[發明專利]一種矩形纖芯結構光纖

有效

• 申請號: 201811301157.2
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109445019B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 李巨浩;孟平;葛大偉;何永琪;陳章淵
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B6/024;G02B6/028
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理有限公司 11200
• 代理人: 俞達成

本發明公開一種矩形纖芯結構光纖，由內到外依次包括矩形纖芯和包層，矩形纖芯的折射率大于包層的折射率，且之間的相對折射率差不超過2.5％。本發明解決了現有光纖中與片上矩形波導模場失配、耦合效率低的問題。本矩形纖芯結構光纖由于形狀特性，是天然的保偏光纖，可以傳輸更多的模式，更有效地提高了光通信容量，而且易于集成，成本低。

技術領域

本發明屬于通信技術領域，涉及一種矩形纖芯結構光纖。

背景技術

隨著網絡用戶的持續增加、網絡數據新型業務的不斷涌現，對于網絡容量的需求不斷增長。由于常見的光的復用維度(時間、波長、偏振、多進制調制)都已經面臨潛力開發的瓶頸，當前基于普通單模光纖的光通信系統已經無法應對蓬勃的網絡容量需求。空分復用作為一種新型的光的復用維度，具有極大的潛力來解決未來光通信系統的容量問題，并受到了世界范圍內的廣泛關注。空分復用技術可分為利用少模光纖或多模光纖中多個傳導模式的模分復用技術和增加光纖中纖芯數量的芯分復用技術，而且也可將二者結合來進一步提高系統的傳輸容量。在少模光纖和多模光纖中，多采用線偏振模式(LP模)進行模分復用。在理想情況下，各個模之間是相互正交，可以作為獨立信道使用的，通過與傳統的時間、波長、偏振和多進制調制格式進行多維復用，可以大大增加系統的傳輸容量。

少模和多模光纖傳輸系統的難點在于各個模式的激發。目前主要的模式激發方式有以空間光調制器和相位片為代表的空間光方式、光纖型定向耦合器件以及平面光波導(PLC)三種方法。其中，空間光方式體積大，不易于集成；光纖型定向耦合器件的模式激發純度高，但器件體積仍然在厘米量級，而且高階模式插入損耗大，不適合量產。而PLC集成度高、模式轉換效率高、插入損耗低，各項性能都要優于前面兩種方法，且平面光波導技術已經成熟，易于量產。新型少模和多模光通信系統應該使用PLC進行模式激發和復用解復用。

PLC器件與普通單模光纖聯合搭建的通信系統已經廣泛應用于生活中的各個領域。但由于加工工藝的限制，PLC以及結構類似的硅基光電子器件須設計成矩形波導結構，可支持的模式為橫電磁模(TEM模)。而傳統的光纖纖芯則設計成圓形結構，支持LP模。因此，圓形纖芯的光纖與片上矩形波導存在模場形狀失配的問題。在單模情況下，該問題并不突出，僅僅影響連接損耗，不會造成模式串擾。但在少模或多模情況下，片上矩形波導的TEM模與圓形纖芯光纖中LP模的高階模式存在嚴重的模場失配，導致片上矩形波導與圓形纖芯光纖連接時出現嚴重的模式串擾和巨大的損耗，嚴重影響少模或多模光通信系統的性能。

支持傳導模式數超過一個的光纖在世界范圍內已經得到了廣泛的研究。以光纖中支持的模式數量為標準，可分為支持模式數量少于等于10個的少模光纖和支持模式數量大于10個的多模光纖；以光纖中所支持的模式間的耦合強度(串擾程度)為標準，可分為弱耦合光纖和強耦合光纖。以下按照模式耦合強度和纖芯結構分別介紹與本發明相關的現有技術：

i.矩形芯子光纖

這種光纖由橫截面為矩形的纖芯，橫截面邊界形狀為矩形的溝壑層，橫截面邊界形狀為矩形的折射率緩沖層和外包層構成。其中，溝壑層的數量大于等于2。這種光纖結構主要應用在傳能領域，旨在輸出更高的功率以滿足大功率激光源的需求，這種光纖的纖芯模場面積較大，近年來提出的低折射率多層溝壑型光纖具有易于制造的特點和較好的高階模式抑制能力，但在彎曲的情況下極限模場面積為800μm²。這種光纖結構在傳能方面具有很大優勢，但在光纖通信傳輸系統中，這種光纖的折射率和尺寸與傳統光纖差異極大，導致傳輸的模式數異常的多，模式間的串擾嚴重，難以用于通信。

ii.圓形纖芯少模光纖

這種光纖結構沿用了標準單模光纖的簡單結構，纖芯為折射率分布為階躍折射率或漸變折射率的圓形。該種結構簡單，易于加工，但是隨著所支持的模式數的增加，高階模式間有效折射率差(ΔNeff)很小，串擾程度將很大，所以在支持模式數少于等于3個時屬于弱耦合少模光纖，圖1是圓形纖芯少模光纖的部分模場示意圖；在支持模式數大于3個時屬于強耦合少模光纖或多模光纖，在傳輸系統中使用時，必須使用相干接收加MIMO-DSP。