本發(fā)明屬于光通信領(lǐng)域，更具體地，涉及一種弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖。

背景技術(shù)：

當(dāng)前光通信由于人們所熟知的光波維度資源(幅度、相位、頻率/波長、時間、偏振)開發(fā)殆盡而顯現(xiàn)“新容量危機(jī)”。為了進(jìn)一步提高光通信系統(tǒng)的容量，空分復(fù)用技術(shù)用于解決未來光通信新容量危機(jī)的潛力吸引了越來越多的關(guān)注?？辗謴?fù)用技術(shù)利用光子的空間維度，包括基于少模光纖、多模光纖及環(huán)形光纖等的模分復(fù)用(亦即模式復(fù)用)技術(shù)和基于多芯光纖的芯分復(fù)用技術(shù)。此外，還可以將兩個技術(shù)相互結(jié)合進(jìn)一步提高空間利用率和系統(tǒng)容量，例如少模多芯、環(huán)形多芯光纖等。在用少模光纖、多模光纖及環(huán)形光纖等進(jìn)行模分復(fù)用時，采用的是線偏振模式(lp模)或軌道角動量模式(oam模，亦稱光渦旋)等模式基。隨著光纖中傳播的模式數(shù)目增多和傳輸距離增長，通常情況下任何擾動因素(光纖本身特性和缺陷及外界擾動)將導(dǎo)致模式之間的串?dāng)_難以避免，在接收端需采用復(fù)雜的多進(jìn)多出數(shù)字信號處理(mimo-dsp)技術(shù)進(jìn)行恢復(fù)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度和成本升高以及功耗增大。另外，傳統(tǒng)少模光纖中支持模式數(shù)目極少，難以滿足多通道模式復(fù)用有效提升通信容量的需求。傳統(tǒng)多模光纖中可以支持很多模式數(shù)目，眾多模式可以劃分為相互分離的模群，可以采用模群間低串?dāng)_復(fù)用，不過，一個模群中的多個模式有效折射率相近，串?dāng)_嚴(yán)重，模群內(nèi)的這些模式在模式復(fù)用時仍然需要輔助以mimo-dsp技術(shù)，由于傳統(tǒng)多模光纖模群內(nèi)存在許多難以復(fù)用解復(fù)用的徑向高階模式，隨著模群階數(shù)增大，模群內(nèi)的模式數(shù)目也越來越多，這導(dǎo)致模群內(nèi)模式復(fù)用所需的mimo-dsp復(fù)雜度急劇增長(即需要大規(guī)模mimo-dsp技術(shù))，這在很大程度上限制了傳統(tǒng)多模光纖應(yīng)用于多通道模式復(fù)用。環(huán)形光纖雖然普遍用于光渦旋模式復(fù)用通信，目前為了減小多個光渦旋模式間的串?dāng)_，主要采用高折射率差環(huán)形結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)由于高折射率差給光纖工藝?yán)茙砹撕芏嗵魬?zhàn)，制造出的環(huán)形光纖損耗很大，無法實(shí)現(xiàn)較長距離的傳輸。除此之外，對于本征模式(he、eh、te、tm)分離的保偏光纖，比如橢圓芯光纖，光纖中的本征模式也可以類似線偏振模式和光渦旋模式那樣作為模式基，即可以直接使用光纖本征模式進(jìn)行本征模復(fù)用通信，不過模式通道數(shù)目相對有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)存在的模式通道數(shù)目少、損耗大、模式串?dāng)_大因而需要大規(guī)模mimo-dsp技術(shù)等問題。

本發(fā)明提供了一種弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖，包括：環(huán)形纖芯、中心區(qū)域和包層；所述環(huán)形纖芯的折射率與所述包層的折射率之間的相對折射率差不超過1％，且所述環(huán)形纖芯的折射率與所述中心區(qū)域的折射率之間的相對折射率差不超過1％；所述弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖不支持徑向高階模式，僅支持多通道徑向一階模式且分為不同模群；第一個模群2個模式，其余模群各4個模式，除了前兩個模群，其余模群間的折射率差均>10^-4。

