一種具有低串擾低非線性的雙溝槽環繞型十三芯五模光纖*

李增輝 李曙光? 李建設 王璐瑤 王曉凱王彥 龔琳 程同蕾

1) (燕山大學理學院, 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室, 河北省微結構材料物理重點實驗室, 秦皇島 066004)

2) (燕山大學信息科學與工程學院, 秦皇島 066004)

3) (東北大學信息科學與工程學院, 流程工業綜合自動化國家重點實驗室, 沈陽 110004)

信息化對高速大容量光纖網絡的需求日益強烈, 空分/模分復用是繼波分復用之后可使通信容量翻倍的新一代光纖通信技術.本文提出了一種雙溝槽環繞型十三芯五模光纖, 以滿足未來對高速大容量信息傳輸的需求.針對空分-模分復用中降低串擾的目標設計優化光纖, 采用雙溝槽環繞結構, 將光能量更好地限制在纖芯內, 從而減小芯間和模間串擾.利用全矢量有限元法與功率耦合理論相結合計算并分析多芯光纖的串擾和傳輸特性.經過優化結構參數, 可使光纖在1.3—1.7 μm波段內穩定傳輸LP01, LP11, LP21, LP02, 和LP31 5個模式; 信號在1.55 μm波長處傳輸60 km時, 對應于以上5個模式相鄰纖芯的芯間串擾分別為–122.37,–114.76, –106.28, –100.68, –92.81 dB, 相鄰模式之間的有效折射率差大于1.026 × 10–3, 芯間和模間串擾可以被有效抑制; 5個模式對應的非線性系數分別為0.74, 0.82, 0.88, 1.26, 0.93 W–1·km–1, 均可保持低非線性傳輸.該光纖結構簡單緊湊, 可利用氣相沉積法和堆疊法制備預制棒, 進一步拉制成具有低串擾低非線性的十三芯五模光纖, 可應用于長距離高速大容量光纖傳輸系統.

1 引 言

隨著社會信息傳輸量的猛烈增長, 傳統光纖已經逼近其傳輸上限, 已無法滿足通信容量的需求[1].研制高速大容量傳輸光纖成為現在急需解決的問題, 基于空分-模分復用技術的多芯少模光纖傳輸容量在理論上可以高于傳統光纖數十倍, 因此采用空分-模分復用的多芯少模光纖已成為解決此問題的方法之一[2].

目前, 空分復用已成為國內外研究熱點.在文獻[3]中, 提出了一種新型空氣溝槽輔助異質十二芯四模光纖, 該光纖結構可以顯著降低串擾, 相較于普通溝槽異質光纖串擾可降低–66 dB/km.在文獻[4]中優化了一種七芯六模光纖, 成功獲得低串擾, 低損耗特性, 可用于構建長途密集的空分復用傳輸鏈路.在文獻[5]中, 設計并制備出了一種低差分群時延折射率漸變型溝槽光纖, 可在C + L波段保持小于124 ps/km的低差分群時延下穩定傳輸六種LP模式.

