CN113376731B - 一种少模双芯光功率分束器单元及集成光功率分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种少模双芯光功率分束器单元及集成光功率分束器，该分束器单元包括：第一包层、设置在第一包层内的第二包层以及设置在第二包层之内的两个纤芯；第一包层和第二包层之间形成圆环状腔体，圆环状腔体内填充有第一填充材料；第二包层与两个纤芯之间填充有第二填充材料，第二填充材料的折射率高于第一填充材料的折射率；每一个纤芯内填充有第三填充材料，第三填充材料的折射率高于第二填充材料的折射率；每一个纤芯的直径在第一范围内，以使减小两个纤芯的模间串扰且支持多种光学模式；两个纤芯之间的芯间距小于预设值，以减小两个纤芯的模间串扰。本发明可以在将两个纤芯的模间串扰控制在很低水平的同时支持多种光学模式。

Description

一种少模双芯光功率分束器单元及集成光功率分束器

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种少模双芯光功率分束器单元及集成光功率分束器。

背景技术

在光纤通信网络系统中，空分复用(简称为SDM)技术是目前克服光通信实际容量限制的主要技术，而光纤功率分束器在SDM系统中起着重要作用，用于光功率的拆分。由单芯光纤输出的光束经过光纤功率分束器后，会被分为几个分支，进而路由到不同的位置用于不同的目的。目前，SDM系统中使用的光纤功率分束器主要有以下两种类型：

(1)弱耦合多芯光纤(简称MCF)分束器，这种分束器在一个包层区内包含多个单模纤芯，每个单模纤芯可单独使用。此类分束器可有效扩展空间信道数，但是在有限的包层尺寸条件下，纤芯数量也会被严重限制，芯间串扰较高，因此芯间串扰的抑制也是一个棘手的问题。

(2)少模光纤(简称FMF)分束器和多模光纤(简称MMF)分束器，此类分束器由一个单芯组成，这个单芯可以支持几种光学模式，每一种光学模式都可独立的传输数据，多模光纤分束器可以支持的光学模式的数量要多于少模光纤分束器可以支持的光学模式。多模光纤分束器在标准包层直径125μm的情况下，在理论上可以将空间信道数扩展到30以上。但是随着光纤纤芯可支持光学模式数量的增加，模间串扰的控制成为一个很具挑战性的问题，对于制造工艺的要求也非常严格。相比于多模光纤分束器，少模光纤分束器在现有制造工艺下，在通信波段内可以保持低的模间串扰，但同时也限制了空分复用的通信容量。

发明内容

本发明提供一种少模双芯光功率分束器单元及集成光功率分束器，可以减少模间串扰，提高信号质量。

为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种少模双芯光功率分束器单元，包括：第一包层、设置在所述第一包层内的第二包层以及设置在所述第二包层之内的两个纤芯；

所述第一包层和所述第二包层之间形成圆环状腔体，所述圆环状腔体内填充有第一填充材料；所述第二包层与所述两个纤芯之间填充有第二填充材料，所述第二填充材料的折射率高于所述第一填充材料的折射率；每一个所述纤芯内填充有第三填充材料，所述第三填充材料的折射率高于所述第二填充材料的折射率；每一个所述纤芯的直径在第一范围内，以使减小两个所述纤芯的模间串扰且支持多种光学模式；两个所述纤芯之间的芯间距小于预设值，以减小两个所述纤芯的模间串扰。

第二方面，本发明提供一种集成光功率分束器，包括：第三包层以及设置在所述第三包层内的多个少模双芯光功率分束器单元；所述第三包层与各个所述少模双芯光功率分束器单元之间填充有所述第二填充材料；所述少模双芯光功率分束器单元为权利要求1～6任一项所述的分束器单元。

本发明上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下技术效果：

本发明提供的少模双芯光功率分束器单元，由于从内向外的填充材料的折射率逐渐减小，光的传导机制是全内反射，减少外散的能量。而且，每一个所述纤芯的直径在第一范围内，可以在将两个所述纤芯的模间串扰控制在很低水平的同时支持多种光学模式。还有两个所述纤芯之间的芯间距小于预设值，可以进一步控制两个所述纤芯的模间串扰在一个比较低的水平。

