用于非耦合模分復(fù)用傳輸?shù)沫h(huán)輔助型少模光纖及其傳輸方法
【專利摘要】一種用于非耦合模分復(fù)用傳輸?shù)沫h(huán)輔助型少模光纖及其傳輸方法，包括：纖芯和包層結(jié)構(gòu)，纖芯中設(shè)有一個高折射率環(huán)，該高折射率環(huán)在光纖中的位置處的LP02模的電場強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的(0,30％]處，所述的纖芯除高折射率環(huán)外其它部位折射率相同。本發(fā)明有效減小了傳輸過程中的模式耦合。通過這項技術(shù)，可以在保證模場面積基本不變的情況下，將模式間最小有效折射率差提高一倍以上，從而獲得大模場面積、低模式串?dāng)_的非耦合少模光纖，對于中短距離模分復(fù)用傳輸具有重要意義和應(yīng)用前景。
【專利說明】
用于非耦合模分復(fù)用傳輸?shù)沫h(huán)輔助型少模光纖及其傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖通信領(lǐng)域的技術(shù)，具體涉及一種用于模分復(fù)用光傳輸?shù)娜躐?合少模光纖及其傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，數(shù)據(jù)傳輸需求持續(xù)保持約40%的年增長率，對于光纖通信系統(tǒng)的容量提 出了更高的要求。通過采用高功率拉曼放大、密集波分復(fù)用等先進(jìn)的復(fù)用方式以及相干探 測和DSP數(shù)字處理技術(shù)，普通單模光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量得到了非常大的提升，已經(jīng)接近其理 論上限100Tb/ S。因此，為了進(jìn)一步提升單根光纖的傳輸容量，基于少模光纖的模分復(fù)用技 術(shù)吸引了眾多研究人員的目光。
[0003] 目前模分復(fù)用技術(shù)主要有兩個實現(xiàn)方案。其一是基于強(qiáng)模式耦合的方案，其關(guān)鍵 是要盡可能地減小整條鏈路的差分模式群延時(DMGD)，使得所有模式能夠同時被一個復(fù)雜 的2N*2N(N為空間模式的數(shù)量）的ΜΜ0技術(shù)探測，而無需考慮模式耦合引入的串?dāng)_問題。在 這一方案中，差分模式群延時以及模式相關(guān)損耗的增加會大大增加ΜΜ0系統(tǒng)的復(fù)雜度，盡 管各模式群之間較強(qiáng)的耦合可以一定程度上減小差分模式群延時和模式相關(guān)損耗，但仍然 需要對少模光纖進(jìn)行合理設(shè)計使差分模式群延時最小化，目前主要采用制備工藝較為復(fù)雜 的漸變折射率光纖。
[0004] 方案二是基于弱模式耦合的方案，其關(guān)鍵是抑制模式間的耦合，使得各模式作為 獨立的信道傳輸信號，且非簡并的和簡并的LP模式可以分別由2*2和4*4的MMO技術(shù)獨立探 測，可以免受模式差分群延時的影響，并大大減小ΜΜ0的復(fù)雜度。這一方案要求光纖鏈路長 度小于任意兩個模式間的相干長度，因此適用于中短距離的光通信。為獲得小的模式串?dāng)_ 和更長的傳輸距離，這一方案要求設(shè)計高模式有效折射率差的光纖，目前主要采用在制備 工藝較為簡單的階躍折射率光纖基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。
[0005] 在傳輸模式數(shù)確定的情況下（即V值確定），增大纖芯/包層折射率差，可以獲得更 高的模式有效折射率差和更低的彎曲損耗，但是這意味著需要減小纖芯尺寸，進(jìn)而使得模 場面積下降，光纖將更容易面臨非線性效應(yīng)的威脅。而如果增大纖芯尺寸，減小纖芯包層折 射率差，雖然可以獲得較高的模場面積，但是會減小模式間的有效折射率差，并增大彎曲損 耗。理論研究表明，模式有效折射率差大于10- 3能夠有效緩解模式串?dāng)_問題，如何在獲得較 高模式間有效折射率差的同時獲得較大的模場面積和較低的高階模彎曲損耗仍然是一個 亟待解決的問題。
[0006] 0FS公司采用大纖芯(直徑25μπι)、低折射率差(n_-nclad ing = 0.005)的階躍折射率 方案，實現(xiàn)了模場面積大于280μπι2的四模光纖，有效抑制了非線性效應(yīng)。然而這一方案帶來 的顯著問題是，LP 2^LPQ2模的有效折射率差小于0.4*10-3，極易引起模式串?dāng)_，此外該光纖 在1550nm處還支持LP 31模傳輸，且對彎曲十分敏感。
