CN113204072B - 少模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种少模光纤(100)。包括纤芯(102)。纤芯(102)围绕所述少模光纤(100)的中心纵轴(112)的区域限定。此外，纤芯(102)具有曲线参数
Figure DDA0002924847990000011
和重缩放因子(a)的超高斯折射率分布。另外，纤芯(102)具有从少模光纤(100)的中心纵轴(112)延伸到半径r1的第一环形区域(104)。此外，纤芯(102)具有从半径r1延伸到半径r2的第二环形区域(106)。此外，纤芯(102)具有从半径r2延伸到半径r3的第三环形区域(108)。另外，少模光纤(100)具有从半径r3延伸到半径r4的包层(110)。

Description

少模光纤
技术领域
本公开涉及光纤传输的领域。更具体地说，本公开涉及在Lp01和Lp11导模之间具有最小空间重叠的色散控制的少模光纤。少模光纤适合于空分复用(SDM)应用。
背景技术
在过去几年中，光纤被广泛用于通信。当今的相关通信***采用密集波分复用技术来传输数据。利用单模光纤的OOK或QPSK等相关调制技术，利用调制方案中几乎所有的自由度，提高了通信***的数据速率容量。电信行业正在不断地寻求设计，以满足数据速率容量需求的指数级增长。正在进行的研究表明，通过空分复用方案，能够允许光在多个模式下传输的少模光纤可以成为通过允许信号在多个模式下传输来提高数据速率的潜在解决方案。通常，这些光纤的性能取决于色散、导模间的多模串扰和波长上的弯曲损耗。通常，色散、多模串扰和弯曲损耗是基于折射率剖面进行优化的。折射率剖面定义了纤芯截面和包层截面的特性。此外，折射率剖面图说明了光纤折射率与光纤半径之间的关系。此外，基于制造期间使用的掺杂剂和材料的浓度来确定该轮廓。此外，通过改变光纤各区域的厚度来控制色散、模间串扰和弯曲损耗。
鉴于上述讨论，需要有些模式光纤来克服上述缺点。
发明内容
为了解决现有技术存在的缺陷，本公开提供一个少模光纤。少模光纤包括纤芯。此外，所述少模光纤包括包层。此外，所述少模光纤的纤芯包括第一环形区域。第一环形区域位于少模光纤的中心纵轴和第一半径r1之间。此外，第一环形区域具有第一相对折射率Δ1。此外，第一半径r1在约14微米到16微米的范围内，并且第一相对折射率Δ1在约0.50到0.70的范围内。此外，第一环形区域具有超高斯分布。此外，所述少模光纤的纤芯包括第二环形区域。第二环形区域同心地围绕第一环形区域。另外，第二环形区域位于第一半径r1和第二半径r2之间。此外，第二环形区域具有第二相对折射率Δ2。此外，第二半径r2在约17微米到22微米的范围内并且第二相对折射率Δ2在约-0.01到0.01的范围内。此外，所述少模光纤的纤芯包括第三环形区域。第三环形区域同心地围绕第二环形区域。另外，第三环形区域位于第二半径r2和第三半径r3之间。此外，第三环形区域具有第三相对折射率Δ3。此外，第三半径r3在约24微米到30微米的范围内。此外，第三相对折射率Δ3在约-0.27到-0.32的范围内。此外，第四半径r4在大约62.2微米到62.8微米的范围内。
本公开的主要目的是提供一种用于提高数据传输速率的少模光纤。
本公开的另一个目的是提供用于在LP01引导模式和LP11引导模式下工作的少模光纤。
本公开的另一个目的是提供具有低弯曲损耗的少模光纤。
本公开的另一个目的是提供在LP01导模和LP11导模之间具有低差分群延迟的少模光纤。
本公开的另一个目的是提供具有以抑制串扰的方式保持Lp01导模和Lp11导模的有效折射率之间具有差异的少模光纤。
本公开的另一个目的是提供适用于空分复用应用的少模光纤。
在本公开的一个实施例中，少模光纤包括第一环形区域。第一环形区域是具有超高斯轮廓的中心核心区域。此外，第一环形区域包括在约6.6微米到7.2微米范围内的参数重缩放因子(a)和在约4到8范围内的曲线参数
Figure BDA0002924847970000021
(gamma)。
在本公开的一个实施例中，对于1550纳米波长的LP11导模，少模光纤具有约13皮秒/(纳米千米)到16皮秒/(纳米千米)的色散。
