CN115308832B - 一种低色散保偏少模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低色散保偏少模光纤,包括内芯区、纤芯区、包层区以及两个第一应力区,内芯区为椭圆形,纤芯区为椭圆环形并环绕在内芯区的外侧;还包括第二应力区,第二应力区设于纤芯区与包层区之间,第二应力区的内轮廓与纤芯区的外轮廓相切,第二应力区不是与纤芯区同心共轴且同椭圆率的椭圆环形,内芯区和包层区的折射率均大于第二应力区的折射率,两个第一应力区的折射率均小于第二应力区的折射率。本发明运用椭圆环形纤芯引入几何双折射并利用第一应力区和第二应力区引入应力双折射,使得光纤中传输的各个模式有效分离,相邻模有效折射率差最小值大于10‑4,可消除MIMO的使用,简化光互联网络系统。

Description

一种低色散保偏少模光纤
技术领域
本发明涉及大容量短距离光互联网络领域,特别是涉及一种具有较好偏振特性和导模相互无串扰的低色散保偏少模光纤。
背景技术
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
新型数据业务层出不穷以及云计算的快速发展,对光互联网络中传输容量的提升提出了迫切需求。传统单模光纤受非线性香农极限的限制,容量难以提升。为此,时分复用、波分复用以及空分复用等应用在光纤设计中,尤其空分复用有着达到最大容量的能力进而引得广泛关注。少模光纤是运用空分复用的典型设计,而少模光纤传输过程中发生的模式串扰是重大问题。为处理该问题通常会在接收端引入多输入多输出(Multiple inputMultiple output,MIMO)数字信号处理技术,但随着传输模式数量的增多系统的复杂性会非线性增长同时会有较大的功耗;为此便要从根源上抑制模式耦合,使光纤中相邻各导模间有效折射率差大于10-4,由此完全分离本征模式,实现光纤模式低的串扰进而免除MIMO的使用。
保偏少模光纤吸引了大量研究学者,其通常引入应力双折射和几何双折射,通过利用双折射效应来增加相邻导模间的有效折射率差,减小模式简并,达到降低模式串扰和消除MIMO的目的。此类光纤目前已存在椭圆芯光纤、椭圆环形芯光纤以及熊猫型保偏少模光纤等结构,研究发现其中存在为了避免模式简并而导致高阶模式截止限制光纤导模数量的问题。引入气孔的光纤结构更是层出不穷,通过增加气孔数量、调整气孔形状和位置能够有效增加相邻模有效折射率差,但普遍存在模式色散较大等问题。
发明内容
为此,本发明所要解决的技术问题在于提供一种低色散保偏少模光纤,在保证相邻导模有效分离的前提下,光纤中传输的模式数量可达十个,并保持良好偏振状态和工艺鲁棒性,同时调整尺寸模式数量可达十四个,且依旧保持优良性能并具有较小色散。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种低色散保偏少模光纤,所述低色散保偏少模光纤的横截面包括内芯区、纤芯区、包层区以及两个第一应力区,所述内芯区为椭圆形,所述纤芯区为椭圆环形并环绕在所述内芯区的外侧,所述纤芯区的内轮廓与所述内芯区的外轮廓相切,所述包层区环绕在所述纤芯区外侧,所述两个第一应力区设于所述包层区上并相对所述纤芯区的短轴轴对称布置,所述两个第一应力区和所述纤芯区分离设置,所述两个第一应力区与所述第二应力区分离设置,所述内芯区和所述包层区的折射率均小于所述纤芯区的折射率;
所述低色散保偏少模光纤的横截面还包括第二应力区,所述第二应力区设于所述纤芯区与所述包层区之间,所述第二应力区的内轮廓与所述纤芯区的外轮廓相切,所述第二应力区不是与所述纤芯区同心共轴且同椭圆率的椭圆环形,所述内芯区和所述包层区的折射率均大于所述第二应力区的折射率,所述两个第一应力区的折射率均小于所述第二应力区的折射率;
所述第二应力区的内轮廓为与所述纤芯区的外轮廓相切的椭圆形,所述第二应力区的外轮廓为与所述纤芯区的外轮廓同心且相离的圆形;
所述纤芯区的折射率为1.478;
所述内芯区和所述包层区均为纯二氧化硅,二者的折射率相同,均为1.444;
所述第二应力区的折射率为1.428。
所述两个第一应力区均为圆形的气孔应力区,二者的折射率相同,均为1。
