CN218547039U - 一种三芯强耦合两模光纤 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种三芯强耦合两模光纤；光纤由三个具有渐变折射率分布的纯二氧化硅纤芯、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，可以有效减小弯曲损耗；采用纯二氧化硅纤芯可有效减小光纤损耗。
Description
技术领域
本专利申请涉及一种新型光纤，具体涉及一种三芯强耦合两模光纤，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、少模光纤和少模多芯光纤的研究成为前沿研究热点[Yutaka Miyamoto,Kohki Shibahara,Takayuki Mizuno,andTakayuki Kobayashi.Mode-division multiplexing systems for high-capacityoptical transport tetwork[C].Optical Fiber Communication Conference,2019,paper M2I.3；Jiaxiong Li,Chengkun Cai,Jiangbing Du,et al.Ultra-low-noise mode-division multiplexed WDM transmission over 100-km FMF based on a second-orderFew-mode raman amplifier[J].Journal of Lightwave Technology,2018,36(16):3254-3260；Ruyuan Yu,Hongjun Zheng,Xin Li,et al.A novel three-ring-core few-modefiber with large effective area and low nonlinear coefficient[J].Optoelectronics Letters,2018,14(1):30-35；Seongjin Hong,Kyoungyeon Choi,YongSoo Lee,and Kyunghwan Oh.Two-mode fiber with a reduced mode overlap foruncoupled mode-division multiplexing in C+L band[J].Current Optics andPhotonics,2018,2(3):233-240；Georg Rademacher,Roland Ryf,Nicolas K.Fontaine,etal.Long-haul transmission over Few-mode fibers with space-divisionmultiplexing[J].Journal of Lightwave Technology，2018，36(6)：1382-1388；TetsuyaHayashi,Takuji Nagashima,Kazuhiro Yonezawa,et al.Six-mode 19-core fiber with114spatial modes for weakly-coupled mode-division-multiplexed transmission[J].Journal of Lightwave Technology，2017，35(4)：748-754；He Wen,Hongjun Zheng,Qi Mo,et al.Few-mode fiber-optic microwave photonic links[J].Light:Science&Applications,2017.8,6,e17021,1-8；Li Y,Wang X,Zheng H,Li X,Bai C,Hu W,et al.Anovel six-core few-mode fiber with low loss and low crosstalk.Optical FiberTechnology(2020)57:102211-.；Gao Yan,Li Yanlei,Li Xin,Zheng Hongjun,BaiChenglin,Hu Weisheng,Xu Hengying,Dong Qiuhuan,Xing Huadong,Su Yingqun,YinYingxin,Wei Chongqi,Zhao Baiqiang.An Elliptical-Core Few-Mode Fiber with LowLoss and Low Crosstalk for the MIMO-FREE Applications.Frontiers in Physics(2022)9；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,白成林,胡卫生,许恒迎,尹莹欣,董秋焕.模分复用光传输技术研究[J].聊城大学学报(自然科学版),2022,35(01):30-56]；多实芯强耦合的三芯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、低模式依赖损耗的少模光纤[G.Rademacher,R.S.Luís,B.J.Puttnam,R.Ryf,S.van der Heide,T.A.Eriksson,N.K.Fontaine,H.Chen,R.Essiambre,Y.Awaji,H.Furukawa,and N.Wada,"172 Tb/s C+LBand Transmission over 2040km Strongly Coupled 3-Core Fiber,"in Optical FiberCommunication Conference Postdeadline Papers 2020,(Optical Society ofAmerica,2020),paper Th4C.5；R.Ryf,R.-.Essiambre,A.H.Gnauck,S.Randel,M.A.Mestre,C.Schmidt,P.J.Winzer,R.Delbue,P.Pupalaikis,A.Sureka,T.Hayashi,T.Taru,and T.Sasaki,"Space-Division Multiplexed Transmission over 4200-km 3-Core Microstructured Fiber,"in Optical Fiber Communication Conference,OSATechnical Digest(Optical Society of America,2012),paper PDP5C.2；S.van derHeide,J.C.Alvarado-Zacarias,N.K.Fontaine,R.Ryf,H.Chen,R.Amezcua-Correa,T.Koonen,and C.Okonkwo,"Low-loss Low-MDL Core Multiplexer for 3-Core Coupled-core Multi-core Fiber,"in Optical Fiber Communication Conference(OFC)2020,OSATechnical Digest(Optical Society of America,2020),paper T3A.3；Ryf,Roland&Sierra,Alberto&Essiambre,R.-J&Gnauck,A.H.&Randel,Sebastian&Esmaeelpour,Mina&Mumtaz,Sami&Winzer,Peter&Delbue,R.&Pupalaikis,Peter&Sureka,Anirudh&Hayashi,Tetsuya&Taru,Toshiki&Sasaki,Takashi.