CN111381316B - 弱耦合二十模式少模光纤及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种弱耦合二十模式少模光纤及其实现方法，包括：中芯和依次设置于其外的五层环芯及包层，中芯、第一环芯和第二环芯相对于包层的折射率差值依次增高，第三环芯至第五环芯相对于包层的折射率差值依次降低，第三环芯至第五环芯覆盖中芯和前两层环芯，整体在1550nm处支持二十个传输模式且所有模式之间的有效折射率差值均大于0.1％。本发明通过设计多环形纤芯各层的结构参数，使得各模式之间的有效折射率差值较大，模间串扰降低，实现弱耦合特性。少模光纤在弱耦合的条件下，各信道之间能够独立传输信号。通过掺杂锗和控制纤芯层数进行制备，工艺简单。能够广泛应用于短距离超大容量光传输系统，具有十分广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光电通信领域的技术，具体是一种弱耦合二十模式少模光纤及其实现方法。
背景技术
近年来，各类大型数据中心和云计算业务出现，对于光网络的带宽和容量提出更高要求，普通的单模光纤难以满足容量要求。现有技术以模分复用作为进一步提高光通信容量和频谱效率的重要手段。由于强耦合模分复用系统的复杂性和高成本，其只适用于长距离通信。而与强耦合模分复用系统不同，弱耦合模分复用系统采用模间弱耦合传输光纤和具有模式选择特性的模式复用解复用器，接收端也不需要复杂的MIMO算法，因而可利用模式作为路由交换维度以实现网络容量的灵活调配。针对用于弱耦合模分复用系统的新型少模光纤和光纤器件的设计制备，现有技术采用设计低DMD的渐变折射率少模光纤来缓解对于MIMO设备设计的复杂度，但是这种渐变折射率少模光纤折射率剖面的设计需要十分精确，并且其制作过程复杂，生产难度大。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种弱耦合二十模式少模光纤及其实现方法，通过设计中芯层和环芯层的结构参数，降低模间串扰，实现弱耦合特性，可广泛应用于短距离大容量光传输系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种弱耦合二十模式少模光纤，包括：中芯和依次设置于其外的五层环芯及包层，其中：中芯、第一环芯和第二环芯相对于包层的折射率差值依次增高，第三环芯至第五环芯相对于包层的折射率差值依次降低，第三环芯至第五环芯覆盖中芯和前两层环芯，整体在1550nm处支持二十个传输模式且各相邻模式之间的有效折射率差值均大于0.1％。
所述的包层的外径为62.5～75μm，其折射率为1.445。
所述的中芯的外径为1.5～2.1μm，且与包层的折射率差为0.02995～0.03355。
所述的第一环芯的外径为2.2～2.8μm，且与包层的折射率差为0.03545～0.03725。
所述的第二环芯的外径为6.2～6.8μm，且与包层的折射率差为0.03615～0.03795。
所述的第三环芯的外径为8.35～8.95μm，且与包层的折射率差为0.03145～0.03405。
所述的第四环芯的外径为8.958～9.558μm，且与包层的折射率差为0.03～0.0318。
所述的第五环芯的外径为10.68～11.68μm，且与包层的折射率差为0.02175～0.02385。
所述的二十个传输模式具体为：LP01、LP11、LP21、LP02、LP31、LP12、LP41、LP22、LP03、LP51、LP32、LP13、LP61、LP42、LP71、LP04、LP23、LP81、LP33和LP14。
本发明涉及上述弱耦合二十模式少模光纤的实现方法，通过归一化频率和有效折射率差值的分布，确定光纤中芯和各环芯的初始范围，使光纤在范围内能产生20个以上的LP模式；然后通过神经网络逆向设计，得到所有模式之间的有效折射率差值均大于0.1％的多个20模光纤实例。
所述的神经网络逆向设计是指：采用经过训练的神经网络，预测得到不同折射率分布下的结构参数，该神经网络为Keras结构的深度神经网络，包括：每层有300个神经元的三个隐藏层、优化器、激活函数、损失函数以及目标函数，网络参数经Adam优化器迭代更新并采用对仿真软件得到的大数据集作为样本进行训练。
技术效果
本发明整体解决了通过神经网络提供的预测功能设置中芯和各环芯的折射率和半径，使得实施例光纤中所有模式的有效折射率差值均大于0.1％的技术问题。
