一种椭圆环芯熊猫型十模少模光纤

1.本发明涉及自由空间光通信(fso)领域，特别涉及一种椭圆环芯熊猫型十模少模光纤。


背景技术：

2.近年来，可实现空分复用的无多输入多输出信号处理的自由空间光通信(fso)系统备受关注，而自由空间
‑
少模光纤(fso
‑
fmf)混合通信系统作为fso的新方案。借助少模光纤的有益特性，可在不改变器件参数的情况下，同一根光纤中支持多个传输模式，以实现高速大容量通信，在光纤的设计方面，通过提高少模光纤的抗弯曲、减少模式间的耦合以实现混合通信系的高质量通信。而少模光纤提升系统性能的本质在于将空分复用技术的思想引入了fso
‑
fmf混合通信系统之中。
3.空分复用可打破传统的香农极限，被证明是下一代支持实现更高带宽传输和解决传输容量问题的最好方法之一。少模光纤正是实现空分复用的最佳方法之一。其中少模光纤遇到的障碍是模式耦合，因此必须使用多输入多输出信号处理来承受诱发的串扰，从而导致成本和系统复杂性增加。一种解决方案是通过将各模式间的有效折射率差增大到大于10
‑4来消除相邻本征模之间的简并性。
4.文献《panda type elliptical ring core few
‑
mode fiber》(optical fiber technology)提出了一种由应力区与椭圆环芯的光纤结构用于实现无mimo处理，但改结构应力区域椭圆环芯纤芯的设置存在局限性，未考虑到工艺误差，各项物理参数都已固定，不具备动态灵活性，适用范围窄，模式间的串扰方面仍存在问题。申请号为201711428780.x的中国专利申请，提出了一种折射率凹陷的环芯光纤，可以有效抑制模式组在传输过程中的耦合和衰减。申请号为201920056351.2的中国专利申请，提出一种环形光纤，通过采用低折射率中芯与高折射率环相结合的方式，改变特定模式的折射率，减小芯间串扰。申请号为201810526552.4的中国专利申请，提出了一种保偏光纤，通过石英包层和环型纤芯之间设置两个应力区，提供了稳定、高性能的串音输出和光纤衰减性能。然而目前所提供的少模光纤未能实现在无多输入多输出的信号处理下传输十种光信号模式，以及在光纤弯曲状态下维持十种模式的性能。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种椭圆环芯熊猫型十模少模光纤，以解决现有的少模光纤无法实现在无多输入多输出信号处理下传输十种光信号模式且同时维持在光纤弯曲状态下十种模式的传输的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
7.一种椭圆环芯熊猫型十模少模光纤，所述椭圆环芯熊猫型十模少模光纤包括纤芯、多个应力杆和包覆所述纤芯和所述应力杆的包层；其中，
8.所述纤芯位于所述光纤的中心，所述多个应力杆环绕所述纤芯分布；所述纤芯包
括椭圆环形纤芯和位于所述椭圆环形纤芯中心的椭圆形中芯；
9.所述椭圆形中芯与所述包层具有相同的折射率，所述椭圆环形纤芯的折射率大于所述椭圆形中芯的折射率；各所述应力杆具有相同的折射率，且所述应力杆的折射率小于所述椭圆形中芯的折射率。
10.可选地，所述应力杆的数量为两个；其中，两个应力杆分别位于所述椭圆环形纤芯的两侧。
11.可选地，各应力杆与所述椭圆环形纤芯之间的距离在1um至3.2um之间。
12.可选地，各所述应力杆的半径值在11.3um至14.3um之间。
13.可选地，所述包层的半径值在62um至70um之间。
14.可选地，所述椭圆形中芯和所述椭圆环形纤芯的椭圆率值均为1.4；
15.且所述椭圆环形纤芯的长轴与所述椭圆形中芯的长轴的比值为0.66。
16.可选地，所述椭圆形中芯与所述包层的折射率均为1.444。
17.可选地，所述椭圆环形纤芯的折射率为1.474。
18.可选地，各所述应力杆的折射率均为1.436。
19.可选地，所述椭圆环形纤芯的材料为二氧化锗掺杂浓度为20.2％的二氧化锗掺杂石英玻璃；
20.所述应力杆的材料为三氧化二硼掺杂浓度为30％的三氧化二硼掺杂石英玻璃。
21.本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
22.本发明的光纤实现了在无多输入多输出信号处理下十种模式的光信号传输。通过应力杆椭圆环芯的特殊纤芯结构和应力杆对光纤内部产生的热应力的影响，使得光信号传输的十种模式在1550nm光波段处使得各模式间的有效折射率差不小于2.8
×
10
‑4，而在整个c+l波段的十种模式间的有效折射率均差大于10
‑4。且本发明的光纤在弯曲时，在半径为1cm的情况下仍能实现十种模式间的有效折射率差仍大于2
×
10
‑4。在弯曲半径为1.5cm时，十种模式仍能够维持其各个模式的模态强度。该光纤能够应用于小型光陀螺仪、光纤放大器等场景。特别适用于可实现空分复用的无多输入多输出信号处理的自由空间光通信系统。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明提供的椭圆环芯熊猫型十模少模光纤的横截面结构示意图；
25.图2是本发明提供的光纤中的纤芯的横截面结构示意图；
