CN116047654A - 一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤 - Google Patents

一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤 Download PDF

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CN116047654A CN202310055222.2A CN202310055222A CN116047654A CN 116047654 A CN116047654 A CN 116047654A CN 202310055222 A CN202310055222 A CN 202310055222A CN 116047654 A CN116047654 A CN 116047654A
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Abstract

本发明公开了一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，包括光纤本体，所述光纤本体包括环形纤芯和套于所述环形纤芯内外的光纤包层，所述光纤包层包括位于环形纤芯内部的圆形区域和位于环形纤芯外部的外光纤包层。本发明旨在提供可行的抑制四波混频的光纤结构，以满足多个轨道角动量模式低色散传输的需求。

Description

一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤。
背景技术
当光在光纤中传输时，光纤的非线性效应是限制其传输质量的一大障碍，在波分复用系统中，四波混频产生的新波长会影响信噪比，产生信道间的串扰。
要想使非线性效应损失最小化，提升光纤性能，需要使用在1550nm处保留一定色散的非零色散位移光纤，在1550nm窗口保留的适量色散通过增加相位失配来减小四波混频效应。对于应用于光纤通信中的轨道角动量模式，光纤内作为不同信道的多个轨道角动量模式在1550nm窗口处都应保留适量的色散，以减少非线性效应损失。
目前没有同时适用于多个轨道角动量模式的非零色散位移光纤设计。以往的发明设计中，适用于多个轨道角动量模式的光纤设计，以《一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤》(申请(专利)号：CN202011082327.X)为例，并不能保证在其光纤中的多个轨道角动量模式具有低色散属性；满足非零色散位移光纤要求的光纤设计，以《低色散斜率大有效面积的非零色散位移光纤》(申请(专利)号：CN202110979257.6)、《一种涡旋光非零色散位移光纤》(申请(专利)号：CN202010977893.0)为例，前者无法支持轨道角动量模式，后者无法支持如本发明中的多个轨道角动量模式的低色散属性。
发明内容
为了克服以上现有技术存在的问题，本发明提出一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，旨在提供可行的抑制四波混频的光纤结构，以满足多个轨道角动量模式低色散传输的需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，包括光纤本体，所述光纤本体包括环形纤芯1和套于所述环形纤芯1内外的光纤包层，所述光纤包层包括位于环形纤芯1内部的圆形区域2和位于环形纤芯1外部的外光纤包层3。
所述圆形区域2折射率n1、环形纤芯1区域折射率n2、环外光纤包层3的折射率n3；
所述圆形区域2折射率n1、环形纤芯1区域折射率n2和环外光纤包层3的折射率n3之间满足n1、n3的值小于n2的值。
所述环形纤芯1区域折射率n2为渐变的折射率；所述环形纤芯1区域内渐变的折射率均大于其它区域，折射率分布满足n1≤n3<n2。
所述光纤本体的材料在满足上述折射率分布情况下为二氧化硅、掺锗二氧化硅的材料的组合，所述环形纤芯1区域的渐变折射率n2满足以下等式：
Figure BDA0004060365690000021
