CN114966960B - 一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，包括从内至外依次包裹的中心折射率抬高层、环芯层、第一包层、环形沟槽层和第二包层；中心折射率抬高层和环芯层的折射率呈现阶跃形状分布；中心折射率抬高层的折射率高于第一包层和第二包层；中心折射率抬高层用于调控低阶模式的隔离度，环芯层用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量。中心折射率抬高层的折射率高于光纤所有包层的折射率，通过合理地设计中心折射率抬高层的折射率和尺寸，增加OAM0,1与OAM1,1的隔离度，在海底光纤有限的相对折射率差下，可以实现更多OAM模组的弱耦合，提供更多低串扰的模组信道。

Description

一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，更具体地，涉及一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤。
背景技术
全球的光通信网络的数据流量仍然持续地增长，光纤的模分复用是被认为有望突破现有的单模光纤的容量极限的有效的关键技术之一。海底光缆作为地球各个板块和岛屿之间的信息交互的主动脉。光纤的模分复用通过不同的模式作为独立信道增加单纤的通信容量，这对于海缆是极具吸引力的。因为相比于陆缆，海缆所处的复杂的海底环境，其成缆成本和铺设成本会更高。因此，通过模分复用技术提高单纤的通信容量可以大大地减少每比特数据的成本。
由于海底环境的复杂型性，海水的腐蚀问题最为严重，氢气分子的侵入会导致光纤损耗增加，因此，应用于海缆的模分复用光纤的相对折射率差不能太大。在模分复用光纤有限的相对折射率中，采用轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式是其中一种可选的技术手段。大多数支持OAM模式的光纤都具有环芯结构，如现有的一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，其环芯折射率较低且中心的折射率比包层低或一致。但是这一类环芯光纤往往增大环芯层的内半径和外半径的比值，也就是环芯层厚度变薄去抑制径向高阶模式。在径向高阶模式被抑制的同时，其他模式的有效折射率也会减小，尤其是角向低阶的径向一阶模式。并且由于海底环境对光纤纤芯材料折射率限制的特殊要求下，所以角向低阶的径向一阶模式间的有效折射率差就会变得更小，如OAM0,1与OAM1,1的隔离度变得更小了。因此，普通的环芯光纤都会因为低阶模式较大的串扰，放弃低阶模式的使用或者使用更为复杂的多进多出MIMO均衡算法。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中海底少模OAM光缆面临的低阶模式串扰大的问题，提供一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，可以增加OAM0,1与OAM1,1的隔离度，提供更多低串扰的模组信道。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，包括从内至外依次包裹的中心折射率抬高层、环芯层、第一包层、环形沟槽层和第二包层；所述中心折射率抬高层和所述环芯层的折射率呈现阶跃形状分布；所述中心折射率抬高层的折射率高于所述第一包层和所述第二包层；所述中心折射率抬高层用于调控低阶模式的隔离度，环芯层用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量。
在上述的技术方案中，考虑当前光纤的拉制工艺与拉制的容忍度的情况，优选的，中心折射率抬高层的折射率高于第一包层和第二包层，通过合理地设计中心折射率层抬高的折射率和尺寸可以等效于普通纯环芯层较厚的情况，增大低阶模式的隔离度的同时最大程度地控制径向高阶与其相邻的径向一阶的隔离度。这样使得环芯光纤在海底环境对光纤纤芯材料折射率限制的特殊要求下，OAM0,1与OAM1,1的隔离度符合低串扰要求，因此能够获得更多的弱耦合低串扰的信道。
