CN114114525A - 一种低损耗低串扰椭圆芯少模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种低损耗低串扰椭圆芯少模光纤；光纤由阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯、折射率沟槽和包层组成；打破了空间模式简并、实现了保模功能，具有低本征损耗、低串扰的优点；采用凹陷的折射率包层有效减小了弯曲损耗。

Description

一种低损耗低串扰椭圆芯少模光纤
技术领域
本发明涉及一种低损耗低串扰椭圆芯少模光纤，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
随着云计算、大数据、短视频等各种通信业务与日俱增的发展，单模光纤传输系统容量已无法满足更多的通信业务需求，模分复用作为解决单模光纤的通信容限或频谱效率问题的有效途径，受到广泛的关注，成为新一代光纤通信领域的研究热点[Miyamoto Y,Shibahara K,Mizuno T,and Kobayashi T.Mode-Division Multiplexing Systems forHigh-Capacity Optical Transport Network.In:Optical Fiber CommunicationConference.San Diego,California United States(2019)；Liang X,Li W,Wood WA,Downie JD,Hurley JE,and Ng’oma A.Transmission of wireless signals using spacedivision multiplexing in few mode fibers.Opt Express(2018)26:20507-20518；Sillard P,Bigot-Astruc M,and Molin D.Few-Mode Fibers for Mode-Division-Multiplexed Systems.J Lightwave Technol(2014)32:2824-2829；Richardson DJ,FiniJM,and Nelson LE.Space-division multiplexing in optical fibres.NaturePhotonics(2013)7(5):354-362；Li G,Bai N,Zhao N,and Xia C.Space-divisionmultiplexing:the next frontier in optical communication.Adv Opt Photon(2014)6(4):413-487；Li Y,Wang X,Zheng H,Li X,Bai C,Hu W,et al.A novel six-core few-mode fiber with low loss and low crosstalk.Optical Fiber Technology(2020)57:102-211.；Liu Y,Dong Q,Zheng H,Li X,Bai C,Hu W,et al.Research on a novel modedivision multiplexer with low crosstalk,low loss and few-mode ring-coretransmission channel.J Optics Communications(2020)469:125778-1-89；Bai N,Ip E,Luo Y,Peng G,Wang T,and Li G.Experimental Study on Multimode Fiber AmplifierUsing Modal Reconfigurable Pump.In:Optical Fiber Communication Conference.LosAngeles,California United States(2012)；Jung Y,Lim EL,Kang Q,May-Smith TC,WongNHL,Standish R,et al.Cladding pumped few-mode EDFA for mode divisionmultiplexed transmission.Opt Express(2014)22(23):29008-29013；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，2018.1，1-184；董秋焕，刘阳，郑宏军，黎昕，白成林，胡卫生，陈南光.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；高艳，李严蕾，邢化东，黎昕，郑宏军*(通讯作者)，白成林，胡卫生，许恒迎，尹莹欣，董秋焕，模分复用光传输，聊城大学学报(自然科学)2022，35(1):30-56]；少模光纤作为模分复用系统中信息传输的载体一般采用典型的渐变折射率和阶跃折射率分布的圆芯少模光纤。基于这类少模光纤的模分复用传输系统不断地刷新着频谱效率的实验记录[Rademacher G,Luís RS,Puttnam BJ,Ryf R,Furukawa H,Maruyama R,et al.93.34Tbit/s/mode(280Tbit/s)Transmission in a 3-Mode Graded-Index Few-Mode Fiber.In:Optical Fiber Communication Conference.San Diego,California United States(2018)；Soma D,Beppu S,Wakayama Y,Igarashi K,Tsuritani T,Morita I,et al.257-Tbit/s Weakly Coupled 10-Mode C+L-Band WDM Transmission.J Lightwave Technol(2018)36(6):1375-1381；Weerdenburg JV,Ryf R,Alvarado-Zacarias JC,Alvarez-Aguirre RA,Fontaine NK,Chen H,et al.138-Tb/s Mode-and Wavelength-MultiplexedTransmission Over Six-Mode Graded-Index Fiber.J Lightwave Technol(2018)36:1369-1374；Wakayama Y,Soma D,Beppu S,Sumita S,Igarashi K,and TsuritaniT.266.1-Tbit/s Transmission Over 90.4-km 6-Mode Fiber with Inline Dual C+L-Band6-Mode EDFA.J Lightwave Technol(2019)37:404-410；Beppu S,Soma D,Sumita S,Wakayama Y,Takahashi H,Tsuritani T,et al.402.7-Tb/s MDM-WDM Transmission OverWeakly Coupled 10-Mode Fiber Using Rate-Adaptive PS-16QAM Signals.J LightwaveTechnol(2020)38:2835-2841；Rademacher G,Puttnam BJ,Luís RS,Sakaguchi J,KlausW,Eriksson TA,et al.10.66Peta-Bit/s Transmission over a 38-Core-Three-ModeFiber.In:Optical Fiber Communication Conference.San Diego,California UnitedStates(2020)]；随着少模光纤的发展，传输的频谱效率不断提高。