CN103698842B - 一种光纤模式插分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤模式插分复用器，该插分复用器为一种多芯光纤，纤芯包括两个主体纤芯、若干辅助纤芯，其中所有纤芯的中心连线成一直线，辅助纤芯位于两个主体纤芯之间，所有相邻辅助纤芯的中心距离相同，所述辅助纤芯为单模光纤。待分离的多个复用模式从一个主体纤芯输入，其中一个模式从另一主体纤芯输出，其余模式仍从原主体纤芯输出。本发明通过引入辅助纤芯与主体纤芯特定模式的耦合，增大了不同模式之间的耦合长度差别，实现模式的有效分离，并有效抑制模式之间的混扰，可实现对少模光纤中传输的多个模式进行选择性地提取或插入特定模式的功能。

Description

一种光纤模式插分复用器

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体分为具有实现光纤中模式的插入与分离功能的模式插分复用器。

背景技术

光纤中的信号传输可通过多种方法提高单路光纤的信息传输容量，如时分复用、波分复用等技术。近年来，采用多芯光纤或多模光纤，通过不同的纤芯或同一光纤中不同的模式来实现传输不同信息的方法，即所谓的空分复用技术，引起了人们广泛的兴趣。空分复用系统中，每路信号载荷着不同的信息，且每路信号均可经时分复用、波分复用实现大容量通信。因此，模分复用可以成倍地提高光纤的传输容量。

在波分复用系统中，需要在发送端将不同波长的信号光合成，也需要在接收端将不同波长的信号光分离。特别地，在全光网络中，需要实现下载通道中的通往本地的信号，同时上载本地用户发往另一节点用户的信号的光器件，即光插分复用器。光插分复用器使光纤通信网具有灵活性、选择性和透明性等优越功能。利用光插分复用器还能提高网络的可靠性,降低节点成本,提高网络运行效率，因此是组建全光网的关键技术之一。同样的，基于模式复用的空分复用系统（亦称模分复用系统）中，既需要将不同模式的信号光合成到一根光纤，也需要在接收端将不同的模式的信号光进行有效的分离。即在发送端需要模式合束器，而在接收端需要模式分离器。进一步地，为了实现信号的上传和下载，还需要有选择性地在信道中插入一路信号（模式），以及有选择性地从信道中提取一路信号（模式），即在模分复用系统中需要具有插入（上传）和分离（下载）模式功能的模式插分复用器。采用分立元件，如光栅可以实现模式的分离与合成，但增加了系统的复杂性，而且只能通过分离→提取单路信号→合成的方法实现插入信号的目的。由于环节多，相应的对信号的损耗也增大。基于光纤结构的模式分离器的最简单例子是采用对称结构的双芯光纤耦合器，利用不同模式耦合长度的不同，通过选择合适的参数就可以实现模式分离的目的。然而，对于传输两个以上模式的情形，双芯耦合器无法实现有选择性的分离模式。基于单模光纤与少模光纤耦合的双芯光纤同样也可作为模式分离器使用，但难以避免不同模式之间的耦合【Opt.FiberTechnol.,2011,17(5):490-494】。采用多芯光纤可以实现多种模式的复用与分离，其缺点是采用了由4个介质柱组成的纤芯，其模场变形比较严重【Opt.Express,2010,18(5):4709-4716】，且这种器件仍属于模式复用/解复用器而非模式插分复用器。采用波导结构，也可实现模式插分复用，但结构相对复杂【Opt.Express,2013,21(15):17904-17911，Opt.Express,2013,21(17):20220-20229】。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种具有宽带工作特性且能够实现选择性插入或分离特定模式的光纤模式插分复用器。

本发明的技术方案为：一种光纤模式插分复用器，由多芯光纤组成，所述多芯光纤的纤芯由两个主体纤芯、若干辅助纤芯组成，所述主体纤芯和辅助纤芯的中心在一条直线上，所述辅助纤芯位于两个主体纤芯之间，且相邻辅助纤芯的中心距离相同；所述两个主体纤芯的折射率分布、纤芯直径相同，所述主体纤芯归一化频率V ₁满足V ₁>3.832，，其中a ₁为主体纤芯的半径，λ为工作波长，n _core1为主体纤芯的折射率，n _clad为包层折射率；所述辅助纤芯的折射率分布、纤芯直径相同，所述辅助纤芯归一化频率V ₂满足其中，a ₂为辅助纤芯的半径，n _core2为辅助纤芯的折射率；所述辅助纤芯为单模光纤，所述辅助纤芯的数量N满足N≥2。待分离的多个复用模式从一个主体纤芯输入，其中一个模式从另一主体纤芯输出，其余模式仍从原主体纤芯输出。

