CN100553178C - 多模-单模光网络全光纤互联方法及实现该方法的互联器 - Google Patents

Abstract

本发明提出多模—单模光网络全光纤互联方法，它将普通多模光纤和单模光纤上的长周期光纤光栅(LPFG)连接在一起，在接头处、LPFG长的端面纤芯上制作一个和纤芯直径相同的芯模吸收器，来阻挡由多模光纤中的光向单模光纤纤芯传输，而不影响多模光纤中的光向单模光纤包层中传输。光通过时，满足LPFG相位匹配的光经过多模光纤芯模—单模光纤包层模—单模光纤芯模两次转换通过器件，其余的光不能通过，形成一个带通滤波器。本发明保持了现有LPFG滤波器原有的优点，弥补其不足，将其带阻型光谱改变为带通型光谱，实现了真正的长周期光纤光栅带通滤波器；并且同时有单模和多模光纤接口，能够在通带内实现单模—多模光纤网络的低损耗互联。

Description

多模-单模光网络全光纤互联方法及实现该方法的互联器

技术领域

本发明属于光纤无源器件领域与微机电系统(MEMS)技术领域，具体涉及多模-单模光网络全纤互联器。

背景技术

近十年来局域网(LAN)市场迅速发展，短距离的计算机高速互联需求使局域网的数据速率成指数趋势增长：从10Mb/s到1Gb/s到10Gb/s，2006年多模光纤局域网的实验室数据传输速率已经达到1000Gb/s；光纤局域网取代传统的非屏蔽双绞线局域网成为一种必然趋势。但是由于成本高昂，以密集波分复用(DWDM)技术和单模光纤网络为基础的广域网、干线网技术难以在局域网直接推广应用，这燃起了人们对低成本的、基于粗波分复用(CWDM)技术的多模光纤网络的研究兴趣。

高速的多模光纤通信传输距离多在300～1000米，这限制了多模光纤网络的地理尺度；现在的企业、高校等机构的规模越来越大，地理位置越来越分散，对构造尺度在大于1km的大型局域网需求日益增加。通常采用单模光纤网络和多模光纤网络混合组网方案来解决这一问题，也就是采用单模光纤通信链路把多个小规模(小于1km)的多模光纤网络串起来形成大型的局域网.另外，任何一个局域网都必须有一个或多个出口与现有的、以单模光纤网络为基础的广域网甚至是干线网互联，这必然产生多模光纤网络和单模光纤网络的互联问题。

目前常用光电模式转换器来实现这两种网络的互联。这种模式转换器通常有多模和单模两种光纤的接口，工作方式和传统的光电中继机类似，采用的是光→电→光转换的原理.如图1所示，先把多模光纤1-1连接到模式转换器1-3的多模光纤接口1-2上，然后通过接收器1-4把光信号转换为电信号送入控制电路1-5中，控制电路1-5把电信号处理以后变换成驱动信号，驱动激光二极管1-6发光，并经过单模光纤接口1-7耦合到单模光纤1-8中，实现多模-单模转换。反之，单模光纤1-8的光信号则通过单模光纤接口1-7进入接收器1-9中，并转换为电信号送入控制电路1-5中，控制电路1-5把电信号处理以后变换成驱动信号，驱动激光二极管1-10发光，然后经过多模光纤接口1-2耦合到单模光纤1-1中，实现单模-多模转换。通常，局域网到广域网的出口或局域网与局域网之间的链路是整个局域网中通信负载最重的线路，对传输速率有很高的要求，不可避免的会用到波分复用的技术。而现有的光电模式转换器的数据传输速率大多数在1Gb/s，仅仅起到了一个简单的传输线路转换作用，没有做到真正的全光纤互联，更不要说实现波分复用了。

因此，对于高速的光纤局域网而言，多模-单模光纤网络互联技术已经成为整个局域网的速度瓶颈，严重制约了高速局域网技术的发展。市场迫切需要一种能连接多模-单模光纤网络并实现波分复用全光纤互联器，以取代低速的光电模式转换器。

