CN113933928A - 一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域，公开了一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤，包括外包区域、纤芯区域；所述的纤芯区域在外包区域内部，且纤芯区域与外包区域是同心圆，所述的外包区域包括外包层、若干个第二层嵌套管、若干个第一层反谐振管；所述的第二层嵌套管内切于所述的外包层；所述的第一层反谐振管位于所述的第二层嵌套管、纤芯区域之间，且分别与所述的第二层嵌套管、纤芯区域相切；若干个所述的第二层嵌套管之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域；若干个所述的第一层反谐振管之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域；本发明解决了现有光纤缺乏灵活优化能力，不支持少模弱耦合传输，传输模式的限制损耗较大的问题。

Description

一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，更具体的，涉及一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤。

背景技术

目前，随着云计算、5G、大数据等技术的高速发展，全球信息领域更加繁荣，加上人们越来越多地使用数据通信，这意味着在世界光纤网络上流通的数据量每年急速增长。为了应对与日俱增的数据量，现有的前沿技术领域设计有负曲率空芯反谐振光纤(ARF)；其作为典型的空芯光纤，基于反谐振反射光波导(ARROW)理论，通过在光纤包层引入一定厚度的玻璃来实现光波的相干相消，从而将模场约束在纤芯内，有效减少传输信号的能量泄漏。如中国专利公开号CN 112526669A，公开日2021.03.19，公开了一种空心反谐振光纤，包括低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域，有在保证较大的传输带宽同时进一步降低光纤损耗的效果。然而现有技术光纤有缺乏灵活优化能力，不支持少模弱耦合传输，传输模式的限制损耗较大的问题。因此，如何发明一种具有一定灵活优化能力，能够适应各种传输场景，传输模式的限制损耗小，且能适用大传输带宽，高模式消光比的新型空心反谐振光纤，是本技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术有缺乏灵活优化能力，不支持少模弱耦合传输，传输模式的限制损耗较大的问题，提供了一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其具有灵活优化，能够支持少模弱耦合传输，传输模式的限制损耗小，且能适用大传输带宽，高模式消光比的特点。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤，包括外包区域、纤芯区域；所述的纤芯区域在外包区域内部，且纤芯区域与外包区域是同心圆，所述的外包区域包括外包层、若干个第二层嵌套管、若干个第一层反谐振管；所述的第二层嵌套管内切于所述的外包层；所述的第一层反谐振管位于所述的第二层嵌套管、纤芯区域之间，且分别与所述的第二层嵌套管、纤芯区域相切；若干个所述的第二层嵌套管之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域；若干个所述的第一层反谐振管之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域。

优选的，所述的纤芯区域被若干个所述的第一层反谐振管包围，所述的纤芯区域的半径R取值范围为11～27μm。

进一步的，所述的第二层嵌套管包括第二层嵌套管体、固定连接在第二层嵌套管体上的U型玻璃结构、安装在所述U型玻璃结构的内部的横管；所述的U型玻璃结构开口方向面向外包层内侧。

更进一步的，所述的横管通过嵌入的方式可调节地安装于所述U型玻璃结构的内部，所述的横管平行于所述的U型玻璃结构的开口方向。

更进一步的，所述的横管的厚度、所述的第二层嵌套管体的厚度t和所述U型玻璃结构的厚度相同。

更进一步的，所述的横管与所述U型玻璃结构的开口之间的距离x₁取值范围为0～1.3*R。

更进一步的，所述的第一层反谐振管为玻璃材质的空心管，其内部填充有空气。

更进一步的，所述的第一层反谐振管的半径r₁取值范围为0.08*R～0.65*R。

更进一步的，所述的第一层反谐振管的位置公式为：

其中第二层嵌套管半径为r。

更进一步的，所述的第一层反谐振管的半径r₁的公式为：

其中x₂为纤芯与所述第一层反谐振管体之间的距离，g为第一层反谐振管之间的距离，tn为第一层反谐振管的厚度，N为第一层反谐振管的数量。本发明的有益效果如下：

本发明通过若干个第二层嵌套管相互配合，有效的降低了外包区域的有效折射率，增大了与纤芯区域的有效折射率差，抑制纤芯基模向外耦合，使光纤能够支持少模弱耦合传输。同时，通过第一层反谐振管缩小第二层嵌套管之间的间隙；同时可以通过第一层反谐振管为光纤增加调节灵活度，带来额外的负曲率和反谐振层数，进一步的减少模式的损耗，从而实现了能够灵活调节，能够支持少模弱耦合传输，传输模式的限制损耗小的特点。

