一种高折射率双环微结构光纤

1.本发明涉及光纤技术，尤其涉及一种高折射率双环微结构光纤。

背景技术：

2.随着新技术的快速发展，通信需求不断挑战通信系统的容量。为了解决这个问题，人们提出了许多技术，如空分复用(sdm)，时分复用(tdm)，偏振分复用(pdm)，和波分复用(wdm)。但这些解决方案仍然无法跟上通信需求的增长。最近，人们提出了轨道角动量(oam)模式及其复用，模分复用(mdm)被认为具有很大潜力提高光纤通信系统传输能力。
3.研究发现部分光束具有角动量，该角动量可分为轨道角动量(oam)以及自旋角动量(sam)。其中，oam光束是一种螺旋相控光束，其有一个独特的螺旋相位波前其中l和分别指拓扑电荷和方位角。近年来，因其具有无限的拓扑电荷值和固有的正交性，oam光束在光通信领域受到了广泛的关注。通过将多阶oam波束进行多路复用，可以大幅度提高通信系统的传输容量。因此，基于oam的模分复用(mdm)技术被认为是一种很好的解决单模系统容量不足的方案。oam模式可以在光纤和自由空间中传播，但它很容易受到大气湍流的影响，不能进行长距离传输。相比之下，光纤是一种很好的传输介质，它具有长距离传输和避免外部因素干扰的能力。光纤作为光信号传输载体，成为光通信系统中最重要的一部分。传统的单模光纤无法支持较多的oam模式，因此需要在光纤中引入微结构，以支持更多的oam模式传输。
4.2020年，天津理工大学的黄薇等人提出一种基于双环谐振的oam模式散补偿微结构光纤，针对解决一些在传输时需要对散进行补偿的情况，该结构具有高折射率双环结构，设计时使高折射率内外环所用材料是掺杂二氧化硅，高折射率内环和高折射率外环的材料折射率不相等差值为0.03，高折射率内外环比包层材料折射率最大差值不超过0.08，从而让同一模式的模式折射率在内环和外环中接近，并在某一个波长点相等，此时，双环发生谐振，模式的能量均匀分布在内环和外环上，模式的散会达到一个极高的负散值，可以实现散的补偿。但是该文献结构高散补偿点针对不同的模式所需波长是不同的，导致该光纤只使用能发生双环谐振的特定波长点附近的波段和特定的单一模式，如果同时传输多模式，因为双环谐振导致了信号干扰比较严重，无法实现信号的高质量传输。

