CN115453684A - 一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤通信技术领域，公开了一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，从内至外依次包括中心芯层、环形芯层、环形内包层、环形下陷层和外包层；中心芯层的半径为2.5～5.0μm，相对折射率差为‑0.1％～0.1％；环形芯层的半径为8～10μm，相对折射率差为0.40％～0.75％；环形内包层的半径为11.0～12.5μm，相对折射率差为‑0.1％～0.1％；环形下陷层的半径为13.5～17.0μm，相对折射率差为‑0.45％～‑0.35％。本发明提供的OAM光纤各阶模式的弯曲性能好，能支持长距离信号传输。

Description

一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤。
背景技术
近年来，随着云计算、大数据、移动互联网的兴起，具有高效服务器间协同以及数据处理能力的数据中心，成为了明显的信息总量和信息密度增长热点，从而对数据中心互连通信速率的提升提出迫切要求。由于数据中心互连通信呈现出设备数量众多、布线复杂、接口密度大等特点，仅仅依靠提高器件调制带宽，增加光纤链路或者具有不同稳定波长输出光源的数量，势必会增加系统运行或维护的成本、功耗、复杂度等，因此，采用新的调制/复用方式增加有限带宽情况下单光纤/波长的传输速率，被看作是提升数据中心互连速率的有效解决方案。
而实际光纤系统中，受限于系统信噪比，以及光纤非线性等因素，高阶调制及偏振复用技术扩容能力仍然有限，对满足下一代数据中心互连通信，如800GE，1TE，甚至是1.6TE，仍然具有较大的挑战。而基于多芯光纤或者多模光纤的空分复用(SDM)技术，因光纤的模式、空间维度上具有较大的扩展潜力，且可以高阶调制格式和偏振复用技术兼容，因此可以大幅提升单光纤/波长的通信容量。此外，根据斯坦福大学的Miller和Kahn基于香农定理提出的一个理念，对于功耗要求较高的通信系统，应尽可能采用更多的空间信道，而相对减少每个空间信道的通信容量。因此，采用多空间信道的SDM技术，在不增加光纤链路数量的基础上，理论上单位功耗可以实现更高的传输容量。
空分复用和模分复用技术可以打破传统的香农极限，实现更高带宽的传输，基于少模光纤的空分复用技术在提升单纤通信系统传输容量方面展示了巨大潜力，数十倍的容量提升已经成为可能，为解决未来光通信系统容量瓶颈问题提供了有效途径。光子轨道角动量(以下简称“OAM”)光纤是少模光纤中的一种，基于OAM模式实现单光纤模分复用多信道传输是近年提出的大幅度扩充光纤通信信息容量的新方法。但是，与传统单模光纤相比，由于OAM光纤剖面层数较多，芯径较大，光纤的宏弯与微弯性能较差，限制了光纤在长距离通讯领域的使用。如何改善OAM光纤的弯曲性能是本领域需要解决的一个技术问题。
发明内容
本发明通过提供一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，解决现有技术中光子轨道角动量光纤的弯曲性能较差的问题。
本发明提供一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，从内至外依次包括中心芯层、环形芯层、环形内包层、环形下陷层和外包层；所述中心芯层的半径r1为2.5～5.0μm，所述中心芯层与所述外包层的相对折射率差Δ1为-0.1％～0.1％；所述环形芯层的半径r2为8～10μm，所述环形芯层与所述外包层的相对折射率差Δ2为0.40％～0.75％；所述环形内包层的半径r3为11.0～12.5μm，所述环形内包层与所述外包层的相对折射率差Δ3为-0.1％～0.1％；所述环形下陷层的半径r4为13.5～17.0μm，所述环形下陷层与所述外包层的相对折射率差Δ4为-0.45％～-0.35％。
优选的，所述外包层的半径r5为62.0-62.5μm，所述外包层为纯二氧化硅层。
优选的，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤还包括依次涂覆在所述外包层上的内涂覆层和外涂覆层；所述内涂覆层的直径为170～200μm，所述外涂覆层的直径为235～255μm。
优选的，所述内涂覆层的直径为180～190μm，所述外涂覆层的直径为240～250μm。
优选的，所述内涂覆层的杨氏模量小于1MPa，固化度为90％～95％；所述外涂覆层的杨氏模量大于1000MPa，固化度为95％～99％。
优选的，所述内涂覆层的杨氏模量为0.5Mpa，所述外涂覆层的杨氏模量为1200Mpa。
优选的，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在C波段上支持4个OAM模式组的传播：OAM-0阶、OAM-±1阶、OAM-±2阶和OAM-±3阶。
