CN111239910B - 一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器及传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器及传输方法。本发明复用/解复用器结构包括多个纤芯，其中传输不同LP模式的纤芯粗细不同，同一模式组内的简并模采用相同纤芯；纤芯排布截面呈轴对称，激发圆对称模式的纤芯在对称轴上，激发非圆对称模式的纤芯对称排布在轴两侧；纤芯按同心圆环排布，激发LP_pq模式的纤芯位于从外到内的第q个环上，每一环上从位于对称轴上的纤芯开始两侧纤芯依次变细方式排列；排布后的所述纤芯一端通过熔融拉锥形成复用/解复用器的锥形耦合区。本发明解决了简并模式组接收问题且具有宽工作带宽及低串扰的优点。

Description

一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器及传输方法

技术领域

本发明涉及光纤型无源器件设计技术及应用领域，特别涉及一种弱耦合光子灯笼简并模式组复用及解复用器的设计和应用。

背景技术

为解决单模光纤通信系统带宽紧缺的问题，模分复用光传输方案得到广泛的研究。其利用少模/多模光纤中正交的模式作为独立信道进行传输，因而可以极大的增加光通信系统的频谱效率。在长距离模分复用系统中，由于模式间的强相互串扰，总是需要对所有模式同时使用多入多出数字信号处理技术来进行信道均衡。对于例如数据中心等短距离传输的场景下，可以使用弱耦合模分复用方案。由于不同模式组之间的可通过光纤纤芯折射率剖面进行抑制，强串扰仅仅发生在同一模式组的不同简并模式中，因此可以将同一模式组内的简并模式作为同一个传输信道进行传输，从而大大降低软硬件成本。

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，根据模式的空间分布可分为圆对称LP_0q(q＝1,2,3,…)模式与非圆对称LP_pq(p＝1,2,…；q＝1,2,3,…)模式。圆对称模式本身即为一个模式组。所有非圆对称的模式包含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，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，其将单模光纤中的基模LP₀₁模式转化为少模光纤中的某一个特定模式。在弱耦合少模光纤模式组复用系统中，需要有效抑制不同LP模式间的串扰以保证足够的信噪比。因而在系统的发射端，需要高选择性模式复用器激发出纯净的LP模式。由于光纤几何结构缺陷、光纤的弯曲以及温度变化等微扰，简并模式组中的模式会发生随机强串扰。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。由于串扰的随机性，两个简并模式的功率会有随机的浮动。普通的模式解复用器一般是将复用器反过来使用，只能解复用LP_pqa和LP_pqb两个简并模式中的一个。因此在接收端需要能够同时选择性接收LP_pqa和LP_pqb两个简并模式的简并模式组解复用器。

模式选择性光子灯笼是一种新型的模式复用/解复用器，较比于其他类型的模式复用/解复用器具有低插入损耗，宽工作带宽及易于实现模式数扩展等优势。其加工可由将多根单模光纤或多芯光纤插入低折射率套管(如掺氟二氧化硅)中熔融拉锥及在硅酸盐玻璃上使用飞秒激光直写波导两种方案实现，与光纤合束器及直写多芯扇入扇出工艺相兼容。光子灯笼通过使用具有不同纤芯的单模光纤作为输入光纤获得模式选择性。但目前已报道的光子灯笼的模式选择性及支持的模式数目尚不够高，难以应用到弱耦合场景。现有几种方案可提高光子灯笼模式复用/解复用器的模式选择性。

现有方案一：通过增加耦合锥区的长度来提高模式选择性。增加耦合区长度能更好地满足平滑转换的绝热近似条件，对于不同类型的光子灯笼均适用，普适性强。缺点是增加耦合锥区的长度极大地增加了加工难度，且体积大，无法大规模生产。

现有方案二：通过优化单模纤芯的几何位置来提高模式选择性。该方案需要通过参数扫描的方法进行位置参数优化，所需算力要求大，耗时长，且计算复杂度会随着模式的数目急剧增长，难以适用于更多模式的场景。且在实际生产中单模纤芯的几何位置也难以控制，不易于实用化生产。

