CN113917595A - 一种基于椭圆芯的大容量超模光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于椭圆芯的大容量超模光纤，该光纤包括包层和n个纤芯，所述包层包围所有纤芯的外周面，所述纤芯为少模纤芯；所述纤芯为横截面是椭圆形状的椭圆纤芯，所述光纤为少模的超模结构光纤。所述椭圆纤芯长短轴的大小以及纤芯的材料不同。所述椭圆纤芯内，相邻阶模群内模式简并度为10^‑4量级，相邻模群间模式简并度为10^‑3量级。旨在使得同一模群内与单模超模光纤类似为强耦合的同时实现相邻模群间为弱耦合，既可以保留超模结构的优势又得以最大限度提升通信容量。

Description

一种基于椭圆芯的大容量超模光纤

技术领域

本发明涉及一种光纤，尤其涉及一种大容量超模光纤。

背景技术

传统的单模传输系统已无法满足日益增长的通信容量需求，基于少模光纤和多芯光纤的空分复用(SDM)技术被认为是解决容量危机的有效途径，相关研究和工作的进展也十分迅速。

少模光纤中，每个模式都是一个单独的信道，如今少模光纤发展迅速，支持的模式数也在不断增加，使得通信容量进一步得以提升，但非简并模式间的有效折射率差距较大，在长距离传输过程中由于较大的差分群时延(DMGD)和模式相关损耗(MDL)，使得DSP复杂度大幅增加，难以实现实时传输。传统的多芯光纤是在较大的包层内承载多个单模纤芯，实现传输容量的倍增，但由于单芯的有效模场面积相较于普通单模没有提升甚至因为通信需求会更小，使得长距离传输下各信道的非线性效应未得到改善。少模光纤与多芯光纤的结合及芯间弱耦合的多芯光纤在容量提升上的确有很大的潜力(如19芯×6模)。因单芯中模式的耦合串扰，需在接收端用DSP算法进行均衡，计算复杂度巨大，目前的空分复用系统也都是离线完成。计算复杂度与M和模式群时延(DMGD)相关，所以需要大幅降低DMGD来实现长距离、大容量实时传输。目前，减小芯间模式耦合，同时增大芯内模式间耦合被认为是降低DMGD从而降低DSP复杂度的最有效方式。超模光纤是强耦合光纤中的重要类型。所谓超模，是指在多芯光纤中，当芯间耦合较强时，由于模场严重交叠而形成的区别于光纤本征模式的一组特殊模式。在强耦合多芯光纤(超模光纤)中，可以通过减小芯间距离等设计，使各个超模间的有效折射率差(即模式简并度)显著减小，在弯曲或其他扰动作用下，使模式间满足相位匹配，进而发生强耦合。相较于少模光纤，超模光纤具有(1)模式间强耦合、(2)模间低DMGD和(3)大有效模场面积和低非线性。

发明内容

基于现有的超模理念，结合目前多芯少模光纤结构和每个芯为单模的超模结构(单模超模光纤)，本发明提出一种基于椭圆芯的大容量超模光纤，每个芯为少模的超模结构光纤(少模超模光纤)，旨在使得同一模群内与单模超模光纤类似为强耦合的同时实现相邻模群间为弱耦合，既可以保留超模结构的优势又得以最大限度提升通信容量。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于椭圆芯的大容量超模光纤，该光纤包括包层和n个纤芯，所述包层包围所有纤芯的外周面，所述纤芯为少模纤芯；所述纤芯为横截面是椭圆形状的椭圆纤芯，所述光纤为少模的超模结构光纤。

进一步讲，本发明所述的基于椭圆芯的大容量超模光纤，其中：

所述椭圆纤芯长短轴的大小以及纤芯的材料不同。

所述椭圆纤芯内，相邻阶模群内模式简并度Δn_eff1为10^-4量级，相邻模群间模式简并度Δn_eff2为10^-3量级。

每个纤芯内传输模式数为两模；所述椭圆纤芯的长轴a的数值范围是1μm<a<50μm，所述椭圆纤芯的短轴b的数值范围是1μm<b<50μm，且a不等于b；相邻椭圆纤芯的中心点距离d的数值范围是0.1μm<d<50μm；所述包层的半径r_cl的数值范围是50μm<r_cl<300μm，芯包的相对折射率差Δn_co的数值范围为0.1％<Δn_co<5％。

