馬麗伶 李曙光 李建設(shè) 孟瀟劍 李增輝 王璐瑤 邵朋帥

(燕山大學(xué)理學(xué)院,亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省微結(jié)構(gòu)材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島 066004)

飛速增長(zhǎng)的光通信容量需求推動(dòng)著光纖技術(shù)的發(fā)展,基于空分復(fù)用技術(shù)的多芯光纖作為突破傳統(tǒng)單模光纖容量限制的方法引起了廣泛的關(guān)注.本文將纖芯異質(zhì)結(jié)構(gòu)與低折射率溝槽結(jié)合,設(shè)計(jì)了1 種具有低串?dāng)_的十九芯單模光纖結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由環(huán)繞溝槽的3 種不同參數(shù)的纖芯按正六邊形排布構(gòu)成,在C+L 波段能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定單模傳輸.研究結(jié)果表明:在波長(zhǎng)為1.55 μm 時(shí),通過(guò)在溝槽中進(jìn)行摻氟處理,可以使光纖的芯間串?dāng)_降低至–39.52 dB/100 km.此外在彎曲半徑為100 mm 時(shí),彎曲損耗為–7.7×10–5 dB/m 且色散低于24 ps/(nm·km).纖芯中基模的有效模場(chǎng)面積約為80 μm2,有利于降低非線性效應(yīng).與傳統(tǒng)單模光纖及單溝槽同質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖相比,該結(jié)構(gòu)具有更低的串?dāng)_、更好的抗彎曲性能和更大的模場(chǎng)面積.本文設(shè)計(jì)的光纖適用于空分復(fù)用系統(tǒng)中遠(yuǎn)距離大容量的傳輸.

1 引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,光纖作為光信息傳輸?shù)闹匾浇?已被用于各種情況的信號(hào)傳輸.單模光纖具有應(yīng)用領(lǐng)域廣泛和應(yīng)用方式多樣的特點(diǎn),被用于長(zhǎng)距離、大容量通信設(shè)備系統(tǒng)及各種光纖傳感器中,在光纖通信中起著尤其重要的作用.傳統(tǒng)單模光纖的傳輸容量已接近100 Tb/s 的香農(nóng)傳輸極限[1,2],無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前的通信容量需求.為解決這一問(wèn)題,研究者們開(kāi)始關(guān)注并研究基于空分-模分復(fù)用技術(shù)的多芯光纖[3,4].

多芯光纖是將多個(gè)獨(dú)立的纖芯整合在一根光纖中.它的特點(diǎn)是可以充分利用空間多維度增加纖芯數(shù)量,從而增加光纖的傳輸容量.從空分復(fù)用的角度來(lái)說(shuō),多芯光纖是將多空間的路徑整合在一根光纖之中,但是由于包層厚度有限,纖芯的數(shù)量越多,纖芯之間的距離就越近,這樣纖芯之間的能量就易發(fā)生耦合,造成纖芯之間的串?dāng)_.所以如何抑制纖芯之間的串?dāng)_成為設(shè)計(jì)多芯光纖時(shí)不可避免的問(wèn)題.多芯光纖降低串?dāng)_的方法主要有:溝槽輔助型[5?7],空氣孔輔助型[8,9]和異質(zhì)結(jié)構(gòu)型光纖[10?13].溝槽輔助和空氣孔輔助的方式都是通過(guò)增加纖芯和其周?chē)恼凵渎什顚⒛芰渴`在光纖的纖芯之中.溝槽輔助型是在纖芯外部圍繞一層較低折射率材料形成溝槽,這樣使能量約束在纖芯區(qū)域內(nèi),縮小了纖芯之間模場(chǎng)的交疊區(qū)域,實(shí)現(xiàn)芯間能量耦合的阻擋和抑制.空氣孔輔助型是每個(gè)纖芯周?chē)及蝗諝饪?形成了平均折射率低于周?chē)橘|(zhì)的折射率的低折射率部分,其抑制串?dāng)_的原理與低折射率溝槽相似.但空氣孔輔助型光纖在制備和熔接時(shí)易造成空氣孔塌陷,不適合長(zhǎng)距離實(shí)際制備和應(yīng)用.相比而言,溝槽型輔助光纖在制造工藝上更成熟,且在制備和熔接的過(guò)程中十分穩(wěn)定.為纖芯添加溝槽還能提高光纖在抗彎曲方面的性能,相比空氣孔輔助型光纖更具優(yōu)勢(shì).異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖是通過(guò)增加相鄰纖芯之間的傳播常數(shù)差,減少相鄰纖芯中的相位匹配,從而達(dá)到抑制芯間串?dāng)_的效果.除此之外,異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖的彎曲半徑存在臨界值[14],達(dá)到此臨界值后,彎曲半徑對(duì)芯間串?dāng)_的影響很小,這使光纖具有很好的抗彎曲性.

