一种高模式数量且弱耦合的少模光纤
阅读说明：本技术 一种高模式数量且弱耦合的少模光纤 (High-mode-number and weak-coupling few-mode optical fiber ) 是由 彭楚宇 喻煌 郭浩 曲斌 郭君 刘旋 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种高模式数量且弱耦合的少模光纤,其包括由内到外依次设置的椭圆芯层、椭圆环形芯层、椭圆环形下陷包层和外包层；在所述椭圆环形下陷包层上设有两个空气孔,两个所述空气孔关于所述椭圆环形芯层的短轴轴对称；在所述椭圆芯层、椭圆环形芯层和椭圆环形下陷包层中,三者的中心大致重合,三者的长轴位于同一直线上,三者的短轴位于同一直线上；所述椭圆芯层与所述椭圆环形芯层的折射率剖面的形状均为水平直线形；所述椭圆芯层的折射率小于所述椭圆环形芯层的折射率。本申请能够解决相关技术中光纤可用的模式数量较少,远不能满足长距离大容量扩容的需求的问题。(The application relates to a few-mode optical fiber with high mode number and weak coupling, which comprises an elliptical core layer, an elliptical annular sunken cladding layer and an outer cladding layer which are sequentially arranged from inside to outside; two air holes are arranged on the elliptical annular sunken cladding layer, and the two air holes are axially symmetrical about the short axis of the elliptical annular core layer; in the elliptical core layer, the elliptical annular core layer and the elliptical annular sunken cladding layer, the centers of the three layers are approximately superposed, the long axes of the three layers are positioned on the same straight line, and the short axes of the three layers are positioned on the same straight line; the shapes of the refractive index profiles of the elliptical core layer and the elliptical annular core layer are both horizontal straight lines; the refractive index of the elliptical core layer is smaller than that of the elliptical ring-shaped core layer. The method and the device can solve the problems that in the related technology, the number of available modes of the optical fiber is small, and the requirement for long-distance large-capacity expansion cannot be met.)
技术领域
本申请涉及空分复用光纤通信技术领域，特别涉及一种高模式数量且弱耦合的少模光纤。
背景技术
在多媒体和数据应用程序快速扩展以及驱动骨干网带宽需求量迅速增长的网络背景下，互联网流量以每10年约100倍的速度增长。通过改进光纤传输性能、掺铒光纤放大器、波分复用技术、高频谱效率的编码调制、空分复用、相干检测和数字信号处理等一系列技术创新，常规单模单芯光纤的传输容量在过去几十年也在呈指数增长，单模光纤带宽利用率已接近非线性香农极限，难以支撑未来持续增长的带宽需求。利用纤芯和模式作为新的空间复用维度的多芯光纤和少模光纤传输技术被广泛认为是下一代光纤通信的主流趋势，为进一步增加光纤的通信容量提供了新的发展方向。
