CN112099133B - 一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤 - Google Patents

一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤 Download PDF

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Abstract

一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，属于光纤通信技术领域。该具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，包括包层和设置在包层内的纤芯，其中，纤芯的折射率>包层的折射率，在光纤截面，纤芯的折射率为斜坡型折射率分布，纤芯的折射率关于光纤水平直径在其两侧呈对称斜坡式分布。通过改变纤芯材料折射率的分布来降低不同阶模式甚至简并模式之间的耦合，减小模间串扰，进而有效扩充了少模光纤的信息传输容量。相比于非圆对称纤芯结构的光纤来说，可以与目前常规圆芯光纤很好地对接。与当前多芯光纤结合，还可以成倍地扩大光纤可用的信道数量。

Description

一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，本发明涉及一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤。
背景技术
近年来，移动互联网、云计算、大数据等技术的飞速发展，全球对网络容量的需求都在迅猛增长。而空间维度作为信息承载的新资源，能够部分解决网络容量供需问题。空间维度的复用，简称为空分复用，而空分复用技术中的模分复用技术被认为是扩充当前单模光纤通信系统容量的有效途径，其两种主要实现方案分别为强耦合与弱耦合，早期国际上所用的少模光纤基本上都是强耦合光纤，往往传输一段很短的距离，模式间就会发生耦合，这就需要采用相干检测和多输入多输出DSP技术来对传输的信号进行解复用，尽管可以实现，但由模间色散造成的各模式传输信道时延差极大，需要极其庞大的计算复杂度，这对现有的集成电路水平来说也是很大的考验。由此可见，模分复用还是应该将重心放在弱耦合方案，即尽可能的抑制光纤或相关器件的模间串扰，使各个模式承载的信号独立传输。
弱耦合模分复用技术主要依赖于少模光纤(Few-Mode Fiber，FMF)，少模光纤通过增加纤芯半径或者提高纤芯的材料折射率来增加纤芯所支持的模式数量，从而实现多信道同时传输，进而扩充通信系统的容量。由于光纤中支持的不同模式的传输速率不同，导致模式之间差分信号时延各不相同。在少模光纤通信系统中，多输入-多输出(MIMO)技术得到广泛应用，其设备复杂程度与模式之间的差分模式时延(Differential Mode Delay，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，但是渐变折射率少模光纤并没有改善个别阶导模之间耦合较强的情况(LP21模和LP02模)；另外一种降低MIMO复杂度的方式是设计弱耦合少模光纤。阶跃折射率剖面为基础的弱耦合少模光纤可以降低模式之间的耦合，但由于制备工艺的局限，其简并模式之间的耦合较强。同阶模式比如LP11模，原本的简并度是4，包含LP11ax，LP11ay，LP11bx和LP11by四个偏振光，在常规光纤中因该四个偏振光有效折射率十分相近，通常只作为1个传输信道，若可以把LP11ax，LP11ay和LP11bx，LP11by分开，即打破LP11a和LP11b之间的简并，这样可以同时作为两个信息传输通道，从而增加纤芯的复用度。
弱耦合少模光纤的设计关键的两点主要是传输模式的数量和相邻模式之间的有效折射率差。这两点分别代表同时传输信号的通道数量和模式之间耦合程度。相关研究表明，满足所有相邻模式之间的有效折射率差大于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。弱耦合少模光纤中大于4个的线偏振模数量和大于1×10-3的相邻模式有效折射率差是其能否有效扩大通信容量和质量的关键。
目前常见的弱耦合少模光纤实现方式主要有：
1.增加有效折射率差：这是最简单也是最容易的方式，增加纤芯的有效折射率可以很显著地增加相邻模式的有效折射率差，但对简并模式没有明显的效果，而且高掺杂也对制备工艺提出了相当大的挑战，还会造成传输损耗的增加；
2.环辅助结构：在纤芯特定区域添加高折射率或低折射率环，可以实现调整模式有效折射率的目的，从而减小不同阶模式之间的耦合，但对于简并模式效果并不明显；
3.环芯结构：纤芯设计为环形结构，该结构改变了所支持模式出现的顺序与数量，尽管有效的增加了相邻模式的有效折射率差，但同时在一定程度上牺牲了支持模式的数量；
4.非圆对称结构：采用椭圆或三角形纤芯来打破模式之间的简并度，同时也可以增大LP21与LP02模式之间较强的耦合，但由于纤芯形状具有特殊性，与常规圆心纤芯光纤对接时会产生较大的耦合损耗。
发明内容
针对目前已有空分复用技术中的模分复用技术，其存在的改进空间，本发明设计一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，通过改变纤芯材料折射率的分布来降低不同阶模式甚至简并模式之间的耦合，减小模间串扰，进而有效扩充了少模光纤的信息传输容量。相比于非圆对称纤芯结构的光纤来说，可以与目前常规圆芯光纤很好地对接。与当前多芯光纤结合，还可以成倍地扩大光纤可用的信道数量。通过仿真模拟，显现出该发明具有减弱模间耦合方面的优势。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
本发明的一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，包括包层和设置在包层内的纤芯，其中，纤芯折射率最大值>纤芯折射率最小值≥包层的折射率，在光纤截面，纤芯的折射率为斜坡型折射率分布，纤芯的折射率关于光纤水平直径在其两侧呈对称斜坡式分布。
所述的纤芯的斜坡型折射率分布满足且不限于半抛物线函数、一次函数和指数函数，此处仅以三个典型的凸函数、线性函数和凹函数为例说明。
所述的纤芯的斜坡型折射率分布的函数表达式为：
半抛物线函数：
ncore＝(nd-n1)/(4×a2)×(x+a)2+n1
一次函数：
ncore＝(nd-n1)/(2×a)×(x+a)+n1
指数函数：
ncore＝(nd-n1)/(b-a-ba)×(b-x-ba)+n1