[0007] Sillard等人[P · Sillard，M. Bigot-Astruc，D· Boivin，H.Maerten&L·Provost， "Few-mode fiber for uncoupled mode-division multiplexing transmissions，''in Proc.Eur.Conf .Opt.Commun. ,2011，Paper Tu.5]詳細(xì)分析了常規(guī)階躍式少模光纖的模式 有效折射率差與模場面積之間的相互制約關(guān)系，并設(shè)計了最小模式有效折射率差(1^21與 LP〇2模式)為0.8*10-3且模場面積大于118μπι2的四模光纖，且具有較低的損耗。然而在保證彎 曲損耗等特性不惡化的情況下，如何進(jìn)一步提高模場直徑與模式間有效折射率差仍然缺少 有效的方案。
[0008] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CN103649797A，公開（公告）日 2014.03.19，公開了 一種少模光纖，纖芯為階躍折射率分布，包層可以包括外包層區(qū)域和位 于纖芯與外包層區(qū)域中間的向下?lián)诫s的溝槽區(qū)域。該結(jié)構(gòu)被配置為支持多個希望的導(dǎo)模傳 輸，而不希望的高階模成為漏模，并且具有最低有效折射率的希望的模與具有最高有效折 射率的漏模間有效折射率差足夠大以有效防止他們之間的耦合。但該技術(shù)僅在支持LP01和 LP11模的兩模光纖中能獲得大于0.9 X ΚΓ3的有效折射率差，而其描述的支持四個LP模式的 光纖中，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的有效折射率差小于0.5ΧΠΓ 3,難以有效抑制LP21與LP02模之間 的耦合，因此該技術(shù)方案不適用于支持4個或更多LP模式的弱耦合少模光纖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對非耦合模分復(fù)用的技術(shù)瓶頸，以階躍型折射率光纖為基礎(chǔ)，結(jié)合創(chuàng)新 型的高折射率環(huán)，并根據(jù)需求在必要時可采用溝槽輔助結(jié)構(gòu)對彎曲損耗進(jìn)行補(bǔ)償，提出了 一種用于非耦合模分復(fù)用傳輸?shù)沫h(huán)輔助型少模光纖及其傳輸方法，通過在纖芯中特定位置 增加高折射率環(huán)，使得原階躍折射率光纖中各模式的有效折射率重新分布，特別的，1^ 21與 LP〇2模式間的有效折射率差顯著提高，從而有效減小了傳輸過程中的模式耦合。通過這項技 術(shù)，可以在保證模場面積基本不變的情況下，將模式間最小有效折射率差提高一倍以上，從 而獲得大模場面積、低模式串?dāng)_的非耦合少模光纖，對于中短距離模分復(fù)用傳輸具有重要 意義和應(yīng)用前景。
[0010] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0011] 本發(fā)明涉及一種用于非耦合模分復(fù)用傳輸?shù)沫h(huán)輔助型少模光纖，包括:纖芯和包 層結(jié)構(gòu)，纖芯中設(shè)有一個高折射率環(huán)，該高折射率環(huán)在光纖中的位置處的LP Q2模的電場強(qiáng)度 為峰值強(qiáng)度的(〇,30%]處，所述的纖芯除高折射率環(huán)外其它部位折射率相同。
[0012] 所述的高折射率環(huán)與纖芯的相對折射率差為(0，0.40% ]，優(yōu)選[0.15%，0.30% ]。
[0013] 所述的高折射率環(huán)優(yōu)選在光纖中的位置處的LPQ2模的電場強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的（0， 20%]處。
[0014] 所述的纖芯與包層具有階躍折射率分布以支持多個希望的導(dǎo)模低損耗傳輸?shù)耐?時抑制不希望的模式。
[00?5 ] 所述的光纖的最高階導(dǎo)模在彎曲半徑1 〇mm情況下的彎曲損耗小于l〇dB/turn，第 一個漏模在彎曲半徑為140mm情況下的彎曲損耗大于ldB/m，優(yōu)選為各模式間具有較高的有 效折射率差，各模式間最小有效折射率差大于ΠΓ 3,且各模式模場面積大于100μπι2。
[0016]所述的模場面積優(yōu)選大于80μπι2,各模式間最小有效折射率差優(yōu)選大于0.5ΧΚΓ3。 [0017]所述的纖芯半徑優(yōu)選為7.3~8.5μπι，纖芯與包層結(jié)構(gòu)的相對折射率差Δη為 [0.63 %，0.92 % ]，高折射率環(huán)內(nèi)圓半徑Rin_ring為3.5μπι~3.8μπι，高折射率環(huán)的徑向厚度 Wring為1.5μπι~1.8μπι，高折射率環(huán)與纖芯的相對折射率差Δ η+進(jìn)一步優(yōu)選為[0.20%， 0.30%]〇
