CN115793134A - 一种沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤。所述随机耦合多芯光纤包括外包层以及置于外包层内的n个完全相同的沟槽辅助式的纤芯，12≥n≥2；每个沟槽辅助式的纤芯从内到外依次包括低掺杂纤芯、高掺杂纤芯、内包层和低折射率沟槽辅助层；每个沟槽辅助式的纤芯都仅支持单个模式，即HE₁₁，若考虑偏振态则分为x偏振HE₁₁，y偏振HE₁₁；因此激发的超模阶次与沟槽辅助式的纤芯的数量相同，其余阶次更大的模式截止。内包层和低折射率的沟槽辅助层通过取不同的值组合不仅可以抑制电磁场交叠以减小芯间距、提高纤芯密度，还可以降低由于工艺制备误差引起的超模之间的群速度差异，即增强对工艺制备误差的容忍性。

Description

一种沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤

技术领域

本发明属于光纤通信领域，具体涉及一种槽辅助式的随机耦合多芯光纤。

背景技术

随着人工智能、物联网、云端计算等新兴技术的兴起，人类正在迈入智能化的大数据时代，这导致了通信流量迅速增长，也对光纤传输容量提出了更高的要求。然而，由于有限的最大光纤输入功率和非线性香农极限，基于传统标准单模光纤(Single-Mode Fiber,SMF)的通信系统传输的最大容量被限制在大约100Tb/s，如何实现通信系统升级扩容亟待解决。为了突破SMF的传输容量限制，2010年提出的空分复用(Space DivisionMultiplexing,SDM)技术在不增加光纤光缆铺设面积的同时以提高光纤系统的通信容量。基于SDM的光纤通信传输系统以多芯光纤(Multi-Core Fiber,MCF)和少模光纤(Few-ModeFiber,FMF)作为两种有效手段，自提出后快速成为学术界的研究热点。MCF通过在一个共同包层区中排布多个独立的纤芯，以提供多条空间路径来同时传输多种不同的信号；而FMF利用纤芯中多个不同的正交模式传输信号，使的光纤的传输容量随着模式数量的增长而成倍增加。

应用于SDM的MCF可分为两类。第一类是弱耦合MCF(Weakly-Coupled MCF)，其中每个纤芯都用作单独的波导，因此需要较大的芯间距使得相邻纤芯之间的纤芯间耦合程度足够小、串扰(Crosstalk,XT)足够低。但持续增加MCF中的纤芯数量将会导致光纤由于包层直径过大而失去韧性，因此，如何在有限的包层空间内合理地选取芯间距和纤芯排布方式，使包层容纳尽可能多的纤芯并同时保证较低的芯间串扰是设计MCF的难点。第二种是随机耦合多芯光纤(randomly-coupled MCF)，由于在SDM技术发展前期多芯光纤耦合强度的定义尚未明确，随机耦合多芯光纤在早期也被称之为强耦合多芯光纤(strongly-coupled MCF)或耦合芯多芯光纤(coupled core MCF)。这一类型的MCF通过减小纤芯到纤芯的距离刻意引入串扰而使纤芯之间形成强耦合，同时提高芯密度。特别地，随机耦合MCF是长距离传输中实现较低的、源于模式色散引起的群时延展宽(Group Delay Spread,GDS)的有效方法。在SDM少模传输系统中，模式数目相对于单模变多，模式间的干扰会变强，这就意味着传输模式的复用和解复用会变得更加复杂；同时，不同模式的群速度存在差异会引起模式色散现象；而源于模式色散引起的GDS是限制长距离传输的主要问题之一，因为GDS的幅度决定了多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统接收机的复杂性以及系统的覆盖范围。如果不同纤芯模式之间的耦合很弱(弱耦合状态)，则GDS与传输距离成正比。如果模式耦合很强(强耦合状态)从而激发超模，该超模按照neff降序定义为一阶超模、二阶超模，以此类推。则具有不同群速度的超模之间由于随机弯曲、扭曲等微扰引起的模式随机混合有利于减小GDS，并且使它与传输距离的平方根成正比。公式表示如下：

其中，由于空间模式群速度差异导致的光脉冲展宽的现象被定义为空间模式色散(Spatial Mode Dispersion,SMD)，因此k称为空间模式色散系数(SMD coefficient)，单位为

