CN115128730A - 一种少模空芯反谐振光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种少模空芯反谐振光纤，包括圆形外包层；包层毛细管，若干包层毛细管均匀设置在圆形外包层内，且与圆形外包层内切；包层毛细管内嵌套有腰圆管，腰圆管由两个1/2椭圆和矩形组合而成，腰圆管与包层毛细管内切；包层毛细管与圆形外包层内切点和腰圆管与包层毛细管内切点为同一点；纤芯区域位于圆形外包层中心，且纤芯区域为圆形，可与若干包层毛细管均外切；空腔区域，包括若干包层毛细管之间的空白区域、包层毛细管内部空白区域、腰圆管内部空白区域。因此，充分利用嵌套结构的多反谐振层和空腔区域优势，引入的腰圆管提供了更大的负曲率。本发明具有支持弱耦合模式传输、超低模式限制损耗、以及超大传输带宽的优异光纤传输性能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体而言，涉及一种少模空芯反谐振光纤。
背景技术
随着全球移动通信和视频媒体更加繁荣，世界上流通的数据量年增长率约为26％。意味着基于单模光纤(SMFs)的网络正在走向容量紧缩，为了进一步提高传输容量、实现较低的时延和保持较低的非线性系数，模分复用(MDM)的空芯光纤(HCFs)是一种潜在候选。
MDM系统中影响传输性能的最重要一个因素就是模式之间的耦合现象。多输入多输出信号处理(MIMO)有助于消除这种有害影响，但会增加系统的复杂度和成本。一种支持弱耦合模分复用传输的少模HCF能够很好的解决在传输中的模式耦合问题，同时也是提供少模高功率激光束的首选。尽管理论上对这种新型的空芯反谐振光纤(ARHCF)的原理有了越来越多的了解，但迄今为止，对少模空芯光纤的有力描述仍被证明是难以捉摸的。如何设计能够实现低损耗少模的弱耦合空芯反谐振光纤是攻克难题，对于模分复用短距通信系统意义重大。
现有技术一中，在会议Multimode Hollow-Core Anti-Resonant optical Fibres中，针对空芯反谐振光纤传输多个模式的光纤设计。该结构玻璃t为530nm，设计用于引导近红外波段。仅通过调节毛细管半径来改变包层模式的有效折射率，在10个和22个毛细管两种光纤结构中进行了多模预测。
该多模设计基于单层毛细管的空芯反谐振光纤，其研究只考虑在特定的损耗阈值下导模数量预测，没有具体模式低损耗窗口。传输波段为近红外区域，目标设计光纤不适用于传输信号。基于单层毛细管的ARF为了得到更多的低损耗导模，往往需要数百微米的纤芯直径，导致光纤不能弯曲。此外，不支持弱耦合模式传输，高的限制损耗也是该结构的缺陷。
现有技术二中，在论文Design of Weakly Coupled Two Mode Hollow CoreAnti-resonant Fiber With Low Loss中，针对空芯反谐振的少模光纤，提出了连接管的嵌套结构，可以使两个LP模群的损耗低于10dB/km。利用连接管的嵌套结构把包层毛细管内的空芯区域分成两个部分，通过调节连接管的位置来改变包层毛细管内模式的有效折射率。该结构使得LP01和LP11的有效折射率差大于5×10-4，满足模式之间弱耦合条件，使传输不需要MIMO进行模式处理。
连接管结构的空芯反谐振光纤存在两个玻璃节点，产生额外的玻璃模式导致限制损耗谱存在波动。玻璃厚度t为1.11μm，使目标波长工作在第二阶反谐振区域，其低损耗传输带宽窄且模式限制损耗大。在光纤拉制工艺方面，还没有工艺拉制出该光纤。