现有方案三：通过循环遍历优化单模纤芯的排布。该方法需要对各种纤芯排布方案进行循环计算，虽然可以找到优化的排布方案，但同样面临计算复杂度随纤芯数目急剧增加的问题，难以适用于更多模式的场景。

模式光子灯笼作为模式解复用器时，只能够将不同空间模式解复用到不同的输出单模光纤中，同一简并模式组中的两个空间模式将解复用到两根输出单模光纤中，因而单独使用一个光子灯笼作为解复用器无法在不使用数字信号处理的前提下解决简并模式组的同时接收问题。需要对简并模式组输出端口级联合束器进行功率收集。

现有方案：使用另一个少模模式选择性光子灯笼进行功率收集。该方案需要对每一组简并模式组均生产一个少模模式选择性光子灯笼作为合束器，极大提高了加工成本。其次由于高速光电探测器接收光的面积较小，少模光子灯笼的输出尾纤为少模光纤，数值孔径大致使与光电探测器的耦合效率低。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种高选择性弱耦合光子灯笼简并模式组复用/解复用器及其传输方法。

本发明采用的方案是使用差分注入及设计的纤芯排布实现高选择性弱耦合光子灯笼模式复用器，采用设计的纤芯排布及级联两模非选择性光子灯笼实现弱耦合光子灯笼简并模式组解复用器。设计的支持4、6及9个LP模式的弱耦合光子灯笼纤芯排布方式如图1所示。对于不同的LP模式采用不同粗细的纤芯，而对于同一模式组内的简并模采用相同纤芯。纤芯排布呈中轴对称，圆对称模式的纤芯在对称轴上(如图1中LP₀₁与LP₀₂模式)，而非圆对称模式的纤芯对称排布在轴两侧(如图1中LP₁₁与LP₂₁模式)。光纤纤芯按同心圆环排布，LP_pq模式的纤芯位于从外到内的第q个环上，环的数目由最大的q决定。每一环上从中轴上的纤芯(对应于圆对称模式)开始两侧纤芯依次变细，同一环上第n粗的纤芯与该环上具有第n大有效折射率的LP模式相对应。每个环上的纤芯均需满足这种相对粗细和排列分布，具体纤芯尺寸可由仿真软件通过参数优化计算得到。本发明设计的光子灯笼复用器及简并模式组解复用器均采用该种纤芯排布。高选择性弱耦合光子灯笼模式复用器如图2所示，复用采用双端口差分注入的方案以从注入方法实现高的模式选择性，即激发圆对称模式时，直接从对应的单根光纤注入，而激发非圆对称模式时，从左右对称的两个相同的输入光纤(如端口1与端口2，在该设计的纤芯排布下，每个非圆对称模式总是与左右两根相同的纤芯对应)同时输入等功率反相位的光场，经过耦合锥区，将转换成纯净的LP₁₁模式从光子灯笼的输出端(端口3)输出，其它非圆对称模式也均通过在相应位置的两个对称输入端口采用差分注入的方式激发产生。该注入方法可以有效地提高模式选择性。

高选择性弱耦合光子灯笼简并模式组解复用器如图3所示。不存在空间简并性的圆对称模式将直接解复用到与该模式相应的单根单模光纤中输出。简并模式组解复用通过两步来实现。首先待解复用的LP_pq简并模式组从高选择性弱耦合光子灯笼输入端口(端口4，即少模尾纤一端)输入以进行解复用，经过耦合锥区转换到与该模式相应的两根相同单模光纤的基模中(不同模式将解复用到不同的光纤中)，然后两根相同输出光纤与一两模非选择性光子灯笼相连完成光束合路，合路后光场从输出端(如端口5，其余输出口也是输出端口，不同输出端口对应不同的模式)输出。实际应用中，将该复用器置于发射端可激发出不同的纯净的LP简并模式组，将解复用器置于接收端可实现高选择性的简并模式组的解复用。

