一种弱导环形结构光纤的制作方法

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种弱导环形结构光纤。

背景技术：

当前光通信由于人们所熟知的光波维度资源(幅度、相位、频率/波长、时间、偏振)开发殆尽而显现“新容量危机”。为了进一步提高光通信系统的容量，空分复用技术用于解决未来光通信新容量危机的潜力吸引了越来越多的关注。空分复用技术利用光子的空间维度，包括基于少模光纤、多模光纤及环形光纤等的模分复用(亦即模式复用)技术和基于多芯光纤的芯分复用技术。此外，还可以将两个技术相互结合进一步提高空间利用率和系统容量，例如少模多芯、环形多芯光纤等。在用少模光纤、多模光纤及环形光纤等进行模分复用时，采用的是线偏振模式(lp模)或轨道角动量模式(oam模，亦称光涡旋)等模式基。随着光纤中传播的模式数目增多和传输距离增长，通常情况下任何扰动因素(光纤本身特性和缺陷及外界扰动)将导致模式之间的串扰难以避免，在接收端需采用复杂的多进多出数字信号处理(mimo-dsp)技术进行恢复，从而导致系统复杂度和成本升高以及功耗增大。另外，传统少模光纤中支持模式数目极少，难以满足多通道模式复用有效提升通信容量的需求。传统多模光纤中可以支持很多模式数目，众多模式可以划分为相互分离的模群，可以采用模群间低串扰复用，不过，一个模群中的多个模式有效折射率相近，串扰严重，模群内的这些模式在模式复用时仍然需要辅助以mimo-dsp技术，由于传统多模光纤模群内存在许多难以复用解复用的径向高阶模式，随着模群阶数增大，模群内的模式数目也越来越多，这导致模群内模式复用所需的mimo-dsp复杂度急剧增长(即需要大规模mimo-dsp技术)，这在很大程度上限制了传统多模光纤应用于多通道模式复用。环形光纤虽然普遍用于光涡旋模式复用通信，目前为了减小多个光涡旋模式间的串扰，主要采用高折射率差环形结构，这种设计由于高折射率差给光纤工艺拉制带来了很多挑战，制造出的环形光纤损耗很大，无法实现较长距离的传输。除此之外，对于本征模式(he、eh、te、tm)分离的保偏光纤，比如椭圆芯光纤，光纤中的本征模式也可以类似线偏振模式和光涡旋模式那样作为模式基，即可以直接使用光纤本征模式进行本征模复用通信，不过模式通道数目相对有限。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种弱导环形结构光纤，旨在解决现有技术存在的模式通道数目少、损耗大、模式串扰大因而需要大规模mimo-dsp技术等问题。

本发明提供了一种弱导环形结构光纤，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％；所述弱导环形结构光纤不支持径向高阶模式，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，其余模群间的折射率差均>10^-4。

更进一步地，模式基为线偏振模式、光涡旋模式或光纤本征模式。

更进一步地，环形纤芯的折射率大于所述中心区域的折射率；所述环形纤芯的折射率大于所述包层的折射率。

更进一步地，环形纤芯的折射率分布为阶跃折射率分布或渐变折射率分布。

更进一步地，在所述环形纤芯外侧或/和内侧设置有一圈环形沟槽结构，所述环形纤芯的折射率大于所述中心区域的折射率大于环形沟槽的折射率；所述环形纤芯的折射率大于包层的折射率大于环形沟槽的折射率。

更进一步地，环形沟槽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％；所述环形沟槽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％。

更进一步地，环形纤芯的内环半径扫描范围为12μm～24μm，环宽扫描范围为1μm～6μm。

更进一步地，沟槽宽度扫描范围为2μm～10μm。

更进一步地，环形纤芯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,掺杂浓度影响折射率，掺杂越多折射率越大。

更进一步地，包层采用纯二氧化硅材料；所述中心区域材料和所述包层材料相同，或者是其他折射率与包层折射率相近的材料；所述环形沟槽采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料，掺杂浓度影响折射率，掺杂越多折射率越小。本发明提供的弱导环形结构光纤具有如下有益效果：

(1)弱导环形结构光纤采用环形纤芯设计，内环比较大，环宽比较小，从而在保证多通道模式数目的同时有效抑制了径向高阶模式的产生，仅仅支持径向一阶模式，有效减小了光纤所支持模式的复杂度。

(2)弱导环形结构光纤采用弱导设计，即纤芯与包层的折射率差较小，这可以降低高折射率差引起的光纤拉制难度和高损耗，兼容于现有成熟的低损耗单模光纤和多模光纤拉制工艺，亦即所需的光纤拉制工艺相对成熟，可以有效降低光纤损耗。

