CN111458786A - 一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，属于光纤通信领域。其特征在于：包括贯穿全光纤的纳米孔(Ⅰ)、围绕在纳米中心孔(Ⅰ)周围的纤芯(Ⅱ)，覆盖纳米孔(Ⅰ)和纤芯(Ⅱ)的第一包层(Ⅲ)，以及覆盖纳米孔(Ⅰ)、纤芯(Ⅱ)和第一包层(Ⅲ)的第二包层(Ⅳ)。通过在纤芯(Ⅱ)特定区域添加纳米孔(Ⅰ)的方式改变特定模式的场分布，从而增大总体模式间的有效折射率差，实现弱耦合的特性，降低了模分复用系统中MIMO的复杂度。本发明可以在保持传输模式数量的同时实现比普通少模光纤更大的模式之间的有效折射率差，避免了采用高掺锗和复杂折射率剖面等方式带来的传输损耗增加、高阶模式弯曲损耗大等问题，结构简单易于制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，属于光纤通信领域。
背景技术
以少模光纤为基础的模分复用传输系统是解决单模光纤传输系统能量容限的一种有效手段。作为模分复用技术的主要实现形式，少模光纤通过增加纤芯的半径和芯包折射率差，实现了在一个纤芯中传输多个模式，从而增加了单芯光纤的传输容量，是空分复用型光纤的重要发展方向。
由于光纤中传输模式的增加，不同的模式之间的传输信号速率不同，导致模式之间差分信号延时各不相同。在大多数少模光纤传输系统中，多输入-多输出(MIMO)技术被广泛使用。MIMO设备的复杂程度与模式之间的差分模式延迟(DMD)成正比。为了降低系统中MIMO的复杂度，一种可行的方法是设计具有低DMD的渐变折射率少模光纤，但是这种渐变折射率少模光纤折射率剖面的设计以及光纤的制作过程需十分精确，使得实用化生产难度大，生产成本高。另外一种降低MIMO复杂度的方式是设计弱耦合少模光纤。以阶跃折射率剖面为基础的弱耦合少模光纤具有天然的优势，可以降低模式之间的耦合，从而降低模分复用系统中对于MIMO的使用要求。因此，由于弱耦合少模光纤对MIMO的低依赖性，其在数据中心等大容量短距离传输系统中发挥着极其着重要的作用。
设计弱耦合少模光纤需要同时考虑两个因素，传输模式的数量和相邻模式之间的有效折射率差。他们分别代表能够传输的数据量，以及模式之间耦合程度的大小。研究表明，满足所有相邻模式之间的有效折射率差大于等于1*10-3可以有效降低模式之间的耦合程度，从而形成弱耦合少模光纤。传输型弱耦合少模光纤中大于4的线性偏振模式数量和大于1*10-3的相邻模式之间有效折射率差是研究者们的共同设计目标。
目前常见的弱耦合少模光纤的设计方法主要有四类：环形辅助结构、非圆对称结构、环形芯结构以及大幅增加芯包折射率差。环形辅助结构通过在纤芯特定区域添加低折射率或高折射率环，从而调整对应模式的有效模式折射率，增大相邻模式之间的有效折射率差。然而，该方法会较大程度上改变阶跃光纤折射率剖面，从而对光纤的制作提出了更高的要求。另外一种非圆对称结构设计，采用椭圆芯或三角形纤芯等双折射效应，分开简并模式，使得各个简并模式之间也可以实现单独的信道传输能量。然而，目前的光纤制作方式特别，而且非圆对称结构的少模光纤存在与普通单模光纤之间较大的熔接损耗，因此与现有光纤传输系统匹配度不高。环形芯结构通过修改少模光纤中传输模式的数量，实现相邻模式之间较大的有效折射率差。然而，该设计以牺牲少模光纤传输模式数量的方式换来模间串扰的降低，会严重减小少模光纤传输的能量，降低传输效率。其他的设计方案中，如大幅增加芯包折射率差可以有效增大模式之间的有效折射率差，从而降低模间串扰。然而，该方法中，芯包折射率差均高于1.6％左右，使得光纤中掺锗的含量大幅度增加，从而导致光纤的传输损耗增加以及制作成功率的降低，不适于大批量生产。
因此，设计一种结构简单，支持更多传输模式的，且具有较大的相邻模式之间有效折射率差的弱耦合少模光纤迫在眉睫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题主要是针对采用简单折射率剖面结构在保证少模光纤传输模式数量的同时降低模式间耦合这一问题所提出的。
本发明的技术方案如下：
一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：包括贯穿全光纤的纳米孔、围绕在纳米孔周围的纤芯，覆盖纳米孔和纤芯的第一包层，以及覆盖纳米孔、纤芯和第一包层的第二包层。
进一步，所述光纤在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量均大于等于4。
进一步，所述贯穿全光纤的纳米孔为中空结构，位于整个光纤中央，填充物为空气。
进一步，所述贯穿全光纤的纳米孔的半径与纤芯的半径比值应在0.1至0.13之间。
进一步，所述纤芯与第一包层之间的折射率差应大于等于0.8％。
进一步，所述第二包层与第一包层之间的折射率差应大于等于0.15％。
进一步，所述第一包层的外边缘与纳米孔中心的距离应在10um至40um之间。
进一步，所述第二包层的外边缘与纳米孔中心的距离应在62.5um至75um之间。
本发明的有益效果具体如下：
本发明采用纳米孔辅助型纤芯的设计方案，通过在纤芯特定区域添加空气孔，改变特定模式的模场分布，从而增大总体模式之间的有效折射率差，实现模式之间弱耦合的特性，进而降低了模分复用系统中MIMO的复杂度。同时，通过双包层结构抑制高阶模式的弯曲损耗，降低光纤实际使用中的弯曲对模式特性的影响。本发明可以在保持传输模式数量的同时实现比普通的高纤芯包层折射率差的少模光纤更大的模式之间的有效折射率差，避免采用高芯包折射率差和复杂折射率剖面带来的传输损耗增加、模式截止和高阶模式弯曲损耗增大的问题，结构简单易于制作。
附图说明
图1为一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤横截面示意图。
图2为一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤折射率分布示意图。
图1中的标记如下：I、纳米孔；Ⅱ、纤芯；Ⅲ、第一包层；Ⅳ、第二包层。