近年來(lái),基于空分-模分復(fù)用技術(shù)的多芯光纖成為光通信領(lǐng)域長(zhǎng)距離傳輸光纖的研究熱點(diǎn).在文獻(xiàn)[15]中,提出了1 種傳統(tǒng)的同質(zhì)十九芯單模光纖,該光纖通過(guò)將19 個(gè)環(huán)繞低折射率溝槽的纖芯整合在直徑為200 μm 的包層中,達(dá)到了傳輸容量為305 Tb/s,運(yùn)用空分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大容量傳輸?shù)囊?但是該結(jié)構(gòu)的串?dāng)_特性只能降低至–42 dB/km.未達(dá)到多芯光纖遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn).在文獻(xiàn)[16]中,設(shè)計(jì)并制備了1 種新型高密度三十芯單模異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖,運(yùn)用4 種結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的纖芯進(jìn)行排布,在相關(guān)長(zhǎng)度大于1 m 的條件下,通過(guò)模擬得到該結(jié)構(gòu)在理論上的串?dāng)_值小于–40 dB/100 km,且彎曲半徑大于88 mm 時(shí)芯間串?dāng)_趨于穩(wěn)定.實(shí)際制備的高密度三十芯單模異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖在傳輸9.6 km 時(shí)的芯間串?dāng)_也達(dá)到了–50 dB.該結(jié)構(gòu)凸顯了纖芯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖在抑制串?dāng)_和抗彎曲性能上的優(yōu)勢(shì)以及在制備上的可行性.在文獻(xiàn)[17]中,為了擴(kuò)充傳輸容量,設(shè)計(jì)了方陣排布結(jié)構(gòu)的三十二芯單模異質(zhì)光纖,該光纖由3 種纖芯組成,芯間串?dāng)_達(dá)到了–31 dB/100 km,符合多芯光纖長(zhǎng)距離傳輸?shù)臈l件,發(fā)揮了纖芯異質(zhì)結(jié)構(gòu)在抑制芯間串?dāng)_上的優(yōu)勢(shì),但是在實(shí)際制作上有很大難度.

本文設(shè)計(jì)了1 種溝槽輔助型十九芯單模異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖.19 個(gè)纖芯呈六角密排型,由3 種參數(shù)不同的纖芯構(gòu)成,每2 個(gè)相鄰纖芯的參數(shù)均不同,同時(shí)為每個(gè)纖芯增加單層低折射率溝槽.通過(guò)COMSOL 軟件進(jìn)行模擬,采用全矢量有限元方法研究了該光纖的芯間串?dāng)_、損耗和色散等性能,找出影響光纖傳輸性能的光纖參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,得到的結(jié)果如下:光纖在1.55 μm 的波長(zhǎng)下傳輸100 km 后,3 種纖芯之間的串?dāng)_分別是:–39.52 dB、–33.07 dB、–30.33 dB,隨著溝槽折射率的降低,3 種纖芯之間的串?dāng)_可降低至–48.02 dB;該結(jié)構(gòu)光纖具有抗彎曲的性能,當(dāng)彎曲半徑達(dá)到80 mm后,光纖的芯間串?dāng)_受彎曲半徑的影響很小,且逐漸接近上述的串?dāng)_值;3 種纖芯的色散也能控制在24 ps/(nm·km)以下.綜上所述該光纖具有良好的傳輸性能,可用于空分復(fù)用系統(tǒng)的大容量長(zhǎng)距離傳輸,為進(jìn)一步增加空間信道數(shù)和傳輸容量提供了發(fā)展方向.

