CN113740957A - 一种低串扰近零超平坦色散七芯光子晶体光纤 - Google Patents

一种低串扰近零超平坦色散七芯光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种新颖的包层直径为125μm液体填充七芯光子晶体光纤,在实现纤芯近零超平坦色散的同时,显著抑制了芯间串扰和弯曲损耗;利用有限元法模拟计算了色散,芯间串扰、弯曲损耗等性能;纤芯在1.36μm到1.66μm波长范围内色散值介于0±0.5ps/(nm·km)之间,芯间串扰在C+L波段的最大值低于‑100.88dB/100km。

Description

一种低串扰近零超平坦色散七芯光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及一种空分-波分复用光网络传输技术,特指光子晶体光纤。
背景技术
近年来,随着“大数据”、“5G”、“云计算”、“互联网+”等技术的快速发展,标准单模光纤已经无法满足光纤系统的传输容量需求。基于空分复用(SDM)技术的多芯光纤(MCF)在有限的包层内增加纤芯数目使每个纤芯都能同步的传输信号,在空分复用的传输系统中,多芯光纤借助光子灯笼等扇入扇出设备使光信号在每个纤芯中传输实现多路信道复用,从而简单高效的提高光纤系统的传输容量,但是由于多芯光纤包层的限制,纤芯数目增多会导致芯间串扰(XT)增大,从而导致光纤传输受限,使得接受端的信号产生严重的损伤。
2011年侯尚林等人提出一种近零超平坦色散液体填充光子晶体光纤的设计(现有技术1),该光纤通过建立填充高折射率温度系数液体的六边形折射率引导型光子晶体光纤的数值模型,利用矢量光束传输法研究该类光纤的几何和光学参数对色散的影响,其光纤结构图如图1所示,通过对孔径、孔间距等结构参数进行优化调整,最终如图2所示设计出在1.46~1.65μm内色散系数介于0±0.5ps/(nm·km)之间的超平坦色散光子晶体光纤。
2017年燕山大学韩颖等人提出一种近零色散平坦光子晶体光纤[9],它包括背景材料、纤芯和包层,其中背景材料为石英材料(现有技术2),如图3所示纤芯由光纤中心区域缺失的6层空气孔构成,包层由纤芯外围周期性排布的多层空气孔构成,空气孔为圆形,所有空气孔直径相同,在背景材料中呈六边形排布,空气孔直径为80-120nm,孔间距Λ为300-400nm,空气孔层数为5-25层。如图4所示在波长范围为1.66μm~1.96μm获得近零色散平坦,色散值介于0±0.5ps/(nm·km)之间。
发明内容
本发明的主要目的是针对在有限包层内保持多芯光纤在多信道传输的同时,实现纤芯的近零超平坦色散特性,并且有效的降低多芯光子晶体光纤的芯间串扰、弯曲损耗和限制损耗,以此来提高光纤通信系统的传输容量和效率。
为达成上述目的,本发明一种低串扰近零超平坦色散七芯光子晶体光纤,其中,光子晶体光纤由直径125μm纯二氧化硅包层和七个纤芯组成,七个纤芯呈2-3-2的正六边形分布,每个纤芯的包层由四层均匀分布的液体乙醇填充孔和最外层的空气孔组成,每层液体乙醇填充孔和空气孔均呈正六边形设置。
纤芯中乙醇液体填充孔孔间距为Λ=2.87μm,由内到外每层孔乙醇液体填充孔直径为d1=1.52μm,d2=1.49μm,d3=2.00μm,d4=2.29μm,空气孔直径为d5=2.29μm。
本发明在与标准单模光纤相同包层直径125μm内放置七个纤芯,实现了七路信道复用,简单高效的提高光纤系统的传输容量,在纤芯最外层排布正六边形空气孔,可以有效降低芯间串扰,限制损耗以及弯曲损耗值,更适用于多芯光子晶体光纤。
附图说明
图1为现有技术一光子晶体光纤截面图;
图2为现有技术一光子晶体光纤(a)色散(b)色散斜率与波长的关系;
图3为现有技术二光子晶体光纤截面图;
图4为现有技术二光子晶体光纤色散与波长的关系;
图5为本发明光纤结构图;
图6为本发明光纤截面图;
图7为本发明纤芯结构图;
图8为本发明纤芯色散与波长的关系图;
图9为本发明纤芯色散斜率与波长的关系图;
图10为本发明纤芯限制损耗随波长变化图;
图11为本发明LP01模在λ=1625nm且Rb=30mm时弯曲损耗随OCT变化图;
图12为本发明芯间串扰随光纤长度变化图;
图13为本发明9芯光子晶体光纤截面图;
图14为本发明10芯光子晶体光纤截面图;
图15为本发明12芯光子晶体光纤截面图;
图16为本发明19芯光子晶体光纤截面图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图详予说明。
