CN113359237B - 一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器；采用纯二氧化硅材料椭圆芯信道，有效降低损耗、打破模式简并；采用大折射率差，有效降低模式串扰；实现了椭圆芯少模（解）复用器的三模式复用和解复用运作。

Description

一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器
技术领域
本发明涉及一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器，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，各种通信业务流量指数增长，单模光纤通信受到了前所未有的挑战。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及其相关器件和应用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；董秋焕，刘阳，郑宏军黎昕，白成林，胡卫生等，模分复用系统中少模复用(解复用)技术研究[J].聊城大学学报(自然科学版)，2020，33(2):50-67；王潇，郑宏军*(通讯作者)，黎昕，刘阳，于如愿，白成林，胡卫生，模分复用系统中的少模光纤研究新进展，聊城大学学报(自然科学版),2019.4，32(2):69-79]；椭圆芯少模光纤可打破模式简并，具有较大的模式间折射率差，得到了大家的关注；[Junpeng Liang,Qi Mo,Songnian Fu,Ming Tang,P.Shum,and Deming Liu,"Design andfabrication of elliptical-core few-mode fiber for MIMO-less datatransmission,"Opt.Lett.41,3058-3061(2016)；G.Milione,E.Ip,P.Ji,Y.Huang,T.Wang,M.Li,J.Stone,and G.Peng,"MIMO-less Space Division Multiplexing withElliptical Core Optical Fibers,"in Optical Fiber Communication Conference,OSATechnical Digest(online)(Optical Society of America,2017),paper Tu2J.1]；少模光纤不同模式下的有效折射率差(ERID)大于0.5x10-3可以避免模式耦合(Pierre Sillardet al.Few-Mode Fibers for Space-Division Multiplexed Transmissions[J],European Conference&Exhibition on Optical Communication,2013.03(A1):1-3；Roland Ryf.Switching and Multiplexing Technologies for Mode-DivisionMultiplexed Networks,Optical Fiber Communication Conference&Exposition,2017,Tu2c)；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.2016.Advances in ultra-low loss silica fibers[J].Frontiersin Optics,paper FTu2B.2；S.Ten.2016.Ultra Low-loss Optical Fiber Technology[J].Optical Fiber Communication Conference,paper Th4E.5；YoshiakiTamura.2018.Ultra-low loss silica core fiber for long haul transmission[J].Optical Fiber Communication Conference,paper M4B.1)。基于少模光纤的模分复用研究成为近年来的研究热点之一；少模模分复用器成为模分复用传输的关键器件之一，其研究得到了大家的广泛关注。耦合模理论[John D.Love and Nicolas Riesen,"Mode-selective couplers for few-mode optical fiber networks,"Opt.Lett.37,3990-3992(2012)]和光束传播方法(BPM)的数值模拟[John D.Love and Nicolas Riesen,"Mode-selective couplers for few-mode optical fiber networks,"Opt.Lett.37,3990-3992(2012)；T.Joseph and J.John,“Two-core fiber based mode converter and modedemultiplexer,”Journal of Optic Society of America B,vol.36,no.8,pp.1987–1994,Aug.2019；T.Joseph and J.John,“Thermally expanded multicore-fiber-basedmode multiplexer/demultiplexer,”Journal of Optic Society of