一种低非线性系数少模光纤的制作方法

本发明涉及一种光纤波导结构，具体涉及一种低非线性系数少模光纤，可应用于光纤通信、光学信息处理等领域。

背景技术：

光纤是光纤通信系统的重要传输介质；随着光纤制造技术的进一步发展，人们于1979年实现了在1550nm波段损耗约为0.2dB/km的低损耗光纤；低损耗光纤开启了光纤通信领域的革命历程，导致了非线性光纤光学领域出现；1995年，工作在1550nm波段的掺铒光纤放大器的商用化，使得光纤通信和非线性光纤光学得到巨大发展；各种类型的光纤和光纤通信系统得到广泛的关注和研究 [1 G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 5e, Elsevier Inc. Elsevier (Singapore) Pte Ltd. 2012, 1-648]。

为了解决单模光纤通信系统中光纤非线性引起的传输质量问题，业界采用了大有效面积光纤降低光纤非线性的解决方案。近年来，应用于空分复用光纤通信领域的少模光纤是光纤光学前沿研究热点之一；为了减小光纤非线性效应，文献[2 He Wen, Hongjun Zheng, Benyuan Zhu and Guifang Li, Experimental Demonstration of Long-Distance Analog Transmission over Few-Mode Fibers. OFC2015, M3E.2, 2015, 1-3]采用1550 nm波段130µm²模场面积的少模光纤，减小了模拟传输信号三阶交调畸变3 dB，提高了信号无杂散动态范围1.5 dB；文献[3 Mukasa K, Imamura K, Sugizaki R. Multi-core Few-mode optical fibers with large Aeff. European Conference and Exhibition on Optical Communications. 2012: 1-3]提出了170µm²(LP₀₁) 和 250µm²(LP₁₁)的大有效面积少模光纤；文献[4 Kasahara M, Saitoh K, Sakamoto T, et al. Design of Three-Spatial-Mode Ring-Core Fiber. Journal of Lightwave Technology, 2014, 32(7): 1337-1343.]提出了模场面积80到360µm²可调的大有效面积环形芯少模光纤；文献[5 Mingjun Li, et al. Low delay and large effective area few-mode fibers for mode-division multiplexing. IEEE Opto-Electronics and Communications Conference, 2012:495-496.]提出了模场面积186µm²(LP₀₁) 和 242µm²(LP₁₁)的大有效面积、低差分模式群时延的少模光纤，并演示了100 km少模传输实验。可见，为了减小光纤的非线性系数，增大光纤有效模场面积也是空分复用少模光纤的一种有效解决方案；又考虑到光纤的阶跃型折射率分布导致了较大的差分模式群时延；而折射率渐变型分布能有效降低差分模式群时延[6 Sillard P, Bigot-Astruc M, Molin D. Few-Mode Fibers for Mode-Division-Multiplexed Systems [J]. Journal of Lightwave Technology 2014, 32(16):2824-2829]；大有效模场面积、低非线性系数、折射率呈渐变型分布少模光纤研究非常重要；少模光纤的研究挑战在于实现较宽带宽的低非线性系数、低差分模式群时延的少模运作。

技术实现要素：

在国家自然科学基金 (编号61671227和61431009）、山东省自然科学基金（ZR2011FM015）、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本发明提出了一种低非线性系数少模光纤，光纤折射率呈渐变型分布，实现了光纤通信C波段的低非线性系数、低差分模式群时延三模式少模运作，给出了所提出的少模光纤的各种特性随入射波长变化规律；为移动通信Front-haul少模传输实用化提供了支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出的低非线性系数少模光纤横截面整体上是由纯二氧化硅基质包层和掺杂二氧化硅纤芯组成；所述光纤的纤芯外径、包层外径和完美匹配层外径依次对应26µm、100µm和150µm；纤芯半径与折射率分布均衡设计；光纤包层、纤芯中心和完美匹配层折射率分别为1.4440、1.4449和1.4440；纤芯中心到包层的折射率呈渐变型分布；折射率按照方程

(1)