本发明提供的集成光功率分束器，由于圆环状腔体的内侧为第二包层内的第二填充材料，圆环状腔体的外侧为第三包层内的第二填充材料，而圆环状腔体内是第一填充材料，而第一填充材料的折射率小于第二填充材料的折射率，因此圆环状腔体的折射率最低，可有效限制光能量的泄露，因此两个分束器单元之间的芯间串扰很小，可以忽略，因此可以保证光信息高质量的传输。进一步的，由于本发明的集成光功率分束器中集成了多个分束器单元，而每一个分束器单元中的纤芯可以支持多种光学模式且模间串扰很小，因此可以大大扩展空间信道数量，进而大大增加了空间信道容量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一个少模双芯光功率分束器单元的横截面示意图；

图2a是不同光学模式之间的有效折射率差随波长的变化示意图；

图2b是不同超模模式之间的有效折射率差随波长的变化示意图；

图3a是一个纤芯所支持的五种光学模式的模场图；

图3b是两个纤芯形成的五种超模模式的模场图；

图4a是两个纤芯的光功率随传输距离变化的示意图；

图4b是能量归一化后两个纤芯的光功率随传输距离变化的示意图；

图5是本发明实施例中一个集成光功率分束器的横截面示意图；

图6是本发明实施例中芯间串扰随着波长的变化示意图。

附图标记：

1、纤芯内的填充区；2、第二包层内的填充区；3、第一包层与第二包层之间的圆环状腔体；4、第三包层内的填充区。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本发明提供一种少模双芯光功率分束器单元，如图1所示，该分束器单元包括：第一包层、设置在所述第一包层内的第二包层以及设置在所述第二包层之内的两个纤芯；其中：

所述第一包层和所述第二包层之间形成圆环状腔体，所述圆环状腔体内填充有第一填充材料；所述第二包层与所述两个纤芯之间填充有第二填充材料，所述第二填充材料的折射率高于所述第一填充材料的折射率；每一个所述纤芯内填充有第三填充材料，所述第三填充材料的折射率高于所述第二填充材料的折射率；每一个所述纤芯的直径在第一范围内，以使减小两个所述纤芯的模间串扰且支持多种光学模式；两个所述纤芯之间的芯间距小于预设值，以减小两个所述纤芯的模间串扰。

可理解的是，在两个纤芯之外设置有两个包层，第一包层为外层的包层，第二包层为内层的包层，在第一包层和第二包层之间形成一个圆环状的间隙，即圆环状腔体。

可理解的是，圆环状腔体内的第一填充材料的折射率小于第二包层内的第二填充材料的折射率，而第二包层内的第二填充材料的折射率小于纤芯内的第三填充材料的折射率，也就是说，由内向外的填充材料的折射率逐渐减小，这样光的传导机制是全内反射，减少外散的能量。

例如，所述第一填充材料为二氧化硅掺氟化物，所述第二填充材料为二氧化硅，所述第三填充材料为二氧化硅掺杂二氧化锗，也就是说，在纤芯内的填充区1内填充二氧化硅掺杂二氧化锗，在第二包层的填充区2内填充二氧化硅，在圆环状腔体3内填充二氧化硅掺氟化物，这样纤芯内的折射率比第二包层内的折射率高0.018～0.022，圆环状腔体内的折射率比第一包层内的折射率低0.0013～0.0015。也就是说，

其中，圆环状腔体的厚度，即第一包层和第二包层之间的间距，可以设置在1.9μm～2.1μm范围内。第二包层的直径可以设置在39μm～41μm范围内。

可理解的是，这里将每一个纤芯的直径控制在第一范围内，以保证在减小两个所述纤芯的模间串扰的同时还支持多种光学模式。由于纤芯所支持光学模式的多少是由纤芯的尺寸决定，纤芯的直径越大，纤芯所支持的光学模式越多，纤芯的直径越小，纤芯所支持的光学模式越少，所以为了使纤芯所支持的光学模式越多，纤芯的直径也应越大。但是纤芯直径越小，模间串扰会越小。为了平衡两种需求，将纤芯直径设置在第一范围内，例如，纤芯直径的第一范围为14μm～16μm时，就能起到很好的平衡作用，支持5种光学模式。

