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延少模光纖的有限元分析及設計

發(fā)布于:2024-03-14 22:39
有限元分析

      單模光纖傳輸系統容量始終無(wú)法突破它固有的香農極限。為了使通信系統容量能進(jìn)一步提高,基于少模光纖的模分復用技術(shù)(modedivisionmul-tiplexing,MDM)應運而生。利用少模光纖中有限的正交模式作為獨立信道進(jìn)行信息傳送,以成倍地提升系統傳輸容量。由于少模光纖的模式具有比較大的模場(chǎng)面積,因此其非線(xiàn)性容限也很高,這樣既提高了光傳輸系統的容量,又避免了非線(xiàn)性效應對系統的干擾。理論上,利用MDM技術(shù),少模光纖可以實(shí)現個(gè)獨立的導模的傳輸。適合應用于模分復用系統的高性能的少模光纖的研究與設計目前已成為光纖通信領(lǐng)域的又一研究熱點(diǎn)。
      差分模式時(shí)延(differentialmodedelay,DMD)是評判少模光纖傳輸性能的重要參數。少模光纖中,不同的模式具有不同的有效折射率,導致模式間存在時(shí)延。DMD需要利用多輸入多輸出均衡來(lái)補償,從而增加均衡復雜性。為減小均衡復雜性,方法有兩個(gè):使用具有小DMD的少模光纖和使用具有正負DMD的光纖來(lái)補償DMD。2012年,Grüner-Nielsen等設計了帶有外下陷的漸變式兩模光纖,DMD為0.076psm?1。2013年,文獻設計了一種帶有外下陷的漸變式四模光纖,波長(cháng)在1530nm處三個(gè)高階模的DMD為,文中還分析了多階兩模光纖,DMD低至2.49psm。
      本文設計了兩種少模光纖,即帶有外下陷的漸變式光纖和多階(multi-step-index,MSI)少模光纖。綜合考慮光纖損耗和DMD的大小,通過(guò)合理改變光纖的結構和參數,降低DMD,控制光纖模式數量,使設計出的少模光纖具有更優(yōu)越的差分模式時(shí)延特性。在1530-1570nm的波長(cháng)范圍內,帶有外下陷的漸變式光纖支持四模傳輸,LP11,LP21,LP02模式的DMD的絕對值均小于0。015psmMSI光纖支持兩模傳輸,LP11的差分模式時(shí)延低于0.185psm。與文獻所設計的光纖相比,本文設計的光纖的DMD及其斜率更;兩種光纖結構均比較簡(jiǎn)單,易于拉制。
      本文利用了Comsol有限元分析軟件進(jìn)行少模光纖的特性分析。Comsol軟件可通過(guò)有限元方法精確地計算導模的傳輸特性,可靠地估算模場(chǎng)特性,如有效折射率、場(chǎng)分布、截止波長(cháng)。在有限元方法中,由標量波動(dòng)方程來(lái)分析導模的性質(zhì)。其中,0是真空中的波數,eff是有效折射率,是光纖橫截面的折射率分布。給定光纖結構和折射率參數,根據方程就能惟一確定,從而計算出eff。把研究區域劃分成三角形網(wǎng)格,因為三角形子區間的計算格式是最為簡(jiǎn)單的,三角形元素越小,場(chǎng)域的分割就越細,計算的精度就會(huì )越高。因而在實(shí)際應用中是按精度的要求來(lái)決定場(chǎng)域內各處三角形元素的大小,把求解連續的變分方程問(wèn)題離散化為求解線(xiàn)性方程組,再利用給定的邊界條件就可以解出本征值。本文采用有限元方法研究分析了少模光纖的模式特性,如電場(chǎng)分布、有效折射率及DMD等。
      由于少模光纖中支持的各個(gè)導模在光纖中的傳輸速度不同,傳輸一段距離后各個(gè)模式信道間的光信號會(huì )出現時(shí)延,即產(chǎn)生DMD。LPuv模式的其中,是折射率指標數,1是纖芯半徑,2是纖芯到包層下陷的距離,3是下陷的寬度的,下陷與包層的折射率差。與文獻中的設計不同,本文選擇了較小的,較大的芯徑。下陷部分的設計主要為減小光纖損耗,不作為控制DMD的主要參數變量。


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