CN112083525A - 一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤 - Google Patents

Abstract

一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其包括多个少模纤芯、每个少模纤芯从内到外依次设置有内包层和沟槽区域，在沟槽区域内嵌有空气孔，还设置有包围上述所有结构的外包层。该低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤利用多芯光纤和少模光纤的空间信道，采用空气孔隔离兼沟槽双辅助型的结构设计，将光束很好地限制在纤芯内，避免空心结构过多对光纤结构稳定性带来的不利影响，合理的改变光纤结构参数，减小芯间距，降低芯间串扰，提高光通信网络的传输容量与效率、提高光纤传输品质。

Description

一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤

技术领域

本发明涉及了一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，属于通信光纤领域。

背景技术

空分复用技术是提升光网络系统容量以及构建下一代光通信网络的关键技术，作为空分复用技术的载体，多芯少模光纤是未来高速率大容量网络发展的重要方向。但在实际应用于光网络链路中仍面临许多问题。多芯光纤的设计优化以及在光纤通信系统中利用少模光纤中传输的有限个稳定模式作为独立信道来传递信息。相比于单模光纤，大大提高了传输容量和传输效率。

提升空分复用系统传输容量可通过增加多芯光纤的纤芯数目以及每个纤芯的传输模式，利用少模光纤与多芯光纤相结合的技术，研制多芯少模光纤。多芯少模光纤可以通过每个纤芯传输多个模式来增加多芯光纤的复用度，从而提升系统容量。每个纤芯传输的不同模式相互独立，并且各模式相互正交，可实现高速、大容量传输，具有结构设计灵活等优点。但是，由于多芯光纤的芯间距一般很小，因此，多个纤芯里的光信号之间会发生较强的光耦合而产生串扰，这会严重影响光纤的传输性能。要降低芯间串扰，最直接的方法是增大芯间距，但这会使纤芯密集度和传输容量变小，考虑到制造工艺和成本，通过增大芯间距来降低串扰并非最佳选择。目前，实现低串扰多芯少模光纤主要利用纤芯周围加空气孔的孔辅助型多芯光纤或利用掺杂等方法使光纤各个纤芯周围形成低折射率沟槽的下陷层多芯光纤，利用沟槽结构能将能量很好地限制在纤芯内，从而降低芯间串扰。

2009年，NICT的J.Sakaguchi等人研制出19芯的沟槽辅助型的光纤。2011年的B.Zhu等人在发表的论文中设计并制备出具有七个纤芯的多芯光纤。七芯光纤的七个纤芯均为折射率渐变型且支持多模传输。七个纤芯成正六边形排列，在1310nm和1490nm两个工作窗口进行实验，芯间串扰分别为-38dB/km和-24dB/km。

日本Sumitomo的T.Hayashi等人2011年设计并开发的最具代表性的沟槽辅助型的纯硅芯七芯光纤，纤芯折射率为阶跃型并支持单模传输，平均串扰小于-30dB。在1550nm和1625nm的芯间串扰分别为-77.6dB和-66.7dB。

2014年，国内研究人员对孔辅助六芯光纤的模式耦合进行了详细讨论，得出在光纤外径为125μm的前提下，纤芯之间串扰低于-30dB。

空气孔辅助型多芯光纤是在纤芯四周的包层中安排了多圈空气孔而成，调整孔的直径和排列位置就能够对光纤的有效折射率进行调整，比实心多芯光纤能实现大的有效面积和小的芯间距，使光纤具有高芯密度，从而降低串扰。沟槽辅助型多芯光纤在各个纤芯周围增加一层低折射率的沟槽，折射率剖面能有效地减少芯间光耦合，这种结构会使纤芯中的模场较好的抑制在纤芯中，可以同时实现小芯间距、减少串扰。由此可见，具有特殊结构的多芯少模光纤在研究中改变各结构参数例如芯间距、沟槽结构参数、空气孔参数等可以提高光纤传输效率，同时采用空气孔沟槽辅助型多芯少模光纤设计可更好地降低芯间串扰，改善光纤传输性能，满足大容量长距离光纤传输系统的要求。

