CN104898199B - 一种多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，多芯光子晶体光纤的径向二维方向上布置有周期性排列的介质孔，所述介质孔构成介质孔阵列，每个介质孔的直径为d1；所述介质孔阵列中缺失数个不相邻的介质孔从而形成N个纤芯，每个纤芯周围的介质孔的直径改为d2，d2＞d1；所述激光器光源具有N个光源构成的光源阵列；所述N个光源与N个纤芯一一对准连接，所述相邻两个纤芯之间的间距与对应的相邻两个光源之间的间距相等。本发明可以应用于数据机房等短距离通信，减少机房内的光纤数量，可以应用在芯片级阵列布局，也可以应用于后期拼接集成后的LED阵列或VCSEL阵列，还可以拼接多根单模光纤，对现有数据机房的光纤改造非常方便，效果明显。

Description

一种多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤的设计和制作领域，具体是一种多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构。
背景技术
近年来随着移动互联网应用为代表的互联网数据吞吐量的扩大，数据中心的容量和速率在不断的提升。传统的短距通信是采用LED+多模光纤构成，其成本低廉，布线容易，在普通的数据机房应用上非常成功。目前，随着数据中心业务的迅速扩展，普通LED+多模光纤的方案已经很难适应这种应用要求。因此，VCSEL激光器+多模光纤的大规模应用成为现实。采用VCSEL激光器有两大优点，一是传输速率的提升；二是光纤和激光器的耦合非常方便。
但是，目前数据中心还面临光纤数量越来越庞大的问题。目前数据中心的机柜内的光纤数量成百上千。每个机柜外的光纤都用电缆槽架敷设，占用了大量的空间，也带来了很多问题。如，数据中心的散热问题并不容易解决，而光纤数量占据的空间又进一步阻碍了散热；而且大量光纤的维护、整理成为不小的问题。
Benyuan Zhu等人在文献“70-Gb/s Multicore Multimode Fiber Transmissionsfor Optical Data Links，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.22,NO.22,NOVEMBER 15,2010”中描述了一种多芯光纤，具有传输7个10G信号的能力。这种多芯光纤是全实心的多芯光纤，这种光纤存在一个问题，其截止波长较大，并不适合于短波长的传输。
美国专利文献(专利号US20090067793)描述了一种多芯光纤，这种多芯光纤的芯子在每三个毛细管的交界处或设计成一个6芯光纤。这种多芯光纤可以在传像领域应用，但不适合于通信领域。
日本滕仓公司申请了中国专利(申请号200710165726.0)，这个专利的公开文献描述了密集分布的多模渐变折射率芯子的多芯光纤，应用于传像领域。
美国康宁公司申请了美国专利(专利号US7082242)，这种多芯光纤主要是想用在短距离接入网中的通信，如FTTD等。其主要优点是借助多模多芯光纤低成本，易连接，易于制造的优势，拓展在FTTD方面的应用。这个专利设计多个芯子的渐变折射率剖面使光纤在850nm和1300nm的带宽大于500MHz*Km。这个专利描述的光纤可以应用于短距通信系统，但是其每个芯子采用渐变多模光纤将使其带宽对距离的限制弱点曝露无疑。
古河电气工业株式会社申请了一种多芯光纤专利，中国专利申请号为200980150769.9，提出一种中空多芯光纤具有多个芯部和位于芯部外围的包层部，目的在于提供一种能够容易连接的光纤。
分析上述专利可以看出，目前对于多芯光纤的研究大体分为两类，一是利用密集纤芯的堆叠提高成像像素，二是尽量降低纤芯间串扰以减少各纤芯的光“泄露”，通常设计单模多芯光纤。其中实心多芯光纤降低串扰通常采用的方法就是增大纤芯间距，但这也大大限制了多芯光纤的纤芯数量，从而降低通信容量，同时还将导致通信系统需要的泵浦光能量增加。由此可见，目前的多芯光纤设计主要着眼于长途传输，成像等应用领域。在数据中心需要可以支持高速率、大容量而体积小的光纤方面，康宁设计了多芯带隙型光子晶体光纤，我们认为这还不足以体现出多芯光纤在短距离通信的优势。
