CN112363271A - 一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，包括环芯和外包层，所述环芯从内到外依次包括中心包层、第二层阶跃环、第一层阶跃环和环形沟槽；所述第一层阶跃环芯和第二层阶跃环芯的折射率呈现双阶跃环芯形状分布，所述第一层阶跃环芯用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量，第二层阶跃环芯用于增加模式有效面积从而减小光纤各模式的非线性系数和用来抑制径向高阶模式，利用双层阶跃结构进行更大自由度的模式调控。所述光纤可以支持8阶OAM模组，模组间有效折射率差大于10^‑4，可采用模组弱耦合传输；而模组内4个模式处于简并状态，可使用固定4×4规模的MIMO算法。所述光纤支持的OAM模式均为径向一阶模式。

Description

一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤

技术领域

本发明属于光纤通信领域，涉及一种支持多个轨道角动量模式的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤。

背景技术

现有单模光纤通信技术经过几十年发展，其容量已接近香农定理所限定的物理极限。如何满足继续飞速增长的互连需求，已经成为光纤通信技术研究的核心问题。时分、波分、偏分复用技术与多级调制方式使得大容量传输系统中单模光纤容量快速接近香农理论极限。空分复用技术(Space Division Multiplexing,SDM)可以突破该限制，为未来光纤容量增长提供新的解决方案。

在空分复用技术中，少模光纤(Few Mode Fiber,FMF)是单位空间内信道集成度最高的实现手段。轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式是FMF支持的一种新模态，近年来在通信容量密度和兼容性等方面取得了重大突破。OAM是光子的一种准本征属性，其在光束中宏观表现为电磁场的空间相位分布沿角向满足整数自洽性。OAM通信研究的核心是把光子轨道角动量这一尚未利用的电磁波参数维度用于通信，充分利用光子轨道角动量大幅度提高通信系统的频谱效率和容量。

大多数支持OAM模式的光纤都具有环芯结构，因为环芯与OAM涡旋环形结构光场相匹配。当环形纤芯厚度变薄时，各阶模式的有效折射率均会减小，但径向高阶OAM模式的减小速度比径向一阶OAM模式快得多。因此，当模式数量增加时，可以通过大幅度地减小环芯厚度来抑制干扰径向一阶OAM模式复用解复用的径向高阶OAM模式。然而，过小的环芯厚度会导致模式质量劣化，双阶跃环芯结构可以用来扩展模式有效面积，提高模式质量。对于OAM传输光纤来讲，还需要考虑由自旋轨道耦合产生的本征串扰。而本征串扰是实际光纤通信系统串扰的理论极限值，由光纤传输的OAM模式的纯度来决定。据文献“IEEE PhotonicsJournal,4(2):535,2012”报道的环形光纤结构参数，得到其最低的纯度为98.535％，对应的本征串扰为-18.23dB。文献(Optics Express,27(26),38049,2019)报道的环形光纤结构参数，得到其最低的纯度为98.574％，对应的本征串扰为-18.40dB。本征串扰过大是环形阶跃光纤普遍的痛点，这样使其难以适用于长距离信号传输。而根据文献(Optics Express,23(23),29331,2015)的报道，在理论上，光纤的折射率分布变化的越缓慢，光纤容纳的OAM模式的纯度越高。文献(2016IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series,DOI:10.1109/PHOSST.2016.7548809)的报道，环芯光纤的环芯厚度越薄，光纤容纳的OAM模式的纯度越低。那么，双阶跃环芯光纤的第二层阶跃环在折射率上起到缓冲作用，减缓折射率的变化；在环芯厚度上也起到增大环芯厚度的作用。因此，除了模式质量的提高，双阶跃环芯结构还可以在一定程度上提高OAM模式的纯度，减小本征串扰。综上，双阶跃环芯光纤结构对于长距离通信有一定的优势，并且具有更大的设计维度来调控模组隔离度以及径向高阶模式。

发明内容

本发明是为了实现大容量径向一阶OAM模式信号传输，目的在于提出一种基于空分复用技术支持大容量OAM模式复用传输的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤。

本发明提供的一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤具有两种向上掺杂不同浓度的高折射率环芯，其具有更大的设计维度来调节模间隔离度、抑制径向高阶模式并且增加模式纯度；环形低折射率沟槽可以进一步束缚模场能量，使得光纤不受弯曲的影响，是一种弯曲不敏感光纤。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，包括环芯和位于环芯外表面的外包层，所述环芯从内到外依次包括中心包层、第二层阶跃环、第一层阶跃环和环形沟槽；所述第一层阶跃环芯和第二层阶跃环芯的折射率呈现双阶跃环芯形状分布，所述所述第一层阶跃环芯用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量，所述第二层阶跃环芯用于增加模式有效面积从而减小光纤各模式的非线性系数和用来抑制径向高阶模式，利用双层阶跃结构进行更大自由度的模式调控。