更進(jìn)一步地，模式基為線偏振模式、光渦旋模式或光纖本征模式。

更進(jìn)一步地，環(huán)形纖芯的折射率大于所述中心區(qū)域的折射率；所述環(huán)形纖芯的折射率大于所述包層的折射率。

更進(jìn)一步地，環(huán)形纖芯的折射率分布為階躍折射率分布或漸變折射率分布。

更進(jìn)一步地，在所述環(huán)形纖芯外側(cè)或/和內(nèi)側(cè)設(shè)置有一圈環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形纖芯的折射率大于所述中心區(qū)域的折射率大于環(huán)形溝槽的折射率；所述環(huán)形纖芯的折射率大于包層的折射率大于環(huán)形溝槽的折射率。

更進(jìn)一步地，環(huán)形溝槽的折射率與所述中心區(qū)域的折射率之間的相對折射率差不超過-1％；所述環(huán)形溝槽的折射率與所述包層的折射率之間的相對折射率差不超過-1％。

更進(jìn)一步地，環(huán)形纖芯的內(nèi)環(huán)半徑掃描范圍為12μm～24μm，環(huán)寬掃描范圍為1μm～6μm。

更進(jìn)一步地，溝槽寬度掃描范圍為2μm～10μm。

更進(jìn)一步地，環(huán)形纖芯采用摻雜有二氧化鍺或二氧化鈦或五氧化二磷的二氧化硅材料,摻雜濃度影響折射率，摻雜越多折射率越大。

更進(jìn)一步地，包層采用純二氧化硅材料；所述中心區(qū)域材料和所述包層材料相同，或者是其他折射率與包層折射率相近的材料；所述環(huán)形溝槽采用摻雜五氧化二硼或氟的二氧化硅材料，摻雜濃度影響折射率，摻雜越多折射率越小。本發(fā)明提供的弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖具有如下有益效果：

(1)弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖采用環(huán)形纖芯設(shè)計(jì)，內(nèi)環(huán)比較大，環(huán)寬比較小，從而在保證多通道模式數(shù)目的同時有效抑制了徑向高階模式的產(chǎn)生，僅僅支持徑向一階模式，有效減小了光纖所支持模式的復(fù)雜度。

(2)弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖采用弱導(dǎo)設(shè)計(jì)，即纖芯與包層的折射率差較小，這可以降低高折射率差引起的光纖拉制難度和高損耗，兼容于現(xiàn)有成熟的低損耗單模光纖和多模光纖拉制工藝，亦即所需的光纖拉制工藝相對成熟，可以有效降低光纖損耗。

(3)弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖支持多通道模式且劃分為不同模群。第一個模群2個模式，其余模群各4個模式，除了前兩個模群，其余模群均具有大折射率差(>10^-4)，這樣可以前兩個模群組合后使用6x6mimo-dsp輔助模式復(fù)用，其余每個模群內(nèi)使用4x4mimo-dsp輔助模式復(fù)用，模群間低串?dāng)_復(fù)用，亦即采用模群間低串?dāng)_復(fù)用和模群內(nèi)小規(guī)模mimo-dsp輔助模式復(fù)用相結(jié)合的復(fù)用方式。該復(fù)用方式具有可擴(kuò)展性，由于模群內(nèi)始終是小規(guī)模mimo-dsp輔助模式復(fù)用，不會像傳統(tǒng)多模光纖那樣隨著模式數(shù)目增加需要使用復(fù)雜度急劇增加的大規(guī)模mimo-dsp技術(shù)。

(4)弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖可以使用線偏振模式、光渦旋模式或者光纖本征模式等模式基進(jìn)行模群間復(fù)用和模群內(nèi)復(fù)用，復(fù)用靈活。

(5)弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖在c+l波段寬帶范圍內(nèi)具有相似特性，因此可以與波分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合以更有效提高光通信容量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的階躍型弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖的橫截面示意圖；

