靳文星 任國(guó)斌 裴麗 姜有超 吳越 諶亞楊宇光 任文華 簡(jiǎn)水生

(北京交通大學(xué),全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

(北京交通大學(xué)光波技術(shù)研究所,北京 100044)

環(huán)繞空氣孔結(jié)構(gòu)的雙模大模場(chǎng)面積多芯光纖的特性分析?

靳文星?任國(guó)斌 裴麗 姜有超 吳越 諶亞楊宇光 任文華 簡(jiǎn)水生

(北京交通大學(xué),全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

(北京交通大學(xué)光波技術(shù)研究所,北京 100044)

(2016年7月27日收到;2016年10月25日收到修改稿)

將多芯光纖與無(wú)芯空氣孔結(jié)構(gòu)結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種具有大模場(chǎng)面積的十九芯雙模光纖結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)由位于中心的5根常規(guī)纖芯及環(huán)繞其周圍的14根空氣纖芯按正六邊形排布構(gòu)成,能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雙模傳輸,其基模有效模場(chǎng)面積的最小值約為285.10μm2.系統(tǒng)地分析了影響模式傳輸特性和模式有效模場(chǎng)面積的結(jié)構(gòu)參數(shù)：纖芯間距、相對(duì)折射率差和纖芯大小.通過(guò)對(duì)這三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化,在雙模傳輸?shù)臈l件下,增大基模的有效模場(chǎng)面積.此外,具有大模場(chǎng)面積的多芯雙模光纖結(jié)構(gòu)具有良好的抗彎曲特性,基模彎曲損耗小于5×10-5dB/m.該結(jié)構(gòu)還具有制作簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn),適用于高功率光纖激光器和光纖放大器.

多芯光纖,雙模特性,大模場(chǎng)面積,彎曲損耗

1 引 言

近年來(lái),隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,人們對(duì)光纖通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大傳輸容量的要求越來(lái)越高,通信網(wǎng)絡(luò)容量的發(fā)展一直是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn).目前使用傳統(tǒng)普通單模光纖(single-modefiber,SMF)的光通信網(wǎng)已經(jīng)不能滿足飛速增長(zhǎng)的容量需求,亟需一種新的技術(shù)來(lái)迎接信息時(shí)代的通信挑戰(zhàn)[1-3].繼波分復(fù)用(wavelength-division multiplexing,WDM)[4]、時(shí)分復(fù)用(time-division multiplexing,TDM)[5]、偏分復(fù)用(polarizationdivision multiplexing,PDM)等[6]技術(shù)之后,人們把目光投向了空分復(fù)用(spatial-division multiplexing,SDM)技術(shù)[7].SDM作為一種新的傳輸技術(shù)引起了研究者的廣泛關(guān)注.該技術(shù)采用多個(gè)傳輸通道進(jìn)行信息的傳輸,可使通信容量成倍增加,有望成為解決當(dāng)前傳輸容量瓶頸問(wèn)題的有效方法[8].SDM可以采用多芯光纖(multi-core fiber,MCF)、少模光纖(few-mode fiber,FMF),或二者的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)[9,10].目前SDM技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合可在MCF和FMF中實(shí)現(xiàn)超過(guò)1 TB/s的傳輸速率[11,12].

