一种基于渐变式折射率结构的宽频段低差模群时延少模光纤

(一)一种基于渐变式折射率结构的宽频段低差模群时延少模光纤，属于光通信与激光光电子。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、自70年代光纤通信问世以来，所需传输的信息量一直呈指数级增长，为了满足不断增长的信息容量的传输条件，人们通过不同的维度想要扩大单根光纤的信息传输容量，目前人们主要研究并且投入实际的应用领域中的维度有波长以及空间这两种维度。

2、在波长这一维度的应用中，当前主流的光纤通信波段依据石英的传输损耗分为五个部分，即o、e、s、c、l五个波段，波长范围在1260～1625nm。而目前对其的主要研究集中在c和l波段，为了扩大波长这一维度的范围，增加光纤的传输容量，向c以及l波段外的光信号传输进行扩展是有必要的。

3、在空间这一维度的应用中，模分复用技术是常用的扩展单根光纤中信道容量的手段，这种技术通常是在单根光纤中耦合多种传输模式，以此来增加信道的数目，完成通信容量的扩容。这种信号传输方式的介质就是允许多种光纤模式同时传输的少模光纤，并且这种信息传输方式一般都需要进行大规模的多输入多输出数字信号处理mimo-dsp(multiple-in multiple-out digital signal processing)，完成整个过程。而通过multiple-in multiple-out方式进行传输的不同模式的光信号，为了满足接收端能够同时接收到这些信号的需要，不同模式的光信号应当具备最小化的dmd(differential modedelay)。

4、针对目前模分复用中的mimo技术，dmd是各模式传输速度不同造成的时延，是决定通信系统传输稳定性的重要影响因素之一；较大的差分模式群时延会导致系统接收环节的复杂度增加。降低差分模式群时延是优化部分多输入多输出数字信号处理mimo-dsp系统复杂度、降低成本的有效方法，所以降低差分模式群时延是在设计少模光纤时所必须关注的。

5、少模光纤(few mode fiber)通过在一根纤芯之中同时对多种传导模式进行传输，增加了可同时传输信号的信道数量，可以较好的满足人们对信息传输的需要；并且为了满足不同模式的光信号之间最小化的dmd这一要求，在光纤纤芯的折射率设计上一般采取渐变式的折射率结构，而为了约束纤芯中传输的高阶模式，有时在纤芯与包层之间也会加入低折射率沟槽或者高折射率环来加强这一约束效果，通过这样的折射率结构设计，以此提高空分复用系统中信息传输的效率。

6、专利申请号“202110128923.5”提供了具有曲线参数γ和重缩放因子的超高斯折射率分布的少模光纤，通过使用超高斯型函数对光纤折射率坡面进行优化，本设计在允许传输的模式数量上为6种lp线性模式，优于该专利允许传输的两种lp线性模式，且lp02模的截止波长范围为1200～1700nm，优于该专利的1600nm，本发明在1550nm波长处，lp01模和lp11模之间的差模群时延为0.9ps/km，优于该专利的1ns/km。

7、专利申请号“201680081399.8”提供了具有α渐变折射率分布的少模光纤，其适用于整个c波段(1530～1565nm)，在某些情况下适用于s(1460～1530nm)l(1565～1625nm)和u(1625～1675nm)波段，本发明所述少模光纤可应用波段为1200～1700nm，优于该专利；该专利中，针对λ∈[λc-δλ；λc+δλ]，max|dmdlink|<500ps/km，其中：λc是该专利中光纤期望的工作波段的中心传输波长，并且2δλ是该专利工作波段的宽度，max|dmdlink|为该专利中导模的任意组合之间的差模群延迟的绝对最大值。λc＝1550nm并且δλ＝20nm，本发明在1500～1600nm波段，max|dmdlink|<600ps/km，与该专利差距不大，但工作波段更宽。

8、专利申请号“202110512538.0”提供了具备脊波导结构的大模场少模光纤，该专利通过渐变式折射率设计、脊、与沟槽的结合约束高阶模光场，该专利工作波端为c+l(1530～1625nm)，与本发明工作波段(1200～1700nm)相比更窄。

9、文献“shuqi mo et al.,“few-mode optical fiber with a simpledouble-layer core supporting the o+c+l band weakly coupled mode-divisionmultiplexing transmission,”optics express,2467-2478(2023)”提供了一种可应用于长距离传输的宽波段双层纤芯弱耦合少模光纤，其波段覆盖范围为1295～1600nm波段，而本技术传输波段为1200～1700nm，该文献传播的光信号模式类型为oam模式，本技术传播的光信号模式为lp模式，与当前空分复用的传输光信号方式具备更好的兼容性和实用性，优于该文献。

10、文献“bhagyalaxmi behera,shailendra kumar varshney,mihir narayanmohanty,”design of ultra-dispersion flattened m-type few-mode fiber forweakly-coupled mode division multiplexing transmission,optik internationaljournal for light and electron optics 260(2022)169040”提供了一种应用于c波段m型折射率剖面少模光纤，其在1530～1560nm波段处lp11模、lp21模、lp31模的dmd的值分别为0.1，0.25，0.4ps/m；而本技术在相同波段处dmd值与之相仿，且本技术在1200～1500nm波段lp11模的|dmdmin|能达到0.02ps/m，在1600～1700nm波段lp31模的平均|dmd|能达到0.03ps/m，工作波段范围以及整体效果优于该文献。

