CN110133848B - 等群速差少模光纤的设计方法及应用 - Google Patents

等群速差少模光纤的设计方法及应用 Download PDF

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Abstract

等群速差少模光纤的设计方法及应用，等群速差少模光纤的结构包括有由内向外依次设置的：掺杂二氧化锗的二氧化硅构成的纤芯、二氧化硅构成的内包层、掺杂氟化物的二氧化硅构成的沟壑层和二氧化硅构成的外包层。本发明是将等群速差少模光纤应用于微波光子滤波器中。本发明实现了相邻模式之间的群速度差相等，从而应用在微波光子滤波器中，实现了光信号的均匀时延。

Description

等群速差少模光纤的设计方法及应用
技术领域
本发明涉及一种光纤的设计方法。特别是涉及一种等群速差少模光纤的设计方法及应用。
背景技术
现有应用于长距离模分复用多输入多输出传输系统的少模光纤要求模式之间发生强耦合，从而要求模式之间的群时延尽可能小，而在芯包界面引入沟壑和空气孔，可以有效约束导模能量存在于纤芯中，因此带沟壑的渐变折射率光纤结构[1]和空气孔结构辅助型渐变折射率光纤结构[2]可以降低模式之间的群时延。同时，抛物线型的折射率分布也可实现光纤中各个模式的折射率等差分布，从而实现光纤相邻模式的相速度的差别几乎相同[3]。随着光纤通信的发展，微波光子学技术应运而生。基于少模光纤的微波光子滤波器[4]已被实现，利用偏移激发的方法产生不同模式，利用模式色散，在少模光纤中传输一段距离，就可实现不同模式之间的延迟。但是普通的少模光纤由于模式之间的群速度差不同，所以无法实现均匀的延时。参考文献
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现基于少模光纤的微波光子滤波器结构中相邻模式之间均匀延迟的等群速差少模光纤的设计方法及应用。
本发明所采用的技术方案是：一种等群速差少模光纤的设计方法，等群速差少模光纤的结构包括有由内向外依次设置的：掺杂二氧化锗的二氧化硅构成的纤芯、二氧化硅构成的内包层、掺杂氟化物的二氧化硅构成的沟壑层和二氧化硅构成的外包层，所述的纤芯的折射率分布为渐变型折射率分布，等群速差少模光纤结构参数是采用如下步骤获得：
1)根据归一化频率公式：
Figure BDA0002046482650000011
式中，RCO为纤芯半径，λ为波长，nCO为纤芯中心的折射率，nCL为内包层或外包层的折射率；在确定的波长下，已知纤芯中心掺杂二氧化锗的浓度m，即可确定纤芯中心折射率nCO和内包层或者外包层的折射率nCL，根据所需要设计的模群数，确定V值的取值范围，为降低光纤的非线性效应，因此取最大V值代入归一化频率公式，从而确定纤芯半径RCO；
2)在仿真软件COMSOL中扫描内包层的宽度RIC、沟壑层的宽度RTR、折射率分布常数α以及沟壑层的折射率差△nTR，从而得到不同模群的有效折射率neff；
3)利用群速度的公式：
Figure BDA0002046482650000021
式中，c为真空中的光速，λ为波长，neff为有效折射率，求出不同模群的群速度；
4)求出各相邻模群的群速度差，当所有群速度差都相等时，将步骤2)中所述的内包层的宽度RIC、沟壑层的宽度RTR、折射率分布常数α以及沟壑层的折射率差△nTR作为等群速差少模光纤的结构参数。
所述纤芯中心掺杂二氧化锗的浓度m为4.5％。
所述等群速差少模光纤的波长为1.5-1.6um。
三模群等群速差少模光纤结构参数为：
折射率分布常数α＝2.25～2.35；纤芯的半径RCO＝13.9～14.45μm；内包层的宽度RIC＝0.75～1.25um；沟壑层的宽度RTR＝0.75～1.25um；沟壑层的折射率差△nTR＝-0.0044～-0.0046；外包层的半径RCL＝62.25～62.75um。
四模群等群速差少模光纤结构参数为：
折射率分布常数α＝2.05～2.15；纤芯的半径RCO＝19.35～19.85μm；内包层的宽度RIC＝0.75～1.25um；沟壑层的宽度RTR＝2.75～3.25um；沟壑层的折射率差△nTR＝-0.00127～-0.00147；外包层的半径RCL＝62.25～62.75um。