2 光纖參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 光纖結(jié)構(gòu)

本文將纖芯異質(zhì)結(jié)構(gòu)與溝槽輔助結(jié)構(gòu)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了1 種具有低串?dāng)_、低損耗、可以長(zhǎng)距離傳輸?shù)氖判締螠喜郛愘|(zhì)結(jié)構(gòu)光纖.該光纖只對(duì)基模進(jìn)行傳輸.19 個(gè)纖芯由3 種不同的纖芯組成,每種纖芯都環(huán)繞著1 個(gè)石英包層和1 個(gè)低折射率溝槽.十九芯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖截面如圖1.紅色、綠色、黃色纖芯分別代表纖芯1,2,3,r1,r2,r3分別代表3 種纖芯的半徑.此外光纖的包層直徑Dcl為240 μm,芯間距為42 μm.

圖1 單溝槽輔助型異質(zhì)十九芯光纖Fig.1.Schematic structure of heterogeneous trench-assisted 19-core fiber.

本文所設(shè)計(jì)的光纖是采用階躍折射率分布結(jié)構(gòu).纖芯區(qū)域的折射率是使用摻鍺石英材料,溝槽包層的較低折射率則是采用摻氟石英材料,石英包層使用純石英材料.3 種纖芯的折射率和纖芯半徑均不同,圖2 是光纖從中間纖芯向右的3 種纖芯的折射率分布.Δ1,Δ2,Δ3分別代表3 種纖芯與包層之間的相對(duì)折射率差,Δ4是溝槽和包層之間的相對(duì)折射率差,t為溝槽寬度.

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

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

本文的主要研究目的是設(shè)計(jì)出1 種可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)氖判締文９饫w,所以高階模式需要在傳輸波段截止.對(duì)于傳統(tǒng)階躍折射率光纖,歸一化頻率V[18]決定了纖芯中可以容納的模式數(shù)量.

式中,nco和ncl分別代表纖芯和包層的折射率,a為纖芯半徑,λ為光波的波長(zhǎng).若想要纖芯中只傳輸基模,則需要?dú)w一化頻率V<2.405.對(duì)于纖芯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖,則要求所有纖芯的歸一化頻率都滿(mǎn)足上述條件.本文則利用這一條件確定了纖芯的參數(shù),且此參數(shù)下的高階模的截止波長(zhǎng)λcc<1.53 μm.

為了降低相鄰纖芯之間的串?dāng)_,除了添加溝槽輔助外,本文還選擇了采用纖芯異質(zhì)結(jié)構(gòu).若要做到包層中的相鄰纖芯均為參數(shù)不同的纖芯,這樣則至少需要3 種纖芯.

在多芯光纖的設(shè)計(jì)上,為了光纖在熔接時(shí)盡可能的減小熔接損耗,我們盡量保持各個(gè)纖芯所傳輸?shù)哪Ｊ降挠行?chǎng)面積Aeff相等.有效模場(chǎng)面積受纖芯直徑和折射率的影響,纖芯折射率的減小和纖芯直徑的增加會(huì)使有效模場(chǎng)面積增大.經(jīng)過(guò)對(duì)纖芯參數(shù)的優(yōu)化和對(duì)比,選出有效模場(chǎng)面積相同但是纖芯折射率差值較大的3 組參數(shù)在十九芯光纖中進(jìn)行排列,3 種纖芯的參數(shù)如表1 所示.

表1 光纖的初始參數(shù)Table 1.The initial fiber parameters.

3 光纖串?dāng)_特性的分析

3.1 異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖芯間串?dāng)_的計(jì)算方法

芯間串?dāng)_是檢測(cè)光纖是否能用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹匾獦?biāo)準(zhǔn).芯間串?dāng)_是通過(guò)模式耦合理論和功率耦合理論進(jìn)行計(jì)算得到的.在光纖的m芯和n芯中,首先應(yīng)用模式耦合方程[14]:

式中,Δβmn是纖芯n和纖芯m之間的傳播常數(shù)差,An和Am是n芯和m芯模式振幅,kmn是纖芯n與纖芯m之間的模式耦合系數(shù),f(z)為相位函數(shù),主要受光纖的彎曲的影響.在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多芯光纖中,由于纖芯參數(shù)并不相同,所以m芯和n芯之間的模式耦合系數(shù)互不相同,即kmn≠knm.功率耦合理論是在模式耦合理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行的.在模式耦合理論中若是不考慮2 個(gè)纖芯之間互不相同的模式耦合系數(shù),那么在后續(xù)的計(jì)算中,會(huì)產(chǎn)生極大的誤差.所以需要定義模式耦合系數(shù)為平均模式耦合系數(shù)Kmn=(kmn+knm)/2[14],再進(jìn)行后續(xù)的分析和計(jì)算.