(3)弱导环形结构光纤支持多通道模式且划分为不同模群。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，其余模群均具有大折射率差(>10^-4)，这样可以前两个模群组合后使用6x6mimo-dsp辅助模式复用，其余每个模群内使用4x4mimo-dsp辅助模式复用，模群间低串扰复用，亦即采用模群间低串扰复用和模群内小规模mimo-dsp辅助模式复用相结合的复用方式。该复用方式具有可扩展性，由于模群内始终是小规模mimo-dsp辅助模式复用，不会像传统多模光纤那样随着模式数目增加需要使用复杂度急剧增加的大规模mimo-dsp技术。

(4)弱导环形结构光纤可以使用线偏振模式、光涡旋模式或者光纤本征模式等模式基进行模群间复用和模群内复用，复用灵活。

(5)弱导环形结构光纤在c+l波段宽带范围内具有相似特性，因此可以与波分复用技术相结合以更有效提高光通信容量。

附图说明

图1是本发明提供的阶跃型弱导环形结构光纤的横截面示意图；

图2是该结构相应的材料折射率分布图；

图3是本发明提供的阶跃型带沟槽弱导环形结构光纤的横截面示意图(环形纤芯外侧沟槽示例)；

图4是该结构相应的材料折射率分布图；

图5是本发明提供的阶跃型弱导环形结构光纤支持的模式数目和模群间(忽略基模)最小有效折射率差随波长变化曲线。

表一是本发明提供的阶跃型弱导环形结构光纤支持的50个模式及模群划分示意图；模式基可以选择光纤本征模式、线偏振模式和光涡旋模式；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的弱导环形结构光纤综合了多种模式复用光纤的优点，支持多通道模式，采用弱导设计降低光纤损耗，模群间低串扰复用与模群内小规模mimo-dsp辅助模式复用相结合，支持线偏振模式、光涡旋模式及光纤本征模式复用，解决现有模式复用光纤较为广泛存在的模式通道数目少、损耗大、模式串扰大因而需要大规模mimo-dsp技术问题。具体地，本发明提供的弱导环形结构光纤具有如下优点：(1)可以支持多通道模式以有效提升模式复用通信容量；(2)采用弱导光纤设计兼容现有成熟的光纤拉制工艺以获得低损耗光纤；(3)综合模群间低串扰复用和模群内小规模mimo-dsp辅助模式复用，光纤设计去除径向高阶模，每个模群内仅包含2个或者4个径向一阶模式，随着模群阶数增大模群内模式复用所需mimo-dsp复杂度不会提升；(4)可以使用线偏振模式、光涡旋模式以及光纤本征模式等模式基进行模群间复用和模群内复用。

本发明提供的一种弱导环形结构光纤包括环形纤芯、中心区域和包层。环形纤芯折射率与包层折射率之间的相对折射率差不超过1％，且环形纤芯折射率与中心区域折射率之间的相对折射率差不超过1％，即为弱导光纤。

在本发明实施例中，弱导环形结构光纤不支持径向高阶模式，仅支持多个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，其余模群间均具有大折射率差(>10^-4)。模式基可以是线偏振模式、光涡旋模式以及光纤本征模式。

在本发明实施例中，弱导环形结构光纤中，环形纤芯、中心区域和包层的折射率参数关系为：环形纤芯的折射率>中心区域的折射率；环形纤芯的折射率>包层的折射率。

在本发明实施例中，弱导环形结构光纤中，环形纤芯的折射率分布可以是阶跃折射率分布，也可以是渐变折射率分布。

在本发明实施例中，弱导环形结构光纤中，环形纤芯外侧或/和内侧增加一圈环形低折射率沟槽结构，其中折射率参数关系为：环形纤芯的折射率>中心区域的折射率>环形沟槽的折射率；环形纤芯的折射率>包层的折射率>环形沟槽的折射率。环形沟槽与中心区域或包层折射率差不超过-1％。

在本发明实施例中，弱导环形结构光纤中，环形纤芯采用掺杂二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料，掺杂浓度影响折射率，掺杂越多折射率越大。例如对于掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，掺杂二氧化锗摩尔百分比不超过9.584％时，掺杂二氧化锗的二氧化硅材料与纯二氧化硅材料之间的相对折射率差不超过1％。环形纤芯的内环半径扫描范围可以取12μm～24μm，环宽扫描范围可以取1μm～6μm，在此扫描范围内可以仿真得到各光纤参数组合下光纤中支持的模式数目及模群分布，从中找到满足需求的弱导环形结构光纤基本结构参数；包层采用纯二氧化硅材料；中心区域材料和包层材料相同，或者是其他折射率与包层折射率相近的材料；环形沟槽采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料，掺杂浓度影响折射率，掺杂越多折射率越小。沟槽宽度扫描范围可以取2μm～10μm。