优选的，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在波长1550nm处，各阶模式的衰耗均小于或等于0.23dB/km。
优选的，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在波长1550nm处，各阶模式的微弯损耗小于或等于1dB/km。
优选的，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈，各阶模式的宏弯损耗等于或小于0.03dB。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤从内至外依此包括中心芯层、环形芯层、环形内包层、环形下陷层和外包层，通过对光纤各层剖面半径和相对折射率差的合理设计，尤其是通过设置中间下陷的环形下陷层，能够使光纤各模式的宏弯较小。此外，在优化光纤宏弯性能基础上本发明还对OAM光纤的涂覆工艺进行优化，通过对涂覆层的厚度(即直径)、模量、固化度进行优化，能够改善OAM光纤各模式的微弯性能。综合上述改进，本发明提供的光纤不仅能支持四个模式组的长距离信号传输，衰减低，而且光纤各模式的宏弯和微弯损耗等综合性能好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤的径向剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤的折射率剖面图。
具体实施方式
为方便介绍本发明内容，首先定义部分术语：
半径r：该层外边界与光纤中心点之间的距离。
折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其半径之间的关系。
相对折射率差：Δ％＝[(ni 2-n0 2)/2ni 2]×100％≈(ni-n0)/n0×100％，ni和n0分别为各对应光纤各部分的折射率和外包层纯二氧化硅玻璃的折射率。
光纤的玻璃部分指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。
宏弯附加损耗测试方法参考IEC60793-1-47中规定的方法。
微弯损耗测试方法参考IEC TR 62221中规定的方法。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，参见图1，图2，从内至外依次包括中心芯层、环形芯层、环形内包层、环形下陷层和外包层；所述中心芯层的半径r1为2.5～5.0μm，所述中心芯层与所述外包层的相对折射率差Δ1为-0.1％～0.1％；所述环形芯层的半径r2为8～10μm，所述环形芯层与所述外包层的相对折射率差Δ2为0.40％～0.75％；所述环形内包层的半径r3为11.0～12.5μm，所述环形内包层与所述外包层的相对折射率差Δ3为-0.1％～0.1％；所述环形下陷层的半径r4为13.5～17.0μm，所述环形下陷层与所述外包层的相对折射率差Δ4为-0.45％～-0.35％；所述外包层的半径r5为62.0-62.5μm，所述外包层为纯二氧化硅层。
所述中心芯层、所述环形芯层和所述环形内包层均为掺锗或锗氯共掺的二氧化硅玻璃层，所述环形下陷层为掺氟的二氧化硅玻璃层。
此外，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤还包括依次涂覆在所述外包层上的内涂覆层和外涂覆层，即光纤玻璃部分上面依次是内涂覆层与外涂覆层。所述内涂覆层的直径为170～200μm，杨氏模量小于1MPa，固化度为90％～95％；所述外涂覆层的直径为235～255μm，杨氏模量大于1000MPa，固化度为95％～99％。
优选的方案中，所述内涂覆层的直径为180～190μm，杨氏模量为0.5Mpa；所述外涂覆层的直径为240～250μm，杨氏模量为1200Mpa。
所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在C波段上支持4个OAM模式组的传播：OAM-0阶、OAM-±1阶、OAM-±2阶和OAM-±3阶。
所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在波长1550nm处，各阶模式的衰耗均小于或等于0.23dB/km，各阶模式的微弯损耗小于或等于1dB/km。
所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈，各阶模式的宏弯损耗等于或小于0.03dB。
按照上述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤的技术方案，在其规定的范围内对光纤的参数进行设计，生产的光纤折射率剖面结构的主要参数如表1所示，所制备的光纤主要性能参数如表2所示。
表1光纤折射率剖面结构的主要参数