发明内容
本发明设计的多芯光子晶体光纤与光源连接结构的目的是为了实现高速率、大带宽，考虑兼容原有光传输系统和克服传输距离受制于多芯光纤每个芯子带宽的这个问题，并且同时保留有短距通信系统平滑升级的需求。
本发明提出一种多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，包括多芯光子晶体光纤和激光器光源；在所述多芯光子晶体光纤的径向二维方向上布置有周期性排列的介质孔，所述介质孔构成介质孔阵列，每个介质孔的直径为d1；所述介质孔阵列中缺失数个不相邻的介质孔从而形成N个纤芯，所述每个纤芯周围的介质孔的直径改为d2，d2＞d1；所述激光器光源具有N个光源构成的光源阵列；所述N个光源与N个纤芯一一对准连接，所述相邻两个纤芯之间的间距与对应的相邻两个光源之间的间距相等。
所述介质孔为空气孔，所述介质孔阵列为正六边形阵列。
所述纤芯的数量N等于七；其中一个纤芯为中心纤芯，位于正六边形阵列的中心，其余六个纤芯环绕在中心纤芯的周围。
所述d1的范围是2.5～2.9um，所述d2的范围是5.5～6.4um。
所述相邻两个纤芯之间的间距为25.6～28um；所述光源陈列为集成在激光器芯片上的芯片级阵列，所述芯片级陈列上相邻两个光源之间的间距为25.6～28um，所述多芯光子晶体光纤的一端与光源阵列直接对准连接。
所述相邻两个纤芯之间的间距为36～37.8um；所述光源陈列为集成在激光器器件上的器件级阵列，所述器件级阵列上相邻两个光源之间的间距为36～37.8um，所述多芯光子晶体光纤的一端与光源阵列直接对准连接。
所述相邻两个纤芯之间的间距为41.6～42um；所述激光器光源包括一转接头，所述转接头为光子晶体光纤耦合器，其一端为自由端，连接N个光源，另一端为阵列端，所述N个光源在阵列端陈列布置，且相邻两个光源之间的间距为41.6～42um。
所述转接头的自由端具有七根外径为125um的自由光纤，所述阵列端具有阵列光纤，该阵列光纤的外径为125um，通过将自由端的七根自由光纤的外径腐蚀为41.5um，并紧密堆积而构成。
本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：本发明可以应用于数据机房等短距离通信，减少机房内的光纤数量，其传输数据容量大，无串扰，拼接容易、方便；适应现有机房中采用LED或VCSEL光源的系统，可以应用在芯片级阵列布局，也可以应用于后期拼接集成后的LED阵列或VCSEL阵列，还可以拼接多根单模光纤，对现有数据机房的光纤改造非常方便，效果明显。
附图说明
图1是实施例1的截面图；
图2是实施例1的多芯之间串扰值的模拟计算图；
图3是实施例2的截面图；
图4是实施例2的多芯之间串扰值的模拟计算图；
图5是实施例3的截面图；
图6是实施例3的多芯之间串扰值的模拟计算图；
图7是实施例3中的7根光纤的堆积示意图；
图8是实施例4的截面图。
具体实施方式
本实施方式中采用的多芯光子晶体光纤，典型的有7芯和19芯，为圆形中心对称分布。该多芯光子晶体光纤是由具有单一旋转对称结构的7芯光纤组成的预制棒拉丝而成。为兼容原有数据机房的传输系统，其可以适用采用LED或VCSEL光源和PIN探测器的系统。其兼容7芯耦合器或7个阵列光源的设计方法和带有模式泄漏功能的内包层设计，使这种多芯光纤更适合于在短距离通信领域的应用。
实施例1
如图1所示，小间距的多模七芯光纤的纤芯是采用高纯石英+掺F的低折射率玻璃复合而成，其中每个纤芯周围包围着6个大占空比的空气包层，所有7个包含上述纤芯和空气包层的结构全部以中心对称的方式形成七芯光纤。空气孔排列为正六变形阵列。该光纤的小孔直径是d1，6个大占空比的空气孔直径是d2，纤芯直径大小是d3，该光纤的小孔间距是Λ。d1的范围是2.5～2.9um，d2的范围是5.5～6.4um，d3的范围是13～15um，Λ的范围是6.4～6.8um。从纤芯间距看，任意相邻两个纤芯的间距是25.6～28um。这种纤芯间距的设计可以对应LED芯片级阵列布局，因为对应于芯片级光源应用来说，很容易就能够在激光器芯片上阵列间距为25.6～28um的激光光源。这样就减小了相邻两个光源如LED之间的间距，提高了材料利用率，降低了整体成本。
