CN111999799B - 一种多芯光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多芯光纤，多芯光纤纤芯的布设可以呈圆周排布或矩形点阵排布或正多边形排布，所述纤芯从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，或者依次为芯层和内包层，纤芯外包覆共同外包层，同一排布结构的多芯光纤在芯间距、芯边距、芯数、光纤排列方式满足指定一组条件时，可以根据需要调整芯间距a、芯边距b值，以使得光纤外径、衰耗、串扰等参数更加契合应用场景需求；该光纤能够确保光纤在O波段和C波段传输使用。通过芯间距、芯边距、纤芯有效面积的优化组合，使得多芯光纤在保持了较高的空分复用维数密度同时，光纤的串扰、各个信道的衰减、宏弯和微弯损耗等综合性能处于良好的水平。

Description

一种多芯光纤
技术领域
本发明涉及一种多芯光纤，用于光纤通信系统的空分复用光纤，属于光通信传输技术领域。
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。
近几年来，国际学术界提出采用空分复用SDM的方式可以解决上述技术难题。空分复用有两种方式，一是模式复用，即采用少模光纤，利用一根光纤传输2个以上的模式实现复用，增大系统容量。二是空间上的多芯复用，即单根光纤中具有多个单模芯子的光纤，实现多路复用的新传输技术。目前已有提出几种按单根光纤中的芯子数量分成4芯，7芯，10芯，12芯和19芯光纤的多芯光纤等。多芯光纤中每个芯都是独立的光波导，在理论上这些多芯光纤中的N个芯子相应地可以将系统的总传输容量扩大N倍。
在2011年的OFC会议上，美国OFS公司报道了在7芯光纤中实现了56Tb/s的信号传输。同一年，日本NICT联合日本住友在7芯光纤中实现了109Tb/s的信号传输，这是首次实现单根光纤超过100Tb/s的传输实验。在2012年国际会议上，日本NICT首次报道了在19芯光纤上实现了超过305Tb/s的传输。同年ECOC会议上，日本报道了在12芯多芯光纤中实现了1Pb/s以上的信号传输实验，为未来通信网络扩容提供了技术储备。在2013年OFC会议上，首次有报道将7芯光纤用于数据中心的建设上，作为高速计算机的高度、高密度的并行互联。已有的这些多芯光纤在数据中心、通信线路与高速通信局域连接等领域都已经产生了应用。
对于多芯光纤，衰减低、串扰小、芯密度高是很重要的指标，在大量的专利文献和非专利文献中我们发现，为了抑制串扰，需要增大芯间距，但是，如果在有限的公共外包层中增大芯间距而配置纤芯，则纤芯数量会变少。为了解决芯层距共同外包层边缘(芯边距)近而产生的能量泄漏(额外衰减)问题，通常希望外边缘纤芯到共同外包层边缘距离(芯边距)越远越好，但是这样会增加光纤外径，不利于保持空分复用维数密度。如果为了增加空分复用维数密度，减小光纤外径，芯间距、芯边距也会随之减小，光纤的损耗，特别是C波段的光纤参数非常恶劣，甚至无法使用。
专利文献CN103415795A中提出的是一种中间芯异质结构，降低芯间串扰，并能抑制截止波长长波化的多芯光纤，其波段不适用于FTTX的无源光网络PON中(上下行工作波长分别为1310nm和1490nm)，无法保证在1310nm处的单模状态传输。
专利文献CN111474626A中提出的是一种周向均布的8芯光纤，此光纤虽然通过剖面优化降低了芯间串扰，但是并未完全利用光纤的空间，中间是无芯结构，导致周围8芯结构较为紧凑，芯间距无法进一步做大。且专利文献CN111474626A中的多芯光纤外径为125μm，致使8个芯的芯间距受限，串扰无法进一步降低。
发明内容
为方便介绍发明内容，定义如下术语：
相对折射率差Δni为光纤各层(除外包层外)与纯二氧化硅的相对折射率差。
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芯层，光纤的最外层即纯二氧化硅层为光纤外包层。光纤各层相对折射率差Δni由以下方程式定义：
Figure BDA0002688994120000021
其中，ni为光纤各层(除包层外)的折射率，nc为外包层折射率，即纯二氧化硅的折射率。
光纤各模式的1310nm处有效面积：
Figure BDA0002688994120000022
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，提供一种多芯光纤，它不仅能使光纤保持较高的空分复用维数密度，在O波段和C波段传输，而且通过优化光纤结构而使光纤的串扰、各个信道的衰减和弯曲损耗等综合性能处于良好的水平。