上述式中：ncore为纤芯的斜坡型折射率分布函数，a为纤芯半径，n1为纤芯的折射率最大值，nd为纤芯的最小折射率，x为光纤截面的横坐标，坐标原点处于光纤截面的圆心，b(0<b<1)为指数函数的底数。
所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，纤芯的折射率最大值为n1，n1取值范围为1.45～1.47。
所述的纤芯，其材质选用掺杂高折射率材料的石英(SiO2)玻璃棒，其中，沿光纤截面水平直径方向，高折射率材料的掺杂浓度逐渐增加，根据实际指标要求从一个基础掺杂浓度开始增加，保证沿光纤截面水平直径的两端的折射率值存在差值，使得纤芯区域的折射率呈斜坡分布，该差值范围Δ1-Δ2＝(n1-n0)/n0-(nd-n0)/n0为0.72％～2％；其中，n1为纤芯的折射率最大值，nd为纤芯的折射率最低值，n0为包层折射率。
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。
所述的包层，其材质选用纯石英(SiO2)，其折射率为n0，在1.55μm波长处n0取值为1.444。
所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其包层的直径优选为125μm～160μm，纤芯的直径优选为12μm～20μm。
所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其耦合较强的简并模式LP11a和LP11b之间的有效折射率差为10-3量级，LP21a和LP21b之间的有效折射率差为10-4量级。
所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，耦合较强的非简并模式如LP21和LP02之间的有效折射率差为10-3量级。
所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其斜坡型折射率分布结构中各高阶模式与LP01模在1550nm处的DMD为-1.392～5.857ps/m；
本发明的一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：设计光纤结构
根据需要的模式数量采用有限元软件进行模式分析，从而确定纤芯尺寸；
步骤2：
通过改变纤芯中GeO2的掺杂量，使得纤芯折射率沿纤芯直径方向递增，将纤芯区域外设置为包层，得到具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤。
与现有技术相比，本发明的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其优势是：
1、本发明的一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，纤芯的折射率分布不是常规的圆对称阶跃或渐变分布，本发明少模光纤的斜坡型折射率分布，对于常规阶跃光纤而言具有更弱的模间耦合，更小的模间串扰，进而有效扩充了少模光纤的信息传输容量。本发明通过对纤芯折射率分布进行特殊设计，使得纤芯区域折射率关于纤芯直径在其两侧呈对称斜坡式分布，通过改变纤芯的折射率分布函数使纤芯折射率沿纤芯直径方向递增，从而使得光功率的能量分布在纤芯中传输时，模式因非圆对称的折射率分布而发生改变，从而打破诸如LP11、LP21模式的简并，还可以增大耦合较强的非简并模式如LP21和LP02模式之间的有效折射率差，从而减弱模式之间的耦合，增加单纤芯能实际使用的独立传输信道的数量，实现更大容量的通信光纤。
2、对于现有技术而言，可以打破模式简并的几何结构只有非圆对称纤芯(比如椭圆、三角形纤芯)，而此类光纤与常规圆芯光纤具有较大的对接损耗，本发明的光纤纤芯几何为常规的圆形，因而其对接损耗小；可以减弱LP21与LP02模式之间耦合的常见结构是环辅助光纤，然而该结构又无法减弱简并模之间的耦合。本发明同时具备两者的优势，在所需独立传输信道数量大于4的需求下具有较高的应用价值。
3、本发明结构简单，减弱模间耦合效果好，只需对纤芯预制棒的折射率分布进行定制即可用传统方法进行制备。
附图说明
图1为提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤的端面结构示意图，图中附图标记的含义为：101-纤芯；102-包层。
图2为实施例1提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤对应折射率分布图。
图3为提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤支持的各阶模式模场图，从左到右、从上到下依次为LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02模式。
图4为LP21a模式在斜坡折射率的斜率逐渐减小的情况下的演变过程。
图5为LP02模式在斜坡折射率的斜率逐渐减小的情况下的演变过程。
图6为提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤不同模式之间的有效折射率差。
图7为作为对比的常规阶跃型少模光纤不同模式之间的有效折射率差。
图8为实施例2提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤对应折射率分布图。
图9为实施例3提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤对应折射率分布图。
图10为实施例4提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤对应折射率分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，这些实施方式仅起说明性作用，并不用于限定本发明。
以下实施例中，在进行设计具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤时，若保持阶跃型和斜坡型两种结构的纤芯折射率最大值相同，会发现两者同阶模式的有效折射率相差较大，从原理上来讲，斜坡型折射率纤芯的高折射率区域比常规阶跃型纤芯小，对光的束缚能力较弱，因此为了尽量在相同条件下比较，适当增加斜坡折射率的峰值，确保两者基模模式的有效折射率相近甚至相等。
实施例1
本实施例中以单芯具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤为例。