光纖非線性的限制導(dǎo)致傳輸容量達(dá)到了極限,而增大光纖的模場(chǎng)面積能消除非線性效應(yīng)帶來(lái)的不利影響[13].MCF具有纖芯數(shù)目、纖芯距離、纖芯大小、纖芯與包層的相對(duì)折射率差等多個(gè)自由度,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較靈活.目前多芯光纖的研究大都基于低串?dāng)_型MCF,對(duì)強(qiáng)耦合型MCF的關(guān)注較少.當(dāng)MCF纖芯之間的距離逐漸減小時(shí),原本在每個(gè)纖芯中獨(dú)立傳輸?shù)哪Ｊ綍?huì)因?yàn)轳詈现饾u增強(qiáng)形成超模模式[14].傳統(tǒng)的MCF竭力避免的耦合作用會(huì)在減小光功率密度的同時(shí)增大模場(chǎng)面積,這有助于克服非線性效應(yīng).但是,大模場(chǎng)面積光纖(large-mode-area fiber,LMAF)往往存在彎曲損耗大的問(wèn)題.Napierala等[15]利用非對(duì)稱光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了大的模場(chǎng)面積,但彎曲損耗仍大于0.73 dB/m.Masahiro等[16]利用全固化光子帶隙光纖設(shè)計(jì)出大模場(chǎng)面積光纖,彎曲損耗的最小值為0.1 dB/m.Chen等[17]通過(guò)不同大小的多芯光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大的模場(chǎng)面積,彎曲損耗仍大于2.5×10-3dB/m.FMF作為實(shí)現(xiàn)模分復(fù)用(modedivision multiplexing,MDM)的有效手段,其傳輸損耗隨著模式數(shù)量的增加而增大,因此減少FMF中高階模式的數(shù)量也是需要解決的問(wèn)題[18].如何結(jié)合MCF和FMF來(lái)實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)面積與彎曲損耗之間的平衡是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的工作.文獻(xiàn)[19-22]基于帶有空氣孔的七芯及十九芯光纖結(jié)構(gòu),在嚴(yán)格少模的條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大模場(chǎng)面積與低彎曲損耗,這對(duì)LMAF的設(shè)計(jì)及研究具有啟發(fā)性意義.

本文將MCF與無(wú)空氣孔的結(jié)構(gòu)相結(jié)合,設(shè)計(jì)出一種具有較低彎曲損耗的雙模大模場(chǎng)面積多芯光纖(dual-mode large-mode-area multi-core fiber,DMLMAMCF).五芯結(jié)構(gòu)的兩側(cè)引入對(duì)稱的空氣纖芯結(jié)構(gòu),二階模式的數(shù)量減為原來(lái)的一半,實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的雙模傳輸.深入分析了纖芯間距、相對(duì)折射率差和纖芯大小對(duì)模式特性和模式有效模場(chǎng)面積的影響.在嚴(yán)格雙模傳輸?shù)臈l件下,基模有效模場(chǎng)面積的最小值約為285.10μm2,增大纖芯間距,有效模場(chǎng)面積也增大.外圈環(huán)繞空氣孔結(jié)構(gòu)使光纖基模既保持了大模場(chǎng)特性,又使其彎曲損耗降低至5×10-5dB/m.該結(jié)構(gòu)光纖適用于高功率光纖激光器和光纖放大器.

2 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模式特性

2.1 光纖結(jié)構(gòu)

光纖的橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示.與傳統(tǒng)的MCF不同,DMLMAMCF由分布在中間的5根常規(guī)纖芯(灰色小圓圈)和均勻排列在外側(cè)的14根空氣纖芯(白色小圓圈)構(gòu)成,其余白色區(qū)域?yàn)榘鼘?纖芯整體呈正六邊形排布.此設(shè)計(jì)是在七芯光纖的基礎(chǔ)上增加一層正六邊形排布的環(huán)繞空氣孔,類似于摻氟下陷光纖中的下陷層,有利于減小光纖的彎曲損耗.此外,在七芯光纖兩側(cè)采用兩個(gè)對(duì)稱的空氣孔結(jié)構(gòu),破壞了模式的圓對(duì)稱性,使類似TE模和TM模的模式通過(guò)泄漏通道損耗殆盡,達(dá)到減少高階模式數(shù)量的目的,從而形成少模結(jié)構(gòu)光纖.所有纖芯的大小均相等,相鄰纖芯間的距離為Λ.設(shè)纖芯半徑為a,纖芯折射率為n1,包層折射率為n2,纖芯和包層的折射率差為Δn=n1-n2,空氣纖芯的折射率為nair,包層半徑為rclad,其中n2=1.444,空氣折射率nair=1.000,rclad=62.5μm.當(dāng)Λ變化時(shí),纖芯之間的強(qiáng)耦合作用會(huì)對(duì)模場(chǎng)面積產(chǎn)生影響.此外,通過(guò)改變?chǔ)和a的取值,就能夠在保持少模特性的同時(shí)得到大模場(chǎng)面積.DMLMAMCF結(jié)構(gòu)將多芯光纖和摻氟下陷光纖的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,在傳統(tǒng)的多芯光纖外環(huán)繞一圈空氣孔結(jié)構(gòu)來(lái)減小光纖的彎曲損耗.空氣孔的尺寸大小和芯區(qū)間距的可調(diào)節(jié)性使光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加靈活.