[0018] 所述的纖芯和包層結(jié)構(gòu)之間優(yōu)選進(jìn)一步設(shè)有低折射率溝槽結(jié)構(gòu)，該溝槽結(jié)構(gòu)的徑 向?qū)挾萕tr_h為4. Ομπι，溝槽結(jié)構(gòu)與包層結(jié)構(gòu)的相對折射率差Δ if為〇. 25 %。
[0019] 本發(fā)明涉及上述環(huán)輔助型少模光纖的應(yīng)用，將其用于制備模式耦合器，模式耦合 器轉(zhuǎn)換效率大于50%，優(yōu)選大于70% ;模式消光比大于10dB，優(yōu)選大于15dB。
[0020] 本發(fā)明涉及上述環(huán)輔助型少模光纖的非耦合模分復(fù)用傳輸方法，通過在信號發(fā)送 端采用具有所述環(huán)輔助型少模光纖的模式耦合器將不同的信號以不同的模式耦合到少模 光纖中；在信號接收端采用模式解復(fù)用器將不同的LP模式分離，并用光電探測器進(jìn)行對應(yīng) 的接收。 技術(shù)效果
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過在LPQ2模模場分布較弱的位置引入高折射率環(huán)，改變 了階躍折射率光纖中各模式的有效折射率，在保持與常規(guī)階躍折射率光纖基本相同的模場 面積的情況下，顯著提高了 1^21與1^〇2模式的有效折射率差，各模式間最小有效折射率差提 高了一倍以上，從而大大減小了傳輸過程中的模式耦合和模間非線性效應(yīng)，應(yīng)用本發(fā)明所 述光纖制備的模式耦合器有望實現(xiàn)更好的1^ 21與1^〇2模的模式消光比。同時，階躍折射率的 光纖設(shè)計方案顯著減小了制備難度，本發(fā)明所述光纖對中短距離非耦合模分復(fù)用技術(shù)的發(fā) 展具有重要的意義。
【附圖說明】
[0022] 圖1為V = 5.1常規(guī)階躍折射率光纖模式有效折射率差與模場面積的制約關(guān)系； [0023]圖2為實施例1的光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖中：（a)為光纖截面結(jié)構(gòu)示意圖；（b)為光纖截面折射率分布示意圖，1為纖芯、2 為高折射率環(huán)、3為包層結(jié)構(gòu)；
[0025] 圖3(a)為實施例1高折射率環(huán)位置示意圖，圖3(b)_(f)為所支持傳導(dǎo)的四個模式 以及第一個漏模的模場分布圖，其中（b)LP01模，（c)LPll模，（d)LP21模，（e)LP02模，（f) LP31模；
[0026] 圖4為實施例1的設(shè)計改進(jìn)效果與設(shè)計容限計算結(jié)果圖；
[0027] 圖5為實施例2的光纖結(jié)構(gòu)不意圖；
[0028] 圖6為實施例2的設(shè)計改進(jìn)效果與設(shè)計容限計算結(jié)果圖；
[0029]圖中：（a)為光纖截面結(jié)構(gòu)示意圖；（b)光纖截面折射率分布示意圖，1為纖芯、2為 高折射率環(huán)、3為包層結(jié)構(gòu)、4為溝槽結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】 實施例1
[0030]本實施例中，設(shè)計并優(yōu)化了一種環(huán)輔助型弱耦合四模光纖。為確保四模操作且最 高階導(dǎo)模(LPQ2模)能夠低損耗傳輸，首先研究V = 5.1情況下的階躍折射率光纖可能存在的 纖芯尺寸和折射率組合，并研究它們在1550nm處各模式間有效折射率差和模場面積隨光纖 參數(shù)的變化關(guān)系。如圖1所示，在保持V值不變的情況下，隨著纖芯尺寸的增大，各模式的有 效折射率差逐漸減小，各模式的最小模場面積顯著增加，因此對于常規(guī)階躍式結(jié)構(gòu)少模光 纖來說，模式有效折射率差與模場面積間存在明顯的相互制約關(guān)系，且限制瓶頸主要是LP21 與lpQ2之間很小的折射率差。要想確保模式間最小有效折射率差大于10-3,最小模場面積就 不能超過lOOwn 2。
[0031] 本實施例中，光纖結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，橫線所示區(qū)域為纖芯1，豎線所示區(qū)域為纖 芯中高折射率環(huán)2。如圖2(b)所示，為該光纖截面折射率的示意圖，如圖可見：纖芯直徑為 2R，纖芯/包層相對折射率差為Δ n，纖芯中高折射率環(huán)的內(nèi)圓直徑為2Rin_ring，環(huán)徑向?qū)挾?為Wring，環(huán)與纖芯的相對折射率差為Δ n+。
