用于非耦合模分復用傳輸的環輔助型少模光纖及其模式耦合器的制造方法
【專利摘要】一種用于非耦合模分復用傳輸的環輔助型少模光纖及其模式耦合器，包括：纖芯和包層結構，纖芯中設有一個高折射率環，該高折射率環在光纖中的位置處的LP02模的電場強度為峰值強度的(0,30％]處，所述的纖芯除高折射率環外其它部位折射率相同。本實用新型有效減小了傳輸過程中的模式耦合。通過這項技術，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、低模式串擾的非耦合少模光纖，對于中短距離模分復用傳輸具有重要意義和應用前景。
【專利說明】
用于非輔合模分復用傳輸的環輔助型少模光纖及其模式輔 合器
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種光纖通信領域的技術，具體設及一種用于模分復用光傳輸的 弱禪合少模光纖及其模式禪合器。
【背景技術】
[0002] 近年來，數據傳輸需求持續保持約40%的年增長率，對于光纖通信系統的容量提 出了更高的要求。通過采用高功率拉曼放大、密集波分復用等先進的復用方式W及相干探 測和DSP數字處理技術，普通單模光纖網絡的傳輸容量得到了非常大的提升，已經接近其理 論上限lOOTb/s。因此，為了進一步提升單根光纖的傳輸容量，基于少模光纖的模分復用技 術吸引了眾多研究人員的目光。
[0003] 目前模分復用技術主要有兩個實現方案。其一是基于強模式禪合的方案，其關鍵 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雜 的2r#2N(N為空間模式的數量）的MIMO技術探測，而無需考慮模式禪合引入的串擾問題。在 運一方案中，差分模式群延時W及模式相關損耗的增加會大大增加 MIMO系統的復雜度，盡 管各模式群之間較強的禪合可W-定程度上減小差分模式群延時和模式相關損耗，但仍然 需要對少模光纖進行合理設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雜 的漸變折射率光纖。
[0004] 方案二是基于弱模式禪合的方案，其關鍵是抑制模式間的禪合，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W分別由巧巧日4*4的MIMO技術獨立探 測，可W免受模式差分群延時的影響，并大大減小MIMO的復雜度。運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。為獲得小的模式串擾 和更長的傳輸距離，運一方案要求設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上進行設計優化。
[0005] 在傳輸模式數確定的情況下（即V值確定），增大纖忍/包層折射率差，可W獲得更 高的模式有效折射率差和更低的彎曲損耗，但是運意味著需要減小纖忍尺寸，進而使得模 場面積下降，光纖將更容易面臨非線性效應的威脅。而如果增大纖忍尺寸，減小纖忍包層折 射率差，雖然可W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ICT3能夠有效緩解模式串擾問題，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] OFS公司采用大纖忍(直徑25皿）、低折射率差(rwe-nciading=0.005)的階躍折射率 方案，實現了模場面積大于280皿2的四模光纖，有效抑制了非線性效應。然而運一方案帶來 的顯著問題是，化1與LP02模的有效折射率差小于0.4*1(T3,極易引起模式串擾，此外該光纖 在1550nm處還支持LP31模傳輸，且對彎曲十分敏感。
[0007] Si Ilard 等人[P. Si Ilard, M. Bigot-Astruc, D. Boivin, H.Maertenc&L. Provost, ('Few-mode fiber for uncoupled mode-division multiplexing transmissions，，'in F*roc.Eur.Conf .Opt.Commun. ,2011 ,Paper Tu.5]詳細分析了常規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系，并設計了最小模式有效折射率差化P21與 LP02模式)為0.8*1(T3且模場面積大于11祉m2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。 【實用新型內容】
[0008] 本實用新型針對非禪合模分復用的技術瓶頸，W階躍型折射率光纖為基礎，結合 創新型的高折射率環，并根據需求在必要時可采用溝槽輔助結構對彎曲損耗進行補償，提 出了一種用于非禪合模分復用傳輸的環輔助型少模光纖及其模式禪合器，通過在纖忍中特 定位置增加高折射率環，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， LP21與LP02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禪合。通過 運項技術，可W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 W上，從而獲得大模場面積、低模式串擾的非禪合少模光纖，對于中短距離模分復用傳輸具 有重要意義和應用前景。