就目前的空分复用技术而言，最常见的两种低串扰多芯少模光纤实现方式为单一孔辅助型结构和单一沟槽辅助型结构。单一孔辅助结构主要有两种，一种是在常规多芯光纤的纤芯周围排布一层空气孔，这种结构虽在一定程度上降低了芯间串扰，但其芯距与阶跃多芯光纤基本相同；另一种则是光子晶体光纤结构的多芯光纤，该结构在较小的芯间距下可以显著减小芯间串扰，但其空心结构过多，具有不稳定性，给光纤的实际制备带来很大挑战。单一沟槽辅助型结构由于掺杂工艺的局限，下陷层的折射率也得不到充分的降低，限制了串扰降低的效果。

发明内容

为了克服现有技术不足，本发明提出一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其结合了空气孔与沟槽两者的优势，在下陷沟槽中嵌入空气孔，结构设计方面，相比沟槽位于空气孔外部及沟槽位于空气孔内部两种设计，沟槽内嵌空气孔双辅助型结构更具有降低串扰的优势；且本发明结构呈正六边形排布，在光纤实际拉制中更容易制备，对于传输性能方面，一是利用空气孔与沟槽均可以降低串扰的优势，将两种降低芯间串扰方式结合，构成双辅助型结构，从而更好的抑制芯间串扰；二是避免空心结构过多对光纤结构稳定性带来的不利影响，同时还能减小芯间距，完成链路通信传输，从而提高光通信网络的传输容量与效率、提高光纤传输品质。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

本发明的一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，包括多个少模纤芯、每个少模纤芯从内到外依次设置有内包层和沟槽区域，在沟槽区域内嵌有空气孔，还设置有包围上述所有结构的外包层。

一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，包括多个少模纤芯，并且少模纤芯分为内芯和外芯，内芯位于串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤中心，外芯均布在内芯的四周，并呈正多边形排列；其中，每个少模纤芯外周面设置有内包层，在内包层外周面设置有沟槽区域，在沟槽区域内均布有数个空气孔，数个空气孔呈正多边形排布，还设置有包围上述所有结构的外包层。

进一步的，少模纤芯的数量≥3个。

进一步的，每个纤芯周围空气孔的数量优选为6个。

所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，为密集对称型多芯少模光纤。

进一步的，所述的少模纤芯采用石英(SiO₂)中掺杂高折射率材料，其折射率n₀，取值范围1.45～1.47；所述的高折射率材料为比石英的折射率高的材料，优选为GeO₂；

所述的内包层采用纯石英(SiO₂)，折射率为n₂，取值为1.444；

沟槽区域采用石英(SiO₂)中掺杂低折射率材料，其折射率为n_F，取值范围1.43～1.44；其中，低折射率材料为比石英折射率低的材料，优选为氟(F)；

所述的外包层采用纯石英(SiO₂)，折射率为n₂，取值为1.444。

进一步的，所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其少模纤芯半径为5～7μm，内包层的外半径为7～12μm，沟槽区域的外半径为10～25μm，包层的外半径为62.5～200μm。

进一步的，所述的沟槽区域的宽度>空气孔的直径。

进一步的，所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，相邻少模纤芯之间的芯间距为20～40μm。

进一步的，相邻空气孔之间的圆心距离和空气孔到少模纤芯中心的距离相等。

进一步的，所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，在在1550nm工作波段，所述少模纤芯支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁中至少两种线偏振模式的光信号。

所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其LP₀₁、LP₁₁芯间串扰<-110dB，LP₂₁、LP₀₂芯间串扰<-90dB，LP₃₁芯间串扰<-40dB。

所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，相邻线偏振模式之间的有效折射率差大于1×10^-3，因此，模间串扰可忽略。

所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其芯间串扰值<单一空气孔辅助型多芯少模光纤的芯间串扰值<单一沟槽辅助型多芯少模光纤的芯间串扰值。

所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，少模纤芯的高阶模对LP₀₁模式的差分模式群时延为8～27ps/m；少模纤芯的各阶线偏振模式的光信号在1550nm波段的模式色散为20～35ps/(nm·km)。

