CN112346170B - 基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于空分‑模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，属于通信光纤领域，光纤横截面内包括13个少模纤芯；所述的少模纤芯从内而外依次相间分布有少模芯区、两个石英包层和两个沟槽包层；单个少模纤芯的传输模式数量为5‑8个；其中一个少模纤芯放置在光纤横截面的正中心，其余12个少模纤芯以双环排布中心对称方式分布在中心少模纤芯四周，任意相邻的三个少模纤芯等距。本申请的多芯少模光纤通过调整纤芯直径、纤芯间距、控制材料折射率差、沟槽深度和宽度，调整优化光纤性能，并尽可能减小光纤尺寸，在此基础上控制芯间/模间串扰及差分模式群时延，以满足通信要求，提高通信容量。

Description

基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，具体是一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤。

背景技术

自1970年康宁公司制造出第一根光纤开始，光纤通信技术得到了飞速的发展，光纤通信已成为当今信息化社会的基石。随着社会对信息需求的日益增长，如今的光纤通信系统正向超高速大容量长距离发展，然而在现有技术下实现的渐进式性能提升已经逼近了传统单模物理信道的容量极限。自上个世纪90 年代以来，全球光纤通信网络的传输容量紧跟社会对信息的需求量迅速攀升，以每年40％～60％的速率增长，急需创新性、革命性光纤技术打破传统光纤的传输极限。目前，光纤传输网络中使用着多种信息复用技术，包括偏振复用、时分复用、波分复用和相干探测技术的振幅-相位正交多路复用技术等。现用的复用技术可供挖掘的潜力基本耗尽，传输容量进一步的增长空间已变得非常狭窄，为了提高光纤的传输容量，基于光纤物理层复用维度中的空间维度，研究并开发空分-模分复用成为光纤通信技术的必然选择，而空分-模分复用技术作为解决光纤传输容量问题的方法之一正处于研究初期，空分-模分技术在理论上可以在现有通信系统下有效提高光纤的传输容量和传输速度，实现高于普通单模光纤数倍以上的传输容量和传输速度，可以有效解决光纤传输容量受限问题，因此基于空分/模分复用技术的光纤将成为未来光纤通信和发展的主力军。

空分-模分复用技术的主要实现方式是在单根光纤中设置多个独立纤芯(即多芯光纤)，或者在单个纤芯内同时传输多个相互独立的模式(即少模光纤)。多芯光纤是在同一光纤包层中分布多个纤芯同时传输信号，相比于单芯光纤可以将传输容量提高数倍。用于长距离传输的多芯光纤又称为弱耦合型多芯光纤，其纤芯间距较大，纤芯间能量耦合较小，在芯间串扰满足传输标准的情况下，可被用于长距离传输。少模光纤可以支持除LP01模式以外的多个模式，但模式数有上限，这些可独立传输模式可以极大提高光纤容量。对于少模光纤要尽可能地增大纤芯内不同模式之间的差分模式群时延，以防止出现较大的模间色散。

为了抑制多芯光纤纤芯之间的串扰，目前主要有三种光纤设计结构：空气孔辅助结构，纤芯异质结构和沟槽辅助结构。空气孔辅助结构是在纤芯周围环绕多个空气孔，将能量限制在纤芯中，以此来抑制芯间串扰。但是空气孔结构在拉制过程中空气孔可能会出现塌陷，导致光纤结构产生缺陷。纤芯异质结构是在相邻纤芯中设置不同的纤芯折射率和直径，从而引起纤芯中信号传播常数差异，减小相邻纤芯中的能量耦合，从而抑制芯间串扰。但是异质结构会引起较大的群时延，增大了解复用的难度。沟槽辅助结构是在纤芯外环绕低折射率沟槽结构，从而减小纤芯间的能量耦合，获得较好的芯间串扰抑制能力。沟槽辅助结构在制造和光纤性能方面都具有明显的优势，采用沟槽辅助结构设计多芯少模光纤更具有优势。而双沟槽辅助结构是在纤芯外围环绕两层沟槽结构，相比于单沟槽结构，可以提高抑制芯间能量耦合的能力，以及抑制非线性系数等优势。