优选的，所述环芯层的折射率均高于所述第一包层和所述第二包层，可以调控模式数量。在海底环境对光纤纤芯材料折射率限制的特殊要求下，合理地设置光纤支持的模式数，能最大程度地提升光纤通信信道。
优选的，所述环形沟槽层的折射率低于所述第一包层和所述第二包层。环形沟槽层的低折射率可以进一步束缚模场能量，使得光纤不受弯曲的影响。
优选的，所述第一包层和所述第二包层的折射率一致。所述第一包层和所述第二包层的材料为石英。
优选的，所述环芯层与所述第一包层的相对折射率差小于或等于0.75％，以满足海缆低折射率的要求；所述中心折射率抬高层与所述第一包层的相对折射率差为0.3％～0.6％，在此范围内调节具体的相对折射率参数，用以调控低阶模式间的具体隔离度。
优选的，所述环形沟槽层与所述第一包层的相对折射率差为-0.3％～-0.5％，环形沟槽层在此参数下可以令光纤的所有低阶模组的隔离度能够符合要求并且能够束缚模场能量。
优选的，所述中心折射率抬高层的半径为1.5μm～2.5μm，所述环芯层的半径为7.6μm～10μm。通过调节中心折射率抬高层和环芯层的半径参数，再结合调整两者的相对折射率差可以调控径向高阶模式与相邻阶模式的隔离度。另外，在此上述范围内进行半径尺寸和相对折射率差的调整，可以让光纤在C+L波段工作。
优选的，所述第一包层的厚度为2～3μm，所述环形沟槽层的厚度为2.5～4μm，与环形沟槽层的折射率共同作用，使得光纤弯曲不敏感。
优选的，所述中心折射率抬高层和所述环芯层分别向上掺杂两种不同浓度的元素，使得光纤芯层实现不同的折射率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：中心折射率抬高层的折射率高于光纤所有包层的折射率，通过合理地设计中心折射率层抬高的折射率和尺寸可以等效于普通纯环芯层较厚的情况，增大低阶模式的隔离度的同时最大程度地控制径向高阶与其相邻的径向一阶的隔离度。这样使得环芯光纤在海底环境对光纤纤芯材料折射率限制的特殊要求下，OAM0,1与OAM1,1的隔离度符合低串扰要求，因此能够获得更多的弱耦合低串扰的信道。
附图说明
图1是本发明的一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤的结构示意图；
图2是本发明的实施例2的支持的各模式在C+L波段上的有效折射率分布；
图3是本发明的实施例3的支持的各模式在C+L波段上的有效折射率分布。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1所示为一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤的实施例1，包括从内至外依次包裹的中心折射率抬高层1、环芯层2、第一包层3、环形沟槽层4和第二包层5；中心折射率抬高层1和环芯层2的折射率呈现阶跃形状分布；中心折射率抬高层1的折射率高于第一包层3和第二包层5；中心折射率抬高层1用于调控低阶模式的隔离度，环芯层2用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量。
在本实施例中，中心折射率抬高层1和环芯层2的折射率均高于第一包层3和第二包层5，可以增加光纤低阶模组间的隔离度，调控模式数量。在海底环境对光纤纤芯材料折射率限制的特殊要求下，当该光纤应用在海缆光纤通信领域时，能大幅增加弱耦合通信信道。环形沟槽层4的折射率低于第一包层3和第二包层5。环形沟槽层4的低折射率可以进一步束缚模场能量，使得光纤不受弯曲的影响。
具体的，第一包层3和第二包层5的折射率一致。第一包层3和第二包层5的材料为石英。
本实施例的工作原理或工作流程：中心折射率抬高层1的折射率高于第一包层3和第二包层5，通过合理地设计中心折射率层抬高的折射率和尺寸可以等效于普通纯环芯层较厚的情况。就是在海底光纤折射率相对有限的情况下，中心折射率抬高层1的折射率高于第一包层3和第二包层5，在中心折射率抬高层的调节下，可以增加增大低阶模式的隔离度的同时最大程度地控制径向高阶与其相邻的径向一阶的隔离度，从而令光纤得到更多的弱耦合低串扰的信道。
本实施例的有益效果：中心折射率抬高层1的折射率高于光纤所有包层的折射率，通过合理地设计中心折射率层抬高的折射率和尺寸可以等效于普通纯环芯层较厚的情况，从而增加OAM0,1与OAM1,1的隔离度，也就是增加低阶模式的隔离度，在海底光纤有限的相对折射率差下，可以实现更多模式的弱耦合，提供更多低串扰的模式信道。
