CN113189702A - 一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，属于光纤通信领域。其特征在于：包括纤芯(I)、位于纤芯(I)周围的内包层(Ⅱ)、紧邻内包层(Ⅱ)的脊(Ⅲ)、位于脊(Ⅲ)外围的沟槽(Ⅳ)以及包层(Ⅴ)。利用位于内包层(Ⅱ)与沟槽(Ⅳ)之间的脊波导结构(Ⅲ)在一定程度上改变特殊模式的功率分布，使传输模的能量更好地被限制在纤芯周围，从而提升部分模式的有效折射率，达到进一步降低差分模式群时延的目的。同时，本发明均衡了传输模式的大模场面积特性与高阶模式对弯曲的低敏感特性。得益于50/125um多模光纤成熟且精密的制造技术，本发明受制造容差的影响有限，光学性能稳定，适用于大规模批量化生产。

Description

一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构
技术领域
本发明涉及一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，属于光纤通信领域。
背景技术
在当今通信容量爆炸式增长的背景下，为突破标准单模光纤的容量极限，空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)技术以不增加占用光纤光缆物理资源的独特优势，为进一步提升光纤通信的系统容量提供了新的解决方案。
模分复用(Mode Division Multiplexing,MDM)是空分复用最重要的两种实现形式之一，通过同时利用少模光纤(few mode fiber,FMF)中的不同模式群，使多个信号在多个空间信道中同时传输，从而提高系统的传输容量。而SDM的另外一种实现形式——多芯光纤(multi-core fiber,MCF)，在研发时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，给光纤的整体设计与制造带来了巨大挑战。同时，以多芯光纤为传输介质的SDM系统中，将多个芯子的信号耦合进和耦合出也是非常困难的。
少模光纤凭借相对简单的剖面设计和制造方法，以及与传统单模光纤熔接时的低插入损耗，一直以来都是SDM技术的主要发展趋势和研究热点。为满足长距离传输要求，差分模式群时延(differential mode group delay,DMGD)需要控制得尽可能小以降低解复用端多输入-多输出(multi-input multi-output,MIMO)设备所需内存及复杂度，而通过采用渐变折射率纤芯剖面来降低DMGD是目前采用的主要方法。例如，文献【Takayoshi Mori,Taiji Sakamoto,Masaki Wada,Takashi Yamamoto,and Fumihiko Yamamoto,"Few-ModeFibers Supporting More Than Two LP Modes For Mode-Division-MultiplexedTransmission With MIMO DSP,"J.Lightwave Technol.32,2468-2479(2014)】中提到，通过采用优化的渐变折射率纤芯剖面实现了C+L波段4LP模式的DMGD小于70ps/km。
然而，渐变折射率纤芯剖面对于制作容差极为敏感。例如，文献【Pierre Sillard,Denis Molin,Marianne Bigot-Astruc,Koen De Jongh,Frank Achten,Amado M.Velázquez-Benítez,Rodrigo Amezcua-Correa,and Chigo M.Okonkwo,"Low-Differential-Mode-Group-Delay 9-LP-Mode Fiber,"J.Lightwave Technol.34,425-430(2016)】中提到，9LP模式沟槽辅助结构渐变折射率光纤理论优化的DMGD低至24.4ps/km，但其实际制作后由于芯区结构发生细微改变，使其实际DMGD增至155ps/km，几乎是优化值的7倍。同时，文献【Pierre Sillard,Denis Molin,Marianne Bigot-Astruc,Koen de Jongh,and FrankAchten,"Rescaled Multimode Fibers for Mode-Division Multiplexing,"J.LightwaveTechnol.35,1444-1449(2017)】中提到，使用50um标准多模光纤缩棒后制成的少模光纤虽然理论的优化值比非缩棒法得到的DMGD高，但依靠标准多模光纤成熟且精密的制造工艺，通过缩棒法获得的少模光纤实际DMGD值要更小，大约低20ps/km，十分适合大规模生产及使用。