发明内容

针对目前通信光纤传输容量趋于上限，传输速度逐渐满足不了实际需求的问题，本发明基于光纤物理层复用维度中使用较少的空间维度，设计了一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，该光纤可以通过设计调整少模芯区直径、相邻芯间距、石英包层宽度、沟槽包层宽度，控制材料的折射率差，保证每个少模纤芯传输模式数量为5-8个，在此基础上控制芯间串扰、模间串扰和差分模式群时延，并尽可能的控制光纤尺寸，扩大光纤通信容量，达到通信光纤标准。在多芯少模微结构光纤器件理论和技术的基础上，满足通信光纤的尺寸要求、抑制串扰水平及扩大传输容量。该方法可以有效解决传统光纤的容量抵达上限问题，以实现实用化的高速、大容量全光通信网络。

本发明是一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，该光纤基底区域包含多个少模纤芯，其包括少模芯区、石英包层区域和沟槽包层区域，每个少模芯区外围依次相间排布两个石英包层和两个沟槽包层，环绕在少模芯区外围；每个少模纤芯的传输模式数量为5-8个；其中，一个少模纤芯放置在光纤基底区域的正中心位置，其余的少模纤芯以双环中心对称结构向外延伸排布，任意相邻的的三个少模纤芯等距。

所述的少模纤芯数量优化设置为13个少模纤芯，13个少模纤芯以双环中心对称方式排布。

所述的石英包层和沟槽包层相间环绕在每个少模芯区外围。

所述的双沟槽多芯少模光纤为阶跃折射率结构，少模芯区的材质选用掺锗石英玻璃；石英包层选用纯石英玻璃；沟槽包层选用掺氟石英玻璃；光纤基底区域选用纯石英材料。

作为优化设置，所述的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，双沟槽环绕型多芯少模光纤是全固型光纤，其中一个少模纤芯放置在光纤基底包层区域的正中心，其余12个少模纤芯以双环中心对称方式排布，每一环均匀分布6个少模纤芯；其中，第一环少模纤芯呈正六边形结构均匀排布在正中心少模纤芯四周，第二环少模纤芯以六芒星形状结构均匀排列在第一环少模纤芯外围，任意相邻的三个少模纤芯间距相等。

作为优化设置，所述的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤的直径为125-250μm，少模芯区直径为10-30μm，石英包层厚度为2-4μ m，沟槽包层厚度为3-6μm；相邻少模纤芯的间距为32-43μm。

所述的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，通过调整该光纤的少模芯区、石英包层，沟槽包层区域三者的折射率差和包层宽度，保证每一个少模纤芯的传输模式数量为5-8个,在此基础上尽可能的减小光纤尺寸，达到通信标准，提高通信容量。

所述的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，在通信波段，每个少模纤芯支持LP01,LP11,LP21,LP02,LP31等至少5种传输模式，即每个少模纤芯支持LP01,LP11x,LP11y,LP21x,LP21y,LP02,LP31x和LP31y 等8个以上空间线偏振模式的光信号稳定传输。

所述的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，任意传输模式之间的有效折射率差大于1×10^-3，有效抑制模式之间的串扰。

所述的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，传输60km 后，相邻少模纤芯的芯间串扰小于-50dB。

所述的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，少模芯区中所有传输模式在1.55μm窗口损耗均不大于0.5dB/km；少模纤芯中各个传输模式间的差分模式群时延小于40ps/m。

与现有技术相比，本发明设计的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤其优势在于：

(1)与传统多芯少模光纤相比，提出在纤芯周围设置双沟槽环绕包层以增强对模场的约束，减小芯间/模间串扰，保持低串扰、低损耗，实现基于空分- 模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤。

(2)采用优化设置纤芯直径、沟槽包层的折射率和几何参数相结合的多芯少模光纤设计方法，控制光纤的差分模式群时延，解决多芯少模光纤芯间/模间串扰高的问题，实现低串扰多芯少模光纤。

(3)采用双沟槽环绕型结构，相比于空气孔结构，可以避免制备过程中因空气孔塌陷产生的误差，有效降低制备难度，减小光纤在拉制过程中产生的误差，提高生产质量；相比于单沟槽结构可以有效抑制能量耦合，有效降低非线性系数。

