CN111999816B - 一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器优化方法 - Google Patents

一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器优化方法，属于光纤通信技术领域，确定光子灯笼模型，对光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率进行参数扫描；分析计算光子灯笼模式串扰与模式纯净度间的关系；再次对光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率进行参数扫描；综合分析上述两个参数区间，确定最优的光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率，使其同时满足具有低串扰、高耦合效率和高模式纯净度的光子灯笼。通过优化光子灯笼输出尾端玻璃套管的内径和玻璃套管的折射率，降低光子灯笼各个模式间的串扰，提高光子灯笼各个模式的模式纯净度和耦合效率。本发明提供的优化方法与现有的制造工艺相兼容，能够在实际制作中实现。

Description

一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器优化方法
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体为一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器优化方法。
背景技术
在信息通信技术飞速发展的今天，人们对网络带宽的需求呈指数型增长，再加上单模光纤通信系统的传输速率和容量越来越接近非线性香农极限，使得单模光纤(Single-Mode Fiber，SMF)通信系统已经不能满足目前通信容量的需求。因此寻求一种高速率大容量的通信系统成为了目前光通信技术的重大挑战，基于少模光纤(Few-Mode Fiber，FMF)的模分复用(Mode Division Multiplexing，MDM)系统可以通过有限个独立正交空间模式进行信号承载，实现多路信号独立并行传输，进而成倍的提升了系统的传输容量，也因此受到了国内外的广泛关注。
在MDM系统中，最为关键的器件就是模式复用/解复用器，它可以将多个不同模式的光信号复用到一根多模光纤中进行传输，也可以将多模光纤中的光信号解复用到多个单模光纤中进行接收。其中，光子灯笼型模式复用/解复用器是一种全光纤型的器件，因此广受欢迎。
常用的光子灯笼为模式选择型光子灯笼，能够实现多个模式的复用与解复用，其一端为数根单模光纤，另一端为一个多模光纤，中间为由玻璃套管和单模光纤绝热拉锥形成的锥形过渡区。目前的光子灯笼在模式串扰、模式耦合效率和模式纯净度等性能方面并不是很理想，因此还有很大的优化空间。
发明内容
本发明针对目前光子灯笼性能不理想的问题，提出并发明了一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器的优化方法，通过优化光子灯笼的结构参数，减小光子灯笼各个模式间的串扰，提高模式耦合效率和模式纯净度等性能。
本发明的具体技术方案如下：
一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器的优化方法，具体步骤如下：
第一步，确定光子灯笼模型，包括光子灯笼能够承载的模式数量以及光子灯笼的基本结构参数；
第二步，对光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率进行参数扫描，遍历并计算所有参数下各个模式的有效折射率(neff)，得到光子灯笼各个模式有效折射率差(Δneff)与上述两个参数间的关系，根据关系曲线确定最优的光子灯笼输出尾端玻璃套管内径大小和套管折射率；
第三步，分析计算光子灯笼模式串扰与模式纯净度间的关系，通过较低的模式串扰得到较高的模式纯净度；
第四步，再次对光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率进行参数扫描，遍历并计算所有参数下各个模式的耦合效率，得到光子灯笼各个模式的耦合效率与上述两个参数间的关系，并根据关系曲线确定满足光子灯笼各个模式高耦合效率的参数区间；
第五步，综合分析上述两个参数区间，确定最优的光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率，使其同时满足具有低串扰、高耦合效率和高模式纯净度的光子灯笼。
进一步地，第二步中的光子灯笼低串扰的参数区间的选择方式如下：
模式选择型光子灯笼中同时存在多个模式，当两个模式间的有效折射率差值(Δneff)大于10-3时，其模式串扰会减小，差值越大，串扰越小，满足该条件的区域作为光子灯笼的输出尾端玻璃套管内径大小和套管折射率。
进一步地，第三步中的两个模式(模式i和模式j)间的串扰为：
Cij＝10log10Pij-10log10Pin (1)
模式i的模式纯净度(Mode Purity，MP)和耦合效率(Coupling Efficiency，CE)f分别为：
Figure BDA0002666210940000021
CEi＝Pii/Pin (3)
其中，Pii为从输入端模式i口通光，在输出端检测到的模式i的功率，Pij为从输入端模式i口通光，在输出端检测到的模式j的功率，Pin为输入端通光的功率。