虽然如此，由于标准50um多模光纤中纤芯的折射率较高，通过缩棒法获得的少模光纤的DMGD值仍然不低。当传输多个高阶模式时，部分高阶模式对应的较高DMGD显著影响了该光纤的整体性能，如何进一步降低通过缩棒法获得的少模光纤中各个模式的DMGD，是平衡该类型光纤大规模使用和MDM系统中设备复杂度的重要支点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题主要是针对如何进一步降低采用ITU-TG.561(1993)中所述的50/125um多模渐变型折射率光纤通过缩棒法获得的少模光纤中差分模式群时延这一问题所提出的。
本发明的技术方案如下：
一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯、位于纤芯周围的内包层、紧邻内包层的脊、位于脊外围的沟槽以及包层。
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，所述纤芯的参数除纤芯半径外均与ITU-T G.561(1993)《50/125um多模渐变型折射率光纤光缆特性》一致。
进一步，所述位于纤芯周围的内包层的折射率与包层的折射率一致且内包层的半径小于或等于纤芯的半径。
进一步，所述紧邻内包层的脊的半径应同时小于或等于纤芯与内包层的半径。
进一步，所述紧邻内包层的脊的折射率应高于包层的折射率且低于纤芯的折射率。
进一步，所述位于脊外围的沟槽的半径应大于或等于紧邻内包层的脊的半径且小于包层的半径。
进一步，所述位于脊外围的沟槽的折射率应小于或等于包层的折射率。
进一步，所述包层应足够大以容纳上述纤芯、内包层、脊和沟槽且形成紧密无缝光纤结构。
本发明的有益效果具体如下：
本发明采用位于内包层与沟槽之间的脊波导结构，在一定程度上改变特殊模式的功率分布，使光纤中支持的传输模式的能量能够更好地被限制在纤芯周围，从而提升部分模式的有效折射率，达到进一步降低差分模式群时延的目的。同时，本发明通过特殊的脊与沟槽结构使传输模式具有较大的模场面积，保持非传输模式的有效截止与高阶传输模式对弯曲的低敏感特性。此外，得益于50/125um多模光纤成熟且精密的制造技术，本发明受制造容差的影响有限，光学性能稳定，十分适用于大规模批量化生产。
附图说明
图1为一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构的横截面示意图。
图2为一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构的折射率分布示意图。
图1中的标记如下：I、纤芯；Ⅱ、内包层；Ⅲ、脊；Ⅳ、沟槽；Ⅴ、包层。
图2中的标记如下：10、包层折射率；11、纤芯折射率；12、内包层折射率；121、脊折射率；13、沟槽折射率。
具体实施方式
下面结合附图1与附图2对一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构作进一步描述。
实施例一
一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯I、位于纤芯I周围的内包层Ⅱ、紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ、位于脊Ⅲ外围的沟槽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6。
进一步，所述纤芯I的纤芯半径为11.25um，相对于50um/125um标准多模光纤的纤芯缩棒比例为11.25/25＝0.45。其余纤芯I的参数均与ITU-T G.561(1993)《50/125um多模渐变型折射率光纤光缆特性》一致，即纤芯折射率11为1.4587，alpha为1.94。
进一步，所述位于纤芯I周围的内包层Ⅱ的折射率12与包层Ⅴ的折射率10均为1.444，且内包层Ⅱ的半径为10um。
进一步，所述紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ的半径为5um。
进一步，所述紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ的折射率121为1.445。
进一步，所述位于脊Ⅲ外围的沟槽Ⅳ的半径为5um。
进一步，所述位于脊Ⅲ外围的沟槽Ⅳ的折射率13为1.440。
进一步，所述包层Ⅴ的半径为125um且与上述纤芯I、内包层Ⅱ、脊Ⅲ和沟槽Ⅳ形成紧密无缝的光纤结构。
实施例二
一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯I、位于纤芯I周围的内包层Ⅱ、紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ、位于脊Ⅲ外围的沟槽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9。