最后通過(guò)應(yīng)用功率耦合理論,得出中間芯和其相鄰芯之間的串?dāng)_值.功率耦合方程[14]為

式中,hmn為纖芯m與纖芯n的功率耦合系數(shù),Pm為纖芯m的平均功率.為了避免功率耦合方程的數(shù)值解,我們將功率耦合系數(shù)在一個(gè)扭轉(zhuǎn)間隔內(nèi)取平均,如(4)式所示[19]:

此時(shí),纖芯m和纖芯n之間的串?dāng)_可以表示為[19]

式中L是光纖長(zhǎng)度.在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光纖中,彎曲半徑對(duì)串?dāng)_的影響分為2 個(gè)區(qū)域.首先是相位匹配區(qū)域,在此區(qū)域中芯間串?dāng)_主要受彎曲半徑的影響.此區(qū)域中平均功率耦合系數(shù)[19]表達(dá)式為

式中,Kmn為平均模式耦合系數(shù),Rb為光纖的彎曲半徑.其中Bmn是由纖芯m,n的傳播常數(shù)βm,βn,以及坐標(biāo)(xm,ym),(xn,yn)推導(dǎo)出的參量,公式表示為[19]

隨著光纖的彎曲半徑的增加,相鄰的纖芯從相位匹配狀態(tài)過(guò)渡到相位不匹配狀態(tài),芯間串?dāng)_值達(dá)到最高處后驟然降低,并逐漸趨于穩(wěn)定.在此區(qū)域中,主要受相關(guān)長(zhǎng)度的影響.平均功率耦合系數(shù)[19]表達(dá)式為

式中,d為相關(guān)長(zhǎng)度,是由于光纖在彎曲時(shí)產(chǎn)生的相位偏移而引起的一個(gè)任意值.經(jīng)過(guò)研究者多次實(shí)驗(yàn)和模擬,當(dāng)相關(guān)長(zhǎng)度為0.05 m 時(shí)最符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11].

3.2 溝槽對(duì)芯間串?dāng)_的影響

低折射率的溝槽能夠很好的限制光信號(hào)的泄漏,因此它對(duì)串?dāng)_的抑制有很好的效果.在纖芯參數(shù)確定后,優(yōu)化輔助結(jié)構(gòu)參數(shù),也可以使光纖的性能得到提升.本文采用的是添加摻氟溝槽的輔助結(jié)構(gòu),通過(guò)改變溝槽的寬度和折射率來(lái)抑制芯間串?dāng)_.芯間串?dāng)_值與溝槽寬度之間的關(guān)系如圖3 所示.在計(jì)算過(guò)程中,纖芯采用的是表1 中的參數(shù),此時(shí)溝槽摻雜的濃度為–0.5%,相關(guān)長(zhǎng)度選用的是d=0.05 m.由圖3 可以看出,隨著溝槽寬度的增加,串?dāng)_的抑制效果越好,當(dāng)溝槽寬度達(dá)到4.5 μm時(shí),3 種相鄰纖芯之間均滿(mǎn)足串?dāng)_值小于–30 dB/100 km,已達(dá)到多芯光纖長(zhǎng)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn).

圖3 芯間串?dāng)_與溝槽寬度的關(guān)系Fig.3.The relation between crosstalk and trench width.

除了溝槽寬度,溝槽的折射率也影響著相鄰纖芯間的串?dāng)_值.本文計(jì)算了溝槽與包層的相對(duì)折射率差對(duì)芯間串?dāng)_的影響,計(jì)算結(jié)果如圖4 所示:隨著溝槽折射率降低,能量更好地束縛在纖芯之中.由于光纖制作工藝的限制,溝槽的相對(duì)折射率最低為–0.7%.在圖4 中,芯間串?dāng)_隨著溝槽折射率的降低而降低,當(dāng)溝槽濃度為–0.5%時(shí),3 種纖芯之間的串?dāng)_均滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離傳輸條件.繼續(xù)降低溝槽的相對(duì)折射率直至–0.7%,此時(shí)3 種纖芯之間的串?dāng)_可達(dá)到–48.02 dB/100 km,–38.50 dB/100 km,–39.23 dB/100 km.

