CN208969268U - 一种渐变折射率分布六芯强耦合两模光纤 - Google Patents

Abstract

本专利申请提出了一种渐变折射率分布六芯强耦合两模光纤；光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；实现了高模场密度、低损耗、低串扰的超模运作，采用凹陷的折射率包层有效减小了弯曲损耗。

Description

一种渐变折射率分布六芯强耦合两模光纤

技术领域

本专利申请涉及一种新型光纤，具体涉及一种渐变折射率分布六芯强耦合两模光纤，可应 用于通信网络、光学信息处理、新一代信息技术等领域。

背景技术

近年来，光纤通信业界围绕空分复用(包括芯式复用和模分复用及其结合)这一物理维 度对通信网络传输容量实现了突破；空分复用中的多芯光纤和少模光纤研究成为前沿研究热 点[Guifang Li，Neng Bai，and Ningbo Zhao and Cen Xia，Space-divisionmultiplexing：the next ffontier in optical communication.Advances in Optics&Photonics，2014，6(4)：5041-5046； Guifang Li，Magnus Karlsson，Xiang Liu，and YvesQuiquempois，Focus issue introduction：space- division multiplexing，Opt.Express2014，22，32526-32527；He Wen，Hongjun Zheng，et al.Few- mode fibre-opticmicrowave photonic links[J].Light：Science and Applications 2017，6，8；郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018.1，1-184]；一种多实芯强耦合的超模光纤也得到了大家的关注；多实芯超模光纤本质上是具有更大的有效模场面积、 模场密度大、低模式依赖损耗、低模式耦合和低差分模式群时延的少模光纤[Cen Xia，Neng Bai， Ibrahim Ozdur，et al.，Supermodes for optical transmission，OpticsExpress，2011，19(17)：16653- 16664；Cen Xia，Neng Bai，Rodrigo Amezcua-Correa，etal.，Supermodes in strongly-coupled multi- core fibers，OFC 2013，OTh3K.5；YuRuyuan，Hongjun Zheng et al.A novel three-ring-core few- mode fiber with largeeffective area and low nonlinear coefficient[J]，Optoelectronics Letters.2018，14(1)：30-35]；纯二氧化硅纤芯可以有效地减少光纤衰减和熔接损耗，目前大都应用于单模 光纤(T.Hasegawa et al.2016.Advances in ultra-low loss silica fibers[J].Frontiers in Optics，paper FTu2B.2；S.Ten.2016.Ultra Low-loss Optical FiberTechnology[J].Optical Fiber Communication Conference，paper Th4E.5；YoshiakiTamura.2018.Ultra-low loss silica core fiber for long haul transmission[J].Optical Fiber Communication Conference，paper M4B.1)。具有渐变折射率分布 的少模光纤可以实现低差分模式群时延DMGD以及远场和近场具有相同模式宽度，并且不同 模式下的有效折射率差(ERID)大于0.5x10^-3可以避免模式耦合(Pierre Sillard et al.Few-Mode Fibers for Space-Division Multiplexed Transmissions[J]，EuropeanConference&Exhibition on Optical Communication，2013.03(A1)：1-3；RolandRyf.Switching and Multiplexing Technologies for Mode-Division MultiplexedNetworks[D]，Optical Fiber Communication Conference& Exposition，2017，Tu2c)。综上，若将纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布及多实芯强耦合的超模 光纤的概念有机融合，有望解决目前少模光纤的研究挑战，有重要的学术价值和应用价值， 研究意义重大、应用前景广阔。

实用新型内容

在国家自然科学基金(编号61671227和61431009)、山东省自然科学基金(ZR2011FM015)、 “泰山学者”建设工程专项经费支持下，本专利申请提出了一种渐变折射率分布六芯强耦合两 模光纤，该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布和多实芯超模光纤的优点，为光纤 光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域的深入研究提供了 重要支持。

本专利申请解决其技术问题所采用的技术方案是：

本专利申请提出了一种渐变折射率分布六芯强耦合两模光纤；光纤由六个具有渐变折射 率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；六个纤芯的半径均为R1＝3μm，沟槽 的内半径为R2＝20μm，沟槽的外半径为R3＝30μm，包层半径为R4＝62.5μm；六个纤芯 的中心坐标依次为(6μm，0)，(3μm，μm)，(-3μm，μm)，(-6μm，0)，(-3μm，- μm)，(3μm，μm)；六个纤芯中心、沟槽和纯二氧化硅包层的折射率分别为n1＝ 1.444024，n2＝1.433524，n3＝1.437024；每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)²]^0.5渐变折 射率分布，r是纤芯中任意一点到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差 n_core是纤芯中心折射率， n_cladding是相应包层折射率；该光纤受入射光激发，六个纤芯中的光纤模式出现强耦合，实现 了大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度、低差分模式群时延的超模运作，从而进一 步提高光纤传输性能；光纤中超模的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层 的尺寸、位置和折射率分布来改变。