本发明的一个实施例中,所述纤芯区的半长轴为5.06um,所述第一应力区的半径为20um,所述第一应力区的圆心距离所述包层区的中心的距离为26.06um,所述第二应力区的外轮廓的半径为5.06um-5.52um。
本发明的一个实施例中,所述纤芯区的半长轴为5.56um,所述第一应力区的半径为22um,所述第一应力区的圆心距离所述包层区的中心的距离为27.9um,所述第二应力区的外轮廓的半径为5.56um。
本发明的一个实施例中,所述内芯区和所述纤芯区的椭圆率均为1.4,所述内芯区与所述纤芯区的半长轴之比和半短轴之比均为0.67或所述内芯区与所述纤芯区的半长轴之比和半短轴之比均为0.6。
本发明的一个实施例中,所述包层区的外轮廓为圆形,其半径为62.5um。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
1)本发明公开的低色散保偏少模光纤,第二应力区实质为不规则的形状,紧紧包围纤芯的第二应力区通过光弹性效应,为光纤产生各向异性做出关键贡献,达到消除模式简并的目的,有望在大容量短距离传输的光互联网络中发挥价值,本发明运用椭圆环形纤芯引入几何双折射并利用第一应力区和第二应力区引入应力双折射,使得光纤中传输的各个模式有效分离,相邻模有效折射率差最小值大于10-4,可消除MIMO的使用,简化光互联网络系统。
2)本发明公开的低色散保偏少模光纤,第二应力区的内轮廓为椭圆形,第二应力区的外轮廓为圆形,使得第二应力区的面积可以尽可能的小,且能够保证不规则的第二应力区在面积较小的情况下使光纤材料折射率表现出更好的各向异性;
3)本发明公开的低色散保偏少模光纤,在C波段传输的模式数量可达十个,在该结构基础上仅改变尺寸模式数量最多可至十四个,且模式的偏振性能较好;
4)本发明公开的低色散保偏少模光纤,该结构在传输十个模式时,在制造中允许的误差范围大具有一定的工艺鲁棒性;
5)本发明公开的低色散保偏少模光纤,光纤传输的各个模式在C波段有效折射率变化平坦且色散较小,在大容量短距离传输的光互联网络中可发挥重要作用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明公开的低色散保偏少模光纤的横截面的结构示意图;
图2为本发明公开的内芯区、纤芯区以及第二应力区的结构示意图;
图3为本发明实施例1的低色散保偏少模光纤的十个模式的模场图;
图4为本发明实施例1的低色散保偏少模光纤在C波段的色散随波长变化的曲线图;
图5为本发明实施例2的低色散保偏少模光纤通过改变尺寸而增加的四个模式模场图。
其中,1、内芯区;2、纤芯区;3、包层区;4、第一应力区;5、第二应力区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本申请提供作为进一步改进说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、件和/或它们的组合。在本公开中,术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,只是为了便于叙述本公开各件或元件结构关系而确定的关系词,并非特指本公开中任一件或元件,不能理解为对本公开的限制。本公开中,术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解,表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员,可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义,不能理解为对本公开的限制。
以下为用于说明本发明的一较佳实施例,但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参见图1至图4,如其中的图例所示,一种低色散保偏少模光纤,上述低色散保偏少模光纤的横截面包括内芯区1、纤芯区2、包层区3以及两个第一应力区4,上述内芯区1为椭圆形,上述纤芯区2为椭圆环形并环绕在上述内芯区1的外侧,上述纤芯区2的内轮廓与上述内芯区1的外轮廓相切,上述包层区3环绕在上述纤芯区2外侧,上述两个第一应力区4设于上述包层区3上并相对上述纤芯区2的短轴轴对称布置,上述内芯区1和上述包层区3的折射率均小于上述纤芯区2的折射率;