L为光纤传输距离，单位为km。文献(Journal of Lightwave Technology,29(21):3119-3128,2011)指出在MCF的纤芯之间引入强模式耦合可以减小GDS且在传输过程中按传输距离的二次根式演化。这种耦合是有利的，在直接检测系统中，这可以减少符号间干扰，而在使用相干检测的系统中，这可以减少模式色散的数字补偿所需的时间存储器。文献(Optical Fiber Communication Conference,2019:Th4B.3.)报道了采用7芯随机耦合多芯光纤传输12100km的PDM-QPSK信号的传输实验。其光纤包层直径为125μm，纤芯按正六边形格点排列，纤芯距离为23.5±0.2μm，1550nm处光纤衰耗为0.172dB/km，色散为21.1-21.4ps/nm/km。实验结果表明其传输容量优于同等情况下7根单模光纤可实现总容量。2020年文献(Optical Fiber Communications Conference,IEEE,2020:1-3)报道了通过控制光纤成缆的弯曲与扭转等参数将空间模式色散系数降低至

所述文献验证了随机耦合MCF达到较低GDS的可行性，可以有效地减小长距传输后MIMO系统的接收端数字信号处理过程的计算复杂度以及恢复算法抽头个数，对于长距离传输系统以及无中继传输系统具有良好应用前景。

MCF中，通常期望各个纤芯的模式具备完全一致的群速度以减小GDS。但由于工艺制备误差的存在，即便是同质MCF，光纤制备后不同纤芯间参数会存在微小的波动而引起折射率的变化，使得群速度存在差异，故而导致脉冲展宽，这种现象称为纤芯间偏离(Inter-Core Skew)。为减小群速度差异导致的光脉冲展宽，可以通过减小芯间距引入一定强度的芯间耦合从而激发超模来实现。由于在合适的芯间距下超模之间的群折射率差很小，故群速度差异也会很小；当光纤存在弯曲、扭转等扰动情况下，超模间的随机模态混叠会使超模之间的群速度差异进一步减小，从而减小GDS；在文献(多芯光纤、多芯光纤缆线和多芯光纤传输系统)也中报道了这一类的随机耦合多芯光纤，但其折射率剖面呈阶跃分布，为了达到充分混叠，较大芯间距使得纤芯密度也没有足够高，同时因为工艺制造的存在，其达到的GDS并非最优值；另一方面，即是本发明通过引入沟槽辅助层来调控群折射率差，增强对工艺制备误差的容忍性以最小化GDS；沟槽辅助层的引入还抑制了相邻纤芯之间的电场交叠程度，使得芯间距可以进一步减小，进一步提高纤芯密度；同时，低掺杂纤芯结构的存在增大了模场面积，进一步抑制非线性效应。

发明内容

本发明是为了实现较低的GDS，同时增强纤芯对工艺制备误差的容忍性、提高纤芯密度和进一步抑制光纤的非线性效应，目的在于提出一种基于空分复用技术的沟槽辅助式随机耦合多芯光纤。

本发明提供的一种沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤中，每个沟槽辅助式的纤芯由低掺杂的纤芯、高掺杂的纤芯、内包层和低折射率的沟槽辅助层四部分组成，沟槽辅助式的纤芯置于外包层中；沟槽辅助式的纤芯之间通过设置合适的芯间距形成强耦合以激发超模。通过调节高掺杂的纤芯的相对折射率差、相对尺寸，可以调节超模的模式数量；通过调节低掺杂的纤芯的相对折射率差、相对尺寸，可以调节Aeff增强对非线性效应的抑制；通过调节内包层和低折射率的沟槽辅助层通过取不同的值组合来抑制电磁场的交叠，从而减小芯间距以提高纤芯密度，同时降低由于工艺制备误差引起的纤芯模式之间的群速度差异，即增强对工艺制备误差的容忍性。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：包括外包层以及置于外包层内的n个完全相同的沟槽辅助式的纤芯，12≥n≥2；

每个沟槽辅助式的纤芯从内到外依次包括低掺杂纤芯、高掺杂纤芯、内包层和低折射率沟槽辅助层；

每个沟槽辅助式的纤芯都仅支持单个模式，即HE₁₁，若考虑偏振态则分为x偏振HE₁₁，y偏振HE₁₁；因此激发的超模阶次与沟槽辅助式的纤芯的数量相同，其余阶次更大的模式截止。