图2中的标记如下：I、纳米孔；Ⅱ、纤芯；Ⅲ、第一包层；Ⅳ、第二包层；101、纤芯与第一包层的折射率差；102、第一包层与第二包层的折射率差。
具体实施方式
下面结合附图1与附图2对一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤作进一步描述。
实施例一
一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：包括贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ、围绕在纳米孔Ⅰ周围的纤芯Ⅱ，覆盖纳米孔Ⅰ和纤芯Ⅱ的第一包层Ⅲ，以及覆盖纳米孔I、纤芯Ⅱ和第一包层Ⅲ的第二包层Ⅳ。
进一步，所述光纤在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量为4。
进一步，所述贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ为中空结构，位于整个光纤中央，填充物为空气。
进一步，所述贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ的半径与纤芯Ⅱ的半径比值应为0.11。
进一步，所述纤芯Ⅱ与第一包层Ⅲ之间的折射率差101为0.8％。
进一步，所述第二包层Ⅳ与第一包层Ⅲ之间的折射率差102为0.15％。
进一步，所述第一包层Ⅲ的外边缘与纳米孔Ⅰ中心的距离为10um。
进一步，所述第二包层Ⅳ的外边缘与纳米孔Ⅰ中心的距离为62.5um。
实施例二
一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：包括贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ、围绕在纳米孔Ⅰ周围的纤芯Ⅱ，覆盖纳米孔Ⅰ和纤芯Ⅱ的第一包层Ⅲ，以及覆盖纳米孔I、纤芯Ⅱ和第一包层Ⅲ的第二包层Ⅳ。
进一步，所述光纤在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量为6。
进一步，所述贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ为中空结构，位于整个光纤中央，填充物为空气。
进一步，所述贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ的半径与纤芯Ⅱ的半径比值应为0.12。
进一步，所述纤芯Ⅱ与第一包层Ⅲ之间的折射率差101为1.0％。
进一步，所述第二包层Ⅳ与第一包层Ⅲ之间的折射率差102为0.2％。
进一步，所述第一包层Ⅲ的外边缘与纳米孔Ⅰ中心的距离为20um。
进一步，所述第二包层Ⅳ的外边缘与纳米孔Ⅰ中心的距离为65um。
实施例三
一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：包括贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ、围绕在纳米孔Ⅰ周围的纤芯Ⅱ，覆盖纳米孔Ⅰ和纤芯Ⅱ的第一包层Ⅲ，以及覆盖纳米孔I、纤芯Ⅱ和第一包层Ⅲ的第二包层Ⅳ。
进一步，所述光纤在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量为10。
进一步，所述贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ为中空结构，位于整个光纤中央，填充物为空气。
进一步，所述贯穿全光纤的纳米孔Ⅰ的半径与纤芯Ⅱ的半径比值应为0.125。
进一步，所述纤芯Ⅱ与第一包层Ⅲ之间的折射率差101为1.2％。
进一步，所述第二包层Ⅳ与第一包层Ⅲ之间的折射率差102为0.22％。
进一步，所述第一包层Ⅲ的外边缘与纳米孔Ⅰ中心的距离为30um。
进一步，所述第二包层Ⅳ的外边缘与纳米孔Ⅰ中心的距离为75um。
Claims (8)
1.一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：包括贯穿全光纤的纳米孔(Ⅰ)、围绕在纳米孔(Ⅰ)周围的纤芯(Ⅱ)，覆盖纳米孔(Ⅰ)和纤芯(Ⅱ)的第一包层(Ⅲ)，以及覆盖纳米孔(I)、纤芯(Ⅱ)和第一包层(Ⅳ)的第二包层(Ⅳ)。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：所述光纤在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量均大于等于4。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特性在于：所述贯穿全光纤的纳米孔(Ⅰ)为中空结构，位于整个光纤中央，填充物为空气。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：所述贯穿全光纤的纳米孔(Ⅰ)的半径与纤芯(Ⅱ)的半径比值应在0.1至0.13之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：所述纤芯(Ⅱ)与第一包层(Ⅲ)之间的折射率差应大于等于0.8％。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：所述第二包层(Ⅳ)与第一包层(Ⅲ)之间的折射率差应大于等于0.15％。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：所述第一包层(Ⅲ)的外边缘与纳米孔(Ⅰ)中心的距离应在10um至40um之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔辅助的弱耦合少模光纤，其特征在于：所述第二包层(Ⅳ)的外边缘与纳米孔(Ⅰ)中心的距离应在62.5um至75um之间。
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