本發(fā)明涉及一種光纖波導結構，具體涉及一種低非線性系數(shù)少模光纖，可應用于光纖通信、光學信息處理等領域。

背景技術：

光纖是光纖通信系統(tǒng)的重要傳輸介質(zhì)；隨著光纖制造技術的進一步發(fā)展，人們于1979年實現(xiàn)了在1550nm波段損耗約為0.2dB/km的低損耗光纖；低損耗光纖開啟了光纖通信領域的革命歷程，導致了非線性光纖光學領域出現(xiàn)；1995年，工作在1550nm波段的摻鉺光纖放大器的商用化，使得光纖通信和非線性光纖光學得到巨大發(fā)展；各種類型的光纖和光纖通信系統(tǒng)得到廣泛的關注和研究 [1 G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 5e, Elsevier Inc. Elsevier (Singapore) Pte Ltd. 2012, 1-648]。

為了解決單模光纖通信系統(tǒng)中光纖非線性引起的傳輸質(zhì)量問題，業(yè)界采用了大有效面積光纖降低光纖非線性的解決方案。近年來，應用于空分復用光纖通信領域的少模光纖是光纖光學前沿研究熱點之一；為了減小光纖非線性效應，文獻[2 He Wen, Hongjun Zheng, Benyuan Zhu and Guifang Li, Experimental Demonstration of Long-Distance Analog Transmission over Few-Mode Fibers. OFC2015, M3E.2, 2015, 1-3]采用1550 nm波段130μm²模場面積的少模光纖，減小了模擬傳輸信號三階交調(diào)畸變3 dB，提高了信號無雜散動態(tài)范圍1.5 dB；文獻[3 Mukasa K, Imamura K, Sugizaki R. Multi-core Few-mode optical fibers with large Aeff. European Conference and Exhibition on Optical Communications. 2012: 1-3]提出了170μm²(LP₀₁) 和 250μm²(LP₁₁)的大有效面積少模光纖；文獻[4 Kasahara M, Saitoh K, Sakamoto T, et al. Design of Three-Spatial-Mode Ring-Core Fiber. Journal of Lightwave Technology, 2014, 32(7): 1337-1343.]提出了模場面積80到360μm²可調(diào)的大有效面積環(huán)形芯少模光纖；文獻[5 Mingjun Li, et al. Low delay and large effective area few-mode fibers for mode-division multiplexing. IEEE Opto-Electronics and Communications Conference, 2012:495-496.]提出了模場面積186μm²(LP₀₁) 和 242μm²(LP₁₁)的大有效面積、低差分模式群時延的少模光纖，并演示了100 km少模傳輸實驗。可見，為了減小光纖的非線性系數(shù)，增大光纖有效模場面積也是空分復用少模光纖的一種有效解決方案；又考慮到光纖的階躍型折射率分布導致了較大的差分模式群時延；而折射率漸變型分布能有效降低差分模式群時延[6 Sillard P, Bigot-Astruc M, Molin D. Few-Mode Fibers for Mode-Division-Multiplexed Systems [J]. Journal of Lightwave Technology 2014, 32(16):2824-2829]；大有效模場面積、低非線性系數(shù)、折射率呈漸變型分布少模光纖研究非常重要；少模光纖的研究挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)較寬帶寬的低非線性系數(shù)、低差分模式群時延的少模運作。

技術實現(xiàn)要素：

在國家自然科學基金 (編號61671227和61431009）、山東省自然科學基金（ZR2011FM015）、“泰山學者”建設工程專項經(jīng)費支持下，本發(fā)明提出了一種低非線性系數(shù)少模光纖，光纖折射率呈漸變型分布，實現(xiàn)了光纖通信C波段的低非線性系數(shù)、低差分模式群時延三模式少模運作，給出了所提出的少模光纖的各種特性隨入射波長變化規(guī)律；為移動通信Front-haul少模傳輸實用化提供了支持。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發(fā)明提出的低非線性系數(shù)少模光纖橫截面整體上是由純二氧化硅基質(zhì)包層和摻雜二氧化硅纖芯組成；所述光纖的纖芯外徑、包層外徑和完美匹配層外徑依次對應26μm、100μm和150μm；纖芯半徑與折射率分布均衡設計；光纖包層、纖芯中心和完美匹配層折射率分別為1.4440、1.4449和1.4440；纖芯中心到包層的折射率呈漸變型分布；折射率按照方程

(1)

設置，式中n₁表示纖芯中心折射率，n₂表示包層折射率，r表示光纖中任意一點到軸心的距離，是光纖纖芯外徑；采用全矢量有限元方法研究該少模光纖特性。

本發(fā)明的有益效果如下：

1. 提出了一種低非線性系數(shù)少模光纖；其折射率呈漸變型分布，實現(xiàn)了光纖通信C波段低非線性系數(shù)、低差分模式群時延的三模式少模運作，且非線性系數(shù)和差分模式群時延在C波段范圍內(nèi)呈平坦分布；