多芯少模光纖的發展主要受到串擾、非線性系數和色散等問題的限制[6].其中芯間串擾和模間串擾對多芯少模光纖的限制最大, 過大的串擾會導致信號傳輸距離縮短和信號失真, 目前全世界的研究者都在致力于減小串擾以制造出實際可用的多芯少模光纖.光纖的串擾可以通過設置結構差異來抑制, 例如控制相鄰纖芯直徑、纖芯間距、折射率分布及纖芯排布方式[6?9].然而受制于光纖的尺寸,光纖設計的可能性就大大減小.為抑制串擾, 目前多芯光纖的設計方案主要分為三種: 溝槽環繞型[10,11]、纖芯異質型[12]和空氣孔輔助型[13].利用這三種結構可以將能量更好地限制在纖芯中從而減小纖芯之間的串擾.三種結構相對比來說, 空氣孔輔助型結構由于空氣孔的存在, 在熔接時空氣孔難以完全對準且拉制過程中空氣孔容易塌陷造成光纖缺陷; 纖芯異質結構由于其纖芯各不相同在熔接問題上也較為困難; 溝槽環繞型結構在串擾抑制能力上具有一定的優勢, 也利于優化光纖性能, 在制作工藝上也更為簡單, 更符合實際應用.對于采用模分復用的少模光纖, 單根纖芯中同時有多個獨立且正交的模式, 為使光纖可以長距離穩定傳輸,模式之間的串擾要求越小越好.模式差分群時延(DMGD)是影響基于模分復用技術的少模光纖的重要因素之一[14,15].DMGD是在少模光纖中由于不同模式具有不同的有效折射率, 各模式在纖芯中的傳播速度不相同, 傳輸一段距離后形成模式間的時延[1].小DMGD的少模光纖模間串擾較大, 大DMGD的少模光纖模間串擾相對較小, 小的模間串擾能夠保證模式間的相對獨立, 而且較大的DMGD有利于接收端的解復用, 但DMGD不宜過大, 過大的DMGD不利于光纖長距離傳輸[1,13?19].在光纖的設計過程中, 設置合適的DMGD大小,從而使光纖獲得更優的性能.上述方法對于設計多芯少模光纖, 實現長距離大容量穩定傳輸具有一定的指導意義.

本文設計了一種雙溝槽環繞型十三芯五模光纖, 為了實現設計目標, 光纖設置的參數必須要以模式的傳輸數量為依據[6], 使得每個纖芯都可以穩定傳輸5個LP模式.本文采用雙溝槽輔助型結構,相比于單溝槽結構可以將光能量更好地限制在纖芯中, 減小能量耦合; 優化雙溝槽參數, 可以有效降低芯間串擾和模間串擾, 并利用最佳的DMGD減小模式間的相互影響.仿真結果顯示: 光纖在1.55 μm波長處傳輸60 km后, 對應于LP01, LP11,LP21, LP02, LP315個模式, 相鄰纖芯間的串擾分別為–122.37, –114.76, –106.28, –100.68, –92.81 dB,有效折射率差均大于1.026 × 10–3, 芯間和模間串擾可被有效抑制; 5個模式的非線性系數可保持在1.6 W–1·km–1以下.綜合光纖性能, 本文所設計的光纖可以應用于長距離大容量傳輸系統.

2 光纖設計

2.1 光纖結構

本文設計了一種雙溝槽環繞型十三芯五模光纖, 其光纖截面圖如圖1所示.該光纖基于空分-模分復用技術設計, 采用階躍折射率分布結構, 光纖芯區使用摻鍺石英材料提高芯區折射率, 溝槽包層采用摻氟石英材料降低溝槽折射率, 石英包層使用純石英材料; 每一個芯區從內而外依次相間環繞2個石英包層和2個溝槽包層組成1個少模纖芯,13個少模纖芯的參數相同.

圖1 雙溝槽環繞型十三芯五模光纖結構Fig.1.Schematic structure of a double-trench assisted 13-core 5-LP mode fiber.

相鄰兩個纖芯的折射率分布如圖2所示.其中:a為芯區半徑;b1,b2為石英包層寬度;c1,c2為溝槽寬度;L為纖芯間距;R為光纖半徑; 以上物理量單位為μm.芯區與石英包層的相對折射率差為D1, 石英包層與溝槽包層的相對折射率差為D2.

圖2 相鄰纖芯折射率分布Fig.2.Refractive index profile of adjacent fiber-core.

表1 光纖初始參數Table 1.The initial fiber parameters.

2.2 光纖參數設計

對于傳統階躍折射率光纖, 纖芯中傳輸的模式數量由歸一化頻率V決定[1]:

其中,r為纖芯有效半徑,l為工作波長,nco為纖芯折射率,ncl為包層折射率.若想保證纖芯中能夠穩定傳輸5個模式(LP01, LP11, LP21, LP02, LP31),歸一化頻率必須滿足[20]: 5.1

本文在參數設計過程中, 著重考慮了光纖抑制串擾的能力、有效模場面積大小和非線性系數.對于多芯少模光纖, 抑制串擾的能力決定了光纖是否可以長距離穩定傳輸光能量, 非線性系數決定了光纖容量大小.非線性系數與有效模場面積成反比,通過增大有效模場面積可以有效降低非線性系數,而增大有效模場面積最直接的方法就是增大纖芯直徑, 因此本文會合理設置纖芯直徑從而抑制非線性系數, 優化光纖參數使串擾達到目標水平.表1給出了光纖初始參數.

