一种少模光纤

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种少模光纤。

背景技术

少模光纤的设计都关注于模式有效折射率差的设计，均假定模式有效折射率差及与之相关的模式间串扰是造成传输性能劣化的最大原因。实际上，除了模式间串扰外，简并模式内的一些效应也会对传输性能造成较大影响。对于少模光纤，由于弱导条件，其所支持的各本征矢量模式会发生简并，即具有相近有效折射率的本征矢量模式简并成为一个简并模式。在模分复用光纤传输系统中，一般将简并模式作为信道单元使用，即组成同一个简并模式的各本征矢量模式在光纤传输中承载相同的信号。然而，同一简并模式内的各本征矢量模式仍然存在微小的有效折射率差和传播速度差，从而会在传输过程当中累积时延，进而造成信号发生展宽，引起符号间串扰(ISI，Inter symbol interference)，造成信号质量下降，影响网络传输性能。这种现象称之为“简并模式内差分模式时延(IDM-DMD，Intra-degenerate-mode Differential Mode Delay)”。根据理论分析和实际测定，目前的少模光纤所支持的各模式的简并模式内差分模式时延较大，均达到了几～几十ps/km1/2的量级。

发明内容

为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种少模光纤。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种少模光纤，所述少模光纤包括纤芯层、包覆所述纤芯层的沟道层和包覆所述沟道层的包层；其中，

所述沟道层的折射率与所述纤芯层的折射率形成连续梯度渐变型分布，所述连续梯度渐变型分布的起点为所述纤芯层的中心位置处的中心折射率，所述连续梯度渐变型分布的终点为所述沟道层的沟道半径处的折射率；

所述包层的折射率位于所述中心折射率与所述沟道层的沟道半径处的折射率之间。

上述方案中，所述连续梯度渐变型分布包括连续连续抛物线型分布。

上述方案中，所述少模光纤的折射率剖面满足以半径r为自变量的函数n(r)，所述函数n(r)满足以下表达式：

n(r)＝n

所述纤芯层的中心折射率n

/>

其中，r

上述方案中，所述纤芯层的中心折射率n

Δ

Δ

其中，Δ

其中，所述沟道半径r

r

其中，w

上述方案中，所述α的取值范围为1～10。

上述方案中，所述纤芯层的半径r

上述方案中，所述纤芯层的中心和所述沟道层的相对折射率差Δ的取值范围为0.2％～3.0％。

上述方案中，所述包层采用纯二氧化硅材料、或者采用掺杂有二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料。

上述方案中，所述纤芯层采用纯二氧化硅材料、或者采用掺杂有二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料。

上述方案中，所述沟道层采用纯二氧化硅材料、或采用掺杂五氧化二硼或氟离子的二氧化硅材料。

本发明实施例提供的少模光纤，所述少模光纤包括纤芯层、包覆所述纤芯层的沟道层和包覆所述沟道层的包层；其中，所述沟道层的折射率与所述纤芯层的折射率形成连续梯度渐变型分布，所述连续梯度渐变型分布的起点为所述纤芯层的中心位置处的中心折射率，所述连续梯度渐变型分布的终点为所述沟道层的沟道半径处的折射率；所述包层的折射率位于所述中心折射率与所述沟道层的沟道半径处的折射率之间。采用本发明实施例的技术方案，通过对纤芯层、沟道层和包层的折射率进行精细控制，能够解决目前少模光纤的简并模式内差分模式时延大的问题，降低少模光纤的简并模式内差分模式的时延，降低简并模式内差分模式时延造成的传输性能损伤。

附图说明

图1为本发明实施例的少模光纤的径向截面示意图；

图2为本发明实施例的少模光纤的折射率剖面示意图。

具体实施方式

在对本发明实施例进行详细说明之前，首先对有些名词进行简单介绍。

少模光纤(FMF，Few-Mode Fiber)，是指支持多个导波模式的光纤。示例性的，以光纤中支持的波导模式数量为标准，可分为支持波导模式数量少于等于10个的少模光纤和支持波导模式数量大于10个的多模光纤。