进一步地，当纤芯数n≤6，或者n＝8或10时，所有沟槽辅助式的纤芯单层排列，所有沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上；

当纤芯数n＝12时，沟槽辅助式的纤芯以双层排列，第一层的沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上，且第二层的沟槽辅助式的纤芯以距离第一层沟槽辅助式的纤芯相邻芯间距为Dco的位置交错排列；

当纤芯数n＝7、9或11时，一个纤芯设置在外包层的截面几何中心，其余的沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上。

进一步地，外包层和内包层的材料均为熔融石英。

进一步地，低掺杂纤芯、高掺杂纤芯的材料折射率经过掺杂后比外包层的材料折射率高。

进一步地，沟槽辅助层的材料折射率经过掺杂后比外包层的材料折射率低，除了可以进一步束缚模场、抑制电磁场的交叠，还可以调剂不同参数降低由于工艺制备误差引起的超模的群速度差异，即减小ΔNg，增强对工艺制备误差的容忍性。

进一步地，高掺杂纤芯的半径r₁＝4.5±0.1μm，低掺杂纤芯的半径a＝r₁/2，内包层的半径为r₂，沟槽辅助层的宽度为W，沟槽辅助层的半径r₃＝r₂+W；

内包层和低折射率沟槽辅助层通过取不同的半径r₃值和沟槽辅助层的宽度为W值组合，实现不同程度地抑制电磁场的交叠，同时降低由于工艺制备误差引起的纤芯模式之间的群速度差异，即增强对工艺制备误差的容忍性；群速度n_g可表示为：

其中，c为真空中的光速，β为传播常数，ω为角频率；纤芯模式的群速度差异则表示为两个纤芯模式之间的群速度之差，记为ΔNg，即ΔNg＝n_g1－n_g2，n_g1和n_g2分别为两个纤芯模式的群速度；

设置内包层的半径r₂和沟槽辅助层的宽度W，记W＝0即无沟槽辅助时的纤芯群速度差的绝对值为|ΔNg₀|；改变r₂和W(W≠0)的值时，会改变沟槽辅助式的纤芯的群速度n_g和对应差的绝对值|ΔNg|，r₂和W的取值范围是使|ΔNg|＜|ΔNg₀|时的参数范围，r₂和W最好的参数选择是在该参数范围中使得|ΔNg|＝0的参数点；

不同的工艺制造误差下，纤芯模式之间的|ΔNg|较大，通过r₂和W的参数组合实现对|ΔNg|的调控，减小模式之间的群速度差异，从而降低群时延展宽GDS。

进一步地，低掺杂纤芯和高掺杂纤芯通过掺杂改变材料折射率来控制光纤归一化频率从而调控纤芯能支持的模式数量，同时低掺杂纤芯的存在能够使得模场面积增大，进而增强对光纤非线性效应的抑制力；

低掺杂纤芯与外包层的相对折射率差为Δ₂、高掺杂纤芯与外包层的相对折射率差为Δ₁；沟槽辅助层与外包层的相对折射率差为Δ_tr；其中Δ₁＝0.35±0.01％，Δ₂＝Δ₁/2，Δ_tr＝-0.7±0.01％；

通过增大(减小)r₁、Δ₁的值增加(减少)超模的模式数量，且需要保持沟槽辅助式的纤芯的单模条件；通过增大a、减小Δ₂的值可以在原Aeff值即a＝0，Δ₂＝Δ₁时的基础上增大模场面积Aeff以增强对非线性效应的抑制作用；通过减小r₂、增大W、和Δ_tr的值可以增强对电磁场的束缚作用。

进一步地，类似于单模光纤采用扭转装置降低偏振模色散的方法，采用峰值扭转速率TW＝3turn/m的扭转使随机混叠度足够充分以优化群时延展宽GDS；相邻沟槽辅助式的芯间距Dco在峰值扭转速率TW下存在一个最佳选取范围[D₁，D₂]，芯间距Dco∈[D₁，D₂]，D₂>D₁＞2*r₃；当芯间距Dco非常小，即Dco<D₁时，各阶超模之间的有效折率保持较大的差异，因而可以稳定地独立传播而不发生能量混叠，类似于少模传输系统，超模的群时延展宽值随传输距离成线性增长；

