CN110333572B - 一种低衰减渐变型轨道角动量光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低衰减渐变型轨道角动量光纤，包括有芯层和包层，芯层半径R1为3.5～5.5μm，Δ1为‑0.08％～0.08％，芯层外包覆环形芯层、下陷包层和外包层，环形芯层呈渐变形，且顶部呈渐变下凹状，从内向外依次分为内环层、下凹层和外环层三部分，内环层的半径R2为4.5～6.5μm，Δ2为0.7％～1％，下凹层半径R3为8～13μm，Δ3为0.6％～0.9％，外环层的半径R4为9～15μm，Δ4为0.7％～1％，下陷包层半径R5为11～16μm，Δ5为‑0.6％～‑0.3％，上述相对折射率差为光纤各层与外包层的相对折射率差，外包层为相对纯二氧化硅层为负折射率的外包层。本发明不仅能支持四个模式组的长距离信号传输，衰减低，而且光纤的串扰、各模式的宏弯和微弯损耗等综合性能好。

Description

一种低衰减渐变型轨道角动量光纤

技术领域

本发明涉及一种用于光纤通信系统的空分复用传输光纤，具体涉及一种低衰减渐变型轨道角动量(OAM)光纤。

背景技术

近年来，随着云计算、大数据、移动互联网的兴起，具有高效服务器间协同以及数据处理能力的数据中心，成为了明显的信息总量和信息密度增长热点，从而对数据中心互连通信速率的提升提出迫切要求。由于数据中心互连通信呈现出设备数量众多、布线复杂、接口密度大等特点，仅仅依靠提高器件调制带宽，增加光纤链路或者具有不同稳定波长输出光源的数量，势必会增加系统运行或维护的成本、功耗、复杂度等，因此，采用新的调制/复用方式增加有限带宽情况下单光纤/波长的传输速率，被看作是提升数据中心互连速率的有效解决方案。

表1.下一代数据中心互连通信相关标准或要求

表1给出了面向下一代数据中心互连通信的以太网相关标准。可以看出下一代通信标准对单纤单波长速率提出了越来越严苛的要求。而实际光纤系统中，受限于系统信噪比，以及光纤非线性等因素，高阶调制及偏振复用技术扩容能力仍然有限，对满足下一代数据中心互连通信，如800GE，1TE，甚至是1.6TE，仍然具有较大的挑战。而基于多芯光纤或者多模光纤的空分复用(SDM)技术，因光纤的模式、空间维度上具有较大的扩展潜力，且可以高阶调制格式和偏振复用技术兼容，因此可以大幅提升单光纤/波长的通信容量。此外，根据斯坦福大学的Miller和Kahn基于香农定理提出的一个新的理念，对于功耗要求较高的通信系统，应尽可能采用更多的空间信道，而相对减少每个空间信道的通信容量。因此，采用多空间信道的SDM技术，在不增加光纤链路数量的基础上，理论上单位功耗可以实现更高的传输容量，更加适用于对功耗要求较高的数据中心互连通信，进一步提升了其应用潜力。

空分复用和模分复用技术可以打破传统的香农极限，实现更高带宽的传输，是解决传输容量问题的最好方法。支持此复用技术的光纤即多芯光纤和少模光纤。实验表明，使用少模光纤结合MIMO技术能够在一个以上的空间传播模式下传输信号。并且MIMO技术能够补偿模式间的相互耦合，在接收端将各个空间模式分离开来。美国专利US8948559、US8848285、US8837892、US8705922以及中国专利CN104067152、CN103946729等提出了抛物线型或阶跃型剖面的少模光纤，但它们各自存在优缺点。具有阶跃型剖面的少模光纤制造工艺简单，易于实现大批量生产，但其通常具有较大的DGD，甚至高达几千ps/km。抛物线型剖面的少模光纤有更多的可调节参数从而使得模间串扰和DGD均达到很低的水平，但其制备工艺复杂，alpha参数难以精确均匀地控制，可重复性不高。且折射率剖面沿预制棒轴向上的微小波动就能造成光纤不同段长处DGD的明显变化。

