CN115291318B - 一种19芯超低损耗色散补偿多芯光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种19芯超低损耗色散补偿多芯光子晶体光纤，在实现大负色散且显著抑制芯间串扰的同时，可以保持超低的限制损耗及弯曲损耗。利用有限元方法模拟计算出，当输入光波长为1550nm时色散值可以达到－10380ps/nm/km且弯曲损耗和限制损耗分别为0.0022dB/100turns和2.45×10－11dB/m；同时，在两种不同的纤芯排布方式下，芯间串扰分别为－85.5dB/100km和－88.12dB/100km；因此，本发明可以在基于空分复用技术的实际多芯光纤通信系统中发挥有效的色散补偿作用。

Description

一种19芯超低损耗色散补偿多芯光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信技术，特指多芯光子晶体光纤。

背景技术

在实际光纤通信系统中，光纤产生的色散会导致光脉冲展宽从而产生误码率。因此，想要实现多芯光纤尽早的实际铺设，则有必要设计一种多芯色散补偿光纤，并将其与多芯光纤熔接，以降低误码率。

在设计多芯色散补偿光纤时，应重点考虑芯间串扰及色散特性。由于多芯光纤是通过在有限的包层中排布多个纤芯，以此来实现空间信道复用，因此这将导致严重的芯间串扰(XT)。抑制多芯光纤芯间串扰的传统方法包括沟槽辅助多芯光纤、空气孔辅助多芯光纤和异质结构多芯光纤。2013年，日本NTT公司的Taiji Sakamoto等人提出了一种新型空气孔辅助型六芯光纤，当传输距离为100km时，光纤的芯间串扰保持在－30dB左右。2017年，Xie等人提出了一种32芯非均匀杆辅助和槽辅助多芯光纤，其芯间串扰小于－30dB/100km，弯曲半径阈值为7cm。2019年，Xie等人提出了一种具有不同内包层结构的弯曲不敏感异质结构的八芯光纤，当弯曲半径为30mm和输入光波长λ＝1625nm时，该光纤可实现低于－50dB/100km的超低芯间串扰，且弯曲损耗小于0.5dB/100turns。2020年，Sabahat Shaheen等人提出了一种基于色散平坦19芯光子晶体光纤的真延时线，在1550nm处传播距离为10km时，芯间串扰为－50.1dB，这说明光子晶体光纤可以有效抑制芯间串扰。

光子晶体光纤是由破坏了包层周期性排列的缺陷纤芯和沿轴向规则排列的带有气孔的二氧化硅阵列组成，它具有不间断单模、高双折射、独特的色散和大数值孔径等突出优点。同时由于光子晶体光纤结构设计的灵活性和特殊性，在保持无截止单模传输的同时还可以在特定的工作波长进行有效的色散补偿，并且光子晶体光纤与普通光纤的熔接技术已经成熟。2013年，Gautam和Prabhakar等人设计了一种具有高掺杂内芯的双芯色散补偿光子晶体光纤，在1550nm处的负色散值为－4200ps/nm/km。2015年，徐季明等人设计了一种具有高掺杂内芯的双芯色散补偿光子晶体光纤，在1550nm处的负色散值为－51626ps/nm/km。尽管上述设计实现了单模光纤的色散补偿，但基于空分复用技术的多芯色散补偿光纤目前尚未见报道。因此有必要设计并制备出多芯色散补偿类光子晶体光纤，实现大负色散的同时能兼顾基于空分复用技术的空间信道复用，满足大容量传输的迫切需求。

2009年侯尚林等人提出一种新的低非线性宽带色散补偿微结构光纤的设计，该光纤结构如图1所示，在纯二氧化硅包层中六层空气孔呈六边形排布，利用矢量光束传输法研究该光纤的几何和光学参数对色散的影响，通过对空气孔孔径、孔间距等结构参数进行优化调整，最终设计出如图2所示的当输入光波长为1.55μm时具有－3235.8ps/nm/km大负色散的低非线性宽带色散补偿微结构光纤。

发明内容

本发明的目的在于针对在有限包层内保持多个空间信道传输的同时，实现纤芯的大负色散，并且有效降低多芯光子晶体光纤的芯间串扰、弯曲损耗和限制损耗，通过与多芯光纤低损耗熔接以此来实现对多芯光纤传输一定距离后所积累的色散进行有效补偿，以降低传输信号的误码率。

为实现上述目的，本发明一种19芯超低损耗色散补偿多芯光子晶体光纤，由包层和光纤组成，所述的包层为纯二氧化硅包层，其直径为125μm；所述的光纤由19个超低损耗色散补偿纤芯呈六边形设置，所述的超低损耗色散补偿纤芯为呈正六边形排布的七层空气孔，由内向外每层空气孔直径分别为d₁＝0.92μm、d₂＝0.85μm、d₃＝0.8μm、d₄＝0.97μm、d₅＝0.94μm、d₆＝0.89μm、d₇＝0.99μm，孔间距Λ_h＝1.1μm。