在本公开的一个实施例中，对于1550纳米波长的LP01导模，少模光纤具有18皮秒/(纳米千米)到23皮秒/(纳米千米)的色散。
在本公开的一个实施例中，少模光纤具有截止波长。LP11导模的截止波长可达2400纳米。
在本公开的一个实施例中，少模光纤具有截止波长。LP02模式的截止波长可达1600纳米。
在本公开的一个实施例中，少模光纤具有差分群延迟。在1550纳米波长下，LP01导模和LP11导模的差分群时延可达1纳秒/千米。
在本公开的一个实施例中，少模光纤在两个导模的有效折射率之间存在差异。在1550纳米波长下，LP01导模与LP11导模的有效折射率差大于10-3纳秒/千米。
附图说明
为了最好地描述实现上述实施例的方式，以及定义本公开的其他优点和特征，下面提供更具体的描述，并在附图中说明。理解这些附图仅描绘本公开的示例性实施例，因此不应被认为在范围上是限制性的，将通过使用附图以附加的具体性和细节来描述和解释示例，其中：
图1示出了根据本公开的各种实施例的少模光纤的横截面图；以及
图2示出了根据本公开的各种实施例的少模光纤的折射率分布。
应当注意，附图旨在展示本公开的几个示例性实施例的图示。这些图并不旨在限制本公开的范围。还应注意的是，附图不一定按比例绘制。
附图中的附图标记
为了更全面地理解本公开的各个部分，现参考以下描述：100、少模光纤。102、纤芯。104、第一个环形区域。106、第二个环形区域。108、第三个环形区域。110、覆盖层。112、中心纵轴。200、折射率分布。Δ1、第一相对折射率。Δ2、第二相对折射率。Δ3、第三相对折射率。Δ4、第四相对折射率。r1、第一半径。r2、第二半径。r3、第三个半径。r4、第四半径。
具体实施方式
下面的详细描述是实现本公开的示例性实施例的最佳当前预期模式。所述描述不具有限制意义，而仅仅是为了说明本公开的一般原理。
本说明书中对“一个实施例”或“一个实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。在说明书的各个地方出现短语“在一个实施例中”不一定都指同一实施例，也不一定是与其他实施例相互排斥的单独或替代实施例。此外，描述了可以由一些实施例而不是由其他实施例展示的各种特征。类似地，描述了各种要求，这些要求可以是一些实施例的要求，而不是其他实施例的要求。
现在将结合附图详细参考本公开的选定实施例。本文所描述的实施例并不旨在限制本公开的范围，并且本公开不应被解释为限于所描述的实施例。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，本公开可以以不同的形式体现。应当理解，附图旨在和提供用于说明下面描述的本公开的实施例，并且不必按比例绘制。在附图中，相同的数字指的是贯穿始终的相同元素，并且为了提供更好的清晰度和容易理解，可以夸大一些组件的厚度和尺寸。
此外，尽管以下描述包含许多用于说明的细节，但本领域技术人员将理解，对所述细节的许多变化和/或改变都在本技术的范围内。类似地，尽管本技术的许多特征是相互描述的，或者相互结合地描述的，但是本领域技术人员将理解，这些特征中的许多可以独立于其他特征来提供。因此，对本技术的这种描述是在不损失对本技术的一般性和不施加限制的情况下阐述的。
应注意，本文中的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、等级、数量或重要性，而是用于区分一个元素与另一个元素。此外，本文中的术语“a”和“an”不表示数量限制，而是表示存在至少一个引用项。
图1示出了根据本公开的各种实施例的少模光纤100的横截面图。少模光纤100包括纤芯102。纤芯102包括第一环形区域104、第二环形区域106和第三环形区域108。此外，第一环形区域104、第二环形区域106和第三环形区域108同心布置。此外，第一环形区域104由围绕中心纵轴112的区域限定。此外，第二环形区域106同心地包围第一环形区域104。此外，第三环形区域108同心地包围第二环形区域106。此外，少模光纤100包括包层110。包层110同心地包围第三环形区域108。