近几年来，基于环形纤芯光纤(RCF，以下简称环芯光纤)的MDM系统逐渐兴起。径向一阶限制的RCF可以消除径向高阶模式对某些角向高阶模式的串扰影响(如LP12对LP31模式等的串扰影响等)且不同于普通的MMF，其高阶模式往往具有更低的模间串扰；RCF的径向限制更有利于OAM模式的稳定传输；此外，RCF光纤并没有打破光纤波导的圆对称特性，相对于椭圆光纤等保偏MMF对拉制工艺要求较低，因而具有更高的实际应用价值。

尽管RCF具有以上优点，但相对于普通的MMF/FMF,RCF仍然具有相对较大的光纤衰减及模式间串扰。这主要是因为RCF的环状纤芯分布，使得芯层与包层的交界面由普通光纤的一个增加至为两个。这样一来，实际拉制、铺设中纤芯包层界面缺陷，对模式之间的耦合影响更为明显，导致串扰和光纤衰减的增大。中国专利CN108680990A报道了一种环形芯的轨道角动量光纤，但其衰耗大于1dB/km，只能用于短距离传输。中国专利CN106338793A报道了一种RCF光纤可以抑制某些容易耦合的高阶模式，但其衰减为0.31dB/km，仍然与低损耗FMF存在一定差距。

对于石英光纤在600nm-1600nm的衰减主要来自于瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰减α_R可由下式计算：

式中，λ为波长(μm)，R为瑞利散射系数(dB/km/μm⁴)，P为光强。当瑞利散射系数确认时，B为相应的常数。因而只要确定了瑞利散射系数R就可以得到因瑞利散射所引起的衰减α_R(dB/km)。瑞利散射一方面是由于密度波动引起的，另一方面是由浓度波动引起的。因而瑞利散射系数R可以表示为

R＝R_d+R_c

上式中，R_d和R_c分别表示由于密度波动和浓度波动所引起的瑞利散射系数变化。其中R_c为浓度波动因子，其主要受到到光纤玻璃部分掺杂浓度的影响，理论上采用越少的Ge和F或者其他掺杂，R_c越小，这也是目前国外某些企业在单模光纤中采用纯硅芯设计，实现低衰减性能的原因。

而参数R_d由玻璃的虚拟温度有关，在光纤使用纯硅芯设计时，为保证光纤的全反射，必须使用相对较低折射率的F掺杂内包层进行匹配。这样纯硅芯的芯层部分粘度相对较高，而同时大量F掺杂的内包层粘度较低，将造成光纤结构粘度匹配失衡，从而使光纤的虚拟温度迅速增加，造成光纤的R_d增加。这样不仅抵消了掺杂降低带来的好处，更可能造成光纤衰减反向异常。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义如下术语：

相对折射率差Δn_i为光纤各层(除外包层外)与外包层的相对折射率差。

从光纤纤芯中轴线算起，根据折射率的变化，定义为最靠近中轴线的那层为纤芯层，光纤的最外层为光纤外包层。

光纤各层相对折射率差Δn_i由以下方程式定义：

其中，n_i为光纤各层(除包层外)的折射率，n_c为外包层折射率。

光纤芯层Ge掺杂的相对折射率差贡献量ΔGe由以下方程式定义：

其中，n_Ge为纤芯的Ge掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起的二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中n_c为纯二氧化硅的折射率。

光纤芯层F掺杂的相对折射率差贡献量ΔF由以下方程式定义：

其中，n_F为纤芯的F掺杂物，在掺杂到没有其他掺杂物的纯二氧化硅中，引起的二氧化硅玻璃折射率的变化量，其中n_c为纯二氧化硅的折射率。

光纤各模式的有效面积：

其中，E是与传播有关的电场，r为轴心到电场分布点之间的距离。

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种低衰减渐变型轨道角动量光纤，该光纤不仅能支持四个模式组的长距离信号传输，衰减低，而且光纤的串扰、各模式的宏弯和微弯损耗等综合性能好。