11、综上所述，目前现有改善多模传输中多个模式的时延差较大的问题的解决方式有两种，其一是通过多阶(二阶至三阶)的阶跃型折射率设计，其二是通过不同的函数，改善渐变型折射率的曲线，二者共同的目的都是使得不同模式的光在光纤中传输的光程尽可能一致，而目前学术界中针对结合上述两个方式的结构的研究较少，并且现有技术还存在一些问题：第一，少模光纤在进行多个模式的传输中不同模式dmd相对较大的问题；第二，少模光纤在进行光信号的传输时工作波段较窄的问题；第三，当前通信系统中光纤传输容量不足的问题；所以本设计通过结合上述两种解决方式，弥补目前多输入多输出信号处理系统在发送和接收端数据传输速率不一致的不足，为空分复用通信系统中信号的传输提供新的优化方案，更好的满足实际需要。

技术实现思路

0、(三)技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种基于渐变式折射率结构的宽频段低差模群时延少模光纤，在扩大信号传输波段范围的同时，具备更小的dmd。该少模光纤的组成包括：

2、(1)光纤纤芯；

3、所述光纤纤芯是少模光纤传输多个模式光的导光区域，一般依据其折射率的分布分为阶跃或者渐变型两种类型，本发明采用的是渐变型设计，并将纤芯分为两个部分进行不同的折射率设计，总芯径范围为42～45μm。介质材料选择sio2。

4、(2)内纤芯；

5、所述内纤芯作为低阶模式的主要传导区域，采用ɑ型折射率设计，其结构设计表达式为：其中，n1(r)为内纤芯芯径处对应的纤芯折射率，r为纤芯半径，n1为纤芯中心处纤芯折射率，a1为本发明自设参数，g1为内纤芯渐变指数，纤芯折射率n1为1.45，a1的范围为1～2，g1的范围为2～2.5，在内纤芯中，纤芯半径r的范围与内纤芯半径r1的范围一致，内纤芯半径r1的范围为10.5～11.5μm；内纤芯直径的范围为21～23μm，内纤芯折射率结构为渐变型折射率结构，介质材料选择sio2。

6、(3)外纤芯；

7、所述外纤芯以及内纤芯相交界处以及一部分外纤芯的区域是光纤高阶模式主要的传导区域，采用ɑ型折射率设计，其折射率表达式为其中，n2(r)为外纤芯芯径处对应的纤芯折射率，r为纤芯半径，r1为内纤芯半径，n2为内纤芯与外纤芯交界处纤芯折射率，a2为本发明自设参数，g2为外纤芯渐变指数，所述的a2的范围为2.2～3.5，r1的范围为10.5～11.5μm；所述的纤芯半径r的范围为21～22.5μm。外纤芯的直径的范围为42～45μm，g2的范围为2～2.5，外纤芯结构也为渐变型结构，所述的n1与n2的相对折射率差为内纤芯与内纤芯和外纤芯交界处的相对折射率差，其表达式为δ1的范围为0.1％～0.2％。

8、(4)包层；

9、所述包层是保证光纤中的光信号产生全反射，进行信号传输的必要条件，且根据折射率包层与纤芯相对折射率的改变，不同模式的光信号与基模产生的差模群时延也不同；其包层半径为62.5μm，材质选用sio2；所述的包层折射率与纤芯折射率相对折射率差表达式为其中ncl为包层折射率，值为1.444，δ2为0.4％，所述的δ1与δ2并无标准的倍数关系，以此保证在设定的纤芯半径到达包层时，包层的折射率达到1.444，这样的折射率设计可以在内外纤芯的交界处产生一个较大的变化，以此保证高阶模式折射率能够更好的接近基模折射率，使得差模群时延尽可能降低。

10、本发明依据渐变型光纤中多种模式的产生原理进行设计，由于少模光纤的纤芯相较于单模光纤来说半径更大，所以光线在少模光纤中传输时的轨迹会有多种方式，从而影响其传播常数，形成了多种光纤模式；各个模式的光线轨迹在少模光纤中传输时，在此过程中不同模式的光的传输时间计算公式为：

11、

12、其中c为光速，n为折射率，l为光的传输距离，t为不同模式的光传输所需的时间，ν为光波在光纤中的速度。

13、不同模式的光在少模光纤中传播时，当光线沿子午面进行传播，按照光纤渐变折射率的设计，其具备有最小的光程以及最大的折射率值；而当光在非子午面进行传播时，由于光纤渐变折射率的设计，其光程相较子午面传播的光线来说有所增加，但折射率会降低，这样的设计目的是使下列公式尽可能成立，即:

14、lmin*nmax＝li*nj    (2)

15、其中lmin为光线在子午面传播时的光程，nmax为渐变式光纤纤芯折射率，lt为非子午面光线传播的光程，nj为非子午面光线在传播时对应的渐变折射率。

16、本发明的优点在于，根据公式(1)(2)，通过所述分段式的渐变折射率设计，将各个模式在纤芯中的光程差大大缩短，各个模式的t会接近于一个相同的值，从而使得dmd减小；并且这样的设计使高阶模式光场被束缚在内外纤芯之间，几乎不会溢出纤芯。

17、优选的，本发明在1200～1700nm波段|dmdmax|为0.783ps/m，|dmdmin|为3*10-3ps/m；在通信波段1530～1600nm处|dmdmax|为0.639ps/m，|dmdmin|为5*10-2ps/m；在1550nm至1700nm波段，六种模式的最大差模群时延为0.7ps/m，其中在1600nm至1700nm，lp31模的差模群时延均小于100ps/km。

18、优选的，本发明在1200～1500nm波段，在1200nm至1500nm波段，六种传输模式相对于lp01模的最大差模群时延为0.5ps/m，lp11模的|dmd|均小于100ps/km，其中在1250nm波段处，lp11模的|dmd|为3ps/km；在1600nm～1700nm波段，lp31模的|dmd|均小于100ps/km，其中在1700nm波段处，lp31模的|dmd|为29ps/km；在1350～1400nm波段，lp41模的|dmd|均小于100ps/km，其中在1400nm波段处，lp41模的|dmd|为58ps/km。