2. 該光纖特性使其在光纖通信少模傳輸、Front-haul少模傳輸?shù)阮I域具有廣闊應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明低非線性系數(shù)少模光纖的橫截面示意圖和折射率分布圖；其中圖1(a) 是光纖橫截面示意圖，R1為纖芯外徑，R2為包層外徑，R3為完美匹配層外徑；圖1(b) 是光纖折射率分布圖；

圖2是入射光波長1.550 μm時線偏振模LP01、LP11a和LP11b的電場分布圖；

圖3是少模光纖的有效模場面積和非線性系數(shù)隨入射光波長的變化；圖3(a)中帶星和小圓圈的實線分別表示LP01和LP11的有效模場面積隨入射光波長的變化；圖3(b)中帶星和小圓圈的實線分別表示LP01和LP11的非線性系數(shù)隨入射光波長的變化；

圖4是少模光纖的色散隨入射光波長的變化，圖4(a)中點線、點畫線和實線分別表示模式LP01的材料色散、波導色散和總色散；圖4(b)中點線、點畫線和實線分別表示模式LP11的材料色散、波導色散和總色散；

圖5是LP11和LP01的差分模式群時延DMGD隨入射光波長的變化。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖詳細說明本發(fā)明的技術方案，但保護范圍不限于此。

實施例1見圖1是本發(fā)明一種低非線性系數(shù)少模光纖橫截面示意圖（a）和折射率分布圖（b），該低非線性系數(shù)少模光纖橫截面整體上是由純二氧化硅基質(zhì)包層和摻雜二氧化硅纖芯組成；圖中各個圓半徑分別表示為R1、R2和R3，依次對應纖芯外徑、包層外徑和完美匹配層外徑，其中，R1=26 μm，R2=100 μm，R3=150 μm。纖芯半徑與折射率分布均衡設計；光纖包層、纖芯中心和完美匹配層折射率分別為1.4440、1.4449和1.4440；纖芯中心到包層的折射率按照方程(1)設置，呈漸變型分布；采用全矢量有限元方法研究了該少模光纖特性。

圖2是入射光波長1.550 μm時線偏振模式LP01、LP11a和LP11b的電場分布。LP11a和LP11b是簡并模式；它們的有效模場面積和非線性系數(shù)等參數(shù)一致，后面的討論以LP11表示它們。

圖3是少模光纖的有效模場面積和非線性系數(shù)隨入射光波長的變化，圖3(a)中帶星和小圓圈的實線分別表示LP01和LP11的有效模場面積隨入射光波長的變化；圖3(b)中帶星和小圓圈的實線分別表示LP01和LP11的非線性系數(shù)隨入射光波長的變化。由圖3可以得到，少模光纖的LP01和LP11模式有效模場面積很大，遠大于標準單模光纖有效模場面積，隨入射光波長的增加而增大；LP11模式有效模場面積增加更快。少模光纖的LP01和LP11模式非線性系數(shù)都很小，遠小于標準單模光纖非線性系數(shù)，隨入射光波長的增加而減小，在光纖通信C波段均呈平坦分布；LP01和LP11模式非線性系數(shù)相差很小。

圖4是少模光纖的色散隨入射光波長的變化，圖4(a)中點線、點畫線和實線分別表示模式LP01的材料色散、波導色散和總色散；圖4(b)中點線、點畫線和實線分別表示模式LP11的材料色散、波導色散和總色散。圖4可以得到，模式LP01和LP11的波導色散都很小，導致它們的總色散與材料色散近似相等。模式LP01和LP11的總色散隨入射光波長的增加而變大。1550 nm波段，模式LP01和LP11的總色散與文獻[5]的一致。

圖5是LP11和LP01的差分模式群時延DMGD隨入射光波長的變化，由圖5可得，LP11和LP01的差分模式群時延DMGD很小，隨入射光波長增加逐漸減小；在光纖通信C波段均呈平坦分布。該差分模式群時延與文獻[5]的DMGD在同一個量級。

總之，本發(fā)明提出的少模光纖實現(xiàn)了光纖通信C波段低非線性系數(shù)、低差分模式群時延的少模運作，且非線性系數(shù)和差分模式群時延在C波段范圍內(nèi)呈平坦分布；該光纖特性使其在光纖通信少模傳輸、Front-haul少模傳輸?shù)阮I域具有廣闊應用前景。

應當指出的是，具體實施方式只是本發(fā)明比較有代表性的例子，顯然本發(fā)明的技術方案不限于上述實施例，還可以有很多變形。本領域的普通技術人員，以本發(fā)明所明確公開的或根據(jù)文件的書面描述毫無異議的得到的，均應認為是本專利所要保護的范圍。