CN110441862A

CN110441862A - 一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器

Info

Publication number: CN110441862A
Application number: CN201910713569.5A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 杨世泰
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2019-11-12

Abstract

本发明提供的是一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器。其特征是：所述的多芯光纤分束器由输入标准单模光纤、多包层光纤、多孔石英毛细套管和多芯光纤组成。其中单模光纤和多包层光纤的纤芯具有相同的单模模场分布，多包层光纤嵌入多孔石英毛细套管，熔融拉锥后多包层光纤直径收缩变小，纤芯内的光场转换到内包层内，保持基模传输，输出端模场和多芯光纤的模场匹配。特殊设计的多包层光纤能有效减小器件的插入损耗，并有效抑制器件的芯间串扰。本发明可用于多芯光纤的低损耗、低串扰分束连接，尤其适用于多纤芯数量、高纤芯密度的多芯光纤的分束连接。

Description

一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器，属于多芯光纤器件技术领域。

(二)背景技术

多芯光纤在空分复用的光通讯传输系统中起到了至关重要的作用。在这样的高速、大容量的信息传输系统中，多芯光纤分束器是将信号从多芯光纤的每个纤芯互不干扰地单独分离出来，并和普通的单模光纤相连接的光纤集成器件。通常来说，多芯光纤分束器需要有以下的一些性能特点：(1)覆盖传统的光通讯波段(C+L波段)；(2)每个信号通道需要承受数十到数百毫瓦的光功率；(3) 低的插入损耗；(4)低的芯间串扰；(5)小的器件尺寸；(6)长期的工作稳定性等。因此，能否制备出满足以上性能特征的多芯光纤分束器件是空分复用技术在高速、大容量光通讯网络中得到广泛应用的关键。为此，在国内外的学者的不懈努力下，已经发展出多种器件制备方案。整体来说，目前的多芯光纤分束器可分为3类：基于空间光学型的、基于3D波导型的和基于多光纤集成的。

基于空间光学型的：采用传统的空间光学技术，可以借助于光学透镜以及棱镜等辅助光学器件实现多芯光纤各个纤芯出射光束的分离。该透镜耦合系统首先利用透镜将多芯光纤的多个纤芯出射光束进行空间分离，然后使用转向棱镜进一步分层分离，最后使用光纤准直器接收，实现了将多芯光纤的各个纤芯光信道分别耦合进入各自独立的单模光纤。这种方法通过精确的调节控制，能使每个光通道的串扰和损耗较低。但是基于空间光学型的对调节精度要求较高，而且器件稳定性也是个问题。

基于3D波导型的：波导型的多芯光纤分束器有激光直写型的和聚合物固化型。其中激光直写型是利用超快激光对基板进行改性，形成波导结构，这种方法对连接器的设计来说有较大的灵活性，但是由于波导的横截面形状很难做到和光纤的基模匹配，因此器件的插入损耗很大。Tatsuhiko提出了一种基于UV胶旋涂的多层聚合物3D波导型19芯光纤分束器(WATANABE,Tatsuhiko；HIKITA, Makoto；KOKUBUN,Yasuo.19-core fan-in/fan-outwaveguide device for dense uncoupled multi-core fiber.In:2013IEEE PhotonicsConference.IEEE,2013.p. 303-304)。该波导纤芯材料为PMMA，纤芯的尺寸大小为7.9μm×7.9μm，波导的包层材料为低折射率的UV胶，两种材料的折射率差为0.4％。整块波导芯片的大小为32mm×18mm。这样的聚合物波导结构的19芯光纤分束其能够实现每个纤芯的插入损耗小于2dB，芯间串扰小于-40dB。基于聚合物3D波导结构多芯光纤分束器件由于采用的材料是聚合物材料，其多对通讯波段的光的损耗较大，并且随着时间的增加，器件面临老化问题，其长时间稳定性有待验证。