简并模式，是指由各个有效折射率相近的本征矢量模式组成的模式。

简并模式内差分模式时延，是指同一简并模式内的各本征矢量模式因存在微小的有效折射率差和传播速度差，在传输过程当中累积的时延。

另外，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。而目前按照模式耦合强度和纤芯结构的少模光纤可包括以下几种：

1、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某公司的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。

2、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，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。

另一种是环内区域折射率高于包层折射率，但低于环形区域折射率的设计，这种结构对光纤拉制工艺相对友好，传输损耗接近普通单模光纤，且最小有效折射率差大于前一种设计，具有更低的模式串扰。但同样受限于光纤拉制工艺，能够支持的模式数较少。

3、椭圆纤芯少模光纤

由于LP模式实际上是由多个有效折射率极为接近的本征矢量模(HE、EH、TE、TM)简并而成。在包层纤芯折射率差受到光纤拉制工艺的限制，无法进一步增加的情况下，通过采用椭圆形的纤芯设计，打破LP模式的内部简并，是增加少模光纤能够支持的模式数的有效手段。而且椭圆纤芯能够有效保持模式的空间分布，使得它们受到光纤制备缺陷和外界因素的影响大大降低，降低了模式间的串扰。

椭圆纤芯少模光纤制备工艺复杂、不良率高，进一步增加支持模式数较为困难。

4、保偏少模光纤

保偏少模光纤对模式的影响与椭圆纤芯少模光纤相同，但是其实现方式是通过一对包层中的应力区来对纤芯施加应力，增大光纤的双折射效应，从而增大有效折射率差。该种设计的缺陷与椭圆纤芯少模光纤相同。

由此可见，相关的少模光纤的设计都关注于模式有效折射率差的设计，而并未关注简并模式内差分模式时延的问题。基于此，提出本发明以下各实施例。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供了一种少模光纤，图1为本发明实施例的少模光纤的径向截面示意图；如图1所示，所述少模光纤包括纤芯层1、包覆所述纤芯层1的沟道层2和包覆所述沟道层2的包层3；其中，

所述沟道层2的折射率与所述纤芯层1的折射率形成连续梯度渐变型分布，所述连续梯度渐变型分布的起点为所述纤芯层1的中心位置处的中心折射率，所述连续梯度渐变型分布的终点为所述沟道层2的沟道半径处的折射率；

所述包层3的折射率位于所述中心折射率与所述沟道层2的沟道半径处的折射率之间。

本实施例的少模光纤中的纤芯层，主要用于传输光信号，沟道层主要用于对光信号进行约束。如图1所示，r

在本发明的一些可选实施例中，上述连续梯度渐变型分布包括连续抛物线型分布，如图2所示，图2中的横坐标表示半径r；2r

在本发明的一些可选实施例中，所述少模光纤的折射率剖面满足以半径r为自变量的函数n(r)，所述函数n(r)满足以下表达式：

所述纤芯层的中心折射率n

其中，r

如此，本实施例中的纤芯层、沟道层和包层的折射率满足上述关系，也即通过对纤芯层、沟道层和包层的折射率进行精细控制，能够降低少模光纤的简并模式内差分模式的时延，降低简并模式内差分模式时延造成的传输性能损伤。

其中，可选地，所述α的取值范围为1～10，也即纤芯层和沟道层的折射率形成的连续梯度渐变型分布的分布指数的取值范围为1～10，从而实现对纤芯层和沟道层的折射率的精细控制。如此，通过对纤芯层和沟道层的折射率进行精细控制，能够降低少模光纤的简并模式内差分模式的时延，降低简并模式内差分模式时延造成的传输性能损伤。

本实施例中，所述纤芯层的中心折射率n

在一些可选实施例中，所述纤芯层的中心折射率n

Δ

Δ

其中，Δ

其中，所述沟道半径r

r

其中，w

其中，Δ

示例性的，所述纤芯层的半径r

如此，通过对纤芯层和沟道层的半径的精细控制，结合纤芯层、沟道层和包层的折射率的精细控制，能够降低少模光纤的简并模式内差分模式的时延，降低简并模式内差分模式时延造成的传输性能损伤。

