CN109870763A

CN109870763A - 一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤

Info

Publication number: CN109870763A
Application number: CN201910190868.5A
Authority: CN
Inventors: 王健; 陈诗
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109870763B

Abstract

本发明公开了一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤，包括在水平和垂直方向上不对称的双折射纤芯、由圆形空气孔呈六角形阵列排列构成的内包层和纯二氧化硅构成的外包层；光纤支持大于10个本征模式，且任意两个相邻模式间有效折射率差均大于1×10^‑4甚至1×10^‑3，即所有模式完全分离，从而实现光纤多通道本征模式复用通信。本发明直接基于光纤本征模进行模分复用传输，所支持的本征模完全分离和退简并，可实现无需MIMO‑DSP技术的多通道光纤本征模稳定传输，本发明提供的光子晶体多模光纤完全由纯二氧化硅基质和空气孔点阵组成，基于现有光子晶体光纤制作工艺，便于实际拉制实现。

Description

一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤

技术领域

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤。

背景技术

提升光通信容量的关键技术主要包括各种信号复用技术以及信号先进高级调制技术。例如，信号复用技术包括波分复用、时分复用、偏振复用、正交频分复用、空分复用等；信号先进高级调制技术包括m阶相移键控(m-PSK)、m阶正交幅度调制(m-QAM)等。其中，空分复用利用空间维度增加空间中并行信道个数来有效提升传输系统的通信容量，仍具有非常广泛的开发空间且资源极其丰富。空分复用技术主要分为两种，一种是基于多芯光纤的多芯复用技术，另一种是基于少模光纤的模分复用技术。其中，光纤模分复用技术所采用的模式基主要为线偏(LP)模式和轨道角动量(OAM)模式，这些模式都是二重或四重简并的，在接收端需要辅助以多进多出数字信号处理(MIMO-DSP)技术来缓解模式串扰的影响，这增加了光通信系统的复杂度和成本，且MIMO-DSP的复杂度会随着通道数目的增多而急剧增加，这严重制约了多通道模分复用技术的发展。事实上，光纤本征模也是一组相互正交的空间模式基，而LP模式和OAM模式本质上都是由光纤本征模线性叠加而成，因此，我们可以直接基于光纤本征模进行模分复用传输。另一方面，当光纤发生弯曲、形变等扰动时，由本征模线性叠加而成的LP模式和OAM模式容易产生模式走离和相互耦合串扰，相比之下，直接基于光纤本征模的复用通信具有潜在优势。理论及实验表明，当光纤中支持的相邻模式间有效折射率差大于1×10^-4时足够维持模式的保偏特性，但对于多通道模式短距离(小于10km)无串扰稳定传输，模式有效折射率差至少需要大于1×10^-3。在此背景下，为了实现无需MIMO-DSP技术的多通道光纤本征模复用通信，我们需要设计一种本征模完全分离的退简并光纤(亦称保偏光纤)，其特征在于支持多个通道光纤本征模式，且所有光纤本征模式之间的有效折射率差均大于1×10^-4甚至1×10^-3，即实现所有本征模完全分离和退简并。而目前相关领域中的保偏光纤大多为单模光纤，不能支持多通道光纤本征模式复用传输，系统的通信容量较小。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤，用于直接基于光纤本征模复用的模分复用传输领域，旨在解决现有光纤多通道模分复用传输需辅以MIMO-DSP缓解模式串扰的问题。

本发明提供的一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤，包括在水平和垂直方向上不对称的双折射纤芯、由圆形空气孔呈六角形阵列排列构成的内包层和纯二氧化硅外包层三部分。所述光纤支持大于10个本征模式，且任意两个相邻模式间有效折射率差均大于1×10^-4甚至1×10^-3，即所有模式完全分离，从而实现光纤多通道本征模式无串扰稳定传输。

进一步地，所述双折射纤芯采用沿x轴方向对称放置的2N₁个小圆形空气孔，所述小圆形空气孔半径为r₂，所述构成内包层的圆形空气孔半径为r₁，其中，0.5μm≤r₂<r₁≤3μm，1≤N₁≤5。

进一步地，所述双折射纤芯为沿x轴方向的2N₂+1个实芯结构，所述构成内包层的圆形空气孔半径为r₃，其中，0.5μm≤r₃≤3μm，1≤N₂≤4。

进一步地，所述双折射纤芯采用沿x轴方向对称放置的2N₃个椭圆形空气孔，所述椭圆形空气孔的长、短半轴分别为r₄和r₅，所述构成内包层的圆形空气孔半径为r₆，其中，0.3μm≤r₅<r₄≤r₆≤3μm，1≤N₃≤5。