26.图3是本发明提供的椭圆环芯熊猫型十模少模光纤径向折射率分布图。
27.附图标记说明：
28.1、椭圆形中芯；
29.2、椭圆环形纤芯；
30.3、第一应力杆；
31.4、第二应力杆；
32.5、包层。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
34.第一实施例
35.本实施例提供了一种椭圆环芯熊猫型十模少模光纤，通过应力杆椭圆环芯的特殊纤芯结构和应力杆对光纤内部产生的热应力的影响，使得光信号传输的十种模式在1550nm光波段处使得各模式间的有效折射率差不小于2.8
×
10
‑4，而在整个c+l波段的十种模式间的有效折射率均差大于10
‑4。该光纤在弯曲时，在半径为1cm的情况下仍能实现十种模式间的有效折射率差仍大于2
×
10
‑4。在弯曲半径为1.5cm时，十种模式仍能够维持其各个模式的模态强度。
36.该光纤的结构如图1和图2所示，包括纤芯、第一应力杆3、第二应力杆4和包覆所述纤芯、所述第一应力杆3以及所述第二应力杆4的包层5；其中，所述纤芯位于整个光纤横截面的中心，所述纤芯包括椭圆环形纤芯2和位于所述椭圆环形纤芯2中心的椭圆形中芯1；所述第一应力杆3和第二应力杆4分别分布于所述椭圆环形纤芯2的两侧。所述椭圆形中芯1与所述包层5具有相同的折射率，所述椭圆环形纤芯2的折射率大于所述椭圆形中芯1的折射率；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4具有相同的折射率，且所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的折射率小于所述椭圆形中芯1的折射率。
37.具体地，在本实施例中，所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的半径值r在11.3um至14.3um之间；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4与所述椭圆环形纤芯2之间的距离a在1um至3.2um之间；所述包层5的半径值r在62um至70um之间。所述椭圆形中芯1和所述椭圆环形纤芯2的椭圆率值均为1.4；且所述椭圆环形纤芯2的长轴b
x
与所述椭圆形中芯1的长轴a
x
的比值为0.66。
38.进一步地，本实施例的椭圆环芯熊猫型十模少模光纤径向折射率分布如图3所示；其中，所述椭圆形中芯1与所述包层5的折射率均为1.444；所述椭圆环形纤芯2的折射率为1.474，其材料为二氧化锗掺杂石英玻璃，其中，二氧化锗掺杂浓度为20.2％；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的折射率均为1.436，其材料为三氧化二硼掺杂石英玻璃，其中，三氧化二硼掺杂浓度为30％。
39.上述椭圆环芯熊猫型十模少模光纤的机械参数如表1所示。
40.表1椭圆环芯熊猫型少模光纤机械参数
41.[0042][0043]
第二实施例
[0044]
本实施例提供了一种椭圆环芯熊猫型十模少模光纤，该椭圆环芯熊猫型十模少模光纤的结构如图1和图2所示，包括纤芯、第一应力杆3、第二应力杆4和包覆所述纤芯、所述第一应力杆3以及所述第二应力杆4的包层5；其中，所述纤芯位于整个光纤横截面的中心，所述纤芯包括椭圆环形纤芯2和位于所述椭圆环形纤芯2中心的椭圆形中芯1；所述第一应力杆3和第二应力杆4分别分布于所述椭圆环形纤芯2的两侧。所述椭圆形中芯1与所述包层5具有相同的折射率，所述椭圆环形纤芯2的折射率大于所述椭圆形中芯1的折射率；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4具有相同的折射率，且所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的折射率小于所述椭圆形中芯1的折射率。
[0045]
具体地，在本实施例中，所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的半径值r在11.3um至14.2um之间；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4与所述椭圆环形纤芯2之间的距离a为2.75um；所述包层5的半径值r设置为62.5um。所述椭圆形中芯1和所述椭圆环形纤芯2的椭圆率值均为1.4；且所述椭圆环形纤芯2的长轴b
x
与所述椭圆形中芯1的长轴a
x
的比值ρ为0.66。
[0046]
所述椭圆形中芯1与所述包层5的折射率均为1.444；所述椭圆环形纤芯2的折射率为1.474，其材料为二氧化锗掺杂石英玻璃，其中，二氧化锗掺杂浓度为20.2％；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的折射率均为1.436，其材料为三氧化二硼掺杂石英玻璃，其中，三氧化二硼掺杂浓度为30％。
[0047]
下面，以r的值设置为11.3um、11.5um、11.7um、11.9um、12um、12.3um、12.6um、12.9um、13.2um、13.5um、13.8um、14.2um为例，对不同r值下，十种模式的有效折射率差进行示例性说明，各有效折射率差如表2至表4所示。