示例性的，所述纤芯层的中心和所述沟道层的相对折射率差Δ的取值范围为0.2％～3.0％。如此，通过对纤芯层和沟道层之间的相对折射率差的精细控制，结合纤芯层、沟道层和包层的折射率的精细控制，能够降低少模光纤的简并模式内差分模式的时延，降低简并模式内差分模式时延造成的传输性能损伤。

在本发明的一些可选实施例中，所述包层采用纯二氧化硅材料、或者采用掺杂有二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料。

在本发明的一些可选实施例中，所述纤芯层采用纯二氧化硅材料、或者采用掺杂有二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料。

其中，二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷参杂的比例越高，对应的结构层的折射率越大，也即包层中的二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷参杂的比例越高，包层的折射率越大；纤芯层中的二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷参杂的比例越高，纤芯层的折射率越大。

在本发明的一些可选实施例中，所述沟道层采用纯二氧化硅材料、或采用掺杂五氧化二硼或氟离子的二氧化硅材料。其中，五氧化二硼或氟离子参杂的比例越高，所述沟道层的折射率越小。

如此，分别通过对包层、纤芯层和沟道层采用材料的精细控制，从而获得各满足折射率要求的包层、纤芯层和沟道层，进而实现对纤芯层、沟道层和包层的折射率进行精细控制，降低少模光纤的简并模式内差分模式的时延，降低简并模式内差分模式时延造成的传输性能损伤；并且兼容目前商用普通单模光纤的制备技术，例如包层采用纯二氧化硅材料、或者采用掺杂有二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料，纤芯层采用纯二氧化硅材料、或者采用掺杂有二氧化锗、二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料，沟道层采用纯二氧化硅材料、或采用掺杂五氧化二硼或氟离子的二氧化硅材料等等，相比于现有的少模光纤，具有极大的性能优势。

本发明各实施例中，在上述给定参数范围内，少模光纤所支持的简并模式数和简并模式内差分模式时延等模式特性会有相应不同。不过，最优光纤设计参数位于上述参数范围内，可以抑制简并模式内差分模式时延，降低简并模式内差分模式时延造成的传输性能损伤。

下面结合一个具体的示例对本发明实施例的少模光纤进行说明。

本示例中，少模光纤包括纤芯层、包覆所述纤芯层的沟道层和包覆所述沟道层的包层，其中，所述纤芯层纤芯采用掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，所述包层采用纯二氧化硅材料；所述沟道采用掺杂氟离子的二氧化硅材料。

所述沟道层的折射率与所述纤芯层的折射率形成连续梯度渐变型分布；α为2，纤芯层的中心位置为α分布的起点，沟道层的沟道半径r

本示例中，少模光纤折射率剖面满足上述公式(1)，所述纤芯层的中心折射率n

本示例中，所述纤芯层的中心和所述沟道层的相对折射率差Δ为0.484％。

根据仿真计算，与具有相同纤芯结构和单包层结构的普通渐变型少模光纤相比，两种光纤在1550纳米(nm)处均支持两个简并模式LP

表1

本发明实施例的少模光纤，第一方面，通过对纤芯、沟道和包层的精细折射率控制，采用增大折射率差(这里的折射率差具体是指纤芯层的中心和沟道层的相对折射率差Δ)和纤芯半径的方式实现等效归一化频率V值(等效归一化频率V越高，光纤对光信号的拘束性越好，材料和光纤结构造成的时延会越低)的提升，使得简并模式内差分模式时延得到极大下降；采用等效增大包层折射率的方式截止多余高阶模式，满足特定模式数量需求；第二方面，通过对纤芯层、沟道层和包层的折射率进行精细控制，相较于现有少模光纤得到了极大抑制，降低了信号展宽和信号的传输损伤，具有更好的传输性能；第三方面，本实施例的少模光纤的结构简单，兼容现有成熟的低损耗普通单模光纤和多模光纤的拉制工艺，可有效降低光纤损耗，加工成本低。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。