然而，模分复用系统采用的这类圆芯少模光纤存在着模式简并、模式间串扰问题。为了解决这些问题，需要使用MIMO-DSP方法处理，但模式数目越多会导致数据计算量、复杂度快速增加，从而导致短距离数据通信系统大延迟、巨大功耗和高成本等严重问题[Hu T,Li J,Ge D,Wu Z,Tian Y,ShenL,et al.Weakly-coupled4-mode step-index FMF and demonstration of IM/DD MDMtransmission.Opt Express(2018)26:8356-8363；Wang L,Nejad RM,Corsi A,Lin J,Messaddeq Y,Rusch LA,et al.MIMO-Free Transmission over Six Vector Modes in aPolarization Maintaining Elliptical Ring Core Fiber.In:Optical FiberCommunication Conference.Los Angeles,California United States(2017)；Hong K,Yeom J,Jang C,Hong J,and Lee B.Full-color lens-array holographic opticalelement for three-dimensional optical see-through augmented reality.Opt Lett(2014)39:127-130]。
综上，采取有效措施打破空间模式的简并，消除复杂的多输入多输出数字信号处理(MIMO-DSP)，可实现无MIMO(MIMO-FREE)应用，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低串扰椭圆芯少模光纤；该光纤融合了纯二氧化硅椭圆纤芯和阶跃折射率分布的优点，打破了空间模式的简并，可应用于MIMO-FREE场景，可为光纤光学、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低串扰的椭圆芯少模光纤；光纤由具有阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯、折射率沟槽和包层组成；椭圆纤芯的水平半径(长半轴)为ax＝6.9μm，垂直半径(短半轴)为ay＝4.6μm，椭圆度ρ＝ax/ay＝1.5。折射率沟槽的内椭圆水平半径(长半轴)为bx＝15μm，垂直半径(短半轴)为by＝10μm，沟槽的外椭圆水平半径(长半轴)为cx＝30μm，垂直半径(短半轴)为cy＝20μm，包层半径为R1＝62.5μm；椭圆纤芯的中心坐标为(0，0)；该光纤采用阶跃折射率分布，纯二氧化硅椭圆纤芯中心、沟槽和包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4262，n3＝1.4303；该光纤受入射光激发，椭圆纤芯中的光纤模式简并被打破，实现了低本征损耗、低串扰、低弯曲损耗的五种非简并空间模式运作，从而在消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了MIMO-FREE应用的良好传输；光纤中空间模式的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。
本发明的有益效果如下：
1.该椭圆纤芯光纤打破了空间模式简并，实现了保模功能，消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了MIMO-FREE应用的良好传输，进一步提高光纤传输性能；
2.该光纤凹陷的折射率包层，可以有效减小弯曲损耗；
3.该光纤融合了纯二氧化硅纤芯和大有效折射率差分布实现了低损耗、低模式串扰，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。
4.该光纤中非简并空间模式的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。
附图说明
图1是本发明一种低损耗低串扰椭圆芯少模光纤横截面示意图；光纤由阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯(横线阴影部分)、折射率沟槽(右斜阴影部分)和包层(白色部分)组成。
图2给出了在1.55μm波长下LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b五种非简并模式的x偏振的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。
图3显示五种空间模式的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形、星形、菱形、圆圈和三角的实线分别为LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的变化情况。
图4显示了LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的DMGD随输入波长的变化情况。图中带星形、菱形、圆圈和三角的实线分别表示LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的DMGD变化情况。
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是本发明一种低损耗低串扰椭圆芯少模光纤横截面示意图；光纤由具有阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯、折射率沟槽和包层组成；椭圆纤芯的水平半径(长半轴)为ax＝6.9μm，垂直半径(短半轴)为ay＝4.6μm，椭圆度ρ＝ax/ay＝1.5。折射率沟槽的内椭圆水平半径(长半轴)为bx＝15μm，垂直半径(短半轴)为by＝10μm，沟槽的外椭圆水平半径(长半轴)为cx＝30μm，垂直半径(短半轴)为cy＝20μm，包层半径为R1＝62.5μm；椭圆纤芯的中心坐标为(0，0)；该光纤采用阶跃折射率分布，纯二氧化硅椭圆纤芯中心、沟槽和包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4262，n3＝1.4303；该光纤受入射光激发，椭圆纤芯中的光纤模式简并被打破，实现了低本征损耗、低串扰、低弯曲损耗的五种非简并空间模式运作，从而在消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了MIMO-FREE应用的良好传输；光纤中空间模式的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。
