CN110596817B - 一种高消光比的三模式模分复用器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高消光比的三模式模分复用器；该模分复用器由3个相同少模光纤传输信道组成；可实现3个模式的模式复用解复用；该模式复用器的环形芯少模光纤传输信道采用纯二氧化硅的折射率纤芯，实现了低损耗性能；采用大有效折射率差环形芯传输信道、并合理设置传输信道的位置，实现了低串扰、高消光比性能。

Description

一种高消光比的三模式模分复用器
技术领域
本发明涉及一种高消光比的三模式模分复用器，可应用于光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域。
背景技术
近年来，光纤通信业界围绕空分复用(包括芯式复用和模分复用及其结合)这一物理维度对通信网络传输容量实现了突破；空分复用中的多芯光纤和少模光纤研究成为前沿研究热点[Guifang Li，Neng Bai，and Ningbo Zhao and Cen Xia，space-divisionmultiplexing：the next frontier in optical communication.Advances in Optics&Photonics，2014，6(4)：5041-5046；Guifang Li，Magnus Karlsson，Xiang Liu，and YvesQuiquempois，Focus issue introduction：space-division multiplexing，Opt.Express2014，22，32526-32527；He Wen，Hongjun Zheng et al.Few-mode fibre-optic microwavephotonic links[J].Light：Science and Applications 2017，6，8；郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018，1-184]；文献[Yongmin Jung，QiongyueKang，Hongyan Zhou，Rui Zhang，Su Chen，Honghai Wang，Yucheng Yang，Xianqing Jin，Frank P.Payne，Shaif-ul Alam，and David J.Richardson，″Low-Loss 25.3km Few-ModeRing-Core Fiber for Mode-Division Multiplexed Transmission，″Journal ofLightwave Technol.2017 35：1363-1368]研制出的低损耗环形芯少模光纤具有当前环形芯少模光纤中最低的光纤损耗和较低模式串扰；其相邻方位角模式之间的有效折射率差随着方位角模式数量的增加而显著增加，这可导致高阶方位角模式之间的相对弱模式耦合，有效降低模式串扰，可降低多入多出(MIMO)处理系统中的数字信号处理器(DSP)的复杂度，增加模分复用系统的可行性和可扩展性；同时，环形芯少模光纤用于放大器理论上可以为所有引导信号模式提供几乎相同的增益。进一步表明环形芯类型少模光纤模型及该光纤具有传输信号的有效性和重要性。
纯二氧化硅纤芯可以有效地减少光纤衰减和熔接损耗，目前大都应用于单模光纤(T.Hasegawa et al.Advances in ultra-low loss silica fibers[J].Frontiers inOptics，2016，paper FTu2B.2；S.Ten.Ultra Low-loss Optical Fiber Technology[J].Optical Fiber Communication Conference，2016，paper Th4E.5；YoshiakiTamura.Ultra-low loss silica core fiber for long haul transmission[J].OpticalFiber Communication Conference，2018，paper M4B.1)。综上，若将纯二氧化硅纤芯、环形芯少模光纤的概念有机融合，有望解决目前少模光纤的研究挑战，有重要的学术价值和应用价值，研究意义重大、应用前景广阔。
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，本发明提出了一种高消光比的三模式模分复用器；该光纤融合了纯二氧化硅纤芯、环形芯少模光纤的优点，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出了一种高消光比的三模式模分复用器；该模分复用器由3个相同少模光纤传输信道组成；少模光纤传输信道FMF1是模分复用解复用器的主信道，FMF2和FMF3分别放置在x和y轴上；各模式LP01、LP11a与LP11b分别从FMF1、FMF3和FMF2左端入射，沿着z方向传输耦合复用；LP11a和LP11b将分别从FMF3和FMF2耦合到FMF1中，实现3个模式的模式复用；若3个模式均从FMF1入射，LP11a和LP11b分别从FMF1耦合到FMF3和FMF2中，则实现3个模式的模式解复用；根据各模式耦合长度与信道间距的变化关系，FMF2和FMF3到主信道FMF1的信道间距均设计为27μm，各信道长度均为33mm；合理设置传输信道的位置和长度可调整模式复用器性能；少模光纤传输信道由纤芯、内包层、外包层组成，其纤芯折射率呈环形分布；信道半径r＜3.5μm的部分是内包层，采用掺氟二氧化硅材料，折射率为n2＝1.437024；3.5μm≤r≤6.5μm的部分是环形纤芯，采用纯二氧化硅材料，折射率为n1＝1.444024；r＞6.5μm的部分是外包层，采用掺氟二氧化硅材料，折射率为n2＝1.437024；该光纤圆环形上的折射率高于周边折射率，使用圆环部位进行光的传输；光纤中模场特性可以通过改变纤芯、内外包层的尺寸和折射率分布来改变。
本发明的有益效果如下：
1.该模式复用器实现了LP01、LP11a与LP11b三种模式的模式复用解复用；
2.该模式复用器的环形芯少模光纤传输信道采用纯二氧化硅的折射率纤芯，实现了低损耗性能；
3.该模式复用器的环形芯少模光纤传输信道采用大有效折射率差传输信道并合理设置传输信道的位置和长度，实现了低串扰、高消光比性能；为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入和光学信息处理、新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持；
4.该模式复用器的环形芯少模光纤传输信道中的模场特性可以通过改变纤芯、内外包层尺寸和折射率分布来改变；合理设置传输信道的位置和长度可调整模式复用器性能。
附图说明
图1是本发明一种高消光比的三模式模分复用器示意图；该模分复用器由3个相同少模光纤传输信道组成；
图2是少模光纤传输信道横截面示意图，少模光纤传输信道由纤芯、内包层、外包层组成，其纤芯折射率呈环形分布；
图3所示为复用解复用器的三种模式信道的消光比随着入射光波长的变化曲线，其中标有右三角、星号、方形的曲线分别为LP01、LP11a、LP11b的消光比随入射光波长的变化情况。
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是本发明一种高消光比的三模式模分复用器示意图；该模分复用器由3个相同少模光纤传输信道组成；少模光纤传输信道FMF1是模分复用解复用器的主信道，FMF2和FMF3分别放置在x和y轴上；各模式LP01、LP11a与LP11b分别从FMF1、FMF3和FMF2左端入射，沿着z方向传输耦合复用；LP11a和LP11b将分别从FMF3和FMF2耦合到FMF1中，实现3个模式的模式复用；若3个模式均从FMF1入射，LP11a和LP11b分别从FMF1耦合到FMF3和FMF2中，则实现3个模式的模式解复用；根据各模式耦合长度与信道间距的变化关系，FMF2和FMF3到主信道FMF1的信道间距均设计为27μm，各信道长度均为33mm；合理设置传输信道的位置和长度可调整模式复用器性能。
图2是少模光纤传输信道横截面示意图，少模光纤传输信道由纤芯、内包层、外包层组成，其纤芯折射率呈环形分布；信道半径r＜3.5μm，采用掺氟二氧化硅材料，折射率为n2＝1.437024(内包层，左斜阴影部分)；3.5μm≤r≤6.5μm，采用纯二氧化硅材料，折射率为n1＝1.444024(环形纤芯，白色部分)；r＞6.5μm，采用掺氟二氧化硅材料，折射率为n2＝1.437024(外包层，右斜阴影部分)；该光纤圆环形上的折射率高周边折射率，使用圆环部位进行光的传输；光纤中模场特性可以通过改变纤芯、内外包层的尺寸和折射率分布来改变。
图3所示为复用解复用器的三种模式信道的消光比随着入射光波长的变化曲线，其中标有右三角、星号、方形的曲线分别为LP01、LP11a、LP11b的消光比随入射光波长的变化情况。由图3可以看出，LP01模式的消光比最大，LP11a模式和LP11b模式的消光比数值相近，比LP01模式的消光比小很多；所有的LP模式的消光比随着入射光波长的增加都有减少的趋势。在波长1400nm-1700nm范围内，3种模式的消光比均优于30.41dB，且LP01的消光比大于LP11两种模式的消光比，这说明LP01模式输入主信道后，LP11模式对LP01模式的串扰不大。在C波段，LP01模式消光比均大于49.09dB，比LP11模式消光比平均值大13.96dB；三模式的消光比均优于37.48dB，比文献[Tsekrekos，Christos P，and D.Syvridis.″SymmetricFew-Mode Fiber Couplers as the Key Component for Broadband ModeMultiplexing.″Journal of Lightwave Technology 2014 32.14：2461-2467]中的模式消光比20dB高出17.48dB。
总之，所提出的高消光比模分复用器可实现3个模式的模式复用解复用。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地得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。