本发明为解决上述提出的问题所采取的技术方案为：包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层半径R1为3.5～5.5μm，芯层相对折射率差Δ1为-0.08％～0.08％，芯层外从内向外依次包覆环形芯层、下陷包层和外包层，所述的环形芯层呈渐变形，且顶部呈渐变下凹状，环形芯层从内向外依次分为内环层、下凹层和外环层三部分，其中所述的内环层的半径R2为4.5～6.5μm，最大相对折射率差Δ2为0.7％～1％，所述的下凹层半径R3为8～13μm，最小相对折射率差Δ3为0.6％～0.9％，所述的外环层的半径R4为9～15μm，最大相对折射率差Δ4为0.7％～1％，所述的下陷包层半径R5为11～16μm，相对折射率差Δ5为-0.6％～-0.3％，上述相对折射率差为光纤各层(芯层、环形芯层和下陷包层)与外包层的相对折射率差，所述的外包层为相对纯二氧化硅层为负折射率的外包层，半径R6为62.5μm。

按上述方案，所述的外包层相对折射率差(相对纯二氧化硅层)为-0.3％～-0.5％。

按上述方案，所述的光纤在C波段上支持4个OAM模式组的传播：OAM-0阶、OAM-±1阶、OAM-±2阶和OAM-±3阶。

按上述方案，所述的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，或为氟掺杂的二氧化硅玻璃层，其中氟掺杂的相对折射率差贡献量为-0.02％～-0.3％。

按上述方案，所述的环形芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，其中氟掺杂的相对折射率差贡献量为-0.02％～-0.2％。

按上述方案，所述光纤OAM-0阶模式和OAM-±1阶模式之间的串扰小于-5dB/50km，OAM-±1阶模式和OAM-±2阶模式之间的串扰小于-13dB/50km，OAM-±2阶模式和OAM-±3阶模式之间的串扰小于-13dB/50km，OAM-±1阶模式和OAM-±3阶模式之间的串扰小于-21dB/50km。

按上述方案，所述光纤在波长1550nm处各阶模式的衰耗均小于或等于0.23dB/km。优选的，所述光纤在波长1550nm处各阶模式的衰耗均小于或等于0.21dB/km。

按上述方案，所述光纤各个模式在波长1700nm处的微弯损耗小于或等于5dB/km。

按上述方案，所述光纤各模式在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗等于或小于0.25dB，R10mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯损耗等于或小于0.75dB。

本发明的有益效果在于：1、采用锗氟共掺的芯层设计，合理的设计了光纤内部的粘度匹配，减少光纤制备过程中的缺陷，降低光纤的衰减系数。2、通过对光纤各层剖面的合理设计，尤其是通过设置顶部下凹的渐变型环形芯层，使得光纤各模式间的串扰较低。3、本发明的光纤四个模式组的宏弯和微弯损耗等综合性能参数在应用波段良好。可使用空分复用技术，进行四个模式组的长距离信号传输，每个模式均具有较低的衰减系数，可以支持低损耗的少模复用传输。4、光纤最外包层为负折射率的掺氟包层，可降低环形芯层的掺杂量，进一步降低了光纤的衰减。5、本发明从光纤的一阶微扰理论模型出发，探究RCF各设计参数(环芯平均半径、厚度、相对折射率差、折射率分布)对相邻模式之间耦合系数的影响，进而优化光纤设计，进一步降低光纤衰减及模式之间的串扰，同时利用减小光纤各模式瑞利散射的方法制备低衰减光纤。最终实现具有高距离容量积、低实现成本、低复杂度的OAM模分复用通信系统，为下一代数据中心光纤互连通信系统的升级提供依据。