附图说明

图1是所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤结构简要示意图。

图2是所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤结构的详细示意图。

图3是实施例1中所述双层弱耦合少模空心反谐振光纤模场分布仿真图。

图4是实施例1中所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤纤芯中LP模式的限制损耗示意图。

图5是实施例2中纤芯中LP模式的限制损耗示意图。

图6是实施例3中纤芯直径对纤芯模式的限制损耗影响示意图。

图中，1-外包区域，2-纤芯区域，3-外包层，4-第二层嵌套管，5-第一层反谐振管。6-第二层嵌套管体，7-U型玻璃结构，8-横管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图1和图2所示，一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤，包括外包区域1、纤芯区域2；所述的纤芯区域2在外包区域1内部，且纤芯区域2与外包区域1是同心圆，所述的外包区域1包括外包层3、6个第二层嵌套管4、6个第一层反谐振管5；所述的第二层嵌套管4内切于所述的外包层3；所述的第一层反谐振管5位于所述的第二层嵌套管4、纤芯区域2之间，且分别与所述的第二层嵌套管4、纤芯区域2相切；若干个所述的第二层嵌套管4之间间隔相同，均为1.78μm，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域2；若干个所述的第一层反谐振管5之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域2。

本实施例中传输波段为1200nm～2000nm，即目标的传输带宽为800nm，同时能够实现低损耗2个LP模群的弱耦合传输。

所述的纤芯区域2被若干个所述的第一层反谐振管5包围，所述的纤芯区域2的半径R取值范围为11～27μm；本实施例中选取参数两个模式(LP₀₁、LP₁₁)弱耦合临界条件R＝21.5μm。

所述的第二层嵌套管4包括第二层嵌套管体6、固定连接在第二层嵌套管体6上的U型玻璃结构7、安装在所述U型玻璃结构7的内部的横管8；所述的U型玻璃结构7开口方向面向外包层3内侧。

所述的横管8通过嵌入的方式可调节地安装于所述U型玻璃结构7的内部，所述的横管8平行于所述的U型玻璃结构7的开口方向。

所述的横管8的厚度、所述的第二层嵌套管体6的厚度t和所述U型玻璃结构7的厚度相同，均为0.37μm。

所述的横管8与所述U型玻璃结构7的开口之间的距离x₁取值范围为0～1.3*R，本实施例中x₁/R＝0.6。

所述的第一层反谐振管5为玻璃材质的空心管，其内部填充有空气。

所述的第一层反谐振管5的半径r₁取值范围为0.08*R～0.65*R，本实施例中r₁/R＝0.38。

所述的第一层反谐振管5的位置公式为：

其中第二层嵌套管4半径为r，本实施例中r/R＝0.90。

所述的第一层反谐振管5的半径r₁的公式为：

其中，x₂为纤芯与所述第一层反谐振管5体之间的距离，g为第一层反谐振管5之间的距离，tn为第一层反谐振管5的厚度，N为第一层反谐振管5的数量。

如图3所示，本实施例采用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件模拟仿真本发明，通过对传输波段为1200nm～2000nm的通信信号反复拟真，选取参数两个模式(LP₀₁、LP₁₁)弱耦合临界条件R＝21.5μm，同时选取6个第二层嵌套管4，将反谐振中心波长λ设为1550nm，设置第二层嵌套管4厚度t＝0.37μm，反复调节优化所述第一层反谐振管5和所述横管8相对位置，增大与纤芯区域2的有效折射率差，抑制纤芯基模向外耦合，使光纤能够同时支持少模弱耦合传输和获得低基模模式CL。同时，在以上空芯光纤参数的确定的情况下，对光纤进行1100nm～2000nm的波长范围下的损耗窗口扫描。由图4可得在目标传输窗口1200nm～2000nm，纤芯的两个基模的限制损耗<0.4dB/km，在1400nm～1700nm传输波段的〖LP〗_01模式的限制损耗变化较大，是由于该传输波段包层管中模式对〖LP〗_01模式耦合的影响，在该结构参数下，此波长段处于谐振频带。由于包层毛细管内模式的有效折射率与〖LP〗_21的有效折射率适配，导致从纤芯中耦合出去，导致〖LP〗_21最低CL>30dB/km。模式消光比最大达到2000以上，最低比例也大于650，从而可以保证良好的两模性能。