一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其结构示意图见图1，包括纤芯101和包层102。
纤芯101采用掺杂高折射率材料的石英玻璃棒，本实施例采用的高折射率材料为GeO2，包层102为纯石英玻璃，包层102的折射率n0＝1.444，纤芯101的折射率最大值n1与包层折射率n0之间的相对折射率差(n1-n0)/n0＝0.95％，本实施例中的高折射率材料GeO2的掺杂浓度沿光纤截面，直径的一端从0开始增加，即nd＝n0，纤芯101直径16μm，作为对比的常规阶跃光纤纤芯折射率n2与包层折射率n0之间相对折射率差为(n2-n0)/n0＝0.75％，包层102直径均为125μm，本实施例的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤对应折射率分布图见图2。
使用全矢量有限元法分别对提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤和常规阶跃型少模光纤进行模式分析，计算各阶模式的有效折射率，并在此基础上得到相邻模式之间的有效折射率差以及高阶模与基模之间的DMD，其中，具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤支持的各阶模式模场图见图3。
提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤在计算得到的电场分布中，LP21a与LP02模式电场的功率分布变化很大，甚至和圆芯光纤中对应的线偏振模有很大不同，对此做适当说明。使用与本例相同的参数，逐渐减小斜坡折射率的斜率直至与阶跃折射率分布相同，观察相应模式在斜率变化过程中的演变过程，图4显示了LP21a模式的演变过程，图5为LP02的演变过程。从图中可以看出，相关模式虽然能量分布发生了改变，但其整体形状由于被束缚在圆心纤芯中仍呈圆形，且仍属于对应的线偏振模式。
提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤中，相邻模式之间的有效折射率差在1550nm处分别为LP11a-LP01＝2.45×10-3，LP11b-LP11a＝1.30×10-3，LP21a-LP11b＝2.12×10-3，LP21b-LP21a＝4.26×10-4和LP02-LP21b＝1.34×10-3；对应地，在阶跃型结构少模光纤中，相邻模式之间的有效折射率差在1550nm处分别为LP11a-LP01＝2.06×10-3，LP11b-LP11a＝7.13×10-6，LP21a-LP11b＝2.65×10-3，LP21b-LP21a＝7.80×10-6和LP02-LP21b＝8.30×10-4。其中，LP21a与LP21b之间的有效折射率差没有达到串扰可以忽略的10-3量级，可以根据实际需要将其作为一个信道传输信息。斜坡型折射率分布结构的有效折射率差随工作波长的变化曲线如图6所示，阶跃结构的有效折射率差随工作波长的变化曲线如图7所示。
以上说明，相较于传统阶跃光纤，本发明的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，对耦合较强的简并模如LP11a和LP11b之间的有效折射率差从10-6量级增大到10-3量级，LP21a和LP21b之间的有效折射率差从10-6量级增大到10-4量级。对于耦合较强的非简并模如LP21和LP02之间的有效折射率差从10-4量级增大到10-3量级。
提出的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤中，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02模式与LP01模在1550nm处的DMD分别为3.058ps/m，0.272ps/m，5.857ps/m，3.483ps/m和-1.392ps/m；对应地，在常规阶跃结构中LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02模式与LP01模在1550nm处的DMD分别为4.481ps/m，4.532ps/m，9.548ps/m，9.621ps/m和9.908ps/m。说明本实施例中，斜坡型折射率分布光纤中各高阶模式与LP01模在1550nm处的DMD为-1.392～5.857ps/m；对应地，在常规阶跃结构光纤中各高阶模式与LP01模在1550nm处的DMD为4.481～9.908ps/m。
本实施例，通过改变纤芯的折射率分布，可以显著增大各阶模式甚至部分简并模之间的有效折射率差，从而降低不同模式之间的耦合，进一步减小模间串扰。
实施例2
一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，同实施例1，包括包层和设置在包层内的纤芯，其中，纤芯折射率最大值>纤芯折射率最小值≥包层的折射率，在光纤截面，纤芯的折射率为斜坡型折射率分布，纤芯的折射率关于光纤水平直径在其两侧呈对称斜坡式分布；不同之处在于：其中，本实施例中的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤对应折射率分布图见图8，其分布函数基于一次函数。
实施例3
一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，同实施例1，包括包层和设置在包层内的纤芯，其中，纤芯折射率最大值>纤芯折射率最小值≥包层的折射率，在光纤截面，纤芯的折射率为斜坡型折射率分布，纤芯的折射率关于光纤水平直径在其两侧呈对称斜坡式分布；不同之处在于：其中，本实施例中的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤对应折射率分布图见图9，其分布函数基于底数为e的指数函数。
实施例4
一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，同实施例1，包括包层和设置在包层内的纤芯，其中，纤芯折射率最大值>纤芯折射率最小值≥包层的折射率，在光纤截面，纤芯的折射率为斜坡型折射率分布，纤芯的折射率关于光纤水平直径在其两侧呈对称斜坡式分布；不同之处在于：本实施例中的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤对应折射率分布图见图10，其中nd>n0。