设计多模-单模光纤网络全光纤互联器，有两个主要问题：其一是单模和多模光纤的连接耦合效率低的问题；其二目前还没有一种能够满足CWDM要求的多模光纤带通滤波器。

上述第一个问题主要是由两种光纤纤芯直径不同的造成的，单模光纤的纤芯为9微米而多模光纤纤芯为62.5微米，两种光纤对接好后，光从单模光纤耦合到多模光纤时，实际上是从小纤芯传输到大纤芯，单模光纤中的光几乎全部被多模光纤接收，耦合效率很高.而光从多模光纤耦合到单模光纤时，则是大纤芯传输到小纤芯，除了多模光纤中心9微米部分的光能够传到单模光纤纤芯中以外，其他的大部分光都进入单模光纤的包层，并在逐渐传输过程中衰辐射出光纤消失了，因而耦合效率极低。国内外常用光纤锥解决这一问题，如图2所示，在多模光纤2-1的前端制作一个光纤锥2-3，光纤锥的大端直径为125微米，小端直径为9微米，多模光纤2-1中传输芯模2-2在光纤锥2-3中被光纤锥端面约束而逐渐汇聚到小端，并最后耦合到单模光纤2-5中，形成单模光纤芯模2-4。光纤锥为一个非标准器件，它的小端直径通常只有10多个微米，与标准的单模光纤的连接对准、以及保护有一定的困难.另外，并不是所有的光都能够被锥面反射约束，入射角度较大的光(即高阶的模式)可能射出锥面，造成能量损失，所以这种器件的能量耦合效率一般在60％～70％左右。至今，多模-单模光纤的连接问题实际上并没有得到很好解决。

全光纤带通滤波器的问题，实际上也是光通信中的一个研究热点问题。光纤带通滤波器是一种具有波长选择能力的器件，它的作用是将某个特定波长范围的光分离出来、透过，而阻挡其他波长的光通过，它是光纤通信中实现波分复用的一个重要光纤无源器件。

周期在微米数量级的光纤光栅称为光纤布拉格光栅(简称FBG)，这是目前光通信领域最常用的光纤滤波器。其工作原理是“纤芯中正向传输的芯模和背向传输的芯模之间的耦合”。如图3a所示，在光纤纤芯3-1中正向传播的芯模3-2在光栅区域3-3处与背向传输的芯模3-4发生模式耦合，传播常数满足相位匹配条件

λ_FBG＝2n_core(λ)Λ           (1)

的光从正向传播的芯模3-2耦合到背向传播的芯模3-4中形成反射光3-4；式中λ_FBG为满足相位匹配条件的反射波长(有时也叫布拉格波长)，Λ为FBG光栅区域的折射率变化的周期(光栅周期)，n_core(λ)为纤芯等效折射率；其余的光仍然在正向传播的芯模3-5中传输，这样FBG的透射光谱是带阻滤波器(参见图3b)、反射光谱是带通滤波器(参加图3c)。图3b，3c的横坐标是波长单位是nm，纵坐标是透过率单位是dB。

在光通信的波分复用系统中使用时，这种光纤滤波器有几个原理性的缺点：首先，用作带阻滤波器时，其反射光太强，容易给系统带来干扰，特别是影响光通信线路中激光器的工作；其次，用作带通滤波器时，必须配合光纤耦合器(或成为2x2分束器)使用，光将两次进出光纤耦合器，而被分割两次，强度衰减4倍(6dB)，这大大提高了对通信线路中光强的要求，并增加了系统结构的复杂性；最后，由于FBG的原理为正向传播芯模与反向传播芯模耦合，布拉格波长只和纤芯折射率和光栅周期有关，因此这种光纤光栅非常稳定，不容易受外界影响，用作滤波器很难实现工作波长的调谐。因而，尽管FBG在光通信中得到了很好应用，业内仍在继续研究，寻找一种更好的光纤滤波器。

周期在几百微米量级的光纤光栅称为长周期光纤光栅(简称LPFG).它是上世纪九十年代末发展起来的一种新型光纤无源器件。LPFG的机理是在光纤纤芯正向传输芯模和相同传输方向的包层模之间的耦合；如图4a所示，在光纤纤芯4-1中正向传输的芯模4-4，在光栅区域4-3与包层4-2中的包层模4-5耦合。通常情况下，光栅区域引入的周期性折射率变化幅值非常小，此时芯模4-4中传播常数满足相位匹配条件