圖1 光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Cross section schematic of proposed fiber structure.

2.2 模式特性

一個(gè)模式在光纖中傳播,其有效折射率neff必須滿足n2＜neff＜n1的條件.若neff＜n2,此模式截止.假設(shè)a=3.2μm,Λ=10.0μm,Δn=0.003,工作波長(zhǎng)λ=1.55μm,基于全矢量有限元方法,使用COMSOL Multiphysics軟件分析光纖中的模式特性.經(jīng)過(guò)計(jì)算得到光纖中的矢量模式共有4個(gè),2個(gè)簡(jiǎn)并的基模和2個(gè)簡(jiǎn)并的二階模,故嚴(yán)格意義上講,此條件下共存在2個(gè)簡(jiǎn)并的導(dǎo)模.當(dāng)中心處七根纖芯無(wú)空氣孔結(jié)構(gòu)時(shí),共有6個(gè)模式,如圖2所示,包括簡(jiǎn)并的HE11模、簡(jiǎn)并的HE21模、TE01模和TM01模.引入兩側(cè)的空氣孔結(jié)構(gòu)后各個(gè)模式的模場(chǎng)分布及其二維電矢量分布如圖3所示,圖3(a)和圖3(b)分別表示2個(gè)基模(HE11模)的模式特性,圖3(c)和圖3(d)分別表示2個(gè)二階模(HE21模)的模式特性,其中基模的有效折射率neff1=1.444506,二階模的有效折射率neff2=1.444117.該設(shè)計(jì)通過(guò)引入兩側(cè)對(duì)稱的空氣孔結(jié)構(gòu),使二階標(biāo)量模LP11模(2個(gè)HE21模,1個(gè)TM01模及1個(gè)TE01模)的模式數(shù)量減少一半,成為嚴(yán)格的少模光纖.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)未引入空氣孔時(shí)各個(gè)模式的模場(chǎng)分布和二維電矢量分布 (a),(b)HE11模;(c),(d)HE21模;(e),(f)TE01模和TM01模Fig.2.(color online)Mode field and electric vector distributions without air holes on both sides of the center core：(a),(b)HE11mode;(c),(d)HE21mode;(e),(f)TE01mode and TM01mode.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)引入空氣孔后各個(gè)模式的模場(chǎng)分布和二維電矢量分布 (a),(b)HE11模;(c),(d)HE21模Fig.3.(color online)Mode field and electric vector distributions with air holes on both sides of the center core.(a),(b)HE11mode;(c),(d)HE21mode.

光纖中基模的有效模場(chǎng)面積Aeff為[23]

式中E為基模電場(chǎng)的大小,E?為其共軛量.

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

為了在保持少模特性的同時(shí)兼顧光纖的大模場(chǎng)面積,對(duì)影響光纖模式傳輸特性及模式有效模場(chǎng)面積Aeff的結(jié)構(gòu)參數(shù)Λ,Δn和a進(jìn)行深入研究,工作波長(zhǎng)為1550 nm.