将公式(1)与公式(2)联立，可得到模式纯净度与模式串扰的关系，结合仿真分析，可得到较低的模式串扰和较高的模式纯净度，并根据光子灯笼高耦合效率的区域确定光子灯笼的输出尾端玻璃套管内径大小和套管折射率)。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明首次研究了光子灯笼尾端套管内径和套管折射率对光子灯笼模式串扰、模式纯净度和耦合效率的影响，并提供了一种低串扰、高性能的光子灯笼优化方法。通过优化光子灯笼输出尾端玻璃套管的内径和玻璃套管的折射率，从而降低光子灯笼各个模式间的串扰，提高光子灯笼各个模式的模式纯净度和耦合效率。此外，本发明提供的优化方法与现有的制造工艺相兼容，能够在实际制作中实现。
附图说明
图1为本发明提供的低串扰、高性能光子灯笼优化方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的模式选择型光子灯笼结构示意图；
图3为本发明实施例提供的模式选择型光子灯笼输出尾端截面示意图；
图4为本发明实施例的三模式选模光子灯笼各模式与基模的有效折射率差值随光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率变化曲线；
图5为本发明实施例的六模式选模光子灯笼各模式与基模的有效折射率差值随光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率变化曲线；
图6为本发明实施例的三模式/六模式选模光子灯笼各模式纯净度与串扰的变化曲线；
图7为本发明实施例的三模式选模光子灯笼各模式耦合效率随光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率变化曲线；
图8为本发明实施例的六模式选模光子灯笼各模式耦合效率随光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率变化曲线；
图中：模式选择型光子灯笼10，模式选择型光子灯笼输入端11，单模光纤12，玻璃套管13，模式选择型光子灯笼锥形过渡区14，模式选择型光子灯笼输出尾端15，少模光纤16。
具体实施方式
为了更加清楚地理解本发明的优化方法，下面结合附图对本发明实施例进行详细的描述。
实施例1
本发明实施例提供的模式选择型光子灯笼结构如下：
如图2所示，模式选择型光子灯笼10，其结构包括：模式选择型光子灯笼的输入端11和模式选择型光子灯笼的输出端15，模式选择型光子灯笼的输入端和输出端中间为玻璃套管形成的锥形过渡区14。
模式选择型光子灯笼的输入端11包括：数根不同尺寸的单模光纤12和玻璃套管13，所述数根不同尺寸单模光纤12以固定的几何排布插入玻璃套管13中。具体的几何排布按照如下规则：如图3所示，三模式选模光子灯笼将三根不同尺寸单模光纤12按等边三角形形状排布；六模式选模光子灯笼将五根不同尺寸单模光纤12按正五边形形状排布，剩余一根单模光纤12位于正五边形的中心。
模式选择型光子灯笼的输出端15包括：经熔融拉锥后形成的玻璃套管尾端15和与尾端熔接的少模光纤16，玻璃套管尾端15内部为熔合状态的数根单模光纤12包层和以固定几何排布的数根单模光纤12纤芯。这里的固定几何排布和输入端数根单模光纤12的几何排布相同，因此不再赘述。
进一步地，本发明实施例提供的一种低串扰，高性能光子灯笼优化方法，具体如下：
第一步，模式选择型光子灯笼中同时存在多个模式，当两个模式间的有效折射率差值(Δneff)大于10-3时，其模式串扰会减小，差值越大，串扰越小。根据此理论，通过仿真分析，改变光子灯笼输出尾端15玻璃套管的内径和玻璃套管的折射率数值，能够使光子灯笼各个模式的有效折射率发生改变，对光子灯笼输出尾端15玻璃套管的内径和玻璃套管的折射率数值进行参数扫描，遍历并计算所有参数下的各个模式的有效折射率，得到光子灯笼各个模式有效折射率差(Δneff)与上述两个参数间的关系，根据关系曲线确定最优的光子灯笼输出尾端15玻璃套管内径大小和玻璃套管的折射率数值区间。本发明以三模式选模光子灯笼和六模式选模光子灯笼为例，具体仿真结果如图4和图5所示，对于三模式选模光子灯笼，参见图4，模式LP11a和LP11b与基模LP01间的有效折射率差值与光子灯笼尾端15玻璃套管内径呈反比关系，当尾端玻璃套管内径在20～25um区间时，模式LP11a和LP11b与基模LP01间的有效折射率差值满足大于10-3，可有效减小模式串扰；对于六模式选模光子灯笼，参见图5，模式LP11、LP21和LP02与基模LP01间的有效折射率差值与光子灯笼尾端15玻璃套管内径仍然呈反比关系，当尾端玻璃套管内径在20～24um区间时，能够同时满足模式LP11、LP21和LP02与基模LP01间的有效折射率差值大于10-3，因此可有效减小模式串扰。此外，三模式和六模式选模光子灯笼各模式基模LP01间的有效折射率差值与光子灯笼玻璃套管折射率均呈反比关系，因此应尽量选择低折射率的玻璃套管。
第二步，分析模式选择型光子灯笼模式纯净度与模式串扰间的关系，结合如下公式：
两个模式(模式i和模式j)间的串扰为：
Cij＝10log10Pij-10log10Pin (1)
模式i的模式纯净度(Mode Purity，MP)为：
Figure BDA0002666210940000051
其中，Pii为从光子灯笼输入端11模式i口通光，在输出端少模光纤16检测到的模式i的功率，Pij为从光子灯笼输入端11模式i口通光，在输出端少模光纤16检测到的模式j的功率，Pin为光子灯笼输入端11通光的功率。这里为了方便计算，将Pin设置为1mw。
