CN218412961U - 一种非简并模式少模光纤 - Google Patents
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Abstract
本专利申请提出了一种非简并模式少模光纤；该光纤由具有阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯、折射率沟槽和包层组成；打破了空间模式简并、实现了保模功能，具有低损耗、低串扰的优点，采用凹陷的折射率包层有效减小了弯曲损耗。
Description
技术领域
本专利申请涉及一种新型光纤，具体涉及一种非简并模式少模光纤，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，模分复用作为解决单模光纤的通信容限或频谱效率问题的有效途径，受到广泛关注，成为新一代光纤通信领域的研究热点[Miyamoto Y,Shibahara K,Mizuno T,and Kobayashi T.Mode-Division Multiplexing Systems for High-Capacity OpticalTransport Network.In:Optical Fiber Communication Conference.San Diego,California United States (2019)；Liang X,Li W,Wood WA,Downie JD,Hurley JE,andNg’oma A.Transmission of wireless signals using space division multiplexingin few mode fibers.Opt Express(2018)26:20507-20518；Sillard P,Bigot-Astruc M,and Molin D.Few-Mode Fibers for Mode-Division-Multiplexed Systems.J LightwaveTechnol(2014)32:2824-2829；Richardson DJ,Fini JM,and Nelson LE.Space-divisionmultiplexing in optical fibres.Nature Photonics(2013)7(5):354-362；Li G,Bai N,Zhao N,and Xia C.Space-division multiplexing:the next frontier in opticalcommunication.Adv Opt Photon(2014)6(4):413-487；Li Y,Wang X,Zheng H,Li X,BaiC,Hu W,et al.A novel six-core few-mode fiber with low loss and lowcrosstalk.Optical Fiber Technology(2020)57:102-211.；Liu Y,Dong Q,Zheng H,LiX,Bai C,Hu W,et al.Research on a novel mode division multiplexer with lowcrosstalk,low loss and few-mode ring-core transmission channel.J OpticsCommunications(2020)469:125778-1-89；Bai N,Ip E,Luo Y,Peng G,Wang T,and LiG.Experimental Study on Multimode Fiber Amplifier Using Modal ReconfigurablePump.In:Optical Fiber Communication Conference.Los Angeles,California UnitedStates(2012)；Jung Y,Lim EL,Kang Q,May-Smith TC,Wong NHL,Standish R,etal.Cladding pumped few-mode EDFA for mode division multiplexedtransmission.Opt Express(2014)22(23):29008-29013；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；董秋焕，刘阳，郑宏军，黎昕，白成林，胡卫生，陈南光.模分复用系统中少模复用(解复用)技术研究[J].聊城大学学报(自然科学版)，2020，33(2):50-67；王潇，郑宏军*(通讯作者)，黎昕，刘阳，于如愿，白成林，胡卫生，模分复用系统中的少模光纤研究新进展，聊城大学学报(自然科学版),2019.4，32(2):69-79；高艳，李严蕾，邢化东，黎昕，郑宏军*(通讯作者)，白成林，胡卫生，许恒迎，尹莹欣，董秋焕，模分复用光传输，聊城大学学报(自然科学)2022，35(1):30-56]；少模光纤作为模分复用系统中信息传输的载体，一般采用典型的渐变折射率和阶跃折射率分布的圆芯少模光纤，基于这类少模光纤的模分复用传输系统不断刷新着频谱效率的实验记录[Rademacher G,Luís RS,Puttnam BJ,Ryf R,Furukawa H,Maruyama R,et al.93.34Tbit/s/mode(280Tbit/s)Transmission in a 3-Mode Graded-Index Few-Mode Fiber.In:Optical FiberCommunication Conference.San Diego,California United States(2018)；Soma D,Beppu S,Wakayama Y,Igarashi K,Tsuritani T,Morita I,et al.257-Tbit/s WeaklyCoupled 10-Mode C+L-Band WDM Transmission.J Lightwave Technol(2018)36(6):1375-1381；Weerdenburg JV,Ryf R,Alvarado-Zacarias JC,Alvarez-Aguirre RA,Fontaine NK,Chen H,et al.138-Tb/s Mode-and Wavelength-MultiplexedTransmission Over Six-Mode Graded-Index