圖4 芯間串?dāng)_與溝槽相對(duì)折射率之間的關(guān)系Fig.4.Relation between crosstalk and the relative refractive index of the trench.

3.3 彎曲半徑對(duì)串?dāng)_的影響

光纖彎曲使光能泄露到包層,光能損耗增加的同時(shí)相鄰纖芯間的串?dāng)_也會(huì)增加.彎曲半徑的臨界值Rpk將芯間串?dāng)_隨彎曲半徑的變化分為兩部分,Rpk可以通過(guò)計(jì)算得到,其表達(dá)式[17]為

式中,Δneff為不同纖芯的有效折射率差,neff為纖芯的有效折射率,Λ為芯間距.在本文中的3 種纖芯彎曲半徑的臨界值均低于80 mm.在彎曲半徑大于臨界值且相關(guān)長(zhǎng)度d=0.05 m 時(shí),3 種纖芯的串?dāng)_均滿(mǎn)足傳輸條件.3 種纖芯的芯間串?dāng)_值與彎曲半徑的關(guān)系如圖5.

如圖5 所示,計(jì)算了3 種纖芯之間的串?dāng)_隨彎曲半徑變化的曲線.圖中芯間串?dāng)_最大值對(duì)應(yīng)的是彎曲半徑的臨界值Rpk.在彎曲半徑從10 mm 增大到Rpk時(shí),芯間串?dāng)_隨著彎曲半徑的增加而增大,在相關(guān)長(zhǎng)度分別為0.01 m,0.05 m,1 m,10 m的條件下計(jì)算的芯間串?dāng)_曲線重合,其原因是因?yàn)榇藭r(shí)處于相位匹配區(qū)域,彎曲半徑是使芯間串?dāng)_變化的主要因素.當(dāng)彎曲半徑大于臨界值Rpk后,芯間串?dāng)_隨彎曲半徑變化的曲線逐漸平穩(wěn),芯間串?dāng)_主要受相關(guān)長(zhǎng)度的影響,隨著相關(guān)長(zhǎng)度的增加,芯間串?dāng)_的抑制效果越好.當(dāng)彎曲半徑大于Rpk時(shí),芯間串?dāng)_的抑制效果十分顯著.圖5 中的3 種纖芯的Rpk值均在80 mm 之內(nèi),光纖具有彎曲不敏感的傳輸特性.當(dāng)彎曲半徑一直增大,3 種纖芯的芯間串?dāng)_呈穩(wěn)定趨勢(shì),如圖6 所示,當(dāng)彎曲半徑增加到3000—5000 mm 時(shí),圖像接近一條直線,此時(shí)芯間串?dāng)_保持穩(wěn)定,且數(shù)值逐漸接近該光纖不存在彎曲狀態(tài)時(shí)的芯間串?dāng)_.經(jīng)過(guò)計(jì)算,當(dāng)此光纖為直光纖時(shí),3 種纖芯之間的芯間串?dāng)_分別是–39.52 dB/100 km,–33.07 dB/100 km,–30.33 dB/100 km.已滿(mǎn)足多芯光纖遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臈l件,包層中的每個(gè)纖芯都可以作為獨(dú)立的信道進(jìn)行信號(hào)傳輸.

圖5 不同纖芯間的串?dāng)_與彎曲半徑之間的關(guān)系 (a)纖芯1 和纖芯2 之間的串?dāng)_;(b)纖芯1 和纖芯3 之間的串?dāng)_;(c)纖芯2 和纖芯3 之間的串?dāng)_Fig.5.Crosstalk dependence on bending radius of (a) Core 1-Core 2;(b) Core 1-Core 3 and (c) Core 2-Core 3.

圖6 彎曲半徑增加到3000—5000 mm 時(shí)的芯間串?dāng)_Fig.6.Crosstalk dependence on bending radius (Rpk =3000–5000 mm).