设置，式中n₁表示纤芯中心折射率，n₂表示包层折射率，r表示光纤中任意一点到轴心的距离，是光纤纤芯外径；采用全矢量有限元方法研究该少模光纤特性。

本发明的有益效果如下：

1. 提出了一种低非线性系数少模光纤；其折射率呈渐变型分布，实现了光纤通信C波段低非线性系数、低差分模式群时延的三模式少模运作，且非线性系数和差分模式群时延在C波段范围内呈平坦分布；

2. 该光纤特性使其在光纤通信少模传输、Front-haul少模传输等领域具有广阔应用前景。

附图说明

图1是本发明低非线性系数少模光纤的横截面示意图和折射率分布图；其中图1(a) 是光纤横截面示意图，R1为纤芯外径，R2为包层外径，R3为完美匹配层外径；图1(b) 是光纤折射率分布图；

图2是入射光波长1.550 µm时线偏振模LP01、LP11a和LP11b的电场分布图；

图3是少模光纤的有效模场面积和非线性系数随入射光波长的变化；图3(a)中带星和小圆圈的实线分别表示LP01和LP11的有效模场面积随入射光波长的变化；图3(b)中带星和小圆圈的实线分别表示LP01和LP11的非线性系数随入射光波长的变化；

图4是少模光纤的色散随入射光波长的变化，图4(a)中点线、点画线和实线分别表示模式LP01的材料色散、波导色散和总色散；图4(b)中点线、点画线和实线分别表示模式LP11的材料色散、波导色散和总色散；

图5是LP11和LP01的差分模式群时延DMGD随入射光波长的变化。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不限于此。

实施例1见图1是本发明一种低非线性系数少模光纤横截面示意图（a）和折射率分布图（b），该低非线性系数少模光纤横截面整体上是由纯二氧化硅基质包层和掺杂二氧化硅纤芯组成；图中各个圆半径分别表示为R1、R2和R3，依次对应纤芯外径、包层外径和完美匹配层外径，其中，R1=26 µm，R2=100 µm，R3=150 µm。纤芯半径与折射率分布均衡设计；光纤包层、纤芯中心和完美匹配层折射率分别为1.4440、1.4449和1.4440；纤芯中心到包层的折射率按照方程(1)设置，呈渐变型分布；采用全矢量有限元方法研究了该少模光纤特性。

图2是入射光波长1.550 µm时线偏振模式LP01、LP11a和LP11b的电场分布。LP11a和LP11b是简并模式；它们的有效模场面积和非线性系数等参数一致，后面的讨论以LP11表示它们。

图3是少模光纤的有效模场面积和非线性系数随入射光波长的变化，图3(a)中带星和小圆圈的实线分别表示LP01和LP11的有效模场面积随入射光波长的变化；图3(b)中带星和小圆圈的实线分别表示LP01和LP11的非线性系数随入射光波长的变化。由图3可以得到，少模光纤的LP01和LP11模式有效模场面积很大，远大于标准单模光纤有效模场面积，随入射光波长的增加而增大；LP11模式有效模场面积增加更快。少模光纤的LP01和LP11模式非线性系数都很小，远小于标准单模光纤非线性系数，随入射光波长的增加而减小，在光纤通信C波段均呈平坦分布；LP01和LP11模式非线性系数相差很小。

图4是少模光纤的色散随入射光波长的变化，图4(a)中点线、点画线和实线分别表示模式LP01的材料色散、波导色散和总色散；图4(b)中点线、点画线和实线分别表示模式LP11的材料色散、波导色散和总色散。图4可以得到，模式LP01和LP11的波导色散都很小，导致它们的总色散与材料色散近似相等。模式LP01和LP11的总色散随入射光波长的增加而变大。1550 nm波段，模式LP01和LP11的总色散与文献[5]的一致。

图5是LP11和LP01的差分模式群时延DMGD随入射光波长的变化，由图5可得，LP11和LP01的差分模式群时延DMGD很小，随入射光波长增加逐渐减小；在光纤通信C波段均呈平坦分布。该差分模式群时延与文献[5]的DMGD在同一个量级。

总之，本发明提出的少模光纤实现了光纤通信C波段低非线性系数、低差分模式群时延的少模运作，且非线性系数和差分模式群时延在C波段范围内呈平坦分布；该光纤特性使其在光纤通信少模传输、Front-haul少模传输等领域具有广阔应用前景。

应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议的得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。