为62.5um。
实施例二
一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：包括低折射率中芯Ⅰ、围绕在低折射率中芯Ⅰ周围的高折射率环Ⅱ，覆盖低折射率中芯Ⅰ和高折射率环Ⅱ的纤芯Ⅲ，以及覆盖低折射率中芯I、高折射率环Ⅱ和纤芯Ⅲ的包层Ⅳ。
进一步，所述低折射率中芯Ⅰ具有与包层Ⅳ相同的折射率。包层折射率设定为1.444。
进一步，所述低折射率中芯Ⅰ具有较小半径，且位于纤芯Ⅲ中心位置，降低特定模式(LP02)的有效折射率。低折射率中芯Ⅰ的半径与纤芯Ⅲ的半径比值为0.12。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ位于纤芯Ⅲ的中间位置，增大特定模式(LP21)的有效折射率。高折射率环Ⅱ所在位置与纤芯Ⅲ的半径比值为0.6。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ具有较小半径，减小对其他模式的影响。其半径大小应为0.8um。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ具有与纤芯Ⅲ较小的折射率差△a，避免造成传输模式的减少。△a的值为0.1％。
进一步，所述覆盖低折射率中芯Ⅰ和高折射率环Ⅱ的纤芯Ⅲ的半径为7.5um，且与包层Ⅳ的折射率差△的值为0.9％，保证传输模式的数量。
进一步，所述覆盖低折射率中芯I、高折射率环Ⅱ和纤芯Ⅲ的包层Ⅳ的半径为62.5um。
实施例三
一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：包括低折射率中芯Ⅰ、围绕在低折射率中芯Ⅰ周围的高折射率环Ⅱ，覆盖低折射率中芯Ⅰ和高折射率环Ⅱ的纤芯Ⅲ，以及覆盖低折射率中芯I、高折射率环Ⅱ和纤芯Ⅲ的包层Ⅳ。
进一步，所述低折射率中芯Ⅰ具有与包层Ⅳ相同的折射率。包层折射率设定为1.444。
进一步，所述低折射率中芯Ⅰ具有较小半径，且位于纤芯Ⅲ中心位置，降低特定模式(LP02)的有效折射率。低折射率中芯Ⅰ的半径与纤芯Ⅲ的半径比值为0.125。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ位于纤芯Ⅲ的中间位置，增大特定模式(LP21)的有效折射率。高折射率环Ⅱ所在位置与纤芯Ⅲ的半径比值为0.62。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ具有较小半径，减小对其他模式的影响。其半径大小为0.8um。
进一步，所述围绕在低折射率中芯I周围的高折射率环Ⅱ具有与纤芯Ⅲ较小的折射率差△a，避免造成传输模式的减少。△a的值为0.11％。
进一步，所述覆盖低折射率中芯Ⅰ和高折射率环Ⅱ的纤芯Ⅲ的半径为7.5um，且与包层Ⅳ的折射率差△的值为0.9％，保证传输模式的数量。
进一步，所述覆盖低折射率中芯I、高折射率环Ⅱ和纤芯Ⅲ的包层Ⅳ的半径为75um。

Claims (8)

1.一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：包括低折射率中芯(Ⅰ)、围绕在低折射率中芯(Ⅰ)周围的高折射率环(Ⅱ)，覆盖低折射率中芯(Ⅰ)和高折射率环(Ⅱ)的纤芯(Ⅲ)，以及覆盖低折射率中芯(I)、高折射率环(Ⅱ)和纤芯(Ⅲ)的包层(Ⅳ)。
2.根据权利要求1所述的一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：所述低折射率中芯(Ⅰ)具有与包层(Ⅳ)相同的折射率。包层折射率设定为1.444。
3.根据权利要求1所述的一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：所述低折射率中芯(Ⅰ)具有较小半径，且位于纤芯(Ⅲ)中心位置，降低特定模式(LP02)的有效折射率。低折射率中芯(Ⅰ)的半径与纤芯(Ⅲ)的半径比值应在0.11至0.125之间。
4.根据权利要求1所述的一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：所述围绕在低折射率中芯(I)周围的高折射率环(Ⅱ)位于纤芯(Ⅲ)的中间位置，增大特定模式(LP21)的有效折射率。高折射率环(Ⅱ)所在位置与纤芯(Ⅲ)的半径比值应在0.57至0.67之间。
5.根据权利要求1所述的一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：所述围绕在低折射率中芯(I)周围的高折射率环(Ⅱ)具有较小半径，减小对其他模式的影响。其半径大小应在0.75um至1um之间。
6.根据权利要求1所述的一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：所述围绕在低折射率中芯(I)周围的高折射率环(Ⅱ)具有与纤芯(Ⅲ)较小的折射率差(△a)，避免造成传输模式的减少。△a的值应在0.1％至0.11％之间。
7.根据权利要求1所述的一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：所述覆盖低折射率中芯(Ⅰ)和高折射率环(Ⅱ)的纤芯(Ⅲ)的半径为7.5um，且与包层(Ⅳ)的折射率差△的值为0.9％，保证传输模式的数量。
8.根据权利要求1所述的一种弱模间耦合少模光纤，其特征在于：所述覆盖低折射率中芯(I)、高折射率环(Ⅱ)和纤芯(Ⅲ)的包层(Ⅳ)的半径应在62.5um至75um之间。
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