所述的19个超低损耗色散补偿纤芯呈五层按数量3－4－5－4－3排布的正六边形，其芯间距为20μm。

所述的19个超低损耗色散补偿纤芯呈蜂窝状排布，芯间距为31μm。

本发明技术方案带来的有益效果

(1)相比传统的单模色散补偿光纤只能对传统单模光纤进行补偿，本发明所述的一种19芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤设计，可以应用到基于空分复用技术的多芯光纤通信系统中，有效补偿多芯光纤传输一定距离后所积累的色散，从而减小误码率。

(2)本发明所述的一种19芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤设计，可以利用光子晶体光纤独特优势实现无截至单模传输，以此避免模间色散、模间串扰及模式竞争。

(3)本发明所述一种19芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤设计可以在1550nm处实现－10380ps/nm/km的大负色散。

(4)本发明所述一种19芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤设计，由于纤芯的空气孔排列结构，不仅实现了比传统多芯光纤更小的芯间串扰，而且保持了超低的弯曲损耗及限制损耗。

附图说明

图1为现有技术一光子晶体光纤截面图；

图2为现有技术一光子晶体光纤色散与波长的关系；

图3为现有技术二光子晶体光纤截面图；

图4为现有技术二光子晶体光纤色散与波长的关系；

图5为本发明第一种实施方式光纤截面图；

图6为本发明纤芯结构图；

图7为本发明纤芯折射率分布图；

图8为本发明第二种实施方式纤芯排布方式；

图9为本发明色散随波长的变化关系；

图10为本发明第一种实施方式纤芯排布方式下芯间距对芯间串扰的影响；

图11为本发明第二种实施方式纤芯排布方式下芯间距对芯间串扰的影响；

图12为本发明限制损耗随波长的变化关系；

图13为本发明OCT与弯曲损耗的关系；

图14为本发明7芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤；

图15为本发明第一种实施方式纤芯排布方式下的9芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤；

图16为本发明第二种实施方式纤芯排布方式下的9芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤；

图17为本发明10芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤；

图18为本发明第一种实施方式纤芯排布方式下的12芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤；

图19为本发明第二种实施方式纤芯排布方式下的12芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤；

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明设计了一种19芯超低损耗色散补偿多芯光子晶体光纤，其光纤横截面如图5所示，由十九个具有相同的大负色散特性的纤芯组成，分别是core1～core19，其中两个相邻芯间距为Λ_c，最外层纤芯距包层的距离为OCT,Φ为弯曲角度。为了减小制备难度，将包层设为与G.654光纤相同的直径125μm。

单个纤芯结构如图6所示，为纯二氧化硅包层中七层空气孔呈正六边形排布且空气孔直径分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7孔间距为Λ_h，折射率分布如图7所示。

为了使本发明可以对不同纤芯排布方式下的多芯光纤进行补偿，所以在纤芯参数不变的情况下我们提出了第二种纤芯排布方式如图8所示。

光纤在实际应用中传输一定距离后会积累一定的色散，从而产生误码率，严重影响传输效率。光纤中的色散分为材料色散和波导色散，材料色散是指由光学模式和材料状态之间的相互作用引起的材料折射率对波长的依赖性，它可以通过推导材料的Sellmeier方程得到，波导色散取决于光纤纤芯的参数。有限元法在计算色散时已经包含了材料色散，因此只需计算波导色散即可得到总色散，其计算公式为：

通过对纤芯结构参数进行优化，最终选取了结构参量d₁＝0.92μm、d₂＝0.85μm、d₃＝0.8μm、d₄＝0.97μm、d₅＝0.94μm、d₆＝0.89μm、d₇＝0.99μm和孔间距Λ_h＝1.1μm,如图9所示本发明在波长λ＝1.55μm处实现了-10380ps/nm/km的色散值，因此本发明可以在1550nm处实现有效的色散补偿。

本发明通过在有限的包层中排列多个纤芯以实现空间信道复用，但芯间距会随着纤芯数量的增加而减小，从而导致严重的芯间串扰。多芯光子晶体光纤的芯间串扰可通过相邻纤芯之间的平均功率耦合系数来计算，平均功率耦合系数计算公式：

其中R_b是光纤的弯曲半径，β是纤芯m的传播常数，Λ_mn是相邻纤芯之间的芯间距，k_mn是平均模式耦合系数，其计算公式为：

其中ω表示电磁场的角频率，ε₀为真空中的介电常数，N²表示整个耦合区域的折射率分布，N_n ²表示纤芯n的折射率分布，μ_z表示单位矢量，E_m表示纤芯m在纤芯n区域内的电场分布，E_n表示纤芯n在纤芯m区域内的电场分布。将式(2)计算出的平均功率耦合系数代入芯间串扰的计算公式，即可得到不同光纤长度下的芯间串扰，其计算公式为：

其中L为光纤长度。

为了满足长距离传输，芯间串扰应该小于其阈值-30dB/100km。因此，我们计算了如图5所示的纤芯排布方式下的芯间串扰如图10所示，当芯间距Λ_h＝20μm时，其芯间串扰为-85.5dB/100km。因为不同的纤芯排布方式只改变了芯间距，所以对光纤的色散及限制损耗没有影响，因此我们计算了如图8所示的第二种纤芯排布方式下不同芯间距对应的芯间串扰如图11所示，当芯间距为31μm时,其芯间串扰为-88.12dB/100km。可以得出我们所提出的两种纤芯排布方式，其芯间串扰都可以满长距离传输的要求。

