一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤
阅读说明：本技术 一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤 (Double-layer fiber core optical fiber with multiband mode weak coupling ) 是由 刘洁 祝荷 莫舒淇 张景行 余思远 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光通信技术领域,公开了一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤,包括由内至外依次设置的中心纤芯、环形纤芯和包层,所述环形纤芯的折射率均大于所述中心纤芯、所述包层的折射率,所述中心纤芯的折射率大于所述包层的折射率,所述环形纤芯的宽度大于所述中心纤芯的直径,可增加轨道角动量角相零阶(径向一阶)和角相一阶(径向一阶)模式的有效折射率差,有效抑制低阶模式间的串扰,增加光纤的传输数据容量。并且,在光通信C波段、L波段以及O波段支持的所有非简并传导模组之间的有效折射率差均大于1×10～(-3),且在三个通信波段均具有超低模式串扰特性,均可以独立采用强度调制直接检测的方式进行光信号传输,无需相干检测加MIMO-DSP辅助。(The invention relates to the technical field of optical communication, and discloses a multiband-mode weakly-coupled double-layer fiber core optical fiber which comprises a central fiber core, an annular fiber core and a cladding which are sequentially arranged from inside to outside, wherein the refractive indexes of the annular fiber core are respectively greater than those of the central fiber core and the cladding, the refractive index of the central fiber core is greater than that of the cladding, the width of the annular fiber core is greater than the diameter of the central fiber core, so that the effective refractive index difference of orbital angular momentum angular phase zeroth order (radial first order) and angular phase first order (radial first order) modes can be increased, the crosstalk among low-order modes can be effectively inhibited, and the transmission data capacity of the optical fiber can be increased. And the effective refractive index difference among all nondegenerate conduction modules supported by the optical communication C-band, L-band and O-band is larger than 1 multiplied by 10 ‑3 And all three communication bands are ultra-lowThe mode crosstalk characteristic can independently adopt an intensity modulation direct detection mode to carry out optical signal transmission without the assistance of coherent detection and MIMO-DSP.)
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤。
背景技术
随着互联网的发展，人们对通信容量的要求不断提升。目前商用单模光纤通信系统由于受到光纤非线性效应、光放大器自发辐射噪声的影响，其容量增长已经遇到瓶颈，无法满足未来通信容量需求的快速增长。模分复用技术利用多种模式作为独立的传输信道，被认为是提高空间域自由度和扩大信容量的一种有效方法。然而，对于基于少模光纤的模分复用方案，随着系统容量的扩展和传输距离的增加，多输入多输出算法的复杂度也不断升高，以对抗各个模式之间的相互串扰以及模式间时延。弱耦合少模光纤的模分复用系统有助于降低多输入多输出算法的复杂度。然而，支持弱耦合模分复用系统的光纤的折射率剖面相对复杂，通常设计为三层、六层或更多芯层以实现高阶模组之间的弱耦合，引起了制作工艺复杂度的增加。目前，支持线偏振或轨道角动量模式的环芯光纤已被广泛用于低多输入多输出复杂度的模分复用系统。由于环芯光纤的径向限制，其支持的模式径向阶数始终为一。尽管环芯光纤对高阶方位角模式具有良好的可扩展性，但相邻低阶模式之间仍然存在强模式串扰，这大大限制了基于环芯光纤的模分复用系统中可用的弱耦合模式信道的数量。