实施例2：

一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤，包括外包区域1、纤芯区域2；所述的纤芯区域2在外包区域1内部，且纤芯区域2与外包区域1是同心圆，所述的外包区域1包括外包层3、6个第二层嵌套管4、6个第一层反谐振管5；所述的第二层嵌套管4内切于所述的外包层3；所述的第一层反谐振管5位于所述的第二层嵌套管4、纤芯区域2之间，且分别与所述的第二层嵌套管4、纤芯区域2相切；若干个所述的第二层嵌套管4之间间隔相同，均为1.65μm，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域2；若干个所述的第一层反谐振管5之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域2。

本实施例中传输波段为1300nm～1700nm，即目标的传输带宽为400nm，同时能够实现低损耗2个LP模群的弱耦合传输。

所述的纤芯区域2被若干个所述的第一层反谐振管5包围，所述的纤芯区域2的半径R取值范围为11～27μm；本实施例中选取参数两个模式(LP₀₁、LP₁₁)弱耦合临界条件R＝21.5μm。

所述的第二层嵌套管4包括第二层嵌套管体6、固定连接在第二层嵌套管体6上的U型玻璃结构7、安装在所述U型玻璃结构7的内部的横管8；所述的U型玻璃结构7开口方向面向外包层3内侧。

所述的横管8通过嵌入的方式可调节地安装于所述U型玻璃结构7的内部，所述的横管8平行于所述的U型玻璃结构7的开口方向。

所述的横管8的厚度、所述的第二层嵌套管体6的厚度t和所述U型玻璃结构7的厚度相同，均为0.5μm。

所述的横管8与所述U型玻璃结构7的开口之间的距离x₁取值范围为0～1.3*R，本实施例中x₁/R＝0.51。

所述的第一层反谐振管5为玻璃材质的空心管，其内部填充有空气。

所述的第一层反谐振管5的半径r₁取值范围为0.08*R～0.65*R，本实施例中r₁/R＝0.24。

所述的第一层反谐振管5的位置公式为：

其中第二层嵌套管4半径为r，本实施例中r/R＝0.90。

所述的第一层反谐振管5的半径r₁的公式为：

其中x₂为纤芯与所述第一层反谐振管5体之间的距离，g为第一层反谐振管5之间的距离，tn为第一层反谐振管5的厚度，N为第一层反谐振管5的数量。

本实施例采用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件模拟仿真本发明，如图5所示，本实施例在1250nm～1750nm的波长范围下进行损耗窗口扫描。由图5可得在目标传输窗口1300nm～1700nm，纤芯的两个基模的限制损耗<0.05dB/km，传输窗口1500nm～1650nm远超通信C+L波段的损耗为0.01±0.01dB/km。该第二层嵌套管4管内模式的有效折射率与LP₂₁的有效折射率适配，导致从纤芯中耦合出去，使得LP₂₁最低CL>5dB/km。模式消光比最大达到10000，模式消光比最低大于500；该光纤参数下本发明在目标传输波段同时满足模式弱耦合条件和获得低基模CL。本实施例选取参数两个模式(LP₀₁、LP₁₁)弱耦合临界条件R＝21.5μm，同时选取6个第二层嵌套管4，设置第二层嵌套管4厚度t＝0.5μm，反复调节优化所述第一层反谐振管5和所述横管8相对位置，增大与纤芯区域2的有效折射率差，抑制纤芯基模向外耦合，使光纤能够同时支持少模弱耦合传输和获得低基模模式CL。

实施例3：

一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤，包括外包区域1、纤芯区域2；所述的纤芯区域2在外包区域1内部，且纤芯区域2与外包区域1是同心圆，所述的外包区域1包括外包层3、7个第二层嵌套管4、7个第一层反谐振管5；所述的第二层嵌套管4内切于所述的外包层3；所述的第一层反谐振管5位于所述的第二层嵌套管4、纤芯区域2之间，且分别与所述的第二层嵌套管4、纤芯区域2相切；若干个所述的第二层嵌套管4之间间隔相同，均为1.65μm，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域2；若干个所述的第一层反谐振管5之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域2。

本实施例中传输波段为1300nm～1700nm，即目标的传输带宽为400nm，反谐振中心波长选取为一般通信波长1550nm同时能够能够实现低损耗4个LP模群的弱耦合传输。