首先研究芯間距Λ的變化對(duì)光纖模式特性及Aeff的影響.光纖中其他參數(shù)分別為Δn=0.003,a=3.2μm.圖4(a)所示為各個(gè)模式有效折射率neff隨著芯間距Λ的變化.HE11模及HE21模均為雙重簡(jiǎn)并,圖中分別只用一條有效折射率曲線表示.曲線Higher表示最接近截止的高階模的有效折射率.從圖中可以看出,隨著Λ的增大,各個(gè)模式的折射率逐漸增大,即模式數(shù)量隨著Λ的增大而增加.當(dāng)7.4μm＜Λ＜9.6μm時(shí),只存在HE11模.當(dāng)Λ＞9.6μm時(shí),增加了滿足傳輸條件的HE21模.因此,可以選取合適的Λ值來(lái)滿足少模傳輸?shù)臈l件,即雙模傳輸.HE11模及HE21模的有效模場(chǎng)面積Aeff隨芯間距Λ的變化如圖4(b)所示.從圖中可以看出,芯間距的大小滿足雙模傳輸?shù)臈l件.基模HE11和二階模HE21的Aeff均隨Λ的增大呈線性增大,且HE21的有效模場(chǎng)面積稍大于HE11.HE11模的有效模場(chǎng)面積最小值約為255.68μm2,HE21模的有效模場(chǎng)面積最小值約為270.80μm2.在其他參數(shù)不變的條件下,增大Λ有利于增大各個(gè)模式的有效模場(chǎng)面積.當(dāng)Λ增長(zhǎng)至11.6μm時(shí),HE11模的Aeff可達(dá)378.10 μm2,HE21模的Aeff可達(dá)379.93μm2.

接下來(lái)研究芯包折射率差Δn的變化對(duì)光纖模式特性的影響.選取Λ=10.0μm,a=3.2μm.各個(gè)模式的有效折射率neff和有效模場(chǎng)面積Aeff隨Δn的變化分別如圖5(a)和圖5(b)所示.由圖5可以看出,各個(gè)模式的有效折射率均隨Δn的增大而增大,當(dāng)Δn為0.0028-0.0036時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)雙模傳輸.隨著Δn的繼續(xù)增大,高階模式出現(xiàn).因此選取適當(dāng)?shù)摩值,可以實(shí)現(xiàn)模式數(shù)量的切換.各模式的有效模場(chǎng)面積Aeff隨著Δn的增大呈線性減小,二階模式HE21的有效模場(chǎng)面積大于基模HE11的有效模場(chǎng)面積.基模HE11的Aeff最大值約為282.28μm2,二階模HE21的Aeff最大值約為297.10μm2.

圖5 (a)各模式有效折射率neff與芯包折射率差Δn的關(guān)系;(b)各模式有效模場(chǎng)面積Aeff與芯包折射率差Δn的關(guān)系Fig.5.(a)Effective refractive indexneffversus Δn;(b)effective mode areaAeffversus Δn.

最后研究纖芯半徑a的變化對(duì)光纖模式有效折射率neff和有效模場(chǎng)面積Aeff的影響,選取Λ=10.0μm,Δn=0.003.各個(gè)模式的有效折射率隨a的變化如圖6(a)所示.當(dāng)a＞3.2μm時(shí),只存在HE11及HE21兩個(gè)傳輸模式.各個(gè)模式的有效模場(chǎng)面積隨a的變化如圖6(b)所示.兩個(gè)模式的Aeff均隨a的增大呈線性減小.當(dāng)a從3.2μm增大到4.4μm時(shí),基模HE11的Aeff從288.43μm2逐漸減小到234.37μm2,二階模HE21的Aeff則從300.03μm2逐漸減小到259.36μm2.因此,在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下,減小纖芯半徑有利于增加各模式的有效模場(chǎng)面積.

圖6 (a)各模式有效折射率neff與纖芯半徑a的關(guān)系;(b)各模式有效模場(chǎng)面積Aeff與纖芯半徑a的關(guān)系Fig.6.(a)Effective refractive indexneffversusa;(b)effective mode areaAeffversusa.