本发明设计了一种液体填充七芯光子晶体光纤,其光纤结构如图5所示,由7个具有相同的近零超平坦色散特性的纤芯组成,分别是core1~core7。为提高光纤的拉制成功率,将包层设为与G.654光纤相同的直径125μm,包层材料采用纯二氧化硅,纤芯的包层由液体乙醇填充包层孔和空气孔组成。图6为光纤截面图,其中两个相邻光纤的芯间距为Λcore,最外层纤芯距包层的距离为OCT。纤芯中乙醇液体填充孔(1、2、3、4)依次由内到外成周期性排列,每层孔直径不同如图7所示分别为d1、d2、d3、d4,其目的在控制纤芯色散和降低芯间串扰,空气孔(5)在纤芯最外层呈六边形排布,其直径为d5,作用在于降低光纤的限制损耗和弯曲损耗。
色散是导致光脉冲在传输光纤中展宽的主要因素,因此有必要评估纤芯结构对光纤色散的影响。色散由两个部分组成:材料色散Dm波导色散Dw,可以写成等式(1),其中c是真空中的光速,nM取决于色散介质的λ,Re(neff)是neff的实部。
D=Dm+Dw
Figure BDA0003228972250000041
Figure BDA0003228972250000042
材料色散是指由光学模式和材料状态之间的相互作用引起的材料折射率的波长依赖性,波导的色散尤其取决于纤芯的参数,纤芯结构对波导色散的影响程度是确定设计中总色散的重要部分。
通过对纤芯的d1、d2、d3、d4、d5和孔间距(Λ)的优化调整,最终选取了结构参量Λ=2.87μm,d1=1.52μm,d2=1.49μm,d3=2.00μm,d4=d5=2.29μm,如图8所示本发明在波长λ=1.36~1.66μm得到近零超平坦色散性能,色散值为-0.36~0.422ps/(km·nm),在波长1.55μm处,色散值为0.041ps/(km·nm),并且在图9中可以观察到在波长λ=1.53~1.625μm之间色散斜率接近于零,在C+L波段具有良好的近零超平坦色散特性。
光纤的损耗基本上决定了光纤通信系统的最大中继距离,光纤损耗主要包括光纤材料的散射损耗、吸收损耗、和弯曲损耗。由于本发明光纤结构的特殊性,不同乙醇填充孔和空气孔对光的限制能力不同,导致光在传输过程中可能会泄露到包层中从而产生限制损耗(CL)。
由于限制损耗对整体损耗影响很大,而且本发明主要应用于空分-波分复用光网络系统的长距离传输,光纤在传输过程中发生随机弯曲是不可避免的,因此主要考虑多芯光子晶体光纤光纤的限制损耗和弯曲损耗。
通过对本发明所设计的多芯光子晶体光纤光纤模型进行仿真模拟,得到在纤芯基模不同偏振方向的有效折射率neff的虚部imag(neff),通过(2)式模拟计算出光纤的限制损耗。
Figure BDA0003228972250000051
在多芯光子晶体光纤中由于Λcore的增加,光纤的包层厚度相对变小,从而使包层对光的束缚能力减小导致弯曲损耗增大,严重影响多芯光子晶体光纤的传输能力。本发明由7个相同的光子晶体纤芯组成,最外层纤芯的位置影响包层厚度的大小,因此需要考虑最外层纤芯的弯曲损耗(BL)与包层厚度的影响。弯曲损耗可通过式(3)计算:
Figure BDA0003228972250000052
综上,ITU-T(国际电信联盟)建议的G.654光纤作为设计多芯光子晶体光纤的标准,其限制损耗值应小于0.22dB/km,而LP01模的弯曲损耗值应在波长为1625nm和弯曲半径(Rb)为30mm时小于0.5dB/100转,可以实现长距离传输。如图10所示,波长λ=2μm时纤芯的限制损耗值在不同偏振态下为0.07067dB/km和0.06876dB/km,其限制损耗值远小于所给的参考值。
而最外层纤芯弯曲损耗如图11所示,由于本发明结构的特殊性,其结构具有良好的弯曲不敏感特性,随着最外层纤芯距包层距离(OCT)的增加弯曲损耗值趋于一个小范围波动,其最大值为8.07×10-6dB/100turns到最小值7.29×10-6dB/100turns,整体远小于0.5dB/100turns,所以本发明OCT值在17.5~30μm之间都可取,综上我们所设计的光纤可实现长距离传输并且弯曲不敏感。
在多芯光子晶体光纤中,芯间串扰是制约光纤长距离传输的重要因素,只有足够低的芯间串扰才能保证光纤稳定传输,对于多芯光子晶体光纤平均功率耦合系数可用模式耦合系数表示为
Figure BDA0003228972250000053
(4)式中:Kmn为模式耦合系数κmn和κnm的平均值,见式(5),βm是纤芯m的模式传播常数,R是光纤的弯曲半径,Λ是纤芯m与纤芯n之间的距离,L是光纤的长度。
Figure BDA0003228972250000054
Figure DA00032289722555337566
(5)式中ω为电磁场的角频率,ε0为真空介电常数,N2表示整个耦合区域中的折射率分布,