将公式(1)与公式(2)联立，结合仿真分析，可得到模式纯净度与模式串扰的关系。具体仿真结果如图6所示，对于三模式选模光子灯笼，各模式的纯净度随着串扰的减小而增加，模式LP01的变化尤为明显，增量最高可达10dB，模式LP11a和LP11b纯净度增量最高能达到5dB左右；对于六模式选模光子灯笼，模式LP01的纯净度增量最高可达9dB，其他模式的纯净度增量最高能达到5dB左右。
第三步，分析模式选择型光子灯笼模式耦合效率与输出尾端15玻璃套管内径和玻璃套管折射率的关系，结合如下公式：
模式i的耦合效率(Coupling Efficiency，CE)为：
CEi＝Pii/Pin (3)
对光子灯笼输出尾端15玻璃套管的内径和玻璃套管的折射率数值进行参数扫描，在输出端少模光纤16监测各个模式的输出功率，计算各个模式的耦合效率，结合仿真结果，得到最优的光子灯笼输出尾端15玻璃套管内径大小和玻璃套管的折射率数值区间。具体仿真结果如图7和图8所示，对于三模式选模光子灯笼，各模式的耦合效率随着尾端15套管内径的增加而增大，基模LP01的增量最高能达到3％，模式LP11a和LP11b的增量最高能达到5％；此外，玻璃套管折射率在1.42-1.43区间时，各个模式的耦合效率最高；对于六模式选模光子灯笼，各模式的耦合效率依然随着尾端15套管内径的增加而增大，高阶模的变化尤为明显，LP02的增量最高能达到5％，其他模式最高能达到2％～3％；此外，较低的套管折射率能增加各模式的耦合效率，实际制作中应选择更低折射率的玻璃套管。
结合上述所有分析，对于本实施例的三模式选模光子灯笼，将其输出尾端15玻璃套管内径优化为25um，玻璃套管折射率优化为1.43，可同时满足各模式与基模有效折射率差值大于10-3，较小的模式串扰，较高的模式纯净度和模式耦合效率；对于本实施例的六模式选模光子灯笼，将其输出尾端15玻璃套管内径优化为23um，玻璃套管折射率优化为1.42，可同时满足各模式与基模有效折射率差值大于10-3，较小的模式串扰，较高的模式纯净度和模式耦合效率。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限制本发明。以上的介绍主要是为了用于对本发明的方法及其核心思想进一步的理解；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，对其进行的各种显而易见的改变，都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器的优化方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步，确定光子灯笼模型，包括光子灯笼能够承载的模式数量以及光子灯笼的基本结构参数；
第二步，对光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率进行参数扫描，遍历并计算所有参数下各个模式的有效折射率(neff)，得到光子灯笼各个模式有效折射率差(Δneff)与光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率参数的关系，根据关系曲线确定最优的光子灯笼输出尾端玻璃套管内径大小和套管折射率；
第三步，分析计算光子灯笼模式串扰与模式纯净度间的关系，通过较低的模式串扰得到较高的模式纯净度；
第四步，再次对光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率进行参数扫描，遍历并计算所有参数下各个模式的耦合效率，得到光子灯笼各个模式的耦合效率与光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率参数的关系，并根据关系曲线确定满足光子灯笼各个模式高耦合效率的参数区间；
第五步，综合分析满足光子灯笼低串扰的参数区间及满足光子灯笼高耦合效率的参数区间，确定最优的光子灯笼尾端玻璃套管内径和玻璃套管折射率，使其同时满足具有低串扰、高耦合效率和高模式纯净度的光子灯笼；
第三步及第四步中所述分析及计算过程具体如下：
分析模式选择型光子灯笼模式纯净度与模式串扰间的关系，结合如下公式：
两个模式(模式i和模式j)间的串扰为：
Cij＝10log10Pij-10log10Pin (1)
模式i的模式纯净度(Mode Purity，MP)为：
Figure FDA0003072837320000011
其中，Pii为从光子灯笼输入端(11)模式i口通光，在输出端少模光纤(16)检测到的模式i的功率，Pij为从光子灯笼输入端(11)模式i口通光，在输出端少模光纤(16)检测到的模式j的功率，Pin为光子灯笼输入端(11)通光的功率；
将公式(1)与公式(2)联立，结合仿真分析，可得到模式纯净度与模式串扰的关系；
分析模式选择型光子灯笼模式耦合效率与输出尾端(15)玻璃套管内径和玻璃套管折射率的关系，结合如下公式：
模式i的耦合效率(Coupling Efficiency，CE)为：
CEi＝Pii/Pin (3)
对光子灯笼输出尾端(15)玻璃套管的内径和玻璃套管的折射率数值进行参数扫描，在输出端少模光纤(16)监测各个模式的输出功率，计算各个模式的耦合效率，结合仿真结果，得到最优的光子灯笼输出尾端(15)玻璃套管内径大小和玻璃套管的折射率数值区间。
2.如权利要求1所述的一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器的优化方法，其特征在于，第二步中的光子灯笼低串扰的参数区间的选择方式如下：模式选择型光子灯笼中同时存在多个模式，当两个模式间的有效折射率差值(Δneff)大于10-3时，满足条件的区域作为光子灯笼输出尾端玻璃套管内径大小和套管折射率。
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