一种等群速差少模光纤的应用，是将等群速差少模光纤应用于微波光子滤波器中，具体是将微波信号加载到光波上，通过模式转换器件将光波转换为不同模式的光，再通过等群速差少模光纤的模式色散，实现均匀延时，然后利用光电探测器接收，从而实现滤波。
本发明的等群速差少模光纤的设计方法及应用，实现了相邻模式之间的群速度差相等，从而应用在微波光子滤波器中，实现了光信号的均匀时延。
附图说明
图1是本发明等群速差少模光纤的横截面示意图；
图2是等群速差少模光纤的折射率分布示意图；
图3是模式LP01、LP11、LP21在不同波长下的群速度图；
图4是相邻模式在不同波长下的群速度差图。
图中
1：纤芯 2：内包层
3：沟壑层 4：外包层
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的等群速差少模光纤的设计方法做出详细说明。
本发明的等群速差少模光纤的设计方法，通过对带沟壑的抛物线型折射率分布的少模光纤结构进行设计，通过优化光纤结构参数，控制模式之间的群时延，从而实现等群速差少模光纤的设计。
本发明的等群速差少模光纤的设计方法，如图1所示，等群速差少模光纤的结构包括有由内向外依次设置的：掺杂二氧化锗的二氧化硅构成的纤芯1、二氧化硅构成的内包层2、掺杂氟化物的二氧化硅构成的沟壑层3和二氧化硅构成的外包层4，所述的纤芯1的折射率分布为渐变型折射率分布，所述纤芯1中心掺杂二氧化锗的浓度m为4.5％，等群速差少模光纤的波长范围为1.5-1.6um。等群速差少模光纤结构参数是采用如下步骤获得：
1)根据归一化频率公式：
Figure BDA0002046482650000031
式中，RCO为纤芯半径，λ为波长，nCO为纤芯中心的折射率，nCL为内包层或外包层的折射率；在确定的波长下，已知纤芯(1)中心掺杂二氧化锗的浓度m，即可确定纤芯中心折射率nCO和内包层或者外包层的折射率nCL，根据所需要设计的模群数，确定V值的取值范围，为降低光纤的非线性效应，因此取最大V值代入归一化频率公式，从而确定纤芯(1)半径RCO；
2)在仿真软件COMSOL中扫描内包层(2)的宽度RIC、沟壑层(3)的宽度RTR、折射率分布常数α以及沟壑层(3)的折射率差△nTR，从而得到不同模群的有效折射率neff；
3)利用群速度的公式：
Figure BDA0002046482650000032
式中，c为真空中的光速，λ为波长，neff为有效折射率，求出不同模群的群速度；
4)求出各相邻模群的群速度差，当所有群速度差都相等时，将步骤2)中所述的内包层2的宽度RIC、沟壑层3的宽度RTR、折射率分布常数α以及沟壑层3的折射率差△nTR作为等群速差少模光纤的结构参数。
本发明的三模群等群速差少模光纤结构参数为：
折射率分布常数α＝2.25～2.35；纤芯(1)的半径RCO＝13.9～14.45μm；内包层(2)的宽度RIC＝0.75～1.25um；沟壑层(3)的宽度RTR＝0.75～1.25um；沟壑层(3)的折射率差△nTR＝-0.0044～-0.0046；外包层(4)的半径RCL＝62.25～62.75um。
本发明的四模群等群速差少模光纤结构参数为：
折射率分布常数α＝2.05～2.15；纤芯(1)的半径RCO＝19.35～19.85μm；内包层(2)的宽度RIC＝0.75～1.25um；沟壑层(3)的宽度RTR＝2.75～3.25um；沟壑层(3)的折射率差△nTR＝-0.00127～-0.00147；外包层(4)的半径RCL＝62.25～62.75um。
图3给出了不同模式LP01、LP11、LP21在不同波长下的群速度。
如图4所示，在1.5-1.6um波段内，当等群速差少模光纤的结构参数为RCO＝14.2um，RIC＝1um，RTR＝1um，a＝2.3，△nTR＝-0.0045时，模式LP01与LP11的群速度差与模式LP11与LP21的群速度差在波长1550nm附近相交，即实现了等群速差少模光纤的设计。
本发明的等群速差少模光纤的应用，是将等群速差少模光纤应用于微波光子滤波器中。具体是将微波信号加载到光波上，通过模式转换器件将光波转换为不同模式的光，再通过等群速差少模光纤的模式色散，实现均匀延时，然后利用光电探测器接收，从而实现滤波。