本发明为解决上述提出的问题所采取的技术方案之一为：包括有共同外包层和间隔布设在共同外包层中的纤芯，其特征在于所述的纤芯等距均布在各层圆周上，所述的圆周为1～3层，各层圆周的圆心与共同外包层圆心重合，各层圆周的径向间距相等，所述纤芯的总芯数k，最外层圆周的芯数m、芯间距a(μm)和最小芯边距(纤芯距离共同外包层外边缘的最短距离)b(μm)，各纤芯在波长1310nm处有效面积最小值d(μm2)同时满足如下三个条件：
Figure BDA0002688994120000023
Figure BDA0002688994120000031
Figure BDA0002688994120000032
本发明为解决上述提出的问题所采取的技术方案之二为：包括有共同外包层和间隔布设在共同外包层中的纤芯，其特征在于所述的纤芯等距均布在矩形点阵中，所述的矩形点阵包括有e行和f列，矩形点阵的中心与共同外包层圆心重合，各行列中每个纤芯与相邻各纤芯的间距相等，所述纤芯的总芯数k，矩形点阵的行数e和列数f，各行列中的芯间距a(μm)，最小芯边距(纤芯距离共同外包层外边缘的最短距离)b(μm)，各纤芯在波长1310nm处有效面积最小值d(μm2)同时满足如下三个条件：
Figure BDA0002688994120000033
Figure BDA0002688994120000034
Figure BDA0002688994120000035
本发明为解决上述提出的问题所采取的技术方案之三为：包括有共同外包层和间隔布设在共同外包层中的纤芯，其特征在于所述的纤芯等距均布在各层正多边形上，所述的正多边形为1～3层，各层正多边形的中心与共同外包层圆心重合，各层正多边形的径向间距相等，所述纤芯的总芯数k，正多边形边数g，最外层正多边形每条边的芯数h、芯间距a(μm)和芯边距(纤芯距离共同外包层外边缘的最短距离)b(μm)，各纤芯在波长1310nm处有效面积最小值d(μm2)同时满足如下三个条件：
Figure BDA0002688994120000036
Figure BDA0002688994120000037
Figure BDA0002688994120000038
按上述方案，所述纤芯从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，或者依次为芯层和内包层，纤芯外包覆共同外包层，所述的共同外包层直径为80～300μm。
按上述方案，所述的正多边形边数小于或等于8。
按上述方案，所述的多芯光纤在波长1310nm处各信道的衰耗均小于或等于0.5dB/km，在波长1550nm处各信道的衰耗均小于或等于3dB/km。
按上述方案，所述的多芯光纤在波长1310nm和1550nm处，所述的任一纤芯与其相邻纤芯之间的芯间串扰<-35dB/10km，与相邻纤芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-55dB/10km。优选的，任一纤芯与其相邻纤芯之间的芯间串扰<-40dB/10km，与相邻纤芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-60dB/10km。
本发明的有益效果在于：1、可对多种不同结构布设的多芯光纤进行优化设计，对于同样芯数的多芯光纤，根据需求，纤芯可以有多种形状排列方案，还可以根据需要调整芯间距a、芯边距b值，以使得光纤外径、衰耗、串扰等参数更加契合应用场景需求；能够确保光纤在O波段和C波段传输使用。2、通过芯间距、芯边距、纤芯1310nm处有效面积的优化组合，使得多芯光纤在保持了较高的空分复用维数密度同时，光纤的串扰、各个信道的衰减、宏弯和微弯损耗等综合性能处于良好的水平。
附图说明
图1为本发明一个实施例的径向结构示意图。
图2为本发明第二个实施例的径向结构示意图。
图3为本发明第三个实施例的径向结构示意图。
图4为本发明实施例中一个纤芯的折射率剖面示意图。
图5为本发明实施例中一个纤芯的径向结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1：
如附图1、4、5所示，一种8芯呈单层圆周等距均布的多芯光纤，即k为8，m为8，在满足条件公式(1)、(2)、(3)前提下，芯间距a为29μm，最小芯边距b为24.6μm，纤芯1在波长1310nm处有效面积最小值d为54μm2，各纤芯层从内向外依次为芯层3、内包层4和下陷包层5，所述芯层半径为R1，芯层相对折射率差为Δ1为，内包层的半径为R2，内包层相对折射率为Δ2，下陷包层半径为R3，下陷包层相相对折射率为Δ3。所得光纤共同外包层2直径125μm，1310nm处相邻纤芯之间的芯间串扰均值-41.9dB/100km，最大值-38.9dB/100km。