作为本发明的进一步改进，所述辅助纤芯的基模有效折射率n_eff0与所述主体纤芯中待分离的模式的有效折射率n_eff1之差满足|n_eff0-n_eff1|<0.001。

所述主体纤芯的待分离模式与相邻所述辅助纤芯的基模之间的耦合长度为L₁，两相邻所述辅助纤芯的基模之间的耦合长度为L₂，则L₁和L₂之间应满足：|L₁-L₂|/(L₁+L₂)<0.15。

本发明的技术效果为：采用简单的光纤结构，实现对高阶模的强选择性耦合，实现分离特定模式的目的。通过引入辅助纤芯，增加选择性耦合的效果，并有效增强拟分离或合成模式的耦合效率，减小其耦合长度，从而增大其它模式与该模式的耦合长度差别，实现高效、低串扰的耦合。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的横截面示意图；

图2为由两主体纤芯组成的双芯光纤结构中，光从一侧纤芯输入时，另一侧纤芯中不同模式沿传播方向的能量变化曲线；

图3为图1所示的光纤中两主体纤芯中LP₁₁模的能量变化曲线，其中辅助纤芯的基模与主体纤芯的LP₁₁模匹配。光从左侧主体纤芯输入。主体纤芯与辅助纤芯的中心距离为：(a)17μm，(b)18μm。

图4为图1所示结构用于分离LP₁₁模时的结果。其中，光从左侧主体纤芯输入，图中给出两主体纤芯的输出能量随波长变化曲线。其中，(a)输入为LP₁₁模，(b)输入为LP₀₂模；

图5为本发明的另一种实施例的横截面示意图；

图6为图5所示结构用于分离LP₀₂模时，两主体纤芯中输出能量随波长变化曲线，光从左侧主体纤芯输入，其中：(a)右侧主体纤芯输出能量曲线，(b)左侧主体纤芯输出能量曲线；

其中，1为基质材料，2为主体纤芯，3为辅助纤芯。

具体实施方式

图1所示为本发明光纤的横截面示意。将包含多个模式的复用光从一个主体纤芯输入后，与辅助纤芯的基模有效折射率匹配的模式将通过辅助纤芯的耦合，被转移到另一个主体纤芯输出，而其它模式从原主体纤芯输出。

若辅助纤芯不存在，则此时为对称的双芯光纤，基模与高阶模都能够发生耦合，且一般模式阶次越高，其耦合长度越短。图2给出双芯光纤中不同模式沿传播方向的能量变化曲线。由图可见，光纤基模耦合长度最长，而模式阶次越高，其耦合长度越短，如LP₀₂模的耦合长度长于LP₁₁模。阶次高的模式更容易耦合，因此耦合长度更短的原因是：阶次越高的模式其模场分布越向包层扩展，由光纤理论，模式之间的重叠区域越大，其耦合系数越大，因此，其耦合长度也就越短。

辅助纤芯应满足单模传输条件。这是因为若辅助纤芯可以传输高阶模，则辅助纤芯的高阶模容易与主体纤芯的模式发生耦合，从而导致不需要分离的模式也被耦合到辅助纤芯或从另一主体纤芯（下载端）输出，增大了模式损耗和串扰。

如前所述，模式插分复用器可分离主体纤芯中传输的其中一个模式，此模式即为待分离模式。则为了实现分离这个模式，要求其它模式的耦合长度都应足够长，从而取光纤长度为待分离模式的耦合长度，即可实现将这个模式耦合到另一主体纤芯，而其它模式仍保留在原主体纤芯的目的。为此，要求辅助纤芯的基模有效折射率n_eff0与主体纤芯中待分离模式的有效折射率n_eff1之差满足|n_eff0-n_eff1|<0.001。从而由耦合理论，两种模式可以形成有效的耦合。其耦合长度可由下式得到，其中，分别为由主体纤芯和辅助纤芯形成的两个超模的传播常数。由光纤耦合理论，纤芯之间距离越大，则模式耦合长度越长。即由两个主体纤芯组成的双芯光纤，增大时纤芯距离即可使在其中传输的所有模式的耦合长度都足够长。在此基础上，在主体纤芯之间引入辅助纤芯，可减少待分离（下载）模式的耦合长度。引入的辅助纤芯其基模模式折射率与主体纤芯待分离（下载）模式的折射率需匹配。由于模式间重叠区域明显增加，耦合系数增大，主体纤芯待分离模式与辅助纤芯的基模的耦合长度将比原来仅由两个主体纤芯组成的双芯光纤中待分离模式的耦合长度小，此时辅助纤芯对此特定模式起到了桥梁的作用，增强了模式的耦合。即便此时待分离模式需要先经与辅助纤芯耦合，再耦合至另一主体纤芯，从而实现分离的目的，此时其耦合长度仍可明显减小。