3.4 滿(mǎn)足芯間串?dāng)_標(biāo)準(zhǔn)的工作波段

除了以上各個(gè)因素,工作波長(zhǎng)也影響著光纖的芯間串?dāng)_.同樣的一根光纖,工作波長(zhǎng)越長(zhǎng),芯間串?dāng)_的抑制效果越差.本文所設(shè)計(jì)的光纖在C+L波段下可以穩(wěn)定傳輸,且芯間串?dāng)_值小于–30 dB/100 km.在彎曲半徑為100 mm,傳輸距離為100 km時(shí),光纖的芯間串?dāng)_在不同波長(zhǎng)下的變化如圖7 所示.

圖7 芯間串?dāng)_與工作波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.7.The relationship between crosstalk and wavelength.

圖7 中,黑色、紅色、藍(lán)色分別表示纖芯1 與纖芯2、纖芯1 與纖芯3、纖芯2 與纖芯3 之間的芯間串?dāng)_,它們均隨著工作波長(zhǎng)的增加而增加.在工作波長(zhǎng)為1.63 μm 時(shí),3 種纖芯的串?dāng)_值分別為–38 dB,–35 dB,–32 dB,滿(mǎn)足多芯光纖的傳輸條件.除此之外,本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使高階模的截止波長(zhǎng)小于1.53 μm,保證了光纖在C+L波段始終保持單模傳輸.

隨著工作波長(zhǎng)的改變,纖芯中模式的有效模場(chǎng)面積也會(huì)改變,在不同的工作波長(zhǎng)下,纖芯對(duì)模式能量的束縛能力不同,隨著工作波長(zhǎng)的增加,纖芯對(duì)能量的束縛減弱,模式的有效模場(chǎng)面積增加.本文計(jì)算了該結(jié)構(gòu)在不同波長(zhǎng)下3 種纖芯中LP01模式的有效模場(chǎng)面積,結(jié)果如圖8 所示.圖中,黑色、紅色、藍(lán)色的線分別代表纖芯1、纖芯2、纖芯3 中LP01模式的有效模場(chǎng)面積,它們隨著工作波長(zhǎng)的增加而增大.在1.55 μm 處3 種纖芯中LP01模式的有效模場(chǎng)面積分別是81.52 μm2,79.44 μm2,80.17 μm2,使異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖有著同質(zhì)光纖所具備的有效模場(chǎng)面積一致的效果.

圖8 有效模場(chǎng)面積與工作波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.8.The relationship between Aeff and wavelength.

3.5 芯間距對(duì)光纖彎曲損耗的影響

光纖在使用過(guò)程中不可避免的會(huì)存在彎曲狀態(tài),光纖彎曲會(huì)使纖芯中的能量產(chǎn)生損耗,這種損耗使纖芯中的模式不能正常傳輸.多芯光纖的每個(gè)纖芯的損耗都需要達(dá)到單芯光纖的損耗標(biāo)準(zhǔn),彎曲損耗[20]的公式為

式中,BL 為光纖的彎曲損耗,λ是此光纖的工作波長(zhǎng),imag(neff)是波導(dǎo)中所需模式有效折射率的虛部.

若想LP01模式能正常傳輸,則需該模式在工作波長(zhǎng)為1.625 μm,彎曲半徑是Rb=30 mm 時(shí),損耗在0.5 dB/100 turns 之內(nèi).而若想LP11模式截止,則需該模式在波長(zhǎng)為1.53 μm,彎曲半徑為140 mm 時(shí),損耗大于1 dB/m.本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)需要保證每個(gè)纖芯都單模傳輸,所以每個(gè)纖芯均需滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件.本文的多芯單模光纖將異質(zhì)排布和溝槽輔助結(jié)構(gòu)相結(jié)合使光纖具有對(duì)彎曲不敏感的特性,并且有效地減小了光纖中能量的彎曲損耗,保證基模的低損耗傳輸.