光子灯笼的单模光纤数目应与LP空间模式的数目相等，为实现LP模式选择性，对于不同的LP模式采用不同粗细的纤芯，而对于同一模式组内的简并模采用相同纤芯。光纤纤芯按同心圆环排布是为了激发出纯净的圆纤芯少模光纤所支持的模式，提高激发模式的纯净度。该种纤芯排布设计也能减少复用/解复用器的末端少模光纤与少模尾纤连接时的额外损耗和模式串扰。将LP_pq模式的纤芯位于从外到内的第q个环上，每一环上从中轴上的纤芯到两侧纤芯依次变细，第n粗的纤芯与具有第n大有效折射率的LP模式相对应，这是为了调节锥区模式耦合过程，使锥区耦合产生的输出模场与预期模场相近，提高输出模式的纯净度。

由于LP模式选择性光子灯笼针对具有两个简并模式的非圆对称模式有两根单模光纤作为输入端口，因而可以同时在两个输入端口输入光场，以实现对锥区耦合过程的控制以提高选择性，在两个输入端口输入等功率反相位的光场是为了抑制轴对称串扰分量的产生，以提高激发出的模式的纯净度。

由于待解复用的LP_pqa和LP_pqb两个简并模式经由光子灯笼解复用会转换到两根单模光纤中，因而需要输出尾纤至少支持两个模式的合束器进行合束。使用两模非选择性光子灯笼而不使用其他光子灯笼是因为：

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、减少用于加工合路光子灯笼的单模光纤的种类和数目，降低生产成本与加工复杂度。

本发明的高选择性弱耦合光子灯笼模式组复用/解复用器及应用方法为：

如图4所示，光子灯笼模式简并模式组复用及解复用器分别置于发射端和接收端。

在发射端通过光子灯笼模式复用器实现模式复用。经由多台调制器产生的多路待复用调制信号，若需复用到圆对称模式(如LP₀₁模)上，则直接与相应输入单模光纤相连，若需复用到非圆对称模式(如LP₁₁模)上，则先通过差分分束器(这里以非对称定向耦合器举例)，将信号分为两路等功率反相位的基模信号，再与相应两根输入单模光纤相连。实现LP模式复用。

经一段少模光纤的传输后，在接收端通过光子灯笼简并模式组解复用器进行解复用。对于圆对称模式，将解复用到相应单根单模光纤，解复用后的信号直接与光电探测器相连进行探测。对于非圆对称模式，先解复用到相应两根单模光纤，再经由两模非选择性光子灯笼进行合路，合路后信号与光电探测器相连进行探测。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明提出的方案极大提高了光子灯笼模式复用器的模式选择性，且与现有加工工艺兼容；给出了可扩展的优化纤芯排布方案，无需循环计算；解决了简并模式组接收问题且具有宽工作带宽及低串扰的优点；使用两模光纤也减小了光电探测器的耦合难度与加工复杂度。

附图说明

图1是弱耦合光子灯笼优化纤芯排布的示意图；

(a)为4个LP模式的弱耦合光子灯笼优化纤芯排布的示意图，

(b)为6个LP模式的弱耦合光子灯笼优化纤芯排布的示意图，

(c)为9个LP模式的弱耦合光子灯笼优化纤芯排布的示意图；

图2是双端口差分注入光子灯笼复用器的示意图；

图3是光子灯笼简并模式组解复用器的结构图；

图4是4个LP模式的高选择性光子灯笼复用器及模式组解复用器的应用示意图。

具体实施方式

下面以4个LP模式高选择性光子灯笼简并模式组复用器解复用器为例来对本发明进行详细的说明。

以图1中4个LP模式高选择性光子灯笼的纤芯排布方法设计并加工光子灯笼复用器及解复用器。复用/解复用器的光纤阵列端面均由六根单模光纤构成，其中一根与LP₀₁模式对应，两根与LP₁₁模式对应，两根与LP₂₁模式对应，一根与LP₀₂模式对应。对应的纤芯尺寸大小关系为LP₀₁模式＞LP₁₁模式＞LP₂₁模式＞LP₀₂模式。排布方式如图1(a)所示。具体纤芯的粗细可通过数值仿真进行优化，复用器及解复用器的加工可由当下的熔融拉锥工艺或飞秒激光直写工艺实现。同时加工两个两模非选择性光子灯笼用于光场合路。为降低光子灯笼解复用器与合束器的连接损耗，两模非选择性光子灯笼的输入纤芯与光子灯笼解复用器相应的输出纤芯保持一致。将两个两模非选择性光子灯笼分别与LP₁₁和LP₂₁输出端口相连，整体构成4LP模式组光子灯笼解复用器。