其中，r是距所述光纤中心的距离，α是折射率分布参数，whalf是环形纤芯1区域的半宽度,R0是环形纤芯1区域内二氧化硅锗掺杂的最大浓度位置，ncenter是环形纤芯1区域内二氧化硅锗掺杂的最大浓度位置处的折射率。
所述光纤本体的材料的选取为，所述圆形区域2及外光纤包层3材料为二氧化硅，环形区域材料为二氧化锗掺杂浓度渐变的掺锗二氧化硅，最大掺锗摩尔浓度为11mol％，环形纤芯1区域锗掺杂的最大浓度位置与光纤中心距离为25μm。
所述光纤本体的总体半径62.5μm，圆形区域2半径范围为20μm-55μm，环形纤芯1区域厚度2μm至4μm，外光纤包层3即光纤总体除去圆形区域2、环形纤芯1区域以外的部分。
所述圆形区域2在1550nm折射率范围为1-1.444，环形纤芯1区域在1550nm最大折射率范围为：1.457-1.469，外光纤包层3在1550nm折射率范围为1-1.444。
所述环形纤芯1区域和外光纤包层3区域之间可设置沟槽区域4，当光纤本体设置有沟槽区域4时，光纤本体材料的选取为；
二氧化硅为包层材料，掺锗二氧化硅为高折射率区域材料，掺氟二氧化硅为沟槽材料(对应变体结构1)，由内至外分别为圆形区域2处材料为二氧化硅，环形纤芯1区域处材料为渐变掺杂锗二氧化硅，沟槽区域4处材料为渐变掺杂氟二氧化硅，外光纤包层3区域处材料为二氧化硅，沟槽区域4为环形的折射率低于二氧化硅折射率的区域，以掺氟二氧化硅为材料的沟槽区域4可由改良化学气相沉积法进行掺杂获得。
所述由内而外的圆形区域2、环形纤芯1区域、沟槽区域4、外光纤包层3折射率分别为n1、n2、n3、n4；
所述环形纤芯1区域为折射率渐变的圆环，其折射率大于其它区域，折射率分布满足n3≤n1≤n4<n2，所述光纤材料在满足上述折射率分布情况下可为二氧化硅、掺锗二氧化硅、掺氟二氧化硅材料。
当光纤本体为多个，组成多芯结构时，多个光纤本体以紧密的六边形结构进行排列，多芯结构内多个光纤本体之间的距离、排列层数视多芯结构光纤的最终半径可适当调整。
所述光纤用于抑制四波混频的色散特性，用于抑制非线性效应。
本发明的有益效果：
在本发明的这种结构中，多个轨道角动量模式被限制在环形纤芯1区域内传输，从而提供更大的有效模式面积以减小非线性效应。在一定折射率对比度和结构参数下，光纤的波导色散特性和材料色散特性可以为多个轨道角动量模式提供较低的色散。
圆形区域2在1550nm折射率范围为1-1.444，环形纤芯1区域在1550nm最大折射率范围为：1.457-1.469，环形纤芯1区域折射率系数α范围为1-8，环外光纤包层3在1550nm折射率范围为1-1.444，圆形区域2半径范围为20μm-55μm，环形纤芯1区域厚度2μm至4μm。在以上参数的范围内，传输在本发明光纤设计内的多个轨道角动量模式的色散均可控制在较低的范围，达到了非零色散位移光纤的标准，可以有效减少各个模式随传输不断累积的色散效应，同时抑制四波混频等非线性效应。
本发明的光纤具有能够满足抑制四波混频的需求的色散特性。
附图说明
图1是本发明的单芯结构下的光纤横截面结构及折射率分布示意图，以及多芯结构示意图。
图2是本发明光纤结构中，在R0＝25μm、whalf＝1μm、α＝2、mf＝11mol％光纤结构参数下对应OAM1,1、OAM2,1、OAM3,1、OAM4,1、OAM5,1、OAM6,1、OAM7,1模式的色散随波长的变化。
图3是本发明光纤结构中，在R0＝25μm、whalf＝1μm、α＝2光纤结构参数下，环形纤芯1区域内不同锗掺杂的最大浓度(mf)下OAM1,1、OAM2,1、OAM3,1、OAM4,1、OAM5,1、OAM6,1、OAM7,1模式在1550nm处的色散值的热力图。
图4是本发明光纤结构中，在R0＝25μm、whalf＝1μm、mf＝11mol％光纤结构参数下，不同折射率分布参数(α)下OAM1,1、OAM2,1、OAM3,1、OAM4,1、OAM5,1、OAM6,1、OAM7,1模式在1550nm处的色散值的热力图。
图5是本发明光纤结构中，在whalf＝1μm、α＝2、mf＝11mol％光纤结构参数下，环形纤芯1区域内不同锗掺杂的最大浓度位置(R0)下OAM1,1、OAM2,1、OAM3,1、OAM4,1、OAM5,1、OAM6,1、OAM7,1模式在1550nm处的色散值的热力图。