基于多光纤集成的：2015年哈尔滨工业大学提出并制备了一种四芯光纤的分束器(CUI,Jiwen,et al.Fan-out device for multicore fiber coupling applicationbased on capillary bridge self-assembly fabrication method.Optical FiberTechnology, 2015,26:234-242.)。该器件采用了氢氟酸刻蚀的方法，使四根单模光纤的一端变细后一起插入低粘性的UV胶中，然后利用毛细现象，将四根光纤的细径端自集成后，使用紫外灯固化，固定光纤位置，然后整体插入套管中，采用热固化胶使得光纤束和套管固化。采用研磨的方法使得光纤束的端面平整，最后和多芯光纤对芯连接，整个器件的插入损耗小于1.25dB。这种方法制备出的多芯光纤分束器件的连接端面有胶，因此不能和多芯光纤焊接，端面的反射会增加器件的插入损耗。专利US20140369659A1提出一种基于消失芯原理的多芯光纤连接器。该多芯光纤连接器采用的多根双包层光纤组成一个光纤束，并使用熔融拉锥的方法，使得每根双包层光纤的直径逐渐变细，纤芯内的光束过渡到内包层内传输，形成与多芯光纤模场相似的模场分布。该方案中虽然完成了多芯光纤分束连接的功能，但是由于在拉锥过程中光纤的模场过渡不易控制，纤芯间的信号串扰严重，尤其是当多芯光纤的纤芯数量多(如19芯光纤)，纤芯间距小的时候，其芯间串扰更大，并且器件输出模场和多芯光纤不是完全匹配，这也造成了较大的连接适配损耗。

本发明公开了一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器，与在先技术相比，本发明具有更低的插入损耗，更小的芯间串扰、小巧的封装尺寸、更好的器件稳定性等优点，本发明尤其适用于高空间密度、多纤芯数量的多芯光纤分束。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器。

本发明的目的是这样实现的：

一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器。其由输入标准单模光纤、多包层光纤、多孔石英毛细套管和多芯光纤组成。其中单模光纤和多包层光纤的纤芯具有相同的基模模场分布，多包层光纤嵌入多孔石英毛细套管，熔融拉锥后特种多包层光纤直径收缩变小，纤芯内的光场转换到内包层内，保持基模传输，输出端模场和多芯光纤的模场匹配。

所述的多包层光纤具有一个纤芯、第一梯度渐变折射率包层、第二沟壑型折射率隔离包层和石英包层。纤芯和第一梯度渐变折射率包层组成的波导结构的数值孔径大小与标准单模光纤相近，两者基模相近，如此能降低单模光纤和多包层光纤之间的焊接损耗。多包层光纤被拉锥后，纤芯直径将变细，光场由纤芯内转换到第一梯度包层内并保持基模传输。由于第一包层是梯度型的折射率分布，其对转换的光场具有更好的束缚能力，以减少光纤在变径过程中的辐射损耗。第二沟壑型折射率隔离包层在拉锥的过程中也会变细，一方面其能实现各个纤芯中的能量隔离，抑制各个纤芯之间的信号串扰，另一方面，在与多芯光纤焊接的一端第二沟壑型折射率包层能够和多芯光纤的隔离层匹配。

所述的多包层光纤还可以是具有一个纤芯、第一阶跃折射率包层、第二梯度渐变折射率包层、第三沟壑型折射率隔离包层和石英包层结构。这里与上述差别在于多了一个阶跃型折射率包层。一方面，纤芯和第一阶跃折射率包层组成的波导结构和标准单模光纤的模场匹配度更高，连接损耗更小；另一方面，在输出端由于纤芯退化到几乎消失，第一阶跃折射率包层和第二梯度渐变折射率包层共同退化成新的纤芯，在输出端形成新的纤芯和石英包层组成的波导结构，并有低折射率的隔离层减少芯间串扰。

所述的多孔石英毛细套管具有和多芯光纤纤芯分布相同的多个微孔，微孔的直径比特种多包层的直径大1～10μm，方便特种多包层光纤插入。

所述的一种特种多包层光纤的沟壑型包层可以是掺氟化物的低折射率包层，也可以是多个呈圆周分布的空气孔型低折射率包层。

本发明至少具备以下的几项突出的优异性能：

(1)由于本发明提出的多芯光纤分束器是全光纤器件，两个连接端能和标准单模光纤和多芯光纤分别熔接，因此熔接端面反射回损极低。并且通过特种多包层光纤的设计优化，能够使得器件的输入、输出模场和连接光纤高度匹配，以减少熔接损耗。

(2)由于采用特种多包层光纤，该光纤具有梯度渐变包层和沟壑型隔离层，能使得器件在很短的锥形下满足传输模场绝热转换条件，不但能减少芯间串扰和辐射模损耗，还能有效减小器件尺寸，尤其适用于高空间密度、多纤芯数量的多芯光纤的分束。