发明内容
针对现有少模空芯反谐振光纤结构设计不支持模式弱耦合传输、模式限制损耗高、存在额外的嵌套玻璃节点影响损耗谱、传输带宽窄以及单毛细管空芯反谐振光纤的大芯径不能弯曲，光纤熔融拉制不可行性的缺点，提出一种腰圆管嵌套反谐振光纤(WCT-ARF)结构，具有支持弱耦合模式传输、超低模式限制损耗、以及超大传输带宽的优异光纤传输性能。
本发明通过以下技术方案实现：
一种少模空芯反谐振光纤，包括。
圆形外包层；
包层毛细管，若干所述包层毛细管均匀设置在圆形外包层内，且与圆形外包层内切；包层毛细管内嵌套有腰圆管，所述腰圆管由两个1/2椭圆和矩形组合而成，腰圆管与包层毛细管内切；所述包层毛细管与圆形外包层内切点和腰圆管与包层毛细管内切点为同一点；
纤芯区域，所述纤芯区域位于圆形外包层中心，且纤芯区域为圆形，可与若干所述包层毛细管均外切；
空腔区域，包括若干所述包层毛细管之间的空白区域、包层毛细管内部空白区域、腰圆管内部空白区域。可以通过控制腰圆管结构尺寸合理划分空白区域，使得包层模式与不需要的高阶模耦合，达到少模设计。
本发明采用腰圆管嵌套反谐振光纤结构设计方案，包含若干包层毛细管，且折射率相同，中空的纤芯区域和高折射率的外包层，能实现比单包层毛细管反谐振光纤更低损耗和更大带宽。具体来说，包层毛细管将光陷在低折射率区域，目的是形成“谐振腔”，将光的能量束缚在纤芯区域中，包层毛细管之间是有间隙的，可以避免节点带来的损耗与Fano谐振，通过控制间隙距离，可以控制间隙泄漏损耗，而腰圆管能提供更大的负曲率降低限制损耗，即腰圆管为调节包层毛细管内部空白区域提供了3个结构自由度，多个结构自由度调节毛细管中的模式有效折射率，从而有效的把高阶模从纤芯中耦合出去，在抑制纤芯高阶模和保证模式纯度方面更具优势；
进一步来说，所述圆形外包层由高折射率材料制成；所述毛细管、腰圆管为高折射率材料。
进一步来说，所述高折射率材料选用二氧化硅玻璃、PVC软质水晶板、塑料中的一种。
进一步来说，所述纤芯区域为空气或填充功能性材料；所述空腔区域为空气。纤芯区域与空腔区域为低折射率材料区域。
进一步来说，所述包层毛细管至少设有4个。
进一步来说，所述纤芯区域半径R取值范围是12～27μm；包层毛细管半径r取值范围为0.5*R～0.95*R；包层毛细管、腰圆管玻璃厚度t取值范围是1～5μm。该半径R取值范围既满足弱耦合条件也能获得低CL。包层毛细管、腰圆管玻璃厚度t在制备工艺允许下越小越好，能满足光的反谐振条件且包层毛细管玻璃壁的曲面为负曲率，更好的限制纤芯中的光泄漏，降低基模损耗。
进一步来说，任意两个相邻的所述包层毛细管之间的间隙g不为0。即不能为0，否则会形成节点，本发明是无节点形式，可以避免Fano谐振损耗从而得到更平滑的限制损耗谱。本发明应尽可能的使两个相邻包层毛细管之间的间隙g的值小，可以减少光纤的间隙泄漏。任意两个相邻的包层毛细管之间的间隙g不宜过大，否则会使能量泄漏增加。
进一步来说，1/2椭圆的短半轴长度ra取值范围为0.3*R～0.45*R，1/2椭圆的长半轴长度rb取值范围为0.35*R～0.65*R，腰圆管的平行板长度l取值范围为0.3*R～0.9*R。通过选择合适的结构参数，从而控制泄漏模式与高阶模式的耦合程度，提高光纤的高阶模损耗，增大高阶模与基模损耗比，改善光纤的基模特性。
本发明利用光的反谐振反射原理以及抑制耦合原理将光束缚在光纤中。纤芯区域的半径决定导模之间的有效折射率差和损耗，所以要在合适的纤芯区域半径下才能保证模式之间弱耦合。由于包层毛细管抑制纤芯中的基模耦合泄漏到包层中，同时对不需要的高阶模的耦合出纤芯，实现低损耗弱耦合少模传输。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
