用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤及其模式耦合器的制造方法
【专利摘要】一种用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤及其模式耦合器，包括：纤芯和包层结构，纤芯中设有一个高折射率环，该高折射率环在光纤中的位置处的LP02模的电场强度为峰值强度的(0,30％]处，所述的纤芯除高折射率环外其它部位折射率相同。本实用新型有效减小了传输过程中的模式耦合。通过这项技术，可以在保证模场面积基本不变的情况下，将模式间最小有效折射率差提高一倍以上，从而获得大模场面积、低模式串扰的非耦合少模光纤，对于中短距离模分复用传输具有重要意义和应用前景。
【专利说明】
用于非輔合模分复用传输的环辅助型少模光纤及其模式輔 合器
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种光纤通信领域的技术，具体设及一种用于模分复用光传输的 弱禪合少模光纤及其模式禪合器。
【背景技术】
[0002] 近年来，数据传输需求持续保持约40%的年增长率，对于光纤通信系统的容量提 出了更高的要求。通过采用高功率拉曼放大、密集波分复用等先进的复用方式W及相干探 测和DSP数字处理技术，普通单模光纤网络的传输容量得到了非常大的提升，已经接近其理 论上限lOOTb/s。因此，为了进一步提升单根光纤的传输容量，基于少模光纤的模分复用技 术吸引了众多研究人员的目光。
[0003] 目前模分复用技术主要有两个实现方案。其一是基于强模式禪合的方案，其关键 是要尽可能地减小整条链路的差分模式群延时(DMGD)，使得所有模式能够同时被一个复杂 的2r#2N(N为空间模式的数量）的MIMO技术探测，而无需考虑模式禪合引入的串扰问题。在 运一方案中，差分模式群延时W及模式相关损耗的增加会大大增加 MIMO系统的复杂度，尽 管各模式群之间较强的禪合可W-定程度上减小差分模式群延时和模式相关损耗，但仍然 需要对少模光纤进行合理设计使差分模式群延时最小化，目前主要采用制备工艺较为复杂 的渐变折射率光纤。
[0004] 方案二是基于弱模式禪合的方案，其关键是抑制模式间的禪合，使得各模式作为 独立的信道传输信号，且非简并的和简并的LP模式可W分别由巧巧日4*4的MIMO技术独立探 测，可W免受模式差分群延时的影响，并大大减小MIMO的复杂度。运一方案要求光纤链路长 度小于任意两个模式间的相干长度，因此适用于中短距离的光通信。为获得小的模式串扰 和更长的传输距离，运一方案要求设计高模式有效折射率差的光纤，目前主要采用在制备 工艺较为简单的阶跃折射率光纤基础上进行设计优化。
[0005] 在传输模式数确定的情况下（即V值确定），增大纤忍/包层折射率差，可W获得更 高的模式有效折射率差和更低的弯曲损耗，但是运意味着需要减小纤忍尺寸，进而使得模 场面积下降，光纤将更容易面临非线性效应的威胁。而如果增大纤忍尺寸，减小纤忍包层折 射率差，虽然可W获得较高的模场面积，但是会减小模式间的有效折射率差，并增大弯曲损 耗。理论研究表明，模式有效折射率差大于ICT3能够有效缓解模式串扰问题，如何在获得较 高模式间有效折射率差的同时获得较大的模场面积和较低的高阶模弯曲损耗仍然是一个 亟待解决的问题。
[0006] OFS公司采用大纤忍(直径25皿）、低折射率差(rwe-nciading=0.005)的阶跃折射率 方案，实现了模场面积大于280皿2的四模光纤，有效抑制了非线性效应。然而运一方案带来 的显著问题是，化1与LP02模的有效折射率差小于0.4*1(T3,极易引起模式串扰，此外该光纤 在1550nm处还支持LP31模传输，且对弯曲十分敏感。