实施例1对比例：
如果该光纤的应用场景为短距离使用，对旁芯串扰要求较低，但是对光纤外径要求高，希望可以减小光纤外径。那么在满足条件公式(1)、(2)、(3)前提下，可以修改光纤设计：
芯间距a为24.36μm，最小芯边距b为20.66μm，纤芯的1310nm处有效面积最小值d为54μm2，各纤芯层从内向外依次为芯层、内包层和下陷层，所述芯层半径为R1，芯层折射率差为Δ1为，内包层的半径为R2，内包层相对折射率为Δ2，下陷包层半径为R3，下陷包层相对折射率为Δ3。
相对于实施例1，包层直径可以减小到105μm。所得光纤旁芯串扰有所劣化，但满足短距离使用，1310nm处相邻纤芯之间的芯间串扰均值-37.6dB/100km，最大值-35.3dB/100km。
实施例2
如附图2所示，一种12芯矩形点阵多芯光纤，所述的矩形点阵包括有e行和f列，矩形点阵的中心与共同外包层圆心重合，各行列中每个纤芯与相邻各纤芯的间距相等，呈4×3矩形点阵排布，即k为12，e为4，f为3，在满足条件(2)、(3)、(4)前提下，芯间距a为30μm，最小芯边距b为26μm，纤芯的1310nm处有效面积最小值d为56μm2，各纤芯层从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，所述芯层半径为R1，芯层相对折射率差为Δ1为，内包层的半径为R2，内包层相对折射率为Δ2，下陷包层半径为R3，下陷包层相对折射率为Δ3。所得多芯光纤共同外包层直径160μm。1310n处的相邻纤芯之间的芯间串扰均值为-42.1dB/100km，最大值-39.2dB/100km。
实施例2对比例
如果该光纤的应用场景为短距离使用，对旁芯串扰要求较低，但是对光纤外径要求高，希望可以减小光纤外径。那么在满足条件(2)、(3)、(4)前提下，可以修改光纤设计：
芯间距a为27.19μm，最小芯边距b为23.56μm，纤芯的1310nm处有效面积最小值d为56μm2，各纤芯层从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，所述芯层半径为R1，芯层折射率差为Δ1为，内包层的半径为R2，内包层相对折射率为Δ2，下陷包层半径为R3，下陷包层相对折射率为Δ3。
相对于实施例2，所得光纤共同外包层直径减小到145μm。所得光纤旁芯串扰有所劣化，但满足短距离使用，1310n处的相邻纤芯之间的芯间串扰均值-38.7dB/100km，最大值-35.8dB/100km。
实施例3
如摘要附图3所示，一种18芯呈双层正六边形排布的多芯光纤，内层六边形每边2个纤芯，外层六边形每边3个纤芯，即k为18，g为6，h为3，在满足条件(2)、(3)、(5)前提下，芯间距a为31mm，最小芯边距b为28mm，纤芯的1310nm处有效面积最小值d为57μm2，各纤芯层从内向外依次为芯层、内包层和下陷层，所述芯层半径为R1，芯层相对折射率差为Δ1为，内包层的半径为R2，内包层相对折射率差为Δ2，环形芯层下陷包层半径为R3，下陷包层相对折射率差为Δ3。所得光纤共同外包层直径180μm，1310nm处的相邻纤芯之间的芯间串扰均值-43.1dB/100km，最大值-40.0dB/100km。
实施例3对比例
如果该光纤的应用场景为短距离使用，对旁芯串扰要求较低，但是对光纤外径要求高，希望可以减小光纤外径。那么在满足条件(2)、(3)、(5)前提下，可以修改光纤设计：
芯间距a为27.56mm，最小芯边距b为24.89mm，纤芯的1310nm处有效面积最小值d为57μm2，各纤芯层从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，所述芯层半径为R1，芯层折射率差为Δ1为，内包层的半径为R2，内包层相对折射率为Δ2，下陷包层半径为R3，下陷包层相对折射率为Δ3。
相对于实施例3，所得光纤光纤共同外包层直径减小到160μm。所得光纤旁芯串扰有所劣化，但满足短距离使用，1310n处的相邻纤芯之间的芯间串扰均值-39.1dB/100km，最大值-36.4dB/100km。
本发明3个实施例、3个实施例的对比例光纤的结构参数和主要性能特征见表1和表2。
表1：实施例多芯光纤的结构和参数特征
Figure BDA0002688994120000062
表2：实施例多芯光纤的主要性能参数
Figure BDA0002688994120000061