Claims (6)

1.一种等群速差少模光纤的设计方法，等群速差少模光纤的结构包括有由内向外依次设置的：掺杂二氧化锗的二氧化硅构成的纤芯(1)、二氧化硅构成的内包层(2)、掺杂氟化物的二氧化硅构成的沟壑层(3)和二氧化硅构成的外包层(4)，其特征在于，所述的纤芯(1)的折射率分布为渐变型折射率分布，等群速差少模光纤结构参数是采用如下步骤获得：
1)根据归一化频率公式：
Figure FDA0002442086450000011
式中，RCO为纤芯半径，λ为波长，nCO为纤芯中心的折射率，nCL为内包层或外包层的折射率；在确定的波长下，已知纤芯(1)中心掺杂二氧化锗的浓度m，即可确定纤芯中心折射率nCO和内包层或者外包层的折射率nCL，根据所需要设计的模群数，确定V值的取值范围，为降低光纤的非线性效应，因此取最大V值代入归一化频率公式，从而确定纤芯(1)半径RCO；
2)在仿真软件COMSOL中扫描内包层(2)的宽度RIC、沟壑层(3)的宽度RTR、折射率分布常数α以及沟壑层(3)的折射率差△nTR，从而得到不同模群的有效折射率neff；
3)利用群速度的公式：
Figure FDA0002442086450000012
式中，vg为光纤中对应模式的群速度，c为真空中的光速，λ为波长，neff为有效折射率，
Figure FDA0002442086450000013
为有效折射率对波长的导数，求出不同模群的群速度；
4)求出各相邻模群的群速度差，当所有群速度差都相等时，将步骤2)中所述的内包层(2)的宽度RIC、沟壑层(3)的宽度RTR、折射率分布常数α以及沟壑层(3)的折射率差△nTR作为等群速差少模光纤的结构参数。
2.根据权利要求1所述的等群速差少模光纤的设计方法，其特征在于，所述纤芯(1)中心掺杂二氧化锗的浓度m为4.5％。
3.根据权利要求1所述的等群速差少模光纤的设计方法，其特征在于，所述等群速差少模光纤的波长为1.5-1.6um。
4.根据权利要求1所述的等群速差少模光纤的设计方法，其特征在于，三模群等群速差少模光纤结构参数为：
折射率分布常数α＝2.25～2.35；纤芯(1)的半径RCO＝13.9～14.45μm；内包层(2)的宽度RIC＝0.75～1.25um；沟壑层(3)的宽度RTR＝0.75～1.25um；沟壑层(3)的折射率差△nTR＝-0.0044～-0.0046；外包层(4)的半径RCL＝62.25～62.75um。
5.根据权利要求1所述的等群速差少模光纤的设计方法，其特征在于，四模群等群速差少模光纤结构参数为：
折射率分布常数α＝2.05～2.15；纤芯(1)的半径RCO＝19.35～19.85μm；内包层(2)的宽度RIC＝0.75～1.25um；沟壑层(3)的宽度RTR＝2.75～3.25um；沟壑层(3)的折射率差△nTR＝-0.00127～-0.00147；外包层(4)的半径RCL＝62.25～62.75um。
6.一种权利要求1所述的等群速差少模光纤的应用，其特征在于，是将等群速差少模光纤应用于微波光子滤波器中，具体是将微波信号加载到光波上，通过模式转换器件将光波转换为不同模式的光，再通过等群速差少模光纤的模式色散，实现均匀延时，然后利用光电探测器接收，从而实现滤波。
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