本发明与现有技术的优点在于：

本发明所述一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤结构中，在沟槽中嵌入空气孔，相比沟槽位于空气孔外部及沟槽位于空气孔内部两种设计，沟槽内嵌空气孔双辅助型结构更具有降低串扰的优势；且本发明结构呈正六边形排布，在光纤实际拉制中更容易制备，结构更稳定。

本发明所述一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤结构中，在沟槽中嵌入空气孔，不同于常规单一空气孔辅助型或单一沟槽辅助型结构，其既满足纤芯模式选择条件，也能辅助抑制芯间串扰，保证各个少模芯区之间的独立性。

本发明所述一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤结构的设计，相比单一空气孔辅助型结构和单一沟槽辅助型结构的芯间串扰更小，利用多芯光纤和少模光纤的空间信道，采用空气孔隔离兼沟槽双辅助型的结构设计，将光束很好地限制在纤芯内，更好地抑制了光纤的芯间串扰。

本发明所述一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤结构的设计，避免空心结构过多对光纤结构稳定性带来的不利影响，合理的改变光纤结构参数，同时还能减小芯间距，降低芯间串扰，完成链路通信传输，从而提高光通信网络的传输容量与效率、提高光纤传输品质。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤结构示意图和对应的折射率分布图；

图2为对比例1的单一空气孔辅助型多芯少模光纤结构示意图；

图3为对比例2的单一沟槽辅助型多芯少模光纤结构示意图；

图4为实施例1和对比例1-2中一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤(实施例1)、单一空气孔辅助型多芯少模光纤(对比例1)、单一沟槽辅助型多芯少模光纤(对比例2)模场分布对比图；

图5为实施例1和对比例1-2中一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤(实施例1)、单一空气孔辅助型多芯少模光纤(对比例1)、单一沟槽辅助型多芯少模光纤(对比例2)高阶模LP₃₁串扰随长度变化对比图。

图6为本发明实施例2的一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤改变纤芯距离后结构示意图和对应的折射率分布图；

图7为对比例3沟槽位于空气孔外部双辅助型多芯少模光纤与实施例2纤芯距离一致的结构示意图和对应的折射率分布图；

图8为对比例4沟槽位于空气孔内部双辅助型多芯少模光纤与实施例2纤芯距离一致的结构示意图和对应的折射率分布图；

图9为对比例3和对比例4和实施例2的高阶模LP₃₁串扰随长度变化对比图。

以上图中，图中，1为少模纤芯内芯，2为少模纤芯外芯，3为内包层，4为空气孔，5为沟槽区域，6为外包层，7为少模纤芯内芯的相邻纤芯。

具体实施方式

为使上述目的，优点更加易懂，下面将通过实施例及对比例并结合附图详细描述本发明一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤。

以下实例中，以优选的纤芯直径12μm的光纤为例，以下优选的实施例方案中：采用仿真软件为COMSOL。

实施例1

本实施例提供的一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，包括多个少模纤芯，多个少模纤芯分为少模纤芯内芯1，和设置在内芯的采用六方排布的少模纤芯外芯2，其构成七芯光纤，低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤的折射率呈阶跃式分布；每个少模纤芯外周面设置有内包层3，在内包层3外周面设置有沟槽区域5，在沟槽区域5内均布有6个空气孔4，空气孔4呈正六边形排布，还设置有包围上述所有结构的外包层6。

本实施例的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤的结构示意图和对应的折射率分布图见图1。

通过软件设置采用石英(SiO₂)中掺杂GeO₂的高折射率材料，作为少模纤芯材料，采用Sellmeier公式求得其折射率n₁＝1.4619；内包层3通过软件设置纯石英(SiO₂)的Sellmeier公式求得折射率n₂＝1.444；空气孔4折射率为1；沟槽区域5通过软件设置采用石英(SiO₂)掺杂氟(F)低折射率材料Sellmeier公式求得折射率n_F＝1.4394；外包层6采用纯石英(SiO₂)通过软件设置石英(SiO₂)的Sellmeier公式求得折射率n₂＝1.444。