进一步，所述纤芯I的纤芯半径为14.1um，相对于50um/125um标准多模光纤的纤芯缩棒比例为14.1/25＝0.564。其余纤芯I的参数均与ITU-T G.561(1993)《50/125um多模渐变型折射率光纤光缆特性》一致，即纤芯折射率11为1.4587，alpha为1.94。
进一步，所述位于纤芯I周围的内包层Ⅱ的折射率12与包层Ⅴ的折射率10均为1.444，且内包层Ⅱ的半径为14.1um。
进一步，所述紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ的半径为2um。
进一步，所述紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ的折射率121为1.446。
进一步，所述位于脊Ⅲ外围的沟槽Ⅳ的半径为15um。
进一步，所述位于脊Ⅲ外围的沟槽Ⅳ的折射率13为1.4396。
进一步，所述包层Ⅴ的半径为125um且与上述纤芯I、内包层Ⅱ、脊Ⅲ和沟槽Ⅳ形成紧密无缝的光纤结构。
实施例三
一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯I、位于纤芯I周围的内包层Ⅱ、紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ、位于脊Ⅲ外围的沟槽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12。
进一步，所述纤芯I的纤芯半径为20um，相对于50um/125um标准多模光纤的纤芯缩棒比例为20/25＝0.8。其余纤芯I的参数均与ITU-T G.561(1993)《50/125um多模渐变型折射率光纤光缆特性》一致，即纤芯折射率11为1.4587，alpha为1.94。
进一步，所述位于纤芯I周围的内包层Ⅱ的折射率12与包层Ⅴ的折射率10均为1.444，且内包层Ⅱ的半径为1um。
进一步，所述紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ的半径为0.2um。
进一步，所述紧邻内包层Ⅱ的脊Ⅲ的折射率121为1.4448。
进一步，所述位于脊Ⅲ外围的沟槽Ⅳ的半径为5um。
进一步，所述位于脊Ⅲ外围的沟槽Ⅳ的折射率13为1.437。
进一步，所述包层Ⅴ的半径为125um且与上述纤芯I、内包层Ⅱ、脊Ⅲ和沟槽Ⅳ形成紧密无缝的光纤结构。

Claims (9)

1.一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：包括纤芯(I)、位于纤芯(I)周围的内包层(Ⅱ)、紧邻内包层(Ⅱ)的脊(Ⅲ)、位于脊(Ⅲ)外围的沟槽(Ⅳ)以及包层(Ⅴ)。
2.根据权利要求1所述的一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，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所述的一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：所述纤芯(I)的参数除纤芯半径外均与ITU-T G.561(1993)《50/125um多模渐变型折射率光纤光缆特性》一致。
4.根据权利要求1所述的一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：所述位于纤芯(I)周围的内包层(Ⅱ)的折射率12与包层(Ⅴ)的折射率10一致且内包层(Ⅱ)的半径小于或等于纤芯(I)的半径。
5.根据权利要求1所述的一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：所述紧邻内包层(Ⅱ)的脊(Ⅲ)的半径应同时小于或等于纤芯(I)与内包层(Ⅱ)的半径。
6.根据权利要求1所述的一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：所述紧邻内包层(Ⅱ)的脊(Ⅲ)的折射率121应高于包层(Ⅴ)的折射率10且低于纤芯(I)的折射率11。
7.根据权利要求1所述的一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：所述位于脊(Ⅲ)外围的沟槽(Ⅳ)的半径应大于或等于紧邻内包层(Ⅱ)的脊(Ⅲ)的半径且小于包层(Ⅴ)的半径。
8.根据权利要求1所述的一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：所述位于脊(Ⅲ)外围的沟槽(Ⅳ)的折射率13应小于或等于包层(Ⅴ)的折射率10。
9.根据权利要求1所述的一种用于降低差分模式群时延的少模光纤结构，其特征在于：所述包层(Ⅴ)应足够大以容纳上述纤芯(I)、内包层(Ⅱ)、脊(Ⅲ)和沟槽(Ⅳ)且形成紧密无缝光纤结构。
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