(4)采用双沟槽环绕型的多芯少模光纤，在达到通信标准，保证传输容量的基础上，可以有效控制纤芯尺寸，使整根光纤的外径控制在250μm以内。

(5)通过多纤芯及其增加传输模式数量可以有效扩充传输容量。

附图说明

图1为本发明一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤截面示意图；

图2为本发明一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤相邻两个少模纤芯折射率分布示意图；

图3为本发明实施例1中的串扰随传输距离变化图；

图4为本发明实施例4中的仿真分析多芯少模光纤LP01传输模式图；

图5为本发明实施例4中的仿真分析多芯少模光纤LP11传输模式图；

图6为本发明实施例4中的仿真分析多芯少模光纤LP21传输模式图；

图7为本发明实施例4中的仿真分析多芯少模光纤LP02传输模式图；

图8为本发明实施例4中的仿真分析多芯少模光纤LP31传输模式图；

图9为本发明实施例4中LP01-LP11、LP11-LP21、LP21-LP02、LP02-LP31 四组有效折射率差随波长的变化；

图10为本发明实施例4中的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤串扰随波长变化图，纵坐标为芯间串扰，横坐标为波长；

图11为本发明实施例4中的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤MDGD随波长变化图，纵坐标为MDGD，横坐标为波长；

图12为本发明实施例中一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤预制棒排管截面示意图；

其中，1、少模芯区，2、石英内包层，3、沟槽内包层；4、石英外包层， 5、沟槽外包层，6、少模纤芯，7、光纤基底，a、少模芯区半径，b₁、石英内包层宽度，c₁、沟槽内包层宽度，b₂、石英外包层宽度，c₁、沟槽外包层宽度，d、芯间距，Δ₁、少模芯区与石英包层相对折射率差，Δ₂、沟槽包层与石英包层相对折射率差。

具体实施方式

一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，包括光纤基底区域7及在光纤基底区域7中心对称方式排布的多个少模纤芯6，少模纤芯由内而外依次分布有少模芯区1、石英内包层2、沟槽内包层3、石英外包层4和沟槽外包层5；沟槽内包层3与沟槽外包层5是具有相同折射率的沟槽结构；每个少模纤芯的传输模式数量为5-8个。

少模纤芯6的数量为13个，其中一个少模纤芯6设置在光纤基底区域7的正中心，其余12个少模纤芯6以双环中心对称的排布方式排列在正中心少模纤芯6四周，每环排列6个少模纤芯6，任意相邻的三个少模纤芯6等距。

所述的少模光纤6为阶跃折射率结构，少模芯区1的材料为掺锗石英玻璃；石英内包层2和石英外包层4为纯石英玻璃；沟槽内包层3和沟槽外包层5为掺氟石英玻璃；光纤基底区域7选用纯石英材料。

少模芯区1与石英内包层2和石英外包层4的相对折射率差为1％～2％，沟槽内包层3和沟槽外包层5与石英内包层2和石英外包层4的相对折射率差为 -1～-0.5％。每个少模纤芯6任意传输模式之间的有效折射率差均大于1×10^-3。

如图2所示的本发明一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤相邻两个少模纤芯折射率分布示意图，图中，a、少模芯区半径，b₁、石英内包层宽度，c₁、沟槽内包层宽度，b₂、石英外包层宽度，c₂ 、沟槽外包层宽度，d、芯间距，单位为μm；Δ₁、少模芯区与石英包层相对折射率差，Δ₂、沟槽包层与石英包层相对折射率差，光纤基底为纯石英材料。

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。

实施例1

本实例提供的一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，纤芯采用阶跃折射率分布设计，本实施例的双沟槽环绕型多芯少模光纤包层区域共分布13个少模纤芯，少模芯区直径为12μm，石英包层宽度b₁为2μ m，b₂为2μm，沟槽内包层宽度c₁为3μm，沟槽外包层宽度c₂为3μm，纤芯间距d为35μm，光纤外径为160μm。

所述少模芯区为掺锗石英材料，折射率为1.46855，与纯石英材料相对折射率差Δ₁为1.7％；石英包层为纯石英材料，折射率为1.444；沟槽包层为掺氟石英材料，折射率为1.42956，与纯石英材料相对折射率差Δ₂为-1％，以上均为 1.55μm处的折射率。