本文使用基于全矢量有限元分析方法的Comsol Multiphysics仿真軟件, 結合完美匹配層(perfectly matched layer, PML)邊界條件對設計的光纖結構進行仿真分析.控制光纖直徑為200 μm,優化調整光纖其他參數, 獲得低串擾低非線性系數的雙溝槽環繞型十三芯五模光纖.

3 光纖串擾計算與分析

3.1 芯間串擾計算方法

芯間串擾是多芯少模光纖中必須要解決的問題, 特別是用于長距離大容量傳輸的多芯少模光纖, 串擾必須要足夠低, 光纖才能穩定傳輸.目前,計算串擾的方法主要有模式耦合理論和功率耦合理論, 其中功率耦合理論更適用于多芯少模光纖的串擾計算[2], 所以本文將采用功率耦合理論計算串擾, 并在仿真模擬時沿橫向引入隨機波動的傳播常數, 以此更準確的計算纖芯之間的串擾.圖3給出了具有橫向波動的兩相鄰纖芯之間的串擾計算模型.

圖3 具有橫向隨機波動的兩相鄰纖芯之間的串擾Fig.3.Crosstalk between two adjacent cores with random fluctuation along longitudinal direction.

相鄰纖芯之間的串擾(XT, 單位為dB)計算表達式為[2,6]:

其中,P1是纖芯1的輸出功率,P2是從纖芯1耦合到相鄰纖芯2的功率.只考慮相鄰纖芯的串擾,第i個纖芯的功率可表示為

其中,Pi和Pj分別是纖芯i和j的平均功率,hij是纖芯i和纖芯j之間的耦合系數,z是傳輸方向.如果以功率P1(0)輸入中心纖芯1, 則中心纖芯1和相鄰纖芯2中的的輸出功率可表示為:

其中,h12是功率耦合系數,Z為傳輸距離.(2)式可變換為

其中,

其中,d是纖芯1和纖芯2的傳播常數差k12是模式耦合系數.k12可由(8)式計算得出

其中:w是電磁場的角頻率,e0是真空介電常數,uz為單位矢量,E1為纖芯1中分布的電場能量分布,E2為纖芯1的電場能量在纖芯2中的分布,H1為纖芯1的磁場能量分布.

由于光纖在制作過程中會不可避免地產生制造誤差, 本文假設相鄰纖芯制造的相對誤差為da/a= 1%[10]; 由于次鄰近纖芯間距較大, 次鄰近芯間串擾足夠小可以被忽略[8], 所以本文只計算中間纖芯和相鄰纖芯的串擾值.

3.2 模間串擾的表征

模間串擾是影響光纖傳輸的重要參數之一.對于微結構光纖, 纖芯與包層的折射率差要大于傳統光纖, 這會使得微結構光纖的模間串擾小于傳統光纖[13].目前有效抑制模間串擾的方法主要有兩種[19]: 1)通過設計較大的有效折射率差, 減小模式間的能量耦合, 抑制模間串擾; 2)保持模式間的差分群時延足夠小, 使用多輸入多輸出技術在光纖的接受端對信號進行補償處理.兩種方法各有優劣,本文將采用第一種方法控制模間串擾.

根據文獻[1, 13]所述, 同一纖芯中各模式之間的有效折射率相差較大且大于10–3時, 纖芯內的模間串擾可以被忽略, 而模式間的有效折射率差與MDGD關系密切, 具有較大的有效折射率差同時會具有較大的MDGD, 因此MDGD較大的少模光纖具有更低的模間串擾, 但是過大的MDGD會影響光纖的傳輸距離.目前, 長飛公司制造出的通信用階躍型少模光纖在1.55 μm處LP31與基模的最大MDGD為15 ps/m.本文將綜合考慮光纖性能, 合理設計適宜的MDGD.