当Dco非常大，即Dco>D₂时,纤芯之间的能量混叠较弱，每个纤芯被视为一个独立的波导，超模也没有被激发，属于弱耦合多芯光纤的范畴，超模的群时延展宽值随传输距离成线性增长；

只有当芯间距适中，即Dco∈[D₁，D₂]时，不仅能使得纤芯之间保持一定强度的耦合以激发超模，还能使得超模之间的有效折率差减小、能够充分地随机混叠，从而使超模的群时延展宽值随距离的平方根增长；

芯间距最佳选取范围[D₁，D₂]则根据耦合模理论，并使用传输矩阵法的来确定；即各个模式的初始状态A(0)经过传输矩阵T(ω)的变换，转移到了L处的状态变为A(L)，即A(L)＝T(ω)·A(0)，ω为电磁波的角频率；因此用T(ω)定义群延迟算子GDO(ω)为：

群时延展宽GDS的计算式为：

其中N是包含偏振态的超模模式数，τ_i是群延迟算子GDO(ω)的第i个特征值；使用公式(3)对每一个芯间距下的GDS进行评估，得到最小GDS对应的芯间距即为所需的芯间距Dco。

进一步地，较大的外包层的半径r₄会降低光纤的机械可靠性，因此与标准单模光纤一致，r₄＝62.5μm。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本文提出的一种沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，通过调节高掺杂纤芯的相对折射率差、相对尺寸，低折射率的沟槽辅助层的相对位置、相对折射率差、相对尺寸，内包层相对尺寸，可以优化源于模式色散引起的GDS，从而降低接收端MIMO算法复杂度，减少相干检测的系统中模式色散的数字补偿所需的时间存储器。同时，由于低掺杂纤芯的存在，可以增大Aeff，从而增强对非线性效应的抑制力。内包层和低折射率的沟槽辅助层通过取不同的值组合不仅可以抑制电磁场交叠以减小芯间距、提高纤芯密度，还可以降低由于工艺制备误差引起的超模之间的群速度差异，即增强对工艺制备误差的容忍性。

附图说明

图1是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯的横截面及其水平方向的材料折射率分布图；

图2是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯部署的实施例中2芯随机耦合多芯光纤截面图

图3是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯部署的实施例中3芯随机耦合多芯光纤截面图；

图4是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯部署的实施例中4芯随机耦合多芯光纤截面图；

图5是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯部署的实施例中6芯随机耦合多芯光纤截面图；

图6是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯部署的实施例中7芯随机耦合多芯光纤截面图；

图7是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯部署的实施例中8芯随机耦合多芯光纤截面图；

图8是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯部署的实施例中9芯随机耦合多芯光纤截面图；

图9a、图9b和图9c分别是根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯部署的实施例中12芯随机耦合多芯光纤截面图的3种形式示意图；

图10a、图10b、图10c、图10d、图10e、图10f、图10g、图10h、图10i、图10j、图10k分别是不同参数下根据本发明提出的沟槽辅助式的纤芯的群折射率差对内包层半径和沟槽辅助层宽度参数的依赖关系图；

图11是根据本发明实施例中的沟槽辅助式的7芯随机耦合多芯光纤的GDS对芯间距的依赖关系图；

图12是根据本发明实施例中的沟槽辅助式的7芯随机耦合多芯光纤的GDS对传输距离的依赖关系图。

图13是根据本发明实施例中的沟槽辅助式的7芯随机耦合多芯光纤的GDS对弯曲半径的依赖关系图。

图14是本发明采用的正弦调制双向扭转装置对光纤加扭转过程中扭转率对光纤长度的依赖关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。

以图6所示的沟槽辅助式的7芯随机耦合多芯光纤为例，在附图中相同的附图标记指代相同的部件，不再进行重复说明。

实施例：

一种沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，如图6所示，包括外包层5以及置于外包层5内的7个完全相同的沟槽辅助式的纤芯；

如图1所示，每个沟槽辅助式的纤芯从内到外依次包括低掺杂纤芯1、高掺杂纤芯2、内包层3和低折射率沟槽辅助层4；

低掺杂纤芯1和高掺杂纤芯2通过掺杂改变材料折射率来控制光纤归一化频率从而调控纤芯能支持的模式数量，同时低掺杂纤芯1的存在能够使得模场面积Aeff增大，进而增强对光纤非线性效应的抑制力；

