CN113311532B - 一种低损耗椭圆芯少模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低损耗椭圆芯少模光纤；采用纯二氧化硅材料作为椭圆纤芯，有效降低光纤损耗，打破了模式简并；采用大折射率差，有效降低光纤串扰；实现了低损耗、低串扰椭圆芯三模式运作。

Description

一种低损耗椭圆芯少模光纤

技术领域

本发明涉及一种低损耗椭圆芯少模光纤，可应用于光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域。

背景技术

近年来，各种通信业务流量指数增长，单模光纤通信受到了前所未有的挑战。光纤通信业界围绕空分复用(包括芯式复用和模分复用及其结合)这一物理维度对通信网络传输容量实现了突破；空分复用中的多芯光纤和少模光纤及其相关器件和应用研究成为前沿研究热点[Guifang Li,Neng Bai,and Ningbo Zhao and Cen Xia,Space-divisionmultiplexing:the next frontier in optical communication.Advances in Optics&Photonics,2014,6(4):5041-5046；Guifang Li,Magnus Karlsson,Xiang Liu,and YvesQuiquempois,Focus issue introduction:space-division multiplexing,Opt.Express2014,22,32526-32527；He Wen,Hongjun Zheng et al.Few-mode fibre-optic microwavephotonic links[J].Light:Science and Applications 2017,6,8；郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018，1-184；董秋焕，刘阳，郑宏军黎昕，白成林，胡卫生，模分复用系统中少模复用(解复用)技术研究[J].聊城大学学报(自然科学版)，2020，33(2):50-67；王潇，郑宏军*(通讯作者)，黎昕，刘阳，于如愿，白成林，胡卫生，模分复用系统中的少模光纤研究新进展，聊城大学学报(自然科学版),2019.4，32(2):69-79]；纯二氧化硅纤芯可以有效地减少光纤衰减和熔接损耗，目前大都应用于单模光纤(T.Hasegawa et al.2016.Advances in ultra-low loss silica fibers[J].Frontiersin Optics,paper FTu2B.2；S.Ten.2016.Ultra Low-loss Optical Fiber Technology[J].Optical Fiber Communication Conference,paper Th4E.5；YoshiakiTamura.2018.Ultra-low loss silica core fiber for long haul transmission[J].Optical Fiber Communication Conference,paper M4B.1)。少模光纤不同模式下的有效折射率差(ERID)大于0.5x10^-3可以避免模式耦合(Pierre Sillard et al.Few-ModeFibers for Space-Division Multiplexed Transmissions[J],European Conference&Exhibition on Optical Communication,2013.03(A1):1-3；Roland Ryf.Switching andMultiplexing Technologies for Mode-Division Multiplexed Networks,OpticalFiber Communication Conference&Exposition,2017,Tu2c)。椭圆芯少模光纤可打破模式简并，也得到了大家的关注[Junpeng Liang,Qi Mo,Songnian Fu,Ming Tang,P.Shum,andDeming Liu,"Design and fabrication of elliptical-core few-mode fiber forMIMO-less data transmission,"Opt.Lett.41,3058-3061(2016)；G.Milione,E.Ip,P.Ji,Y.Huang,T.Wang,M.Li,J.Stone,and G.Peng,"MIMO-less Space Division Multiplexingwith Elliptical Core Optical Fibers,"in Optical Fiber CommunicationConference,OSA Technical Digest(online)(Optical Society of America,2017),paper Tu2J.1]。综上，若将纯二氧化硅纤芯、椭圆芯折射率分布少模光纤的概念有机融合，有望解决目前少模光纤的研究挑战，有重要的学术价值和应用价值，研究意义重大、应用前景广阔。

发明内容

在国家自然科学基金(编号61671227和61431009)、山东省自然科学基金(ZR2011FM015)、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本发明提出了一种低损耗椭圆芯少模光纤；该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、椭圆芯折射率分布少模光纤的优点，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出了一种低损耗椭圆芯少模光纤；从长轴来看，直径d1≤10.8μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d1>10.8μm,光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；从短轴来看，直径d2≤7.2μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d2>7.2μm，光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；最外包层半径r为62.5μm；在1520nm-1600nm波长范围内，LP01与LP11a的模式间有效折射率差(n_LP01-n_LP11a)均大于3.92×10^-3；LP11a与LP11b之间的模式间有效折射率差(n_LP11a-n_LP11b)均大于2.23×10^-3；在整个C波段，该类型光纤的本征损耗较小，均小于0.162dB/km；采用纯二氧化硅材料作为椭圆纤芯，有效降低光纤损耗，打破了模式简并；采用大折射率差，有效降低光纤模式串扰；实现了低损耗、低串扰椭圆芯三模式运作，从而进一步提高光纤传输性能；光纤中模场特性可以通过改变纤芯、包层折射率分布、尺寸来改变。