图6是本发明光纤结构中，在R0＝25μm、α＝2、mf＝11mol％光纤结构参数下，不同环形纤芯1半宽度(whalf)下OAM1,1、OAM2,1、OAM3,1、OAM4,1、OAM5,1、OAM6,1、OAM7,1模式在1550nm处的色散值的热力图。
图7是本发明光纤结构中，以11mol％浓度锗掺杂二氧化硅作为纤芯，R0＝55μm，whalf＝1μm、α＝2光纤结构参数下对应OAM1,1、OAM2,1、OAM3,1、OAM4,1、OAM5,1、OAM6,1、OAM7,1、OAM8,1、OAM9,1、OAM10,1、OAM11,1、OAM12,1、OAM13,1、OAM14,1、OAM15,1模式的色散随波长的变化。
图8是本发明光纤结构中，以11mol％浓度锗掺杂二氧化硅作为纤芯，R0＝55μm，whalf＝1μm、α＝2光纤结构参数下对应OAM1,1、OAM2,1、OAM4,1、OAM8,1、、OAM15,1模式的有效模场面积随波长的变化。
图9是本发明光纤结构中，以11mol％浓度锗掺杂二氧化硅作为纤芯，R0＝55μm，whalf＝1μm、α＝2光纤结构参数下对应OAM1,1、OAM2,1、OAM4,1、OAM8,1、、OAM15,1模式的非线性系数随波长的变化。
图10是本发明的单芯变体结构下的光纤横截面结构及折射率分布示意图，以及多芯变体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤如图1所示，单芯结构时，本发明光纤包括由内而外的圆形区域2、环形纤芯1区域、外光纤包层3，折射率分别为n1、n2、n3。所述环形纤芯1区域为折射率渐变的圆环，其折射率大于其它区域，折射率分布满足n1≤n3<n2，所述光纤本体的材料在满足上述折射率分布情况下可为二氧化硅、掺锗二氧化硅等材料。
所述光纤本体的材料在满足上述折射率分布情况下为二氧化硅、掺锗二氧化硅的材料的组合，所述环形纤芯1区域的渐变折射率n2满足以下等式：
Figure BDA0004060365690000071
其中，r是距所述光纤中心的距离，α是折射率分布参数，whalf是环形纤芯1区域的半宽度,R0是环形纤芯1区域内二氧化硅锗掺杂的最大浓度位置，ncenter是环形纤芯1区域内二氧化硅锗掺杂的最大浓度位置处的折射率。
本发明中，圆形区域2、环形纤芯1区域所指圆形、环形，均指的是其垂直于轴向的截面形状。也即，环形纤芯1区域，是指纤芯的截面为环形，圆形区域2，是指填充于纤芯内环，且截面为圆形。本发明中，圆形区域2应与纤芯内环贴合接触。
本发明中，折射率渐变，指的是光纤本体中环形纤芯1区域的折射率是连续变化的，不同位置的折射率数值随其位置属性中距所述光纤中心的距离r的变化按上述环形纤芯1区域的渐变折射率n2的公式连续分布。
本发明中，非零色散位移光纤，指的是国际电信联盟电信标准分局(ITU-T forITU Telecommunication Standardization Sector)制定的ITU-T G.655国际标准内所定义的，在1530nm至1565nm工作窗口内色散不为零，保持有一个能够抑制四波混频的合适色散系统值的光纤类型。
本实例中，圆形区域2及外光纤包层3材料为二氧化硅，环形纤芯1区域材料为二氧化锗掺杂浓度渐变的掺锗二氧化硅，最大掺锗摩尔浓度为11mol％，环形纤芯1区域锗掺杂的最大浓度位置与光纤中心距离为25μm，上述横截面结构沿光纤的长度方向不变；多芯结构下时，本发明光纤内可包含多个相同的单芯结构。图2为R0＝25μm、whalf＝1μm、α＝2、mf＝11mol％光纤结构参数下OAM1,1、OAM2,1、OAM3,1、OAM4,1、OAM5,1、OAM6,1、OAM7,1模式的色散随波长的变化。从图中可以看到本发明的光纤中七个轨道角动量模式在C波段(1530nm-1565nm)内的色散维持在0ps/nm/km至10ps/nm/km之间，对于OAM1,1至OAM7,1模式，该色散特性能够满足非零色散位移光纤的ITU-TG.655.C标准。
轨道角动量(OAM)模式是光在光纤中传输时的一种独特分布，其中心位置处存在相位奇点，并且奇点处光强为零，光波相位在垂直于传播方向上呈螺旋分布。轨道角动量模式又称相位涡旋光，可以表示为OAMl,m，其中l(l＝±1,±2,±3…)是拓扑电荷数，同时也对应着垂直于传播方向上光波相位的跳变次数，m是对应于轨道角动量模式在径向方向上的强度分布的径向顺序。在光纤中传输的轨道角动量模式可以由光纤的矢量本征模式通过以下关系组成：