所述包层和所述纤芯的材料均不掺杂，并选用不同材料组合。例如：包层的材料是氟化钙，纤芯侧材料是二氧化硅；包层的材料是二氧化硅，纤芯的材料是硅；对于上述不掺杂材料的选用，其可选的组合在本发明中不受限制。除此之外，所述包层和所述纤芯的材料组合还可以有下述情形之一：

a)所述包层的材料为二氧化硅；所述纤芯的材料为掺杂的二氧化硅；

b)所述包层的材料为掺杂的二氧化硅；所述纤芯的材料为二氧化硅；

c)所述包层和所述纤芯的材料均为掺杂的二氧化硅；

d)所述包层的材料是：一部分区域的材料为掺杂的二氧化硅，另一部分区域的材料为二氧化硅；所述纤芯的材料为掺杂的二氧化硅。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明设计的基于椭圆芯的大容量超模光纤，将纤芯从传统的圆形替换为椭圆形，通过调整椭圆形光纤的椭圆度，人为的破坏高阶非对称模式(如LP₁₁模式)的简并特性，并结合椭圆形的长短轴大小，芯包的相对折射率差以及相邻芯的相对位置，使得同一模群内模式保持高度简并的同时实现相邻模群间为弱耦合，如图1所示。以n芯为例，n个纤芯芯区形状不同，纤芯材料及折射率大小不同，长轴方向不同。每个纤芯可支持多个模式。在设计过程中，为了评估参数调整或结构设计的效果，可使用电磁场仿真软件中的模式求解器，也可结合人工智能等方法进行光纤参数优化。

附图说明

图1是本发明的大容量超模光纤单簇结构示意图；

图2是n＝4的实施例四芯椭圆芯超模光纤结构示意图；

图3是一阶模群各模式模场图像；

图4是二阶模群各模式模场图像；

图5是椭圆纤芯长轴不同角度及方向的排布方式；

图6是纤芯数量及芯间排布示意图；

图7是基于椭圆芯超模光纤的传输系统。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1：如图2所示，本实施例以单簇四芯(即n＝4)椭圆形超模光纤的结构为例，所述四个纤芯的芯区横截面的形状相同，纤芯材料及折射率大小相同，且相邻芯区的长轴间的夹角为90°，分布为相对位置的纤芯的芯区的长轴在同一条直接上。每个纤芯均支持两个模式。其中，包层的材料为掺氟的二氧化硅材料，纤芯的材料为不掺杂的二氧化硅(即纯二氧化硅材料)，表1是该四芯椭圆芯超模光纤结构参数表。

表1四芯超模光纤结构参数表

表1中，d为相邻椭圆纤芯的中心点距离，n_co为纤芯折射率，n_cl为包层折射率，a为椭圆纤芯长轴的大小，b为椭圆纤芯短轴的大小。λ为入射波长，Δn_co为芯包相对折射率差。

表2、表3分别是该实施例的一阶、二阶模群各模式有效折射率，其中每个模式包含x和y偏振。一、二阶模群内模式简并度为10^-4量级(1×10^-4和3×10^-4)，两模群间模式简并度为10^-3量级(1.1×10^-3)，该实施例的光纤的设计在保证同一模群高简并度的同时，有效避免了相邻模群的耦合。一阶模群各模式的模场图如图3所示，二阶模群各模式模场图像如图4所示。

表2一阶模群各模式有效折射率表和有效模场面积

表3二阶模群各模式有效折射率表

表2及表3中，分别表示第一至第八个超模模式x、y偏振的有效折射率n_eff及有效模场面积A_eff。

由表2和表3可知，一、二阶模群内模式简并度Δn_eff1为10^-4量级(1×10^-4和3×10^-4)，两模群间模式简并度Δn_eff2为10^-3量级(1.1×10^-3)。由结果可知，模群内简并度差异较小，可以使得同一模群内的模式耦合充分。因模群间的简并度差异较大，有效避免了相邻模群的耦合。这样，既能很好地利用超模结构的强耦合特性，也能很好地区分开各个模群，有效得降低了计算复杂度。

实施例2：

本实施例提出本发明光纤中，椭圆纤芯不但各自的长轴和短轴可以不同，而且长轴可以有不同方向、长轴之间具有不同夹角的排布，如图5所示，其中，(a)示出了各椭圆纤芯按照长轴呈放射线状布置，(b)示出了各椭圆纤芯按照长轴基本平行布置，(c)示出了各椭圆纤芯按照长轴呈一多边形布置。