本实施例的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，相邻纤芯芯间串扰用下式进行表征：

其中，XT为串扰，h是相邻纤芯的功率耦合系数，Z为光纤的传输距离。理论上设计优化多芯少模的结构参数，传输60km后，使相邻少模纤芯的芯间串扰小于-50dB，为后续制备进行理论指导，保证光信号的长距离传输。

本实施例的基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，各传输模式间的差分模式群时延(DMGD)通过各个高阶模式的群时延与基模的群时延相减进行表征，即

其中，DMGD为差分模式群时延，n_eff，mn为高阶模式的有效折射率，n_eff，01为基模有效折射率，λ为波长，c为光速。优化多芯少模光纤的参数，得到不同波长各模式的有效折射率计算得到各模式相对基模的差分模式群时延。为控制模式间的串扰，有效提取模式信息，控制差分模式群时延小于40ps/m。

其中光纤的5个模式之间的有效折射率差均大于1.657×10^-3，传输60km 后，该光纤在1.55μm波长处的相邻纤芯5个模式串扰分别为-99.613dB、 -88.41dB、-76.161dB、-64.277dB、-51.467dB，串扰随距离变化如图3所示。

LP01、LP11、LP21、LP02和LP31传输模式在1.55μm波段的非线性系数分别为0.0012562W^-1*m^-1、0.0013644W^-1 *m^-1、0.0014403W^-1*m^-1、0.0021905W^-1*m^-1和0.0023357W^-1*m^-1。在1.55μm波段，LP11、LP21、LP02、LP31与LP01的差分群时延为8.93ps/m、20.08ps/m、22.82ps/m、32.18ps/m。

实施例2

本实例提供的一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，纤芯采用阶跃折射率分布设计，其设计13个少模纤芯；本实施例的双沟槽环绕型多芯少模光纤基底区域共分布13个少模纤芯，少模芯区直径为10μm，石英包层宽度b₁为2μm，b₂为2μm，沟槽内包层宽度c₁为5μm，沟槽外包层宽度c₂为5μm，纤芯间距d为40μm，光纤外径为180μm。

所述少模芯区为掺锗石英材料，折射率为1.4671，与纯石英材料相对折射率差Δ₁为1.6％；石英包层为纯石英材料，折射率为1.444；沟槽包层为掺氟石英材料，折射率为1.42956，与纯石英材料相对折射率差Δ₂为-1％。以上均为 1.55μm处的折射率。

其中光纤的5个模式之间的有效折射率差均大于2.0538×10^-3，传输60km 后，该光纤在1.55μm波长处的相邻纤芯串扰为-130.17dB、-135.89dB、 -114.30dB、-98.543dB、-63.688dB。

LP01、LP11、LP21、LP02和LP31传输模式在1.55μm波段的非线性系数分别为0.001699W^-1*m^-1、0.0019137W^-1*m^-1、0.0034537W^-1*m^-1、0.0030356W^-1*m^-1和 0.0031922W^-1*m^-1。相比于实施例1，本实例串扰大幅下降，但是非线性系数却有略微上升。

实施例3

本实例提供的一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，其预制棒结构示意图如图12所示，包括13个少模纤芯，每个少模纤芯的传输模式数为5个；一个少模纤芯6放置在光纤正中心，其余12个少模纤芯以双环结构中心对称方式排布，每一环均匀分布6个少模纤芯；其中，第一环少模纤芯呈正六边形结构排布在正中心少模纤芯四周，第二环少模纤芯以六芒星形状结构均匀排列在第一环少模光纤外围。少模纤芯通过掺锗或掺氟来实现折率的升高与降低，可采用气相沉积法制作少模纤芯，光纤基底区域全部由实心石英棒填充，外部套有一个纯石英玻璃管。

实施例4

本实例提供的一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，纤芯采用阶跃折射率分布设计，其设计13个少模纤芯；本实施例的双沟槽环绕型多芯少模光纤基底区域共分布13个少模纤芯，少模芯区直径为12μm，石英包层宽度b₁为2μm，b₂为2μm，沟槽内包层宽度c₁为5μm，沟槽外包层宽度c₂为4μm，纤芯间距d为42μm，光纤外径为200μm。

所述少模芯区为掺锗石英材料，折射率为1.46855，与纯石英材料相对折射率差Δ₁为1.7％；石英包层为纯石英材料，折射率为1.444；沟槽包层为掺氟石英材料，折射率为1.42956，与纯石英材料相对折射率差Δ₂为-1％。以上均为 1.55μm处的折射率。