一般来说，光纤是一种能够传输光信号的薄玻璃或塑料丝。少模光纤100允许光以一种以上的模式传播。此外，少模光纤100具有高数据传输速率。此外，少模光纤100允许信息以多个模式传输。此外，少模光纤100用于空分复用应用。一般来说，空分复用是一种通过在高容量信道旁边创建并行空间信道来取用信道的方法。在本公开的一个实施例中，少模光纤100以两种引导模式操作。两种引导模式包括LP01和LP11。
此外，纤芯102和包层110与折射率分布相关联。在本公开的一个实施例中，折射率分布确定少模光纤100的折射率和少模光纤100的半径之间的关系。一般来说，折射率是由真空中的光速与特定介质中的光速之比来定义的。此外，基于用于制造少模光纤100的化学品的浓度，将折射率分布保持为期望水平。在本公开的一个实施例中，少模光纤100的制造在少模光纤100的预制件构造之后进行。
此外，在制造少模光纤100的预制件期间确定少模光纤100的折射率分布。一般来说，预制棒是一根直径在1厘米到10厘米之间，长度在1米左右的小玻璃棒。另外，预制棒还用于拉伸光纤。折射率分布基于在制造少模光纤100的预制件期间使用的化学品的浓度来确定。用于制造少模光纤100的化学品包括一种或多种材料和一种或多种掺杂剂。此外，一种或多种材料和一种或多种掺杂剂沉积在初始材料的表面上，有助于火焰水解。在本公开的一个实施例中，初始材料是基板棒或管。
少模光纤100包括在少模光纤100的纤芯102中的多个区域。在本公开的一个实施例中，将少模光纤100的纤芯102划分为多个区域。另外，在本公开的一个实施例中，多个区域中的每个区域由相应的相对折射率和相应的半径定义，纤芯102的多个区域中的每个区域的相对折射率不同。在本公开的一个实施例中，纤芯102的多个区域中的每个区域的半径是不同的。
此外，少模光纤100的纤芯102的折射率分布从少模光纤100的中心到纤芯102的半径变化。此外，纤芯102的多个区域中的每个区域的相对折射率具有预定义值。此外，纤芯102的多个区域中的每个区域的半径具有预定义值。在本公开的一个实施例中，相对折射率和半径的预定义值被设置为获得低差分群延迟，并且两个导模之间的有效折射率差被保持为导致低串扰。
在本公开的一个实施例中，多个区域中每个区域的相对折射率固定在每个区域的横截面积上。此外，纤芯102具有第一环形区域104、第二环形区域106和第三环形区域108。在本公开的一个实施例中，多个区域包括第一环形区域104、第二环形区域106和第三环形区域108。此外，第一环形区域104、第二环形区域106、第三环形区域108同心布置。此外，第二环形区域106包围第一环形区域104。此外，第三环形区域108包围第二环形区域106。此外，第一环形区域104、第二环形区域106和第三环形区域108与相应的相对折射率和半径相关联。
在本公开的一个实施例中，第一环形区域104是中心核心区域。在本发明的一个实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第一环形区域104具有超高斯分布。此外，具有超高斯形状的第一环形区域104将导致低弯曲损耗和低小角度散射(低衰减)。此外，对于少模光纤100的中心芯区的折射率分布，用于超高斯分布的表达式如下：
Figure BDA0002924847970000071
式中：r≤r1；
在哪里，
“r”：从少模光纤100中心的径向位置；
“a”：重缩放因子；
：λ是正数；
Δ：第一环形区域104的最大相对折射率。
在本公开的一个实施例中，第一环形区域104具有超高斯分布。另外，第一环形区域104具有重缩放因子(a)和伽马(γ)。在本公开的一个实施例中，重缩放因子(a)在约6.6微米到7.2微米的范围内，曲线参数伽马(γ)在约4到8的范围内。在实例中，重缩放因子(a)约为6.9微米且曲线参数gamma
Figure BDA0002924847970000072
约为6。
在本公开的一个实施例中，对第一环形区域104、第二环形区域106和第三环形区域108的参数、相对折射率和半径进行了优化，以实现低差分群延迟，并保持两个导模之间的有效折射率差，从而它导致少模光纤100的低串扰。