进一步的，所述外包层的材料为熔融石英。

进一步的，所述第二层阶跃环芯、第一层阶跃环芯的折射率均高于中心包层。

进一步的，所述环形沟槽比外包层的折射率低，从而可以进一步束缚模场，减小弯曲对光纤性能的影响。

进一步的，所述中心包层、第二层阶跃环芯、第一层阶跃环芯、环形沟槽和外包层的半径分别为：r₁、r₂、r₃、r₄和r₅，其中r₁＝9.0±0.1μm,r₂＝11.1±0.1μm,r₃＝15±0.1μm,r₄＝18±0.1μm,r₅＝21±0.1μm。

进一步的，所述第一层阶跃环芯与外包层的折射率差为Δ₃；所述第二层阶跃环芯与外包层的折射率差为Δ₂；所述双阶跃环芯的折射率差为Δ_d；所述中心包层与外包层的折射率差为Δ_t；环形沟槽与外包层的折射率差为Δ_t，其中Δ_d＝0.68±0.01％，Δ_t＝-0.4±0.01％。

进一步的，当支持的模式数量增多时，通过增大双阶跃环芯归一化频率并同时减小双阶跃环芯厚度来抑制径向高阶模式。

进一步的，所述沟槽辅助式双阶跃环芯光纤支持8阶OAM模组，模组间有效折射率差大于10^-4，可采用模组弱耦合传输；而模组内4个模式处于简并状态，可使用固定4×4规模的MIMO算法。

进一步的，所述沟槽辅助式双阶跃环芯光纤支持的OAM模式均为径向一阶模式。

进一步的，通过调节所述第一层阶跃环芯的结构参数r₃、第一层阶跃环芯与外包层的折射率差Δ₃使沟道辅助式双阶跃环芯光纤工作在C+L波段。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤具有双层环芯结构，一方面相较于单环芯光纤增加了纤芯面积从而提升了模式有效面积减小了非线性系数、提高模式质量，并且可以在一定程度上提高OAM模式纯度，另一方面双层纤芯结构具有更大的设计维度来调控模组间的隔离度以及径向高阶模式的抑制程度。

附图说明

图1是本实施例提出的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤截面图与折射率分布图；

图2是本实施例对比的沟槽辅助式单阶跃环芯光纤截面图与折射率分布图；

图3是本实施例提出的沟槽辅助式双阶跃环芯结构与单阶跃环芯结构模式质量的比较；

图4是本实施例提出的沟槽辅助式双阶跃环芯结构与单阶跃环芯结构的OAM模式纯度的比较；

图5是本实施例高折射率环芯外径和纤芯包层相对折射率差的取值范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。

如图1和图2所示，本实施例的一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，支持大容量OAM模式传输，其光纤横截面及折射率分布，包括：环芯和外包层5，所述环芯从内到外依次包括中心包层3、第二层阶跃环芯2、第一层阶跃环芯1和环形沟槽4；所述第一层阶跃环芯1和第二层阶跃环芯2的折射率呈现双阶跃形状分布，所述第一层阶跃环芯1用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量，第二层阶跃环芯2用于增加模式有效面积从而减小光纤各模式的非线性系数和用来抑制径向高阶模式、提高模式质量，并且可以在一定程度上提高OAM模式纯度。所述第一层阶跃环芯1和第二层阶跃环芯2共同构成双阶跃环芯。

所述中心包层3、第二层阶跃环芯2、第一层阶跃环芯1、环形沟槽4和外包层5的半径分别为：r₁、r₂、r₃、r₄和r₅。

所述第二层阶跃环芯2、第一层阶跃环芯1的折射率均高于中心包层3；所述环形沟槽4比外包层5的折射率低。环形低折射率沟槽4由于具有比外包层5更低的折射率从而可以进一步束缚模场，减小弯曲对光纤性能的影响。

第一层阶跃环芯1与外包层5的折射率差为Δ₃；第二层阶跃环芯2与外包层5的折射率差为Δ₂；双阶跃环芯的折射率差为Δ_d；中心包层3与外包层5的折射率差为Δ_t；环形沟槽4与外包层5的折射率差为Δ_t；外包层5的材料为熔融石英。

该光纤支持的8个OAM模组间有效折射率差(Δn_eff)均大于1×10^-4，模组内4个简并模间最大差分模式群时延(DMD)均不超过200ps/km，并且具有C+L波段带宽。因此，该光纤应用在光纤通信领域时，模组间可以采用直检方式接收，模组内采用4×4多入多出(MIMO)数字信号处理解调，并且可与波分复用结合大幅度提高光纤传输容量。