Claims (2)

1.一种高消光比的三模式模分复用器，其特征在于：该模分复用器由3个相同少模光纤传输信道组成；少模光纤传输信道FMF1是模分复用解复用器的主信道，放置在z轴，其轴心与z轴重合；FMF2和FMF3分别放置在x和y轴上，FMF2和FMF3轴心分别从x和y轴开始平行于FMF1的轴心；各模式LP01、LP11a与LP11b分别从FMF1、FMF3和FMF2左端入射，沿着z方向传输耦合复用；LP11a和LP11b将分别从FMF3和FMF2耦合到FMF1中，实现3个模式的模式复用；若3个模式均从FMF1入射，LP11a和LP11b分别从FMF1耦合到FMF3和FMF2中，则实现3个模式的模式解复用；根据各模式耦合长度与信道间距的变化关系，FMF2和FMF3到主信道FMF1的信道间距均设计为27μm，各信道长度均为33mm；合理设置传输信道的位置和长度可调整模式复用器性能；少模光纤传输信道由纤芯、内包层、外包层组成，其纤芯折射率呈环形分布；信道半径r＜3.5μm的部分是内包层，采用掺氟二氧化硅材料，折射率为n2＝1.437024；3.5μm≤r≤6.5μm的部分是环形纤芯，采用纯二氧化硅材料，折射率为n1＝1.444024；r＞6.5μm的部分是外包层，采用掺氟二氧化硅材料，折射率为n2＝1.437024；该光纤圆环形上的折射率高于周边折射率，使用圆环部位进行光的传输；光纤中模场特性可以通过改变纤芯、内外包层的尺寸和折射率分布来改变。
2.根据权利要求1所述模分复用器，其性能特征在于融合了纯二氧化硅纤芯环形芯少模光纤的优点，实现了LP01、LP11a与LP11b三种模式的模式复用解复用；采用纯二氧化硅的折射率纤芯，实现了低损耗性能；采用大有效折射率差传输信道并合理设置传输信道的位置和长度，实现了低串扰、高消光比性能。
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