一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，少模纤芯的直径为12μm，空气孔4直径为9.2μm，空气孔间距直径为28μm，内包层3直径为14.8μm，沟槽区域5的直径为41.2μm，少模光纤的外包层6直径为140μm。

本实施例提供一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，少模纤芯内支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个模式，此结构各阶模式模场分布图如图4所示，其中光纤五个模式间有效折射率差最小值为3.8×10^-3，即均满足大于1.0×10^-3的条件。因此，光纤纤芯内LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个线偏振模式保持弱耦合。LP₁₁-LP₀₁，LP₂₁-LP₀₁，LP₀₂-LP₀₁和LP₃₁-LP₀₁的差分群时延8.18ps/m，17.85ps/m，19.28ps/m，26.87ps/m。LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个模式的光信号在1550nm波长处的色散分别为20.97ps/(nm·km)、27.49ps/(nm·km)、33.34ps/(nm·km)、29.87ps/(nm·km)、30.69ps/(nm·km)。由于高阶模的功率分布大于基模功率分布即相邻纤芯高阶模之间串扰大于低阶模之间的串扰，所以此处仅考虑最高阶模LP31模式的芯间串扰。一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤串扰随传播长度关系如图5所示，传输长度为10km时，相邻纤芯LP₃₁模式之间串扰<-55dB。

对比例1

对比例1提供的单一空气孔辅助型多芯少模光纤结构与本发明实施例相比无沟槽结构。该结构支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个模式，此结构各阶模式模场分布图如图2所示，其中，光纤五个模式间有效折射率差最小值为3.62×10^-3，即均满足大于1.0×10^-3的条件。因此，光纤纤芯内LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个线偏振模式保持弱耦合。LP₁₁-LP₀₁，LP₂₁-LP₀₁，LP₀₂-LP₀₁和LP₃₁-LP₀₁的差分群时延7.92ps/m，16.98ps/m，17.7ps/m，23.71ps/m。LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个模式的光信号在1550nm波长处的色散分别为20.972ps/(nm·km)、26.51ps/(nm·km)、30.52ps/(nm·km)、24.91ps/(nm·km)、18.51ps/(nm·km)。单一空气孔辅助型多芯少模光纤传输长度为10km时相邻纤芯LP₃₁模式之间串扰<-23dB。

对比例2

本对比例提供的单一沟槽辅助型多芯少模光纤结构与本发明实施例相比无空气孔结构。该结构支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个模式，此结构各阶模式模场分布图如图3所示，其中光纤五个模式间有效折射率差最小值为3.64×10^-3，即均满足大于1.0×10^-3的条件。因此，光纤纤芯内LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个线偏振模式保持弱耦合。LP₁₁-LP₀₁，LP₂₁-LP₀₁，LP₀₂-LP₀₁和LP₃₁-LP₀₁的差分群时延8.13ps/m，17.55ps/m，18.68ps/m，26.07ps/m。LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁五个模式的光信号在1550nm波长处的色散分别为20.87ps/(nm·km)、27.01ps/(nm·km)、31.21ps/(nm·km)、25.68ps/(nm·km)、25.53ps/(nm·km)。单一沟槽辅助型多芯少模光纤传输长度为10km时相邻纤芯LP₃₁模式之间串扰<-18dB。

实施例2

本实施例提供的一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，包括多个少模纤芯，多个少模纤芯分为少模纤芯内芯1和设置在内芯采用六方排布的少模纤芯外芯2，其构成七芯光纤，低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤的折射率呈阶跃式分布；每个少模纤芯外周面设置有内包层3，在内包层3外周面设置有沟槽区域5，在沟槽区域5内均布有6个空气孔4，空气孔4呈正六边形排布，还设置有包围上述所有结构的外包层6。

本实施例的一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤改变纤芯距离后结构示意图和对应的折射率分布图见图6。

通过软件设置采用石英(SiO₂)中掺杂GeO₂的高折射率材料，作为少模纤芯材料，采用Sellmeier公式求得折射率n₁＝1.4619；内包层3通过软件设置石英(SiO₂)的Sellmeier公式求得折射率n₂＝1.444；空气孔4折射率为1；沟槽区域5通过软件设置采用石英(SiO₂)掺杂氟(F)低折射率材料Sellmeier公式求得折射率n_F＝1.4394；外包层6采用纯石英(SiO₂)通过软件设置石英(SiO₂)的Sellmeier公式求得折射率n₂＝1.444。