实施例2
如图1所示为一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤的实施例2，包括从内至外依次包裹的中心折射率抬高层1、环芯层2、第一包层3、环形沟槽层4和第二包层5；中心折射率抬高层1和环芯层2的折射率呈现阶跃形状分布；中心折射率抬高层1的折射率高于第一包层3和第二包层5；中心折射率抬高层1用于调控低阶模式的隔离度，环芯层2用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量。
具体的，中心折射率抬高层1和环芯层2的折射率均高于第一包层3和第二包层5，可以增加光纤低阶模组间的隔离度，调控模式数量。在海底环境的特殊要求下，海缆光纤的折射率相对有限，当该光纤应用在海缆光纤通信领域时，能大幅增加弱耦合通信信道。环形沟槽层4的折射率低于第一包层3和第二包层5。环形沟槽层4的低折射率可以进一步束缚模场能量，使得光纤不受弯曲的影响。第一包层3和第二包层5的折射率一致。第一包层3和第二包层5的材料为石英。
在本实施例中，中心折射率抬高层1半径r1取1.9μm，环芯层2半径r2取9.5μm，第一包层3的厚度为2μm，环形沟槽层4内外半径r3、r4分别取11.5μm和14.5μm，即厚度为3μm，第二包层5的外半径r5取62.5μm。中心折射率抬高层1与包层相对折射率差Δ2取0.4％、环芯层2与包层相对折射率差Δ1取0.6％和环形沟槽层4与包层相对折射率差Δtr取-0.4％。光纤支持3个OAM径向一阶模组，所有径向一阶模组间的隔离度均大于1×10-3，均可用作独立通信信道，并且具有C+L波段带宽。
如图2所示，本实施例的光纤支持的各模式在C+L波段上的有效折射率分布，在相对较低的纤芯包层相对折射率差下，各阶模式的隔离度均大于1×10-3，可实现在海缆中各信道间的低串扰。
本实施例光纤在1.55μm波长下有效折射率差如下表1所示，
表1实施例1在1.55μm波长下有效折射率差
Figure BDA0003718407590000051
本实施例的有益效果：中心折射率抬高层1的折射率高于光纤所有包层的折射率，通过合理地设计中心折射率层抬高的折射率和尺寸可以等效于普通纯环芯层较厚的情况，从而增加OAM0,1与OAM1,1的隔离度，在海底光纤有限的相对折射率差下，可以实现更多模式的弱耦合，提供更多低串扰的模式信道。
实施例3
如图1所示为一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤的实施例3，包括从内至外依次包裹的中心折射率抬高层1、环芯层2、第一包层3、环形沟槽层4和第二包层5；中心折射率抬高层1和环芯层2的折射率呈现阶跃形状分布；中心折射率抬高层1的折射率高于第一包层3和第二包层5；中心折射率抬高层1用于调控低阶模式的隔离度，环芯层2用于控制光纤归一化频率从而调控模式数量。
具体的，中心折射率抬高层1和环芯层2的折射率均高于第一包层3和第二包层5，可以增加光纤低阶模组间的隔离度，调控模式数量。在海底环境的特殊要求下，海缆光纤的折射率相对有限，当该光纤应用在海缆光纤通信领域时，能大幅增加通信信道。环形沟槽层4的折射率低于第一包层3和第二包层5。环形沟槽层4的低折射率可以进一步束缚模场能量，使得光纤不受弯曲的影响。第一包层3和第二包层5的折射率一致。第一包层3和第二包层5的材料为石英。
具体的，中心折射率抬高层1半径r1取1.87μm，环芯层2半径r2取8.5μm，第一包层3的厚度为2μm，环形沟槽层4内外半径r3、r4分别取10.5μm和13.5μm，即厚度为3μm，第二包层5的外半径r5取62.5μm。中心折射率抬高层1与包层相对折射率差Δ2取0.55％、环芯层2与包层相对折射率差Δ1取0.75％和环形沟槽层4与包层相对折射率差Δtr取-0.4％。在本实施例中，由于环芯层2与包层相对折射率差Δ1取到0.75％，模组间的隔离度变得更大。因此，在海底环境的特殊要求下，海缆光纤的折射率相对有限，当光纤应用在海缆光纤通信领域时，能大幅增加通信信道。其中模组间可以采用直检方式接收，模组内有4个简并模，可采用4×4多入多出MIMO数字信号处理解调，并且具有C+L波段带宽与波分复用结合大幅度提高海缆光纤传输容量，以降低通信的成本。
