CN113820780B - 一种全mimo双阶跃7芯6模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全MIMO双阶跃7芯6模光纤。所述光纤包括7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯和第一石英包层；7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯呈六边形排布在石英包层中；低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯从内到外依次包括第一层高掺杂纤芯、第二层低掺杂纤芯、第二石英包层和环形沟槽。本发明提出的全MIMO双阶跃7芯6模光纤具有低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯，通过调节双阶跃光纤的第二层纤芯与第一层纤芯的相对位置、相对折射率以及调节低折射率环形沟槽与纤芯的相对位置、相对折射率，可以调控各个模式的群速度从而控制模间的模式群时延差以减小接收端MIMO算法复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种需要MIMO数字信号处理的双阶跃7芯6模光纤。
背景技术
空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)为光纤传输系统提供了一个新的发展方向，有可能使系统容量增加一个数量级。多芯光纤(Multi-Core Fiber,MCF)和少模光纤(Few-Mode Fiber,FMF)作为SDM的两种有效手段近年来受到了学术界和产业界的关注。SDM通过利用MCF或FMF使得多个不同空间上的模式同步传输。普通光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区所构成，MCF的一个共同包层区中存在着多个纤芯而应用于多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统的FMF则能够实现数个模式的无耦合传输。
近年来，作为解决光传输系统中容量饱和问题的可靠解决方案，MCF的空分复用已在超高容量长距离传输中得到验证。其中，文献(OFC PDP5C,2012)提出了一种19芯光纤，能够以305Tbits/s的速度传输100-WDM PDM-QPSK信号长达10.1km，各纤芯平均的芯间串扰(Crosstalk,XT)在1.55μm的波长下为-42dB/km。文献(ECOC,TH.3.C.1,2012)提出了一种以圆环结构分布的12芯光纤，其有效面积为80μm2、芯间串扰XT在1.55μm的波长下为-40dB/100km，并且能够以1.01Pbits/s的速率传输长达52.4km。以上两种MCF均已突破香农理论的极限容量，验证了SDM用于突破光传输系统中传输容量瓶颈的可行性。另外，文献(Journalof Lightwave Technology,30(17),2793-2787,2012)提出了一种双层阶跃折射率纤芯结构的少模光纤，利用模式时延差(Differential Mode Delay,DMD)补偿方法实现了在20.4km传输距离上总DMD小于111ps的低损耗传输。文献(Optics Express,21(14),16231-16238,2013)提出了一种渐变折射率纤芯结构的少模光纤的设计方法，实现了在常规波段上低于36ps/km的DMD。以上两种FMF所得到的较低DMD可以有效地减小MIMO系统的接收端数字信号处理过程的计算复杂度。
作为同时实现多芯和少模的超大密度空分复用(Dense Space DivisionMultiplexing,DSDM)的新型少模多芯光纤(FM-MCF)是一种进一步增加传输信道提高传输容量的可靠方案。因此在设计FM-MCF时，需要考虑纤芯的结构参数以调节模式间的DMD，并且同时也要考虑纤芯的排布以抑制芯间串扰。
现有技术中，文献(Optics Express,22(4),4329-4341,2014)介绍了双阶跃纤芯结构可以用来有效调控DMD，但文献仅限于单芯讨论，光纤容量较低。
发明内容
本发明是为了实现大容量信号传输，目的在于提出一种基于空分复用技术支持6个模式复用和7个纤芯复用传输的全MIMO双阶跃7芯6模光纤。
本发明提供的一种全MIMO双阶跃7芯6模光纤中每个纤芯具有两种向上掺杂不同浓度的高折射率纤芯以及低折射率环形沟槽，通过调节两层纤芯的相对尺寸、相对折射率差、环形沟槽与纤芯的相对位置和相对折射率差，可以调节基模LP01与一阶高次模LP11的模间DMD；低折射率环形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。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种全MIMO双阶跃7芯6模光纤，包括7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯和第一石英包层；7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯呈六边形排布在石英包层中；
低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯从内到外依次包括第一层高掺杂纤芯、第二层低掺杂纤芯、第二石英包层和环形沟槽；