MDGD的計算公式為[3]

其中,t為群時延,l是波長,neff是模式的有效折射率,c為真空中的光速.

3.3 溝槽結構對串擾的影響

首先本文對比了芯區外無溝槽、單溝槽和雙溝槽三種結構對光纖芯間串擾的影響, 除溝槽數量外三種光纖的其他結構參數完全相同.針對LP01模式三種結構的芯間串擾如圖4所示.

圖4 無/單/雙溝槽結構中LP01模式的芯間串擾對比Fig.4.No/single/double trench structure crosstalk contrast of LP01 mode.

由圖4可以看出, 單溝槽結構的串擾小于無溝槽結構, 雙溝槽結構對串擾的抑制效果又明顯優于單溝槽, 采用雙溝槽結構可以增強光纖抑制串擾的能力.確定雙溝槽結構優勢后, 繼續研究了溝槽寬度和溝槽相對折射率差D2對串擾的影響.計算了光纖在1.55 μm處傳輸60 km, 串擾隨溝槽寬度和D2的變化趨勢.圖5給出了D2= –0.01時芯間串擾與溝槽寬度的關系, 圖6給出了溝槽寬度c1和c2都等于4 μm時, 串擾和D2的關系.

圖5 D2 = –0.01時芯間串擾與溝槽寬度的關系Fig.5.Relation between crosstalk and trench width at D2 = –0.01.

由圖5和圖6可以得出芯間串擾隨著溝槽寬度和D2的增加不斷減小, 增加溝槽的寬度和D2可以有效的抑制串擾.本文將選取最佳的溝槽寬度和D2, 使雙溝槽十三芯五模光纖具有最優的串擾抑制能力.

圖6 c1, c2 = 4 μm時串擾和D2的關系Fig.6.Relation between crosstalk and D2 at c1, c2 = 4 μm.

3.4 纖芯分析

芯區半徑對光纖的串擾和性能有著顯著的影響, 分析芯區大小與光纖性能的關系是必不可少的步驟, 本文擬定對芯區半徑a= 5—8 μm進行分析, 分析結果如圖7所示.

由圖7(a)可以看出5個模式的芯間串擾呈現非線性變化, LP01模式的串擾隨芯區大小變化具有一定的波動性, 芯區較小時LP01模式呈現低串擾特性, 但芯區半徑超過7 μm后, LP01模式的串擾只有微小的變化; LP11模式的串擾呈現出隨著芯區半徑增大, 串擾緩慢增長的趨勢; LP21和LP02兩模式的串擾變化趨勢基本相同, 但LP21模式串擾低于LP02, 隨著芯區增大串擾在a= 6.5 μm處存在一最小值, 芯區半徑超過7 μm后串擾變化趨于平緩; LP31模式的串擾隨芯區半徑變化最為明顯, 隨著芯區增大串擾迅速降低, 在芯區半徑超過7 μm后, 串擾變化趨于平緩.圖7(a)中的串擾變化規律可以從模式的電磁能量分布角度解釋, 同一大小的芯區對不同模式的能量束縛能力不同, 高階模式的能量更容易泄露到纖芯外, 且高階模的能量主要分布在芯區外圍更容易引起能量耦合, 通過增大芯區可以增強對高階模能量的束縛能力以達到減小高階模式的芯間串擾的目的, 當芯區增大到一定程度后, 芯區對模式的束縛能力增長程度不在明顯.綜上分析, 5個模式的串擾均有一個相同的特點: 芯區半徑超過7 μm后, 串擾均能保持在較低水平, 并且串擾隨芯區半徑變化很小; 若想保持5個模式的串擾均保持在較低水平, 芯區半徑最佳的選擇范圍是7—8 μm.

由圖7(b)可知, 光纖中各模式的Aeff均與芯區半徑成正比, 5個模式的Aeff增長趨勢基本形同,但LP02模式的Aeff大小卻低于其他4個模式.對于高折射率芯區, 其具有較強的集光能力, 光會被集中在芯區內傳播, 當芯區半徑較小時, 傳輸模式會被集中在小芯區內, 模式所占據的橫向面積就會很小, 對應的有效模式面積也會較小; 當芯區半徑增大時, 模式被集中在較大的芯區面積內, 模式的橫向分布面積也會增大, 有效模式面積也會隨之增大.根據圖7(b)分析, 若想獲得較大的Aeff, 就要盡量擴大芯區半徑.

