CN111239892A - 一种低损耗低串扰四模式超模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种低损耗低串扰四模式超模光纤；光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；实现了高模场密度、低损耗、低色散、低串扰和低DMGD的超模运作，采用凹陷的折射率包层有效减小了弯曲损耗。

Description

一种低损耗低串扰四模式超模光纤
技术领域
本发明涉及一种低损耗低串扰四模式超模光纤，可应用于光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域。
背景技术
近年来，各种通信业务流量指数增长，单模光纤通信受到了前所未有的挑战。光纤通信业界围绕空分复用(包括芯式复用和模分复用及其结合)这一物理维度对通信网络传输容量实现了突破；空分复用中的多芯光纤和少模光纤及其相关器件和应用研究成为前沿研究热点[Guifang Li,Neng Bai,and Ningbo Zhao and Cen Xia,Space-divisionmultiplexing:the next frontier in optical communication.Advances in Optics&Photonics,2014,6(4):5041-5046；Guifang Li,Magnus Karlsson,Xiang Liu,and YvesQuiquempois,Focus issue introduction:space-division multiplexing,Opt.Express2014,22,32526-32527；He Wen,Hongjun Zheng et al.Few-mode fibre-optic microwavephotonic links[J].Light:Science and Applications2017,6,8；郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018，1-184；董秋焕，刘阳，郑宏军，黎昕，白成林，胡卫生，陈南光.模分复用系统中少模复用(解复用)技术研究[J].聊城大学学报(自然科学版)，2020，33(2):50-67；王潇，郑宏军*(通讯作者)，黎昕，刘阳，于如愿，白成林，胡卫生，模分复用系统中的少模光纤研究新进展，聊城大学学报(自然科学版),2019.4，32(2):69-79]；一种多实芯强耦合的超模光纤也得到了大家的关注；多实芯超模光纤本质上是具有更大的有效模场面积、模场密度大、低模式依赖损耗、低模式耦合和低差分模式群时延的少模光纤[Cen Xia,Neng Bai,Ibrahim Ozdur,et al.,Supermodes for opticaltransmission,Optics Express,2011,19(17):16653-16664；Cen Xia,Neng Bai,RodrigoAmezcua-Correa,et al.,Supermodes in strongly-coupled multi-core fibers,OFC2013,OTh3K.5；Yu Ruyuan,Hongjun Zheng et al.A novel three-ring-core few-modefiber with large effective area and low nonlinear coefficient[J]，Optoelectronics Letters.2018,14(1):30-35]；纯二氧化硅纤芯可以有效地减少光纤衰减和熔接损耗，目前大都应用于单模光纤(T.Hasegawa et al.2016.Advances in ultra-low loss silica fibers[J].Frontiers in Optics,paper FTu2B.2；S.Ten.2016.UltraLow-loss Optical Fiber Technology[J].Optical Fiber Communication Conference,paper Th4E.5；Yoshiaki Tamura.2018.Ultra-low loss silica core fiber for longhaul transmission[J].Optical Fiber Communication Conference,paper M4B.1)。具有渐变折射率分布的少模光纤可以实现低差分模式群时延DMGD以及远场和近场具有相同模式宽度，并且不同模式下的有效折射率差(ERID)大于0.5x10-3可以避免模式耦合(PierreSillard et al.Few-Mode Fibers for Space-Division Multiplexed Transmissions[J],European Conference&Exhibition on Optical Communication,2013.03(A1):1-3；Roland Ryf.Switching and Multiplexing Technologies for Mode-DivisionMultiplexed Networks,Optical Fiber Communication Conference&Exposition,2017,Tu2c)。综上，若将纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布及多实芯强耦合的超模光纤的概念有机融合，有望解决目前少模光纤的研究挑战，有重要的学术价值和应用价值，研究意义重大、应用前景广阔。
发明内容