在多模多芯光子晶体光纤设计中，纤芯可以突破单模光纤纤芯9um的限制，达到15um以内。由于存在一个掺F的低折射率包层，这个弱波导里面存在着多个模式。这个光纤基本上是一个标准的阶跃型多模光纤，但是由于纤芯外面设计了6个大占空比的空气孔包层，此时高阶模在此包层中将进入快速泄漏模式，因此，高阶模式将在传输10000um以内全部消失。低阶模式和基模都被限制在这个光纤里面进行传输，极端情形下，这个光纤可以只允许基模或其简并模式在光纤内传输，这种设计运行进一步提高传输的速率而无需担心传输距离的缩短。采用光子晶体结构设计降低了纤芯之间的串扰问题，主要原因是高阶模的衰耗主要来源于材料吸收和界面损耗这两种方式，因此一个纤芯的能量很难传播到另外的一个纤芯中。如图2所示，模拟计算图1中各个纤芯core1～core7之间的串扰，从模拟计算中可以看到，该小间距多模多芯光子晶体光纤的芯子(即纤芯)之间最大串扰是-45dB。通过这种设计的多芯光纤多个纤芯间的相互干扰在通信系统设计时可以忽略不计。
该光纤在850nm的传输损耗为3dB/km,在1300nm的传输损耗为0.8dB/km。光纤的外径为125um，第一层涂层直径是190um，第二层涂层直径是245um。
这种多模多芯光子晶体光纤可以兼容LED或VCSEL光源和PIN探测器的系统。在应用上，可以将7个LED光源/VCSEL光源按照间距进行阵列，每一个光源对应于一个多模的纤芯。考虑到光源阵列的公差和对准的便利性，这种多模多芯光子晶体光纤可以通过调节的d1和d2的范围来适应7个阵列光源的拓扑结构。在这根多模多芯光子晶体光纤中，高次模会进入泄漏模式而消失，代替的是基模和低次模在光纤里传输，因此，这根多模多芯光子晶体光纤的模式色散较普通光纤的模式色散要小，这将极大地提高多模多芯光子晶体光纤的传输带宽，起到兼容原有光传输系统和克服传输距离受制于多芯光纤每个芯子带宽的问题。
实施例2
如图3所示，其与实施例1的区别在于，Λ的范围是6.0～6.3um；从纤芯间距看，任意相邻两个纤芯的间距在36～37.8um范围内，这种设计可以应用于后期拼接VCSEL阵列或拼接LED阵列。因为对应于器件级光源应用来说，实现间距在36～37.8um范围内的光源器件阵列也很容易。这种方法灵活，便利，对小集成商更有吸引力。
如图4所示，从模拟计算中可以看到，该大间距多模多芯光子晶体光纤的纤芯之间最大串扰是-60dB，多个纤芯间的相互干扰在通信系统设计时可以忽略不计。
实施例3
如图5所示，单模七芯光纤的小孔直径是d1，6个大占空比的空气孔直径是d2，纤芯直径大小是d3，该光纤的小孔间距是Λ。d1的范围是2.5～2.9um，d2的范围是5.5～6.4um，d3的范围是9～10um。Λ的范围是6.6～7.2um。从纤芯间距看，任意两个纤芯的间距是41.6～42um。这根7芯单模光纤的每个纤芯由于存在模式泄漏通道，非常容易在任何波长都形成单模传输，满足了高速率、大带宽的短距数据通信要求。由于两个纤芯间距超过40um，同样，光纤中的高阶模的衰耗主要来源于材料吸收和界面损耗这两种方式，因此一个纤芯的能量很难传播到另外的一个纤芯中。这种设计保证了多芯光纤中任意一个芯子的单模传输条件。如图6所示，模拟计算得出，该单模多芯光子晶体光纤的芯子之间最大串扰是-77dB，在单模传输系统中完全可以认为每个光纤芯子是完全独立的，对其它芯子的信号传输是没有干扰的。该光纤在850nm的传输损耗为2.7dB/km,在1300nm的传输损耗为0.78dB/km。在1310nm的传输损耗为0.7dB/km,在1550nm的传输损耗为0.5dB/km,光纤的外径为125um，第一层涂层直径是190um，第二层涂层直径是245um。
在连接上，每个激光器光源通过一根9um/125um标准单模光纤引出，然后7根9um/125um标准单模光纤通过一个7芯耦合器作为转接头，进入上述单模多芯光子晶体光纤的一端。这个匹配单模多芯光子晶体光纤7芯耦合器设计是：7根9um/125um标准单模光纤通过腐蚀方法得到7根9/41.5um标准包层减少的光纤，这7根光纤通过紧密堆积形成如图7所示的排列。然后这7根包层缩小的标准单模光纤可以放进内径125um的毛细管内，同时，将单模多芯光子晶体光纤也放进毛细管内，在标准夹具中进行对准，然后用胶将所有的光纤固定。考虑到制作的公差和对准的便利性，该单模多芯光子晶体光纤可以通过调节的d1和d2的范围来适应7根9/41.5um标准包层减少的光纤拓扑结构。