在本公开的一个实施例中，第一环形区域104位于少模光纤100的中心纵轴112和从少模光纤100的中心纵轴112开始的第一半径r1之间。第一环形区域104具有第一相对折射率Δ1。另外，第二环形区域106位于距少模光纤100的中心纵轴112的第一半径r1和第二半径r2之间。第二环形区域106具有第二相对折射率Δ2。此外，第三环形区域108位于距少模光纤100的中心纵轴112的第二半径r2和第三半径r3之间。第三环形区域108具有第三相对折射率Δ3。
用于计算相对折射率的表达式如下：
Figure BDA0002924847970000081
其中，I＝1,2,3区域；
ni：核心区的最大折射率；
nclad：包层的折射率。
Δi：相对折射率差，以百分比表示。
在本公开的一个实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第一环形区域104的第一半径r1约为14微米至16微米。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第一环形区域104的第一半径r1的范围可以改变。在少模光纤100的纤芯102中的第一环形区域104具有大约0.50到0.70范围内的第一相对折射率Δ1。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第一环形区域104的第一相对折射率Δ1的范围可以改变。在一个示例中，少模光纤100的纤芯102中的第一环形区域104具有约15微米的第一半径r1和约0.6的第一相对折射率Δ1。
在本公开的一个实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第二环形区域106的第二半径r2约为17微米至22微米。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的芯102中的第二环形区域106的第二半径r2的范围可以改变。在本公开的一个实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第二环形区域106具有大约-0.01到0.01范围内的第二相对折射率Δ2。在本公开的另一实施例中，在少模光纤100的芯102中的第二环形区域106的第二相对折射率Δ2的范围可以改变。在一个示例中，少模光纤100的纤芯102中的第二环形区域106具有约19微米的第二半径r2和约零的第二相对折射率Δ2。
在本公开的一个实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第三环形区域108的第三半径r3约为24微米至30微米。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的芯102中的第三环形区域108的第三半径r3的范围可以改变。在本公开的一个实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第三环形区域108具有大约-0.27到-0.32范围内的第三相对折射率Δ3。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的纤芯102中的第三环形区域108的第三相对折射率Δ3的范围可以改变。在一个示例中，少模光纤100的纤芯102中的第三环形区域108具有约26微米的第三半径r3和约-0.29的第三相对折射率Δ3。
在本公开的一个实施例中，第一环形区域104是中心核心区域，第二环形区域106是缓冲区域，第三环形区域108是沟槽区域。沟槽区是少模光纤100中的下掺杂区。下掺杂剂是一种相对于纯二氧化硅具有降低玻璃折射率趋势的掺杂剂。中心芯区是少模光纤100中的上掺杂区。上掺杂剂是一种相对于纯二氧化硅具有增加玻璃折射率趋势的掺杂剂。