图2给出了在1.55μm波长下LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b五种非简并模式的x偏振的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。由于椭圆芯少模光纤(EFMF)的模式分布与传统的圆芯少模光纤(CFMF)相似，因此仍然使用CFMF的模式符号LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a表示EFMF对应的五个模式。按照文献[Milione G,IpE,Ji P,Huang Y,Wang T,Li M,et al.MIMO-less Space Division Multiplexing withElliptical Core Optical Fibers.In:Optical Fiber Communication Conference.LosAngeles,California United States(2017)；Liang J,Mo Q,Fu S,Tang M,Shum P,andLiu D.Design and fabrication of elliptical-core few-mode fiber for MIMO-lessdata transmission.Opt Lett(2016)41:3058-3061]中少模光纤保模功能的定义，我们所提出的椭圆芯少模光纤具有明确的保模功能，打破了模式简并，形成五种非简并空间模式。
图3显示椭圆芯少模光纤五种非简并空间模式的有效折射率随入射光波长的变化情况。图中带正方形、星形、菱形、圆圈、三角的实线分别表示LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的有效折射率的变化情况。图3中可以看出，五种模式的有效折射率均随入射光波长的增加而减小，且有效折射率的变化缓慢。LP01模式有效折射率随输入波长的变化速率最小；LP21a模式的有效折射率随输入波长的变化速率最大，并且LP11a、LP11b、LP21b有效折射率随输入波长的变化速率依次增大。对于给定的入射波长，LP01模式有效折射率是最大的，LP21a模式的有效折射率是最小的，LP11a、LP11b、LP21b模式的有效折射率依次减小。当入射光波长为1.55μm时，LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的有效折射率分别为1.4414、1.4384、1.4364、1.4344、1.4326，LP01和LP11a模式间有效折射率差为3.0×10-3，LP11a和LP11b、LP11b和LP21b模式间的有效折射率差均为2.0×10-3，LP21b和LP21a模式间的有效折射率差为1.8×10-3，其中，LP11a和LP11b模式间有效折射率差大于文献[Liang J,Mo Q,Fu S,Tang M,Shum P,and Liu D.Design and fabrication of elliptical-corefew-mode fiber for MIMO-less data transmission.Opt Lett(2016)41:3058-3061]在C波段上LP11a和LP11b的有效折射率差(9×10-4)，比文献[Liang J,Mo Q,Fu S,Tang M,ShumP,and Liu D.Design and fabrication of elliptical-core few-mode fiber forMIMO-less data transmission.Opt Lett(2016)41:3058-3061]中相应折射率差大122％。各模式间的大有效折射率差实现了低模式串扰。
图4显示了LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的DMGD随输入波长的变化情况。带星形、菱形、圆圈和三角的实线分别表示LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的DMGD变化情况。在1.3μm到1.68μm波长范围内，给定输入波长λ情况下，LP11a模式的DMGD最小，且随着输入波长的增加而逐渐增大。在1.3μm到1.4μm波长范围内，LP21a模式的DMGD比LP21b模式的DMGD略大，但比LP11b模式的DMGD大得多。在1.4μm到1.68μm波长范围内，LP11b、LP21b和LP21a模式的DMGD随着波长的增加而减小，其中LP21a模式的DMGD减小速率最大，LP11b模式的DMGD减小速率最小。波长为1.55μm时，LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的DMGD分别是5.56、6.53、10.82和9.40ps/m，具有较大的差分模式群时延。
总之，所提出的光纤实现了低本征损耗、低串扰、低弯曲损耗的五种非简并空间模式的运作。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)

1.一种低损耗低串扰椭圆芯少模光纤；其特征在于：光纤由具有阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯、折射率沟槽和包层组成；椭圆纤芯的水平半径(长半轴)为ax＝6.9μm，垂直半径(短半轴)为ay＝4.6μm，椭圆度ρ＝ax/ay＝1.5。折射率沟槽的内椭圆水平半径(长半轴)为bx＝15μm，垂直半径(短半轴)为by＝10μm，沟槽的外椭圆水平半径(长半轴)为cx＝30μm，垂直半径(短半轴)为cy＝20μm，包层半径为R1＝62.5μm；椭圆纤芯的中心坐标为(0，0)；该光纤采用阶跃折射率分布，纯二氧化硅椭圆纤芯中心、沟槽和包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4262，n3＝1.4303；该光纤受入射光激发，椭圆纤芯中的光纤模式简并被打破，实现了低本征损耗、低串扰、低弯曲损耗的五种非简并空间模式运作，从而在消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了MIMO-FREE应用的良好传输；光纤中空间模式的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变；该光纤五种模式的有效折射率均随入射光波长的增加而减小，且有效折射率的变化缓慢；LP01模式有效折射率随输入波长的变化速率最小；LP21a模式的有效折射率随输入波长的变化速率最大，并且LP11a、LP11b、LP21b有效折射率随输入波长的变化速率依次增大；对于给定的入射波长，LP01模式有效折射率是最大的，LP21a模式的有效折射率是最小的，LP11a、LP11b、LP21b模式的有效折射率依次减小；在1.3μm到1.68μm波长范围内，给定输入波长情况下，LP11a模式的DMGD最小，且随着输入波长的增加而逐渐增大；在1.3μm到1.4μm波长范围内，LP21a模式的DMGD比LP21b模式的DMGD略大，但比LP11b模式的DMGD大得多；在1.4μm到1.68μm波长范围内，LP11b、LP21b和LP21a模式的DMGD随着波长的增加而减小，其中LP21a模式的DMGD减小速率最大，LP11b模式的DMGD减小速率最小。
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