图5为第一层阶跃环芯1的尺寸及折射率取值范围示意图，横坐标是第一层阶跃环芯1的外径r₃，纵坐标是第一层阶跃环芯1相对外包层5的折射率差Δ₃。其他参数设置为r₁/r₃＝0.6，r₂/r₃＝0.74，Δ_d＝0.68％，r₄/r₃＝1.2，r₅/r₃＝1.4，Δ_t＝-0.4％。图5中星号实线代表波长为1.53μm条件下8阶OAM模式的上限，圆圈实线代表波长为1.63μm条件下8阶OAM模式的截止线，因此夹在这两条线中间的区域为纤芯结构参数r₃和折射率差Δ₃选取范围。在该区间选取的纤芯结构参数r₃和折射率差Δ₃可以保证该沟道辅助式双阶跃环芯光纤工作在C+L波段，可与波分复用结合有效提高通信容量。图5中黑色实线实现代表波长为1.55μm条件下8阶OAM模组内最大的差分模式群时延，黑色点虚线代表波长为1.55μm条件下1阶与2阶OAM模组间的最小有效折射率差。

表1是沟槽辅助式双阶跃环芯光纤OAM模组内最大的差分模式群时延(DMD)以及OAM模组间的最小有效折射率差(Δn_eff)。

表1差分模式群时延和有效折射率差

表1为当r₃＝15μm，Δ₃＝0.96％时，沟槽辅助式双阶跃环芯光纤OAM模组内最大的DMD以及OAM模组间最小的Δn_eff。其中，OAM模式下标分别为拓扑荷数与径向阶数。从表1可以看出，1～8阶模组组内最大DMD为8阶OAM模组，DMD绝对值为164.58ps/km，1～8阶模组间最小Δn_eff发生在1阶与2阶OAM模组间，Δn_eff为3.67×10^-4。

图3是沟槽辅助式双阶跃环芯结构与单阶跃环芯结构模式质量的比较。双阶跃环芯结构的模式质量优于单阶跃环芯结构，模式质量越高，OAM模式传输的越稳定更加适合于长距离传输。图4是沟槽辅助式双阶跃环芯结构与单阶跃环芯结构OAM模式纯度的比较。双阶跃环芯结构的OAM模式纯度整体优于单阶跃环芯结构，在低阶模式更为明显。OAM模式纯度越高，本征串扰越低。在大容量的OAM光纤中，低阶OAM模式纯度相对较低。在保证大容量传输的同时不能舍弃低阶OAM模式的纯度，因此提高低阶OAM模式纯度尤为重要。

以上实施例仅用以说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，其中，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：包括环芯和位于环芯外表面的外包层(5)，所述环芯从内到外依次包括中心包层(3)、第二层阶跃环(2)、第一层阶跃环(1)和环形沟槽(4)；所述第一层阶跃环芯(1)和所述第二层阶跃环芯(2)的折射率呈现双阶跃环芯形状分布，所述第一层阶跃环芯(1)用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量，所述第二层阶跃环芯(2)用于增加模式有效面积从而减小光纤各模式的非线性系数和用来抑制径向高阶模式。

2.根据权利要求1所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：所述外包层(5)的材料为熔融石英。

3.根据权利要求2所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：所述第二层阶跃环芯(2)、第一层阶跃环芯(1)的折射率均高于中心包层(3)。

4.根据权利要求3所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：所述环形沟槽(4)比外包层(5)的折射率低。

5.根据权利要求4所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：所述中心包层(3)、第二层阶跃环芯(2)、第一层阶跃环芯(1)、环形沟槽(4)和外包层(5)的半径分别为：r₁、r₂、r₃、r₄和r₅，其中r₁＝9.0±0.1μm,r₂＝11.1±0.1μm,r₃＝15±0.1μm,r₄＝18±0.1μm,r₅＝21±0.1μm。

6.根据权利要求5所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：所述第一层阶跃环芯(1)与外包层(5)的折射率差为Δ₃；所述第二层阶跃环芯(2)与所述外包层(5)的折射率差为Δ₂；所述双阶跃环芯的折射率差为Δ_d；所述中心包层(3)与所述外包层(5)的折射率差为Δ_t；所述环形沟槽(4)与所述外包层(5)的折射率差为Δ_t，其中Δ_d＝0.68±0.01％，Δ_t＝-0.4±0.01％。

7.根据权利要求6所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：当支持的模式数量增多时，通过增大双阶跃环芯归一化频率并同时减小双阶跃环芯厚度来抑制径向高阶模式。

8.根据权利要求7所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：所述沟槽辅助式双阶跃环芯光纤支持8阶OAM模组，模组间有效折射率差大于10^-4，可采用模组弱耦合传输；而模组内4个模式处于简并状态，可使用固定4×4规模的MIMO算法。

9.根据权利要求8所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：所述沟槽辅助式双阶跃环芯光纤支持的OAM模式均为径向一阶模式。

10.根据权利要求1～9任一项所述的沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其特征在于：通过调节所述第一层阶跃环芯(1)的结构参数r₃、第一层阶跃环芯(1)与外包层(5)的折射率差Δ₃使沟槽辅助式双阶跃环芯光纤工作在C+L波段。

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