(1)本发明是基于嵌套反谐振光纤的导光机理进行设计，增加了反谐振层数和额外的负曲率，能实现比单包层毛细管反谐振光纤更低损耗和更大带宽，具有低时延，低非线性，高损伤阀值，超低损耗和结构简单等优点。
(2)本发明提出的腰圆管嵌套反谐振光纤，拥有大传输带宽与低传输损耗，可适用于模分复用通信传输。
(3)本发明是采用了普通的空芯光纤尺寸设计。实用性强，光纤拉制较为方便。
(4)本发明是采用了模式弱耦合条件进行设计，在通信系统中不需要加MIMO进行处理，大大降低的通信系统的复杂度。
(5)本发明采用的高折射率材料为纯二氧化硅，低折射率材料为空气。纯二氧化硅为光纤的基本材料，空气有更好的伸展性，还可以加入的是功能性其他材料。
(6)本发明采用的是腰圆管嵌套结构，该嵌套结构为两个1/2椭圆拼接矩形组成，具有大负曲率：能够带来椭圆的大负曲率降低纤芯模式损耗；其次具有高自由度：半椭圆的长短半轴和平行板长度都能进行调节，能够灵活控制毛细管的空腔区域面积，从而保证大带宽弱耦合低损耗的少模传输。
(7)本发明采用嵌套无节点结构，不会因为玻璃节点带来Fano谐振，保证超大传输带宽内损耗谱平滑。
(8)本发明在相同毛细管情况下，通过设计不同的纤芯半径来使更多的模式在1550nm满足弱耦合。相同纤芯半径情况下，通过增加毛细管数量使更多模式低于限制损耗阈值和满足弱耦合。此外，毛细管增加不同的折射率材料或者特殊的纤芯区域可达到更多模式间更低串扰。
附图说明
图1是少模腰圆管嵌套反谐振光纤结构示意图；
图2是本发明中腰圆管嵌套反谐振光纤的纤芯模式色散；
图3是本发明中腰圆管嵌套反谐振光纤的模场分布仿真图；其中a为纤芯中LP01模；b为纤芯中LP11模；c为纤芯中LP21模；
图4是实施例1中追求超高HOMER的纤芯模式损耗谱；
图5是实施例1中追求超低损耗的纤芯模式损耗谱；
图6是实施例2中纤芯区域半径对LP01、LP11的限制损耗影响。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
反谐振光纤的纤芯区域半径R取值范围为12～27μm，选取条件是要同时满足弱耦合条件和获得更低模式CL。如图2所示一般认为两个LP模式的弱耦合条件为有效折射率差≥5×10-4，由于纤芯导模的限制损耗也随R增大而减少，所以建议选取弱耦合条件临界值R。通过基于有限元法的COMSOL Multiphysics仿真软件对本发明的模场分布进行仿真，如图3所示为1.55μm处LP01、LP11和LP21模式的模场图，能量集中于本发明的纤芯区域。
实施例1
如图1所示，一种少模空芯反谐振光纤，包括。
圆形外包层1；选用塑料制成。
包层毛细管2，若干所述包层毛细管2均匀设置在圆形外包层1内，且与圆形外包层1内切；包层毛细管2内嵌套有腰圆管3，所述腰圆管3由两个1/2椭圆和矩形组合而成，腰圆管3与包层毛细管2内切；所述包层毛细管2与圆形外包层1内切点和腰圆管3与包层毛细管2内切点为同一点；
纤芯区域6，所述纤芯区域6位于圆形外包层1中心，且纤芯区域6为圆形，可与若干所述包层毛细管2均外切；
空腔区域，包括若干所述包层毛细管之间的空白区域、包层毛细管内部空白区域5、腰圆管内部空白区域4。