Figure BDA0002688994120000071

Claims (9)

1.一种多芯光纤，包括纤芯和共同外包层，纤芯间隔布设在共同外包层中，其特征在于所述的纤芯等距均布在各层圆周上，所述的圆周为1～3层，各层圆周的圆心与共同外包层圆心重合，各层圆周的径向间距相等，所述纤芯的总芯数k，最外层圆周的芯数m、芯间距a(μm)和最小芯边距b(μm)，各纤芯在波长1310nm处有效面积最小值d(μm2)同时满足如下三个条件：
Figure FDA0003434457420000011
Figure FDA0003434457420000012
Figure FDA0003434457420000013
所述纤芯从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，或者依次为芯层和内包层，纤芯外包覆共同外包层，所述的共同外包层直径为80～300μm。
2.按权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于所述的多芯光纤在波长1310nm处各信道的衰耗均小于或等于0.5dB/km，在波长1550nm处各信道的衰耗均小于或等于3dB/km。
3.按权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于所述的多芯光纤在波长1310nm和1550nm处，所述的纤芯与其相邻纤芯之间的芯间串扰<-35dB/10km，与相邻纤芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-55dB/10km。
4.一种多芯光纤，包括有共同外包层和间隔布设在共同外包层中的纤芯，其特征在于所述的纤芯等距均布在矩形点阵中，所述的矩形点阵包括有e行和f列，矩形点阵的中心与共同外包层圆心重合，各行列中每个纤芯与相邻各纤芯的间距相等，所述纤芯的总芯数k，矩形点阵的行数e和列数f，各行列中的芯间距a(μm)，最小芯边距b(μm)，各纤芯在波长1310nm处有效面积最小值d(μm2)同时满足如下三个条件：
Figure FDA0003434457420000014
Figure FDA0003434457420000015
Figure FDA0003434457420000016
所述纤芯从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，或者依次为芯层和内包层，纤芯外包覆共同外包层，所述的共同外包层直径为80～300μm；所述的多芯光纤在波长1310nm处各信道的衰耗均小于或等于0.5dB/km，在波长1550nm处各信道的衰耗均小于或等于3dB/km。
5.按权利要求4所述的多芯光纤，其特征在于所述的多芯光纤在波长1310nm和1550nm处，所述的纤芯与其相邻纤芯之间的芯间串扰<-35dB/10km，与相邻纤芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-55dB/10km。
6.一种多芯光纤，包括有共同外包层和间隔布设在共同外包层中的纤芯，其特征在于所述的纤芯等距均布在各层正多边形上，所述的正多边形为1～3层，各层正多边形的中心与共同外包层圆心重合，各层正多边形的径向间距相等，所述纤芯的总芯数k，正多边形边数g，最外层正多边形每条边的芯数h、芯间距a(μm)和芯边距b(μm)，各纤芯在波长1310nm处有效面积最小值d(μm2)同时满足如下三个条件：
Figure FDA0003434457420000021
Figure FDA0003434457420000022
Figure FDA0003434457420000023
所述纤芯从内向外依次为芯层、内包层和下陷包层，或者依次为芯层和内包层，纤芯外包覆共同外包层，所述的共同外包层直径为80～300μm。
7.按权利要求6所述的多芯光纤，其特征在于所述的正多边形边数小于或等于8。
8.按权利要求6或7所述的多芯光纤，其特征在于所述的多芯光纤在波长1310nm处各信道的衰耗均小于或等于0.5dB/km，在波长1550nm处各信道的衰耗均小于或等于3dB/km。
9.按权利要求6或7所述的多芯光纤，其特征在于所述的多芯光纤在波长1310nm和1550nm处，所述的纤芯与其相邻纤芯之间的芯间串扰<-35dB/10km，与相邻纤芯以外的纤芯之间的芯间串扰<-55dB/10km。
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