在空分复用的传输系统中，不同的信号能通过多空间路径同时传输。从空分复用光纤的角度来看，有两种方法可以将多空间路径引入光纤。第一种方法是将多个独立的纤芯合并到一根光纤中，一个包层中含有多根纤芯，光纤的传输容量随着纤芯数量的增长而成倍增加，这种光纤被称为多芯光纤。第二种方法是利用光纤中的多种不同模式，光纤的传输容量随着模式数量的增长而成倍增加，这种光纤被称为少模光纤。少模光纤的纤芯半径比单模光纤略大，因而具有更大的有效模场面积，在非线性容忍度方面更有优势。少模光纤的制备工艺和熔接技术可以直接借鉴单模光纤的相关经验，与单模光纤在兼容性方面存在着天然优势，因此基于少模光纤的模分复用系统也成为当前最引人瞩目的研究方向之一。
少模光纤中的多模式同时传输时，在分布式模式串扰和模间色散联合作用下，必须采用联合多入多出数字信号处理设备(MIMO DSP)将接收信号分开，且计算复杂度急剧增长到无法实现。例如100Gbps双偏振正交相移键控(QPSK)信号在差分模时延值为1ps/m的10模式光纤中传输100km，时延展宽大约数千个符号，多模式间MIMO-DSP复杂度比单模传输大约提升6个数量级，且随传输距离和模式数增加继续快速增长。考虑到集成电路规模的摩尔定律限制，将算法复杂度控制在比现有单模传输仅提升数倍，是目前少模传输技术最需要突破的关键技术瓶颈。为解决这一问题，基于模式调控技术的少模光纤和弱耦合模分复用传输技术已被提出，主要思想是采用各种手段提高不同模式间的有效折射率差。当所有相邻模式间的有效折射率差均大于10-3时，即可将模式间的串扰抑制到足够小，使各模式可独立检测，无需各模式间MIMO-DSP处理。但截至目前，可用的模式数量一般较少，传输距离极短，远不能满足长距离大容量扩容的需求。
发明内容
本申请实施例提供一种高模式数量且弱耦合的少模光纤，以解决相关技术中光纤可用的模式数量较少，远不能满足长距离大容量扩容的需求的问题。
本申请实施例提供了一种高模式数量且弱耦合的少模光纤，其包括由内到外依次设置的椭圆芯层、椭圆环形芯层、椭圆环形下陷包层和外包层；
在所述椭圆环形下陷包层上设有两个空气孔，两个所述空气孔关于所述椭圆环形芯层的短轴轴对称；
在所述椭圆芯层、椭圆环形芯层和椭圆环形下陷包层中，三者的中心大致重合，三者的长轴位于同一直线上，三者的短轴位于同一直线上；
所述椭圆芯层与所述椭圆环形芯层的折射率剖面的形状均为水平直线形；
所述椭圆芯层的折射率小于所述椭圆环形芯层的折射率。
一些实施例中，所述椭圆芯层和所述椭圆环形芯层均掺有锗，所述椭圆环形下陷包层掺有氟，所述外包层采用纯石英。
一些实施例中，两个所述空气孔位于所述椭圆环形芯层的长轴所在直线上。
一些实施例中，所述椭圆芯层、所述椭圆环形芯层和所述椭圆环形下陷包层的椭圆率取值范围为0.60～0.70。
一些实施例中，所述椭圆芯层的长轴半径取值范围为1.5～4.0μm，所述椭圆环形芯层的长轴半径取值范围为5.0～8.5μm，所述椭圆环形下陷包层的长轴半径取值范围为12.0～17.0μm。
一些实施例中，所述空气孔的半径取值范围为1.1～1.6μm。
一些实施例中，所述空气孔与所述椭圆环形芯层的外边缘的距离取值范围为5～30μm。
一些实施例中，所述椭圆芯层与纯石英的相对折射率差的取值范围为0.80％～1.65％，所述椭圆环形芯层与纯石英的相对折射率差的取值范围为1.60％～2.20％。
一些实施例中，所述椭圆环形下陷包层与纯石英的相对折射率差的取值范围为-0.30％～-0.65％。
一些实施例中，工作波长为1550nm时，所述少模光纤可用的最大传输模式数量为16模，且所有模式的光信号在1550nm的传输损耗均不大于0.25dB/km。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请实施例提供了一种空气孔辅助的高模式数量且弱耦合的少模光纤的解决方案，一方面，将圆形纤芯改为椭圆形纤芯，其目的是通过采用椭圆形的纤芯设计，破坏光纤结构的对称性以引入双折射效应，打破LP模式的内部简并，增大两个偏振模之间的传播常数差，从而显著提高少模光纤可用的模式数量；另一方面，通过在纤芯外的区域，即在椭圆环形下陷包层中加入空气孔，改变LP模式的模场分布，使各模式的有效折射率分布更趋向于均匀分布，从而将最小有效折射率差显著提高，进而降低了不同模式间的模式耦合，确保了模式的弱耦合特性。