圖2是該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的材料折射率分布圖；

圖3是本發(fā)明提供的階躍型帶溝槽弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖的橫截面示意圖(環(huán)形纖芯外側(cè)溝槽示例)；

圖4是該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的材料折射率分布圖；

圖5是本發(fā)明提供的階躍型弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖支持的模式數(shù)目和模群間(忽略基模)最小有效折射率差隨波長變化曲線。

表一是本發(fā)明提供的階躍型弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖支持的50個模式及模群劃分示意圖；模式基可以選擇光纖本征模式、線偏振模式和光渦旋模式；

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖綜合了多種模式復(fù)用光纖的優(yōu)點(diǎn)，支持多通道模式，采用弱導(dǎo)設(shè)計(jì)降低光纖損耗，模群間低串?dāng)_復(fù)用與模群內(nèi)小規(guī)模mimo-dsp輔助模式復(fù)用相結(jié)合，支持線偏振模式、光渦旋模式及光纖本征模式復(fù)用，解決現(xiàn)有模式復(fù)用光纖較為廣泛存在的模式通道數(shù)目少、損耗大、模式串?dāng)_大因而需要大規(guī)模mimo-dsp技術(shù)問題。具體地，本發(fā)明提供的弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以支持多通道模式以有效提升模式復(fù)用通信容量；(2)采用弱導(dǎo)光纖設(shè)計(jì)兼容現(xiàn)有成熟的光纖拉制工藝以獲得低損耗光纖；(3)綜合模群間低串?dāng)_復(fù)用和模群內(nèi)小規(guī)模mimo-dsp輔助模式復(fù)用，光纖設(shè)計(jì)去除徑向高階模，每個模群內(nèi)僅包含2個或者4個徑向一階模式，隨著模群階數(shù)增大模群內(nèi)模式復(fù)用所需mimo-dsp復(fù)雜度不會提升；(4)可以使用線偏振模式、光渦旋模式以及光纖本征模式等模式基進(jìn)行模群間復(fù)用和模群內(nèi)復(fù)用。

本發(fā)明提供的一種弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖包括環(huán)形纖芯、中心區(qū)域和包層。環(huán)形纖芯折射率與包層折射率之間的相對折射率差不超過1％，且環(huán)形纖芯折射率與中心區(qū)域折射率之間的相對折射率差不超過1％，即為弱導(dǎo)光纖。

在本發(fā)明實(shí)施例中，弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖不支持徑向高階模式，僅支持多個徑向一階模式且分為不同模群。第一個模群2個模式，其余模群各4個模式，除了前兩個模群，其余模群間均具有大折射率差(>10^-4)。模式基可以是線偏振模式、光渦旋模式以及光纖本征模式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖中，環(huán)形纖芯、中心區(qū)域和包層的折射率參數(shù)關(guān)系為：環(huán)形纖芯的折射率>中心區(qū)域的折射率；環(huán)形纖芯的折射率>包層的折射率。

在本發(fā)明實(shí)施例中，弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖中，環(huán)形纖芯的折射率分布可以是階躍折射率分布，也可以是漸變折射率分布。

在本發(fā)明實(shí)施例中，弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖中，環(huán)形纖芯外側(cè)或/和內(nèi)側(cè)增加一圈環(huán)形低折射率溝槽結(jié)構(gòu)，其中折射率參數(shù)關(guān)系為：環(huán)形纖芯的折射率>中心區(qū)域的折射率>環(huán)形溝槽的折射率；環(huán)形纖芯的折射率>包層的折射率>環(huán)形溝槽的折射率。環(huán)形溝槽與中心區(qū)域或包層折射率差不超過-1％。