每个沟槽辅助式的纤芯都仅支持单个模式，即HE₁₁，若考虑偏振态则分为x偏振HE₁₁，y偏振HE₁₁；因此激发的超模阶次与沟槽辅助式的纤芯的数量相同，其余阶次更大的模式截止；

内包层3和低折射率沟槽辅助层4通过取不同的半径值和沟槽宽度值组合，实现不同程度地抑制电磁场的交叠，同时降低由于工艺制备误差引起的纤芯模式之间的群速度差异，即增强对工艺制备误差的容忍性；群速度n_g可表示为：

其中，C为真空中的光速，β为传播常数，ω为角频率；纤芯模式的群速度差异则表示为两个纤芯模式之间的群速度之差，记为ΔNg，即ΔNg＝n_g1－n_g2，n_g1和n_g2分别为两个纤芯模式的群速度。

如图6和图8所示，当纤芯数n＝7、9或11时，一个纤芯设置在外包层5的截面几何中心，其余的沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层5的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上。

本实施例中，7个沟槽辅助式的纤芯，其中一个设置于外包层5的截面几何中心，其余六个纤芯按相邻芯间距为Dco均匀地排布在一个圆上，且其余六个纤芯与设置于外包层5的截面几何中心的纤芯之间的距离为Dco。

本实施例中，外包层5和内包层3的材料均为熔融石英。低掺杂纤芯1、高掺杂纤芯2的材料折射率经过掺杂后比外包层5的材料折射率高。沟槽辅助层4的材料折射率经过掺杂后比外包层5的材料折射率低，除了可以进一步束缚模场、抑制电磁场的交叠，还可以调剂不同参数降低由于工艺制备误差引起的超模的群速度差异，即减小ΔNg，增强对工艺制备误差的容忍性；

高掺杂纤芯2的半径r₁＝4.5±0.1μm，低掺杂纤芯1的半径a＝2.25±0.1μm，内包层3的半径r₂，沟槽辅助层4的宽度W，沟槽辅助层4的半径r₃。

本实施例中，图10a、图10b、图10c、图10d、图10e、图10f、图10g、图10h、图10i、图10j、图10k是沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤的群折射率差对内包层和沟槽辅助层参数的依赖关系图。其中r₁＝4.5μm，Δ₁＝0.35±0.01％，Δ₂＝0.175±0.01％，Δ_tr＝-0.70±0.01％。图10a、图10b、图10c、图10d、图10e、图10f、图10g、图10h、图10i、图10j和图10k中的黑色点线、虚线、实线分别表示工艺制备误差为0.5％、1.0％、1.5％所引起的超模之间群折射率差ΔNg。可以看到，在r₂/r₁的不同的取值下，改变W/r₁的比值，ΔNg随之改变。当W/r₁＝0时，即表示纤芯没有沟槽辅助，此时的超模之间群折射率差记为ΔNg₀；如图10a、图10b、图10c、图10d、图10e、图10f、图10g、图10h、图10i、图10j、图10k所示，通过改变r₂/r₁、W/r₁的取值可以得到比ΔNg₀小的ΔNg。本实施例的设计点为图10d中r₂/r₁＝1.5，W/r₁＝0.38，即(r₂，W)＝(6.75μm，1.71μm)。

本实施例中，利用公式(2)和公式(3)计算每一个芯间距下的GDS，得到图11所示的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤的GDS对芯间距的依赖关系图，考虑的扭转率如图14所示，其中TW＝1、3、5turn/m，σ＝0.3turn/m。从图11可以看出基于给出的纤芯结构参数设计点可以得到合适的芯间距@波长λ＝1550nm，传输距离L＝1km，弯曲半径Rb＝140mm，在此范围内可以使得GDS随传输距离的平方根成正比，即实现更低的GDS。本实施例的设计点为Dco＝22μm。

本实施例中，图12是沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤的GDS对传输距离的依赖关系图。从图12可以看出基于图10a、图10b、图10c、图10d、图10e、图10f、图10g、图10h、图10i、图10j和图10k、图11给出的纤芯结构参数设计点可以保持C+L波段上空间模式色散系数