[0048]
表2例1至例4的有效折射率差
[0049]
[0050][0051]
表3例5至例8的有效折射率差
[0052]
[0053][0054]
表4例9至例12的有效折射率差
[0055]
[0056][0057]
由上可知，所得十种模式的有效折射率差(lp
21x
(even)
‑
lp
21y
(even)、lp
21y
(odd)
‑
lp
21x
(even)、lp
21x
(odd)
‑
lp
21y
(odd)、lp
11y
(odd)
‑
lp
21x
(odd)、lp
11x
(even)
‑
lp
11y
(odd)、lp
11y
(even)
‑
lp
11x
(even)、lp
11x
(odd)
‑
lp
11y
(even)、lp
01y
(even)
‑
lp
11x
(odd)、lp
01x
(odd)
‑
lp 01y
(even))均大于2
×
10
‑4。
[0058]
第三实施例
[0059]
本实施例提供了一种椭圆环芯熊猫型十模少模光纤，该椭圆环芯熊猫型十模少模光纤的结构如图1和图2所示，包括纤芯、第一应力杆3、第二应力杆4和包覆所述纤芯、所述第一应力杆3以及所述第二应力杆4的包层5；其中，所述纤芯位于整个光纤横截面的中心，所述纤芯包括椭圆环形纤芯2和位于所述椭圆环形纤芯2中心的椭圆形中芯1；所述第一应力杆3和第二应力杆4分别分布于所述椭圆环形纤芯2的两侧。所述椭圆形中芯1与所述包层5具有相同的折射率，所述椭圆环形纤芯2的折射率大于所述椭圆形中芯1的折射率；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4具有相同的折射率，且所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的折射率小于所述椭圆形中芯1的折射率。
[0060]
具体地，在本实施例中，所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的半径值r设置为12um；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4与所述椭圆环形纤芯2之间的距离a为1um至3.2um之间；所述包层5的半径值r设置为62.5um。所述椭圆形中芯1和所述椭圆环形纤芯2的椭圆率值均为1.4；且所述椭圆环形纤芯2的长轴b
x
与所述椭圆形中芯1的长轴a
x
的比值ρ为0.66。
[0061]
所述椭圆形中芯1与所述包层5的折射率均为1.444；所述椭圆环形纤芯2的折射率为1.474，其材料为二氧化锗掺杂石英玻璃，其中，二氧化锗掺杂浓度为20.2％；所述第一应力杆3和所述第二应力杆4的折射率均为1.436，其材料为三氧化二硼掺杂石英玻璃，其中，三氧化二硼掺杂浓度为30％。
[0062]
下面，以a的值设置为1um、1.4um、1.8um、2.2um、2.5um、2.7um、3.0um、3.2um为例，对不同a值下，十种模式的有效折射率差进行示例性说明；其中，不同a值对应的十种模式的有效折射率差如表5和表6所示。
[0063]
表5例12至例16的有效折射率差
[0064][0065]
表6例17至例20的有效折射率差
[0066][0067]
由上可知，所得十种模式的有效折射率差(lp
21x
(even)
‑
lp
21y
(even)、lp
21y
(odd)
‑
lp
21x
(even)、lp
21x
(odd)
‑
lp
21y
(odd)、lp
11y
(odd)
‑
lp
21x
(odd)、lp
11x
(even)
‑
lp
11y
(odd)、lp
11y
(even)
‑
lp
11x
(even)、lp
11x
(odd)
‑
lp
11y
(even)、lp
01y
(even)
‑
lp
11x
(odd)、lp
01x
(odd)
‑
lp
01y
(even))均大于2.83
×
10
‑4。
[0068]
综上，本发明所提出的椭圆环芯熊猫型十模少模光纤，能够进行十种模式的光纤传输，并实现了该十种模式在1550nm处的有效折射率差大于2
×
10
‑4，且在整个c+l波段的有效折射率差大于10
‑4。本发明的光纤弯曲时，在半径为1cm的情况下能实现有效折射率差仍大于2
×
10
‑4，在弯曲半径为1.5cm时，仍能够维持其模态强度。适用于无多输入多输出的信号处理的空分复用光纤通信系统。
[0069]
此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置结构不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置结构所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者装置结构中还存在另外的相同要素。
[0070]
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。