实施例1为将本发明实现两个模式(LP01、LP11)弱耦合传输，保证超大带宽和超高模式纯净度(HOMER≥1000)，可选取两个模式弱耦合临界条件R＝21.5μm，包层毛细管2数量为N＝6，反谐振中心波长λ设为1550nm，包层毛细管2、腰圆管3玻璃厚度t为0.36μm，包层毛细管2半径r/R＝0.9，任意两个相邻的包层毛细管2之间的间隙g为1.78μm，对参数ra，rb，l进行优化，进一步的降低传输的模式限制损耗和提高模式消光比。在基于有限元法的COMSOLMultiphysics软件模拟仿真中，通过参数归一化，寻找出最优解，可选的腰圆管3半椭圆短半轴长度为ra/R＝0.41，腰圆管3半椭圆长半轴长度为rb/R＝0.375时，腰圆管3的平行板长度为l/R＝0.45。在此模型下，本发明在目标超大传输波段损耗性能达到最优，如图4所示。
目标光纤进行850nm～1850nm的波长范围下的损耗窗口扫描。本发明实现了940nm传输带宽(波长范围850nm～1790nm)的超高模式消光比HOMER>1000和LP01、LP11的弱耦合低损耗，其中在1.55μm波长LP01的损耗为0.0045dB/km，LP11的损耗为0.24dB/km。由于包层毛细管内模式的有效折射率与高阶模的有效折射率适配，不需要的高阶模被耦合出纤芯。因此1000nm传输带宽(波长范围850nm～1850nm)的HOMER>150，从而可以保证良好的两模性能。
当本实施例中，可选的腰圆管3半椭圆的短半轴长度为ra/R＝0.37，腰圆管3半椭圆的长半轴长度为rb/R＝0.5时，腰圆管3的平行板长度为l/R＝0.45。在此模型下，本发明在目标传输波段保持超低损耗，如图5所示。
该目标光纤进行850nm～1850nm的波长范围下的损耗窗口扫描。实现了750nm传输带宽(波长范围850nm～1600nm)的超高模式消光比HOMER>150，从而可以保证良好的两模性能。LP01、LP11实现了弱耦合超低损耗(LP11的损耗小于0.01dB/km)，在1.55μm波长LP01的损耗为0.0014dB/km，LP11的损耗为0.016dB/km。由于包层模式的有效折射率与LP01、LP11的有效折射率失配，抑制纤芯基模向包层耦合，导致其损耗相比于图4降低了约一个数量级。
实施例2
一种少模空芯反谐振光纤，包括。
圆形外包层1；
包层毛细管2，若干所述包层毛细管2均匀设置在圆形外包层1内，且与圆形外包层1内切；包层毛细管2内嵌套有腰圆管3，所述腰圆管3由两个1/2椭圆和矩形组合而成，腰圆管3与包层毛细管2内切；所述包层毛细管2与圆形外包层1内切点和腰圆管3与包层毛细管2内切点为同一点；
纤芯区域6，所述纤芯区域6位于圆形外包层1中心，且纤芯区域6为圆形，可与若干所述包层毛细管2均外切；
空腔区域，包括若干所述包层毛细管之间的空白区域、包层毛细管内部空白区域5、腰圆管内部空白区域4。
本实施例根据图2的模式色散，可选不同的包层毛细管2数量去实现模式弱耦合传输。例如6管的腰圆管3反谐振光纤的2个模式(LP01、LP11)弱耦合的临界半径为R＝21.5μm，3个模式(LP11和LP21)的弱耦合临界半径为R＝24.0μm，4个模式(LP21和LP02)的弱耦合临界半径为R＝14.2μm。一般的，空芯光纤的模式损耗随着半径的增大而增大，满足模式的弱耦合传输的纤芯半径可选的要小于临界半径。反谐振中心波长选取为一般通信波长1550nm，可选的当工作在第一阶反谐振区域时，包层毛细管2、腰圆管3玻璃壁厚t为0.36μm。
