偏振保持少模光纤研究

发布时间：2020-07-15 22:38

【摘要】：近年来随着互联网、人工智能等技术的飞速发展,全世界的网络带宽和数据中心对网络容量的需求呈现出爆炸般的增长,然而现有的单模光纤通信系统远不能满足快速发展的信息社会对网络容量的需求。针对此问题,研究人员提出了基于多芯光纤或少模光纤的空分复用技术。在空分复用光纤中,偏振保持少模光纤(保偏少模光纤)具有非线性效应弱、可实现无多输入多输出数字信号处理设备的近距离传输等优势。所以设计分析新型保偏少模光纤具有十分重要的意义。本论文研究了保偏少模光纤的相关理论,提出三种新型结构的保偏少模光纤,主要工作有:1.对保偏少模光纤进行理论研究,分析其模式特性、波导特性和保偏实现原理,包括模场强度的分布情况、模式的群速度色散、光纤的有效面积和拼接损耗等。2.研究矩形芯少模光纤的传输特性,基于应力致偏原理设计实现矩形芯保偏少模光纤,并分析新型光纤的的模式特性、波导特性和传输性能。研究证明该光纤可支持至少8个模式的有效分离,具备大的有效面积,能增大有效分离模式的传播距离,可用于数据中心互连和光接入网等短距离应用场景。3.分析几何致偏型保偏少模光纤的实现原理,基于矩形纤芯设计并实现环芯矩形保偏少模光纤。研究发现该光纤可支持10个模式的有效分离,对纤芯内部偏振模式的利用率达到100%,在C+L波段上所有模式的群速度色散数值处于适用于近距离传输的范围内,具备成为未来空分复用光纤通信系统传输介质的潜力。4.探究空气孔对保偏少模光纤的影响,完成空气孔—环芯矩形保偏少模光纤的设计。数值分析的结果表明,引入空气孔的环芯矩形保偏少模光纤可以有效增大偏振模式之间的有效折射率差,并且在提高纤芯折射率后,光纤可支持14个偏振模式有效分离,进一步提高光纤的传输容量。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253
【图文】：

网络容量,历程,传输容量

大规模信息交互产生的数据流量意味着网络容量需求的激增，然而现有的单模光逡逑纤（ＳＭＦ：邋Ｓｉｎｇｌｅ邋ｍｏｄｅ邋ｆｉｂｅｒ）通信系统的传输容量己经十分接近香农定理的传输极逡逑限［２］，如图１－］所示。这远远不能满足爆炸式增长的数据流量对传输容量的需求逡逑［３］，为此需要寻找新的技术手段来应对即将到来的容量问题。逡逑川邋Ｐ邋ｊ￣￣￣ｒ逦—逦逦逦逦逦逦１逡逑空分复逡逑ｊ邋ｐ邋一寸一一一．本逡逑ｉｎｎＴ逦ｆｆ邋农极《逦：＃逦ｊｆ逡逑！邋ＵＵ邋Ｉ逦；逡逑■■■？ｆ＞逦？一－］逡逑，00邋Ｍ邋厂￣逦—－邋￣￣邋ｉ＊邋ｔ」气输邋ｎ逦ｉ逡逑１０邋Ｍ邋１９８０逦１９９０逦２（ＫＫ）邋Ｔ0ｉ0邋２０２０逦２０３０逡逑年份逡逑图１－１光纤通信技术的发展历程与网络容量需求［２］逡逑在光纤通信技术的发展过程中，为提高单模光纤通信系统的传输容量，多种逡逑复用技术随之产生。上世纪９０年代前，光时分复用（ＴＤＭ：邋Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ逡逑Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技术被提出，该技术是在时间维度上将多路信号复用成一路信号，逡逑从而达到多路复用的目的。９０年代后期的波分复用［４］（ＷＤＭ：邋Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ逡逑Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技术使不同波长的光在同一根光纤中传输，继续扩大了光纤通信系逡逑统的传输容量。之后出现的偏振复用［５］（？0１＾：？0１３也３１丨0］１邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）逡逑技术是利用光载波中相互正交的偏振态传输信息

保偏,少模光纤,致偏,熊猫

图１－３现阶段三种不同类型的保偏少模光纤：（ａ）应力型熊猫保偏少模光叶｛１９）邋（ｂ）几何致偏逡逑型保偏少模光纤⑷如）空气孔型保偏少模光纤［２１］逡逑矩形芯保偏少模光纤［２２］是近几年出现的一种新型结构的少模光纤，如图１－４逡逑所示。图１－４中，矩形部分是光纤的纤芯，折射率为１．４４９３，是由二氧化硅掺杂逡逑了邋３．５％摩尔百分比的二氧化锗构成；其余部分为光纤包层，是由折射率为１．４４４逡逑的二氧化硅构成。矩形芯保偏少模光纤因其纤芯结构而具备一些独特的优势：由逡逑于光纤较大的纤芯尺寸，光纤具有大的有效面积，所以光纤的拼接性好，抗拼接逡逑损耗能力强；模式的数量可由矩形的长度决定，内部偏振模式相互正交且仅包含逡逑两种偏振模式，可以通过模式组间的区别对模式进行分类存放，有利于促进光通逡逑信器件的集成。因此，本文在矩形结构的基础上，设计出新型保偏少模光纤，具逡逑有支持更多模式数量的有效分离、促进近距离通信系统的器件集成和降低系统成逡逑本和功耗等优势。逡逑■邋Ｓｉ０２Ｇｅ０２逡逑Ｓｉ０２逡逑４逡逑

功率分布,少模光纤,阶跃折射率,功率分布

逡逑在实际的光纤通信系统中，大多使用的是弱导光纤。弱导光纤就是光纤的包逡逑层和纤芯的折射率差值非常小的一种光纤，在弱导光纤中，纤芯的折射率￣包层折射率》２基本上相差不会超过１％，并且在弱导光纤中传播的模式的纵向磁场的分量要远远小于横向电磁场的分量，而且模式的横向电磁场分量的偏振基本不会发生变化，所以在弱导光纤的光场中模式的横向电磁场占据主导地位。逡逑此时处于光纤中的模式被称为线偏振模（ＬＰ：邋Ｌｉｎｅａｒ邋Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋Ｍｏｄｅ），也被称ＬＰ模。而线偏振模的本征方程为：逡逑ＴＴ逦（＾？ｍ）邋＿邋ｎ／邋＾ｍ＋１逡逑ｕ－邋￣ＴＵＴ）邋—邋ｗ－邋￡Ｊｗ￣）逦（２＇１２）逡逑ｉｎ邋＼邋ｍｎ）逦ｍ邋＼邋ｎｍ邋Ｊ逡逑在这个本征方程中，下标字母代表的是Ｗ阶数贝塞尔函数的函数根值”，而Ｕ是光纤纤芯处的特征参数，满足６＾，７＝／＊２（￥４－凡，？），妒是光纤包层特征参数，同样满足坏彳＾二一以＾－r2＾广其中／‘是光纤的纤芯半径，）＾：］；！／！逡逑是真空中的波数，凡＾是特定模式的传播常数。下面五张图就是在折射率分布为逡逑阶跃式的少模光纤中传播的几个低阶ＬＰ模。逡逑

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