上述低色散保偏少模光纤的横截面还包括第二应力区5,上述第二应力区5设于上述纤芯区2与上述包层区3之间,上述第二应力区5的内轮廓与上述纤芯区2的外轮廓相切,上述第二应力区5不是与上述纤芯区2同心共轴且同椭圆率的椭圆环形,上述内芯区1和上述包层区3的折射率均大于上述第二应力区5的折射率,上述两个第一应力区4的折射率均小于上述第二应力区5的折射率。
上文中,第二应力区可能是一个环形,也可能是分布在纤芯区不同侧的多个区域,当上述第二应力区为环形时,第二应力区的内轮廓为与纤芯区的外轮廓相切的椭圆形,第二应力区的外轮廓可以为圆形或矩形或椭圆形等常规形状,当第二应力区的外轮廓为椭圆形时,第二应力区的内轮廓与外轮廓不同心或不共轴(长轴不在同一直线上,短轴不在同一直线上)或椭圆率不同,以使第二应力区沿纤芯区的径向的尺寸不是处处相同。第二应力区实质为不规则的形状,紧紧包围纤芯的第二应力区通过光弹性效应,为光纤产生各向异性做出关键贡献,达到消除模式简并的目的,有望在大容量短距离传输的光互联网络中发挥价值,本发明运用椭圆环形纤芯引入几何双折射并利用第一应力区和第二应力区引入应力双折射,使得光纤中传输的各个模式有效分离,相邻模有效折射率差最小值大于10-4,可消除MIMO的使用,简化光互联网络系统。本发明的低色散保偏少模光纤通过将纤芯设置为椭圆环形以引入几何双折射,并通过添加第一应力区和第二应力区来进一步增大双折射,从而实现相邻各导模之间有效折射率差大于10-4的目的。
本实施例中优选的实施方式,上述第二应力区5的内轮廓为与上述纤芯区2的外轮廓相切的椭圆形,上述第二应力区5的外轮廓为与上述纤芯区2的外轮廓同心且相离的圆形。
本实施例中优选的实施方式,上述纤芯区2的半长轴bx为5.06um,上述第一应力区4的半径为20um,上述第一应力区4的圆心距离上述包层区3的中心的距离Λ为26.06um,上述第二应力区5的外轮廓r的半径为5.06um-5.52um。
本实施例中优选的实施方式,上述内芯区1和上述纤芯区2的椭圆率bx/by或ax/ay均为1.4,上述内芯区1与上述纤芯区2的半长轴之比和半短轴之比ax/bx或ay/by均为0.67。
本实施例中优选的实施方式,上述包层区3的外轮廓为圆形,其半径R为62.5um。
本实施例中优选的实施方式,上述纤芯区2的折射率为1.478。上述纤芯区2折射率最高,材料为掺二氧化锗的二氧化硅。通过在二氧化硅材料中掺杂二氧化锗来提高纤芯折射率到1.478,使得光纤中传输的模式达到十个,改变结构尺寸大小可达十四个,并能够实现良好的保偏性能和较小的色散。
本实施例中优选的实施方式,上述内芯区1和上述包层区3均为纯二氧化硅,二者的折射率相同,均为1.444。
本实施例中优选的实施方式,上述第二应力区5的折射率为1.428。上述第二应力区5的折射率略低于包层区3的折射率,是掺三氧化二硼的二氧化硅材料。
本实施例中优选的实施方式,上述两个第一应力区4均为圆形的气孔应力区,二者的折射率相同,均为1。
本实施例1中的低色散保偏少模光纤可以实现如下效果:
1)第二应力区半径D/2在5.06um和5.52um范围内变化时,在C波段光纤传输的模式数量都可达十个,说明本发明光纤结构在制作过程中允许误差存在,具有一定的工艺鲁棒性;
2)第二应力区半径固定为5.12um,光纤在1550nm处的模场分布图如附图3,可以看出模式能够保持较好的偏振特性;
3)第二应力区半径固定为5.12um,光纤在1550nm处各个模式的有效折射率neff以及有效折射率差Δneff如表1所示。显然,相邻模式间最小有效折射率差值为1.24×10-4,该值大于10-4。因此,各个模式之间不会发生能量耦合而出现串扰,传输系统可以消除MIMO技术的使用;
表1:有效折射率neff以及有效折射率差Δneff
4)在C波段模式色散曲线如图4所示,色散值在-40.6至6.6ps/nm/km范围内,可见其具有较小色散,适合大容量短距离光互联网络的传输。