λ_LPG＝(n_core(λ)-n_clad(λ))Λ        (2)

的波长光能量将从纤芯芯模耦合到包层模4-5中；式中λ_LPFG为LPFG的芯模4-4向包层模4-5耦合的波长，Λ为LPFG光栅区域的折射率变化的周期(光栅周期)，n_core(λ)为纤芯等效折射率，n_clad(λ)为包层等效折射率。其余的光则仍然在纤芯芯模中传输，形成一个透射型带阻滤波器，见图4b，图4b的横坐标是波长单位是nm，纵坐标是LPFG透过率单位是dB。

LPFG克服了FBG的原理性缺点，具有如下突出优点：

(1)透射光谱对包层模式的等效折射率的变化极为敏感，而包层在光纤外表，很容易改变折射率，这使它具有非常好的调谐性能；(2)LPFG的反射光非常弱，不会对光通系统造成干扰。这两个优点使LPFG成为目前光纤无源器件研究领域的一个热点，成为最有前景的带通滤波器候选技术。

然而，尽管LPFG具有上述优点，它的透射光谱仍然是带阻型；其光谱特征与光纤通信波分复用中要求带通特征正好完全相反，因此并不能直接在波分复用中使用。另外，多模光纤纤芯大，其中传输的模式数量众多，芯模和包层模耦合作用非常复杂，不可能在上面制作出性能达标的LPFG滤波器.因此在多模光纤线路上实现带通滤波成为一个难题；而在多模-单模光纤混合线路上实现带通滤波的问题更是难上加难.这使得学术界和产业界共同关心多模-单模光网络的全光纤互联成为一个无法实现设想。

发明内容

本发明的目的正是为了解决多模-单模光网络的全光纤互联中的关键技术难题而提出的一种能在多模-单模光纤混合线路上同时实现带通滤波和多模/单模光纤高效率耦合的多模-单模光网络全光纤互联方法，并提出实现该方法的多模-单模光网络全纤互联器。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：

本发明提出多模-单模光网络全光纤互联方法，该方法是将普通多模光纤和一个制作在单模光纤上的长周期光纤光栅连接在一起，在两种光纤接头处、长周期光纤光栅的端面纤芯位置制作一个和单模光纤纤芯直径相同的芯模吸收器，通过该芯模吸收器来阻挡由多模光纤中的光向单模光纤纤芯传输，而不影响多模光纤中的光向单模光纤包层中耦合。多模光纤中的光经过多模-单模界面向单模光纤中耦合时，因为芯模吸收器吸收、阻挡，光无法进入单模光纤的纤芯，决大部分的光能量则通过多模-单模界面耦合到单模光纤的包层模中，并以包层模的形式继续传输。包层模达到长周期光纤光栅的光栅区域时发生耦合作用，包层模中满足相位匹配条件的光向纤芯芯模逆向耦合，绝大部分能量回到长周期光纤光栅的芯模中，最后由长周期光纤光栅的后端面输出，不满足相位匹配条件的光则继续在包层模传输、并逐渐辐射出光纤消失，形成一个带通滤波器。反过来，光从单模光纤向多模光纤耦合时，单模光纤纤芯中的光被芯模吸收器挡住不能通过，而LPFG带宽范围内(满足相位匹配条件)的光却能耦合到单模光纤的包层中并经过单/多模界面进入多模光纤纤芯中，仍然形成一个带通滤波器。

采用这种方法，多模-单模光纤的能量传递不是通过纤芯进行，而是通过包层模进行，多模光纤芯模向单模光纤包层模的转换效率很高(理论值可以达到97.8％)。而单模光纤包层模向单模光纤芯模转换则由长周期光纤光栅完成，由于长周期光纤光栅的耦合强度可以达到30dB以上，因此波长满足相位匹配条件光能量99％以上能转换到单模芯模中，这样可以实现多模光纤芯模-单模光纤包层模-单模光纤芯模的高效耦合，解决了多模-单模光纤的连接耦合的问题。同时，波长不满足相位匹配的光则不能转换到单模光纤芯模中，因而不能通过，形成一个带通滤波器。这种多模-单模光网络全纤互联器保持了LPFG无背向反射和调谐性能好的优点，实现了带通滤波的同时，具有多模光纤和单模光纤两种接口，能在通带范围内实现多模-单模光纤的低损耗连接。