在本發(fā)明實(shí)施例中，弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖中，環(huán)形纖芯采用摻雜二氧化鍺或二氧化鈦或五氧化二磷的二氧化硅材料，摻雜濃度影響折射率，摻雜越多折射率越大。例如對于摻雜二氧化鍺的二氧化硅材料，摻雜二氧化鍺摩爾百分比不超過9.584％時，摻雜二氧化鍺的二氧化硅材料與純二氧化硅材料之間的相對折射率差不超過1％。環(huán)形纖芯的內(nèi)環(huán)半徑掃描范圍可以取12μm～24μm，環(huán)寬掃描范圍可以取1μm～6μm，在此掃描范圍內(nèi)可以仿真得到各光纖參數(shù)組合下光纖中支持的模式數(shù)目及模群分布，從中找到滿足需求的弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖基本結(jié)構(gòu)參數(shù)；包層采用純二氧化硅材料；中心區(qū)域材料和包層材料相同，或者是其他折射率與包層折射率相近的材料；環(huán)形溝槽采用摻雜五氧化二硼或氟的二氧化硅材料，摻雜濃度影響折射率，摻雜越多折射率越小。溝槽寬度掃描范圍可以取2μm～10μm。

總體上，在上述給定各參數(shù)掃描范圍內(nèi)，光纖所支持的模式通道數(shù)目、模群間有效折射率差、模群內(nèi)模式有效折射率差等模式特性會有相應(yīng)不同。不過，最優(yōu)的光纖設(shè)計(jì)參數(shù)位于上述參數(shù)掃描范圍內(nèi)，可以抑制徑向高階模式，支持多通道徑向一階模式并劃分為不同模群，第一個模群2個模式，其余模群各4個模式，除了前兩個模群，其余模群間均具有大折射率差(>10^-4)，從而保證模群間低串?dāng)_復(fù)用和模群內(nèi)小規(guī)模mimo-dsp輔助模式復(fù)用。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，僅僅是提供其中一種可能的具體實(shí)施方案，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種階躍型弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖由環(huán)形纖芯1、中心區(qū)域2和包層3三部分組成。環(huán)形纖芯1區(qū)域采用摻雜二氧化鍺的二氧化硅材料，中心區(qū)域2和包層3采用純二氧化硅材料。圖2為該階躍型弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖的材料折射率分布圖。圖中為階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布。中心區(qū)域2折射率也可以略不同于包層3折射率。環(huán)形纖芯1折射率大于中心區(qū)域2的折射率或包層3的折射率，環(huán)形纖芯1折射率與中心區(qū)域2及包層3折射率差均不超過1％，即為弱導(dǎo)光纖。該光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括環(huán)形纖芯1內(nèi)環(huán)半徑r1、環(huán)寬d和折射率n1。包層3半徑取62.5μm。在全矢量有限元分析方法中，根據(jù)對于模式數(shù)目的要求確定光纖各參數(shù)初步范圍，根據(jù)對于模式有效折射率差的要求進(jìn)一步確定光纖各參數(shù)范圍，給出滿足需求的弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。具體方法是通過與comsol軟件相連接的matlab軟件對環(huán)形纖芯1內(nèi)環(huán)半徑r1、環(huán)寬d和折射率n1三個變量在一定范圍內(nèi)進(jìn)行分點(diǎn)掃描，仿真得到各光纖參數(shù)組合下光纖中支持的模式數(shù)目及模群分布，從中找到滿足需求的弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，環(huán)形纖芯1的內(nèi)環(huán)半徑掃描范圍可以取12μm～24μm，環(huán)寬掃描范圍可以取1μm～6μm。

