CN110927863A - 一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤 - Google Patents

一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤 Download PDF

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Abstract

一种用于空分‑模分复用领域的多芯少模微结构光纤，包括中心区域和外包层区域，中心区域外周设置有外包层区域；所述的中心区域包括少模纤芯和空气孔内包层，在中心区域设置有多个少模纤芯；单个少模纤芯的简并传输模式数量≥2个；一个少模纤芯设置在中心区域的正中心，其他少模纤芯均布在正中心少模纤芯四周，任意相邻三个少模纤芯等距，并且每个少模纤芯四周和相邻两个少模纤芯之间均设置有空气孔内包层。该光纤可以通过设计调整空气孔直径、孔间距，控制材料折射率差，保证每个纤芯简并传输模式数量在2个以上，并尽可能减小光纤尺寸，在此基础上控制芯间/模间串扰及差分模式群时延以满足通信要求，提高通信容量。

Description

一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤。
背景技术
光纤通信作为最重要的信息传输方式之一，为当今的信息化社会奠定了基石。单模光纤通信系统经历近半个世纪的发展历程，已逐渐达到其传输容量的香农极限。然而未来的通信容量需求仍继续以每10年100倍的速度增长，光纤通信技术面临严峻挑战。光信号共有五个物理维度可以调制或复用，分别是时间、频率(波长)、偏振态、复振幅和空间，相较于其它维度，空分复用(包括模分复用)被认为是解决单模光纤通信系统容量危机的一种有效方法。
光信号可供调制或复用的五个维度中，时间和频率(波长)复用在光纤通信发展初期就开始使用，目前已无太大的潜力供挖掘，依靠偏振复用仅能再提高一倍的容量，对于复振幅维度，受限于光纤通信系统的信噪比，不能无限制提高调制阶数造成其最大频率效率有限，唯有空间是尚未得到完全开发利用的维度，且能使现有框架下光纤通信的容量迅速提升2-3个数量级，解决未来可预见的容量紧缩问题，随着传统单模光纤传输容量瓶颈日益凸显，空分/模分复用技术逐渐受到重视，成为当前光纤通信领域令人瞩目的前沿研究方向和热点课题。
发明内容
针对目前通信光纤传输容量的危机，本发明聚焦于信号空间维度这一新型的可扩展复用维度，探索当前空分/模分复用系统中“空模式完整性维持和串扰抑制”问题，提供了一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，该光纤可以通过设计调整空气孔直径、孔间距，控制材料折射率差，保证每个纤芯简并传输模式数量在2个以上，并尽可能减小光纤尺寸，在此基础上控制芯间/模间串扰及差分模式群时延以满足通信要求，提高通信容量。在多芯少模微结构光纤器件理论和技术的基础上，实现通信光纤的尺寸控制、串扰抑制及容量扩充。该方法可有效解决未来可预见的容量紧缩问题，满足快速增长的数据业务流量需求。
本发明的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，包括中心区域和外包层区域，中心区域外周设置有外包层区域；所述的中心区域包括少模纤芯和空气孔内包层，在中心区域设置有多个少模纤芯；单个少模纤芯的简并传输模式数量≥2个；其中，一个少模纤芯设置在中心区域的正中心，其他少模纤芯均布在正中心少模纤芯四周，任意相邻三个少模纤芯等距，并且每个少模纤芯四周和相邻两个少模纤芯之间均设置有空气孔内包层。
所述的多个少模纤芯优选为13个少模纤芯，13个少模纤芯为正六边形结构排布。
所述的空气孔内包层优选为正六边形结构排布。
所述的少模纤芯为实心棒或阶跃折射率结构，当为实心棒时，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种；当为阶跃折射率结构时，其包括纤芯内层和纤芯外层，纤芯内层的材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种；纤芯外层选用折射率为纤芯内层折射率98.5～99.9％的材料，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种，与空气内包层材料一致；
所述的空气孔内包层为空心毛细管，通过调整空气孔内包层的内径、孔间距，控制空气孔内包层的折射率，空气孔内包层的折射率为少模纤芯折射率的98.5％～99.9％，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种；
所述的外包层区域为外套管，外包层区域的折射率为少模纤芯折射率的98％～99.9％，且小于等于空气孔内包层的折射率，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种。
作为优选，所述的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其中心区域为围绕一个少模纤芯进行延伸排布设置有五层六边形结构，第一层六边形结构(L1)为6个空心毛细管，第二层六边形结构(L2)为12个空心毛细管，第三层六边形结构(L3)包括为12个空心毛细管和6个少模纤芯，并且在第三层六边形结构(L3)中，每条边从顶角开始正向第二根为少模纤芯；第四层六边形结构(L4)为24个空心毛细管，第五层六边形结构(L5)为包括为24个空心毛细管和6个少模纤芯，并且在第五层六边形结构(L5)中，每条边从顶角开始正向第五根为少模纤芯。
作为优选，所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤的直径为125-250μm，少模纤芯的直径为10-30μm，空气孔内包层的外径和少模纤芯的直径相同。
所述的少模纤芯、空气孔内包层、外包层区域，通过调整三者的折射率差，保证每一个少摸纤芯的简并传输模式数量≥2个，并尽可能减小光纤尺寸，满足通信要求，提高通信容量。
所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，在通信波段，所述少模纤芯支持6-20个线偏振模式的光信号。
所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，在通信波段，所述少模纤芯支持LP01、LP11、LP12、LP02、LP21、LP31中至少两种简并传输模式的光信号。
所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，相邻少模纤芯的芯间串扰小于-50dB。
所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，各传输模式间的差分模式群时延小于30ps/m。
与现有技术相比，本发明的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其优势在于：
(1)与传统全固态多芯少模光纤相比，提出在纤芯周围制备微空气孔增强模场约束能力的方法，减小芯间及模式串扰，保障低串扰、低损耗多芯少模光纤空分+模分复用的实现。
(2)提出采用高包层空气填充率和纤芯直径优化相结合的多芯/少模微结构光纤设计，控制光纤的差分模式群时延，解决多芯/少模光纤模间串扰高的难题，保证低串扰多芯/少模光纤的实现。
(3)采用空气孔结构的多芯少模微结构光纤，在满足通信要求，保证传输容量的基础上，能有效控制光纤尺寸。