(3)器件的连接方法是熔接，无需使用胶水固定，并且整个器件是石英基材，这不仅能够传输较大的光功率而且能够确保器件使用的长期稳定性更好。

(四)附图说明

图1是消失芯型多芯光纤分束器的基本原理图；

图2是四芯光纤分束器的结构示意图；

图3是阶跃型特种多包层光纤在拉锥前后的折射率分布示意图；

图4是19芯光纤的纤芯分布和单个纤芯折射率分布图；

图5是19芯光纤分束器在仿真过程中选取的有代表性的3个纤芯C1、 C2，C3示意图；

图6是阶跃型的特种多包层光纤，器件锥区长度为10mm时，纤芯C1、 C2、C3中的能量变化仿真图；

图7是阶跃型的特种多包层光纤，器件锥区长度为5mm时，纤芯C1、 C2、C3中的能量变化仿真图；

图8是第一包层是梯度型特种多包层光纤在拉锥前后的折射率分布示意图；

图9是第一包层是梯度型的特种多包层光纤，器件锥区长度为5mm时，纤芯C1、C2、C3中的能量变化仿真图；

图10是进一步优化的，具有第一阶跃折射率包层、第二梯度渐变折射率包层、第三沟壑型折射率包层和石英包层的多包层光纤在拉锥前后的折射率分布示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。

首先，结合附图1说明消失芯型多芯光纤分束器的工作原理。

一个由三种不同折射率构造的波导1，如图1所示，其纤芯1-1折射率为 n₁，芯径为9μm，由折射率较n₁低的n₂形成内包层1-2，直径为70μm。这个内包层的外面，由折射率比n₂还要低的n₃组成的外包层1-3包围，外径为125μm。当将这个光纤拉制成锥体时，在锥体的较细的一端，折射率为n₂的内包层1-2由直径70μm收缩到直径为9μm时，则原折射率为n₁的纤芯1-1的直径就由9μm缩小为1.15μm，已经完全约束不住所传导的光波了，不能支持光波在其中进行传输，相当于在拉锥的过程中，当折射率为n₂的70μm区域收缩为9μm时，原折射率为 n₁的纤芯1-1就“消失”了，在这个过程中，折射率为n₂的70μm的内包层1-2 区域成为新的“纤芯”。这就是所谓的“消失芯”概念。在上述的消失芯锥形的结构中，光场2是由折射率为n₁的纤芯1-1束缚，然后经过锥区，缓慢转换到内包层1-2中传输，并且光场2-1仍保持基模分布。整个过程中能量的转换和锥体的长度相关。如果是锥体太短，导致波导结构变化太快，纤芯1-1中的光就会变成辐射模式损耗，而不会转换到内包层1-2中形成新的基模传输。

其次，以四芯光纤分束器为例，说明本发明的基本结构和特点。

根据上述的消失芯的原理，将多根具有多层波导结构的多包层光纤4，插进一根具有四孔的石英毛细管5，然后一起熔融拉锥，如图2所示。这样，每根多包层光纤4的波导结构就会发生变化，原来的纤芯会变细至消失，第一内包层会变细形成新的纤芯。只要四孔的石英毛细管5的孔的分布和四芯光纤6的纤芯分布相同，并且设计好孔间间距和孔直径，那在锥区的细端将会形成与四芯光纤 6端面匹配的结构5-1。如此，在器件的输入端，我们就能将标准的单模光纤3和多包层光纤4焊接，而在器件的输出端，也能和四芯光纤6匹配焊接。这样就实现了四芯光纤6的每个纤芯信道的独立传输，即实现了四芯光纤的分束。

为了提高空分复用的效率，最好的办法就是增加多芯光纤的纤芯数量，提高光纤的纤芯密度。然而当纤芯密度增加时，纤芯之间的间距将会缩小，将会造成纤芯之间的能量串扰。无论对通信还是传感来说，信号的串扰都是不利的因素。因此人们在设计高芯密度的多芯光纤的时候，会采用隔离层的方法来抑制纤芯之间的信号串扰。这里采用的多包层光纤4可以如图3所示，其除了折射率为 n₁的纤芯4-1，折射率为n₂的内包层4-2和折射率为n₃的石英包层4-4外，在内包层外还有一层低折射率n₄的隔离层4-3。该隔离层可以是掺氟化物形成的低折射率层，也可是空气孔组成的低折射率层。该多包层光纤在拉锥后，纤芯4-1将接近消失，内包层4-2蜕化成新的纤芯，隔离层4-3也会变成个小的一个环形的低射率隔离区，其目的是为了在拉锥的过程中能最大程度低实现多根多包层光纤间的能量隔离，并且减少纤芯的能量辐射损耗，缩短器件长度。