总体上，在上述给定各参数扫描范围内，光纤所支持的模式通道数目、模群间有效折射率差、模群内模式有效折射率差等模式特性会有相应不同。不过，最优的光纤设计参数位于上述参数扫描范围内，可以抑制径向高阶模式，支持多通道径向一阶模式并划分为不同模群，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，其余模群间均具有大折射率差(>10^-4)，从而保证模群间低串扰复用和模群内小规模mimo-dsp辅助模式复用。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，仅仅是提供其中一种可能的具体实施方案，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的一种阶跃型弱导环形结构光纤由环形纤芯1、中心区域2和包层3三部分组成。环形纤芯1区域采用掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，中心区域2和包层3采用纯二氧化硅材料。图2为该阶跃型弱导环形结构光纤的材料折射率分布图。图中为阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。中心区域2折射率也可以略不同于包层3折射率。环形纤芯1折射率大于中心区域2的折射率或包层3的折射率，环形纤芯1折射率与中心区域2及包层3折射率差均不超过1％，即为弱导光纤。该光纤的结构设计参数包括环形纤芯1内环半径r1、环宽d和折射率n1。包层3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，根据对于模式有效折射率差的要求进一步确定光纤各参数范围，给出满足需求的弱导环形结构光纤基本结构参数。具体方法是通过与comsol软件相连接的matlab软件对环形纤芯1内环半径r1、环宽d和折射率n1三个变量在一定范围内进行分点扫描，仿真得到各光纤参数组合下光纤中支持的模式数目及模群分布，从中找到满足需求的弱导环形结构光纤基本结构参数。其中，环形纤芯1的内环半径扫描范围可以取12μm～24μm，环宽扫描范围可以取1μm～6μm。

如图3所示，本发明提供的一种阶跃型带沟槽弱导环形结构光纤由环形纤芯1、中心区域2、包层3和环形沟槽4四部分组成，这里以环形纤芯外侧沟槽进行示例，也可以采用环形纤芯内侧沟槽或者内外侧同时沟槽。环形纤芯1区域采用掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，中心区域2和包层3采用纯二氧化硅材料，环形沟槽4采用掺杂五氧化二硼或氟的二氧化硅材料。图4为该阶跃型带沟槽弱导环形结构光纤的材料折射率分布图。图中为阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。中心区域2折射率也可以略不同于包层3折射率。环形纤芯1折射率大于中心区域2/包层3折射率，环形纤芯1折射率与中心区域2及包层3折射率差均不超过1％，即为弱导光纤。环形沟槽4与包层3折射率差不超过-1％(对于环形纤芯内侧沟槽情况，环形沟槽4与中心区域2折射率差也不超过-1％)。该光纤的结构设计参数包括环形纤芯1内环半径r1、环宽d1和折射率n1，环形沟槽4环宽d2和折射率n2。包层3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，根据对于模式有效折射率差的要求进一步确定光纤各参数范围，给出满足需求的弱导环形结构光纤基本结构参数。具体方法是先对环形纤芯1内环半径r1、环宽d1和折射率n1三个变量在一定范围内进行参数扫描，再对环形沟槽4环宽d2和折射率n2在一定范围内进行参数扫描。其中，环形纤芯1的内环半径扫描范围取12μm～24μm，环宽扫描范围取1μm～6μm，环形沟槽4的环宽扫描范围为2μm～10μm。

对于本发明用到的阶跃型弱导环形结构光纤，环形纤芯内外环半径分别为20.8μm和25μm，即环宽为4.2μm，包层半径为62.5μm。环形纤芯和包层折射率差为0.7％。

对这个阶跃型弱导环形结构光纤结构的模拟仿真结果如下表一和图5所示。

表一

仿真波长为1550nm时，光纤中共支持50个本征模式(he、eh、te和tm模式)，通过适当线性叠加可以对应合成50个线偏振模式以及50个径向一阶的光涡旋模式。表一为这50个模式划分为光纤本征模式群、线偏振模式群和光涡旋模式群结果图。可以看到，这50个模式可以分为13个模群，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，其余模群间均具有大折射率差(>10^-4)，这样可以前两个模群组合使用6x6mimo-dsp辅助模式复用，其余每个模群内使用4x4mimo-dsp辅助模式复用，模群间低串扰复用，亦即采用模群间低串扰复用和模群内小规模mimo-dsp辅助模式复用相结合的复用方式。该复用方式具有可扩展性，由于模群内始终是小规模mimo-dsp辅助模式复用，不会像传统多模光纤那样随着模式数目增加需要使用复杂度急剧增加的大规模mimo-dsp技术。图5为该弱导环形结构光纤支持的模式数目和模群间(忽略第一个模群)最小有效折射率差随波长变化曲线。可以看到，在整个c+l波段(1530nm到1625nm)均可以实现模群间有效折射率差大于10^-4，且总模式数目大于46。这样，一方面可以实现模群间低串扰复用与模群内小规模mimo-dsp辅助模式复用相结合的复用方式，另一方面由于c+l波段宽带特性可以与波分复用技术相结合以更有效提高光通信容量。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。