(4)光纤传输容量因其纤芯及简并传输模式数量的增加而得到扩充。
附图说明
图1为本发明实施例4的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤剖面结构图，图中附图标记的含义如下：L1为第一层六边形结构，L2为第二层六边形结构，L3为第三层六边形结构，L4为第四层六边形结构，L5为第五层六边形结构；6-少模纤芯；7-空气孔内包层；8-外包层。
图2为本发明实施例1的用于空分-模分复用领域的13芯多芯少模微结构光纤结构剖面图，图中附图标记的含义如下：d1-少模纤芯直径，d2-空气孔直径；Λ-间距。
图3为本发明实施例1所涉及的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤的纤芯模式图。
图4为本发明实施例3的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤结构剖面图。
图5为本发明实施例5的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤结构剖面图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，这些实施方式仅起说明性作用，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其设计13个少摸纤芯，为13芯多芯少模微结构光纤，其结构图如图1和图2所示，本实施例的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤包括中心区域和外包层区域，中心区域外周设置有外包层区域；中心区域由13个少模纤芯及空气孔内包层构成，少模纤芯直径d1为10μm，空气孔内包层直径为10μm，空气孔直径d2为6μm，相邻两个空气孔内包层的中心，间隔Λ为10μm。
所述外包层为石英材料，折射率为1.444，空气孔内包层为空心毛细管，为石英材料，折射率为1.444，少模纤芯为掺锗石英材料，折射率为1.4653，用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤尺寸为125μm。
本实施例采用仿真软件为comsol，所述13芯多芯少模微结构光纤中13个少模纤芯的简并传输模式相同，以其中一个少模纤芯为例，仿真分析少模纤芯的简并传输模式详见图3，通过仿真结果可得到每个纤芯有LP01、LP02、LP11、LP21、LP31五个简并传输模式，共20个线偏振模式，相较于传统单模光纤，传输容量扩充13*20/2＝130倍，实现空分+模分复用。
实施例2
一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，结构同实施例1，与实施例1不同之处在于，13个少模纤芯采用石英材料，空气孔内包层区域及外包层区域采用掺氟石英材料，氟主要作用是降低石英的折射率，保证空气孔内包层区域和外包层区域的折射率低于少模纤芯折射率，确保光限制在纤芯区域传输。
实施例3
本实施例的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其结构示意图如图4所示，与实施例1和2不同之处在于，该用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤为六层空气孔结构，增加了36个空气孔在最外层，有效的隔离了第五层设置的少模纤芯与外套管之间的接触，少模纤芯为10μm高折射率材料，空气孔内包层区域及外包层区域为较少模纤芯折射率低0.1％-1％的低折射率材料，空气孔直径为6μm，间距为10μm。
实施例4
一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其结构示意图见图1，包括中心区域和外包层区域，中心区域外周设置有外包层8区域；所述的中心区域包括少模纤芯6和空气孔内包层7，在中心区域设置有13个少模纤芯6；单个少模纤芯6的简并传输模式数量为5个；其中，一个少模纤芯6设置在中心区域的正中心，其他少模纤芯6以正六边形结构均布在正中心少模纤芯6四周，任意相邻三个少模纤芯等距，并且每个少模纤芯6四周和相邻两个少模纤芯6之间均设置有空气孔内包层7，空气孔内包层以正六边形结构排布。
少模纤芯6采用实心软玻璃棒，空气孔内包层7为空心毛细软玻璃管，外包层8为软玻璃外套管，其折射率为，空气孔内包层7通过调整空气孔直径和间距，调整其折射率为少模纤芯6的99.9％，外包层8和空气孔内包层7的折射率相同。
所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其中心区域为围绕一个少模纤芯进行延伸排布设置有五层六边形结构，第一层六边形结构L1为6个空心毛细管，第二层六边形结构L2为12个空心毛细管，第三层六边形结构L3包括为12个空心毛细管和6个少模纤芯，并且在第三层六边形结构L3中，每条边从顶角开始正向第二根为少模纤芯；第四层六边形结构L4为24个空心毛细管，第五层六边形结构L5为包括为24个空心毛细管和6个少模纤芯，并且在第五层六边形结构L5中，每条边从顶角开始正向第五根为少模纤芯。
本实施例的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，相邻少模纤芯芯间串扰通过下式进行表征：
Figure BDA0002310763880000051
式中，XT为串扰，β是传播常数，R是弯曲半径，Λ是相邻纤芯间距离，L为光纤长度，κpq为从纤芯p到纤芯q的模耦合系数。理论设计所述多芯少模微结构参数，使其相邻少模纤芯的芯间串扰小于-50dB，为后续制备进行理论指导，保证光信号的长距离传输。
本实施例的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，各传输模式间的差分模式群时延通过各个高级模式的群时延与基模的群时延相减进行表征，即：
Figure BDA0002310763880000052
其中，DMGD为差分模式群时延，neff，mn为高阶模式的有效折射率，neff，01为基模有效折射率，λ为波长，c为真空中光速。调节所述多芯少模微结构光纤的参数，得到不同波长各模式的有效折射率计算得到各模式相对与基模的差分模式群时延(DMGD)。为控制模式间的串扰，有效提取模式信息，控制差分模式群时延小于30ps/m。
实施例5
本实施例提供的一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其结构如图5所示。其与实施例1不同之处在于，该用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤中，其13根少模纤芯为阶跃折射率结构，所述的阶跃折射率结构为包括纤芯内层和纤芯外层，纤芯内层为高折射率材料，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种；本实施例选用掺锗石英玻璃，纤芯外层为纤芯内层折射率的98.5-99.9％的低折射率材料，其材质与空气孔内包层材料一致，为纯石英玻璃。在用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤使用过程中，与上述几个实施例相比，该实施例能有效克服高折射率纤芯周围因为圆形实心棒和空心玻璃管无法紧密贴合出现的缝隙引起的传输损耗，以实施例1中最外层中的其中一个少模纤芯为例，本实施例的传输损耗为0.16749dB/m，相比于实施例1传输损耗0.50038dB/m下降66.5％。