圖7(c)為相鄰模式之間的有效折射率差, 隨著芯區增大, 模式之間的有效折射率差減小.從圖7(c)中可以看出LP21和LP02模式之間的有效折射率很接近, 兩者之間的差值相比于其他4個模式略低, 所以在考慮折射率差時應以LP21–LP02為標準.根據上文所述, 各模式之間的有效折射率差大于10–3便可忽略模間串擾, 但過大的折射率差將會引起較大的MDGD, 所以應選擇適宜的芯區半徑以獲得最佳的模間折射率差值, 從而獲得足夠小的模間串擾.

圖7 在?1 = 0.015, 波長1.55 μm處5個模式的串擾、Aeff和Dneff與芯區大小的關系 (a)芯區大小和串擾的關系; (b)芯區大小和Aeff的關系; (c)芯區大小和模式折射率差的關系Fig.7.The relationship between crosstalk, Aeff, Dneff of five modes and core size at 1.55 μm: (a) The relationship between core size and crosstalk; (b) the relationship between core size and Aeff; (c) the relationship between core size and Dneff.

圖8 在1.55 μm處5個模式的芯間串擾、Aeff和?neff與芯區相對折射率差D1的關系 (a) D1和芯間串擾的關系; (b) D1和Aeff的關系; (c) D1和模式折射率差的關系Fig.8..The relationship between crosstalk, Aeff, ?neff of five modes and D1 at 1.55 μm: (a) The relationship between D1 and crosstalk; (b) The relationship between D1 and Aeff; (c) The relationship between D1 and ?neff.

除芯區半徑外, 芯區的折射率大小對光纖也有著重要的影響.現對芯區的相對折射率差D1進行分析, 結果如圖8所示.

由圖8(a)所示, LP01模式的芯間串擾在D1=0.01–0.016區間內, 串擾在–110 dB上下波動,D1超過0.016后, 串擾隨著D1的增大開始降低;LP11模式在D1為0.01—0.017范圍內, 串擾呈現降低趨勢, 但D1大于0.017后串擾變化不在下降,呈現平穩趨勢; LP21, LP02和LP31模式的串擾隨著D1的增加不斷減小.由圖8(a)分析可得, 纖芯折射率越大對串擾的抑制能力越強.但芯區折射率的增大要受實驗上摻鍺濃度的限制.

如圖8(b)所示, 芯區的相對折射率D1增大,會減小模式的有效模式面積, 但減小程度并不強烈.若想獲得較大的模式面積, 需減小芯區的相對折射率D1.

由圖8(c)可知, 芯區的相對折射率D1對模式之間的有效折射率差具有一定的影響, 模式之間的有效折射率差隨著D1增大而增大, 但相比芯區半徑, 影響效果較小.

綜上分析, 較大的D1具有更優的串擾抑制能力, 但同時會降低模式的有效模式面積, 增大光纖的非線性系數.

4 光纖參數確定

經過模擬分析可知, 若想使十三芯五模光纖具有低串擾, 芯區半徑需在7—8 μm范圍內選擇, 芯區折射率要盡量增大, 溝槽折射率要盡量減小, 溝槽寬度也應盡量增大; 若想獲得大模場面積低非線性系數, 需要擴大芯區半徑, 減小芯區折射率.但這兩種特性的調控方式相反, 只能在兩者之間尋找最佳參數, 使光纖同時具有最優的串擾和低非線性特性.經過大量仿真優化, 確定光纖結構, 優化后的參數如表2所示.該結構可以穩定傳輸5個LP模式, 每個模式對應的芯間串擾、有效模式面積和MDGD如表3所示.進一步利用Rsoft軟件模擬了光纖優化參數后的模場分布, 圖9給出了該光纖的5-LP模式的傳輸截面圖, 結果表明13個纖芯可以保持低串擾穩定傳輸5個模式.

