CN107942443B - 一种低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器，包括3个相同的传输信道组成，其中一个是主传输信道；传输信道半径20μm，传输信道纤芯与包层折射率差0.0015，包层折射率为1.442524；信道芯中心到包层的折射率呈渐变型变化；模式LP01直接输入主传输信道；模式LP11a和LP11b信道分别放置在主传输信道横截面x和y方向上，信道长度均为33mm，与主信道的间距均为6μm；在1400nm‑1700nm波段，复用器耦合效率优于‑0.479dB；实现了折射率渐变型分布、低损耗、低串扰三模式模分复用。

Description

一种低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器

技术领域

本发明涉及一种模分复用结构，具体涉及一种低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器，可应用于光纤通信、光学信息处理等新一代信息技术领域。

背景技术

近年来，基于模分复用的光纤通信领域是前沿研究热点之一；作为其关键技术之一的模分复用器件得到了广泛关注[1 Guifang Li, Neng Bai, and Ningbo Zhao andCen Xia, Space-division multiplexing: the next frontier in opticalcommunication. Advances in Optics & Photonics, 2014, 6(4):5041 – 5046; 2 HeWen, Hongjun Zheng, et al. Few-Mode Fibre-Optic Microwave Photonic Links,Light: Science & Applications, 2017.8, 6, e17021, 1-8]；作为模分复用系统的关键技术环节，模分复用器是将多种模式信号复用到同一个信道进行传输的器件，对模分复用系统的实现具有重要意义。文献[3 RolRyf, Bolle C A, Hoyningenhuene J V.OpticalCoupling Components for Spatial Multiplexing in Multi-Mode[C]. EuropeanConference and Exhibition on Optical Communication (ECOC). 2011: 1-3]提出了一种基于相位板的模分复用器，实现了三种信号转换模式并复用到同一个信道，但是这种模分复用器需要高精确度的空间耦合校准，且难于集成，自由空间耦合的插入损耗大，成本高。文献[4 Fontaine N K, Ryf R, Leonsaval S G, et al. Evaluation of PhotonicLanterns for Lossless Mode-Multiplexing[C]. 38th European Conference andExhibition on Optical Communications (ECOC), 2012: 1-3; 5 Ryf R, Fontaine NK, Montoliu M, et al. Photonic-lantern-based mode multiplexers for few-mode-fiber transmission[C]. Optical Fiber Communications Conference and Exhibition(OFC), 2014: 1-3; 6 Leonsaval S G, Fontaine N K, Salazargil J R, et al. Mode-selective photonic lanterns for space-division multiplexing[J]. OpticsExpress, 2014, 22(1): 1036-44]提出了一种拉锥形状的“光子灯笼”模分复用器，实现了12路信号转换模式并复用到同一个信道。“光子灯笼”的结构复杂程度虽然比空间耦合器低，但是其制造工艺精密、复杂，精确地控制光纤熔融时的位置、拉锥体粗细和长度具有很大难度，量产难度较大；通过拉锥形成的输出端口与传输通道不完全匹配，会导致高损耗。文献[7 石健. 基于少模光纤的模分复用通信技术研究[D]. 吉林大学, 2013]设计了基于非对称平面波导的模分复用/解复用器，实现了模式的复用、解复用，还实现了模式的转换；但是该平面型复用器存在工作波段窄，难于集成，与光纤熔接困难的问题。文献[8 HuangB, Xia C, Matz G, et al. Structured directional coupler pair for multiplexingof degenerate modes[C].Optical Fiber Communication Conference and Expositionand the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), 2013: 1-3; 9Xie Y, Fu S, Liu H, et al. Design and numerical optimization of a modemultiplexer based on few-mode fiber couplers [J]. Journal of Optics, 2013, 15(12): 3901-3901; 10 Tsekrekos C P, Syvridis D. Symmetric Few-Mode FiberCouplers as the Key Component for Broadband Mode Multiplexing [J]. Journal ofLightwave Technology, 2014, 32(14): 2461-2467; 11 Simon Gross, NicolasRiesen, John D. Love and Michael J. Withford, Mode-Division Multiplexingusing Femtosecond Laser Written 3-Dimensional Tapered Couplers, OECC / ACOFT2014.7, 156-158]中设计了模式直接定向耦合的复用器；该复用器制造工艺简单，可以采用三维波导或光纤形成复用器；可直接与光纤熔接，具有较宽的工作波段；但是该类复用器传输信道的非线性和衰减较大，其设计也没有考虑阶跃型光纤的高差分模式群时延问题；这些问题以及低有效折射率差带来的模式串扰问题，都会使得系统信号恢复难度增大。而大有效面积、纯二氧化硅纤芯信道具有低衰减、熔接损耗、低非线性特点，有助于提高系统的光信噪比，实现大容量、长距离传输，得到了科技工作者的关注[12 Makovejs S,Roberts C, Palacios F, et al. Record-low (0.1460 dB/km) attenuation ultra-large effective area optical fiber for submarine applications[C]. OpticalFiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2015: 1-3; 13 Hirano M,Yamamoto Y, Kawaguchi Y. Low-Loss and Low-Nonlinearity Pure-Silica-Core Fiberfor C- and L-band Broadband Transmission[J]. Journal of Lightwave Technology,2016, 34(2): 321-326]。