如圖3所示，本發(fā)明提供的一種階躍型帶溝槽弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖由環(huán)形纖芯1、中心區(qū)域2、包層3和環(huán)形溝槽4四部分組成，這里以環(huán)形纖芯外側(cè)溝槽進(jìn)行示例，也可以采用環(huán)形纖芯內(nèi)側(cè)溝槽或者內(nèi)外側(cè)同時溝槽。環(huán)形纖芯1區(qū)域采用摻雜二氧化鍺的二氧化硅材料，中心區(qū)域2和包層3采用純二氧化硅材料，環(huán)形溝槽4采用摻雜五氧化二硼或氟的二氧化硅材料。圖4為該階躍型帶溝槽弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖的材料折射率分布圖。圖中為階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布。中心區(qū)域2折射率也可以略不同于包層3折射率。環(huán)形纖芯1折射率大于中心區(qū)域2/包層3折射率，環(huán)形纖芯1折射率與中心區(qū)域2及包層3折射率差均不超過1％，即為弱導(dǎo)光纖。環(huán)形溝槽4與包層3折射率差不超過-1％(對于環(huán)形纖芯內(nèi)側(cè)溝槽情況，環(huán)形溝槽4與中心區(qū)域2折射率差也不超過-1％)。該光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括環(huán)形纖芯1內(nèi)環(huán)半徑r1、環(huán)寬d1和折射率n1，環(huán)形溝槽4環(huán)寬d2和折射率n2。包層3半徑取62.5μm。在全矢量有限元分析方法中，根據(jù)對于模式數(shù)目的要求確定光纖各參數(shù)初步范圍，根據(jù)對于模式有效折射率差的要求進(jìn)一步確定光纖各參數(shù)范圍，給出滿足需求的弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。具體方法是先對環(huán)形纖芯1內(nèi)環(huán)半徑r1、環(huán)寬d1和折射率n1三個變量在一定范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)掃描，再對環(huán)形溝槽4環(huán)寬d2和折射率n2在一定范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)掃描。其中，環(huán)形纖芯1的內(nèi)環(huán)半徑掃描范圍取12μm～24μm，環(huán)寬掃描范圍取1μm～6μm，環(huán)形溝槽4的環(huán)寬掃描范圍為2μm～10μm。

對于本發(fā)明用到的階躍型弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖，環(huán)形纖芯內(nèi)外環(huán)半徑分別為20.8μm和25μm，即環(huán)寬為4.2μm，包層半徑為62.5μm。環(huán)形纖芯和包層折射率差為0.7％。

對這個階躍型弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)的模擬仿真結(jié)果如下表一和圖5所示。

表一

仿真波長為1550nm時，光纖中共支持50個本征模式(he、eh、te和tm模式)，通過適當(dāng)線性疊加可以對應(yīng)合成50個線偏振模式以及50個徑向一階的光渦旋模式。表一為這50個模式劃分為光纖本征模式群、線偏振模式群和光渦旋模式群結(jié)果圖。可以看到，這50個模式可以分為13個模群，第一個模群2個模式，其余模群各4個模式，除了前兩個模群，其余模群間均具有大折射率差(>10^-4)，這樣可以前兩個模群組合使用6x6mimo-dsp輔助模式復(fù)用，其余每個模群內(nèi)使用4x4mimo-dsp輔助模式復(fù)用，模群間低串?dāng)_復(fù)用，亦即采用模群間低串?dāng)_復(fù)用和模群內(nèi)小規(guī)模mimo-dsp輔助模式復(fù)用相結(jié)合的復(fù)用方式。該復(fù)用方式具有可擴(kuò)展性，由于模群內(nèi)始終是小規(guī)模mimo-dsp輔助模式復(fù)用，不會像傳統(tǒng)多模光纖那樣隨著模式數(shù)目增加需要使用復(fù)雜度急劇增加的大規(guī)模mimo-dsp技術(shù)。圖5為該弱導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)光纖支持的模式數(shù)目和模群間(忽略第一個模群)最小有效折射率差隨波長變化曲線?？梢钥吹剑谡麄€c+l波段(1530nm到1625nm)均可以實(shí)現(xiàn)模群間有效折射率差大于10^-4，且總模式數(shù)目大于46。這樣，一方面可以實(shí)現(xiàn)模群間低串?dāng)_復(fù)用與模群內(nèi)小規(guī)模mimo-dsp輔助模式復(fù)用相結(jié)合的復(fù)用方式，另一方面由于c+l波段寬帶特性可以與波分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合以更有效提高光通信容量。

本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。