CN113189701A - 一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，属于光纤通信领域。其特征在于：包括纤芯(Ⅰ)、位于纤芯(Ⅰ)中心的内芯(Ⅱ)，位于纤芯(Ⅰ)周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域(Ⅲ)和(Ⅳ)以及包层(Ⅴ)。通过内芯(Ⅱ)改变特定模式的折射率，增大模组间的有效折射率差，进而降低相邻模组间的串扰。同时，采用位于纤芯(Ⅰ)周围的两组分别对称且具有不同折射率的扇形区域(Ⅲ)和(Ⅳ)，增大模组内的有效折射率差并改变场分布，从而降低模组内的串扰。本发明可保持多个传输模式，避免采用高掺杂和复杂折射率剖面引发传输损耗增加、制作容差低以及高阶模式弯曲损耗大等难题，总体结构简单且光学性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种可降低具有大于等于4个线性偏振模式的少模光纤中模组之间和模组内部串扰的结构，属于光纤通信领域。
背景技术
正在到来的5G、高速云计算及其应用导致传输系统中数据量呈现爆炸式增长。而现有基于普通单模光纤的光传输系统的传输容量受制于香农极限，无法进一步扩容。为了尽快解决这一瓶颈，空分复用技术被广泛研究。
空分复用技术利用一根光纤中的多路信道，增加传输容量，达到升级扩容的目的。作为信道复用技术之一，多芯光纤是空分复用技术中最直接的解决方案。然而，多芯光纤需同时确保高纤芯密度、低传输损耗和芯间串扰等光学性能，给设计和制造带来了巨大挑战。同时，在保持一定的耦合损耗前提下，将多路信号耦合进和耦合出多芯光纤是非常困难的。
少模光纤作为信道复用的另一种存在形式，由于其相对简单的设计和制造方法和与传统单模光纤的低熔接损耗等特性，成为空分复用技术的主要实现手段。其面临的主要技术难点是模式耦合引起的串扰。在传统的少模光纤中，每个模组的本征模式几乎是简并的，因此它们的光功率在外部扰动下很容易彼此耦合，导致信道间的严重串扰。为了降低串扰，接收端必须使用多输入-多输出设备(MIMO)，从而大幅度增加了系统复杂度与总成本。重要的是，MIMO的复杂度与传输模式数量的增加呈线性关系，使得多信道的少模光纤传输链路中系统功耗急剧增加。
简化或消除系统中MIMO使用复杂度的主要方式是降低相邻模式之间的简并性，也就是获得较大的有效折射率差(△neff)，使该值大于等于10-4，该值也同样是保偏光纤中获得双折射的典型值。此外，当非简并模式之间的△neff大于10-3时，该光纤被认为是弱耦合光纤。上述设计思路在简化MIMO方面具有明显优势，因此特别适合作为数据中心、机房等场景的短距离大容量传输中少模光纤的设计方法。
目前，已报道了多种特殊纤芯结构通过增大△neff的方式改善模组间耦合。例如，文献【S.Jiang,L.Ma,Z.Zhang,X.Xu,S.Wang,J.Du,C.Yang,W.Tong,and Z.He,"Design andCharacterization of Ring-Assisted Few-Mode Fibers for Weakly Coupled Mode-Division Multiplexing Transmission,"J.Lightwave Technol.36,5547-5555(2018)】中，采用高折射率环添加到特定区域的方式调整该模式的有效折射率，获得了4个线性偏振模式的△neff大于1.8*10-3。然而，该类少模光纤传输模式数量低且仅模组之间被有效分割，系统中仍然至少需要4*4的MIMO设施来恢复模组内部的简并模式。此外，文献【D.Ge,J.Li,J.Zhu,L.Shen,Y.Gao,J.Yu,Z.Wu,Z.Li,Z.Chen,andY.He,``Design of a weakly-coupled ring-core FMF and demonstration of6-mode 10-km IM/DD transmission,”inProc.Opt.Fiber Commun.Conf.San Diego,CA,USA:Optical Society of America,2018.】中，同样采用高折射率环的嵌入方式实现了6个线性偏振模式下△neff大于1.49*10-3。然而，随着传输模式的增加，进一步增加模组之间的间隔是十分困难的。
具有独特的应力施加部分和特殊设计的非圆形纤芯(例如，椭圆形纤芯等)的保偏光纤可以引起足够的双折射，彻底分离模组内部的简并模式从而做到无需MIMO。例如，文献【"Polarization-maintaining few mode fiber composed of acentral circular-holeand an elliptical-ring core,"Photon.Res.5,261-266(2017)】中，通过空气孔辅助与椭圆环芯设计得到了10个空间传输模式的保偏光纤，△neff大于1.32*10-4。此外，文献【"Design of PANDA-type elliptical-core multimode fiber supporting 24fullylifted eigenmodes,"Opt.Lett.43,3718-3721(2018).】中，通过采用椭圆芯熊猫型光纤实现了24个本征模式间△neff大于1.35*10-4的传输。然而，根据需要，在大多数保偏光纤中芯包折射率差高达3％以上，导致高掺杂难度并引发高传输损耗。椭圆度的轻微扰动会严重影响保偏光纤性能。此外，保偏光纤中应力施加部分高掺杂浓度的氧化硼以及纤芯与应力施加部分之间极小的间距，都对当前制造技术提出了巨大挑战。