发明内容

在国家自然科学基金 (编号61671227和61431009）、山东省自然科学基金（ZR2011FM015）、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本发明提出了一种低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器，实现了折射率渐变型分布、大有效模场面积、低非线性系数、低损耗、低串扰、高耦合效率、宽工作波段的三模式少模复用；容易实现与传输光纤同类型的复用器传输信道以有效提高耦合效率、减小熔接损耗；为光纤通信少模传输、Front-haul少模传输实用化提供了支持。

本专利申请解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出的低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器，包括3个相同的传输信道组成，其中一个是主传输信道；传输信道半径20 μm，传输信道纤芯与包层折射率差0.0015，包层折射率为1.442524；信道芯中心到包层的折射率呈渐变型变化；综合考虑模式信道耦合长度、信道间距以及耦合效率变化情况，模式LP01直接输入主传输信道，以避免模式LP01信道耦合长度过长导致的耦合损耗大、器件尺寸大的问题；模式LP11a和LP11b信道分别放置在主传输信道横截面x和y方向上，信道长度均为33 mm，与主信道的间距均为6μm，以保证复用器的高耦合效率和合理耦合长度；采用全矢量有限元方法和光束传播法研究该少模复用器特性。

本专利申请的有益效果是：

1. 传输信道采用大有效面积的纯二氧化硅纤芯实现低衰减，有效减小与同类型的纯二氧化硅纤芯少模传输光纤熔接损耗，提高耦合效率；

2. 采用渐变型折射率分布实现低差分模式群时延；

3. 模式间有效折射率差大于0.5×10^-3以保证模式间的低串扰；

4. 任意模式信道的有效面积均大于标准单模光纤的6倍，非线性系数均远低于标准单模光纤的非线性系数；

5. 在1400 nm-1700 nm波段，复用器耦合效率优于-0.479 dB；在C波段内，复用器任意模式信道耦合效率的最大值和最小值差均不超过0.056 dB，呈现平坦特性；

6. 该复用器特性使其在光纤通信少模传输、Front-haul少模传输等领域具有广阔应用前景。

附图说明

图1是在1550nm波长、沿线性偏振模水平偏振方向、3种空间模式信道的耦合长度随两信道间距的变化；图1中带星号、圆圈和四方框的实线分别表示LP01、LP11a和LP11b模式信道的耦合长度随信道间距的变化；

图2是信道间隔6μm、沿线性偏振模水平偏振方向、3种空间模式信道耦合效率随入射光波长的变化。图中带星号、圆圈和四方框的实线分别为LP01、LP11a和LP11b模式信道耦合效率随入射光波长的变化；其中（a）图对应1400 nm到1700 nm波长范围情况，（b）图对应C波段情况；

图3是复用器的结构示意图；其中图（a）是整体结构，图（b）和（c）分别是复用器主传输信道横截面x方向和y方向的结构示意图；

图4是复用器的3种模式信道耦合效率随入射光波长的变化。图中带星号、圆圈和四方框的实线分别为LP01、LP11a和LP11b模式信道耦合效率随入射光波长的变化；其中图（a）对应1400 nm到1700 nm波长范围情况，图（b）对应C波段情况。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不限于此。

实施例1图1是在1550nm波长、沿线性偏振模水平偏振方向、3种空间模式信道的耦合长度随两信道间距的变化。图1中带星号、圆圈和四方框的实线分别表示LP01、LP11a和LP11b模式信道的耦合长度随信道间距的变化。图1表明，3种模式信道的耦合长度均随信道间距增加而增加。沿线性偏振模水平偏振方向，LP01模式信道的耦合长度随信道间距变化快得多，LP11b模式信道的耦合长度变化相对LP01变化稍慢，LP11a模式信道的耦合长度变化很小；三种空间模式信道的耦合长度相差较大；传输信道间距相同时，LP01模式信道的耦合长度最大，LP11a模式信道的耦合长度最小，LP11b模式信道的耦合长度小于LP01模式信道，远大于LP11a模式信道；在整个信道间距变化范围内，3种空间模式对应的耦合效率均高于-0.089 dB。沿线性偏振模垂直偏振方向，LP01模式信道的耦合长度及耦合效率等于该模式信道对应的水平偏振方向；LP11a（LP11b）模式信道的耦合长度及耦合效率对应LP11b（LP11a）模式信道的水平偏振方向。该研究为选取复用器的信道间距、信道长度以及每种模式与主传输信道的相对位置提供保证。