在本公开的一个实施例中，少模光纤100包括包层110。包层110包围纤芯102。此外，包层110围绕纤芯102同心地布置。此外，包层110由特定相对折射率和特定半径定义。在本公开的一个实施例中，相对折射率110被优化以实现低差分群延迟，并且两个导模之间的有效折射率差被保持为导致低串扰。此外，包层110是位于少模光纤100的第三半径r3和第四半径r4之间的区域。包层110同心地包围第三环形区域108。
在本公开的一个实施例中，包层110的第四半径r4约为62.2微米至62.8微米。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的包层110的第四半径r4的范围可以改变。在本公开的一个实施例中，少模光纤100的包层110具有第四相对折射率Δ4。另外，第四相对折射率Δ4为零。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的包层110的第四相对折射率Δ4可以变化。在一个实例中，包层110具有约62.5微米的第四半径r4和约零的第四相对折射率Δ4。
在本公开的一个实施例中，少模光纤100的纤芯102的折射率分布是通过使用诸如Ge的上掺杂材料来实现的。在本公开的另一实施例中，上掺杂剂材料可以改变。另外，少模光纤100的包层110由纯二氧化硅材料制成。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的包层110的材料可以改变。在本公开的一个实施例中，以通过氟之类的下掺杂材料来实现沟槽δ。在本公开的另一实施例中，下掺杂材料可以变化。
图2示出了根据本公开的各种实施例的少模光纤100的折射率分布200。可以注意到，为了解释折射率分布200的图形外观，将参考少模光纤100的结构元件。折射率分布200示出了少模光纤100的相对折射率和少模光纤100的半径之间的关系(如图1的详细描述中所述)。在本公开的一个实施例中，折射率分布200示出了少模光纤100的相对折射率随少模光纤100的半径的变化。
在本公开的一个实施例中，少模光纤100在两个引导模式LP01和LP11之间具有差分群延迟。一般来说，差分群时延是指两个导模之间的传输时间差。在本发公开的一个实施例中，少模光纤100的差分群延迟是少模光纤100的两个导模LP01和LP11之间的传播时间差。在本公开的一个实施例中，在1550纳米波长处，少模光纤100的两个导模LP01和LP11之间的差分群延迟约为0.07纳秒/公里。此外，在约1400纳米到1650纳米的波长范围内，少模光纤100的两个导模LP01和LP11之间的差分群时延小于1纳秒/千米。在本发公开的另一实施例中，少模光纤100的两个导模LP01和LP11之间的差分群延迟可以改变。
在本公开的一个实施例中，对于波长为1550纳米的LP01导模，少模光纤100的色散范围为18皮秒/(纳米-千米)到23皮秒/(纳米-千米)，对于LP11导模，色散范围为13皮秒/(纳米-千米)到16皮秒/(纳米-千米)。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的两个导模LP01和LP11的色散可以改变。在本公开的一个示例中，少模光纤100在波长为1550纳米时，对于LP01导模，色散在21.2皮秒/(纳米-千米)范围内，对于LP11导模，色散在14.5皮秒/(纳米-千米)范围内。
在本公开的一个实施例中，少模光纤100具有截止波长。另外，对于LP02导模，少模光纤100的截止波长高达1600纳米，对于LP11导模，截止波长高达2400纳米。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的LP02导模和LP11导模的截止波长可以改变。在一个实例中，对于LP02导模，少模光纤100的截止波长约为1340纳米，对于LP11导模，截止波长高达2118纳米。
在本公开的一个实施例中，少模光纤100中两个导模LP01和LP11的有效折射率之差大于10.3。在本公开的另一实施例中，少模光纤100的两个导模LP01和LP11的有效折射率之间的差可以改变。在本公开的一个例子中，少模光纤100中两个导模LP01和LP11的有效折射率之差约为2.47*10-3。一般来说，串扰是由于能量从另一个通信信道转移而在通信信道中引起的不期望的信号。