技术实现要素：

5.发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种适用范围更广、传输信号质量更高的高折射率双环微结构光纤。
6.技术方案：本发明所述的高折射率双环微结构光纤，包括从内到外依次设置的中心空气孔、内层高折射率环、设有空气孔的内包层、外层高折射率环和外包层，所述内层高折射率环和所述外层高折射率环的材料折射率相等，且与内包层的材料折射率之差大于0.14。
7.进一步的，所述内层高折射率环和所述外层高折射率环的材料为二氧化锗。
8.进一步的，所述内包层的材料为二氧化硅。
9.进一步的，所述外包层的材料为二氧化硅。
10.进一步的，所述内层高折射率环的厚度为1.3-1.5微米。
11.进一步的，所述外层高折射率环的厚度为1-1.5微米。
12.有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明光纤所设计的双环结构各自作为独立信道进行信号传输，将内层高折射率环和所述外层高折射率环的材料折射率设置为相等，且与内包层的材料折射率之差大于0.14，提高了多模式同时传输情况下各模式之间模式折射率的差值，可以有效避免不同模式之间发生谐振干扰，从而支持传输更多的oam模式，也不需要特定波长，适用范围更广，还因为避免了谐振干扰，传输信号质量更高。
附图说明
13.图1是本发明提供的高折射率双环微结构光纤的结构图；
14.图2是内环he
3,1
、he
5,1
和eh
4,1
模式的电场强度、光场强度及相位示意图；
15.图3是内环he
4,1
、he
8,1
和eh
14,1
模式的电场强度、光场强度及相位示意图；
16.图4是内环1阶到6阶oam模式的折射率分布图；
17.图5是外环1阶到17阶oam模式的折射率分布图；
18.图6是内环6阶oam模式约束损耗分布图；
19.图7是外环13阶到17阶oam模式约束损耗分布图；
20.图8是光纤所用材料散随波长变化图；
21.图9是内环1阶到6阶oam模式散分布图；
22.图10是外环1阶到17阶oam模式散分布图。
具体实施方式
23.本实施例提供了一种高折射率双环微结构光纤，如图1所示，包括从内到外依次设置的中心空气孔1、内层高折射率环2、设有空气孔31的内包层3、外层高折射率环4和外包层5。中心空气孔1的圆心位于光纤中央，其半径为1.5微米，内层高折射率环2厚度为1.5微米，在其他实施例中，也可以为1.3-1.5微米之间任意数值，效果相同，内边界距中心空气孔1圆心1.5微米，内包层3内设置6个直径为1微米的圆形空气孔31，圆形空气孔31均匀排列在距中心空气孔1半径为4.5微米的圆上，外层高折射率环4厚度为1微米，在其他实施例中，也可以为1-1.5微米之间任意数值，效果相同，内边界距中心空气孔1圆心6微米，外包层5外边界距中心空气孔1圆心62.5微米。内层高折射率环2和外层高折射率环4的材料相同，折射率相等，都是二氧化锗，内包层和外包层的材料为二氧化硅，内层高折射率环2和外层高折射率环4的材料与内包层的材料折射率之差大于0.14。
24.外层高折射率环和内层高折射率环的折射率在波长为1.55微米时为1.5871，内包层和外包层的折射率在波长为1.55微米时为1.444，两者差值大于0.14，每个高折射率环都独立传输信号，较大的材料折射率差可以支持更多模式，并且增大模式间的差值，减少谐振干扰，从而不需要特定波长，只要是通信波段内的波长性能都没有较大影响。此外，如果高折射率环半径比较大，所支持的模式数量会变多，但是该环的基模(he
1,1
)的有效模式折射
率会降低，这会导致后面高阶模式的有效模式折射率降低，而材料折射率不变的情况下，模式数量变多，会导致模式之间的差值接近，干扰增加；而且环芯的厚度增加还会产生高阶径向模式(如he
2,2
,he
2,3
,he
3,2
等)，这些高阶径向模式不能用来传输信号，并且这些模式的模式折射率可能会接近某个径向高阶基模(如he
8,1
)甚至与之相等，会导致环内的模式干扰，如果接近或跟另一个环的某个径向基模相等，又会产生环间的干扰。所以为了避免这种情况，本发明设置将高折射率环的厚度设计的较薄，抑制了所有的高阶径向模式的干扰，只存在径向基模。
25.对本实施例进行仿真，有限元方法是分析微结构光纤的有效数值方法，被业内广泛采用。运用有限元方法对上述实例结构进行建模、计算并分析，可以分析此光纤结构的特性。本实施例在波长1500nm～1600nm对实例所述光纤进行了计算，得到了光纤所支持模式的场强和相位。如图2和图3所示，在图2中，光纤内环的2阶、4阶、5阶oam模式的场强和相位的轮廓清晰可见。在图3中，光纤外环的3阶、7阶、15阶oam模式的场强和相位清晰可见。光纤中的oam矢量模式由本征奇偶模式线性叠加而成。图中小箭头代表电场线方向，可判断不同模式。具体叠加方式如下列公式：
[0026][0027][0028]
上式中，even为奇模，odd为偶模，j为相位差。
[0029]
图4所示为光纤内环可传输的oam模式的折射率随波长的变化，图5所示为光纤外环可传输的oam模式的折射率随波长的变化，各相邻模式之间的有效折射率差大于10-4
。图6为内环6阶oam模式的约束损耗随波长的变化，在波长1.6微米时约束损耗最大，低于1.62
×
10-8
db/m，图7为外环13-17阶oam模式的约束损耗随波长的变化，约束损耗最大的17阶在波长1.6微米时也低于4
×
10-9
db/m，均满足轨道角动量光纤的传输要求。图8所示为光纤包层和高折射率环所使用的材料的散随波长的变化，二氧化硅材料在1500nm-1600nm波段散值在0左右，二氧化锗材料在1500nm-1600nm波段散值均为负。图9所示为内环支持的轨道角动量模式的散值，图中所展示的散值是材料散与模式散相加的结果，内环散最大值低于300ps/nm/km。图10所示为外环支持的轨道角动量模式的散值，最大值低于800ps/nm/km，除第10阶模式外，其余均低于500ps/nm/km，还有部分模式的散为负。
[0030]
对本实施例进行性能参数仿真，对比普通的环形光纤，增加一个环，共用包层，支持更多的模式，其中内环支持1阶到5阶；外环支持1阶到16阶稳定传输，共计80个oam模式(其中内环18个，外环62个)，并保证oam模式质量大于70％，每个模式之间差值均大于10-4
，在通信波段范围内，没有发现任何内环和外环的不同模式发生谐振现象，避免了环间干扰，其次内环和外环均没有产生任何径向高阶模式，不仅避免了环内干扰也避免了环间干扰。
[0031]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：

1.一种高折射率双环微结构光纤，包括从内到外依次设置的中心空气孔、内层高折射率环、设有空气孔的内包层、外层高折射率环和外包层，其特征在于：所述内层高折射率环和所述外层高折射率环的材料折射率相等，且与内包层的材料折射率之差大于0.14。2.根据权利要求1所述的高折射率双环微结构光纤，其特征在于：所述内层高折射率环和所述外层高折射率环的材料为二氧化锗。3.根据权利要求1所述的高折射率双环微结构光纤，其特征在于：所述内包层的材料为二氧化硅。4.根据权利要求1所述的高折射率双环微结构光纤，其特征在于：所述外包层的材料为二氧化硅。5.根据权利要求1所述的高折射率双环微结构光纤，其特征在于：所述内层高折射率环的厚度为1.3-1.5微米。6.根据权利要求1所述的高折射率双环微结构光纤，其特征在于：所述外层高折射率环的厚度为1-1.5微米。

技术总结

本发明公开了一种高折射率双环微结构光纤，包括从内到外依次设置的中心空气孔、内层高折射率环、设有空气孔的内包层、外层高折射率环和外包层，所述内层高折射率环和所述外层高折射率环的材料折射率相等，且与内包层的材料折射率之差大于0.14。本发明可避免谐振干扰，信号传输质量更高，适用范围更广。适用范围更广。适用范围更广。