Figure BDA0004060365690000081
Figure BDA0004060365690000082
例如当拓扑电荷数为1时，轨道角动量模式由
Figure BDA0004060365690000083
和
Figure BDA0004060365690000084
两种模式线性组合而成
Figure BDA0004060365690000085
轨道角动量模式可作为一种不同于相位、偏振的传输光信息的载体，这意味着轨道角动量模式为信息传输提供了新的维度以及拓展了新的信道。带有不同拓扑电荷数的轨道角动量模式可以用做不同的通信信道，可被用于模分复用技术。
图3至图6分别为调整本发明光纤的环形纤芯1区域内锗掺杂的最大浓度(mf)、折射率分布参数(α)、环形纤芯1区域内锗掺杂的最大浓度位置(R0)、环形纤芯1区域半宽度(whalf)时，对应OAM1,1至OAM7,1模式在1550nm处的色散值热力图。从图中可以看到本发明光纤的多种参数组合均可为多个轨道角动量模式在1550nm处提供较低的满足抑制四波混频需求的色散特性。
图7为R0＝55μm、whalf＝1μm、α＝2、mf＝11mol％光纤结构参数下OAM1,1、OAM2,1、OAM3,1、OAM4,1、OAM5,1、OAM6,1、OAM7,1、OAM8,1、OAM9,1、OAM10,1、OAM11,1、OAM12,1、OAM13,1、OAM14,1、OAM15,1模式的色散随波长的变化。从图中可以看到本发明光纤中十五个轨道角动量模式在C波段(1530nm-1565nm)内的色散维持在0ps/nm/km至10ps/nm/km之间，对于OAM1,1至OAM15,1模式，该色散特性能够满足非零色散位移光纤的ITU-TG.655.C标准,在提供尽可能小的正色散的同时避免到达零色散，进而避免引起如四波混频等非线性效应。
图8为R0＝55μm、whalf＝1μm、α＝2、mf＝11mol％光纤结构参数下OAM1,1、OAM2,1、OAM4,1、OAM8,1、OAM15,1模式的有效模场面积随波长的变化。从图中可以看到本发明光纤中的轨道角动量模式自OAM1,1至OAM15,1在C波段(1530nm-1565nm)内的有效模场面积均在1350mm2以上。
图9为R0＝55μm、whalf＝1μm、α＝2、mf＝11mol％光纤结构参数下OAM1,1、OAM2,1、OAM4,1、OAM8,1、OAM15,1模式的非线性系数随波长的变化。从图中可以看到本发明光纤中的轨道角动量模式自OAM1,1至OAM15,1在C波段(1530nm-1565nm)内的非线性系数均在9×10-2以下，证实本发明光纤设计有效抑制了非线性效应。
图10为本发明基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤的变体，单芯结构时，本发明光纤包括由内而外的圆形区域2、环形纤芯1区域、沟槽区域4、外光纤包层3，折射率分别为n1、n2、n3、n4。所述环形纤芯1区域为折射率渐变的圆环，其折射率大于其它区域，折射率分布满足n3≤n1≤n4<n2，所述光纤材料在满足上述折射率分布情况下可为二氧化硅、掺锗二氧化硅、掺氟二氧化硅等材料。上述横截面结构沿光纤的长度方向不变；多芯结构下时，本发明光纤变体内可包含多个相同的单芯变体结构。
本发明的工作原理：
本发明通过对渐变高折射率区域几何参数的调控以及对所使用掺杂材料的选择，使得传输在本发明光纤设计内的多个轨道角动量模式的波导结构色散和材料色散均控制在较低的范围，达到了非零色散位移光纤的标准，可以有效减少多模光纤通信系统中各个模式随传输距离增加而不断累积的色散效应。

Claims (10)

1.一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，包括光纤本体，所述光纤本体包括环形纤芯(1)和套于所述环形纤芯(1)内外的光纤包层，所述光纤包层包括位于环形纤芯(1)内部的圆形区域(2)和位于环形纤芯(1)外部的外光纤包层(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，所述圆形区域(2)折射率n1、环形纤芯(1)区域折射率n2、环外光纤包层(3)的折射率n3；