第一层高掺杂纤芯和第二层低掺杂纤芯的材料折射率与双阶跃纤芯尺寸一起共同决定纤芯内所能容纳的模式数量，纤芯尺寸和纤芯材料折射率越大，模式数量越多；第二层低掺杂阶跃纤芯和环形沟槽用于调节LP01与LP11a/LP11b模式间的模式群时延差(DMD)；当低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯的尺寸固定时，将第二层低掺杂纤芯的材料折射率以第一层高掺杂纤芯材料的材料折射率为基准往下降低时，线偏振LP01与LP11a/LP11b模式间的模式群时延差(DMD)将先减小至0ps/km再逐渐增加；当低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯的材料折射率固定时，调节两层纤芯尺寸比例对模式群时延差(DMD)影响不大；因此，要合理设计双阶跃纤芯的相对材料折射率来达到低|DMD|的目的。
进一步地，所述7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯中，其中一个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯位于第一石英包层中心位置，其余6个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯环绕中心位置排列成正六边形结构。
进一步地，第二石英包层和第一石英包层的材料均为熔融石英。
进一步地，第一层高掺杂纤芯的材料折射率比第二层低掺杂纤芯的材料折射率高；
所述第一层高掺杂纤芯和第二层低掺杂纤芯的材料折射率呈现双阶跃环形形状分布。
进一步地，环形沟槽的材料折射率比第一石英包层的材料折射率低，除了可以进一步束缚模场，还可以有效调控线偏振LP01与LP11a/LP11b模间模式群时延差(DMD)；当双阶跃纤芯的尺寸和材料折射率都固定时，低折射率环形沟槽远离双阶跃纤芯时，模式群时延差(DMD)会逐渐减小至0ps/km；因此，要合理设低折射率环形沟槽距离纤芯的位置来达到低模式群时延差(DMD)的目的。
进一步地，第一层高掺杂纤芯的半径a1＝4.0±0.1μm。
进一步地，第二层低掺杂纤芯的半径r1＝8.0±0.1μm。
进一步地，环形沟槽的内半径r2＝12.8±0.1μm；环形沟槽的厚度W＝2.4±0.1μm。
进一步地，第一层高掺杂纤芯与第一石英包层的相对折射率差为Δ1；第二层低掺杂纤芯与第一石英包层的相对折射率差为Δ2；第一层高掺杂纤芯与第二层低掺杂纤芯的相对折射率差为Δd，Δd＝Δ2-Δ1；环形沟槽与第一石英包层的相对折射率差为Δt，其中Δ1＝0.43±0.01％，Δ2＝0.3±0.01％，Δd＝-0.13±0.01％，Δt＝-0.7±0.01％。
进一步地，全MIMO双阶跃7芯6模光纤支持六个模式，包括：x偏振LP01模、y偏振LP01模、x偏振LP11a模、y偏振LP11a模、x偏振LP11b模、y偏振LP11b模。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的全MIMO双阶跃7芯6模光纤具有低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯，通过调节双阶跃光纤的第二层纤芯与第一层纤芯的相对位置、相对折射率以及调节低折射率环形沟槽与纤芯的相对位置、相对折射率，可以调控各个模式的群速度从而控制模间的模式群时延差以减小接收端MIMO算法复杂度。
本发明将对单芯双阶跃结构进行拓展，提出一种7芯排布的少模多芯光纤，每个纤芯均为双阶跃折射率分布；本发明同时兼顾芯内模式间DMD以及芯间模式串扰；本发明的7芯6模光纤相较单芯6模光纤容量提升了7倍。
附图说明
图1a是本实施例提出的全MIMO双阶跃7芯6模光纤截面图；
图1b是单个纤芯的横截面和折射率分布图；
图2是本实施例提出的全MIMO双阶跃7芯6模光纤的纤芯的设计范围图；
图3是本实施例提出的全MIMO双阶跃7芯6模光纤中单个纤芯LP11模和LP01模的DMD与波长的依赖关系图；
图4a是本实施例提出的全MIMO双阶跃7芯6模光纤的相邻纤芯的串扰与芯间距的依赖关系图；图4b是图4a的局部放大图。
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。
实施例：
一种全MIMO双阶跃7芯6模光纤，如图1a所示，包括7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯和第一石英包层5；7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯呈六边形排布在石英包层5中；
如图1b所示，低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯从内到外依次包括第一层高掺杂纤芯1、第二层低掺杂纤芯2、第二石英包层3和环形沟槽4；
第一层高掺杂纤芯1和第二层低掺杂纤芯2的材料折射率与双阶跃纤芯尺寸一起共同决定纤芯内所能容纳的模式数量，纤芯尺寸和纤芯材料折射率越大，模式数量越多；第二层低掺杂阶跃纤芯2和环形沟槽4用于调节LP01与LP11a/LP11b模式间的模式群时延差(DMD)；当低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯的尺寸固定时，将第二层低掺杂纤芯2的材料折射率以第一层高掺杂纤芯材料1的材料折射率为基准往下降低时，线偏振LP01与LP11a/LP11b模式间的模式群时延差(DMD)将先减小至0ps/km再逐渐增加；当低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯的材料折射率固定时，调节两层纤芯尺寸比例对模式群时延差(DMD)影响不大；因此，要合理设计双阶跃纤芯的相对材料折射率来达到低|DMD|的目的。
本实施例中，如图1a所示，所述7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯中，其中一个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯位于第一石英包层5中心位置，其余6个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯环绕中心位置排列成正六边形结构。