一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤纤芯区域的直径为12μm，空气孔直径为9.2μm，空气孔间距直径为28μm，芯间距直径为67.6μm，内包层直径为14.8μm，沟槽直径为41.2μm，少模光纤包层直径为140μm。

本实施例提供一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤的沟槽空气孔位置对比图串扰随传播长度关系如图9所示，一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤传输长度为10km时，相邻纤芯LP₃₁模式之间串扰<-120dB。

对比例3

对比例3提供的沟槽位于空气孔外部多芯少模光纤，其结构与本发明实施例2相比，沟槽与空气孔位置不同，其结构示意图见图7，在少模纤芯外周设置有内包层，在内包层外周设置有沟槽区域，在沟槽区域外周设置有6个空气孔，还设置有包围这些结构的外包层。沟槽位于空气孔外多芯少模光纤传输长度为10km时，相邻纤芯LP₃₁模式之间串扰<-110dB。

对比例4

对比例4提供的沟槽位于空气孔内部多芯少模光纤，其结构与本发明实施例2相比，沟槽与空气孔位置不同，其结构示意图见图8，在少模纤芯外周设置有内包层，在内包层上设置有空气孔，在内包层外周设置有沟槽区域，还设置有包围这些结构的外包层。沟槽位于空气孔内多芯少模光纤传输长度为10km时，相邻纤芯LP₃₁模式之间串扰<-100dB。

Claims (10)

1.一种低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，该低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤包括多个少模纤芯、每个少模纤芯从内到外依次设置有内包层和沟槽区域，在沟槽区域内嵌有空气孔，还设置有包围上述所有结构的外包层。

2.根据权利要求1所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，多个少模纤芯分为内芯和外芯，内芯位于串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤中心，外芯均布在内芯的四周，并呈正多边形排列；其中，每个少模纤芯外周面设置有内包层，在内包层外周面设置有沟槽区域，在沟槽区域内均布有数个空气孔，数个空气孔呈正多边形排布，还设置有包围上述所有结构的外包层。

3.根据权利要求1或2所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，少模纤芯的数量≥3个。

4.根据权利要求1或2所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，每个纤芯周围空气孔的数量为6个。

5.根据权利要求1或2所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，所述的少模纤芯采用石英中掺杂高折射率材料，其折射率n₀，取值范围1.45～1.47；所述的高折射率材料为比石英的折射率高的材料，具体为GeO₂；

所述的内包层采用纯石英，折射率为n₂，取值为1.444；

沟槽区域采用石英中掺杂低折射率材料，其折射率为n_F，取值范围1.43～1.44；其中，低折射率材料为比石英折射率低的材料，具体为氟；

所述的外包层采用纯石英，折射率为n₂，取值为1.444。

6.根据权利要求1或2所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其少模纤芯半径为5～7μm，内包层的外半径为7～12μm，沟槽区域的外半径为10～25μm，包层的外半径为62.5～200μm；其中，沟槽区域的宽度>空气孔的直径。

7.根据权利要求1或2所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，相邻少模纤芯之间的芯间距为20～40μm。

8.根据权利要求1或2所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，在在1550nm工作波段，所述少模纤芯支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂、LP₃₁中至少两种线偏振模式的光信号。

9.根据权利要求1或2所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其LP₀₁、LP₁₁芯间串扰<-110dB，LP₂₁、LP₀₂芯间串扰<-90dB，LP₃₁芯间串扰<-40dB；

所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，相邻线偏振模式之间的有效折射率差大于1×10^-3，因此，模间串扰可忽略。

10.根据权利要求1或2所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，其特征在于，所述的低串扰沟槽内嵌空气孔双辅助型多芯少模光纤，少模纤芯的高阶模对LP₀₁模式的差分模式群时延为8～27ps/m；少模纤芯的各阶线偏振模式的光信号在1550nm波段的模式色散为20～35ps/(nm·km)。

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