4 參數(shù)特性分析

從第3節(jié)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)模式的有效折射率及有效模場(chǎng)面積的影響中,發(fā)現(xiàn)芯間距Λ、芯包折射率差Δn及纖芯半徑a的增大均有助于各個(gè)模式有效折射率neff的增大,因此選取適當(dāng)?shù)膮?shù)范圍可以控制模式的數(shù)量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)少模傳輸.此外,增大芯間距Λ有利于增大有效模場(chǎng)面積Aeff,但芯包折射率差Δn和纖芯半徑a的增大會(huì)減小Aeff.因此,為了在保持雙模特性的同時(shí)獲得盡可能大的模場(chǎng)面積,需要在減小Δn和a的同時(shí)增大Λ.可以通過(guò)SMF的歸一化頻率V與光功率變化的關(guān)系來(lái)考慮各個(gè)參數(shù)對(duì)Aeff的影響.SMF的功率限制因子Γ表示纖芯功率與總功率的比值.Γ與V的關(guān)系如圖7所示,隨著V值減小,纖芯功率限制因子Γ的值也減小.這就意味著V值較小時(shí),更多的光功率從纖芯分布到包層中,使得各個(gè)模式的有效模場(chǎng)面積增加.二階模HE21的模場(chǎng)受到V的約束比基模HE11弱,使得包層中存在更大的光功率.圖7中給出了V=0.8,1.6,2.4時(shí)基模HE11模場(chǎng)的分布情況.從圖中可以看出,V值越小,包層中的光功率越大.

光纖的歸一化頻率V定義為[24]

當(dāng)工作波長(zhǎng)λ和包層折射率n2一定時(shí),V值的大小取決于n1和a.當(dāng)纖芯折射率n1或纖芯半徑a減小時(shí),歸一化頻率V的值會(huì)減小,而各個(gè)模式的有效模場(chǎng)面積Aeff增大,這與第3節(jié)得到的結(jié)論一致.此外,有效模場(chǎng)面積Aeff與芯間距Λ通過(guò)不同纖芯之間的耦合作用相關(guān).圖7中的插圖為基模HE11的Aeff隨Λ的變化情況.當(dāng)Δn=0.0028,a=3.2μm,Λ從10.0μm增大到14.0μm時(shí),Aeff從285.90μm2逐漸增大到540.66μm2,整個(gè)過(guò)程中光纖始終保持著嚴(yán)格雙模傳輸模式.從圖7中可以看出,Aeff隨著Λ的增大呈線性增大.與圖4比較發(fā)現(xiàn),在嚴(yán)格雙模傳輸條件下,增大Λ可增大Aeff.因此,DMLMAMCF可以先選取雙模傳輸模式,再調(diào)整Λ值的大小來(lái)得到理想的有效模場(chǎng)面積.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)纖芯功率限制因子Γ與歸一化頻率V的關(guān)系.插圖為基模有效模場(chǎng)面積Aeff隨纖芯間距Λ的變化Fig.7.(color online)Fiber core power limiting factorΓversus normalized frequencyV.The insert showsAeffof HE11versusΛ.

5 彎曲特性分析

實(shí)際應(yīng)用中光纖的彎曲是不可避免的,故彎曲損耗是光纖的一個(gè)重要特性.外界環(huán)境發(fā)生變化引起光纖的幾何形變,使得光纖的折射率分布發(fā)生改變,影響光纖的傳輸特性,最常見的是導(dǎo)致模式泄漏.因此,在研究各個(gè)模式的有效模場(chǎng)面積受彎曲半徑R的影響時(shí)要考慮模式的泄漏情況.

設(shè)沿紙張橫向向右方向?yàn)閤軸正向,沿紙張縱向向上為y軸正向.當(dāng)光纖沿著x軸正方向向y軸正方向彎曲時(shí),光纖橫截面等效折射率分布可表示為

式中n0(x,y)為光纖初始折射率,n(x,y)為彎曲后的等效折射率,Reff為引入校正因子后的有效彎曲半徑,Reff=1.28R,R為光纖彎曲半徑.

光纖的彎曲損耗α與求得的模式有效折射率的虛部有關(guān)[20]：

式中β=(2π/λ)·neff為模式的傳播常數(shù).

在嚴(yán)格雙模傳輸?shù)臈l件下研究光纖的彎曲半徑R對(duì)各個(gè)模式的彎曲損耗α和有效模場(chǎng)面積Aeff的影響.在包層外側(cè)采用完美匹配層,結(jié)構(gòu)參數(shù)纖芯間距Λ=10.0μm,芯包折射率差Δn=0.0028,纖芯半徑a=3.2μm.當(dāng)外層涂覆折射率為1.50的高折射率材料時(shí),各個(gè)模式的彎曲損耗α和有效模場(chǎng)面積Aeff隨彎曲半徑R的變化分別如圖8(a)和圖8(b)所示.

