CN114127597A - 多芯光纤和设计方法 - Google Patents

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CN114127597A CN202080050741.4A CN202080050741A CN114127597A CN 114127597 A CN114127597 A CN 114127597A CN 202080050741 A CN202080050741 A CN 202080050741A CN 114127597 A CN114127597 A CN 114127597A
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松井隆
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Abstract

本发明提供多芯光纤和设计方法，该多芯光纤在具有比芯的折射率小的折射率的包层区域(12)以最小芯间隔配置有两个以上的芯区域(11)，所述多芯光纤的特征在于，具有包围所述芯的具有比包层区域低的折射率的环状的低折射率区域(13)，与未赋予所述环状的低折射率区域时的特性相比，赋予所述环状的低折射区域后的弯曲损耗降低，并且与未赋予所述环状的低折射率区域时的特性相比，赋予所述环状的低折射区域后的模场直径的变化没有变化。

Description

多芯光纤和设计方法
技术领域
本发明涉及多芯光纤及其设计方法。
背景技术
在光纤通信系统中，由于在光纤中产生的非线性效果或光纤熔融(Fiber fuse)，传输容量受到限制。为了缓和这些限制，研究了使用在一根光纤中具有多个芯的多芯光纤的并列传输(例如参照非专利文献1)、使用在芯内存在多个传播模式的多模光纤的模式复用传输(例如参照非专利文献2)、以及组合了多芯和模式复用的多模多芯光纤(例如参照非专利文献3)这样的空间复用技术。
现有技术文献
非专利文献1：H.Takara et al.,“1.01-Pb/s(12SDM/222WDM/45 6Gb/s)Crosstalk-managed Transmission with 91.4-b/s/Hz Aggregate SpectralEfficiency”,in ECOC2012,paper Th.3.C.1(2012)
非专利文献2：T.Sakamoto et al.,“Differential Mode Delay ManagedTransmission Line for WDM-MIMO System Using Multi-Step Index Fiber”,J.Lightwave Technol.vol.30,pp.2783-2787(2012).
非专利文献3：Y.Sasaki et al.,“Large-effective-area uncoupled few-modemulti-core fiber,”ECOC2012,paper Tu.1.F.3(2012).
非专利文献4：T.Ohara et al.,“Over-1000-Channel Ultradense WDMTransmission With Supercontinuum Multicarrier Source,”IEEE J.Lightw.Technol.,vol.24,pp.2311-2317(2006)
非专利文献5：K.Imamura et al.,“Investigation on multi-core fibers withlarge Aeff and low micro bending loss,”Opt.Express,vol.19,pp.10595-10603(2011).
非专利文献6：T.Sakamoto,T.Matsui,K.Saitoh,S.Saitoh,K.Takenaga,T.Mizuno,Y.Abe,K.Shibahara,Y.Tobita,S.Matsuo,K.Aikawa,S.Aozasa,K.Nakaj ima,Y.Miyamoto,“Low-Loss and Low-DMD 6-Mode 19-Core Fiber Wit h Cladding Diameterof Less Than 250μm”,J.Lightwave Technol.35,443-449(2017).
非专利文献7：T.Sakamoto,T.Mori,M.Wada,T.Yamamoto,F.Yamamot o,andK.Nakajima,“Fiber Twisting-and Bending-Induced Adiabatic/Nona diabatic Super-Mode Transition in Coupled Multicore Fiber”,J.Lightwa ve Technol.34,1228-1237(2016).