如图3所示，当辅助纤芯的基模有效折射率与两侧纤芯的LP₁₁模的有效折射率匹配时，LP₁₁模的耦合长度很短。同时，其它模式的耦合长度基本保持不变。其原因是辅助纤芯的基模与其它模式的折射率不匹配，因此辅助纤芯的引入对其它模式影响较小。因此，取光纤长度为LP₁₁模的耦合长度时，就可以实现将LP₁₁模从右侧纤芯输出的目的。

若待分离模式并非主体纤芯中传输的最高阶模式，即由两个主体纤芯组成的双芯光纤中，待分离模式的耦合长度并非最短。当原双芯光纤中这个模式的耦合长度较长时，为有效减小其耦合长度，使其耦合长度比其它模式的耦合长度都小很多，首先应增大主体纤芯之间的距离。此时所有模式的耦合长度都增大。而为了减小待分离模式的耦合长度，此时可通过引入多个辅助纤芯，增强其耦合，有效减小其耦合长度。为此，辅助光纤数量N应满足N≥2。

纤芯之间的距离会影响到模式的转换效率和工作带宽。研究结果表明：理想的纤芯距离应满足两相邻纤芯组成的双芯光纤的耦合长度相等或相近。即若由主体纤芯和辅助纤芯组成双芯光纤，设其主体纤芯中待分离模式与辅助纤芯中的基模的耦合长度为L₁；同样，由两个辅助纤芯组成的双芯光纤的基模之间的耦合长度为L₂。则理想情况下两者之间应有L₁=L₂。此时光纤可等效为纤芯距离相同的辅助纤芯组成的多芯光纤结构。即纤芯之间的距离选择应满足上述耦合长度的要求。为此要求耦合长度之间满足：|L₁-L₂|/(L₁+L₂)<0.15。

图3(a)和(b)分别给出耦合长度L₁和L₂相近和相差较大时的能量耦合曲线。其中图3(a)对应的L₁和L₂分别为2.1mm和2mm。而图3(b)对应的L₁和L₂分别为1.1mm和2mm。由图可见，当L₁和L₂相近时，转移到另一主体纤芯的最大能量高，且在原主体纤芯中的能量低。因此，L₁和L₂相近时，模式分离彻底。

由于辅助纤芯的存在，即使待分离模式能量未能完全转移到另一主体纤芯，其能量也将存在于辅助纤芯中，从而保证在原主体纤芯中，待分离模式能量很低，不会对后续插入的模式信号产生干扰。同样，即使其它模式也会被耦合到辅助纤芯，其耦合到另一主体纤芯的能量仍然很少，保证了待分离模式的纯净。

图4给出左侧纤芯与右侧纤芯中的输出能量曲线，其中光从左侧纤芯输入。从图中可见，LP₁₁模可被有效耦合到右侧纤芯，且具有较宽的带宽。而在左侧纤芯中输出的LP₁₁模很少。由于LP₀₂模耦合长度很长，因此，LP₀₂模仍从左侧纤芯输出，虽然会有少量的能量耦合损耗，但其能量是被转移到了辅助纤芯，因此，从左侧纤芯输出的LP₀₂模能量很少。由于LP₀₁模与LP₁₁模的有效折射率差别更大，因此两侧纤芯中的LP₀₁模更难发生耦合。

本发明光纤能够实现对模式的选择性插入与分离，因此，做为传输光纤，至少应能够传输三个以上的模式，即应能够传输LP₀₂模，则根据光纤模式理论，应有其归一化频率V>3.832。

为实现有效的模式耦合，辅助纤芯的基模有效折射率n_eff0与主体纤芯中待分离的模式的有效折射率n_eff1之差满足|n_eff0-n_eff1|<0.001。

分离信号时，被分离模式仍有可能少量存在于左侧纤芯中，此时，可以通过再次连接一个模式复用器，对此模式进行进一步的分离，减少在原信道中的此模式的能量。避免原有模式能量对再次插入的同样模式信号的干扰。

显然，本发明光纤同样可以实现选择性插入特定模式的功能。例如，将不包含该模式的信号光从左侧主体纤芯输入，需要插入的模式从右侧主体纤芯输入，则经辅助纤芯的耦合，待插入信号会耦合到左侧主体纤芯。