实施例1 实施例2 实施例3
r1(um) 3 3.5 4.3
r2(um) 8.2 8.8 9.5
r3(um) 11.3 11.7 12.2
r4(um) 13.8 15.1 16.2
r5(um) 62.5 62.3 62.5
Δ1(％) 0 0 0
Δ2(％) 0.68 0.55 0.43
Δ3(％) 0 0 0
Δ4(％) -0.38 -0.41 -0.39
表2光纤的主要性能参数
Figure BDA0003810873440000051
可见本发明在保证光纤C波段上支持4个OAM模式组的传播同时，四个模式的衰耗、宏弯及微弯性能都很好，适用于长距离干线通讯。
本发明实施例提供的一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤至少包括如下技术效果：
1、通过对光纤各层剖面的合理设计，尤其是通过设置中间下陷的环形下陷层，使得光纤各模式的宏弯较小。
2、在优化光纤宏弯性能基础上优化涂覆层厚度、模量与固化度，优化了光纤各模式的微弯性能。
3、本发明的光纤四个模式组的衰耗等综合性能参数在应用波段良好，可使用空分复用技术，进行四个模式组的长距离信号传输。
4、相对于光纤结构存在大量圆形空气孔的现有OAM光纤存在制备方法复杂，拉丝困难，光纤几何不稳定，难以产出质量稳定的长盘光纤，不利于用于长途干线通讯的批量生产的情况，本发明由于采用阶跃型芯层结构，因此在光纤制备上可采用PCVD技术沉积芯棒，然后套外套管进行拉丝得到，本发明不仅便于制造和生产，而且也降低了生产成本。有利于实现具有高距离容量积、低实现成本、低复杂度的OAM模分复用通信系统，助力下一代数据中心光纤互连通信系统的升级。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，从内至外依次包括中心芯层、环形芯层、环形内包层、环形下陷层和外包层；所述中心芯层的半径r1为2.5～5.0μm，所述中心芯层与所述外包层的相对折射率差Δ1为-0.1％～0.1％；所述环形芯层的半径r2为8～10μm，所述环形芯层与所述外包层的相对折射率差Δ2为0.40％～0.75％；所述环形内包层的半径r3为11.0～12.5μm，所述环形内包层与所述外包层的相对折射率差Δ3为-0.1％～0.1％；所述环形下陷层的半径r4为13.5～17.0μm，所述环形下陷层与所述外包层的相对折射率差Δ4为-0.45％～-0.35％。
2.根据权利要求1所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，所述外包层的半径r5为62.0-62.5μm，所述外包层为纯二氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，还包括依次涂覆在所述外包层上的内涂覆层和外涂覆层；所述内涂覆层的直径为170～200μm，所述外涂覆层的直径为235～255μm。
4.根据权利要求3所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，所述内涂覆层的直径为180～190μm，所述外涂覆层的直径为240～250μm。
5.根据权利要求3所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，所述内涂覆层的杨氏模量小于1MPa，固化度为90％～95％；所述外涂覆层的杨氏模量大于1000MPa，固化度为95％～99％。
6.根据权利要求5所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，所述内涂覆层的杨氏模量为0.5Mpa，所述外涂覆层的杨氏模量为1200Mpa。
7.根据权利要求1所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在C波段上支持4个OAM模式组的传播：OAM-0阶、OAM-±1阶、OAM-±2阶和OAM-±3阶。
8.根据权利要求1所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在波长1550nm处，各阶模式的衰耗均小于或等于0.23dB/km。
9.根据权利要求1所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在波长1550nm处，各阶模式的微弯损耗小于或等于1dB/km。
10.根据权利要求1所述的弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤，其特征在于，所述弯曲不敏感阶跃型轨道角动量光纤在波长1550nm处，R15mm弯曲半径弯曲10圈，各阶模式的宏弯损耗等于或小于0.03dB。
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