非专利文献8：ITU-T Recommendation G.652
在使用多芯光纤的传输中，如果产生芯间串扰，则信号质量下降，因此为了抑制串扰，必须使芯间离开一定距离以上。一般来说，为了在光通信系统中确保足够的传输质量，优选使功率损失为1dB以下，因此，必须如非专利文献1、4所记载的那样使串扰为-26dB以下。将这种光纤称为非耦合多芯光纤。
另一方面，如果为了充分降低芯间串扰而增大芯间距离，则在一定的包层外径下，存在的课题是配置在外侧的芯与包层边界的距离变小从而导致弯曲损耗变大(例如参照非专利文献5)。
此外，为了降低各芯的弯曲损耗，还研究了在各芯的折射率分布中形成如非专利文献6所记载的由低折射率区域包围各芯的周围的沟槽辅助结构，但是如非专利文献6所记载的那样存在如下课题：由于配置在周边的芯的低折射率区域的影响，配置在中心侧的芯的截止波长长波长化。
另一方面，如非专利文献7所记载的那样，研究了芯间串扰大的耦合型多芯光纤这样的光纤种类，如果使用MIMO技术，则能够在接收端补偿串扰，即使减小芯间距离而使串扰成为-26dB以上，也能够通过信号处理使功率损失小于1dB，能够提高空间利用效率。
在这种耦合型多芯光纤中，为了降低如上所述的弯曲损耗，也必须使配置在外侧的芯与包层边界的距离在规定值以上。此外，如果为了降低弯曲损耗而采用具有沟槽型折射率分布的芯折射率，则在中心芯中波导的高阶模式由周边芯的低折射率区域传播，因此截止波长长波长化的问题与如上所述的非耦合型多芯光纤相同。
发明内容
因此，为了解决上述课题，本发明的目的在于提供多芯光纤及其设计方法，即使缩短周边芯与包层边界的距离，也能够防止弯曲损耗增大，并且能够在对截止波长和模场直径的影响小的状态下提高弯曲损耗特性。
为了实现上述目的，本发明的多芯光纤成为以包围多个芯的方式具有环状的低折射率区域的结构。
具体地说，本发明的多芯光纤的特征在于，包括具有比包层的折射率低的折射率且在剖面中包围所有芯的环状的共用沟槽，从所述芯与所述包层的边界到所述共用沟槽的内径的最小值E(μm)满足数C1。
[数C1]
E＞-0.35542-35.576Δ_-93.643Δ_ 2-86.407Δ_ 3 （C1）
其中，Δ-是所述共用沟槽相对于所述包层的相对折射率差(％)。
此外，本发明的多芯光纤的特征在于，所述共用沟槽具有满足数C2的沟槽体积x的内径C(μm)和环宽度W(μm)。
[数C2]
Figure BDA0003466359630000031
其中，x(μm2％)是所述多芯光纤的剖面中的所述共用沟槽的面积与所述共用沟槽的相对折射率差的绝对值Δ-的积，
αB0是所述芯的所希望的弯曲损耗(dB/100turn)，
λcc0是所述芯的所希望的截止波长(nm)，
αB是没有所述共用沟槽时的所述芯的弯曲损耗(dB/100turn)，
λcc是没有所述共用沟槽时的所述芯的所希望的截止波长(nm)。
此外，本发明的设计方法是多芯光纤的设计方法，其特征在于，
所述多芯光纤包括具有比包层的折射率低的折射率且在剖面中包围所有芯的环状的共用沟槽，以满足数C1的方式设计从所述芯与所述包层的边界到所述共用沟槽的内径的最小值E(μm)。
此外，本发明的设计方法的特征在于，以满足数C2的沟槽体积x的方式设计所述共用沟槽的内径C(μm)和环宽度W(μm)。
通过将多芯光纤作为上述结构，能够减小周边芯到包层边界的距离E，能够配置包层直径更小的多芯光纤，或者以规定的包层直径(例如125μm)配置更多的芯。
通过赋予作为低折射率区域的共用沟槽，能够起到如下效果：存在于中心区域的芯的截止波长相对于周边芯的截止波长不会长波长化，而能够改善弯曲损耗特性。此外，通过赋予作为低折射率区域的共用沟槽，能够起到如下效果：对模场直径不产生影响，而提高弯曲损耗。
本发明能够提供多芯光纤及其设计方法，即使缩短周边芯到包层边界的距离，也能够防止弯曲损耗的增大，并且能够在对截止波长和模场直径的影响小的状态下提高弯曲损耗特性。