本实施例的少模光纤剖面结构简单，芯层与纯石英材料的相对折射率差相对较低，降低了弱耦合少模光纤的制备难度，在保证模式间有效折射率＞10-3的前提下，模式数量最大可以达到16模，通过增加模式复用数量，大幅提高了空间集成维数密度和传输容量。
本申请不需要特殊材料涂覆，可满足今后高速大容量光纤传输系统的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的高模式数量且弱耦合的少模光纤截面结构示意图；
图2为本申请实施例提供的高模式数量且弱耦合的少模光纤折射率剖面示意图。
图中：1、椭圆芯层；2、椭圆环形芯层；3、椭圆环形下陷包层；4、外包层；5、空气孔。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种高模式数量且弱耦合的少模光纤，其能解决相关技术中光纤可用的模式数量较少，远不能满足长距离大容量扩容的需求的问题。
参见图1和图2所示，本申请实施例提供的一种高模式数量且弱耦合的少模光纤，其包括由内到外依次设置的椭圆芯层1、椭圆环形芯层2、椭圆环形下陷包层3和外包层4，在椭圆环形下陷包层3上设有两个空气孔5，两个空气孔5关于椭圆环形芯层2的短轴轴对称，其中，椭圆芯层1位于少模光纤的中心位置，是光信号传输的主要区域，椭圆环形芯层2是位于椭圆芯层1外部的环形区域，可以用来调控少模光纤的模式分布，是光信号传输的主要区域，椭圆环形下陷包层3是位于椭圆环形芯层2外部的环形区域，可以用来调控少模光纤的模式分布并提高少模光纤的抗弯性能，椭圆环形下陷包层3外侧为少模光纤的外包层4，空气孔5为贯穿孔，可以引入空气。
结合图1所示，在椭圆芯层1、椭圆环形芯层2和椭圆环形下陷包层3中，三者的中心大致重合，三者的长轴位于同一直线上，三者的短轴位于同一直线上，椭圆芯层1与椭圆环形芯层2的折射率分布为阶跃式分布，具体地，结合图2所示，椭圆芯层1与椭圆环形芯层2的折射率剖面的形状均为水平直线形，椭圆芯层1的折射率小于椭圆环形芯层2的折射率。
本实施例提出的一种空气孔辅助的高模式数量且弱耦合的少模光纤的解决方案，一方面，将圆形纤芯改为椭圆形纤芯，其目的是通过采用椭圆形的纤芯设计，破坏光纤结构的对称性以引入双折射效应，打破LP模式的内部简并，增大两个偏振模之间的传播常数差，从而显著提高少模光纤可用的模式数量；另一方面，通过在纤芯外的区域，即在椭圆环形下陷包层中加入空气孔，改变LP模式的模场分布，使各模式的有效折射率分布更趋向于均匀分布，从而将最小有效折射率差显著提高，进而降低了不同模式间的模式耦合，确保了模式的弱耦合特性。
此外，下陷包层也是椭圆形设计，其好处是，一方面，在制造时，各层沉积完成之后，在后续调整芯区形状的过程中，下陷包层会随之发生变化，形成椭圆形状，这种过程是自然而成的，使得下陷包层的形状变化过程并非特意增加工序而成，相对而言，减少了一道模式调控步骤，另一方面，将下陷包层设计为椭圆形还是可以进一步引入双折射效应，从而增大偏振模式间的传播常数差，对于异常模式耦合起到一定的作用。
本实施例的少模光纤剖面结构简单，芯层与纯石英材料的相对折射率差相对较低，降低了弱耦合少模光纤的制备难度，在保证模式间有效折射率＞10-3的前提下，模式数量最大可以达到16模，通过增加模式复用数量，大幅提高了空间集成维数密度和传输容量。同时本申请不需要特殊材料涂覆，可满足今后高速大容量光纤传输系统的需求。
工作波长为1550nm时，少模光纤可用的最大传输模式数量为16模，且所有模式的光信号在1550nm的传输损耗均不大于0.25dB/km。
在一些优选的实施方式中，椭圆芯层1和椭圆环形芯层2均掺有锗，由于掺杂锗，相对折射率差较高，从而使得少模光纤容许更小的截止波长，同时为了保证良好的弯曲性能，在椭圆环形芯层2的外周围设计掺有氟的椭圆环形下陷包层3，实现少模光纤的抗弯性能，外包层4采用纯石英。
之所以在椭圆纤芯的少模光纤中引入空气孔，是因为空气孔辅助型椭圆纤芯的少模光纤比常规椭圆纤芯的少模光纤具有更大的双折射效应，具有更宽的模式折射率的调整范围。空气孔离芯区的距离越近，空气孔的孔径越大，其引入的双折射效应越显著，从而越容易调整模式的模场分布；空气孔离芯区的距离越远，空气孔的孔径越小，其引入的双折射效应越弱。但是，较强的双折射效应虽然有利于增大模式之间的折射率差，但也很容易使高阶模或者某个偏振方向的模式截止，导致光纤中的模式数量降低。因此需要合理调整空气孔离芯区的距离和芯径，保障高模式数量和低模式耦合的兼容性。正是基于此，在一些优选的实施方式中，两个空气孔5位于椭圆环形芯层2的长轴所在直线上，空气孔5与椭圆环形芯层2的外边缘的距离取值范围为5～30μm。