与现有技术相比，本公开提供了许多优点。另外，少模光纤操作在LP01导模和LP11导模。此外，在1550纳米波长处，少模光纤在LP01和LP11两种导模之间具有0.07纳秒/千米的低差分群时延。另外，在1400纳米到1650纳米的波长范围内，少模光纤的差分群时延小于1纳秒/千米。
以上对本技术具体实施例的描述是为了说明和描述。它们并非旨在详尽无遗或将本技术限制于所公开的精确形式，并且显然根据上述教导可以进行许多修改和变化。选择和描述实施例是为了最好地解释本技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本技术和各种实施例，这些实施例具有适合于预期的特定用途的各种修改。应当理解，当情况可能暗示或变得有利时，可以考虑对等价物的各种省略和替换，但是这些省略和替换意在涵盖应用或实现而不脱离本技术的权利要求的精神或范围。
尽管本公开已就上述优选实施例进行了解释，但应理解，在不脱离本公开方面的精神和范围的情况下，可以进行许多其他可能的修改和变化。因此，应该思量所附权利要求将涵盖落入本公开真正范围内的此类修改和变化。

Claims (7)

1.一种少模光纤(100)，其特征在于，包括：
纤芯(102)，其中所述纤芯(102)由围绕所述少模光纤(100)的中心纵轴(112)的区域限定，所述纤芯(102)包括：
第一环形区域(104)，其中第一环形区域(104)位于少模光纤(100)的中心纵轴(112)和第一半径r1之间，其中第一环形区域(104)具有第一相对折射率Δ1，其中，第一半径r1在14微米到16微米的范围内，第一相对折射率Δ1在0.50到0.70的范围内，其中，第一环形区域(104)具有曲线参数在4到8的超高斯折射率分布，重缩放因子(a)在6.6微米到7.2微米的范围内；
第二环形区域(106)，其中第二环形区域(106)同心地围绕第一环形区域(104)，其中第二环形区域(106)位于第一半径r1和第二半径r2之间，其中第二环形区域(106)具有第二相对折射率Δ2，其中第二半径r2在一定范围内17微米至22微米，且第二相对折射率Δ2在-0.01至0.01的范围内；
第三环形区域(108)，其中第三环形区域(108)同心地围绕第二环形区域(106)，其中第三环形区域(108)位于第二半径r2和第三半径r3之间，其中第三环形区域(108)具有第三相对折射率Δ3，其中第三半径r3在24微米至30微米，其中第三相对折射率Δ3在-0.27至-0.32的范围内；
少模光纤(100)还包括包层(110)，其中所述包层(110)同心地包围第三环形区域(108)，其中包层(110)位于第三半径r3和第四半径r4之间，其中包层(110)具有第四相对折射率Δ4，其中，第四半径r4在约62.2微米到62.8微米的范围内并且第四相对折射率Δ4为零，其中相对折射率和参数被优化以实现LP01导模和LP11导模之间的低差分群延迟。
2.如权利要求1所述的少模光纤(100)，其特征在于，其中所述少模光纤(100)对于波长为1550纳米的LP11导模具有13皮秒/(纳米-千米)到16皮秒/(纳米-千米)的色散。
3.如权利要求1所述的少模光纤(100)，其特征在于，其中所述少模光纤(100)对于波长为1550纳米的LP01导模具有18皮秒/(纳米-千米)到23皮秒/(纳米-千米)的色散。
4.如权利要求1所述的少模光纤(100)，其特征在于，其中所述少模光纤(100)在1550纳米波长处的LP01导模和LP11导模的有效折射率之差大于10-3。
5.如权利要求1所述的少模光纤(100)，其特征在于，其中LP11导模的截止波长高达2400纳米。
6.如权利要求1所述的少模光纤(100)，其特征在于，其中LP02模的截止波长高达1600纳米。
7.如权利要求1所述的少模光纤(100)，其特征在于，其中，在1550纳米波长处，LP01导模和LP11导模之间的差分群时延小于1纳秒/千米。
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