附图说明
图1的(a)是表示多芯光纤的剖面结构的概略图。(b)是表示本发明的多芯光纤的剖面结构的概略图。
图2是计算了在多芯光纤中因有无共用沟槽而引起的弯曲损耗的变化的结果。弯曲半径为140mm。
图3是说明本发明的多芯光纤的特性的图。本图是使沟槽体积固定时的相对于共用沟槽的相对折射率差的弯曲损耗特性的计算结果。
图4是说明本发明的多芯光纤的特性的图。本图是计算了相对于沟槽体积的弯曲损耗改善量的结果。
图5是说明本发明的多芯光纤的特性的图。本图是计算了相对于沟槽体积的截止波长的变化量的结果。
图6是说明本发明的多芯光纤的特性的图。本图是在容许了1％的由赋予共用沟槽引起的MFD的变化时共用沟槽的相对折射率差与从芯中心到共用沟槽内径的最小距离E的关系的图。
图7是说明在单模光纤中满足所希望的弯曲损耗和截止波长的芯半径与相对折射率差的关系的图。
图8是说明本发明的多芯光纤的特性的图。本图是说明相对于沟槽体积的弯曲损耗改善量的图。
图9是说明本发明的多芯光纤的特性的图。本图是说明没有共用沟槽时的芯的弯曲损耗与由赋予共用沟槽产生的弯曲损耗改善量的关系的图。
图10是说明本发明的多芯光纤的特性的图。本图是说明没有共用沟槽时的芯的弯曲损耗与由赋予共用沟槽引起的截止波长的变化量的关系的图。
图11是说明本发明的多芯光纤的4芯结构以外的多芯结构的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明并不限定于以下的实施方式。另外，在本说明书和附图中附图标记相同的构成要素表示相互相同的构成要素。此外，只要没有特别记载，“弯曲损耗”是弯曲半径为30mm时的损耗。
(实施方式1)
图1是说明多芯光纤的剖面的结构的图。同一图的(a)是现有的多芯光纤50的结构。两个以上的芯11存在于包层12的区域。另外，在本图中将芯的折射率曲线作为阶跃型，但是也可以是任意的折射率分布，还可以是渐变型、各芯周边被低折射率区域包围的W型、沟槽辅助型(Trench assisted)。
图1的(b)表示本实施方式的多芯光纤51的剖视图。包层12内的多个芯11被环状的低折射率区域包围。以下，将本低折射率区域称为共用沟槽13。共用沟槽13为环状，将从包层12的中心到该环的内侧的距离(内径)设为C，将共用沟槽13的宽度设为W。此外，将芯11的半径设为a，相对于包层12的相对折射率差设为Δ+，将共用沟槽13相对于包层12的相对折射率差设为Δ-。
另外，本发明也能够应用于图1所示的4芯结构以外的多芯结构，例如，在图11所示的各种的芯配置中，也可以赋予包围所有芯的低折射率区域。
图2表示a＝4.5μm、Δ+＝0.3％、C＝40μm、W＝20μm、Δ-＝-0.2％、弯曲半径140mm时的波长1625nm处的弯曲损耗的包层厚度依赖性的计算结果。包层厚度是指从各芯的中心到包层的最外周(边界)的最短距离。
一般来说，在多芯光纤的设计中，由于将芯配置在包层外侧，所以弯曲损耗增加，传播损耗增加，因此必须设计适当的包层厚度。根据图2，在没有共用沟槽的情况下(图1的(a)的多芯光纤50)，为了使弯曲损耗小到能够忽略的程度(例如10-3dB/km)，需要大约50μm的包层厚度。
另一方面，本实施方式的多芯光纤51通过具有共用沟槽，能够以必要包层厚度为41μm使弯曲损耗为10-3dB/km。即，通过具有共用沟槽，能够设计包层直径比以往小的多芯光纤，由于能够使包覆变厚，所以机械可靠性提高。此外，如果包层直径与以往相同，则通过具有共用沟槽，能够使芯密度上升而配置比以往多的芯。
在共用沟槽的设计中，C、W和Δ-是参数，但是在光学特性的设计中，将作为共用沟槽的面积与Δ-的积的沟槽体积x用作参数。
图3表示使沟槽体积x固定(1257μm2％)、使C、W和Δ-变化时的弯曲损耗的计算结果。C在30～40μm、W在10～20μm的范围内变化。另外，芯的结构为a＝4.5μm、Δ+＝0.3％。此外，波长为1625nm，弯曲半径为30mm。
