[发明专利]一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤

说明书

本发明公开一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤。本发明的光纤结构为由内到外依次包括中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯和包层；其中，所述中心纤芯、内环形纤芯和外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均不超过1.2％；所述中心纤芯、外环形纤芯的折射率与所述内环形纤芯的折射率之间的相对折射率差不超过0.7％。本发明解决了现存光纤中的独立模式数量少、模式串扰大、传输损耗大等问题，同时兼容目前商用普通单模光纤的制备技术，相比市场上现有光纤，具有极大的性能和成本优势。

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种模式弱耦合双重环形纤芯结构光纤。

背景技术

随着网络用户的持续增加、网络数据新型业务的不断涌现，对于网络容量的需求不断增长。由于常见的光的复用维度(时间、波长、偏振、多进制调制)都已经面临潜力开发的瓶颈，当前基于普通单模光纤的光通信系统已经无法应对蓬勃的网络容量需求。空分复用作为一种新型的光的复用维度，具有极大的潜力来解决未来光通信系统的容量，并受到了世界范围内的广泛关注。空分复用技术可分为利用少模光纤或多模光纤中多个传导模式的模分复用技术和增加光纤中纤芯数量的芯分复用技术，而且也可将二者结合来进一步提高系统的传输容量。在少模光纤和多模光纤中，多采用线偏振模式(LP模)进行模分复用。在理想情况下，各个LP模之间是相互正交，可以作为独立信道使用的，通过与传统的时间、波长、偏振和多进制调制格式进行多维复用，可以大大增加系统的传输容量。但由于在制备过程中，未经过特殊设计的少模光纤不可避免地会存在一些结构或折射率的缺陷，加之在传输过程中外界因素的干扰，模式间的串扰难以避免，而且会随着光纤所支持的模式数的增加和传输距离的增长而累积。在此情况下，接收端必须采用相干接收技术，辅以多入多出技术(MIMO)和数字信号处理(DSP)来恢复传输信号。这种方案的计算复杂度高，且会导致系统成本增高和能耗增大。

支持传导模式数超过一个的光纤在世界范围内已经得到了广泛的研究。以光纤中支持的模式数量为标准，可分为支持模式数量少于等于10个的少模光纤和支持模式数量大于10个的多模光纤；以光纤中所支持的模式间的耦合强度(串扰程度)为标准，可分为弱耦合光纤和强耦合光纤。以下按照模式耦合强度和纤芯结构分别介绍与本发明相关的现有技术：

i.圆形纤芯少模光纤

这种光纤结构沿用了标准单模光纤的简单结构，纤芯为折射率分布为阶跃折射率或渐变折射率的圆形。该种结构简单，易于加工，但是随着所支持的模式数的增加，高阶模式间有效折射率差(ΔNeff)很小，串扰程度将很大，所以在支持模式数少于等于3个时属于弱耦合少模光纤，在支持模式数大于3个时属于强耦合少模光纤或多模光纤，在传输系统中使用时，必须使用相干接收加MIMO-DSP。

这种结构的前者的典型代表是法国普林斯曼公司研制的3模少模光纤，支持模式数少，对系统传输容量的扩充能力低；后者的典型代表是各家光纤厂商都在生产的常规多模光纤(OM1-OM5)，支持模式数多，众多的模式可以分为相互间串扰较低的模式组，但是模式组内的多个模式的有效折射率(Neff)相近，串扰严重，必须使用相干接收加MIMO-DSP，也极大限制了其作为模分复用光纤的使用前景。

ii.弱耦合一重环形纤芯结构少模光纤

一重环形结构少模光纤在圆形纤芯少模光纤的基础上，对圆形纤芯的靠外环形区域的折率进行增大，可以提高光纤中特定模式间的ΔNeff，从而降低模式间的串扰，保证模式可以进行独立的传输。这种结构按照环内区域与包层的折射率是否相同，还分为两种。

一种是环内区域和包层折射率相同的设计，以北海道大学与NTT合作的3模光纤，以及华中科技大学的轨道角动量模式光纤为代表。这种设计的环与包层的折射率差极大且环形结构宽度小，给光纤拉制工艺造成了很多挑战，且制造出来的环形结构少模光纤损耗很大，无法实现较长距离的传输，且从目前的进展来看，能够支持的模式数量也较少。