Fiber.J Lightwave Technol(2018)36:1369-1374；Wakayama Y,Soma D,Beppu S,Sumita S,Igarashi K,and TsuritaniT.266.1-Tbit/s Transmission Over 90.4-km 6-Mode Fiber with Inline Dual C+L-Band 6-Mode EDFA.J Lightwave Technol(2019)37:404-410；Beppu S,Soma D,Sumita S,Wakayama Y,Takahashi H,Tsuritani T,et al.402.7-Tb/s MDM-WDM Transmission OverWeakly Coupled 10-Mode Fiber Using Rate-Adaptive PS-16QAM Signals.J LightwaveTechnol(2020)38:2835-2841；Rademacher G,Puttnam BJ,Luís RS,Sakaguchi J,KlausW,Eriksson TA,et al.10.66Peta-Bit/s Transmission over a 38-Core-Three-ModeFiber.In:Optical Fiber Communication Conference.San Diego,California UnitedStates(2020)]。然而，在模分复用系统中采用的圆芯少模光纤存在着模式简并、模式间串扰问题。若同时采用两种简并模式作为模分复用系统的两个信道，则需要采用适当模式延迟与4×4MIMO-DSP接收机处理模式简并和偏振分集，或者采用适当模式延迟与更大的矩阵MIMO-DSP接收机同时处理更多模式间串扰和模式简并情况[Rademacher G,Luís RS,Puttnam BJ,Ryf R,Furukawa H,Maruyama R,et al.93.34Tbit/s/mode(280Tbit/s)Transmission in a 3-Mode Graded-Index Few-Mode Fiber.In:Optical FiberCommunication Conference.San Diego,California United States(2018)；Soma D,Beppu S,Wakayama Y,Igarashi K,Tsuritani T,Morita I,et al.257-Tbit/s WeaklyCoupled 10-Mode C+L-Band WDM Transmission.J Lightwave Technol(2018)36(6):1375-1381；Weerdenburg JV,Ryf R,Alvarado-Zacarias JC,Alvarez-Aguirre RA,Fontaine NK,Chen H,et al.138-Tb/s Mode-and Wavelength-MultiplexedTransmission Over Six-Mode Graded-Index Fiber.J Lightwave Technol(2018)36:1369-1374；Wakayama Y,Soma D,Beppu S,Sumita S,Igarashi K,and TsuritaniT.266.1-Tbit/s Transmission Over 90.4-km 6-Mode 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Lee B.Full-color lens-array holographic optical element for three-dimensional opticalsee-through augmented reality.Opt Lett(2014)39:127-130]。
综上，采取有力措施打破空间模式的简并，消除复杂的多输入多输出数字信号处理(MIMO-DSP)，实现无MIMO(MIMO-FREE)应用，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非简并模式少模光纤，该光纤融合了纯二氧化硅椭圆纤芯、阶跃折射率分布和凹陷折射率区域等优点，打破了空间模式的简并，消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了低损耗、低串扰的MIMO-FREE应用，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：
本专利申请提出一种非简并模式少模光纤；光纤由具有阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯、折射率沟槽和包层组成；椭圆纤芯的水平半径(长半轴)为ax＝6.9μm，垂直半径(短半轴)为ay＝4.6μm，椭圆度ρ＝ax/ay＝1.5；折射率沟槽的内椭圆水平半径(长半轴)为bx＝15μm，垂直半径(短半轴)为by＝10μm，折射率沟槽的外椭圆水平半径(长半轴)为cx＝30μm，垂直半径(短半轴)为cy＝20μm，包层半径为R1＝62.5μm；椭圆纤芯的中心坐标为(0，0)；纯二氧化硅椭圆纤芯中心、折射率沟槽和包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4262，n3＝1.4303；该光纤受入射光激发，椭圆纤芯中的空间模式简并被打破，实现了低本征损耗、低串扰、低弯曲损耗的五种非简并模式运作，从而消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了MIMO-FREE应用的良好传输；光纤中空间模式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.该椭圆纤芯光纤打破了空间模式简并，实现了保模功能，消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了MIMO-FREE应用的良好传输，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和大有效折射率差分布实现了低损耗、低模式串扰，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.该光纤中非简并空间模式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是本申请一种非简并模式少模光纤横截面示意图；光纤由阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯(横线阴影部分)、折射率沟槽(右斜阴影部分)和包层(白色部分)组成。