Figure BDA0003228972250000062
表示纤芯n中的折射率分布,利用平均功率耦合系数
Figure BDA0003228972250000063
通过(6)式求解可得相邻纤芯之间的串扰表达式为:
Figure BDA0003228972250000064
式中:L是光纤的长度。
为了满足长距离传输所需的芯间串扰,这里的芯间串扰阈值设置为-30dB/100km。由于本发明7个纤芯完全相同,则只需考虑相邻两个纤芯之间的串扰值,如图12所示,Λcore取39μm,在Rb为80mm时我们对C+L波段进行芯间串扰和传输距离(L)的扫描,λ=1.53μm时XT=-129.95dB/100km、λ=1.55μm时XT=-111.71dB/100km,λ=1.625μm时XT=-100.88dB/100km,在C+L波段芯间串扰的最大值小于所给的阈值,因此本发明可以满足长距离传输所需的芯间串扰。
图13~图16将本发明光子晶体纤芯结构应用于9芯、10芯、12芯,19芯等不同包层直径下的纤芯排布方式。
表1现有技术一与本发明光纤参数和性能对比
Figure BDA0003228972250000065
注:色散平坦范围为光纤色散值介于0±0.5ps/(nm·km)之间的波长范围
表1给出了现有技术一与本发明光纤参数和性能对比,相对于现有技术一在1.46~1.65μm内色散值介于0±0.5ps/(nm·km)之间实现了190nm波长范围内近零超平坦色散特性,本发明所设计的光纤在1.36μm~1.66μm波长范围内色散值介于0±0.5ps/(nm·km)之间实现了300nm波长范围内近零超平坦色散特性。
本发明在与标准单模光纤相同包层直径125μm内放置七个纤芯,实现了七路信道复用,相对于现有技术一简单高效的提高光纤系统的传输容量。
相对于现有技术一本发明在纤芯最外层排布正六边形空气孔,可以有效降低芯间串扰,限制损耗以及弯曲损耗值,更适用于多芯光子晶体光纤。
表2现有技术二与本发明光纤参数和性能对比(单位μm)
Figure BDA0003228972250000071
注:色散平坦范围为光纤色散值介于0±0.5ps/(nm·km)之间的波长范围
现有技术二在波长范围为1.66μm~1.96μm色散值介于0±0.5ps/(nm·km)之间实现了近零超平坦色散特性,本发明所设计的光纤在1.36μm~1.66μm波长范围内色散值介于0±0.5ps/(nm·km)之间实现了近零超平坦色散特。同样是实现了300nm波长范围内近零超平坦色散特性,本发明优点在于更适用于C+L波段(1.53~1.625μm)光纤通信系统高效率传输。
本发明在与标准单模光纤相同包层直径125μm内放置七个纤芯,实现了七路信道复用,相对于现有技术二提高了光纤系统的传输容量。
相对于现有技术二纳米数量级的光子晶体光纤,本发明更微米数量级的光子晶体光纤更易于制备。
本发明技术方案带来的有益效果:
(1)解决传统单模光纤传输容量理论极限问题,极大程度上提高了光纤通信系统的传输容量和传输效率。
(2)本发明所述一种液体填充七芯光子晶体光纤结构的设计,相比以往多芯光纤结构可以有效的控制纤芯色散,利用光子晶体光纤结构设计的灵活性,采用液体填充技术,更好的实现近零超平坦色散特性。
(3)本发明所述一种液体填充七芯光子晶体光纤结构的设计,相比以往多芯光纤结构的芯间串扰更小,利用光子晶体的空间信道,采用乙醇填充孔和空气孔结构设计,将光束很好地限制在纤芯内,更好地抑制了光纤的芯间串扰。
(4)本发明所述一种液体填充七芯光子晶体光纤结构的设计,相比以往多芯光纤结构的弯曲损耗更小,利用光子晶体的多孔包层结构,采用乙醇填充孔和空气孔结构设计,将模场很好地限制在纤芯内,很大程度上降低了光纤的弯曲损耗。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种低串扰近零超平坦色散七芯光子晶体光纤,其特征在于:光子晶体光纤由直径125μm纯二氧化硅包层和七个纤芯组成,七个纤芯呈2-3-2的正六边形分布,每个纤芯的包层由四层均匀分布的液体乙醇填充孔和最外层的空气孔组成,每层液体乙醇填充孔和空气孔均呈正六边形设置。
2.如权利要求1所述的一种低串扰近零超平坦色散七芯光子晶体光纤,其特征在于:纤芯中乙醇液体填充孔孔间距为Λ=2.87μm,由内到外每层孔乙醇液体填充孔直径为d1=1.52μm,d2=1.49μm,d3=2.00μm,d4=2.29μm,空气孔直径为d5=2.29μm。
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