可理解的是，除了纤芯直径外，纤芯之间的芯间距也会影响到两个所述纤芯的模间串扰，芯间距变小，会增大两个光学模式之间的折射率差，因此芯间距越小越好，在小于一个预设值时，模间串扰变得很小，可以忽略其影响。其中，预设值可以根据需要选择，例如，预设值为25μm时，模间串扰就会控制在一个比较低的水平。

可理解的是，少模纤芯是指能支持的光学模式在3～5之间的纤芯，多模纤芯是指能支持的光学模式大于5的纤芯,上文可知纤芯所支持光学模式的多少是由纤芯的尺寸决定。其中，一种光学模式对应一种信号，若本发明中的纤芯可以支持5种光学模式，则本发明中的纤芯可以传输5种信号。

可理解的是，模间串扰是两种光学模式之间的串扰。两个光学模式对应的有效折射率差值越大，两个光学模式之间的串扰就会越小。

衡量模间串扰的方法为：如果相邻模式间的有效折射率差大于0.001，则认为无模间串扰影响。如图2a所示，横轴表示波长，纵轴表示在单芯中两相邻光学模式之间的有效折射率差，从图2a中可以看出光学模式之间的有效折射率差均大于0.001，此时模间串扰的影响就很低，可以忽略。如图2b所示，横轴表示波长，纵轴表示两相邻超模之间的有效折射率差，从图2b中可以看出，两个超模之间的有效折射率差均大于0.001，此时模间串扰可忽略，能够确保光信息在此分束器中高质量传输。关于超模，会在下文中介绍。

可理解的是，每一个纤芯都会独立传输信号，而两个纤芯中的信号会相互影响，造成信号失真，这种现象为芯间串扰。

在具体实施时，为了消除两个纤芯之间的芯间串扰，可以将两个所述纤芯之间的芯间距设置在在小于所述预设值的第二范围内，以使两个所述纤芯内的光学模式耦合为超模。

也就是说，当芯间距小到一定程度时，两个纤芯中的光学模式就会耦合在一起，形成一种新的模式，这种模式就是超模模式，在形成了超模模式后，就消除了两个纤芯之间的芯间串扰。而此时，由于芯间距是很小的，所以模间串扰也是很低的。也就是说，在形成超模后，可以消除两个纤芯之间的芯间串扰，同时由于芯间距很小，模间串扰也降低到可以忽略的程度。

例如，将两个纤芯之间的芯间距设置在19μm～21μm时，即第二范围为19μm～21μm，就可以形成超模，消除两个纤芯之间的芯间串扰。

如图3a所示，每一个纤芯所支持的五种光学模式从左到右依次是LP01、LP11、LP21、LP02和LP31模式。基于这5种光学模式，将两个纤芯之间的芯间距设置在第二范围时，形成了对应的5种超模，参见图3b，从左至右依次是LP01、LP11、LP21、LP02和LP31对应的超模，此时分束器单元可支持5种超模，每种超模都可以独立传输数据。

可理解的是，在分束器单元的输入端连接一个少模单芯光纤，这样可以将该少模单芯光纤的光束被分为两路光束，在分束器单元的输出端连接两个少模单芯光纤，这样两个光束就被两个少模单芯光纤运用到不同的路径中。

在具体实施时，可以将分束器单元的长度为第一长度，在所述第一长度时两个所述纤芯的输出光功率相同。也就是说，在分束器单元的长度为第一长度时两个纤芯的输出功率正好相同。即分束器单元可将输入光功率平均分为两路，然后输出光功率相同的两束光路。

如图4a所示，图中的阴影区为两个纤芯，纵轴数值表示光场的传输距离，图中曲线表示光的能量大小，可见两个纤芯随着传输距离的变大，两个纤芯中的能量交替变化，即一个纤芯的能量变大时另一个纤芯的能量变小，而当一个纤芯的能量变小时另一个纤芯的能量变大。如图4b所示，横轴为归一化能量值，纵轴为传输距离，曲线表示两个纤芯的能量变化，光场从一个纤芯进入，随着传输距离的增加，光能周期性得从一个纤芯转换到另一个纤芯，为实现两个纤芯的输出光功率相同，可以在两条曲线相交时对应的传输距离作为分束器单元的长度。例如，传输距离为30cm时，两条曲线相交，则分束器单元长度为30cm。