在国家自然科学基金(编号61671227和61431009)、山东省自然科学基金(ZR2011FM015)、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本发明提出了一种低损耗低串扰四模式超模光纤；该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布和多实芯超模光纤的优点，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出了一种低损耗低串扰四模式超模光纤；光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；图中横线阴影区域为六个纤芯，半径均为R＝R1＝2.5μm，下对角线阴影部分为trench折射率区域，R2＝15μm，R3＝25μm，其余白色部分为包层，半径R4＝62.5μm。六个纤芯的中心坐标依次为(5μm，0)，
Figure BDA0002398780050000021
(-5μm，0)，
Figure BDA0002398780050000022
六个纯二氧化硅纤芯中心、trench折射率区域和掺氟二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.444024，n2＝1.412774，n3＝1.419024。每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)2]0.5渐变折射率分布，r是纤芯中任意一点到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差
Figure BDA0002398780050000023
该光纤受入射光激发，六个纤芯中的光纤模式出现强耦合，实现了低损耗、低串扰、大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度、低差分模式群时延的超模运作，从而进一步提高光纤传输性能；该光纤六芯整体按照环形分布，呈现出环形芯光纤支持单径向模的性能和模间的有效折射率差大的特点；光纤中超模的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。
本发明的有益效果如下：
1.六个纤芯中的光纤模式出现强耦合，实现了高模场密度、低色散、低差分模式群时延的超模运作，从而进一步提高光纤传输性能；
2.该光纤凹陷的折射率包层，可以有效减小弯曲损耗；
3.该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布和多实芯超模光纤的优点，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入和光学信息处理、新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。
4.该光纤中超模的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。
附图说明
图1是本发明一种低损耗低串扰四模式超模光纤横截面示意图；光纤由六个渐变折射率分布的纤芯(横线阴影部分)、折射率沟槽(右斜阴影部分)和掺氟二氧化硅包层(白色部分)组成。
图2给出了在1.55μm波长下LP01、LP11a/LP11b(简并模式)、LP21a/LP21b(简并模式)和LP31a四种超模x偏振的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。若考虑偏振简并，所提出的光纤可以支持12种超模如下：LP01 X、LP01 Y、LP11a X、LP11a Y、LP11b X、LP11b Y、LP21a X、LP21a Y、LP21b X、LP21b Y、LP31a X和LP31a Y。
图3显示四个超模的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形、星形、实点和菱形的实线分别为LP01、LP11、LP21和LP31超模情况。
图4显示了LP11、LP21和LP31超模的DMGD随输入波长的变化情况。实线、点线和点划线分别表示LP11、LP21和LP31模式的DMGD变化情况。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不限于此。
实施例1图1是本发明一种低损耗低串扰四模式超模光纤横截面示意图；光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯(横线阴影区域部分)、折射率沟槽(下对角线阴影部分)和掺氟二氧化硅包层(白色部分)组成；图中横线阴影区域为六个纤芯，半径均为R＝R1＝2.5μm，下对角线阴影部分为trench折射率区域，R2＝15μm，R3＝25μm，其余白色部分为包层，半径R4＝62.5μm。六个纤芯的中心坐标依次为(5μm，0)，
Figure BDA0002398780050000041
(-5μm，0)，
Figure BDA0002398780050000042
六个纯二氧化硅纤芯中心、trench折射率区域和掺氟二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.444024，n2＝1.412774，n3＝1.419024。每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)2]0.5渐变折射率分布，r是纤芯中任意一点到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差
Figure BDA0002398780050000043