[0009] 本實用新型是通過W下技術方案實現的：
[0010] 本實用新型設及一種用于非禪合模分復用傳輸的環輔助型少模光纖，包括:纖忍 和包層結構，纖忍中設有一個高折射率環，該高折射率環在光纖中的位置處的LP02模的電場 強度為峰值強度的(〇,30%]處，所述的纖忍除高折射率環外其它部位折射率相同。
[0011] 所述的高折射率環與纖忍的相對折射率差為(0，0.40% ]，優選[0.15%，0.30% ]。
[0012] 所述的高折射率環優選在光纖中的位置處的LP02模的電場強度為峰值強度的（0， 20%]處。
[0013] 所述的纖忍與包層具有階躍折射率分布W支持多個希望的導模低損耗傳輸的同 時抑制不希望的模式。
[0014 ]所述的光纖的最高階導模在彎曲半徑1 Omm情況下的彎曲損耗小于10地/turn,第 一個漏模在彎曲半徑為HOmm情況下的彎曲損耗大于IdB/m，優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1(T3,且各模式模場面積大于100M12。
[0015] 所述的模場面積優選大于80WI12,各模式間最小有效折射率差優選大于0.5X1(T3。
[0016] 所述的纖忍半徑優選為7.3~8.5WI1，纖忍與包層結構的相對折射率差An為 [0.63 %，0.92 % ]，高折射率環內圓半徑Rin_ring為3.5皿~3 .祉m，高折射率環的徑向厚度 Wring為1.扣m~1.如m，高折射率環與纖忍的相對折射率差An+進一步優選為[0.20 %， 0.30%]。
[0017] 所述的纖忍和包層結構之間優選進一步設有低折射率溝槽結構，該溝槽結構的徑 向寬度Wtreneh為4.0皿，溝槽結構與包層結構的相對折射率差A n-為0.25 %。
[0018] 本實用新型設及一種模式禪合器，該模式禪合器中包括上述環輔助型少模光纖， 該模式禪合器轉換效率大于50%，優選大于70% ;模式消光比大于10地，優選大于15地。 [0019]技術效果
[0020]與現有技術相比，本實用新型通過在LP02模模場分布較弱的位置引入高折射率環， 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 LP21與LP02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W上，從而大大減小了傳輸過程中的模式禪合和模間非線性效應，應用本實 用新型所述光纖制備的模式禪合器有望實現更好的LP21與LP02模的模式消光比。同時，階躍 折射率的光纖設計方案顯著減小了制備難度，本實用新型所述光纖對中短距離非禪合模分 復用技術的發展具有重要的意義。
【附圖說明】
[0021] 圖1為V = 5.1常規階躍折射率光纖模式有效折射率差與模場面積的制約關系；
[0022] 圖2為實施例1的光纖結構示意圖；
[0023] 圖中：（a)為光纖截面示意圖；（b)為光纖剖面折射率分布示意圖，1為纖忍、2為高 折射率環、3為包層結構；
[0024] 圖3(a)為實施例1高折射率環位置示意圖，圖3(b)-(f)為所支持傳導的四個模式 W及第一個漏模的模場分布圖，其中（b)LPOl模，（C)LPll模，（d)LP21模，（e)LP02模，（f) LP31模；
[0025] 圖4為實施例1的設計改進效果與設計容限計算結果圖；
[0026] 圖5為實施例2的光纖結構示意圖；
[0027] 圖6為實施例2的設計改進效果與設計容限計算結果圖；
[0028] 圖中：（a)為光纖截面示意圖；（b)光纖剖面折射率分布示意圖，1為纖忍、2為高折 射率環、3為包層結構、4為溝槽結構。
【具體實施方式】
[00巧]實施例1
[0030] 本實施例中，設計并優化了一種環輔助型弱禪合四模光纖。為確保四模操作且最 高階導模化P〇2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 纖忍尺寸和折射率組合，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 參數的變化關系。如圖1所示，在保持V值不變的情況下，隨著纖忍尺寸的增大，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，因此對于常規階躍式結構少模光 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系，且限制瓶頸主要是LP21 與LP02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1(T3,最小模場面積就 不能超過100皿2。
[0031] 本實施例中，光纖結構如圖2(a)所示，橫線所示區域為纖忍1，豎線所示區域為纖 忍中高折射率環2。如圖2(b)所示，為該光纖剖面折射率的示意圖，如圖可見：纖忍直徑為 2R，纖忍/包層相對折射率差為A n，纖忍中高折射率環的內圓直徑為2Rin_ring，環徑向寬度 為Wring，環與纖忍的相對折射率差為A n+。