为了实现上述方法，本发明设计了一种多模-单模光网络全纤互联器，它具有一段多模光纤和一个制作在单模光纤上的长周期光纤光栅，长周期光纤光栅具有纤芯、包层和光栅区域，在长周期光纤光栅和多模光纤接头处端面纤芯位置制作有一个芯模吸收器，芯模吸收器与单模光纤纤芯直径相同。

本发明在长周期光纤光栅端面制作的一个芯模吸收器，主要作用是阻挡多模光纤芯模和单模光纤芯模直接耦合，而对包层模没有影响，如果阻挡了包层模，则无法在长周期光纤光栅的光栅区域时实现包层模向芯模的逆向耦合，而达不到本发明设计的目的。因此纤芯末端的芯模吸收器应当是在单模光纤纤芯末端制作的直径和纤芯相同的吸收面，本发明选用金属钛化钨镀层、金属钨做芯模吸收器。

为了保证多模光纤芯模和单模光纤包层模的模场匹配，需要控制单模光纤内的包层模模场直径，如果单模光纤包层模模场直径大于多模光纤芯模模场直径，光从单模光纤包层向多模光纤芯模耦合时会引起较大的损耗。为了满足这一匹配，需要根据多模光纤和单模光纤的参数和其工作波长精确设计和控制长周期光纤光栅的周期和折射率调制度。以普通芯径62.5微米多模光纤、SM-28光纤单模光纤、工作波长1550nm为例，其光栅的周期应该在441微米~443微米之间，折射率调制度控制在0.05％~0.1％之间。本发明也适用与其他芯径的多模光纤和其他的工作波长，但长周期光纤光栅的周期等参数需要根据多模光纤的芯径和工作波长调整。

本发明有如下优点：

1)利用一个器件在多模-单模光纤混合线路上实现带通滤波，将其带阻型光谱改变为带通型光谱，将其两个单模光纤接口改成了一个单模光纤接口一个多模光纤接口，真正实现了多模-单模光纤混合线路的带通滤波和通带内的低损耗互联；

2)结构简洁，不改变原有LPFG制作工艺，不改变LPFG的结构，不增大器件几何尺寸；

3)芯模吸收层(吸收器)性能稳定，适用波长范围广；

4)保持了现有LPFG滤波器的无背向反射、调谐性能好的优点，弥补其不足；

5)可以采用成熟的MEMS工艺，制作精度有保障、制作成品率高，容易上批量，制作成本低。

本发明为多模-单模光网络的全光纤互联提供了一种比较有效的解决方案。

附图说明

图1是现有光电模式转换器的原理示意图

图2是利用光纤锥实现多模-单模光纤连接示意图

图3是光纤布拉格光栅：其中3a是原理示意图，3b是透射光谱示意图，3c是反射光谱示意图

图4是普通长周期光纤光栅：其中图4a是原理示意图，图4b是透射光谱图

图5是本发明的一种实施方案的示意图：其中图5a是多模光纤→单模光纤传输方向原理示意图，其中图5b是单模光纤→多模光纤传输方向原理示意图，图5c是透射光谱图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述：

参见图5a，多模-单模光网络全纤互联器包括多模光纤5-2和单模光纤5-7，在单模光纤5-7上制作有一个长周期光纤光栅5-5，在长周期光纤光栅5-5的前端面的单模光纤纤芯5-9末端制作有一金属钛化钨镀层作为芯模吸收器5-3，芯模吸收器5-3的直径为9微米，与单模光纤纤芯5-9直径相同，本芯模吸收器可采用微机电系统(MEMS)和微纳米制造技术中的光刻和镀膜技术制造，具体步骤如下：