因此，迫切需要一种可降低具有大于等于4个线性偏振模式的少模光纤中模组之间和模组内部串扰的结构以满足少MIMO短距离传输的空分复用系统需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题主要是针对如何降低具有多传输模式的少模光纤中模组之间与模组内部耦合这一问题所提出的。
本发明的技术方案如下：
一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯、位于纤芯中心的内芯、位于纤芯周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域以及包层。
进一步，所述少模光纤结构在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量均大于等于4。
进一步，所述位于纤芯中心的内芯半径与纤芯半径的比值小于等于0.8。
进一步，所述位于纤芯中心的内芯的折射率高于包层折射率且低于纤芯折射率。
进一步，所述位于纤芯周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域具有相同的半径且小于包层半径。
进一步，所述位于纤芯周围且紧密连接的其中一组对称的扇形区域的折射率高于包层折射率且低于内芯折射率。
进一步，所述位于纤芯周围且紧密连接的另外一组对称的扇形区域的折射率低于包层折射率。
本发明的有益效果具体如下：
本发明采用位于纤芯中心的内芯结构，通过改变纤芯内部特定区域的折射率，增大模组之间的有效折射率差，进而降低相邻模组之间的串扰。同时，采用纤芯周围两组对称且具有不同折射率的扇形区域，增大模组内部的有效折射率差并改变模组内部场分布，从而降低模组内部的模式串扰。本发明可以在保持大于等于4个传输模式数量的同时，大幅度增加模组之间和模组内部的传播常数差，从而有效抑制模组间和模组内串扰。同时，避免采用高掺杂纤芯和复杂折射率剖面引发的传输损耗增加、制作容差低以及高阶模式弯曲损耗大等难题，总体结构简单且光学性能稳定。
附图说明
图1为一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构横截面示意图。
图2为一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构X轴和Y轴折射率分布示意图。
图1中的标记如下：I、纤芯；Ⅱ、内芯；Ⅲ、一组对称的扇形区域；Ⅳ、另一组对称的扇形区域；Ⅴ、包层。
图2中的标记如下：10、包层折射率；11、纤芯折射率；111、内芯折射率；101、一组对称的扇形区域折射率；102、另一组对称的扇形区域折射率。
具体实施方式
下面结合附图1与附图2对可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构作进一步描述。
实施例一
一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯I、位于纤芯I中心的内芯Ⅱ、位于纤芯I周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域Ⅲ和Ⅳ以及包层Ⅴ。
进一步，所述少模光纤结构在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量为4。其中，纤芯I半径为8μm。在1550nm工作波长处，纤芯折射率11为1.4587，包层折射率10为1.444。
进一步，所述位于纤芯I中心的内芯Ⅱ半径为0.88μm，其与纤芯I半径的比值为0.11。
进一步，所述位于纤芯I中心的内芯Ⅱ的折射率11为1.4572，其与包层Ⅴ的折射率差为0.91％。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域Ⅲ和Ⅳ半径均为5μm。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的其中一组对称的扇形区域Ⅲ的折射率101为1.448，其与包层Ⅴ的折射率差为0.27％。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的另外一组对称的扇形区域Ⅳ的折射率102为1.434，其与包层Ⅴ的折射率差为-0.7％。
实施例二
一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯I、位于纤芯I中心的内芯Ⅱ、位于纤芯I周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域Ⅲ和Ⅳ以及包层Ⅴ。
进一步，所述少模光纤结构在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量为4。其中，纤芯I半径为12μm，在1550nm工作波长处，纤芯折射率11为1.46，包层折射率10为1.444。