如图4所示，光子灯笼模式复用器及简并模式组解复用器分别置于发射端和接收端。

在发射端通过光子灯笼模式复用器实现模式复用。经由四台调制器产生四路待复用调制信号。需复用到LP₀₁与LP₀₂两个圆对称模式上的输入信号，直接输入到复用器中相应单模光纤，实现圆对称模式的复用。需复用到LP₁₁与LP₂₁两个非圆对称模式上的输入信号，则先通过差分分束器(这里以非对称定向耦合器举例)，将两路输入信号分别分为两路等功率反相位的基模信号，再输入到复用器中相应的两根单模光纤完成差分输入，实现非圆对称模式复用。

经一段少模光纤的传输后，在接收端通过光子灯笼简并模式组解复用器进行解复用。对于LP₀₁与LP₀₂两个圆对称模式上的输入信号，将直接解复用到相应单根单模光纤，解复用后的信号直接与光电探测器相连进行探测。对于LP₁₁与LP₂₁两个非圆对称模式组上的输入信号，先分别解复用到相应两根单模光纤，再分别经由两个两模非选择性光子灯笼进行合路，合路后信号与光电探测器相连进行探测。整体实现简并模式组简解复用。

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 (7)

1.一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，包括多个纤芯，其中传输不同LP模式的纤芯粗细不同，同一模式组内的简并模采用相同纤芯；纤芯排布截面呈轴对称，激发圆对称模式的纤芯在对称轴上，激发非圆对称模式的纤芯对称排布在轴两侧；纤芯按同心圆环排布，激发LP_pq模式的纤芯位于从外到内的第q个环上，每一环上从位于对称轴上的纤芯开始两侧纤芯依次变细方式排列；排布后的所述纤芯一端通过熔融拉锥形成复用/解复用器的锥形耦合区；其中LP_pq模式中p＝0,1,2,…；q＝1,2,3,…。

2.如权利要求1所述的光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，所述锥形耦合区的末端为少模光纤结构。

3.如权利要求1所述的光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，所述锥形耦合区与一少模光纤连接。

4.如权利要求1或2或3所述的光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，同一环上第n粗的纤芯与该环上具有第n大有效折射率的LP模式相对应。

5.一种基于权利要求1所述光子灯笼型简并模组复用器的传输方法，其特征在于，激发圆对称模式时，从对应的单根光纤注入圆对称模式光，然后经锥形耦合区输出；激发非圆对称模式时，从对称的两个相同纤芯同时输入等功率反相位的光场，经锥形耦合区输出。

6.一种基于权利要求1所述光子灯笼型简并模组解复用器的传输方法，其特征在于，对于待解复用的LP_pq简并模式组，将其输入锥形耦合区转换到与该LP_pq简并模式组对应的两根相同单模光纤的基模中，然后将该两根相同单模光纤与一个两模非选择性光子灯笼相连完成光束合路后输出；其中LP_pq简并模式中p＝1,2,…；q＝1,2,3,…。

7.一种权利要求1所述光子灯笼型简并模组复用/解复用器的应用方法，其步骤为：

1)将所述光子灯笼型简并模组复用器置于发射端，将所述光子灯笼型简并模组解复用器置于接收端；

2)当发射端需要将多路待复用调制信号复用到非圆对称模式上时，先将每一路待复用调制信号分为两路等功率反相位的基模信号，再与所述光子灯笼型简并模组复用中相应两根纤芯相连；然后经一段少模光纤的传输后发送到接收端；

3)当接收端利用所述光子灯笼型简并模组解复用器接收非圆对称信号时，将非圆对称LP_pq简并模式组经锥形耦合区转换到与该LP_pq简并模式组对应的两根相同单模光纤的基模中，然后将该两根相同单模光纤与一个两模非选择性光子灯笼相连完成光束合路后输出，每一合路后信号经一光电探测器进行探测；其中LP_pq简并模式中p＝1,2,…；q＝1,2,3,…。

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