CN108627921A - 一种基于熔融拉锥的少模光纤简并模式组解复用器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于熔融拉锥的少模光纤简并模式组解复用器及其制作方法。本发明的解复用器包括少模光纤臂、两模光纤臂，其中少模光纤臂中间部分与两模光纤臂的一端熔融形成一耦合区，少模光纤的一端记为端口1，另一端记为端口2，两模光纤的另一端记为端口3，端口2与端口3位于该耦合区的同一侧；待解复用的简并模式组从端口1注入，经过该耦合区转移到两模光纤的LP₁₁简并模式组中并从端口3输出，从端口1注入的其他模式直通从端口2输出。本发明针对非圆对称简并模式组能够取得更好的解复用效果。

Description

一种基于熔融拉锥的少模光纤简并模式组解复用器及其制作 方法

技术领域

本发明涉及光纤型无源器件制作技术领域，特别涉及一种基于熔融拉锥型光纤耦合器技术的少模光纤简并模式组解复用器及其制作方法。

背景技术

为解决单模光纤通信系统容量紧缺的问题，模分复用光通信系统被广泛的研究。由于可以提供一个新的物理维度，因此模分复用技术可以极大的增加光通信系统的容量。在长距离模分复用系统中，总是需要使用多入多出数字信号处理技术来消除模式间的串扰。对于例如数据中心等短距离传输的场景下，可以使用模式组复用技术。由于每个模式组内的模式之间串扰较大，但模式组之间的串扰很低，因此每个模式组承载一路信息则不需要使用多入多出数字信号处理，从而大大节省软硬件成本。

满足弱导近似的光纤(纤芯和包层的折射率差很小)的模式可以用线性偏振模式(Linear Polarization,LP)表征。对于普通圆对称纤芯的少模光纤来说，在其支持的LP_pq(p＝0,1,2,…；q＝1,2,3,…)模式中，所有p＝0的LP_0q模式的空间分布是圆对称的，其本身即为一个模式组。所有p≠0的LP_pq模式空间分布是非圆对称的，包含LP_pqa和LP_pqb两个简并模式，这两个简并模式的有效折射率差极小，在纤芯中的空间分布只有角度方向上的不同，往往被归为一个模式组，称为LP_pq简并模式组。在少模光纤中激励出一个模式需要使用模式复用器，模式复用器将单模光纤中的基模LP₀₁模式转化为少模光纤中的某一个模式。在少模光纤模式组复用系统的发射端，对于LP_pq简并模式组中的LP_pqa和LP_pqb模式，一般只激励出二者中一个。由于光纤几何结构不完美、光纤的弯曲以及温度变化等微扰，该模式在光纤中传输之后会发生旋转，并且该旋转会随着时间缓变。对于接收端来说等效于会同时收到LP_pqa和LP_pqb两个简并模式即LP_pq简并模式组。普通的模式解复用器一般是将复用器反过来使用，即少模光信号从少模光纤注入，转化为单模光纤中的LP₀₁模式。这种方式对于圆对称模式LP_0q模式没有问题。但是对于非圆对称的简并模式LP_pqa和LP_pqb，普通模式解复用器只能将其中的一个解复用，因此需要一个在接收端能够同时接收LP_pqa和LP_pqb两个简并模式(即LP_pq简并模式组)的简并模式组解复用器。

现有方案一：在普通模式解复用器之前加一个模式旋转器，将进入解复用器前的信号空间分布调整成可以解复用的情形。这种方式的缺点是需要实时手动调整，无法用在实际系统中。

现有方案二：使用两个传统解复用器将LP_pqa和LP_pqb两个简并模式分别解复用，然后使用分集的方式将解复用后的基模信号合并。这种方式的缺点是器件结构复杂，而且分集接收需要使用数字信号处理技术，增加了软硬件成本。

现有方案三：使用和原有少模光纤相同的少模光纤解复用。由于任何模式在两根相同的光纤中总是同时满足相位匹配条件，在耦合长度以及耦合系数满足一定条件的情况下，两个简并模式可以同时被解复用。这种方式的缺点是除了需要解复用的简并模式组以外，其他模式也满足相位匹配条件也会被解复用，因此会造成极大的串扰。

简并模式组解复用器一般可以采用集成波导或者光纤型定向耦合器的方式加工。

集成波导加工方式优点是加工精度高，易批量化生产。缺点是模式消光比低，且需要和少模光纤做耦合，高阶模式的耦合难度极大。

光纤型定向耦合器加工方式有两种，一种是侧边抛磨加拼接的方式。这种方式加工难度大，机械稳定性和热稳定性较差，且体积大成本高，无法大规模生产。另一种方法是熔融拉锥法，熔融拉锥加工难度低，成本低，机械稳定性和热稳定性好，易于做成宽带器件。有利于大规模生产。