Rb＝140mm，TW＝3turn/m，σ＝0.3turn/m。

本实施例中，假设光纤是缠绕在固定的光纤盘上，即弯曲半径Rb＝140mm，而在实际使用条件下或者光纤盘尺寸不同，由于光纤的强弯曲(小弯曲)或弱弯曲(大弯曲，近似笔直)改变，其性能会有所变化，因此，图14展示了沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤的GDS对Rb的依赖关系图，其中模拟传输距离L＝1km，λ＝1550nm，TW＝3turn/m，σ＝0.3turn/m。从图14中可以看出，GDS并不是随着Rb的增大而单方向地减小，而是存在一个最佳的波导弯曲条件；由此可知，若想要进一步优化GDS不仅需要考虑光纤结构参数，还需要考虑波导的弯曲条件。

在上述实施例中，在外包层中放置的沟槽辅助式的纤芯数为7，但纤芯数可以是2及2以上的任意整数。

实施例2：

本实施例中，如图2、图3、图4、图5、图7所示，当纤芯数n≤6，或者n＝8或10时，所有沟槽辅助式的纤芯单层排列，所有沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层5的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上。

实施例3：

本实施例中，如图9a、图9b和图9c所示，当纤芯数n＝12时，沟槽辅助式的纤芯以双层排列，第一层的沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层5的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上，且第二层的沟槽辅助式的纤芯以距离第一层沟槽辅助式的纤芯相邻芯间距为Dco的位置交错排列。

其中图9a的第一层3个纤芯排布在一个以外包层的截面几何中心为圆心、相邻芯间距为Dco的圆上，第二层9个纤芯排布在距离第一层的纤芯距为Dco并且第二层纤芯之间相邻间距同样为Dco的圆上，第一、二层的圆为同心圆，第一层的任一纤芯与距离其最近的第二层的相邻两个纤芯呈等边三角形；图9b第一层6个纤芯排布在一个以外包层的截面几何中心为圆心、相邻芯间距为Dco的圆上，第二层6个纤芯排布在距离第一层的纤芯距为Dco的圆上，第一、二层的圆为同心圆，且第二层的任一纤芯与距离其最近的第一层的相邻两个纤芯呈等边三角形；图9c的第一层3个纤芯排布在一个以外包层的截面几何中心为圆心、相邻芯间距为Dco的圆上，第二层由三条边构成，且每条边上排布3个纤芯，每条边上的相邻芯间距同为Dco，第一层的任一纤芯与第二层距离其最近的相邻两个纤芯呈变成为Dco的等边三角形。

如图13所示，同理，设计点r₂/r₁＝1.5，W/r₁＝0.38也仅为一个取值特例，其取值可以是图中其他使得|ΔNg|＜|ΔNg₀|的任意取值。不同的纤芯数量和设计点取值的不同对应选取的芯间距范围[D₁，D₂]也不同，得到的GDS对传输距离L和弯曲半径Rb的依赖特性也有差异，但取值及计算过程与上述实施例仅是方法的简单重复，没有本质上的区别，故不再进行重复说明。

以上的实施例仅用以说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，其中，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：包括外包层(5)以及置于外包层(5)内的n个完全相同的沟槽辅助式的纤芯，12≥n≥2；

每个沟槽辅助式的纤芯从内到外依次包括低掺杂纤芯(1)、高掺杂纤芯(2)、内包层(3)和低折射率沟槽辅助层(4)；

每个沟槽辅助式的纤芯都仅支持单个模式，即HE₁₁，若考虑偏振态则分为x偏振HE₁₁，y偏振HE₁₁；因此激发的超模阶次与沟槽辅助式的纤芯的数量相同，其余阶次更大的模式截止。

2.根据权利要求1所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：当纤芯数n≤6，或者n＝8或10时，所有沟槽辅助式的纤芯单层排列，所有沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层(5)的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上；

当纤芯数n＝12时，沟槽辅助式的纤芯以双层排列，第一层的沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层(5)的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上，且第二层的沟槽辅助式的纤芯以距离第一层沟槽辅助式的纤芯相邻芯间距为Dco的位置交错排列；

当纤芯数n＝7、9或11时，一个纤芯设置在外包层(5)的截面几何中心，其余的沟槽辅助式的纤芯均匀排布在一个以外包层(5)的截面几何中心为圆心、相邻沟槽辅助式的纤芯之间的芯间距为Dco的圆上。

3.根据权利要求1所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：外包层(5)和内包层(3)的材料均为熔融石英。