再次，结合附图和仿真结果，以19芯光纤为例，说明本发明在高空间密度、多纤芯数量的多芯光纤中的应用创新和优势。

如图4所示的是具有低折射率隔离层的19芯光纤7的端面结构图以及其单个纤芯的折射率分布。其中7-1为纤芯，7-2为低折射率的隔离层。对于纤芯密度很高的19芯光纤而言，其在拉锥过程中，如果要满足每个纤芯内能量的绝热转换，就需要较长的锥区。在使用BPM(beam propagation method,光束传播法) 对器件进行建模仿真的时候，首先采用图3中所示的阶跃式折射率分布的多包层光纤。选取19芯光纤中具有代表性的三个纤芯C1、C2和C3，如图5所示，建立了拉锥长度分别为10mm和5mm的模型。仿真结果分别如图6、图7所示，两图的中三条曲线分别表示内包层波导4-2在拉锥是蜕化成纤芯的过程中的传输能量的变化。由图6可以看见，当拉锥长度为10mm时，三个纤芯之间的能量分布均匀，几乎没有串扰，辐射损耗也较小。图7为当器件尺寸为5mm时，可以看出单个纤芯之间的能量变化不同，这是因为C1、C2、C3对应的三个内包层4-2 在拉锥变细的过程中有不同的弯曲半径，由于锥区长度为5mm的器件的弯曲半径小，因此，最靠外侧的波导C1的弯曲辐射损耗较大，并且芯间的能量串扰难以避免。

为了优化器件在拉锥过程中的损耗，同时尽可能缩短器件的拉锥长度，减小器件尺寸，本发明提出优化设计的多包层光纤。其折射率分布如图8所示，含有一个纤芯8-1、一个梯度折射率变化的第一包层8-1、一个掺氟化物的低折射率隔离层8-3，还有纯石英包层8-4。该多包层光纤8在拉锥后纤芯消失，第一包层8-2蜕化成新的纤芯。由于第一包层8-2是梯度折射率变化的，因此相比较图5 中阶跃型的折射率分布来说，其在锥区渐变的过程中对能量的束缚能力更强。如图9所示的是使用优化设计的多包层光纤8制备的19芯光纤分束器的仿真结果。同样采用的是5mm的锥区长度，相比较图7而言，C1波导内的能量得到了很好的束缚，损耗较小。

为了使得器件得输出端和19芯光纤7的模场更匹配。还可以对多包层光纤进一步进行优化。如图10所示，多包层光纤9具有一个纤芯9-1、第一阶跃折射率包层9-2、第二梯度渐变折射率包层9-5、第三沟壑型折射率隔离层9-3和石英包层9-4。优点在于拉锥后第一阶跃折射率包层9-2和第二梯度渐变折射率包层 9-5共同蜕变成新的纤芯，并且其折射率分布的梯度变化区很小，这就使得其模场和多芯光纤的模场能很好匹配，在焊接的时候能减少模式不匹配带来的损耗，因此进一步提高了器件的性能。

以上的实施例说明本发明提出具有低折射率隔离层和梯度折射率分布的多包层光纤能够优化多芯光纤分束器的性能。当然，本发明受保护的范围包括但不限于上述的实施例中的结构。

Claims

1.一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器。其特征是：所述的多芯光纤分束器由输入标准单模光纤、多包层光纤、多孔石英毛细套管和多芯光纤组成。其中单模光纤和多包层光纤的纤芯具有相同的单模模场分布，特种多包层光纤嵌入多孔石英毛细套管，熔融拉锥后多包层光纤直径收缩变小，纤芯内的光场转换到内包层内，保持基模传输，输出端模场和多芯光纤的模场匹配。

2.根据权利要求1所述的一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器。其特征是：所述的多包层光纤具有一个纤芯、第一梯度渐变折射率包层、第二沟壑型折射率隔离包层和石英包层。

3.根据权利要求1所述的一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器。其特征是：所述的多包层光纤具有一个纤芯、第一阶跃折射率包层、第二梯度渐变折射率包层、第三沟壑型折射率隔离包层和石英包层。

4.根据权利要求1所述的一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器。其特征是：多孔石英毛细套管具有和多芯光纤纤芯分布相同的多个微孔，微孔的直径比多包层的直径大1～10μm，方便多包层光纤插入。

5.根据权利要求1、2、3所述的一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器。其特征是：所述的多包层光纤的沟壑型折射率隔离包层可以是掺氟化物的低折射率包层，也可以是多个呈圆周分布的空气孔型低折射率包层。