在模擬計(jì)算的過(guò)程中,芯間距也是影響彎曲損耗的因素之一.芯間距增大的同時(shí)纖芯更靠近包層邊緣,此時(shí)模式的彎曲損耗和芯間串?dāng)_也會(huì)改變.所以本文計(jì)算了芯間距對(duì)光纖損耗和串?dāng)_的影響,計(jì)算結(jié)果如圖9 所示,其中圖9(a)是在工作波長(zhǎng)為1.625 μm 下進(jìn)行模擬的,可以看出芯間距對(duì)中間芯和最外層纖芯影響較大,在芯間距大于42 μm時(shí),損耗值出現(xiàn)大幅度上升.本文所提出的結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)為1.55 μm,傳播長(zhǎng)度為100 km 時(shí),光纖最外層纖芯的損耗為–7.7×10–5dB/m.圖9(b)是芯間串?dāng)_與芯間距之間的關(guān)系.可以看出隨著芯間距的增加,3 條曲線均呈減小趨勢(shì).在芯間距為38 μm處,芯間串?dāng)_值便已符合傳輸條件.國(guó)際上目前多芯光纖的芯間距多數(shù)設(shè)為42 μm,綜合考慮選擇此光纖的芯間距為42 μm.

圖9 (a)彎曲損耗與芯間距的關(guān)系;(b)芯間串?dāng)_與芯間距的關(guān)系Fig.9.Bending loss and crosstalk dependence on core pitch:(a) Bending loss;(b)crosstalk.

綜上所述,為提高十九芯單模異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖優(yōu)異性,最終確定光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示.

表2 十九芯單模異質(zhì)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2.The parameters of the final proposed structure.

4 光纖的色散、非線性系數(shù)的分析

4.1 光纖的色散分析

多芯光纖的色散是考慮低串?dāng)_的情況不可避免會(huì)影響到的性能,也是我們必須考慮的光纖的傳輸特性之一.色散的增加會(huì)使光脈沖展寬,限制著光通信速率,對(duì)光纖通信極為不利.色散D[20]的表達(dá)式為

式中,Re(neff)為模式有效折射率的實(shí)部,c為光速.根據(jù)上式,可以計(jì)算出3 種不同纖芯在C+L波段內(nèi)的色散性能,如圖10 所示,3 種纖芯的色散隨著工作波長(zhǎng)的增加而增加.色散受有效模場(chǎng)面積的影響,隨著有效模場(chǎng)面積的增大而增加,所以色散與工作波長(zhǎng)的關(guān)系曲線和圖8 中有效模場(chǎng)面積與工作波長(zhǎng)的關(guān)系曲線走勢(shì)相同.經(jīng)計(jì)算,在波長(zhǎng)為1.55 μm 下,3 種纖芯的色散均保持在24 ps/(nm·km)以?xún)?nèi),相比目前通信用的G.655 光纖僅大了約5 ps/(nm·km).

圖10 色散與波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.10.The relation between the dispersion and wavelength.

4.2 光纖的非線性系數(shù)分析

在現(xiàn)行的光纖通信系統(tǒng)中,由于光纖材料和結(jié)構(gòu)而引起的非線性效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信噪比降低、信號(hào)失真等現(xiàn)象,使光纖的傳輸信號(hào)質(zhì)量劣化.對(duì)于多芯光纖來(lái)說(shuō),為了擴(kuò)大光纖的傳輸容量,就需要增大所需模式的有效模場(chǎng)面積.有效模場(chǎng)面積增加使非線性效應(yīng)減弱,非線性系數(shù)減小.非線性系數(shù)γ[21]和有效模場(chǎng)面積Aeff[22]的計(jì)算公式如下

式中,n2是石英玻璃(SiO2)的非線性折射率系數(shù),n2=2.7×10–20m2/W.

從(12)式可以看出有效模場(chǎng)面積的增加可以有效的降低非線性系數(shù),但是有效模場(chǎng)面積增大時(shí),會(huì)使相鄰纖芯中的電場(chǎng)發(fā)生重合,芯間串?dāng)_增大.所以需要平衡芯間串?dāng)_與有效模場(chǎng)面積之間的關(guān)系,按照需求擇優(yōu)設(shè)計(jì).本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在大模場(chǎng)大容量的前提下降低芯間串?dāng)_,保證此光纖可以大容量、遠(yuǎn)距離傳輸.本文所設(shè)計(jì)的光纖在波長(zhǎng)為1.55 μm 下,3 種纖芯的非線性系數(shù)約為1.3 W–1﹒km–1.如圖11 所示,纖芯的非線性系數(shù)在C+L波段內(nèi)呈降低趨勢(shì).