所述圆形区域(2)折射率n1、环形纤芯(1)区域折射率n2和环外光纤包层(3)的折射率n3之间满足n1、n3的值小于n2的值。
3.根据权利要求2所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，所述环形纤芯(1)区域折射率n2为渐变的折射率；所述环形纤芯(1)区域内渐变的折射率均大于其它区域，折射率分布满足n1≤n3<n2。
4.根据权利要求2所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，所述光纤本体的材料在满足上述折射率分布情况下为二氧化硅、掺锗二氧化硅的材料的组合，所述环形纤芯(1)区域的渐变折射率n2满足以下等式：
Figure FDA0004060365680000011
其中，r是距所述光纤中心的距离，α是折射率分布参数，whalf是环形纤芯(1)区域的半宽度,R0是环形纤芯(1)区域内二氧化硅锗掺杂的最大浓度位置，ncenter是环形纤芯(1)区域内二氧化硅锗掺杂的最大浓度位置处的折射率。
5.根据权利要求2所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，所述光纤本体的材料的选取为，所述圆形区域(2)及外光纤包层(3)材料为二氧化硅，环形纤芯(1)区域材料为二氧化锗掺杂浓度渐变的掺锗二氧化硅，最大掺锗摩尔浓度为11mol％，环形纤芯(1)区域锗掺杂的最大浓度位置与光纤中心距离为25μm；
所述光纤本体的总体半径62.5μm，圆形区域(2)半径范围为20μm-55μm，环形纤芯(1)区域厚度2μm至4μm，外光纤包层(3)即光纤总体除去圆形区域(2)、环形纤芯(1)区域以外的部分。
6.根据权利要求2所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，所述圆形区域(2)在1550nm折射率范围为1-1.444，环形纤芯(1)区域在1550nm最大折射率范围为：1.457-1.469，外光纤包层(3)在1550nm折射率范围为1-1.444。
7.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，所述环形纤芯(1)区域和外光纤包层(3)区域之间可设置沟槽区域(4)，当光纤本体设置有沟槽区域(4)时，光纤本体材料的选取为；
二氧化硅为包层材料，掺锗二氧化硅为高折射率区域材料，掺氟二氧化硅为沟槽材料，由内至外分别为圆形区域(2)处材料为二氧化硅，环形纤芯(1)区域处材料为渐变掺杂锗二氧化硅，沟槽区域(4)处材料为渐变掺杂氟二氧化硅，外光纤包层(3)区域处材料为二氧化硅，沟槽区域(4)为环形的折射率低于二氧化硅折射率的区域，以掺氟二氧化硅为材料的沟槽区域(4)可由改良化学气相沉积法进行掺杂获得。
8.根据权利要求7所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，所述由内而外的圆形区域(2)、环形纤芯(1)区域、沟槽区域(4)、外光纤包层(3)折射率分别为n1、n2、n3、n4；
所述环形纤芯(1)区域为折射率渐变的圆环，其折射率大于其它区域，折射率分布满足n3≤n1≤n4<n2，所述光纤材料在满足上述折射率分布情况下为二氧化硅、掺锗二氧化硅、掺氟二氧化硅材料。
9.基于权利要求1-8任一项所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，当光纤本体为多个，组成多芯结构时，多个光纤本体以紧密的六边形结构进行排列，多芯结构内多个光纤本体之间的距离、排列层数视多芯结构光纤的最终半径可适当调整。
10.基于权利要求1-8任一项所述的一种基于轨道角动量模式的折射率渐变型非零色散位移光纤，其特征在于，所述光纤用于抑制四波混频的色散特性，用于抑制非线性效应。
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