4.根据权利要求1所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：低掺杂纤芯(1)、高掺杂纤芯(2)的材料折射率经过掺杂后比外包层(5)的材料折射率高。

5.根据权利要求1所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：沟槽辅助层(4)的材料折射率经过掺杂后比外包层(5)的材料折射率低。

6.根据权利要求1所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：高掺杂纤芯(2)的半径r₁＝4.5±0.1μm，低掺杂纤芯(1)的半径a＝r₁/2，内包层(3)的半径为r₂，沟槽辅助层(4)的宽度为W，沟槽辅助层(4)的半径r₃＝r₂+W；

通过取不同的半径r₃值和沟槽辅助层(4)的宽度W值组合，内包层(3)和沟槽辅助层(4)实现不同程度地抑制电磁场的交叠，同时降低由于工艺制备误差引起的纤芯模式之间的群速度差异，即增强对工艺制备误差的容忍性；群速度n_g可表示为：

其中，c为真空中的光速，β为传播常数，ω为角频率；纤芯模式的群速度差异则表示为两个纤芯模式之间的群速度之差，记为ΔNg，即ΔNg＝n_g1－n_g2，n_g1和n_g2分别为两个纤芯模式的群速度。

7.根据权利要求6所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：设置内包层(3)的半径r₂和沟槽辅助层(4)的宽度W，记W＝0即无沟槽辅助时的纤芯群速度差的绝对值为|ΔNg₀|；W≠0时，改变r₂和W的值时，会改变沟槽辅助式的纤芯的群速度n_g和对应差的绝对值|ΔNg|，r₂和W的取值范围是使|ΔNg|＜|ΔNg₀|时的参数范围，r₂和W最好的参数选择是在该参数范围中使得|ΔNg|＝0的参数点；

不同的工艺制造误差下，纤芯模式之间的|ΔNg|较大，通过r₂和W的参数组合实现对|ΔNg|的调控，减小模式之间的群速度差异，从而降低群时延展宽GDS。

8.根据权利要求7所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：低掺杂纤芯(1)和高掺杂纤芯(2)通过掺杂改变材料折射率来控制光纤归一化频率从而调控纤芯能支持的模式数量，同时低掺杂纤芯(1)的存在能够使得模场面积增大，进而增强对光纤非线性效应的抑制力；

低掺杂纤芯(1)与外包层(5)的相对折射率差为Δ₂、高掺杂纤芯(2)与外包层(5)的相对折射率差为Δ₁；沟槽辅助层(4)与外包层(5)的相对折射率差为Δ_tr；其中Δ₁＝0.35±0.01％，Δ₂＝Δ₁/2，Δ_tr＝-0.7±0.01％；

通过改变r₁和Δ₁的值改变超模的模式数量，且需要保持沟槽辅助式的纤芯的单模条件；通过增大a、减小Δ₂的值，在原Aeff值即a＝0，Δ₂＝Δ₁时的基础上增大模场面积Aeff以增强对非线性效应的抑制作用；通过减小r₂和Δ_tr、增大W的值，增强对电磁场的束缚作用。

9.根据权利要求8所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：采用峰值扭转速率TW＝3turn/m的扭转使随机混叠度足够充分以优化群时延展宽GDS；相邻沟槽辅助式的芯间距Dco在峰值扭转速率TW下存在一个最佳选取范围[D₁，D₂]，芯间距Dco∈[D₁，D₂]，D₂>D₁＞2*r₃；

芯间距最佳选取范围[D₁，D₂]则根据耦合模理论，并使用传输矩阵法的来确定；即各个模式的初始状态A(0)经过传输矩阵T(ω)的变换，转移到了L处的状态变为A(L)，即A(L)＝T(ω)·A(0)，ω为电磁波的角频率；因此用T(ω)定义群延迟算子GDO(ω)为：

群时延展宽GDS的计算式为：

其中，N是包含偏振态的超模模式数，τ_i是群延迟算子GDO(ω)的第i个特征值；使用公式(3)对每一个芯间距下的GDS进行评估，得到最小GDS对应的芯间距即为所需的芯间距Dco；j应该是虚数符号。

10.根据权利要求1～9任一项所述的沟槽辅助式的随机耦合多芯光纤，其特征在于：外包层(5)的半径r₄＝62.5μm。

Images