兩側(cè)空氣孔的引入導(dǎo)致x偏振方向的模式與y偏振方向的模式受到彎曲半徑的影響會(huì)有不同,因此圖8中分別畫出了HE11-x,HE11-y,HE21-x,HE21-y模式下α和Aeff隨彎曲半徑R的變化.從圖8(a)可以看出,HE21-x和HE21-y的損耗在特定的彎曲半徑下有突變,其他情況下均較小,最大損耗約為0.028 dB/m.而HE11-x和HE11-y在特定的彎曲半徑下也有突變,但其最大損耗小于5×10-5dB/m.結(jié)合圖8(b)來(lái)看,彎曲損耗的突變是由于模場(chǎng)泄漏引起的,在突變點(diǎn)模式的有效模場(chǎng)面積也相應(yīng)地突然增大.在某些特定的彎曲半徑下,各個(gè)模式的模場(chǎng)受到類似于摻氟下陷層諧振耦合作用的影響而產(chǎn)生模式的泄漏[25].環(huán)繞空氣孔的作用類似于摻氟層,但是它們之間的空隙并沒(méi)有完全束縛各個(gè)模式的光功率,使得在某些特定的彎曲半徑下模場(chǎng)發(fā)生泄漏.圖8(a)表明基模HE11的彎曲損耗均小于二階模HE21,圖8(b)則表明不同模式對(duì)應(yīng)著不同的諧振彎曲半徑.由于x方向引入了對(duì)稱空氣孔,兩個(gè)模式的彎曲損耗和有效模場(chǎng)面積表現(xiàn)出不同特性.結(jié)合圖8(a)和圖8(b),發(fā)現(xiàn)二階模HE21受到彎曲半徑的影響較大.光場(chǎng)泄漏到包層,使得有效模場(chǎng)面積增大的同時(shí)也會(huì)引起彎曲損耗的增大.為了得到較小的彎曲損耗,選取的彎曲半徑要避開諧振的彎曲半徑范圍.不考慮諧振彎曲半徑的影響,當(dāng)彎曲半徑從0.06 m增大到0.15 m時(shí),HE11-x和HE11-y的彎曲損耗均小于5×10-5dB/m,HE21-x和HE21-y的彎曲損耗均小于0.028 dB/m.隨著彎曲半徑的增大,兩個(gè)模式的彎曲損耗繼續(xù)減小.與此同時(shí),不考慮突變的結(jié)果影響,HE11-x和HE11-y的有效模場(chǎng)面積均約為285.10μm2,HE21-x和HE21-y的有效模場(chǎng)面積均約為285.60μm2,各個(gè)模式的Aeff在圖8(b)上基本重合在一起.此外,可以在合適的彎曲半徑下繼續(xù)增加纖芯之間的距離以得到更大的Aeff.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)(a)彎曲損耗α隨彎曲半徑R的變化曲線;(b)有效模場(chǎng)面積Aeff隨彎曲半徑R的變化曲線Fig.8.(color online)(a)Bending losses of HE11-xand HE11-yversus bending radiusR;(b)effective mode areas of HE11-xand HE11-yversus bending radiusR.