本实例所述13芯少模光纤中的13个少模纤芯的传输模式相同，以其中一个少模纤芯为例，仿真分析少模纤芯的传输模式详见图4-图8，通过仿真结果可以看到每个少模纤芯有LP01,LP11,LP21,LP02,LP31五个传输模式，与传统单模光纤比较，传输容量扩充13*8＝104倍，光纤空间集成维度比普通单模光纤高出25.3倍。

其中光纤的5个模式之间的有效折射率差最小值1.1004×10^-3，有效折射率差随波长变化如图9所示，其中横坐标为波长，纵坐标为有效模式折射率差，传输60km后，该光纤在1.55μm波长处的相邻纤芯5个模式串扰分别为-127.46dB、-102.5dB、-140dB、-129.25dB、-110.26dB，串扰随波长变化如图10所示。

LP01、LP11、LP21、LP02和LP31传输模式在1.55μm波段的非线性系数分别为0.00126W^-1*m^-1、0.001365W^-1*m^-1、0.00243W^-1*m^-1、0.00219W^-1*m^-1和 0.00233W^-1*m^-1。在1.55μm波段，LP11、LP21、LP02、LP31与LP01的差分群时延为9.1ps/m、20.1ps/m、22.8ps/m、32.1ps/m，差分群时延随波长变化如图 11所示。相比于实施例1、例2，本实施例串扰被有效抑制，在1.2-1.7μm波段内传输60km后可以保持串扰小于-50dB；非线性系数相较于实施例2明显下降，并保持较大的MDGD。

Claims (5)

1.一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，其特征在于：包括光纤基底区域（7）及在光纤基底区域（7）中心对称方式排布的多个少模纤芯（6），所述少模纤芯由内而外依次分布有少模芯区（1）、石英内包层（2）、沟槽内包层（3）、石英外包层（4）和沟槽外包层（5）；沟槽内包层（3）与沟槽外包层（5）是具有相同折射率的沟槽结构；每个少模纤芯的传输模式数量为5-8个；所述的多芯少模光纤的直径为125~250μm，少模芯区（1）直径为10~30μm，石英内包层（2）和石英外包层（4）的厚度为2~4μm，沟槽内包层（3）和沟槽外包层（5）的厚度为3~6μm；相邻少模纤芯（6）的间距为32~43μm；

少模纤芯（6）的数量为13个，其中一个少模纤芯（6）设置在光纤基底区域（7）的正中心，其余12个少模纤芯（6）以双环中心对称的排布方式排列在正中心少模纤芯（6）四周，每环排列6个少模纤芯（6），任意相邻的三个少模纤芯（6）等距；少模芯区（1）与石英内包层（2）和石英外包层（4）的相对折射率差为1%~2%，沟槽内包层（3）和沟槽外包层（5）与石英内包层（2）和石英外包层（4）的相对折射率差为-1~-0.5%；

所述的少模光纤（6）为阶跃折射率结构；所述少模芯区（1）的材料为掺锗石英玻璃；所述石英内包层（2）和石英外包层（4）为纯石英玻璃；沟槽内包层（3）和沟槽外包层（5）为掺氟石英玻璃；所述的光纤基底区域（7）选用纯石英材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，其特征在于：在通信波段，每个少模纤芯（6）支持LP01, LP11, LP21, LP02, LP31至少5种传输模式，即每个少模纤芯支持LP01, LP11x,LP11y, LP21x, LP21y, LP02, LP31x和LP31y 8个以上空间线偏振模式的光信号稳定传输。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，其特征在于：每个少模纤芯（6）任意传输模式之间的有效折射率差均大于1×10^-3。

4.根据权利要求1所述的一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，其特征在于：光纤传输60km后，任意两个相邻少模纤芯（6）的芯间串扰不大于-50dB。

5.根据权利要求1所述的一种基于空分-模分复用技术的双沟槽环绕型多芯少模光纤，其特征在于：所述少模纤芯（6）中所有传输模式在1.55μm窗口损耗均不大于0.5dB/km；少模纤芯（6）中各个传输模式间的差分模式群时延小于40ps/m。

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