[0032] 如圖3所示為高折射率環(huán)與不同模式空間交疊情況示意圖，可見當(dāng)高折射率環(huán)恰 好置于LP〇2模模場分布較弱的位置時，LP〇2模與高折射率環(huán)交疊面積很小，而其它模式與高 折射率環(huán)模場交疊面積較大，因此高折射率環(huán)的引入對于不同模式的有效折射率有不同的 效果:LP Q2模有效折射率基本不變，其它模式有效折射率增加。設(shè)計光纖纖芯半徑為7.5μπι， 包層為純二氧化硅，纖芯與包層結(jié)構(gòu)的相對折射率差為0.67%，相應(yīng)的階躍折射率光纖中 模間最小有效折射率差為〇. 8 X 10-3。高折射率環(huán)內(nèi)圓半徑Rin_ring為3.5μπι，改變環(huán)的厚度 W ring和環(huán)與纖芯的相對折射率差Λη+，如圖4所示，隨著環(huán)的厚度和折射率差增加，1^21與 LP 〇2模的有效折射率差增加（如實線所示），有利于減小二者間的模式耦合;而LPQ2與1^31模 的有效折射率差減小(如虛線所示），易引起兩者間的耦合并增大LP Q2模的傳輸損耗。通過調(diào) 整環(huán)的參數(shù)，可以實現(xiàn)各模式間有效折射率差大于1.8*10-3,從而實現(xiàn)低的模式串?dāng)_。
[0033] 考慮到四模光纖設(shè)計要使得LP31模截止，因此還需對纖芯尺寸及纖芯/包層折射率 差進(jìn)行調(diào)整，如圖5所示?？梢?，在箭頭所示區(qū)域內(nèi)，光纖能夠在C波段內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的四模傳 輸。最終確定光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:包層為純Si0 2材料，纖芯半徑R為7.3μπι，纖芯與包層結(jié)構(gòu) 的相對折射率差為〇. 63 %，高折射率環(huán)內(nèi)圓半徑Rin_ring為3.5μπι，環(huán)徑向厚度1_為1.5μπι， 環(huán)與纖芯的相對折射率差Δ η+為0.30%。計算得到的光纖在1550nm處性能參數(shù)如表1所示， 經(jīng)驗證此光纖在整個C波段均能正常使用，最小模場面積約122μπι 2，模間有效折射率差達(dá)到 1.9 X 10-3，比相近參數(shù)及模場面積的階躍折射率光纖提高超過130 % (從0.8 X 10-3到1.9 X 10-3)。
[0034]表1為實施例1中特定光纖的性能計算結(jié)果。
實施例2
[0035] 本實施例中設(shè)計了一種帶溝槽的環(huán)輔助型弱耦合七模光纖。光纖結(jié)構(gòu)如圖6(a)所 示，橫線所示區(qū)域為纖芯1，豎線所示區(qū)域為纖芯中高折射率環(huán)2,點所示區(qū)域為溝槽結(jié)構(gòu)4， 用于對彎曲損耗進(jìn)行補(bǔ)償。如圖6(b)所示，為該光纖截面折射率分布的示意圖，如圖可見： 纖芯直徑為2R，纖芯/包層相對折射率差為Δ n，纖芯中高折射率環(huán)的內(nèi)圓直徑為2Rin_ring， 環(huán)徑向?qū)挾葹閃 ring，環(huán)與纖芯的相對折射率差為Δη+，纖芯與包層之間設(shè)置一低折射率溝 槽，溝槽徑向?qū)挾葹閃trgh，溝槽/包層相對折射率差為Δ if。
[0036] 最終設(shè)計光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：纖芯半徑a為8.5μπι，纖芯與包層結(jié)構(gòu)的相對折射率 差Δ η為〇 . 92 %，高折射率環(huán)內(nèi)圓半徑Rin_ring為3.8μL?，環(huán)的厚度Wring為1.8μπι，環(huán)與纖芯的相 對折射率差Δ η+為〇. 20 %，溝槽寬度Wtrenc；h為4. Ομπι，溝槽結(jié)構(gòu)與包層結(jié)構(gòu)的相對折射率差 Δη-為0.25%。
[0037]光纖在1550nm處性能參數(shù)如表2所不。光纖最小模場面積為103μηι2,最小模間有效 折射率差為1.7 X 10-3，比相近模場面積的階躍式七模光纖提高超過100%。如果適度減小模 場面積，可以實現(xiàn)更大的模間有效折射率差。光纖在整個C+L波段表現(xiàn)出非常小的彎曲損耗 和優(yōu)秀的高階模截止性能。
[0038]表2為實施例2中特定光纖的性能計算結(jié)果。