6 結(jié) 論

本文提出了一種具有環(huán)繞空氣孔結(jié)構(gòu)的雙模大模場(chǎng)面積多芯光纖.光纖在外圍呈正六邊形排列的十二芯空氣孔基礎(chǔ)上,在中間七芯光纖的兩側(cè)又引入對(duì)稱的空氣孔結(jié)構(gòu),既能抑制彎曲損耗,又可使二階模式的數(shù)量由原來(lái)的4個(gè)減少為2個(gè),形成嚴(yán)格的雙模傳輸.對(duì)影響模式傳輸特性和各個(gè)模式有效模場(chǎng)面積Aeff的結(jié)構(gòu)參數(shù),芯間距Λ、芯包折射率差Δn和纖芯半徑a,進(jìn)行了深入研究.Δn和a通過(guò)影響歸一化頻率參數(shù)V來(lái)控制Aeff的大小,Λ則是影響各個(gè)纖芯之間的耦合來(lái)對(duì)Aeff施加影響.通過(guò)選取適當(dāng)?shù)膮?shù),在嚴(yán)格雙模傳輸?shù)臈l件下,基模的Aeff最小值約為285.10μm2.在此條件下,當(dāng)彎曲半徑R大于0.06 m時(shí),基模HE11的彎曲損耗小于5×10-5dB/m,二階模HE21的彎曲損耗小于0.028 dB/m,并且隨著彎曲半徑的增大,兩個(gè)模式的彎曲損耗繼續(xù)減小.除去諧振耦合的影響,基模和二階模的有效模場(chǎng)面積Aeff保持在280.00μm2以上,有效模場(chǎng)面積較大.此外,繼續(xù)增加芯間距Λ可以增大Aeff.該結(jié)構(gòu)的光纖可以應(yīng)用于高功率光纖激光器和放大器.

[1]Essiambre R J,Ryf R,Fontaine N K,Randel S 2013IEEE Photonics.J.5 0701307

[2]Winzer P J 2012IEEE Photonics.J.4 647

[3]Winzer P J 2014Nat.Photon.8 345

[4]Sano A,Masuda H,Kobayashi T,Fujiwara M,Horikoshi K,Yoshida E,Miyamoto Y,Matsui M,Mizoguchi M,Yamazaki H,Sakamaki Y,Ishii H 2011J.Lightwave Technol.29 578

[5]Houtsma V,Veen D V,Chow H 2016J.Lightwave Technol.34 2005

[6]Li F,Yu J,Cao Z,Chen M,Zhang J,Li X 2016Opt.Express24 2648

[7]Richardson D J,Fini J M,Nelson L E 2013Nat.Photon.7 354

[8]Li G,Bai N,Zhao N,Xia C 2014Adv.Opt.Photon.6 413

[9]Van Uden R G H,Correa R A,Lopez E A,Huijskens F M,Xia C,Li G,Schülzgen A,Waardt H D,Koonen A M J,Okonkwo C M 2014Nat.Photon.8 865

[10]Saitoh K,Matsuo S 2013J.Nanophotonics.2 441

[11]Sakaguchi J,Puttnam B J,Klaus W,Awaji Y,Wada N,Kanno A,Kawanishi T,Imamura K,Inaba H,Mukasa K,Sugizaki R,Kobayashi T,Watanabe M 2013J.Lightwave Technol.31 554

[12]Sakaguchi J,Klaus W,Mendinueta J M D,Puttnam B J,Luis R S,Awaji Y,Wada N,Hayashi T,Nakanish T,Watanabe T,Kokubun Y,Takahata T,Kobayashi T 2016J.Lightwave Technol.34 93

[13]Kong F,Saitoh K,Mcclane D,Hawkins T,Foy P,Gu G,Dong L 2012Opt.Express20 26363

[14]Li S H,Wang J 2015Opt.Express23 18736

[15]Napierala M,Beres P E,Nasilowski T,Mergo P,Berghmans F,Thienpont H 2012IEEE Photon.Technol.Lett.24 1409

[16]MasahiroK,KunimasaS,KatsuhiroT,ShojiT,Shoichiro M,Munehisa F 2012Opt.Express20 15061

[17]Chen M Y,Li Y R,Zhou J,Zhang Y K 2013J.Lightwave Technol.31 476

[18]Ryf R,Randel S,Gnauck A H,Bolle C,Sierra A,Mumtaz S,Esmaeelpour M,Burrows E C,Essiambre R J,Winzer P J,Peckham D W,McCurdy A H,Lingle R 2012J.Lightwave Technol.30 521