[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]详细分析了常规阶跃式少模光纤的模式 有效折射率差与模场面积之间的相互制约关系，并设计了最小模式有效折射率差化P21与 LP02模式)为0.8*1(T3且模场面积大于11祉m2的四模光纤，且具有较低的损耗。然而在保证弯 曲损耗等特性不恶化的情况下，如何进一步提高模场直径与模式间有效折射率差仍然缺少 有效的方案。 【实用新型内容】
[0008] 本实用新型针对非禪合模分复用的技术瓶颈，W阶跃型折射率光纤为基础，结合 创新型的高折射率环，并根据需求在必要时可采用沟槽辅助结构对弯曲损耗进行补偿，提 出了一种用于非禪合模分复用传输的环辅助型少模光纤及其模式禪合器，通过在纤忍中特 定位置增加高折射率环，使得原阶跃折射率光纤中各模式的有效折射率重新分布，特别的， LP21与LP02模式间的有效折射率差显著提高，从而有效减小了传输过程中的模式禪合。通过 运项技术，可W在保证模场面积基本不变的情况下，将模式间最小有效折射率差提高一倍 W上，从而获得大模场面积、低模式串扰的非禪合少模光纤，对于中短距离模分复用传输具 有重要意义和应用前景。
[0009] 本实用新型是通过W下技术方案实现的：
[0010] 本实用新型设及一种用于非禪合模分复用传输的环辅助型少模光纤，包括:纤忍 和包层结构，纤忍中设有一个高折射率环，该高折射率环在光纤中的位置处的LP02模的电场 强度为峰值强度的(〇,30%]处，所述的纤忍除高折射率环外其它部位折射率相同。
[0011] 所述的高折射率环与纤忍的相对折射率差为(0，0.40% ]，优选[0.15%，0.30% ]。
[0012] 所述的高折射率环优选在光纤中的位置处的LP02模的电场强度为峰值强度的（0， 20%]处。
[0013] 所述的纤忍与包层具有阶跃折射率分布W支持多个希望的导模低损耗传输的同 时抑制不希望的模式。
[0014 ]所述的光纤的最高阶导模在弯曲半径1 Omm情况下的弯曲损耗小于10地/turn,第 一个漏模在弯曲半径为HOmm情况下的弯曲损耗大于IdB/m，优选为各模式间具有较高的有 效折射率差，各模式间最小有效折射率差大于1(T3,且各模式模场面积大于100M12。
[0015] 所述的模场面积优选大于80WI12,各模式间最小有效折射率差优选大于0.5X1(T3。
[0016] 所述的纤忍半径优选为7.3~8.5WI1，纤忍与包层结构的相对折射率差An为 [0.63 %，0.92 % ]，高折射率环内圆半径Rin_ring为3.5皿~3 .祉m，高折射率环的径向厚度 Wring为1.扣m~1.如m，高折射率环与纤忍的相对折射率差An+进一步优选为[0.20 %， 0.30%]。
[0017] 所述的纤忍和包层结构之间优选进一步设有低折射率沟槽结构，该沟槽结构的径 向宽度Wtreneh为4.0皿，沟槽结构与包层结构的相对折射率差A n-为0.25 %。
[0018] 本实用新型设及一种模式禪合器，该模式禪合器中包括上述环辅助型少模光纤， 该模式禪合器转换效率大于50%，优选大于70% ;模式消光比大于10地，优选大于15地。 [0019]技术效果
[0020]与现有技术相比，本实用新型通过在LP02模模场分布较弱的位置引入高折射率环， 改变了阶跃折射率光纤中各模式的有效折射率，在保持与常规阶跃折射率光纤基本相同的 模场面积的情况下，显著提高了 LP21与LP02模式的有效折射率差，各模式间最小有效折射率 差提高了一倍W上，从而大大减小了传输过程中的模式禪合和模间非线性效应，应用本实 用新型所述光纤制备的模式禪合器有望实现更好的LP21与LP02模的模式消光比。同时，阶跃 折射率的光纤设计方案显著减小了制备难度，本实用新型所述光纤对中短距离非禪合模分 复用技术的发展具有重要的意义。
【附图说明】
[0021] 图1为V = 5.1常规阶跃折射率光纤模式有效折射率差与模场面积的制约关系；
[0022] 图2为实施例1的光纤结构示意图；
[0023] 图中：（a)为光纤截面示意图；（b)为光纤剖面折射率分布示意图，1为纤忍、2为高 折射率环、3为包层结构；