以下结合附图说明本发明的优选实施例。

实施例一：

本实施例实现LP₁₁模与LP₀₁模、LP₀₂模、LP₂₁模之间的分离。光纤结构如图1所示。光纤基质材料1为纯石英，主体纤芯的半径为5.5μm，纤芯与包层的折射率差为0.015。辅助纤芯的半径为1.95μm，纤芯与包层的折射率差为0.021。主体纤芯与相邻辅助纤芯的中心距离为10.5μm，相邻辅助纤芯之间的距离为7.5μm。光纤长度取为4.5mm。光从左侧主体纤芯输入时，可实现LP₁₁模从右侧主体纤芯输出，而其它模式从左侧主体纤芯输出。其耦合长度曲线如图3(a)所示。纤芯输出的不同模式的能量如图4所示。由于LP₀₁模与LP₀₂模的有效折射率差别很大，主体纤芯距离很远，两主体纤芯中的LP₀₁模在所选光纤长度下，不会发生明显耦合，其相应耦合结果未在图中给出。由图4可见，在1.525-1.595μm波长范围内，右侧主体纤芯输出的LP₁₁模能量输出都大于-1dB，具有低的损耗，而在此波长范围内，从右侧主体纤芯输出的LP₀₂模的能量均低于-30dB，因此，右侧纤芯可输出具有低串扰的LP₁₁模。同时，从左侧主体纤芯输出的LP₀₂模的能量输出都大于-0.5dB，而从左侧主体纤芯输出的LP₁₁模的能量输出都低于-18.5dB，即残余的LP₁₁模能量很小。

实施例二：

本实施例实现LP₀₂模与LP₀₁模、LP₁₁模、LP₀₂模、LP₂₁模之间的分离。光纤结构如图5所示。光纤基质材料1为纯石英，主体纤芯的半径为6.15μm，纤芯与包层的折射率差为0.012。辅助纤芯的半径为1.25μm，纤芯与包层的折射率差为0.018。主体纤芯与相邻辅助纤芯的中心距离为11.9μm，相邻辅助纤芯之间的距离为7μm。光纤长度取为3.48mm。光从左侧纤芯输入时，可实现LP₀₂模从右侧纤芯输出，其它模式从左侧纤芯输出。右侧纤芯输出的不同模式的能量如图6所示。由于LP₀₁模与LP₀₂模的有效折射率差别很大，主体纤芯距离很远，两主体纤芯中的LP₀₁模在所选光纤长度下，不会发生明显耦合，其相应耦合结果未在图中给出。

由图6可见，在1.483-1.555μm波长范围内，右侧主体纤芯输出的LP₀₂模能量输出都大于-1dB，具有低的损耗，而在此波长范围内，从右侧主体纤芯输出的LP₁₁模的能量均低于-55dB，从右侧主体纤芯输出的LP₂₁模的能量均低于-14dB，因此，右侧纤芯可输出具有低串扰的LP₀₂模。同时，从左侧主体纤芯输出的LP₁₁模的能量输出都大于-0.01dB，从左侧主体纤芯输出的LP₂₁模的能量输出都大于-1dB，而从左侧主体纤芯输出的LP₀₂模的能量输出都低于-14dB，即左侧纤芯中的LP₁₁模、LP₂₁模损耗都很低，而残余的LP₀₂模能量很小。

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。

Claims (4)

1.一种光纤模式插分复用器，由多芯光纤组成，其特征在于：所述多芯光纤的纤芯由两个主体纤芯、若干辅助纤芯组成，所述主体纤芯和辅助纤芯的中心在一条直线上，所述辅助纤芯位于两个主体纤芯之间；当辅助纤芯的数量N≥3时，相邻辅助纤芯的中心距离相同；所述两个主体纤芯的折射率分布、纤芯直径相同，所述主体纤芯归一化频率V₁满足V₁>3.832，其中a₁为主体纤芯的半径，λ为工作波长，n_core1为主体纤芯的折射率，n_clad为包层折射率；所述辅助纤芯的折射率分布、纤芯直径相同，所述辅助纤芯归一化频率V₂满足其中，a₂为辅助纤芯的半径，n_core2为辅助纤芯的折射率；所述辅助纤芯为单模光纤，所述辅助纤芯的数量N满足N≥2。

2.如权利要求1所述的一种光纤模式插分复用器，其特征在于：所述辅助纤芯的基模有效折射率n_eff0与主体纤芯中待分离模式的有效折射率n_eff1之差满足|n_eff0-n_eff1|<0.001。

3.如权利要求1所述的一种光纤模式插分复用器，其特征在于：所述主体纤芯的待分离模式与相邻所述辅助纤芯的基模之间的耦合长度为L₁，两相邻所述辅助纤芯的基模之间的耦合长度为L₂，则L₁和L₂之间应满足：|L₁-L₂|/(L₁+L₂)<0.15。

4.如权利要求1所述的一种光纤模式插分复用器，其特征在于：所述辅助纤芯的数量为3。