实施例4
一种小间距多模19芯光子晶体光纤，如图8所示，该光纤与实施例1不同之处在于，纤芯数量是19个，其d1的范围是2.5～2.9um，d2的范围是5.5～6.4um，d3的范围是13～15um，Λ的范围是6.4～6.8um。从芯子间距看，任意两个芯子的间距是：25.6～28um。该光纤在850nm的传输损耗为5dB/km,在1300nm的传输损耗为1.5dB/km。光纤的外径为200um，第一层涂层直径是290um，第二层涂层直径是400um。
确保间距相同后，该光纤可以与19个光源构成的同样间距的光源陈列对接。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。

Claims (8)

1.一种多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，包括多芯光子晶体光纤和激光器光源；在所述多芯光子晶体光纤的径向二维方向上布置有周期性排列的介质孔，所述介质孔构成介质孔阵列，每个介质孔的直径为d1；所述介质孔阵列中缺失数个不相邻的介质孔从而形成N个纤芯，在相邻的所述纤芯之间设有3～5层介质孔，所述每个纤芯周围的介质孔的直径改为d2，d2＞d1；所述激光器光源具有N个光源构成的光源阵列；所述N个光源与N个纤芯一一对准连接，所述相邻两个纤芯之间的间距与对应的相邻两个光源之间的间距相等。
2.如权利要求1所述的多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，其特征在于：所述介质孔为空气孔，所述介质孔阵列为正六边形阵列。
3.如权利要求2所述的多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，其特征在于：所述纤芯的数量N等于七；其中一个纤芯为中心纤芯，位于正六边形阵列的中心，其余六个纤芯环绕在中心纤芯的周围。
4.如权利要求3所述的多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，其特征在于：所述d1的范围是2.5～2.9um，所述d2的范围是5.5～6.4um。
5.如权利要求4所述的多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，其特征在于：所述相邻两个纤芯之间的间距为25.6～28um；所述光源陈列为集成在激光器芯片上的芯片级阵列，所述芯片级陈列上相邻两个光源之间的间距为25.6～28um，所述多芯光子晶体光纤的一端与光源阵列直接对准连接。
6.如权利要求4所述的多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，其特征在于：所述相邻两个纤芯之间的间距为36～37.8um；所述光源陈列为集成在激光器器件上的器件级阵列，所述器件级阵列上相邻两个光源之间的间距为36～37.8um，所述多芯光子晶体光纤的一端与光源阵列直接对准连接。
7.如权利要求4所述的多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，其特征在于：所述相邻两个纤芯之间的间距为41.6～42um；所述激光器光源包括一转接头，所述转接头为光子晶体光纤耦合器，其一端为自由端，连接N个光源，另一端为阵列端，所述N个光源在阵列端陈列布置，且相邻两个光源之间的间距为41.6～42um。
8.如权利要求7所述的多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构，其特征在于：所述转接头的自由端具有七根外径为125um的自由光纤，所述阵列端具有阵列光纤，该阵列光纤的外径为125um，通过将自由端的七根自由光纤的外径腐蚀为41.5um，并紧密堆积而构成。
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