[0024] 图3(a)为实施例1高折射率环位置示意图，图3(b)-(f)为所支持传导的四个模式 W及第一个漏模的模场分布图，其中（b)LPOl模，（C)LPll模，（d)LP21模，（e)LP02模，（f) LP31模；
[0025] 图4为实施例1的设计改进效果与设计容限计算结果图；
[0026] 图5为实施例2的光纤结构示意图；
[0027] 图6为实施例2的设计改进效果与设计容限计算结果图；
[0028] 图中：（a)为光纤截面示意图；（b)光纤剖面折射率分布示意图，1为纤忍、2为高折 射率环、3为包层结构、4为沟槽结构。
【具体实施方式】
[00巧]实施例1
[0030] 本实施例中，设计并优化了一种环辅助型弱禪合四模光纤。为确保四模操作且最 高阶导模化P〇2模)能够低损耗传输，首先研究V = 5.1情况下的阶跃折射率光纤可能存在的 纤忍尺寸和折射率组合，并研究它们在1550nm处各模式间有效折射率差和模场面积随光纤 参数的变化关系。如图1所示，在保持V值不变的情况下，随着纤忍尺寸的增大，各模式的有 效折射率差逐渐减小，各模式的最小模场面积显著增加，因此对于常规阶跃式结构少模光 纤来说，模式有效折射率差与模场面积间存在明显的相互制约关系，且限制瓶颈主要是LP21 与LP02之间很小的折射率差。要想确保模式间最小有效折射率差大于1(T3,最小模场面积就 不能超过100皿2。
[0031] 本实施例中，光纤结构如图2(a)所示，横线所示区域为纤忍1，竖线所示区域为纤 忍中高折射率环2。如图2(b)所示，为该光纤剖面折射率的示意图，如图可见：纤忍直径为 2R，纤忍/包层相对折射率差为A n，纤忍中高折射率环的内圆直径为2Rin_ring，环径向宽度 为Wring，环与纤忍的相对折射率差为A n+。
[0032] 如图3所示为高折射率环与不同模式空间交叠情况示意图，可见当高折射率环恰 好置于LP02模模场分布较弱的位置时，LP02模与高折射率环交叠面积很小，而其它模式与高 折射率环模场交叠面积较大，因此高折射率环的引入对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变，其它模式有效折射率增加。设计光纤纤忍半径为7.5WI1， 包层为纯二氧化娃，纤忍与包层结构的相对折射率差为0.67%，相应的阶跃折射率光纤中 模间最小有效折射率差为0.8 X 1(T3。高折射率环内圆半径Rin_ring为3.化m，改变环的厚度 Wring和环与纤忍的相对折射率差An+,如图4所示，随着环的厚度和折射率差增加，LP21与 LP02模的有效折射率差增加（如实线所示），有利于减小二者间的模式禪合;而LP02与LP31模 的有效折射率差减小(如虚线所示），易引起两者间的禪合并增大LP02模的传输损耗。通过调 整环的参数，可W实现各模式间有效折射率差大于1.8*1(T3,从而实现低的模式串扰。
[0033] 考虑到四模光纤设计要使得LP31模截止，因此还需对纤忍尺寸及纤忍/包层折射率 差进行调整，如图5所示。可见，在箭头所示区域内，光纤能够在C波段内实现稳定的四模传 输。最终确定光纤结构参数如下:包层为纯Si化材料，纤忍半径R为7.3WH，纤忍与包层结构 的相对折射率差为0.63 %，高折射率环内圆半径Rin_ring为3.5皿，环径向厚度Wring为1.5WI1， 环与纤忍的折射率差An+为0.30%。计算得到的光纤在1550nm处性能参数如表1所示，经验 证此光纤在整个C波段均能正常使用，最小模场面积约122WI12,模间有效折射率差达到1.9 X 1(T3，比相近参数及模场面积的阶跃折射率光纤提高超过130 % (从0.8 X 1(T3到1.9 X 10 -3)。
[0034] 表1为实施例1中特定光纤的性能计算结果。
[0035]
[0036] 实施例2