与现有技术相比，本发明在中芯和包层之间加入五个高折射率环，通过神经网络逆向预测多个实施例，耗时短，并且使得各模式之间的有效折射率差值更大，从而模间串扰降低，实现弱耦合特性。少模光纤在弱耦合的条件下，不需要采用复杂的MIMO算法来实现信号的复用-解复用，各信道之间能够独立传输信号。通过掺杂锗和控制纤芯层数进行制备，工艺简单。能够广泛应用于短距离超大容量光传输系统，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的截面示意图；
图2为本发明折射率分布剖面图；
图中：中芯1、第一环芯2、第二环芯3、第三环芯4、第四环芯5、第五环芯6、包层7。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例包括：中芯1和依次设置于其外的五层环芯2～6及包层7，其中：中芯1、第一环芯2和第二环芯3相对于包层7的折射率差值依次增高，第三环芯4至第五环芯6相对于包层7的折射率差值依次降低，第三环芯4至第五环芯6覆盖中芯1和前两层环芯2和3，整体在1550nm处支持二十个传输模式且所有模式之间的有效折射率差值均大于0.1％。
所述的二十个传输模式具体为：LP01、LP11、LP21、LP02、LP31、LP12、LP41、LP22、LP03、LP51、LP32、LP13、LP61、LP42、LP71、LP04、LP23、LP81、LP33和LP14。
本实施例的特征参数中：r1～r6分别依次为中芯1至第五环芯6的外径，r0为包层7的外径；所述的外径为该层外边径与中心点之间的距离；n1～n6分别依次为中芯1至第五环芯6的折射率，n0为包层7的折射率。
本实施例通过PVCD工艺、MVCD工艺、OVD工艺或VAD工艺等芯棒制造工艺根据光纤的设计要求制造芯棒。
表1本实施例的结构参数
表中：折射率差的计算公式为：Δni＝ni-n0。
表2本实施例的性能参数：
表中：neff为有效折射率；Δneff为相邻的两个LP模式间有效折射率差，其计算公式为：Δneff＝neff,i-neff,i-1；Dispersion为色散；β为传播常数。
根据本实施例得到光纤归一化频率优选V的值为11.799，以保证光纤中有二十个传输模式。
本发明采用六环结构，中芯和第四环芯、第五环芯折射率较低，中间的第一环芯、第二环芯、第三环芯折射率较高，中芯和五个环芯与包层的相对折射率差均在2.6％以内，且中芯、第一环芯、第三环芯、第四环芯、第五环芯与第二环芯的相对折射率差均在1％内。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (1)
1.一种弱耦合二十模式少模光纤的实现方法，其特征在于，通过归一化频率和有效折射率差值的分布，确定光纤中芯和各环芯的初始范围，使光纤在范围内能产生20个以上的LP模式；然后通过神经网络逆向设计，得到所有模式之间的有效折射率差值均大于0.1％的多个20模光纤实例；
所述的神经网络逆向设计是指：采用经过训练的神经网络，预测得到不同折射率分布下的结构参数，该神经网络为Keras结构的深度神经网络，包括：每层有300个神经元的三个隐藏层、优化器、激活函数、损失函数以及目标函数，网络参数经Adam优化器迭代更新并采用对仿真软件得到的大数据集作为样本进行训练；
所述的弱耦合二十模式少模光纤包括：中芯和依次设置于其外的五层环芯及包层，其中：中芯、第一环芯和第二环芯相对于包层的折射率差值依次增高，第三环芯至第五环芯相对于包层的折射率差值依次降低，第三环芯至第五环芯覆盖中芯和前两层环芯，整体在1550nm处支持二十个传输模式且各相邻模式之间的有效折射率差值均大于0.1％；
所述的包层的外径为62.5～75μm，其折射率为1.445；
所述的中芯的外径为1.5～2.1μm，且与包层的折射率差为0.02995～0.03355；
所述的第一环芯的外径为2.2～2.8μm，且与包层的折射率差为0.03615～0.03795；
所述的第二环芯的外径为6.2～6.8μm，且与包层的折射率差为0.03615～0.03795；
所述的第三环芯的外径为8.35～8.95μm，且与包层的折射率差为0.03141～0.03305；
第四环芯的外径为8.958～9.558μm，且与包层的折射率差为0.03～0.0318；
所述的第五环芯的外径为10.68～11.68μm，且与包层的折射率差为0.03～0.0318；
所述的二十个传输模式具体为：LP01、LP11、LP21、LP02、LP31、LP12、LP41、LP22、LP03、LP51、LP32、LP13、LP61、LP42、LP71、LP04、LP23、LP81、LP33和LP14。
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