[0039]上述具體實施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同 的方式對其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實施所 限，在其范圍內(nèi)的各個實現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。
【主權(quán)項】
1. 一種用于非耦合模分復(fù)用傳輸?shù)沫h(huán)輔助型少模光纖，其特征在于，包括:纖芯和包層 結(jié)構(gòu)，纖芯中設(shè)有一個高折射率環(huán)，該高折射率環(huán)在光纖中的位置處的LP Q2模的電場強(qiáng)度為 峰值強(qiáng)度的（〇,30%]處，所述的纖芯除高折射率環(huán)外其它部位折射率相同，高折射率環(huán)與 纖芯的相對折射率差為(0，0.40 % ]。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)輔助型少模光纖，其特征是，所述的高折射率環(huán)在光纖中的 位置處的LPQ2模的電場強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的(0,20%]。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)輔助型少模光纖，其特征是，所述的纖芯與包層具有階 躍折射率分布，以便在C波段或C+L波段支持三個以上LP模式低損耗傳輸，其它更高階模式 具有大的傳輸損耗。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)輔助型少模光纖，其特征是，所述的光纖的最高階導(dǎo)模 在彎曲半徑10mm情況下的彎曲損耗小于10dB/turn，第一個漏模在彎曲半徑為140mm情況下 的彎曲損耗大于ldB/m。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的環(huán)輔助型少模光纖，其特征是，所述的光纖的模場面積大于80 μπι2,各模式間最小有效折射率差大于0.5ΧΚΓ3。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任一所述的環(huán)輔助型少模光纖，其特征是，所述的纖芯半徑為 7.3~8.5μπι，纖芯與包層結(jié)構(gòu)的相對折射率差Δ η為[〇. 63%，0.92% ]，高折射率環(huán)內(nèi)圓半 徑Rin_ring為3.5μηι~3.8μηι，高折射率環(huán)的厚度Wring為1.5μηι~1.8μηι，高折射率環(huán)與纖芯的相 對折射率差Δ η+為[〇. 20 %，0.30 % ]。7. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任一所述的環(huán)輔助型少模光纖，其特征是，所述的纖芯和包層 結(jié)構(gòu)之間設(shè)有溝槽結(jié)構(gòu)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的環(huán)輔助型少模光纖，其特征是，所述的溝槽結(jié)構(gòu)的寬度 為4. Ομπι，溝槽結(jié)構(gòu)與包層結(jié)構(gòu)的相對折射率差Δ 1!_為〇. 25 %。9. 根據(jù)權(quán)利要求1~8中任一所述的環(huán)輔助型少模光纖，其特征是，所述的光纖在 1565nm處彎曲半徑為10mm時，最高階導(dǎo)模的彎曲損耗小于10dB/turn;在1530nm處彎曲半徑 為140mm時，更高階漏模損耗大于ldB/m。10. -種基于權(quán)利要求1~9中任一所述環(huán)輔助型少模光纖的應(yīng)用，其特征在于，將其用 于制備模式耦合器。11. 一種基于權(quán)利要求1~10中任一所述環(huán)輔助型少模光纖的非親合模分復(fù)用傳輸方 法，其特征在于，通過在信號發(fā)送端采用具有所述環(huán)輔助型少模光纖的模式耦合器將不同 的信號以不同的模式耦合到少模光纖中；在信號接收端采用模式解復(fù)用器將不同的LP模式 分離，并用光電探測器進(jìn)行對應(yīng)的接收。
【文檔編號】G02B6/028GK105866881SQ201610379205
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】何祖源, 馬麟, 姜壽林, 樊昕昱, 杜江兵, 張文甲, 徐曉, 李佳熊
【申請人】上海交通大學(xué)