本发明的有益效果如下：

1.该光纤采用纯二氧化硅材料作为椭圆纤芯，有效降低光纤损耗，打破了模式简并；

2.采用模式间大折射率差，有效降低光纤模式串扰；

3.该光纤中模场特性可以通过改变纤芯、包层的折射率分布、尺寸来改变。

4.该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、椭圆芯少模光纤的优点，从而进一步提高光纤传输性能，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入和光学信息处理、新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。

附图说明

图1是少模光纤的椭圆芯折射率分布图。

图2是少模光纤横截面的折射率等高线分布图。

图3是椭圆芯光纤中LP01、LP11a和LP11b三种模式的有效折射率随入射波长变化情况，分别用带星号、圆圈和正方形的曲线表示。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不限于此。

实施例1图1是少模光纤的椭圆芯折射率分布图；其中，实线代表长轴的折射率，虚线代表短轴的折射率；图1可以看出，从长轴来看，d1≤10.8μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d1>10.8μm,光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；从短轴来看，d2≤7.2μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d2>7.2μm，光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；最外包层半径为62.5μm；采用纯二氧化硅材料椭圆纤芯，有效降低光纤传输损耗与熔接损耗，打破了模式简并。经研究，在波长为1.54μm时，该椭圆芯光纤的本征损耗达到最低值，LP01、LP11a和LP11b三种模式的本征损耗分别为0.147dB/km、0.152dB/km和0.159dB/km。在1.55μm波长处，三种空间模式的传输损耗均小于0.160dB/km，优于文献[Junpeng Liang,Qi Mo,Songnian Fu,Ming Tang,P.Shum,and Deming Liu,"Design and fabrication of elliptical-core few-mode fiber for MIMO-less datatransmission,"Opt.Lett.41,3058-3061(2016)]中的0.3dB/km。在整个C波段，该类型光纤的本征损耗较小，均小于0.162dB/km。

图2是少模光纤横截面的折射率等高线分布图。图2可得，椭圆芯处折射率为1.4440，周边包层折射率为1.4320；椭圆芯处折射率大于周边折射率。

图3所示是椭圆芯光纤中LP01、LP11a和LP11b三种模式的有效折射率随入射波长变化情况，分别用带星号、圆圈和正方形的曲线表示；由图3中可知，光纤中模式间有效折射率差随波长增加而增大；在1520nm-1600nm波长范围内，LP01与LP11a之间的模式间有效折射率差(n_LP01-n_LP11a)均大于3.92×10^-3，在1550nm处n_LP01-n_LP11a为4.02×10^-3；LP11a与LP11b之间的模式间有效折射率差(n_LP11a-n_LP11b)均大于2.23×10^-3，在1550nm处n_LP11a-n_LP11b为2.25×10^-3，远大于文献[Junpeng Liang,Qi Mo,Songnian Fu,Ming Tang,P.Shum,andDeming Liu,"Design and fabrication of elliptical-core few-mode fiber forMIMO-less data transmission,"Opt.Lett.41,3058-3061(2016)]中相应的折射率差9×10^-4。较大的有效折射率差能够有效降低模式间的串扰。根据实验研究结果[Xianqing Jin,Ariel Gomez,Kai Shi,Benn C.Thomsen,Feng Feng,George S.D.Gordon,TimothyD.Wilkinson,Yongmin Jung,Qiongyue Kang,Pranabesh Barua,Jayanta Sahu,Shaif-ulAlam,David J.Richardson,Dominic C.O'Brien,and Frank P.Payne,"Mode CouplingEffects in Ring-Core Fibers for Space-Division Multiplexing Systems,"J.Lightwave Technol.34,3365-3372(2016)]，模式间的串扰与有效折射率差(ERID)有关。ERID越大，模式串扰越小。因此，我们提出的椭圆芯少模光纤可以有效地降低模式间的串扰。

总之，所提出的光纤实现了低损耗、低串扰椭圆芯三模式运作。应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议地得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。

Claims (1)

1.一种低损耗椭圆芯少模光纤，其特征在于：从长轴来看，直径d1≤10.8μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d1>10.8μm，光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；从短轴来看，直径d2≤7.2 μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d2>7.2μm，光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；最外包层半径r为62.5μm；

在1520nm-1600nm波长范围内，LP01与LP11a的模式间有效折射率差n_LP01-n_LP11a均大于3.92×10^-3；LP11a与LP11b之间的模式间有效折射率差n_LP11a-n_LP11b均大于2.23×10^-3；在整个C波段，上述光纤的本征损耗较小，均小于0.162 dB/km。

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