America B,vol.36,no.12,pp.3499–3504,Dec.2019]都与使用定向耦合方法的纤芯间模式复用器和解复用器实验演示一致[H.Uemura,Y.Sasaki,S.Nishimoto,T.Uematsu,K.Takenaga,K.Omichi,R.Goto,S.Matsuo,K.Saitoh,“Mode multiplexer/demultiplexer based on a partiallyelongated multi-core fiber,"in proceedings of optical fiber communicationconference2014,paper.Tu3D；S.Gross,N.Riesen,J.D.Love,and M.J.Withford,“Three-dimensional ultra-broadband integrated tapered mode multiplexers",Laser&Photonics Reviews,vol.8,no.5,pp.L81–L85,Sep.2014]。研究表明，采用定向耦合方法进行模式复用和解复用是可行的。
综上，我们将纯二氧化硅纤芯、椭圆芯折射率分布少模光纤的概念有机融合，采用定向耦合方法，提出了一种新型的低串扰少模复用器/解复用器，有望解决目前少模光纤传输的研究挑战，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，本发明提出了一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器，采用所提出的一种椭圆芯主传输信道，旁边两个耦合传输信道与主传输信道相同；根据光的可逆原理，该复用器逆向使用，则起到解复用作用。该复用器/解复用器融合了纯二氧化硅纤芯、椭圆芯折射率分布少模纤芯的优点，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：
本发明提出了一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器，该复用器/解复用器的三个信道都采用相同的纯二氧化硅材料椭圆芯少模光纤(FMF)信道，椭圆芯FMF信道打破了LP11a和LP11b的模式简并、降低了损耗；模分复用器主传输信道的轴心与Z轴重合；FMF-a和FMF-b作为耦合传输信道，均与主传输信道平行，分别置于YZ和XZ平面上；三个模式信道是三维并联等长结构，信道均从Z＝0开始；入射模式LP01、LP11a和LP11b分别从FMF、FMF-a和FMF-b的左侧输入，入射模式沿z方向传输和(解)复用；LP11a和LP11b将分别从FMF-a和FMF-b耦合到FMF，实现三种模式的模式复用；如果这三种模式都是从FMF入射的，则LP11a和LP11b模式分别从FMF耦合到FMF-a和FMF-b，实现了三种模式的解复用；根据各模式耦合长度与信道间距的变化关系，FMF-a和FMF-b到主信道FMF的信道外周间距分别设计为6.3μm和10.4μm，各信道长度均为1cm；椭圆芯主传输信道的长轴直径d1≤10.8μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d1>10.8μm,光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；短轴直径d2≤7.2μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d2>7.2μm，光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；最外包层半径r为62.5μm；在1520nm-1600nm波长范围内，LP01与LP11a之间的模式间有效折射率差(nLP01-nLP11a)均大于3.92×10-3，LP11a与LP11b的模式简并被打破，它们模式间有效折射率差(nLP11a-nLP11b)均大于2.23×10-3，远大于以往文献中相应折射率差9×10-4；两个耦合传输信道与主传输信道相同；各模式间具有较大的有效折射率差，降低了模式串扰；在整个C波段，该类型光纤信道的本征损耗较小，均小于0.162dB/km；在1520nm-1600nm波段，该模分复用器的耦合效率优于-2.26dB，消光比均优于39.93dB；采用纯二氧化硅材料椭圆芯传输信道，有效降低损耗、打破模式简并；采用大折射率差，有效降低模式串扰，进一步提高少模复用器/解复用器性能。
本发明的有益效果如下：
1.采用纯二氧化硅材料椭圆芯传输信道，有效降低损耗、打破模式简并；
2.采用模式间大折射率差，有效降低模式串扰；
3.该光纤融合了纯二氧化硅信道、椭圆芯信道的优点，从而进一步提高少模复用器/解复用器性能，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。
附图说明
图1是一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器结构示意图
图2是少模复用器/解复用器主传输信道的椭圆芯折射率分布图。
图3是一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器主传输信道的三模式本征损耗图。