1)制作长周期光纤光栅；

2)把它的后端曲处理成镜曲；

3)用专用清洗液处理端面；

4)在光纤端面涂覆一层光刻胶；

5)利用专用模板把该端面遮挡，只在纤芯部分留下一个圆孔，利用紫外光对这个遮挡好的端面进行曝光；

6)然后把曝光后的LPFG放入显影液中，把曝光部分光刻胶去掉；

7)在光纤端面镀上上吸收镀层，其中纤芯部分直接镀上吸收镀层，其余部分镀层则覆盖在光刻胶上；

8)利用光刻胶去除溶液清洗掉剩余光刻胶，同时也将覆盖在胶上的镀层去掉；这样就形成了在纤芯部分的芯模吸收层，这就是本发明设计的芯模吸收器。

把这个镀好芯模吸收器的长周期光纤光栅和多模光纤5-2连接起来，即可得到本发明的多模-单模光网络全纤互联器。它由纤芯5-1为62.5微米的多模光纤5-2、纤芯5-9为9微米的单模光纤5-7、制作在单模光纤5-7上的长周期光纤光栅5-5、长周期光纤光栅前端面的芯模吸收器5-3等组成。因为包层模的有效传输距离很短，所以制作时需要保证多模光纤5-2和单模光纤5-7的接头离长周期光纤光栅5-5的光栅区域的距离小于4厘米，即芯模吸收器5-3和光栅区域的距离小于4cm。另外，长周期光纤光栅的周期和折射率调制度要精确设计和制作，以保证多模光纤的芯模5-4和单模光纤的包层模5-6的模场直径匹配，减小耦合损耗。

光信号通过本多模-单模光网络全纤互联器时有两种方向：多模光纤→单模光纤传输方向和单模光纤→多模光纤传输方向，下面分别结合附图5a，5b描述着两种工作情况。

参见图5a，光由多模光纤向单模光纤传输时，首先在多模光纤5-2的纤芯5-1中激励器多模光纤芯模5-4，在多模光纤5-1和单模光纤5-7的界面处，多模光纤芯模5-4中心区域被芯模吸收器5-3阻挡，无法直接进入单模光纤5-7的纤芯5-9，多模光纤芯模5-4的其他部分则直接进入单模光纤5-7的包层中激励起包层模5-6；包层模5-6传输到长周期光纤光栅5-5区域时，符合长周期光纤光栅相位匹配条件的光向纤芯芯模5-8逆向耦合，进入单模光纤纤芯5-9形成单模光纤芯模5-8，最后由长周期光纤光栅的后端面输出；不满足相位匹配条件的光则继续在包层模5-6传输、并逐渐辐射出光纤消失；这样只有满足长周期光纤光栅相位匹配条件的光通过多模光纤芯模→单模光纤包层模→单模光纤芯模的形式通过本器件，形成带通滤波器。

参见图5b，光由单模光纤向多模光纤传输时，首先在单模光纤5-7的纤芯5-9中激励器单模光纤芯模5-8，单模光纤芯模5-8传输到长周期光纤光栅区域5-5时，满足长周期光纤光栅相位匹配条件的光向单模光纤包层模5-6耦合，经过长周期光纤光栅区域5-5以后，光分作包层模5-6和芯模5-8两部分传输；其中芯模5-8在多模光纤5-1和单模光纤5-7的界面处，被芯模吸收器5-3阻挡吸收转换成其他形式能量(热能)消耗无法直接进多模光纤中，单模光纤包层模5-6则直接由多模-多模光纤界面进入多模光纤5-2中，转换成多模光纤芯模5-4，并由多模光纤末端输出。这样只有满足长周期光纤光栅相位匹配条件的光通过单模光纤芯模→单模光纤包层模→多模光纤芯模的形式通过本器件，形成带通滤波器。向纤芯芯模2-10逆向耦合，进入单模光纤纤芯5-9形成单模光纤芯模，最后由长周期光纤光栅的后端面输出；不满足相位匹配条件的光则继续在包层模5-6传输、并逐渐辐射出光纤消失，形成一个带通滤波器。