进一步地，所述两个相邻空气孔中心间距为Λ，其中，1μm≤Λ≤7μm。

进一步地，所述构成内包层的圆形空气孔层数为N₄，其中，4≤N₄≤8。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、相比于传统圆对称结构光纤模分复用技术使用的LP模式或OAM模式，本发明直接基于光纤本征模进行模分复用传输，为模式复用通信提供一种新的方案；

2、传统圆对称结构光纤多通道LP模式或OAM模式模分复用传输需辅以MIMO-DSP缓解模式串扰，而本发明光纤所支持的本征模完全分离和退简并，可实现无需MIMO-DSP技术的多通道光纤本征模稳定传输；

3、目前相关领域中的保偏光纤大多为单模光纤，不能支持多通道光纤本征模式复用传输，系统的通信容量较小，而本发明光纤支持多个通道本征模式，且所有光纤本征模式之间的有效折射率差均大于1×10^-4甚至1×10^-3，即所有模式完全分离，从而实现光纤多通道本征模式复用通信；

4、本发明提供的本征模完全分离的光子晶体多模光纤完全由纯二氧化硅基质和空气孔点阵组成，基于现有光子晶体光纤制作工艺，便于实际拉制实现。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光子晶体多模光纤结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的光子晶体多模光纤结构示意图；

图3是本发明又一实施例提供的光子晶体多模光纤结构示意图；

图4是本发明又一实施例提供的光子晶体多模光纤结构示意图；

图5是本发明实施例提供的光子晶体多模光纤支持的本征模式数目与波长的关系示意图；

图6是本发明实施例提供的光子晶体多模光纤相邻本征模式间最小有效折射率差与波长的关系示意图；

图7是本发明实施例提供的光子晶体多模光纤在1530nm、1550nm、1625nm三个波长下每两个相邻本征模式间有效折射率差示意图；

图8是本发明另一实施例提供的的光子晶体多模光纤支持的本征模式数目与波长的关系示意图；

图9是本发明另一实施例提供的光子晶体多模光纤相邻本征模式间最小有效折射率差与波长的关系示意图；

图10是本发明另一实施例提供的光子晶体多模光纤在1530nm、1550nm、1625nm三个波长下每两个相邻本征模式间有效折射率差示意图；

附图标注说明：

1、双折射纤芯，2、内包层，3、外包层。

具体实施方式

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，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-图4所示，本发明提供的一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤由双折射纤芯1、由圆形空气孔呈六角形阵列排列构成的内包层2和纯二氧化硅构成的外包层3三部分组成。进一步地，所述构成内包层的圆形空气孔层数为N₃，其中，4≤N₃≤8，本发明以N₃＝6为例。

具体来说，如图1所示，双折射纤芯1采用沿x轴方向对称放置的两个小圆形空气孔，所述小圆形空气孔半径为r₂，所述构成内包层2的圆形空气孔半径为r₁，所述两个相邻空气孔中心间距为Λ，其中，0.5μm≤r₂<r₁≤3μm，1μm≤Λ≤7μm。

进一步地，双折射纤芯1可以采用沿x轴方向对称放置的2N₁个小圆形空气孔，其中，1≤N₁≤5。N₁＝1时光纤结构对应图1；N₁＝2时光纤结构对应图2。

如图3所示，双折射纤芯1采用沿x轴方向的三个实芯结构，所述构成内包层2的圆形空气孔半径为r₃，所述两个相邻空气孔中心间距为Λ，其中，0.5μm≤r₃≤3μm，1μm≤Λ≤7μm。进一步地，双折射纤芯1可以以二氧化硅代替沿x轴方向对称放置的2N₂+1个小圆形空气孔，其中，1≤N₂≤4。N₂＝1时光纤结构对应图3。

如图4所示，双折射纤芯1采用沿x轴方向对称放置的两个椭圆形空气孔，所述椭圆形空气孔的长、短半轴分别为r₄和r₅，所述构成内包层2的圆形空气孔半径为r₆，所述两个相邻空气孔中心间距为Λ，其中，0.3μm≤r₅<r₄≤r₆≤3μm，1μm≤Λ≤7μm。进一步地，双折射纤芯1可以采用沿x轴方向对称放置的2×N₃个椭圆形空气孔，其中，1≤N₃≤5。N₃＝1时光纤结构对应图4。