进一步，所述位于纤芯I中心的内芯Ⅱ半径为2.4μm，其与纤芯I半径的比值为0.3。
进一步，所述位于纤芯I中心的内芯Ⅱ的折射率11为1.458，其与包层Ⅴ的折射率差为0.96％。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域Ⅲ和Ⅳ半径为8μm。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的其中一组对称的扇形区域Ⅲ的折射率101为1.445，其与包层Ⅴ的折射率差为0.07％。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的另外一组对称的扇形区域Ⅳ的折射率102为1.436，其与包层Ⅴ的折射率差为-0.6％。
实施例三
一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯I、位于纤芯I中心的内芯Ⅱ、位于纤芯I周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域Ⅲ和Ⅳ以及包层Ⅴ。
进一步，所述少模光纤结构在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量为4。其中，纤芯I半径为7.5μm，在1550nm工作波长处，纤芯折射率11为1.4565，包层折射率10为1.444。
进一步，所述位于纤芯I中心的内芯Ⅱ半径为4.8μm，其与纤芯I半径的比值为0.6。
进一步，所述位于纤芯I中心的内芯Ⅱ的折射率11为1.4556，其与包层Ⅴ的折射率差为0.8％。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域Ⅲ和Ⅳ半径为4μm。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的其中一组对称的扇形区域Ⅲ的折射率101为1.4452，其与包层Ⅴ的折射率差为0.08％。
进一步，所述位于纤芯I周围且紧密连接的另外一组对称的扇形区域Ⅳ的折射率102为1.438，其与包层Ⅴ的折射率差为0.4％。
Claims (7)
1.一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯(Ⅰ)、位于纤芯(Ⅰ)中心的内芯(Ⅱ)，位于纤芯(Ⅰ)周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域(Ⅲ)和(Ⅳ)以及包层(Ⅴ)。
2.根据权利要求1所述的一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：所述少模光纤结构在C波段和L波段上支持的线性偏振模式数量均大于等于4。
3.根据权利要求1所述的一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：所述位于纤芯(Ⅰ)中心的内芯(Ⅱ)半径与纤芯(Ⅰ)半径的比值小于等于0.8。
4.根据权利要求1所述的一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：所述位于纤芯(Ⅰ)中心的内芯(Ⅱ)的折射率高于包层(Ⅴ)折射率且低于纤芯(Ⅰ)折射率。
5.根据权利要求1所述的一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：所述位于纤芯(Ⅰ)周围且紧密连接的两组分别对称的扇形区域(Ⅲ)和(Ⅳ)具有相同的半径且小于包层(Ⅴ)半径。
6.根据权利要求1所述的一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：所述位于纤芯(Ⅰ)周围且紧密连接的其中一组对称的扇形区域(Ⅲ)的折射率高于包层(Ⅴ)折射率且低于内芯(Ⅱ)折射率。
7.根据权利要求1所述的一种可降低模组间和模组内串扰的少模光纤结构，其特征在于：所述位于纤芯(Ⅰ)周围且紧密连接的另外一组对称的扇形区域(Ⅳ)的折射率低于包层(Ⅴ)折射率。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113687473A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-23 | 燕山大学 | 一种基于多芯光纤的六模模分复用器 |
| CN113791471A (zh) * | 2021-09-09 | 2021-12-14 | 中山大学 | 一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤 |
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2021
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| CN113791471A (zh) * | 2021-09-09 | 2021-12-14 | 中山大学 | 一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤 |
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