所述的纤芯区域2被若干个所述的第一层反谐振管5包围，所述的纤芯区域2的半径R取值范围为11～27μm；本实施例中选取R满足参数模式弱耦合临界条件和模式低损耗。

所述的第二层嵌套管4包括第二层嵌套管体6、固定连接在第二层嵌套管体6上的U型玻璃结构7、安装在所述U型玻璃结构7的内部的横管8；所述的U型玻璃结构7开口方向面向外包层3内侧。

所述的横管8通过嵌入的方式可调节地安装于所述U型玻璃结构7的内部，所述的横管8平行于所述的U型玻璃结构7的开口方向。

所述的横管8的厚度、所述的第二层嵌套管体6的厚度t和所述U型玻璃结构7的厚度相同，均为0.37μm。

所述的横管8与所述U型玻璃结构7的开口之间的距离x₁取值范围为0～1.3*R。

所述的第一层反谐振管5为玻璃材质的空心管，其内部填充有空气。

所述的第一层反谐振管5的半径r₁取值范围为0.08*R～0.65*R。

所述的第一层反谐振管5的位置公式为：

其中第二层嵌套管4半径为r，本实施例中r/R＝0.90。

所述的第一层反谐振管5的半径r₁的公式为：

其中x₂为纤芯与所述第一层反谐振管5体之间的距离，g为第一层反谐振管5之间的距离，tn为第一层反谐振管5的厚度，N为第一层反谐振管5的数量。本实施例采用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件模拟仿真本发明，本实施例通过调试横管8位置，调节第二层前套管4的有效折射率，如图6所示，本实施例通过调节7个第一层反谐振管5调节纤芯区域2的半径r，通过反复拟真从而达到抑制光纤的高阶模、增大高阶模的损耗，使光纤在传输较长距离后继续保持良好的基模特性，得到该双环嵌套管空芯反谐振光纤可支持4个模式低损耗，大带宽传输的结论。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双层弱耦合少模空心反谐振光纤，包括外包区域(1)、纤芯区域(2)；所述的纤芯区域(2)在外包区域(1)内部，且纤芯区域(2)与外包区域(1)是同心圆，其特征在于：所述的外包区域(1)包括外包层(3)、若干个第二层嵌套管(4)、若干个第一层反谐振管(5)；所述的第二层嵌套管(4)内切于所述的外包层(3)；所述的第一层反谐振管(5)位于所述的第二层嵌套管(4)、纤芯区域(2)之间，且分别与所述的第二层嵌套管(4)、纤芯区域(2)相切；若干个所述的第二层嵌套管(4)之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域(2)；若干个所述的第一层反谐振管(5)之间间隔相同，均匀周向分布，包围所述的纤芯区域(2)。

2.根据权利要求1所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的纤芯区域(2)被若干个所述的第一层反谐振管(5)包围，所述的纤芯区域(2)的半径R取值范围为11～27μm。

3.根据权利要求2所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的第二层嵌套管(4)包括第二层嵌套管体(6)、固定连接在第二层嵌套管体(6)上的U型玻璃结构(7)、安装在所述U型玻璃结构(7)的内部的横管(8)；所述的U型玻璃结构(7)开口方向面向外包层(3)内侧。

4.根据权利要求3所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的横管(8)通过嵌入的方式可调节地安装于所述U型玻璃结构(7)的内部，所述的横管(8)平行于所述的U型玻璃结构(7)的开口方向。

5.根据权利要求4所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的横管(8)的厚度、所述的第二层嵌套管体(6)的厚度t和所述U型玻璃结构(7)的厚度相同。

6.根据权利要求5所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的横管(8)与所述U型玻璃结构(7)的开口之间的距离x₁取值范围为0～1.3*R。

7.根据权利要求1所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的第一层反谐振管(5)为玻璃材质的空心管，其内部填充有空气。

8.根据权利要求6所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的第一层反谐振管(5)的半径r₁取值范围为0.08*R～0.65*R。

9.根据权利要求8所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的第一层反谐振管(5)的位置公式为：

其中第二层嵌套管(4)半径为r。

10.根据权利要求9所述的双层弱耦合少模空心反谐振光纤，其特征在于：所述的第一层反谐振管(5)的半径r₁的公式为：

其中x₂为纤芯与所述第一层反谐振管(5)体之间的距离，g为第一层反谐振管(5)之间的距离，tn为第一层反谐振管(5)的厚度，N为第一层反谐振管(5)的数量。

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