Claims (9)

1.一种具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，包括包层和设置在包层内的纤芯，其特征在于，纤芯的折射率>包层的折射率，在光纤截面，纤芯的折射率为斜坡型折射率分布，纤芯的折射率关于光纤水平直径在其两侧呈对称斜坡式分布；
所述的纤芯，其材质选用掺杂高折射率材料的石英玻璃棒，其中，沿光纤截面水平直径方向，高折射率材料的掺杂浓度逐渐增加，根据实际指标要求从一个基础掺杂浓度开始增加，保证沿光纤截面水平直径的两端的折射率值存在差值，使得纤芯区域的折射率呈斜坡分布，该差值范围Δ1-Δ2＝(n1-n0)/n0-(nd-n0)/n0为0.72％～2％；其中，n1为纤芯的折射率最大值，nd为纤芯的折射率最低值，n0为包层折射率。
2.根据权利要求1所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其特征在于，所述的纤芯的斜坡型折射率分布满足且不限于半抛物线函数、一次函数和指数函数。
3.根据权利要求2所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其特征在于，所述的纤芯的斜坡型折射率分布的函数表达式为：
半抛物线函数：
ncore＝(nd-n1)/(4×a2)×(x+a)2+n1
一次函数：
ncore＝(nd-n1)/(2×a)×(x+a)+n1
指数函数：
ncore＝(nd-n1)/(b-a-ba)×(b-x-ba)+n1
上述式中：ncore为纤芯的斜坡型折射率分布函数，a为纤芯半径，n1为纤芯的折射率最大值，nd为纤芯的最小折射率，x为光纤截面的横坐标，坐标原点处于光纤截面的圆心，b为指数函数的底数，其中，0<b<1。
4.根据权利要求1所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其特征在于，所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，纤芯的折射率最大值为n1，n1取值范围为1.45～1.47。
5.根据权利要求1所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其特征在于，所述的包层，其材质选用纯石英，其折射率为n0，在1.55μm波长处n0取值为1.444。
7.根据权利要求1所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其特征在于，所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其包层的直径为125μm～160μm，纤芯的直径为12μm～20μm。
8.根据权利要求1所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其特征在于，所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其耦合较强的简并模式LP11a和LP11b之间的有效折射率差为10-3量级，LP21a和LP21b之间的有效折射率差为10-4量级；
所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，耦合较强的非简并模式LP21和LP02之间的有效折射率差为10-3量级。
9.根据权利要求1所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其特征在于，所述的具有斜坡型折射率分布的弱耦合少模光纤，其斜坡型折射率分布结构中各高阶模式与LP01模在1550nm处的DMD为-1.392～5.857ps/m。
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