对于本发明用到的一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤，其光纤结构如图1所示，其中，小圆形空气孔半径r₂＝0.96μm，构成内包层的圆形空气孔半径r₁＝2.4μm，两个相邻空气孔中心间距Λ＝5.363μm，对应占空比2r₁/Λ＝0.895。仿真波长为1550nm时，该光纤共支持52个本征模式，且任意两个相邻模式间有效折射率差均大于1.48×10^-4，即所有模式完全分离。图5为该光纤支持的本征模式数目在C+L波段(1530nm-1625nm)变化曲线。第52个本征模式在波长大于1622nm时趋于截止。图6为该光纤相邻模式间最小有效折射率差随波长变化曲线。可以看到，在整个C+L波段相邻模式间有效折射率差均大于1.37×10^-4，即可以实现至少51个模式完全分离。图7详细给出了该光纤在1530nm、1550nm、1625nm三个波长下每两个相邻本征模式间有效折射率差。该光纤一方面可以实现无需MIMO-DSP技术的多通道光纤本征模复用通信，另一方面由于C+L波段宽带特性可以与波分复用技术相结合以更有效提高光通信容量。

对于本发明用到的另一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤，其光纤结构亦如图1所示，其中，小圆形空气孔半径r₂＝0.605μm，构成内包层的圆形空气孔半径r₁＝1.1μm，两个相邻空气孔中心间距Λ＝2.431μm，对应占空比2r₁/Λ＝0.905。仿真波长为1550nm时，该光纤共支持24个本征模式，且任意两个相邻模式间有效折射率差均大于1.39×10^-3，即所有模式完全分离，从而实现光纤多通道本征模式无串扰短距离(<10km)稳定传输。图8为该光纤支持的本征模式数目在C+L波段变化曲线。在波长小于1541nm和1535nm时，该光纤额外支持第25和第26个本征模式。图9为该光纤相邻模式间最小有效折射率差随波长变化曲线。可以看到，在整个C+L波段相邻模式间有效折射率差均大于1.10×10^-3，即可以实现至少24个模式完全分离。图10详细给出了该光纤在1530nm、1550nm、1625nm三个波长下每两个相邻本征模式间有效折射率差。

对于本发明用到的又一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤，其光纤结构如图3所示，其中，构成内包层的圆形空气孔半径r₃＝1.6μm，两个相邻空气孔中心间距Λ＝3.810μm，对应占空比2r₃/Λ＝0.84。仿真波长为1550nm时，该光纤共支持27个本征模式，且任意两个相邻模式间有效折射率差均大于1.45×10^-4，即所有模式完全分离。

对于本发明用到的又一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤，其光纤结构亦如图3所示，其中，构成内包层的圆形空气孔半径r₃＝1.0μm，两个相邻空气孔中心间距Λ＝2.083μm，对应占空比2r₃/Λ＝0.96。仿真波长为1550nm时，该光纤共支持15个本征模式，且任意两个相邻模式间有效折射率差均大于1.57×10^-3，从而实现光纤多通道本征模式无串扰短距离(<10km)稳定传输。

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，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种本征模完全分离的光子晶体多模光纤，其特征在于，包括在水平和垂直方向上不对称的双折射纤芯、由圆形空气孔呈六角形阵列排列构成的内包层和纯二氧化硅构成的外包层；所述光纤支持大于10个本征模式，且任意两个相邻模式间的有效折射率差均大于1×10^-4。

2.根据权利要求1所述的光子晶体多模光纤，其特征在于，所述光纤支持大于10个本征模式，且任意两个相邻模式间的有效折射率差均大于1×10^-3。

3.根据权利要求1-2所述的光子晶体多模光纤，其特征在于，所述双折射纤芯采用沿x轴方向对称放置的2N₁个小圆形空气孔，所述小圆形空气孔半径为r₂，所述构成内包层的圆形空气孔半径为r₁，其中，0.5μm≤r₂<r₁≤3μm，1≤N₁≤5。

4.根据权利要求1-2所述的光子晶体多模光纤，其特征在于，所述双折射纤芯为沿x轴方向的2N₂+1个实芯结构，所述构成内包层的圆形空气孔半径为r₃，其中，0.5μm≤r₃≤3μm，1≤N₂≤4。

5.根据权利要求1-2所述的光子晶体多模光纤，其特征在于，所述双折射纤芯采用沿x轴方向对称放置的2N₃个椭圆形空气孔，所述椭圆形空气孔的长、短半轴分别为r₄和r₅，所述构成内包层的圆形空气孔半径为r₆，其中，0.3μm≤r₅<r₄≤r₆≤3μm，1≤N₃≤5。

6.根据权利要求1-5所述的光子晶体多模光纤，其特征在于，所述两个相邻空气孔中心间距为Λ，其中，1μm≤Λ≤7μm。

7.根据权利要求1-5所述的光子晶体多模光纤，其特征在于，所述构成内包层的圆形空气孔层数为N₄，其中，4≤N₄≤8。