[0037] 本实施例中设计了一种带沟槽的环辅助型弱禪合屯模光纤。光纤结构如图6(a)所 示，横线所示区域为纤忍1，竖线所示区域为纤忍中高折射率环2,点所示区域为沟槽结构4， 用于对弯曲损耗进行补偿。如图6(b)所示，为该折射率环的示意图，如图可见:如图可见:纤 忍直径为2R，纤忍/包层相对折射率差为An,纤忍中高折射率环的内圆直径为2Rin_ring，环 径向宽度为Wring,环与纤忍的相对折射率差为An%纤忍与包层之间设置一低折射率沟槽， 沟槽径向宽度为Wtrench,沟槽/包层相对折射率差为A n-。
[0038] 最终设计光纤结构参数如下：纤忍半径a为8.5WH，纤忍与包层结构的相对折射率 差A n为0.92 %，高折射率环内圆半径Rin_ring为3.祉m，环的厚度Wring为1.8皿，环与纤忍的相 对折射率差A n+为0.20 %，沟槽宽度Wtrenth为4.0皿，沟槽结构与包层结构的相对折射率差 An-为 0.25%。
[0039] 光纤在1550nm处性能参数如表2所示。光纤最小模场面积为103皿2,最小模间有效 折射率差为1.7 X 1(T3，比相近模场面积的阶跃式屯模光纤提高超过100%。如果适度减小模 场面积，可W实现更大的模间有效折射率差。光纤在整个C+L波段表现出非常小小的弯曲损 耗和优秀的高阶模截止性能。
[0040] 表2为实施例2中特定光纤的性能计算结果。
[0041]
[0042] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下W 不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围W权利要求书为准且不由上述具体 实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。
【主权项】
1. 一种用于非耦合模分复用传输的环辅助型少模光纤，其特征在于，包括:纤芯和包层 结构，纤芯中设有一个高折射率环，该高折射率环在光纤中的位置处的LP Q2模的电场强度为 不超过峰值强度30%处。2. 根据权利要求1所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的高折射率环在光纤中的 位置处的LPQ2模的电场强度为不超过峰值强度20 %处。3. 根据权利要求1或2所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的纤芯半径为7.3~ 8.5μπι，纤芯与包层结构的相对折射率差Δ n为[〇 . 63 %，0.92 % ]，高折射率环内圆半径 Rin_ring为3.5μηι~3.8μηι，高折射率环的厚度Wring为1.5μηι~1.8μηι，高折射率环与纤芯的相对 折射率差A η+为[0.20%，0.30% ]，所述的纤芯除高折射率环外其它部位折射率相同。4. 根据权利要求1或2所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的纤芯和包层结构之 间设有沟槽结构。5. 根据权利要求4所述的环辅助型少模光纤，其特征是，所述的沟槽结构的宽度 为4. Ομπι，沟槽结构与包层结构的相对折射率差Δ 1!_为〇. 25 %。6. -种模式耦合器，其特征在于，包括权利要求1~5中任一所述的环辅助型少模光纤。
【文档编号】G02B6/02GK205691811SQ201620520128
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月1日 公开号201620520128.5, CN 201620520128, CN 205691811 U, CN 205691811U, CN-U-205691811, CN201620520128, CN201620520128.5, CN205691811 U, CN205691811U
【发明人】何祖源, 马麟, 姜寿林, 樊昕昱, 杜江兵, 张文甲, 徐晓, 李佳熊
【申请人】上海交通大学