(2011).Coherent 1200-km 6x 6MIMO Mode-Multiplexed Transmission over 3-Core Microstructured Fiber.1–3；R.Veronese,J.C.A.Zacarias,S.van derHeide,R.Amezcua-Correa,H.Chen,R.Ryf,N.K.Fontaine,M.Santagiustina,A.Galtarossa,and L.Palmieri,"Distributed Supermode CouplingMeasurements in Multi-Core Optical Fibers,"in Optical Fiber CommunicationConference(OFC)2020,OSA Technical Digest(Optical Society of America,2020),paper T4J.2]；纯二氧化硅纤芯可以有效地减少光纤衰减和熔接损耗，受到广泛关注，目前大都应用于单模光纤[T.Hasegawa et al.2016.Advances in ultra-low loss silicafibers[J].Frontiers in Optics,paper FTu2B.2；S.Ten.2016.Ultra Low-loss OpticalFiber Technology[J].Optical Fiber Communication Conference,paper Th4E.5；Yoshiaki Tamura.2018.Ultra-low loss silica core fiber for long haultransmission[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(P.Sillardand D.Molin,"A review of few-mode fibers for space-division multiplexedtransmissions,"39th European Conference and Exhibition on OpticalCommunication(ECOC 2013),2013,1-3；Roland Ryf.Switching and MultiplexingTechnologies for Mode-Division Multiplexed Networks[D],Optical FiberCommunication 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三芯强耦合两模光纤，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三芯强耦合两模光纤；光纤由三个具有渐变折射率分布的纯二氧化硅纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；图中横线阴影区域为三个纤芯，半径均为R＝R1＝3.5μm，下对角线圆环阴影部分为trench折射率区域，其中内圆环的值为R2＝18μm，外圆环的值为R3＝28μm；其余白色部分为包层，半径R4＝62.5μm；三个纤芯依次紧密排列；三个纯二氧化硅纤芯中心、沟槽折射率区域和掺氟二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4330，n3＝1.4340。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
该光纤受入射光激发，三个纤芯中的光纤模式出现强耦合，实现了低损耗、低串扰、大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度的超模运作，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：
1.三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.该光纤采用凹陷的折射率包层，可以有效减小弯曲损耗；采用纯二氧化硅纤芯可有效减小光纤损耗。
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是本申请提出的一种三芯强耦合两模光纤横截面示意图；光纤由三个渐变折射率分布的纯二氧化硅纤芯(横线阴影部分)、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LP01和LP11a(简并模式LP11b)两种超模X偏振的电场分布。
图3显示两个超模的有效折射率随输入波长的变化情况。具有正方形和菱形的实线分别为LP01和LP11超模的折射率变化情况。
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是本专利申请一种三芯强耦合两模光纤示意图。光纤由三个具有渐变折射率分布的纯二氧化硅纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；图中横线阴影区域为三个纤芯，半径均为R＝R1＝3.5μm,下对角线圆环阴影部分为trench折射率区域，其中内圆环的值为R2＝18μm，外圆环的值为R3＝28μm；其余白色部分为包层，半径R4＝62.5μm；三个纤芯依次紧密排列；三个纯二氧化硅纤芯中心、沟槽折射率区域和掺氟二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4330，n3＝1.4340；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
该光纤受入射光激发，三个纤芯中的光纤模式出现强耦合，实现了低损耗、低串扰、大有效模场面积、低非线性系数、高模场密度的超模运作，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。
图2给出了在1.55μm波长下LP01和LP11a(简并模式LP11b)两种超模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。若考虑偏振简并和空间简并，所提出的光纤可以支持6种超模如下：LP01 X、LP01 Y、LP11a X、LP11a Y、LP11b X和LP11b Y。我们得到了三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，三芯少模光纤可以支持比传统光纤更大的有效面积和更高的模式密度，这可以有效地减少光纤非线性效应。由于简并模式的有效折射率(ERI)、色散、有效面积和非线性系数类似，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。具有正方形和菱形的实线分别为LP01和LP11超模情况。图3中可以看出，两种超模模式的有效折射率均随入射光波长的增加而减小，且LP11超模的有效折射率减小速率比LP01超模的有效折射率减小速率大；在给定波长λ的情况下，LP01模式的有效折射率最大，LP11模式的最小。当入射光波长为1.55μm时，LP01和LP11模式的有效折射率分别为1.4375和1.4358；LP01和LP11模式间有效折射率差为1.70×10-3。两种超模模式的有效折射率差都大于0.5×10-3，根据文献[PierreSillard,Denis Molin.Few-mode fibers for space-division multiplexedtransmissions[C].European Conference&Exhibition on Optical Communication,2013,03(A1):1-3；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，2018，1-184]可以实现低模式串扰。
总之，所提出的光纤实现了低损耗、低色散、低串扰的两种超模运作。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)
1.一种三芯强耦合两模光纤，其特征在于：光纤由三个具有渐变折射率分布的纯二氧化硅纤芯、折射率沟槽和掺氟二氧化硅包层组成；三个纤芯半径均为R＝R1＝3.5μm，trench折射率区域呈圆环状，其中内圆环的值为R2＝18μm，外圆环的值为R3＝28μm；其余白色部分为包层，半径R4＝62.5μm；三个纤芯依次紧密排列；三个纯二氧化硅纤芯、沟槽折射率区域和掺氟二氧化硅包层的折射率分别为n1＝1.4440，n2＝1.4330，n3＝1.4340；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
该光纤受入射光激发，三个纤芯中的光纤模式出现强耦合。
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