现有的环芯光纤通常在光纤的中心区域设置为低折射率区，中心区域的有效折射率通常等于包层的有效折射率，使得支持的模式径向阶数始终为一，降低了高阶方位角模式之间的串扰。但是，由于轨道角动量角相零阶(径向一阶)模式的电场分布主要集中在光纤中心，因此，在光纤中心处的低折射率区域导致轨道角动量角相零阶(径向一阶)模式有效折射率减小，进而引起轨道角动量角相零阶(径向一阶)模式与其相邻的角相一阶(径向一阶)模式的串扰耦合增大，模式利用效率低。
中国发明专利CN106950644A(公开日为2017年07月14日)公开了一种弱导环形结构光纤，其特征在于，包括：环形纤芯、中心区域和包层；所述环形纤芯的折射率与所述包层的折射率之间的相对折射率差不超过1％，且所述环形纤芯的折射率与所述中心区域的折射率之间的相对折射率差不超过1％；所述环形纤芯的内环半径扫描范围取12～24μm，环宽扫描范围为1μm～6μm；所述弱导环形结构光纤仅支持多通道径向一阶模式且分为不同模群；第一个模群2个模式，其余模群各4个模式，除了前两个模群，其余模群间的有效折射率差均>10-4。该专利的光纤采用环形纤芯设计，内环比较大，环宽比较小，使各阶模式的有效折射率较小，导致传输过程中的模式耦合较大，模组间串扰大。
发明内容
本发明的目的是提供一种模组间低串扰的多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤。
为了实现上述目的，本发明提供了一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤，包括由内至外依次设置的中心纤芯、环形纤芯和包层，所述环形纤芯的折射率均大于所述中心纤芯、所述包层的折射率，所述中心纤芯的折射率大于所述包层的折射率，所述环形纤芯的宽度大于所述中心纤芯的直径。
作为优选方案，所述中心纤芯与所述包层之间的相对折射率差不小于0.4％，所述环形纤芯与所述包层之间的相对折射率差不小于0.8％。
作为优选方案，所述中心纤芯与所述包层之间的相对折射率差为0.415％；所述环形纤芯与所述包层之间的相对折射率差为0.824％。
作为优选方案，所述中心纤芯的半径为0.5μm～1.5μm，所述环形纤芯的环宽为5.5μm～8.5μm。
作为优选方案，所述中心纤芯的半径为1.4μm，所述环形纤芯的环宽为6.4μm。
作为优选方案，所述中心纤芯(1)和所述环形纤芯的折射率为阶跃折射率分布或渐变折射率分布。
作为优选方案，所述中心纤芯和所述环形纤芯均采用掺杂有二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料制备。
作为优选方案，所述包层采用纯二氧化硅材料制备。
作为优选方案，所述包层采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料制备。
作为优选方案，所述光纤支持光纤本征模式、线偏振模式或轨道角动量模式。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的环形纤芯的宽度大于中心纤芯的直径，通过增加环形纤芯的宽度，减小中心纤芯直径的大小以缩小光纤中心低折射率区域的方法调节轨道角动量角相零阶(径向一阶)的有效折射率，进而减小低阶模式间的串扰。
(2)本发明的双层纤芯结构光纤有效的增大了轨道角动量角相零阶(径向一阶)和角相一阶(径向一阶)的有效折射率差，降低模式间串扰以及多输入多输出计算复杂度，增加了可用独立模式数。
(3)本发明的中心纤芯采用正掺杂材料制备，以可提高中心纤芯的折射率，可以辅助调节轨道角动量角相零阶(径向二阶)模式的有效折射率，进而减小轨道角动量角相零阶(径向二阶)模式与相邻模式间的串扰。
(4)本发明的光纤在光通信C波段、L波段以及O波段支持的所有非简并传导模组之间的有效折射率差均大于1×10-3，可实现三波段的传输。
附图说明
图1是本发明实施例的光纤的截面示意图及折射率分布图。
图2是本发明实施例的光纤在C波段支持的5个轨道角动量模组的有效折射率随波长的变化曲线。
图3是本发明实施例的光纤在L波段支持的5个轨道角动量模组的有效折射率随波长的变化曲线。
图4是本发明实施例的光纤在O波段支持的7个轨道角动量模组的有效折射率随波长的变化曲线。
图中，1-中心纤芯；2-环形纤芯；3-包层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。