如图3所示，该光纤支持的各模式在C+L波段上的有效折射率分布，在相对较低的纤芯包层相对折射率差下，各阶模式的的隔离度均大于1×10-3，可实现在海缆中各信道间的低串扰。
本实施例的光纤在1.55μm波长下有效折射率差如下表2所示，
表2实施例2在1.55μm波长下有效折射率差
Figure BDA0003718407590000061
Figure BDA0003718407590000071
本实施例的有益效果：中心折射率抬高层1的折射率高于光纤所有包层的折射率，通过合理地设计中心折射率层抬高的折射率和尺寸可以等效于普通纯环芯层较厚的情况，从而增加OAM0,1与OAM1,1的隔离度，在海底光纤有限的相对折射率差下，可以实现更多模式的弱耦合，提供更多低串扰的模式信道。
实施例4
一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤的实施例4，在上述任一实施例的基础上，与上述任一实施例的区别在于，中心折射率抬高层和环芯层分别向上掺杂两种不同浓度的元素。
本实施例的其余技术特征和工作原理与上述任一实施例一致。
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。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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 (8)

1.一种用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，包括从内至外依次包裹的环芯层(2)、第一包层(3)、环形沟槽层(4)和第二包层(5)；其特征在于，所述环芯层(2)内还设置有中心折射率抬高层(1)，所述中心折射率抬高层(1)和所述环芯层(2)的折射率呈现阶跃形状分布；所述中心折射率抬高层(1)的折射率高于所述第一包层(3)和所述第二包层(5)；所述中心折射率抬高层(1)用于调控低阶模式的隔离度；所述环芯层(2)的折射率均高于所述第一包层(3)和所述第二包层(5)；所述环形沟槽层(4)的折射率低于所述第一包层(3)和所述第二包层(5)。
2.根据权利要求1所述的用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，其特征在于，所述第一包层(3)和所述第二包层(5)的折射率一致。
3.根据权利要求2所述的用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，其特征在于，所述第一包层(3)和所述第二包层(5)的材料为石英。
4.根据权利要求2所述的用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，其特征在于，所述环芯层(2)与所述第一包层(3)的相对折射率差小于或等于0.75％；所述中心折射率抬高层(1)与所述第一包层(3)的相对折射率差为0.3％～0.6％。
5.根据权利要求4所述的用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，其特征在于，所述环形沟槽层(4)与所述第一包层(3)的相对折射率差为-0.3％～-0.5％。
6.根据权利要求5所述的用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，其特征在于，所述中心折射率抬高层(1)的半径为1.5μm～2.5μm，所述环芯层(2)的半径为7.6μm～10μm。
7.根据权利要求6所述的用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，其特征在于，所述第一包层(3)的厚度为2～3μm，所述环形沟槽层(4)的厚度为2.5～4μm。
8.根据权利要求1-7任一所述的用于海缆的中心折射率抬高型环芯光纤，其特征在于，所述中心折射率抬高层(1)和所述环芯层(2)分别向上掺杂两种不同浓度的元素。
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