[0032] 如圖3所示為高折射率環與不同模式空間交疊情況示意圖，可見當高折射率環恰 好置于LP02模模場分布較弱的位置時，LP02模與高折射率環交疊面積很小，而其它模式與高 折射率環模場交疊面積較大，因此高折射率環的引入對于不同模式的有效折射率有不同的 效果:LP02模有效折射率基本不變，其它模式有效折射率增加。設計光纖纖忍半徑為7.5WI1， 包層為純二氧化娃，纖忍與包層結構的相對折射率差為0.67%，相應的階躍折射率光纖中 模間最小有效折射率差為0.8 X 1(T3。高折射率環內圓半徑Rin_ring為3.化m，改變環的厚度 Wring和環與纖忍的相對折射率差An+,如圖4所示，隨著環的厚度和折射率差增加，LP21與 LP02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禪合;而LP02與LP31模 的有效折射率差減小(如虛線所示），易引起兩者間的禪合并增大LP02模的傳輸損耗。通過調 整環的參數，可W實現各模式間有效折射率差大于1.8*1(T3,從而實現低的模式串擾。
[0033] 考慮到四模光纖設計要使得LP31模截止，因此還需對纖忍尺寸及纖忍/包層折射率 差進行調整，如圖5所示。可見，在箭頭所示區域內，光纖能夠在C波段內實現穩定的四模傳 輸。最終確定光纖結構參數如下:包層為純Si化材料，纖忍半徑R為7.3WH，纖忍與包層結構 的相對折射率差為0.63 %，高折射率環內圓半徑Rin_ring為3.5皿，環徑向厚度Wring為1.5WI1， 環與纖忍的折射率差An+為0.30%。計算得到的光纖在1550nm處性能參數如表1所示，經驗 證此光纖在整個C波段均能正常使用，最小模場面積約122WI12,模間有效折射率差達到1.9 X 1(T3，比相近參數及模場面積的階躍折射率光纖提高超過130 % (從0.8 X 1(T3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果。
[0035]
[0036] 實施例2
[0037] 本實施例中設計了一種帶溝槽的環輔助型弱禪合屯模光纖。光纖結構如圖6(a)所 示，橫線所示區域為纖忍1，豎線所示區域為纖忍中高折射率環2,點所示區域為溝槽結構4， 用于對彎曲損耗進行補償。如圖6(b)所示，為該折射率環的示意圖，如圖可見:如圖可見:纖 忍直徑為2R，纖忍/包層相對折射率差為An,纖忍中高折射率環的內圓直徑為2Rin_ring，環 徑向寬度為Wring,環與纖忍的相對折射率差為An%纖忍與包層之間設置一低折射率溝槽， 溝槽徑向寬度為Wtrench,溝槽/包層相對折射率差為A n-。
[0038] 最終設計光纖結構參數如下：纖忍半徑a為8.5WH，纖忍與包層結構的相對折射率 差A n為0.92 %，高折射率環內圓半徑Rin_ring為3.祉m，環的厚度Wring為1.8皿，環與纖忍的相 對折射率差A n+為0.20 %，溝槽寬度Wtrenth為4.0皿，溝槽結構與包層結構的相對折射率差 An-為 0.25%。
[0039] 光纖在1550nm處性能參數如表2所示。光纖最小模場面積為103皿2,最小模間有效 折射率差為1.7 X 1(T3，比相近模場面積的階躍式屯模光纖提高超過100%。如果適度減小模 場面積，可W實現更大的模間有效折射率差。光纖在整個C+L波段表現出非常小小的彎曲損 耗和優秀的高階模截止性能。
[0040] 表2為實施例2中特定光纖的性能計算結果。
[0041]
[0042] 上述具體實施可由本領域技術人員在不背離本實用新型原理和宗旨的前提下W 不同的方式對其進行局部調整，本實用新型的保護范圍W權利要求書為準且不由上述具體 實施所限，在其范圍內的各個實現方案均受本實用新型之約束。
【主權項】
1. 一種用于非耦合模分復用傳輸的環輔助型少模光纖，其特征在于，包括:纖芯和包層 結構，纖芯中設有一個高折射率環，該高折射率環在光纖中的位置處的LP Q2模的電場強度為 不超過峰值強度30%處。2. 根據權利要求1所述的環輔助型少模光纖，其特征是，所述的高折射率環在光纖中的 位置處的LPQ2模的電場強度為不超過峰值強度20 %處。3. 根據權利要求1或2所述的環輔助型少模光纖，其特征是，所述的纖芯半徑為7.3~ 8.5μπι，纖芯與包層結構的相對折射率差Δ n為[〇 . 63 %，0.92 % ]，高折射率環內圓半徑 Rin_ring為3.5μηι~3.8μηι，高折射率環的厚度Wring為1.5μηι~1.8μηι，高折射率環與纖芯的相對 折射率差A η+為[0.20%，0.30% ]，所述的纖芯除高折射率環外其它部位折射率相同。4. 根據權利要求1或2所述的環輔助型少模光纖，其特征是，所述的纖芯和包層結構之 間設有溝槽結構。5. 根據權利要求4所述的環輔助型少模光纖，其特征是，所述的溝槽結構的寬度 為4. Ομπι，溝槽結構與包層結構的相對折射率差Δ 1!_為〇. 25 %。6. -種模式耦合器，其特征在于，包括權利要求1~5中任一所述的環輔助型少模光纖。
【文檔編號】G02B6/02GK205691811SQ201620520128
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月1日 公開號201620520128.5, CN 201620520128, CN 205691811 U, CN 205691811U, CN-U-205691811, CN201620520128, CN201620520128.5, CN205691811 U, CN205691811U
【發明人】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