通过调整光纤中的纤芯尺寸和折射率分布，可以改变光纤中电磁场特性。
图2给出了在1.55μm波长下LP01、LP11a/LP11b(简并模式)、LP21a/LP21b(简并模式)和LP31a四种超模x偏振的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。若考虑偏振简并和空间简并，所提出的光纤可以支持12种超模如下：LP01 X、LP01Y、LP11a X、LP11a Y、LP11b X、LP11b Y、LP21a X、LP21a Y、LP21b X、LP21b Y、LP31a X和LP31a Y。我们得到了六个纤芯间模式强耦合形成的超模，其中纤芯到纤芯的距离比传统的多芯光纤短得多。超模的场分布可以看作是各纤芯独立模式的叠加和强重构。因此，六芯少模光纤可以支持比传统光纤更大的有效面积和更高的模式密度，这可以有效地减少光纤和光通信的非线性效应。由于简并模式的有效折射率(ERI)、色散、有效面积和非线性系数类似，因此本文讨论四种超模的特性。
图3显示四个超模的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形、星形、实点和菱形的实线分别为LP01、LP11、LP21和LP31超模情况。图3中可以看出，四种超模模式的有效折射率均随入射光波长的增加而减小，且LP01、LP11、LP21和LP31的有效折射率的减小速度依次增大；在给定波长λ的情况下，LP01模式的有效折射率最大，LP31式的最小，并且LP11的有效折射率要比LP21大。当入射光波长为1.55μm时，LP01、LP11、LP21和LP31模式的有效折射率分别为1.428869、1.427842、1.42558825、1.423996；LP01、LP11模式间有效折射率差为1.03×10-3，LP11、LP21模式间有效折射率差为2.25×10-3，LP21和LP31模式间的有效折射率差为1.59×10-3。四种超模模式的有效折射率差都大于0.5×10-3，根据文献[PierreSillard,Denis Molin.Few-mode fibers for space-division multiplexedtransmissions[C].European Conference&Exhibition on Optical Communication,2013,03(A1):1-3；郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018，1-184]可以实现低模式串扰。
图4显示了LP11、LP21和LP31超模的DMGD随输入波长的变化情况。实线、点线和点划线分别表示LP11、LP21和LP31模式的DMGD变化情况。在1.4μm到1.8μm波长范围内，给定输入波长情况下，LP11模式的DMGD最小，LP31模式的DMGD最大。随着入射光波长的增加，LP11模式的DMGD呈线性稍有增加，LP21和LP31模式的DMGD在1.4μm到1.7μm波长范围内逐渐增加，在1.7μm到1.8μm波长范围内趋于平坦。波长为1.55μm时，LP11模式的DMGD为7.00ps/m，LP21模式的DMGD为20.35ps/m，LP31模式的DMGD为33.01ps/m。总之，所提出的光纤实现了低损耗、低色散、低串扰和低DMGD的四种超模运作。应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议地得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。

Claims (1)

1.一种低损耗低串扰四模式超模光纤；其特征在于：光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；其中六个纤芯，半径均为R＝R1＝2.5μm，其中折射率区域，R2＝15μm，R3＝25μm，其余白色部分为包层，半径R4＝62.5μm；六个纤芯的中心坐标依次为(5μm，0)，
Figure FDA0002398780040000011
(-5μm，0)，
Figure FDA0002398780040000012
六个纯二氧化硅纤芯中心、trench折射率区域和掺氟二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.444024，n2＝1.412774，n3＝1.419024；每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)2]0.5渐变折射率分布，r是纤芯中任意一点到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差
Figure FDA0002398780040000013
Figure FDA0002398780040000014
在1.4μm到1.8μm波长范围内，给定输入波长情况下，LP11模式的DMGD最小，LP31模式的DMGD最大；随着入射光波长的增加，LP11模式的DMGD呈线性稍有增加，LP21和LP31模式的DMGD在1.4μm到1.7μm波长范围内逐渐增加，在1.7μm到1.8μm波长范围内趋于平坦；波长为1.55μm时，LP11模式的DMGD为7.00ps/m，LP21模式的DMGD为20.35ps/m，LP31模式的DMGD为33.01ps/m；该光纤受入射光激发，六个纤芯中的光纤模式出现强耦合，实现了低损耗、低串扰、大有效模场面积、低差分模式群时延的超模运作，从而进一步提高光纤传输性能。
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