Claims (10)

1.一种用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，该用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤包括中心区域和外包层区域，中心区域外周设置有外包层区域；所述的中心区域包括少模纤芯和空气孔内包层，在中心区域设置有多个少模纤芯；单个少模纤芯的简并传输模式数量≥2个；其中，一个少模纤芯设置在中心区域的正中心，其他少模纤芯均布在正中心少模纤芯四周，任意相邻三个少模纤芯等距，并且每个少模纤芯四周和相邻两个少模纤芯之间均设置有空气孔内包层。
2.根据权利要求1所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的多个少模纤芯为13个少模纤芯，13个少模纤芯为正六边形结构排布；所述的空气孔内包层为正六边形结构排布。
3.根据权利要求1所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的少模纤芯为实心棒或阶跃折射率结构，当为实心棒时，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种；当为阶跃折射率结构时，其包括纤芯内层和纤芯外层，纤芯内层的材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种；纤芯外层选用折射率为纤芯内层折射率98.5～99.9％的材料，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种，与选用的空气内包层材料一致；
所述的空气孔内包层为空心毛细管，通过调整空气孔内包层的内径、孔间距，控制空气孔内包层的折射率，空气孔内包层的折射率为少模纤芯折射率的98.5％～99.9％，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种；
所述的外包层区域为外套管，外包层区域的折射率为少模纤芯折射率的98％～99.9％，且小于等于空气孔内包层的折射率，其材质选用石英玻璃、掺锗石英玻璃、掺氟石英玻璃、软玻璃、塑料材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其中心区域为围绕一个少模纤芯进行延伸排布设置有五层六边形结构，第一层六边形结构为6个空心毛细管，第二层六边形结构为12个空心毛细管，第三层六边形结构包括为12个空心毛细管和6个少模纤芯，并且在第三层六边形结构中，每条边从顶角开始正向第二根为少模纤芯；第四层六边形结构为24个空心毛细管，第五层六边形结构为包括为24个空心毛细管和6个少模纤芯，并且在第五层六边形结构中，每条边从顶角开始正向第五根为少模纤芯。
5.根据权利要求1所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤的直径为125-250μm，少模纤芯的直径为10-30μm，空气孔内包层的外径和少模纤芯的直径相同。
6.根据权利要求1所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的少模纤芯、空气孔内包层、外包层区域，通过调整三者的折射率差，保证每一个少摸纤芯的简并传输模式数量≥2个。
7.根据权利要求1所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，在通信波段，所述少模纤芯支持6-20个线偏振模式的光信号。
8.根据权利要求1或7所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，在通信波段，所述少模纤芯支持LP01、LP11、LP12、LP02、LP21、LP31中至少两种简并传输模式的光信号。
9.根据权利要求1所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，相邻少模纤芯的芯间串扰小于-50dB。
10.根据权利要求1所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，其特征在于，所述的用于空分-模分复用领域的多芯少模微结构光纤，各传输模式间的差分模式群时延小于30ps/m。
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