基于高速大容量光纤通信用大芯径光纤及多芯光纤的研制

【摘要】摘要：新型大模场面积多芯及单芯光纤是传输速率100Gbit/s、1.6Tbit/s甚至100Tbit/s的超高速大容量长距离光纤通信系统的重要组成部分。要构建实用化的高速、大容量全光通信网,增大光纤模场面积,减小非线性效应,扩大光纤的传输容量,是实现高功率大容量传输的必备条件。本论文结合国家973项目、国家自然科学基金、及中央高校基本科研业务费专项资金项目的实施,针对高速大容量长距离光纤通信用大芯径光纤及多芯光纤的设计和制作进行了深入全面的理论分析和实验研究。取得的主要创新性成果如下：1.分别提出了均匀七芯光纤模型的耦合模理论的归一化模式振幅的完整解析解表达式,以及光纤在长距离传输时功率耦合理论的完整解析解。研究的耦合模理论及功率耦合理论分别考虑了所有纤芯间的耦合——即相邻纤芯和非邻近纤芯的情况。在研究七芯光纤串扰特性时,考虑两种不同情况：中心纤芯激励及外部某一纤芯激励。首次提出了外部某一纤芯激励时的串扰特性,完善了对于七芯光纤芯间串扰的定义。实际制作了一种低串扰型均匀多芯光纤,分别针对中心纤芯激励和外部某一纤芯激励的情况下的串扰给出了实验测量结果,验证了功率耦合理论的正确性。2.分析并给出了一种低串扰、大模场面积掺氟下陷层多芯光纤的优化设计。系统的研究了掺氟下陷层多芯光纤中不同下陷参数对耦合系数Cmn、芯间串扰XT、基模有效面积Aeff的影响。结果显示通过调整下陷层的结构参数,这种多芯光纤每个纤芯的模场面积可以保持在140-150μm2左右,芯间串扰可以降低至-76dB左右。研究表明这种低串扰、大有效面积掺氟下陷层多芯光纤在大容量、高功率光纤通信系统中具有潜在的应用价值。此外,将掺氟下陷层结构应用于单芯光纤中,制作出了大模场面积掺氟下陷层单芯光纤。3.提出了一种基于多芯结构的新型双空气孔及四空气孔型多芯-双模-大模场面积光纤结构。首次提出了一种新的定义——双模传输,即通过合理设计光纤结构参量,在二阶模数目减少为两个的同时实现大模场面积传输,实现严格意义上的双模传输(HE11模和HE21模)。调整结构参量甚至可以达到单模运转。基模有效面积可以达到4025μm2甚至更高,同时弯曲损耗比普通阶跃型大模场光纤要小得多。4.提出并研制了一种新型多层芯单模大模场面积低弯曲损耗光纤。纤芯的多层结构可以实现超低的等效平均芯包折射率差,达到10-4甚至10-5量级的水平。研究表明,基模模场面积可以实现100-12000μm2。当最外层为低折射率环时,与具有相同模场面积Aeff的普通阶跃型光纤(SIF)相比,弯曲损耗可以降低1-2个数量级,弯曲性能得到明显改善。实际制作的多层芯光纤结构可以实现大模场面积(236μm2以上)超低弯曲损耗(0.0146dB/turn@R=0.02m)的目的。
【作者】郑斯文；
【导师】简水生；任国斌；
【作者基本信息】北京交通大学，通信与信息系统，2014，博士
【关键词】多芯光纤；耦合模理论；功率耦合理论；芯间串扰；双模传输；弯曲损耗；

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