光信号从两个方向通过本多模-单模光网络全纤互联器均能形成达到带通滤波的效果，输出和常规长周期光纤光栅完全不同的透射型带通滤波光谱(见图5c)。另外，由于采取了限制了包层模传输长度(小于4cm)和保证多模光纤芯模和单模光纤包层模的模场匹配(控制长周期光纤光栅只和模场小于62.5微米的包层模耦合)等措施，加上长周期光纤光栅的耦合强度可以达到30db以上，光在多模光纤芯模→单模光纤包层模→单模光纤芯模和单模光纤芯模→单模光纤包层模→多模光纤芯模两个方向上均有很高的耦合效率，在通带范围内实现多模-单模光纤的高效耦合，解决了多模-单模光纤的连接耦合的问题。这种多模-单模光网络全纤互联器保持了LPFG滤波器无背向反射和调谐性能好优点、实现了带通滤波，又克服了常规光纤滤波器只能连接一种光纤的问题，同时具有多模和单模光纤的接口，能在滤波器通带范围内实现多模-单模光纤的低损耗连接，能够满足多模-单模光网络全光纤互联的要求。

尽管本发明主要针对光通信/波分复用领域中用到的多模-单模光网络全光纤互联器而设计，然而本发明的应用并不限于光通信领域，可以推广到其他需要同时低损耗连接多模-单模光纤并实现带通滤波的领域。另外，尽管本发明实施方式中采用MEMS的工艺，在长周期光纤光栅的后端面镀钛化钨制作芯模吸收器，但仍然可以利用其它材料制作芯模吸收器，甚至采用其他类型的芯模吸收器，从而实现本发明而不背离权利要求书中所定义的本发明实质和范围。

Claims (5)

1、多模-单模光网络全光纤互联方法，该方法将多模光纤和一个具有长周期光纤光栅的单模光纤连接在一起，在两种光纤接头处、单模光纤端面纤芯位置制作一个单模光纤芯模吸收器，用于阻挡由多模光纤中的光向单模光纤纤芯传输，而不影响光向单模光纤包层中传输，在两个方向上实现了全光纤带通滤波，同时具有多模光纤和单模光纤两种接口，实现多模-单模光网络互联；

光由多模光纤入射时，首先激励起多模光纤芯模，并经过多模一单模界面向单模光纤耦合，多模光纤芯模中心部分被芯模吸收器阻挡、吸收，无法进入单模光纤的纤芯，而其余部分的光能量则通过多模-单模界面耦合到单模光纤的包层模中，并以包层模的形式继续传输，包层模中满足相位匹配条件的光向长周期光纤光栅芯模逆向耦合，能量回到长周期光纤光栅的芯模中，最后由长周期光纤光栅的后端面输出；不满足相位匹配条件的光则继续在包层模传输、并逐渐辐射出光纤消失，形成一个带通滤波器；

反过来，光从单模光纤入射时，首先在单模光纤中激励起单模光纤芯模，其中满足长周期光纤光栅相位匹配条件的光耦合到单模光纤包层模中，其余光仍然在单模光纤芯模中传输，在多模-单模光纤界面处，单模光纤的芯模被芯模吸收器阻挡吸收转换成其他形式能量消耗，单模光纤包层模则由多模-多模光纤界面进入多模光纤转换成多模光纤芯模，并由多模光纤末端输出，形成一个带通滤波器。

2、实现上述方法的多模-单模光网络全光纤互联器，其特征在于：它由一段多模光纤(5-2)和一段单模光纤(5-7)连接构成；其中，单模光纤上刻制有一个长周期光纤光栅(5-5)；在单模光纤纤芯(5-9)的端面上制作一个芯模吸收器(5-3)，芯模吸收器(5-3)与单模光纤纤芯(5-9)的直径相同，互联器具有多模光纤和单模光纤两种接口。

3、根据权利要求2所述的多模-单模光网络全光纤互联器，其特征在于：芯模吸收器(5-3)到长周期光纤光栅(5-5)的光栅区域的距离小于4厘米。

4、根据权利要求2所述的多模-单模光网络全光纤互联器，其特征在于：芯模吸收器(5-3)为一个金属钛化钨或金属钨镀层。

5、根据权利要求2所述的多模-单模光网络全光纤互联器，其特征在于：多模光纤(5-2)鞠纤芯(5-1)为62.5微米，单模光纤(5-7)的纤芯(5-9)为9微米，长周期光纤光栅(5-5)的周期为441-443微米。

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