图2给出了在1.55μm波长下LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a五种模式的x偏振的电场分布。
图3显示五种空间模式的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形、星形、菱形、圆圈和三角的实线分别为LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的变化情况。
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是本专利申请一种非简并模式少模光纤示意图。本专利申请提出一种非简并模式少模光纤；光纤由具有阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯、折射率沟槽和包层组成；椭圆纤芯的水平半径(长半轴)为ax＝6.9μm，垂直半径(短半轴)为ay＝4.6μm，椭圆度ρ＝ax/ay＝1.5；折射率沟槽的内椭圆水平半径(长半轴)为bx＝15μm，垂直半径(短半轴)为by＝10μm，折射率沟槽的外椭圆水平半径(长半轴)为cx＝30μm，垂直半径(短半轴)为cy＝20μm，包层半径为R1＝62.5μm；椭圆纤芯的中心坐标为(0，0)；纯二氧化硅椭圆纤芯中心、折射率沟槽和包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4262，n3＝1.4303；该光纤受入射光激发，椭圆纤芯中的空间模式简并被打破，实现了低本征损耗、低串扰、低弯曲损耗的五种非简并模式运作，从而消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了MIMO-FREE应用的良好传输；光纤中空间模式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LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a五种空间模式x偏振的电场分布。图中等位线表征入射光电场的强弱，密度越大，电场越强。由于椭圆芯少模光纤(EFMF)的模式分布与传统的圆芯少模光纤(CFMF)相似，因此仍然使用CFMF的模式符号LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a表示EFMF对应的五个模式。按照文献[Milione G,Ip E,Ji P,Huang Y,Wang T,Li M,et al.MIMO-less Space Division Multiplexing withElliptical Core Optical Fibers.In:Optical Fiber Communication Conference.LosAngeles,California United States(2017)；Liang J,Mo Q,Fu S,Tang M,Shum P,andLiu D.Design and fabrication of elliptical-core few-mode fiber for MIMO-lessdata transmission.Opt Lett(2016)41:3058-3061]中少模光纤保模功能的定义，我们所提出的EFMF具有明确的保模功能，实现了LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a五种非简并模式的保模运作。
图3显示该少模光纤五种空间模式的有效折射率随入射光波长的变化情况。图中带正方形、星形、菱形、圆圈、三角的实线分别表示LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的有效折射率的变化情况。图3中可以看出，五种模式的有效折射率均随入射光波长的增加而减小，且有效折射率的变化缓慢；LP01模式有效折射率随输入波长的变化速率最小；LP21a模式的有效折射率随输入波长的变化速率最大，并且LP11a、LP11b、LP21b有效折射率随输入波长的变化速率依次增大；对于给定的入射波长，LP01模式有效折射率是最大的，LP21a模式的有效折射率是最小的，LP11a、LP11b、LP21b模式的有效折射率依次减小；当入射光波长为1.55μm时，LP01、LP11a、LP11b、LP21b和LP21a模式的有效折射率分别为1.4414、1.4384、1.4364、1.4344、1.4326。各模式间的大有效折射率差实现了低模式串扰。
总之，所提出的光纤打破了空间模式简并，实现了保模功能，具有低损耗、低串扰的优点。应当指出的是，具体实施方式只是本申请比较有代表性的例子，显然本申请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，以本申请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)
1.一种非简并模式少模光纤；其特征在于：该光纤由具有阶跃折射率分布的纯二氧化硅椭圆纤芯、折射率沟槽和包层组成；椭圆纤芯的水平半径为ax＝6.9μm，垂直半径为ay＝4.6μm，椭圆度ρ＝ax/ay＝1.5；折射率沟槽的内椭圆水平半径为bx＝15μm，垂直半径为by＝10μm，折射率沟槽的外椭圆水平半径为cx＝30μm，垂直半径为cy＝20μm，包层半径为R1＝62.5μm；椭圆纤芯的中心坐标为(0，0)；纯二氧化硅椭圆纤芯中心、折射率沟槽和包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4262，n3＝1.4303；该光纤受入射光激发，椭圆纤芯中的空间模式简并被打破，实现了低本征损耗、低串扰、低弯曲损耗的五种非简并模式运作，从而消除了复杂的MIMO-DSP处理，实现了MIMO-FREE应用的良好传输；光纤中空间模式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。
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