根据结果可知，即使C、W、Δ-变化，如果沟槽体积x固定，则弯曲损耗特性大体固定。即，能够使用沟槽体积x估算由共用沟槽产生的弯曲损耗的改善效果。
图4是说明计算了相对于沟槽体积x的弯曲损耗改善效果的结果的图。弯曲损耗改善效果表示从对芯单体计算出的弯曲损耗的由赋予共用沟槽产生的降低量，例如图中的10dB的改善效果表示通过赋予共用沟槽而使弯曲损耗成为1/10倍。根据图4，相对于沟槽体积x的弯曲损耗改善效果为
[数1]
ΔαB＝0.043771x-1.3385×10-5x2 x＜1250μm2％时)
ΔαB＝18.114+0.012932x (x≥1250μm2％时) (1)
(上述公式由图中的实线表示)。
通过赋予共用沟槽来提高弯曲损耗特性不仅对传播的基本模式起作用，对高阶模式也起作用。在各芯进行单模动作的设计的情况下，以在所希望的通信波段不传输高阶模式为条件，但是必须估算通过赋予共用沟槽而使截止波长长波长化来进行设计。
图5是说明与图4中的计算相同条件时计算了沟槽体积x和截止波长的变化的结果的图。另外，纵轴的Δλ表示通过赋予沟槽使截止波长相对于芯单体时的截止波长λ以何种程度长波长化。根据图5，如果沟槽体积x增加，则截止波长以满足下式的关系的方式长波长化。
[数2]
Δλ＝0.10453x-0.00010793x2 (2)
另外，上式由同一图的实线表示。
此外，除了弯曲损耗、截止波长以外，在光纤通信中模场直径(MFD)也是与连接损耗、非线性特性相关的重要参数。因此，计算了由共用沟槽引起的MFD变化。
在此，将“E”定义为表示芯的边界与共用沟槽的内径边界的最小值的芯-共用沟槽距离。使共用沟槽的相对折射率差Δ_变化时的“E”由图6的实线表示。并且，在图6中，该实线的右上区域是由赋予了共用沟槽引起的MFD变动(本实施方式的多芯光纤的芯的MFD相对于现有的多芯光纤的芯的MFD的变动量)小于1％的区域。
即，如果为下式，
[数3]
E＞-0.35542-35.576Δ_-93.643Δ_ 2-86.407Δ_ 3 (3)
则能够使由赋予共用沟槽引起的MFD的变化为1％以下，因此能够在传输特性上将MFD的变化几乎忽略。
(实施方式2)
接着，确认了由共用沟槽产生的效果的芯结构依赖性。
图7是表示对于芯的半径a和相对折射率差Δ+，截止波长为1260nm(曲线L1)的芯的结构区域、弯曲损耗为0.1dB/100turn(曲线L2)、1dB/100turn(曲线L3)、10dB/100turn(曲线L4)的芯的结构区域、以及MFD为8.2μm(曲线L5)、9.6μm(曲线L6)的芯的结构区域的图。另外，在作为ITU-T中的通常的单模光纤推荐的G.652.D的标准(参照非专利文献8)中，截止波长为1260nm、弯曲损耗为0.1dB/100turn、MFD为8.2μm～9.6μm。在图7中，考虑了由赋予共用沟槽产生的弯曲损耗的改善，也记载了1dB/100turn、10dB/100turn的条件。由所希望的曲线(L1～L6)包围的芯的结构区域为通常SMF中的设计范围。
例如，如果想要实现与G.652标准匹配的光学特性，则由于在共用沟槽中截止波长长波长化，所以不是对截止波长＝1260nm的芯结构赋予共用沟槽，而是需要研究弯曲损耗高的芯结构。在此，在三个弯曲损耗设计条件(L2～L4)中，只要在MFD最小的设计(L5)、最大的设计(L6)中分别研究三种结构即可。在图7所示的点(P1～P6)的六种芯结构中计算了由赋予共用沟槽产生的弯曲损耗的改善效果。
图8是表示相对于沟槽体积x的弯曲损耗改善量ΔαB的图。根据图8可知以下内容。
(a)弯曲损耗改善量ΔαB依赖于芯结构而变化。
(b)在弯曲损耗特性相同的芯结构中，与MFD无关而弯曲损耗改善量ΔαB大体相同。
(c)表示沟槽体积x与弯曲损耗改善量ΔαB的关系的曲线形状在任何芯结构中都大体相同，仅截距变化。