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是一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器结构示意图。该(解)复用器的三个信道都采用相同的纯二氧化硅材料椭圆芯FMF信道，椭圆芯FMF信道打破了LP11a和LP11b的模式简并、降低了损耗；模分复用器主传输信道的轴心与Z轴重合；FMF-a和FMF-b作为耦合传输信道，均与主传输信道平行，分别置于YZ和XZ平面上；三个模式信道是三维并联等长结构，信道均从Z＝0开始；入射模式LP01、LP11a和LP11b分别从FMF、FMF-a和FMF-b的左侧输入，入射模式沿z方向传输和(解)复用；LP11a和LP11b将分别从FMF-a和FMF-b耦合到FMF，实现三种模式的模式复用；如果这三种模式都是从FMF入射的，则LP11a和LP11b模式分别从FMF耦合到FMF-a和FMF-b，实现了三种模式的解复用；根据各模式耦合长度与信道间距的变化关系，FMF-a和FMF-b到主信道FMF的信道外周间距分别设计为6.3μm和10.4μm，各信道长度均为1cm。
图2是少模复用器/解复用器主传输信道的椭圆芯折射率分布图；图2可以看出，从长轴来看，直径d1≤10.8μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d1>10.8μm,光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；从短轴来看，直径d2≤7.2μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d2>7.2μm，光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；最外包层半径r为62.5μm；在1520nm-1600nm波长范围内，LP01与LP11a之间的模式间有效折射率差(nLP01-nLP11a)均大于3.92×10-3，LP11a与LP11b的模式简并被打破，它们模式间有效折射率差(nLP11a-nLP11b)均大于2.23×10-3，远大于以往文献中相应折射率差9×10-4。两个耦合传输信道与主传输信道相同；各模式间具有较大的有效折射率差，降低了模式串扰。
图3是一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器主传输信道的三模式本征损耗图，可以看出，在波长为1.54μm时，该椭圆芯光纤的本征损耗达到最低值，LP01、LP11a和LP11b三种模式的本征损耗分别为0.147dB/km、0.152dB/km和0.159dB/km。在1.55μm波长处，三种空间模式的传输损耗均小于0.160dB/km，优于文献[Junpeng Liang,Qi Mo,Songnian Fu,Ming Tang,P.Shum,and Deming Liu,"Design and fabrication of elliptical-corefew-mode fiber for MIMO-less data transmission,"Opt.Lett.41,3058-3061(2016)]中的0.3dB/km。在整个C波段，该类型光纤信道的本征损耗较小，均小于0.162dB/km；在1520nm-1600nm波段，该模分复用器的耦合效率优于-2.26dB，消光比均优于39.93dB，优于以往文献中的相关参数。
总之，实现了低损耗、低串扰三模式复用解复用运作。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 (1)

1.一种低串扰椭圆芯少模复用器/解复用器，其特征在于：该复用器/解复用器的三个信道都采用相同的纯二氧化硅材料椭圆芯少模光纤（FMF）信道；模分复用器主传输信道的轴心与Z轴重合；FMF-a和FMF-b作为耦合传输信道，均与主传输信道平行，分别置于YZ和XZ平面上；三个模式信道是三维并联等长结构，信道均从Z=0开始；入射模式LP01、LP11a和LP11b分别从FMF、FMF-a和FMF-b的左侧输入，入射模式沿z方向传输和复用/解复用；LP11a和LP11b将分别从FMF-a和FMF-b耦合到FMF，实现三种模式的模式复用；如果这三种模式都是从FMF入射的，则LP11a和LP11b模式分别从FMF耦合到FMF-a和FMF-b，实现了三种模式的解复用；
根据各模式耦合长度与信道间距的变化关系，FMF-a外周和FMF-b外周到主信道FMF的信道外周间距分别为6.3 μm和10.4 μm，各信道长度均为1 cm；椭圆芯主传输信道的长轴直径d1≤10.8μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d1>10.8μm ,光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；短轴直径d2≤7.2 μm，纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；d2>7.2 μm，光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4320；最外包层半径r为62.5μm；在1520nm-1600nm波长范围内，LP01与LP11a之间的模式间有效折射率差（nLP01-nLP11a）均大于3.92×10-3；LP11a与LP11b的模式间有效折射率差（nLP11a-nLP11b）均大于2.23×10-3；在整个C波段，该FMF信道的本征损耗均小于0.162 dB/km；在1520nm-1600nm波段，该椭圆芯少模复用器/解复用器的耦合效率优于-2.26 dB，消光比均优于39.93 dB。
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