低损耗少模空芯负曲率光纤的设计与研究

作     者：刘瑞华 

作者单位：西安邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：惠战强

授予年度：2024年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：空芯负曲率光纤 少模光纤 弱耦合 限制损耗 

摘      要：随着数据流量的迅猛增加,传统的单模光纤通信系统面临着容量不足的挑战。为了应对这一挑战,研究人员探索了在时间、幅度和空间等多个维度上对信息进行复用的方法。在这些技术中,模分复用技术利用不同正交模式独立传输信号,成为提升传输速率、扩展系统容量的关键突破性技术之一,在缓解容量紧缩问题方面的展现出巨大潜力。传统实芯光纤通常具有高非线性、高瑞利散射、低损伤阈值以及高色散等固有缺陷,这限制了模分复用技术的发展。而空芯光纤以空气作为纤芯导光介质,具有低非线性、低色散、宽带宽、低传输延迟和高损伤阈值等优点,在光纤通信及高功率激光传输等应用场景具有广阔的发展前景。其中,空芯负曲率光纤的纤芯模式与介质重叠率低,模式纯度高,并且通过改变玻璃壁厚即可实现对工作频段的灵活调谐,因此备受关注。目前,单模空芯负曲率光纤的损耗已经降低至与实芯光纤同一水平,并在光纤通信系统中得到了广泛的研究。然而,当前对于空芯负曲率光纤的少模传输特性方面的研究报道不足。与传统少模光纤相比,少模空分负曲率光纤具有极低损耗、低差分群时延、低非线性系数、低模式串扰等优点,各模式之间耦合程度较弱,有效避免了模间串扰,使其更具吸引力。本文从空芯负曲率光纤导光机理出发,结合弱耦合低损耗的基本要求,借助COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,设计并仿真了两种新型低损耗弱耦合的少模空芯负曲率光纤,主要研究内容概括如下: 首先,提出了一种基于对称双环嵌套管结构的新型弱耦合少模空芯负曲率光纤设计,通过在包层区域引入多个反谐振层,减少纤芯与包层模式耦合,实现了六种纤芯模式的低损耗传输。其主要结构参数为嵌套管壁厚t=1.12μm,相邻管间隙g=0.5μm,嵌套小圆管与包层圆管半径比k=0.4,纤芯半径R=24μm。在400 nm带宽（1.23-1.63μm）范围内,纤芯中的六个模式均保持低损耗（0.01 d B/m）稳定传输,并且模式之间的有效折射率差大于1×10。此外,当弯曲半径为7 cm时,各模式在一定工作波长范围内（380 nm）具有较低的弯曲损耗。之后对光纤的关键结构参数进行了偏移±1%的公差分析,结果表明,该光纤仍保持低损耗弱耦合的传输特性。 其次,设计了一种新型椭圆嵌套管结构的少模空芯负曲率光纤,在包层区域增加了反谐振层以及额外的负曲率边界,实现了低损耗的少模传输特性。该光纤能够支持六种不同的模式独立传输信号,其主要参数包括包层管厚度t=1.12μm,相邻包层圆管间隙g=3.5μm,椭圆嵌套管的椭圆率k=0.7,以及纤芯半径R=25μm。在450 nm的宽波段内（1.25-1.7μm）,所支持的六种模式都能以低于0.001 d B/m的损耗保持弱耦合传输,并且前五个模式的限制损耗均低于3×10d B/m。同时,研究发现当光纤弯曲半径为7 cm时,各模式在特定波长范围内（500 nm）仍能保持低损耗传输。通过对主要参数进行公差分析,结果表明,所设计的低损耗少模空芯负曲率光纤具有一定的制造可行性。