本专利申请的有益效果如下：

1.六个纤芯中的光纤模式出现强耦合，实现了高模场密度、低损耗、低串扰的超模运 作，从而进一步提高光纤传输性能；

2.该光纤凹陷的折射率包层，可以有效减小弯曲损耗；

3.该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、渐变折射率分布和多实芯超模光纤的优点，为光 纤光学、光纤通信、光纤无线接入和光学信息处理、新一代信息技术等领域的深入 研究提供了重要支持。

4.该光纤中超模的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、 位置和折射率分布来改变。

附图说明

图1是本发明一种低损耗低串扰六芯强耦合两模光纤横截面示意图；光纤由六个渐变折 射率分布的纤芯(左斜阴影部分)、折射率沟槽(右斜阴影部分)和掺氟二氧化硅包层(白 色部分)组成。

图2给出了在1.55μm波长下两个超模LP01和LP11的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。如果我们考虑偏振和空间简并，所提出的光纤可 以支持6种超模，例如LP01 X，LP01 Y，LP11a X，LP11a Y，LP11b X和LP11b Y；由于 Y偏振模式与X偏振模式的电场分布类似，图中仅给出了X偏振模式电场分布。

图3显示两个超模的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形和圆形的实线分别 为LP01和LP11超模情况。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细说明本专利申请的技术方案，但保护范围不限于此。

实施例1图1是本专利申请一种渐变折射率分布六芯强耦合两模光纤示意图。光纤由 六个具有渐变折射率分布的纤芯(左斜阴影部分)、折射率沟槽(右斜阴影部分)和掺氟二 氧化硅包层(白色部分)组成；六个纤芯的半径均为R1＝3μm，沟槽的内半径为R2＝20μm，沟槽的外半径为R3＝30μm，包层半径为R4＝62.5μm；六个纤芯的中心坐标依次为(6 μm，0)，(3μm，μm)，(-3μm，μm)，(-6μm，0)，(-3μm，μm)，(3μm，μm)； 六个纤芯中心、沟槽和纯二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.444024，n2＝1.433524，n3＝ 1.437024；每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)²]^0.5渐变折射率分布，r是纤芯中任意一点 到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差 n_core是纤芯中心折射率，n_cladding是相应包层折射率；光纤中超模的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率 分布来改变。

图2给出了在1.55μm波长下两个超模LP01和LP11的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。如果我们考虑偏振和空间简并，所提出的光纤可 以支持6种超模，例如LP01 X，LP01 Y，LP11a X，LP11a Y，LP11b X和LP11b Y。Y偏 振模式与X偏振模式的电场分布类似，图中仅给出了X偏振模式电场分布。我们得到了六 个纤芯间模式强耦合形成的超模，其中纤芯到纤芯的距离比传统的多芯光纤短得多。超模的 场分布可以看作是各纤芯独立模式的叠加和强重构。因此，六芯少模光纤可以支持比传统光 纤更大的有效面积和更高模式密度，这可以有效地减少光纤和光通信的非线性效应。由于简 并模式的有效折射率(ERI)类似，因此本文讨论两种超模的特性。

图3显示两个超模的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形和圆形的实线分别 为LP01和LP11超模。两种超模的有效折射率均随波长的增加而减小。LP11模随波长的减 小速度快于LP01模式。对于给定的输入波长，LP01模式的有效折射率大于LP11模式的有 效折射率。两超模间的ERID大于0.5×10^-3获得低串扰特性。

总之，所提出的光纤实现了两种低损耗、低串扰和高模式密度的超模。应当指出的是， 具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例， 还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述 毫无异议地得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。

Claims (1)

1.一种渐变折射率分布六芯强耦合两模光纤；其特征在于：光纤由六个具有渐变折射率分布的纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；六个纤芯的半径均为R1＝3μm，沟槽的内半径为R2＝20μm，沟槽的外半径为R3＝30μm，包层半径为R4＝62.5μm；六个纤芯的中心坐标依次为(6μm，0)，(-6μm，0)， 六个纤芯中心、沟槽和纯二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.444024，n2＝1.433524，n3＝1.437024；每个纤芯按照n＝1.444024[1-2Δ(r/a)²]^0.5渐变折射率分布，r是纤芯中任意一点到轴心的距离，a是纤芯外径，纤芯中心与包层间折射率差 n_core是纤芯中心折射率，n_cladding是相应包层折射率；光纤中超模的模场特性可以通过改变纤芯、包层及凹陷的折射率包层的尺寸、位置和折射率分布来改变。