发明内容

本发明提供了一种基于熔融拉锥的少模光纤简并模式组解复用器及其制作工艺。

本发明采用的方案是使用两模光纤解复用。简并模式组解复用器如图1所示，包括少模光纤臂，两模光纤臂及少模光纤臂与两模光纤臂的熔融部分。待解复用的LP_pq简并模式组从少模光纤臂端口1注入，经过熔融拉锥区域，转移到两模光纤的LP₁₁简并模式组中并从端口3输出。其他模式从端口1注入则直通从端口2输出。

由于待解复用信号存在LP_pqa和LP_pqb两个简并模式，因此解复用光纤至少需要两个自由度，即支持两个模式以上。使用两模光纤而不使用其他少模光纤或者多模光纤是因为：

一、高速光电探测器接收光的面积较小，芯径较小的光纤耦合效率更高。

二、注入解复用器的光信号一般是多个模式复用之后的混合光信号，当原光纤中的待解复用的简并模式组和解复用光纤中的LP₁₁简并模式组相位匹配之后，其他模式不会再和解复用光纤中的LP₁₁简并模式组相位匹配，但是可能会和其他模式相位匹配而造成串扰，解复用光纤支持的模式数越多，这种概率越大。本发明的少模光纤简并模式组解复用器的制作方法为：

如果少模光纤中待解复用的简并模式组的有效折射率大于解复用两模光纤中LP₁₁简并模式组的有效折射率，则预拉锥少模光纤至二者有效折射率相同，从而达到相位匹配。反之则预拉锥两模光纤至二者有效折射率相同。

将处理后的少模光纤和两模光纤平行放置在拉锥机夹具上，尾端分别连接到功率计上。

在少模光纤中注入待解复用的简并模式。

打开氢气氧气阀门，点燃火头并盖上防风罩，待流量稳定后开始拉锥。

当功率计显示两模光纤中功率达到最大时(耦合效率一般要超过70％)暂停拉锥，火头离开耦合区。扭动模式旋转器使输入模式的空间分布产生随机旋转，检测两模光纤中的功率抖动，若功率抖动不满足设定的要求值(抖动一般要小于3dB)则通过点拉继续微调耦合区结构，直至耦合效率超过70％且功率抖动小于3dB，再用CCD检测两模光纤输出是否为LP₁₁模式。确认两模光纤输出为LP₁₁模式后在少模光纤中分别注入其余模式并根据检测结果判定它们是否不能被解复用(其余模式耦合效率要小于1％，则判定为不能被解复用)，满足要求则拉锥部分完毕。

最后对耦合区进行封装。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明提出的方案既避免了使用单模光纤解复用需要实时调整输入模式空间分布的操作；也不需要使用分集接收；使用两模光纤也减小了光电探测器的耦合难度以及减小了串扰。

附图说明

图1是少模光纤简并模式组解复用器的示意图；

图2是少模光纤简并模式组解复用器拉制装置图。

具体实施方式

下面以LP₂₁简并模式组解复用器的制作方法为例来对本发明进行详细的说明。本例的少模光纤为四模光纤。

图2为简并模式组解复用器制作装置图。该装置主要由两部分组成，第一部分是模式产生部分，由连续功率激光器、1×4光开关、四模模式复用器以及模式旋转器组成。其中，四模模式复用器有四个单模输入端，分别对应LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂四个模式，输出端是四模光纤。连续激光器用来发射单模光纤中基模LP₀₁的连续激光，通过1×4的光开关连接四模复用器其中一个单模输入端，在复用器输出端激励出四模光纤中的一个模式，该模式经过模式旋转器之后，连接待拉锥的四模光纤。第二部分是拉锥平台，主要由拉台、氢氧焰火头、显微镜、功率计以及控制系统组成。拉锥机拉台一般有两种类型，一种是真空吸附光纤型，另一种是V型槽加压块固定光纤型。本例采用后者。拉台拉伸速度可调。氢氧焰火头采用分离式火头，氢气和氧气分别从上下两个出口出气。火头高度可调，并且可以左右扫描。通过调节氢气和氧气的流量来调节火焰温度。显微镜用来观测耦合区两根光纤的距离以及清洁程度。功率计1用来检测四模光纤中的光功率，功率计2用来检测两模光纤中的光功率。CCD用来检测耦合到两模光纤中的光是否为LP₁₁模式。整个拉锥平台使用控制系统进行程序化控制。

将一段1m长的四模光纤中间部分大约1.5cm长用米勒钳剥掉涂覆层，用无尘纸沾酒精擦净涂覆碎屑后放置到拉锥机拉台的预拉位，中间裸纤部分对准火头，打开氢气发生器和氧气发生器的阀门，点燃火焰并盖上防风罩，待流量稳定后点击拉锥键开始预拉锥。预拉锥至四模光纤中的LP₂₁模式和两模光纤中的LP₁₁简并模式组达到相位匹配则预拉锥结束。