本实施例中，第二石英包层3和第一石英包层5的材料均为熔融石英。
本实施例中，第一层高掺杂纤芯1的材料折射率比第二层低掺杂纤芯2的材料折射率高；
所述第一层高掺杂纤芯1和第二层低掺杂纤芯2的材料折射率呈现双阶跃环形形状分布。
本实施例中，环形沟槽4的材料折射率比第一石英包层5的材料折射率低，除了可以进一步束缚模场，还可以有效调控线偏振LP01与LP11a/LP11b模间模式群时延差(DMD)；当双阶跃纤芯的尺寸和材料折射率都固定时，低折射率环形沟槽远离双阶跃纤芯时，模式群时延差(DMD)会逐渐减小至0ps/km；因此，要合理设低折射率环形沟槽距离纤芯的位置来达到低模式群时延差(DMD)的目的。
本实施例中，第一层高掺杂纤芯1的半径a1＝4.0μm。
本实施例中，第二层低掺杂纤芯2的半径r1＝8.0μm。
本实施例中，环形沟槽4的内半径r2＝12.8μm；环形沟槽4的厚度W＝2.4μm。
本实施例中，第一层高掺杂纤芯1与第一石英包层5的相对折射率差为Δ1；第二层低掺杂纤芯2与第一石英包层5的相对折射率差为Δ2；第一层高掺杂纤芯1与第二层低掺杂纤芯2的相对折射率差为Δd，Δd＝Δ2-Δ1；环形沟槽4与第一石英包层5的相对折射率差为Δt，其中Δ1＝0.43，Δ2＝0.3，Δd＝-0.13，Δt＝-0.7。
本实施例中，全MIMO双阶跃7芯6模光纤支持六个模式，包括：x偏振LP01模、y偏振LP01模、x偏振LP11a模、y偏振LP11a模、x偏振LP11b模、y偏振LP11b模。LP11模与LP01模间的模式群时延差在C+L波段都保持为0ps/km。芯间距大于50μm情况下相邻纤芯的芯间串扰小于-30dB/100km。
本实施例中，图2是全MIMO双阶跃7芯6模光纤单芯的设计范围，其中r1/a1＝2.0，r2/r1＝1.6，W/r1＝0.3，Δd＝-0.13％，Δt＝-0.7％；图2中靠上方的黑色粗线为在弯曲半径为140mm，波长为1530nm条件下LP21模式损耗＝1dB/km，靠下方的黑色粗线为在弯曲半径为30mm，波长为1625nm条件下LP11模式损耗＝0.5dB/100圈，两条黑色粗线相夹的区域为支持LP01，LP11a与LP11b的设计区间。图2中黑色线为DMD，虚线为基模的有效折射率(Effectiveindex，neff)，点虚线为基模的有效面积(Effective area，Aeff)。本发明的设计点为(a1，Δt)＝(4.0μm,0.43％)。
本实施例中，图3是全MIMO双阶跃7芯6模光纤中单个纤芯LP11模和LP01模的DMD与波长的依赖关系图，从图3可以看出基于图2给出的纤芯结构参数设计点可以保持C+L波段上0ps/km的DMD值。
本实施例中，图4a是全MIMO双阶跃7芯6模光纤的相邻纤芯的串扰与芯间距的依赖关系图，图4b是图4a局部放大图，当纤芯间距Λ大于50μm时芯间串扰小于-30dB/100km。
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 (4)
1.一种全MIMO双阶跃7芯6模光纤，其特征在于：包括7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯和第一石英包层（5）；7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯呈六边形排布在第一石英包层（5）中；
低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯从内到外依次包括第一层高掺杂纤芯（1）、第二层低掺杂纤芯（2）、第二石英包层（3）和环形沟槽（4）；
第一层高掺杂纤芯（1）的材料折射率比第二层低掺杂纤芯（2）的材料折射率高；
所述第一层高掺杂纤芯（1）和第二层低掺杂纤芯（2）的材料折射率呈现双阶跃环形形状分布；
环形沟槽（4）的材料折射率比第一石英包层（5）的材料折射率低；第一层高掺杂纤芯（1）的半径a 1=4.0±0.1μm；第二层低掺杂纤芯（2）的半径r 1=8.0±0.1μm；环形沟槽（4）的内半径r 2=12.8±0.1μm；环形沟槽（4）的厚度W=2.4±0.1μm；
第一层高掺杂纤芯（1）与第一石英包层（5）的相对折射率差为Δ1；第二层低掺杂纤芯（2）与第一石英包层（5）的相对折射率差为Δ2；第一层高掺杂纤芯（1）与第二层低掺杂纤芯（2）的相对折射率差为Δd，Δd=Δ2-Δ1；环形沟槽（4）与第一石英包层（5）的相对折射率差为Δt，其中Δ1=0.43±0.01%，Δ2=0.3±0.01%，Δd =−0.13±0.01%，Δt =−0.7±0.01%。
2.根据权利要求1所述的全MIMO双阶跃7芯6模光纤，其特征在于：所述7个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯中，其中一个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯位于第一石英包层（5）中心位置，其余6个低折射率环形沟槽辅助式双阶跃纤芯环绕中心位置排列成正六边形结构。
3.根据权利要求1所述的全MIMO双阶跃7芯6模光纤，其特征在于：第二石英包层（3）和第一石英包层（5）的材料均为熔融石英。
4.根据权利要求1~3任一项所述的全MIMO双阶跃7芯6模光纤，其特征在于：全MIMO双阶跃7芯6模光纤支持六个模式，包括：x偏振LP01模、y偏振LP01模、x偏振LP11a模、y偏振LP11a模、x偏振LP11b模、y偏振LP11b模。
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