图9是表示沟槽体积x为2200μm2％时的弯曲损耗改善量ΔαB的芯结构依赖性的图。横轴是芯以单体存在时的弯曲损耗(现有的多芯光纤的芯的弯曲损耗)αB。纵轴是弯曲损耗改善量ΔαB。弯曲损耗改善量ΔαB的芯结构依赖性(关于弯曲损耗的芯结构)能够由下式表示。
[数4]
b＝45.3-0.56αB (4)
即，由赋予共用沟槽产生的弯曲损耗改善量ΔαB在式(1)中附加了式(4)的截距，能够通过下式估算。
[数5]
Figure BDA0003466359630000091
图10是说明与图9相同条件下的截止波长的变化的图。在此，沟槽体积为1260或2200μm2％。与图9的弯曲损耗改善量的芯依赖性不同，无论芯单体的弯曲损耗为任何值，截止波长的变化仅依赖于沟槽体积x。
即，在假设芯单体时的弯曲损耗αB和截止波长为λcc时，为了使芯的结构成为所希望的弯曲损耗目标值αB0和截止波长λcc0，只要以如下方式设计沟槽体积x即可。
[数6]
Figure BDA0003466359630000092
例如，为了得到与通常SMF同等的特性，在弯曲半径30mm中，只要αB0<0.1dB/100turn、λcc0<1260nm即可。
工业实用性
本发明能够用于光传输系统中的传输介质。
附图标记说明
11：芯
12：包层
13：共用沟槽
50、51：多芯光纤

Claims (4)

1.一种多芯光纤，其特征在于，
包括具有比包层的折射率低的折射率且在剖面中包围所有芯的环状的共用沟槽，
从所述芯与所述包层的边界到所述共用沟槽的内径的最小值E满足数C1，E的单位为μm，
[数C1]
E＞-0.35542-35.576Δ_-93.643Δ_2-86.407Δ_3 (C1)
其中，Δ-是所述共用沟槽相对于所述包层的相对折射率差，单位为％。
2.根据权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于，
所述共用沟槽具有满足数C2的沟槽体积x的内径C和环宽度W，内径C的单位为μm，环宽度W的单位为μm，
[数C2]
Figure FDA0003466359620000011
其中，x是所述多芯光纤的剖面中的所述共用沟槽的面积与所述共用沟槽的相对折射率差的绝对值Δ-的积，单位为μm2％，
αB0是所述芯的所希望的弯曲损耗，单位为dB/100turn，
λcc0是所述芯的所希望的截止波长，单位为nm，
αB是没有所述共用沟槽时的所述芯的弯曲损耗，单位为dB/100turn，
λcc是没有所述共用沟槽时的所述芯的所希望的截止波长，单位为nm。
3.一种多芯光纤的设计方法，其特征在于，
所述多芯光纤包括具有比包层的折射率低的折射率且在剖面中包围所有芯的环状的共用沟槽，
以满足数C1的方式设计从所述芯与所述包层的边界到所述共用沟槽的内径的最小值E，单位为μm，
[数C1]
E＞-0.35542-35.576Δ_-93.643Δ_2-86.407Δ_3 (C1)
其中，Δ-是所述共用沟槽相对于所述包层的相对折射率差，单位为％。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，
以满足数C2的沟槽体积x的方式设计所述共用沟槽的内径C和环宽度W，内径C的单位为μm，环宽度W的单位为μm，
[数C2]
Figure FDA0003466359620000021
其中，x是所述多芯光纤的剖面中的所述共用沟槽的面积与所述共用沟槽的相对折射率差的绝对值Δ-的积，单位为μm2％，
αB0是所述芯的所希望的弯曲损耗，单位为dB/100turn，
λcc0是所述芯的所希望的截止波长，单位为nm，
αB是没有所述共用沟槽时的所述芯的弯曲损耗，单位为dB/100turn，
λcc是没有所述共用沟槽时的所述芯的所希望的截止波长，单位为nm。
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