光纤通信系统的最大中继距离主要由光纤的损耗决定，而光纤中的损耗有弯曲损耗、限制损耗及散射损耗等。由于光子晶体光纤独特的空气孔结构会导致光在其中传输时不可避免的发生泄露，从而产生限制损耗,其计算公式：

其中imag(n_eff)为有效折射率虚部，我们通过(5)式模拟计算出本发明的限制损耗如图12所示，结果显示在波长λ＝1.55μm处限制损耗为2.45×10^-11dB/m。

光纤在实际使用过程中会不可避免的发生弯曲，当光纤发生弯曲后其中传输的光束此时将不再全部满足全内反射条件，因此一部分会从光纤的纤芯中逃离出去，从而产生弯曲损耗，且光纤发生弯曲时离纤芯轴线越远其相速度越大造成的泄露也就越严重，因此有必要计算其最外层纤芯的弯曲损耗且弯曲损耗计算公式为：

通过(6)式模拟计算当波长λ＝1.625μm、弯曲半径为30mm时本发明的弯曲损耗与OCT的关系如图13所示，为了分别满足如图5、6所示的两种纤芯排布方式下大包层直径为125μm的要求,则OCT取分别14.305μm和17μm，此时其弯曲损耗分别为0.0022dB/100turns和0.0041dB/100turns。

根据国际电信联盟(ITU-T)建议的G.654光纤作为设计多芯光子晶体光纤的标准，其限制损耗值应小于0.22dB/km，而LP01模的弯曲损耗值应在波长为1625nm和弯曲半径为30mm时小于0.5dB/100turns，则可以实现长距离传输，而本发明的限制损耗及弯曲损耗远远小于这一数值，因此可以得出本发明中所提出多芯大负色散补偿光纤可以实现超低损耗长距离传输。

在本发明中我们首次提出了一种19芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤，在1550nm处实现了大负色散且在保持低芯间串扰的同时可以实现超低损耗传输，其具体参数及性能分别如表1和表2所示。

表2本发明所提出光纤的参数

表2本发明所提出光纤的性能

本发明提出的19芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤纤芯设计图即图6，两种不同的19芯纤芯排布方式即图5和图8；

(2)本发明提出的19芯超低损耗色散补偿光子晶体光纤设计的参数和性能，即表3和表4；

(2)将本发明应用到基于空分复用技术的多芯光纤通信系统中，以减小误码率；

(3)将本发明设计的光子晶体纤芯结构(图6)用于7芯、9芯、10芯、12芯、19芯等不同纤芯数量下不同纤芯排布方式，即图5、图8及图14-图19。

本发明与现有技术1技术对比：

(1)表3给出了现有技术一与本发明光纤参数和性能对比，相对于现有技术一在1.55μm处色散值实现-3235.8ps/nm/km，本发明所设计的光纤可以在1.55μm处色散值实现-10380ps/nm/km。

(2)本发明在与标准单模光纤相同包层直径125μm内最多可以放置十九个纤芯，实现了十九路空间信道复用，相对于现有技术一简单高效的提高光纤系统的传输容量。

(3)相对于现有技术一本发明在纯二氧化硅包层排布了七层呈正六边形排布的空气孔，可以有效降低芯间串扰，限制损耗以及弯曲损耗，更适用于实现多芯光子晶体光纤。

表3现有技术一与本发明光纤参数和性能对比

本发明与现有技术二技术对比：

(1)本发明在与标准单模光纤相同包层直径125μm内最多可以放置十九个纤芯，实现了十九路空间信道复用，相对于现有技术二简单高效的提高光纤系统的传输容量。

(2)相对于现有技术的二空气孔六角点阵的空气孔排列方式，本发明的七层空气孔呈正六边形排布方式更加易于实际制备。

表4现有技术二与本发明光纤参数和性能对比

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效形状或结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种19芯超低损耗色散补偿多芯光子晶体光纤，由包层和光纤组成，其特征在于：所述的包层为纯二氧化硅包层，其直径为125μm；所述的光纤由19个超低损耗色散补偿纤芯呈六边形设置，所述的超低损耗色散补偿纤芯为呈正六边形排布的七层空气孔，由内向外每层空气孔直径分别为d₁＝0.92μm、d₂＝0.85μm、d₃＝0.8μm、d₄＝0.97μm、d₅＝0.94μm、d₆＝0.89μm、d₇＝0.99μm，孔间距Λ_h＝1.1μm。

2.如权利要求1所述的一种19芯超低损耗色散补偿多芯光子晶体光纤，其特征在于：所述的19个超低损耗色散补偿纤芯呈五层按数量3－4－5－4－3排布的正六边形，其芯间距为20μm。

3.如权利要求1所述的一种19芯超低损耗色散补偿多芯光子晶体光纤，其特征在于：所述的19个超低损耗色散补偿纤芯呈蜂窝状排布，芯间距为31μm。