附图说明

图1为本发明一个实施例的径向剖面结构示意图。

图2为本发明一个实施例的光纤折射率剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

包括有芯层和包层，所述芯层半径为R1，芯层相对折射率差为Δ1，芯层外从内向外依次包覆环形芯层、下陷包层和外包层，所述的环形芯层呈渐变形，且顶部呈渐变下凹状，环形芯层从内向外依次分为内环层、下凹层和外环层三部分，其中所述的内环层的半径为R2，最大相对折射率差为Δ2，所述的下凹层半径为R3，最小相对折射率差为Δ3，所述的外环层的半径为R4，最大相对折射率差为Δ4，所述的下陷包层半径为R5，相对折射率差为Δ5，上述相对折射率差为光纤各层(芯层、环形芯层和下陷包层)与外包层的相对折射率差，所述的外包层为相对纯二氧化硅层为负折射率的外包层，外包层半径R6为62.5μm，外包层相对折射率差(相对纯二氧化硅层)为-0.3％～-0.5％。

本发明5个实施例光纤的结构和主要性能参数见表1和表2。

表1：实施例光纤的结构

表2：实施例少模光纤的主要性能参数

Claims (9)

1.一种低衰减渐变型轨道角动量光纤，包括有芯层和包层，其特征在于所述芯层半径R1为3.5～5.5μm，芯层相对折射率差Δ1为-0.08％～0.08％，芯层外从内向外依次包覆环形芯层、下陷包层和外包层，所述的环形芯层呈渐变形，且顶部呈渐变下凹状，环形芯层从内向外依次分为内环层、下凹层和外环层三部分，其中所述的内环层的半径R2为4.5～6.5μm，最大相对折射率差Δ2为0.7％～1％，所述的下凹层半径R3为8～13μm，最小相对折射率差Δ3为0.6％～0.9％，所述的外环层的半径R4为9～15μm，最大相对折射率差Δ4为0.7％～1％，所述的下陷包层半径R5为11～16μm，相对折射率差Δ5为-0.6％～-0.3％，上述相对折射率差为光纤各层与外包层的相对折射率差，所述的外包层为相对纯二氧化硅层为负折射率的外包层，半径R6为62.5μm。

2.按权利要求1所述的低衰减渐变型轨道角动量光纤，其特征在于所述的外包层相对折射率差相对纯二氧化硅层为-0.3％～-0.5％。

3.按权利要求1或2所述的低衰减渐变型轨道角动量光纤，其特征在于所述的光纤在C波段上支持4个OAM模式组的传播：OAM-0阶、OAM-±1阶、OAM-±2阶和OAM-±3阶。

4.按权利要求1或2所述的低衰减渐变型轨道角动量光纤，其特征在于所述的芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，或为氟掺杂的二氧化硅玻璃层，其中氟掺杂的相对折射率差贡献量为-0.02％～-0.3％。

5.按权利要求1或2所述的低衰减渐变型轨道角动量光纤，其特征在于所述的环形芯层为锗氟共掺的二氧化硅玻璃层，其中氟掺杂的相对折射率差贡献量为-0.02％～-0.2％。

6.按权利要求3所述的低衰减渐变型轨道角动量光纤，其特征在于所述光纤OAM-0阶模式和OAM-±1阶模式之间的串扰小于-5dB/50km，OAM-±1阶模式和OAM-±2阶模式之间的串扰小于-13dB/50km，OAM-±2阶模式和OAM-±3阶模式之间的串扰小于-13dB/50km，OAM-±1阶模式和OAM-±3阶模式之间的串扰小于-21dB/50km。

7.按权利要求3所述的低衰减渐变型轨道角动量光纤，其特征在于所述光纤在波长1550nm处各阶模式的衰耗均小于或等于0.23dB/km。

8.按权利要求3所述的低衰减渐变型轨道角动量光纤，其特征在于所述光纤各个模式在波长1700nm处的微弯损耗小于或等于5dB/km。

9.按权利要求3所述的低衰减渐变型轨道角动量光纤，其特征在于所述光纤各模式在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈的宏弯损耗等于或小于0.25dB，R10mm弯曲半径弯曲1圈的宏弯损耗等于或小于0.75dB。

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