参见图1所示，在一些优选的实施方式中，椭圆芯层1、椭圆环形芯层2和椭圆环形下陷包层3的椭圆率取值范围为0.60～0.70，其中椭圆率为长轴半径与短轴半径的比值，椭圆芯层1的长轴半径R1X取值范围为1.5～4.0μm，椭圆环形芯层2的长轴半径R2X取值范围为5.0～8.5μm，椭圆环形下陷包层3的长轴半径R3X取值范围为12.0～17.0μm，外包层4的半径通常取值为62.5μm，空气孔5的半径取值范围为1.1～1.6μm。
本申请采用如下公式计算相对折射率差Δi：
其中，i＝1、2、3，n0为纯石英的折射率，当i＝1时，n1为椭圆芯层1的折射率，Δ1为椭圆芯层1与纯石英的相对折射率差；当i＝2时，n2为椭圆环形芯层2的折射率，Δ2为椭圆环形芯层2与纯石英的相对折射率差；当i＝3时，n3为椭圆环形下陷包层3的折射率，Δ3为椭圆环形下陷包层3与纯石英的相对折射率差。
参见图2所示，椭圆芯层1与纯石英的相对折射率差Δ1的取值范围为0.80％～1.65％，椭圆环形芯层2与纯石英的相对折射率差Δ2的取值范围为1.60％～2.20％，椭圆环形下陷包层3与纯石英的相对折射率差Δ3的取值范围为-0.30％～-0.65％。
以下结合具体的实施例对本申请作进一步的详细说明。
实施例一：
本实施例所述少模光纤采用阶跃折射率分布设计，椭圆芯层1使用掺锗石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ1为1.05％。椭圆环形芯层2使用掺锗石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ2为1.98％。椭圆环形下陷包层3使用掺氟石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ3为-0.56％。外包层4使用纯石英材料。椭圆芯层1的长轴半径R1X为3.2μm，椭圆率为0.64，椭圆环形芯层2的长轴半径R2X为6.0μm，椭圆环形下陷包层3的长轴半径R3X为13.0μm。空气孔5的半径为1.2μm，外包层4的半径为62.5μm。本实施例少模光纤的少模芯区内支持十个模式。
实施例二：
本实施例所述少模光纤采用阶跃折射率分布设计，椭圆芯层1使用掺锗石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ1为0.95％。椭圆环形芯层2使用掺锗石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ2为2.20％。椭圆环形下陷包层3使用掺氟石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ3为-0.62％。外包层4使用纯石英材料。椭圆芯层1的长轴半径R1X为3.6μm，椭圆率为0.62，椭圆环形芯层2的长轴半径R2X为7.8μm，椭圆环形下陷包层3的长轴半径R3X为15.0μm。空气孔5的半径为1.5μm，外包层4的半径为62.5μm。本实施例少模光纤的少模芯区内支持十四个模式。
实施例三：
本实施例所述少模光纤采用阶跃折射率分布设计，椭圆芯层1使用掺锗石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ1为0.95％。椭圆环形芯层2使用掺锗石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ2为2.08％。椭圆环形下陷包层3使用掺氟石英材料，与纯石英的相对折射率差Δ3为-0.60％。外包层4使用纯石英材料。椭圆芯层1的长轴半径R1X为4.0μm，椭圆率为0.62，椭圆环形芯层2的长轴半径R2X为8.5μm，椭圆环形下陷包层3的长轴半径R3X为16.5μm。空气孔5的半径为1.5μm，外包层4的半径为62.5μm。本实施例少模光纤的少模芯区内支持十六个模式。
由上述三个实施例可知，本申请提供的少模光纤，通过调整环芯的半径、折射率和椭圆度以及空气孔的位置和半径，可以有效调节不同模式间的最小有效折射率差。在保证模式间有效折射率＞10-3的前提下，模式数量最大可以达到16模，通过增加模式复用数量，大幅提高了光纤的传输容量。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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