圖11 非線性系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.11.The relationship between nonlinear coefficient and wavelength.

在本文中,我們研究了可用于空分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的溝槽輔助型異質(zhì)十九芯光纖,經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算,該結(jié)構(gòu)具有低串?dāng)_、大容量等特性,表3 給出了本文的光纖與目前已發(fā)表研究的對(duì)比,可以得出異質(zhì)結(jié)構(gòu)十九芯光纖具有一定的優(yōu)勢(shì).相對(duì)于七芯光纖,十九芯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖增加了一定數(shù)量的傳輸信道,并能夠保持每個(gè)纖芯的有效模場(chǎng)面積約為80 μm2,達(dá)到了增大通信容量的效果.另一方面,與同質(zhì)十九芯光纖相比,增強(qiáng)了抑制串?dāng)_的能力;與纖芯數(shù)量大于十九的多芯光纖相比,本文所提出的結(jié)構(gòu)具有既能保持其低串?dāng)_傳輸又能增大有效模場(chǎng)面積的優(yōu)點(diǎn).

表3 幾種多芯光纖性能對(duì)比Table 3.Comparison of performance of several multi-core fibers.

此外,根據(jù)單溝槽十九芯異質(zhì)光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),該光纖的制備方法和流程如下:1)首先是纖芯預(yù)制棒的制備.利用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法,在高溫的石英管中通入含氟摻雜劑,使之形成一定厚度的低折射率包層,接著通過(guò)加入不同濃度的含鍺摻雜劑沉積出3 種高折射率纖芯,制備出3 種異質(zhì)芯棒;2)將相應(yīng)的芯棒通過(guò)延伸法將其拉長(zhǎng)至預(yù)期的尺寸;3)利用超聲打孔法在石英母棒上對(duì)應(yīng)位置打孔,形成具有19 個(gè)孔的結(jié)構(gòu);4)并將拉制好的纖芯預(yù)制棒按照結(jié)構(gòu)分布插入孔內(nèi)形成最終的十九芯預(yù)制棒.最后通過(guò)光纖拉絲技術(shù),將制備好的預(yù)制棒進(jìn)行拉制得到目標(biāo)光纖.19 芯異質(zhì)芯預(yù)制棒的制備流程如圖12 所示.

圖12 十九芯異質(zhì)光纖預(yù)制棒的制備流程Fig.12.Fabrication process of 19-core heterogeneous fiber preform.

5 總結(jié)

本文提出了1 種低串?dāng)_、抗彎曲光纖結(jié)構(gòu)—單溝槽輔助型異質(zhì)結(jié)構(gòu)十九芯單模光纖.光纖的19 個(gè)纖芯呈六邊形緊密排列3 層,相鄰纖芯均不相同,每個(gè)纖芯外分別環(huán)繞1 層包層輔助結(jié)構(gòu)和1 層低折射率溝槽輔助結(jié)構(gòu),這樣既可以減少相鄰纖芯之間的能量耦合,抑制芯間串?dāng)_,又可以降低光纖的彎曲損耗,從而能夠有效提升光纖的抗彎曲性能.本文基于全矢量有限元的方法,使用COMSOL Multiphysics 軟件計(jì)算光纖的傳輸特性,得到該結(jié)構(gòu)的性能如下:在波長(zhǎng)為1.55 μm 且傳輸距離為100 km 時(shí),最低芯間串?dāng)_為–39.52 dB/100 km,同時(shí)能夠保證19 個(gè)纖芯的基模能低損耗傳輸.結(jié)構(gòu)中的每個(gè)纖芯的有效模場(chǎng)面積均保持在80 μm2,有利于降低非線性效應(yīng).另一方面,基于本文所設(shè)計(jì)光纖中纖芯和溝槽的相對(duì)折射率不高,可以采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行制備,而且由于該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不包含空氣孔,所以在高溫拉絲時(shí)能夠保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.綜上所述,單溝槽的十九芯單模異質(zhì)結(jié)構(gòu)光纖在空分復(fù)用系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸中具有很大的優(yōu)勢(shì).