如图1所示，本发明优选实施例的一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤，包括由内至外依次设置的中心纤芯1、环形纤芯2和包层3，环形纤芯2的折射率均大于中心纤芯1、包层3的折射率，中心纤芯1的折射率大于包层3的折射率，环形纤芯2的宽度大于中心纤芯1的直径。本实施例的环形纤芯2的宽度大于中心纤芯1的直径，通过增加环形纤芯2的宽度，减小中心纤芯1的直径的大小以缩小光纤中心低折射率区域的方法调节轨道角动量角相零阶(径向一阶)的有效折射率，进而减小低阶模式间的串扰。另外，本实施例双层纤芯结构光纤有效的增大了轨道角动量角相零阶(径向一阶)和角相一阶(径向一阶)的有效折射率差，降低模式间串扰以及多输入多输出计算复杂度，增加了可用独立模式数。本实施例的光纤结构引入高阶模式，即角相零阶和径向一阶。并且，本实施例的光纤在光通信C波段、L波段以及O波段支持的所有非简并传导模组之间的有效折射率差均大于1×10-3，可实现三波段的传输。本实施例的光纤的剖面结构，使得光纤在O波段、C波段和L波段支持的各模式的有效折射率均匀分布，且有效折射率差均大于1×10-3，实现三波段传输。
进一步地，中心纤芯1与包层3之间的相对折射率差不小于0.4％，环形纤芯2与包层3之间的相对折射率差不小于0.8％。本实施例的中心纤芯1与包层3之间的相对折射率差为0.415％，环形纤芯2与包层3之间的相对折射率差为0.824％。
进一步地.中心纤芯1的半径为0.5μm～1.5μm，环形纤芯2的环宽为5.5μm～8.5μm。本实施例的中心纤芯1的半径为1.4μm，环形纤芯2的环宽为6.4μm。
可选地，中心纤芯1和环形纤芯2的折射率为阶跃折射率分布或渐变折射率分布。本实施例采用阶跃折射率分布，如图1所示。另外，中心纤芯1和环形纤芯2均采用掺杂有二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料制备。由于轨道角动量角相零阶(径向二阶)模式的模场分布主要集中在中心纤芯1，因此采用正掺杂的材料制备中心纤芯1，可提高中心纤芯1的折射率，可以辅助调节轨道角动量角相零阶(径向二阶)模式的有效折射率。此外，包层3采用纯二氧化硅材料制备，或者，包层3采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料制备。
本实施例的光纤支持光纤的本征模式、线偏振模式或轨道角动量模式。
本实施例的光纤的结构设计参数包括中心纤芯1的半径r1，环形纤芯2的环宽d。包层3的半径取62.5μm。在全矢量有限元分析方法中，根据对于模式数目的要求确定光纤各参数初步范围，根据对模式有效折射率差的要求进一步确定光纤各参数范围，给出满足需求的双层环芯光纤基本结构参数。具体方法是通过COMSOL Multiphysics 5.4with MATLAB软件对中心纤芯1的半径r1，环形纤芯2的环宽d，中心纤芯1的折射率n1，环形纤芯2的折射率n2四个变量在一定范围内进行分点扫描，仿真得到一个光纤参数组合下光纤中支持的模式数目及模式有效折射率分布，找到满足需求的双层环芯光纤结构。其中中心纤芯1的半径r1的扫描范围为0.5μm～1.5μm，外层环形纤芯的环宽d的扫描范围为5.5μm～8.5μm。
对于本实施例用到的阶跃型双层纤芯结构光纤，提供在光通信C波段、L波段以及O波段支持的所有非简并传导模组之间的有效折射率差均大于1×10-3。中心纤芯1的半径和环形纤芯2的环宽分别为1.4μm和6.4μm。包层3的半径为62.5μm。中心纤芯1和包层3的相对折射率差为0.415％，环形纤芯2和包层3的相对折射率差为0.824％。
如图2所示，图2显示了本实施例的光纤在整个C波段(1520nm到1565nm)中支持的所有非简并传导模组的有效折射率随波长的变化曲线。该种光纤结构在C波段共支持5个非简并传导模组，相邻模组间的有效折射率差均大于1×10-3。
如图3所示，图3显示了本实施例的光纤在整个L波段(1565nm到1625nm)中支持的所有非简并传导模组的有效折射率随波长的变化曲线。该种光纤结构在L波段共支持5个非简并传导模组，相邻模组间的有效折射率差均大于1×10-3。
如图4所示，图4显示了本实施例的光纤在整个O波段(1260nm到1360nm)支持的所有非简并传导模组的有效折射率随波长的变化曲线。该种光纤结构在O波段共支持7个非简并传导模组，相邻模组间的有效折射率差均大于1×10-3。
本实施例的光纤可支持在三波段(C波段，L波段和O波段)传输，实现模式间超低串扰，所有模式均独立支持强度调制直接检测的光信号传输方案，不需要相干检测加MIMO-DSP技术。
综上，本发明实施例提供一种多波段模式弱耦合的双层纤芯光纤，其双层纤芯结构光纤旨在增加轨道角动量角相零阶(径向一阶)和角相一阶(径向一阶)模式的有效折射率差，有效抑制低阶模式间的串扰，增加光纤的传输数据容量。本发明解决了现有光纤结构复杂，制造工艺难度高且传输波段单一，模式数量少，模式间串扰大，传输距离短等问题，在长距离(百公里)、大容量和三波段信息传输产业化中具有重要的应用价值。具体地，本发明提供的双层纤芯结构光纤具有如下优点：(1)增大了轨道角动量角相零阶(径向一阶)和角相一阶(径向一阶)的有效折射差，降低了模式间串扰，增加了可利用的模式数；(2)在光通信C波段、L波段以及O波段支持的所有非简并传导模组之间的有效折射率差均大于1×10-3，且本发明的光纤在三个通信波段均具有超低模式串扰特性，均可以独立采用强度调制直接检测的方式进行光信号传输，无需相干检测加MIMO-DSP辅助，可实现三波段的传输；(3)兼容现有成熟的商用普通单模光纤和多模光纤拉制工艺，光纤损耗低，加工成本低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
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