实施例3：

本实施例提出本发明光纤中，椭圆纤芯的数量可根据容量要求做具体限定，椭圆纤芯间的排布也可根据实际需求进行改变，其椭圆纤芯的数量可以为6芯、7芯、16芯、19芯甚至更多芯，如图6所示，其中，(a)示出了六芯正五边形排布，(b)示出了七芯正六边形排布，(c)示出了七芯正三角形排布，(b)示出了十六芯方格形排布，(e)示出了十九芯正六边形排布。

实施例4：

本实施例提出一种基于椭圆芯超模光纤的传输系统，如图7。并且该超模光纤传输系统设有发射器和接收器以及将本发明提出的基于椭圆芯的大容量超模光纤或者基于该超模光纤的缆线作为位于发射器与接收器之间的光传输介质(传输线)，并且在传输线中布置有包括放大光纤的光放大中继器。光放大中继器将通过光放大中继器中的芯部传播的光放大。优选的是光放大中继器包括放大光纤。其光纤传输系统通过空间多路复用来发送信号。在多波长传输中，对于各信号光的波长，可以优化调制方法，从而实现不同调制方法的信号光的波长多路复用。

实施例5：

针对本发明的超模光纤，其典型值参数范围如表4所示。

表4

表4中，Δn_co为芯包的相对折射率差，a为椭圆纤芯长轴的大小，b为椭圆纤芯短轴的大小，d为相邻椭圆纤芯的中心点距离，r_cl为包层半径的大小。

综上，本发明提出的一种基于椭圆芯的大容量超模光纤，一、二阶模群内模式简并度Δn_eff1为10^-4量级(1×10^-4和3×10^-4)，两模群间模式简并度Δn_eff2为10^-3量级(1.1×10^-3)。模群内简并度差异较小，可以使得同一模群内的模式耦合充分。因模群间的简并度差异较大，有效避免了相邻模群的耦合。这样，既能很好地利用超模结构的强耦合特性，也能很好地区分开各个模群，有效得降低了计算复杂度。既可以保留超模结构的优势又得以最大限度提升通信容量。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于椭圆芯的大容量超模光纤，该光纤包括包层和n个纤芯，所述包层包围所有纤芯的外周面，所述纤芯为少模纤芯；其特征在于，所述纤芯为横截面是椭圆形状的椭圆纤芯，所述光纤为少模的超模结构光纤。

2.根据权利要求1所述的基于椭圆芯的大容量超模光纤，其特征在于，所述椭圆纤芯长短轴的大小以及纤芯的材料不同。

3.根据权利要求1所述的基于椭圆芯的大容量超模光纤，其特征在于，所述椭圆纤芯内，相邻阶模群内模式简并度Δn_eff1为10^-4量级，相邻模群间模式简并度Δn_eff2为10^-3量级。

4.根据权利要求1所述的基于椭圆芯的大容量超模光纤，其特征在于，每个纤芯内传输模式数为两模；所述椭圆纤芯的长轴a的数值范围是1μm<a<50μm，所述椭圆纤芯的短轴b的数值范围是1μm<b<50μm，且a不等于b；相邻椭圆纤芯的中心点距离d的数值范围是0.1μm<d<50μm；所述包层的半径r_cl的数值范围是50μm<r_cl<300μm，芯包的相对折射率差Δn_co的数值范围为0.1％<Δn_co<5％。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于椭圆芯的大容量超模光纤，其特征在于，所述包层和所述纤芯的材料均不掺杂，并选用不同材料组合。

6.根据权利要求1-4任一所述的基于椭圆芯的大容量超模光纤，其特征在于，所述包层和所述纤芯的材料组合有下述情形之一：

a)所述包层的材料为二氧化硅；所述纤芯的材料为掺杂的二氧化硅；

b)所述包层的材料为掺杂的二氧化硅；所述纤芯的材料为二氧化硅；

c)所述包层和所述纤芯的材料均为掺杂的二氧化硅；

d)所述包层的材料是：一部分区域的材料为掺杂的二氧化硅，另一部分区域的材料为二氧化硅；所述纤芯的材料为掺杂的二氧化硅。

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