将一段0.5m的两模光纤距离一头0.1m处，长度大约为1.5cm部分用米勒钳剥掉涂覆层露出裸纤，用无尘纸沾酒精擦净涂覆碎屑。

将处理后的两根光纤平行放置在拉锥机拉台的拉锥位上，四模光纤的预拉锥处和两模光纤的裸纤处靠近并置于火头下面。通过显微镜观察并仔细调节使得两根光纤间距合适并位于火头能加热的区域。将四模光纤尾端插入功率计1中，将两模光纤尾端插入功率计2中。

将光开关接到模式复用器的LP₂₁端口，复用器和模式旋转器相连，模式旋转器和四模光纤相连，在四模光纤中激励出LP₂₁模式，并在功率计1中显示出功率值。

打开氢气发生器和氧气发生器的阀门，点燃火焰并盖上防风罩待流量稳定后点击拉锥键开始拉锥。在整个拉锥过程中四模光纤中LP₂₁模式的功率将逐渐向两模光纤中的LP₁₁简并模式组转移，当两模光纤中的LP₁₁简并模式组的功率达到最大值时停止拉锥，火头离位。此时四模光纤中的LP₂₁模式和两模光纤中的LP₁₁简并模式组满足相位匹配条件，且耦合区长度正好使得耦合效率最大，即LP₁₁简并模式组的功率最大，如果耦合效率超过70％则进行下一步，否则重新制作。

不断扭动模式旋转器使输入的LP₂₁模式空间分布产生随机旋转。检测两模光纤中的功率抖动，若功率抖动大于3dB则通过点拉继续微调耦合区结构，直至耦合效率大于70％且功率抖动小于3dB。再用CCD检测两模光纤输出是否为LP₁₁模式。确认为LP₁₁模式后将光开关依次接至四模复用器LP₀₁、LP₁₁、LP₀₂模式端口，通过功率计2检测它们是否不能被解复用(LP₀₁、LP₁₁、LP₀₂模式的耦合效率要小于1％)，满足要求则拉锥部分完毕。封装可以使用热固胶或者紫外固化胶固化，本实例采用紫外固化胶。拉锥完成后首先需要预固化，在耦合区外侧左右两端涂覆层和包层过渡处点少量胶，用紫外灯预固化。正式固化阶段先用U型石英基板套住耦合区，U型管长度要稍大于耦合区长度，耦合区悬空在石英基板正中间，再用胶点在基板两端和耦合区外侧左右两端的空隙中间，用紫外线照射固化，从而将耦合器固定在石英基板上。接着，用热缩套管套住基板并加热使热缩套管热缩，热缩至基板被热缩套管完全密封停止加热。将热缩套管两边的尾纤加上900μm塑料套管。用不锈钢钢管套住热缩套管，并在钢管和热缩套管的缝隙中填充干燥剂。钢管两端用紫外胶密封。最后将尾纤加上跳线头。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于熔融拉锥的少模光纤简并模式组解复用器，其特征在于，包括少模光纤臂、两模光纤臂，其中少模光纤臂中间部分与两模光纤臂的一端熔融形成一耦合区，少模光纤的一端记为端口1，另一端记为端口2，两模光纤的另一端记为端口3，端口2与端口3位于该耦合区的同一侧；待解复用的简并模式组从端口1注入，经过该耦合区转移到两模光纤的LP₁₁简并模式组中并从端口3输出，从端口1注入的其他模式直通从端口2输出。

2.一种基于熔融拉锥型的少模光纤简并模式组解复用器制作方法，其步骤包括：

选取少模光纤中间部分一段进行处理，剥掉涂覆层；将一两模光纤的一端进行处理，剥掉涂覆层；

将处理后的少模光纤和两模光纤放置在拉锥机拉台的拉锥位上，尾端分别连接到一功率计上；

在少模光纤中注入待解复用的模式，然后开始拉锥；

当功率计显示两模光纤中功率达到最大时暂停拉锥，火头离开耦合区；控制输入少模光纤的模式的模式空间分布产生随机旋转，检测两模光纤中的功率抖动，若功率抖动不满足设定的要求值，则通过点拉继续微调耦合区结构，直至耦合效率超过设定值、功率抖动达到设定的要求值，再检测两模光纤输出是否为LP₁₁模式，如果确认为LP₁₁模式，则拉锥部分完毕；

对耦合区进行封装。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拉锥机拉台为V型槽加压块固定光纤型拉锥平台。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述拉锥机拉台的氢氧焰火头采用分离式，氢气和氧气分别从上下两个出口出气。

5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述拉锥机拉台的火头高度可调，并且可左右扫描。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用紫外固化胶对耦合区进行封装。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在少模光纤中注入待解复用的模式。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，扭动该模式旋转器使输入少模光纤的模式的模式空间分布产生随机旋转。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述功率抖动达到设定的要求值为功率抖动小于3dB，所述设定值为70％。

10.如权利要求2所述方法，其特征在于，如果确认为LP₁₁模式后，则在少模光纤中依次注入若干非待解复用模式并根据检测结果判定它们不能被解复用时，则拉锥部分完毕。