实施例2
参见图1、图2以及图5,如其中的图例所示,其余与实施例1相同,不同之处在于,上述纤芯区的半长轴为5.56um,上述第一应力区的半径为22um,上述第一应力区的圆心距离上述包层区的中心的距离为27.9um,上述第二应力区的外轮廓的半径为5.56um。上述内芯区与上述纤芯区的半长轴之比和半短轴之比均为0.6。
本实施例2的低色散保偏少模光纤可以实现如下效果:
1)在C波段光纤所传输的模式可以达到十四个,在波长为1550nm处,前十个模式和图3类似,新增的四个模式如图5所示,可见各模式依旧能够保持良好的偏振特性;
2)光纤在1550nm处各个模式的有效折射率neff以及有效折射率差Δneff如表2所示。基模间有效折射率差达到2.21×10-4,相邻模式间有效折射率差值均大于10-4。因此,各个模式之间无简并,能量无耦合,传输系统可以消除MIMO技术的使用;
表2:有效折射率neff以及有效折射率差Δneff
3)在C波段模式色散值在-25.8至22.4ps/nm/km范围内,色散值依旧较小,在大容量短距离光互联网络传输中可以发挥作用。
综上,本发明所述低色散保偏少模光纤在C波段传输的模式数量可达十个最多可至十四个,通过利用几何双折射和应力双折射,使得相邻模式间有效折射率差最小值大于10-4,即各模式无串扰,可消除传输系统中MIMO的使用。与此同时,导模偏振性能较好且色散较小,可为大容量短距离光互联网络传输提供新思路。
以上为对本发明实施例的描述,通过对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不可完全脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种低色散保偏少模光纤,所述低色散保偏少模光纤的横截面包括内芯区、纤芯区、包层区以及两个第一应力区,所述内芯区为椭圆形,所述纤芯区为椭圆环形并环绕在所述内芯区的外侧,所述纤芯区的内轮廓与所述内芯区的外轮廓相切,所述包层区环绕在所述纤芯区外侧,所述两个第一应力区设于所述包层区上并相对所述纤芯区的短轴轴对称布置,所述两个第一应力区和所述纤芯区分离设置,所述内芯区和所述包层区的折射率均小于所述纤芯区的折射率;
其特征在于,所述低色散保偏少模光纤的横截面还包括第二应力区,所述两个第一应力区与所述第二应力区分离设置,所述第二应力区设于所述纤芯区与所述包层区之间,所述第二应力区的内轮廓与所述纤芯区的外轮廓相切,所述第二应力区不是与所述纤芯区同心共轴且同椭圆率的椭圆环形,所述内芯区和所述包层区的折射率均大于所述第二应力区的折射率,所述两个第一应力区的折射率均小于所述第二应力区的折射率;
所述第二应力区的内轮廓为与所述纤芯区的外轮廓相切的椭圆形,所述第二应力区的外轮廓为与所述纤芯区的外轮廓同心且相离的圆形;
所述纤芯区的折射率为1.478;
所述内芯区和所述包层区均为纯二氧化硅,二者的折射率相同,均为1.444;
所述第二应力区的折射率为1.428;
所述两个第一应力区均为圆形的气孔应力区,二者的折射率相同,均为1。
2.根据权利要求1所述的低色散保偏少模光纤,其特征在于,所述纤芯区的半长轴为5.06 um,所述第一应力区的半径为20 um,所述第一应力区的圆心距离所述包层区的中心的距离为26.06 um,所述第二应力区的外轮廓的半径为5.06 um-5.52 um。
3.根据权利要求1所述的低色散保偏少模光纤,其特征在于,所述纤芯区的半长轴为5.56 um,所述第一应力区的半径为22 um,所述第一应力区的圆心距离所述包层区的中心的距离为27.9um,所述第二应力区的外轮廓的半径为5.56 um。
4.根据权利要求1所述的低色散保偏少模光纤,其特征在于,所述内芯区和所述纤芯区的椭圆率均为1.4,所述内芯区与所述纤芯区的半长轴之比和半短轴之比均为0.67或所述内芯区与所述纤芯区的半长轴之比和半短轴之比均为0.6。
5.根据权利要求1所述的低色散保偏少模光纤,其特征在于,所述包层区的外轮廓为圆形,其半径为62.5 um。
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