表2 光纖優化參數Table 2.The optimal fiber performance.

表3 5個LP模式的串擾、有效模面積和MDGD(LPmn–LP01)Table 3.Estimated values of crosstalk, effective area and MDGD(LPmn–LP01) for 5-LP modes at 1.55μm.

芯間串擾受波長影響較大, 如圖10所示, 在1.3—1.7 μm波段, 芯間串擾隨著波長逐漸增大.在1.3 μm處傳輸60 km, LP31模式的芯間串擾可以保持在–140.61 dB左右, 但在1.7 μm處, LP31模式的芯間串擾卻達到了–66.75 dB, 若要在傳輸過程中保持低串擾, 應盡量選擇在較低波段進行傳輸.

圖9 5-LP橫向模式剖面Fig.9.Transverse mode profile for 5-LP modes.

圖10 雙溝槽十三芯五模光纖芯間串擾與波長關系Fig.10.Relation between wavelength and core-to-core crosstalk for the double-trench assisted 13-core 5-LP mode fiber.

對于模間串擾, 根據圖11分析, 優化后的光纖結構相鄰模式之間可以保持較大的有效折射率差, 模式區分度大, 模間串擾可以被有效抑制, 當波長大于1.54 μm, 5個模式間的有效折射率差均大于10–3, 可以忽略模間串擾.相鄰模式間的模式差分群時延也可保持在適宜大小, 可以在接收端解復用.

通過仿真優化, 雙溝槽十三芯五模光纖的芯間串擾和模間串擾均可以被有效抑制, 在長距離傳輸后, 串擾依舊可以保持在低水平.

圖11 5個LP模式之間的?neff和MDGD與波長的關系 (a) ?neff與波長的關系; (b)相鄰模式之間差分群時延與波長的關系Fig.11.The relationship between ?neff, MDGD of five modes and wavelength: (a) The relationship between ?neff and wavelength; (b) the relationship between ?neff and wavelength.

5 光纖的非線性系數、色散和纖芯復用因子分析

5.1 各模式非線性系數分析

非線性系數是衡量光纖容量的重要參數, 光纖的非線性系數的計算公式為[21,22]:

其中:n2為材料的非線性折射率系數, 對于石英玻璃在此取n2= 2.7 × 10–20m2/W;Aeff為光場的有效模場面積.

光纖的非線性系數與有效模場面積成反比關系, 通過增大有效模面積可以有效降低非線性系數.目前通信用的G.652和G.655光纖的有效模式面積在80 μm2左右, 長飛公司生產的同質七芯光纖的有效模場面積在100 μm2左右, 對于多芯少模光纖, 模式的有效面積最好保持大于100 μm2[3,6,7,23].本文設計的光纖結構在1.55 μm波長處各模式的有效模面積如表3所示, 除LP02模式的有效模面積為86.5 μm2, 其他4個模式的有效模面積均保持在110 μm2以上, 可以使光纖保持低非線性系數.

圖12 5個LP模式的有效模面積Aeff和非線性系數g與波長的關系 (a) 有效模面積Aeff與波長的關系; (b)非線性系數g與波長的關系Fig.12.The relationship between Aeff, g of five modes and wavelength: (a) The relationship between Aeff and wavelength; (b) the relationship between g and wavelength.

圖12 (a)和圖12(b)分別給出了光纖中各模式的有效模式面積Aeff和非線性系數與波長的關系.從圖12(b)可以看出, 非線性系數g隨著波長的增大逐漸減小, LP02模式的非線性系數在5個模式中最大, 但也未超過1.6 W–1·km–1, 在1.55 μm波長處各模式的非線性系數為0.74, 0.82, 0.88, 1.26,0.93 W–1·km–1, 5個模式均可以保持低非線性傳輸.