图2是信道间隔6μm、沿线性偏振模水平偏振方向、3种空间模式信道耦合效率随入射光波长的变化。图中带星号、圆圈和四方框的实线分别为LP01、LP11a和LP11b模式信道耦合效率随入射光波长的变化；其中（a）图对应1400 nm到1700 nm波长范围情况，（b）图对应C波段情况。由图2（a）可知，1400 nm到1700 nm波长范围内，3种模式的信道耦合效率均优于-0.089 dB，呈现平坦特性；3种模式信道的耦合效率对波长变化不敏感；LP01、LP11a和LP11b模式信道的最高耦合效率分别为-0.002 dB、-0.007 dB和-0.002 dB，最低分别为-0.032dB、-0.083 dB和-0.089 dB；LP01、LP11a和LP11b模式信道的平均耦合效率分别为-0.011dB、-0.034 dB和-0.032 dB，优于文献[10 Tsekrekos C P, Syvridis D. Symmetric Few-Mode Fiber Couplers as the Key Component for Broadband Mode Multiplexing [J].Journal of Lightwave Technology, 2014, 32(14):2461-2467]在C波段的平均耦合效率-0.37 dB、-1.26 dB和-4.41 dB；3种模式信道的高耦合效率显示了所有信道独立时的低损耗特性；在同一入射光波长处，LP01、LP11a和LP11b模式信道的耦合效率受入射光波长影响程度相近。由图2（b）可得，在C波段内的任意一点，3种模式信道的耦合效率均优于-0.007dB，独立信道耦合效率呈现平坦特性。在整个1400 nm到1700 nm波长变化范围，LP01和LP11a （LP11b）模式信道在垂直偏振方向的耦合效率与图2中LP01和LP11b （LP11a）模式信道在水平偏振方向的耦合效率一致。

图3是复用器的结构示意图；其中图（a）是整体结构，图（b）和（c）分别是复用器主传输信道横截面x方向和y方向的结构示意图。该复用器由3个相同的传输信道组成，其中一个是主传输信道。综合考虑模式信道耦合长度、信道间距以及耦合效率变化情况，模式LP01直接输入主传输信道，以避免模式LP01信道耦合长度过长导致的耦合损耗大、器件尺寸大的问题；模式LP11a和LP11b信道分别放置在主传输信道横截面x和y方向上，信道长度均为33 mm，与主信道的间距均为6 μm，以上设置可保证复用器的高耦合效率和合理耦合长度。

图4是复用器的3种模式信道耦合效率随入射光波长的变化。图中带星号、圆圈和四方框的实线分别为LP01、LP11a和LP11b模式信道耦合效率随入射光波长的变化；其中图（a）对应1400 nm到1700 nm波长范围情况，图（b）对应C波段情况。图4（a）表明，LP01模式信道的耦合效率随入射光波长的增加而减小；LP11a和LP11b模式信道的耦合效率在C波段较高，其耦合效率在C波段外随入射光波长的增加或减小而减小；LP11a和LP11b模式信道的耦合效率变化一致；复用器在1400 nm到1700 nm波长范围，LP01、LP11a和LP11b模式信道耦合效率最高分别为-0.073 dB、-0.007 dB和-0.006 dB，最低分别为-0.479 dB、-0.083 dB和-0.086 dB；由图4（b）可知：在C波段，LP01、LP11a和LP11b模式信道耦合效率最高分别为-0.110 dB、-0.007 dB和-0.006 dB，最低分别为-0.166 dB、-0.009 dB和-0.009 dB；LP01、LP11a和LP11b模式信道平均耦合效率分别为-0.140 dB、-0.003 dB和-0.008 dB，远高于文献[10]所用结构而实现的-0.40 dB、-1.69 dB、-0.82 dB；所有模式信道耦合效率的最大值和最小值差均不超过0.056 dB，呈现平坦特性。

总之，本发明提出的低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器实现了模式信道折射率渐变型分布、低损耗、低串扰、大有效面积、小非线性系数、高耦合效率、宽工作波段特性；在1400 nm-1700 nm波段，复用器耦合效率优于-0.479 dB；在C波段内，复用器任意模式信道耦合效率的最大值和最小值差均不超过0.056 dB，呈现平坦特性。这对模分复用器的进一步研究具有重要意义，为光纤通信少模传输、Front-haul少模传输实用化提供了支持。

应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议的得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。

Claims (2)

1.一种低损耗低串扰渐变折射率分布三模式模分复用器，其特征在于，包括3个相同的传输信道组成，其中一个是主传输信道；传输信道半径20 μm，传输信道纤芯与包层折射率差0.0015，包层折射率为1.442524；信道芯中心到包层的折射率呈渐变型变化；模式LP01直接输入主传输信道；模式LP11a和LP11b信道分别放置在主传输信道横截面x和y方向上，信道长度均为33 mm，与主信道的间距均为6 μm。

2.根据权利要求1所述模分复用器，其特征在于：1400nm-1700nm波段，复用器耦合效率优于-0.479 dB；实现了折射率渐变型分布、低损耗、低串扰三模式模分复用。