[19]Zheng S W,Ren G B,Lin Z,Jian W,Jian S S 2013Opt.Fiber.Technol.19 419

[20]Lin Z,Ren G B,Zheng S W,Jian S S 2013Opt.Laser.Technol.51 11

[21]Zheng S W,Lin Z,Ren G B,Jian S S 2013Acta Phys.Sin.62 044224(in Chinese)[鄭斯文,林楨,任國(guó)斌,簡(jiǎn)水生2013物理學(xué)報(bào)62 044224]

[22]Lin Z,Zheng S W,Ren G B,Jian S S 2013Acta Phys.Sin.62 064214(in Chinese)[林楨,鄭斯文,任國(guó)斌,簡(jiǎn)水生2013物理學(xué)報(bào)62 064214]

[23]Vogel M M,AbdouA M,Voss A,Graf T 2009Opt.Lett.34 2876

[24]Snyder A W,Love J D 1983Optical Waveguide Theory(London：Chapman and Hall Ltd)p7

[25]Ren G B,Lin Z,Zheng S W,Jian S S 2013Opt.Lett.38 781

PACS:42.81.-i,42.81.Dp,42.81.Qb DOI:10.7498/aps.66.024210

Dual-mode large-mode-area multi-core fiber with circularly arranged airhole cores?

Jin Wen-Xing?Ren Guo-Bin Pei Li Jiang You-Chao Wu Yue Shen Ya Yang Yu-Guang Ren Wen-Hua Jian Shui-Sheng

(Key Laboratory of All Optical Network and Advanced Telecommunication Network of the Ministry of Education,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)
(Institute of Lightwave Technology,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

27 July 2016;revised manuscript

25 October 2016)

Multi-core fiber has aroused considerable interest as one of potential candidates for space division multiplexing that provides an additional freedom degree to increase optical fiber capacity to overcome the transmission bottleneck of current single-mode fiber optical networks.Few-mode fiber is also under intense study as a means to achieve space division multiplexing.We propose a novel dual-mode large-mode-area multi-core fiber(DMLMAMCF),which uses multi-core structure to realize few-mode condition when pursuing large mode-area.The proposed fiber consists of 5 conventional silica-based cores in the center region and 14 air hole cores surrounding the center cores.The outer circle with 12 air hole cores,which function similarly to the fluorine doping region in the bend-insensitive fiber,can mitigate the bending loss when keeping large mode area.The symmetrically distributed two cores on both sides of the center core in central region can reduce the half second-order LP11mode consisting of two degenerate HE11modes,TE01mode,two degenerate HE21modes and TM01mode,thus leading to the remaining four vector modes,i.e.two degenerate HE11modes and two degenerate HE21modes.That is the reason why we call it strict dual-mode.We focus on large-mode-area properties and bending characteristics of the dual-mode.The influence of structural parameters that include corepitchΛ,refractive index difference between core and cladding Δn,and fiber core radiusa,on mode characteristics and mode area of HE11mode and HE21mode is investigated in detail.The results reveal that it is helpful to increase the effective area of fundamental mode when we increase the value of corepitch,reduce the refractive index and fiber core radius.The effective mode area of HE11is about 285.10μm2under the strict dual-mode condition.In addition,the relationship between bending loss and bending radius,and the relationship between effective mode area and bending radius of two modes are both investigated.For the HE11mode,the least bending loss is about 5×10-5dB/m while the least effective mode area with bending radius larger than 0.6 m is about 285.10μm2.The HE21mode is more sensitive to bend effect.The least bending loss is about 0.028 dB/m and the effective mode area is larger than 280.00μm2except for resonant coupling points.Large effective areas of both modes with low bending loss can be realized.Larger effective mode area with larger corepitch,appropriate refractive index difference and fiber core radius can be achieved.This fiber may find its usage in high power fiber lasers and amplifiers.

multi-core fiber,dual-mode characteristic,large mode area,bending loss

:42.81.-i,42.81.Dp,42.81.Qb

10.7498/aps.66.024210

?國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：61525501)和國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：61178008,61275092,61405008)資助的課題.

?通信作者.E-mail：13111011@bjtu.edu.cn

*Project supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China(Grant No.61525501)and the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61178008,61275092,61405008).

?Corresponding author.E-mail：13111011@bjtu.edu.cn