5.2 色散分析

通過增大模場面積減小非線性系數會對光纖的色散產生影響, 在設計時必須要考慮到光纖傳輸的色散問題[10], 折射率高摻雜也會對色散有明顯的影響.色散(D)與有效折射率相對于波長的二階導數成正比, 通常由(11)式表示[3,6]

其中,c是真空中的光速,Re[neff]是有效折射率的實部,l是波長.由(11)式計算出中間纖芯5個模式的色散隨波長變化的曲線, 如圖13所示.從計算結果分析可得, 雙溝槽環繞型十三芯五模光纖的色散隨波長呈增長趨勢, 相比于文獻[3]中所設計的光纖, LP01的色散增大了5 ps/(nm·km)左右.5個模式的色散仍處于可控范圍內, 且增長趨勢相同.

圖13 5-LP的色散與波長的關系Fig.13.Relation between dispersion and wavelength for 5-LP modes.

5.3 纖芯復用因子分析

纖芯復用因子(FCM)是多芯少模光纖的一個重要參數, 可利用表3中各模式的有效模式面積估算纖芯復用因子, 同質多芯光纖的纖芯復用因子的計算公式為[6]:

其中,N是纖芯數,l是每個纖芯的空間模數(對于5-LP模,l= 8),Aeff是特定模的有效面積,RCD是多芯光纖的包層直徑.此外, 相對纖芯復用因子(FRCM)被定義為多芯少模光纖的FCM值與傳統單模光纖(RCD和Aeff分別為125 μm和80 μm2)的FCM值之比,FRCM可表示為[6]

本文所設計的雙溝槽十三芯五模光纖的FCM和FRCM分別為0.41和62.9.

6 結果和討論

為實現低串擾特性, 本文使用芯區高摻雜和雙溝槽環繞結構抑制芯間串擾, 利用模式間的大有效折射率差抑制模間串擾, 對一些重要的影響參數進行了分析, 如溝槽寬度、折射率大小、芯區直徑和波長.對于芯間串擾, 基模(LP01)的串擾可以被有效控制, 而高階模式具有高串擾特性, 通過擴大芯區可以有效抑制高階模串擾, 經過優化串擾可以保持在較低水平.若想保持每個的模式的低芯間串擾, 可以通過增加溝槽寬度和減小溝槽折射率及控制芯區半徑的方式有效減小串擾.在光纖實際制備中, 纖芯和溝槽高摻雜會增加光纖的制備難度, 受限于摻氟技術, 溝槽摻氟的相對折射率差一般為–0.007, 且溝槽寬度不宜過大, 過高的氟摻雜和過大的溝槽寬度會導致光纖在制造或使用過程中容易斷裂; 本文設計的溝槽相對折射率為–0.008, 寬度為4 μm, 在實際制備中可以通過增加沉積時間和沉積面積略微提高摻雜濃度以達到設計值; 由圖5和圖6分析可知, 制備參數達不到設計值時光纖的性能會下降, 但下降幅度在可接受范圍內, 光纖性能依舊可保持在較好范圍內.限制損耗是一種出現在微結構光纖中的損耗類型, 可以衡量纖芯限制光信號的能力, 對于多芯少模光纖的設計, 限制損耗的大小是有必要計算的[24?26], 本文優化后的光纖結構的限制損耗均保持在10–10以下, 保持在低水平內, 便不再詳細討論.

7 結論

本文提出一種新型的雙溝槽環繞型十三芯五模光纖.為了獲得低串擾特性, 采用高摻雜和雙溝槽環繞的方式增大芯包折射率差, 并將光纖外徑控制在200 μm.通過有限元法和功率耦合理論計算得出高摻雜和雙溝槽環繞的方式可以有效降低串擾, 優化光纖參數可以獲得低串擾特性.計算結果表明: 在1.3—1.7 μm波長范圍內, 可以實現LP01,LP11, LP21, LP02, LP315個模式穩定傳輸; 在1.55μm波長處光纖傳輸60 km, 相鄰纖芯中5個模式串擾分別為–122.37, –114.76, –106.28, –100.68,–92.81 dB, 通過對模間有效折射率差的分析, 同一纖芯中模間串擾也可被忽略; 5個模式的非線性系數不超過1.6 W–1·km–1.利用現有的氣相沉積法和光纖堆疊拉絲工藝便可制作本文設計的光纖, 該光纖可用于大容量信息傳輸, 以滿足未來對高速大容量光纖傳輸系統的需求.