经过上述验证，通过优化包层毛细管2结构，调节包层模式的有效折射率与纤芯模式适配，增大高阶模的损耗，从而使光纤在传输较短距离后继续保持良好的少模特性。进一步优化参数腰圆管3半椭圆的短半轴长度ra，腰圆管半椭圆的长轴长度rb，腰圆管平行板的长度l，可得不同的少模性能结果。
两个模式弱耦合设计演示，图6为本发明的纤芯半径对LP01、LP11纤芯模式的限制损耗影响。如图6所示，在纤芯直径R>15μm时，LP11模式的限制损耗小于10dB/km，该损耗已经达到继续优化的预期。故通过分析模式弱耦合条件和纤芯模式的低损耗，可以选取合适的纤芯半径R。
本发明在1550nm存在4个LP模式弱耦合低损耗传输。可调整r，ra，rb和l参数优化，进一步的降低传输的模式限制损耗和提高模式消光比，寻找出最优解。
本发明领域技术人员应该明白，本实施例2中介绍，所指该光纤结构可以设计4个模式弱耦合低损耗传输。不仅局限于只支持4个模式设计，通过本文的设计理念，可以是更多的模式的少模光纤。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种少模空芯反谐振光纤，包括：
圆形外包层；
包层毛细管，若干所述包层毛细管均匀设置在圆形外包层内，且与圆形外包层内切；包层毛细管内嵌套有腰圆管，所述腰圆管由两个1/2椭圆和矩形组合而成，腰圆管与包层毛细管内切；所述包层毛细管与圆形外包层内切点和腰圆管与包层毛细管内切点为同一点；
纤芯区域，所述纤芯区域位于圆形外包层中心，且纤芯区域为圆形，可与若干所述包层毛细管均外切；
空腔区域，包括若干所述包层毛细管之间的空白区域、包层毛细管内部空白区域、腰圆管内部空白区域。
2.根据权利要求1所述的一种少模空芯反谐振光纤，其特征在于，所述圆形外包层由高折射率材料制成；所述毛细管、腰圆管为高折射率材料。
3.根据权利要求2所述的一种少模空芯反谐振光纤，其特征在于，所述高折射率材料选用二氧化硅玻璃、PVC软质水晶板、塑料中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种少模空芯反谐振光纤，其特征在于，所述纤芯区域为空气或填充功能性材料；所述空腔区域为空气。
5.根据权利要求1所述的一种少模空芯反谐振光纤，其特征在于，所述包层毛细管至少设有4个。
6.根据权利要求1所述的一种少模空芯反谐振光纤，其特征在于，所述纤芯区域半径R取值范围是12～27μm；毛细管半径r取值范围为0.5*R～0.95*R；毛细管、腰圆管玻璃厚度t取值范围是1～5μm。
7.根据权利要求6所述的一种少模空芯反谐振光纤，其特征在于，任意两个相邻的所述包层毛细管之间的间隙g不为0。
8.根据权利要求6所述的一种少模空芯反谐振光纤，其特征在于，1/2椭圆的短半轴长度ra取值范围为0.3*R～0.45*R，1/2椭圆的长半轴长度rb取值范围为0.35*R～0.65*R，腰圆管的平行板长度l取值范围为0.3*R～0.9*R。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117369046A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-01-09 | 南京信息工程大学 | 一种中红外色散平坦的空芯反谐振光纤 |
| CN117369046B (zh) * | 2023-12-08 | 2024-02-09 | 南京信息工程大学 | 一种中红外色散平坦的空芯反谐振光纤 |
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