在具体实施时，光纤分束器的第一长度L1可以在29cm～31cm范围内，此时可以保证两个纤芯的输出功率大致相同。

在具体实施时，为了方便制作，可以将两个所述纤芯的圆心设置在所述第二包层的直径上。

举例来说，分束器单元的整体长度为30cm，第二包层的直径d1为40μm，纤芯的直径d2为15μm，芯间距D1为20μm，第三填充材料与第二填充材料之间的折射率之差为0.02，第二填充材料与第一填充材料之间的折射率差为0.0014，圆环状腔体的厚度为2μm。

本发明提供的分束器单元，由于从内向外的填充材料的折射率逐渐减小，光的传导机制是全内反射，减少外散的能量。而且，每一个所述纤芯的直径在第一范围内，可以在将两个所述纤芯的模间串扰控制在很低水平的同时支持多种光学模式。还有两个所述纤芯之间的芯间距小于预设值，可以进一步控制两个所述纤芯的模间串扰在一个比较低的水平。

尤其是，在两个所述纤芯之间的芯间距进一步缩小到第二范围内时，可以使两个所述纤芯内的光学模式耦合为超模，从而消除了两个纤芯之间的芯间串扰，进一步提高信号传输质量。

第二方面，本发明提供一种集成光功率分束器，如图5所示，该分束器包括第三包层以及设置在所述第三包层内的多个少模双芯光功率分束器单元；所述第三包层与各个所述少模双芯光功率分束器单元之间填充有所述第二填充材料；所述少模双芯光功率分束器单元为第一方面提供的分束器单元。

也就是说，将多个第一方面提供的分束器单元集成在第三包层内，形成一个集成光功率分束器。

例如，在第三包层的填充区4内填充二氧化硅，与第二包层的填充区2内的填充材料相同。

可理解的是，第三包层和各个分束器单元之间设置的填充材料为第二填充材料，也就是说，与第二包层内的填充材料是一样的，这样第二包层内的折射率与第三包层内的折射率相同。由于圆环状腔体的内侧为第二包层内的第二填充材料，圆环状腔体的外侧为第三包层内的第二填充材料，而圆环状腔体内是第一填充材料，而第一填充材料的折射率小于第二填充材料的折射率，因此圆环状腔体的折射率最低，因此两个分束器单元之间的芯间串扰很小，可以忽略。

通常情况下，在纤芯串扰小于-50dB时就可以认为芯间串扰可以忽略了。将两个分束器单元之间的芯间距设置为55μm，芯间串扰随着光束波长的变化情况如图6所示，在C+L波段中，无论光束波长如何变化，对应的芯间串扰都在-485dB和-450dB之间，明显小于-50dB，因此芯间串扰可以忽略。

可理解的是，由于第二包层内的折射率、圆环状腔体内的折射率和第三包层内的折射率为一个高-低-高的排序，呈凹槽状，因此也可以将圆环状腔体称为圆环状凹槽区。

在具体实施时，为了方便制作，可以将第三包层内的多个分束器单元排列为多层，相邻两层之间的芯间距相等。

进一步的，多层中的最内层为一个所述少模双芯光功率分束器单元，其余各层中均包括多个所述少模双芯光功率分束器单元，且其余各层中的多个所述少模双芯光功率分束器单元呈圆形均匀分布。

在具体实施时，集成光功率分束器与分束器单元的长度一致，在29cm～31cm范围内。

在具体实施时，第三包层的直径可以在254μm～256μm范围内。

在具体实施时，相邻两层分束器单元之间的芯间距D2可以在54μm～56μm范围内。

举例来说，本发明提供的集成光功率分束器的第三包层内有13个第一方面提供的分束器单元，即集成光功率分束器为13芯光纤功率分束器，13芯光纤功率分束器的整体长度为30cm。13个分束器单元的排布方式为：从内到外，呈圆形排列有3层分束器单元，最内层包括一个分束器单元，其圆心与第三包层的圆心重合，中间层有6个分束器单元，这6个分束器单元的圆心等距分布在第一圆周上，第一圆周与第三包层的圆心相距D2。最外层也设置了6个分束器单元，这6个分束器单元的圆心等距分布第二圆周上，第二圆周和第一圆周的间距也为D2。相邻层的两个分束器单元之间的芯间距为55μm。第三包层的直径为255μm。

本发明提供的集成光功率分束器中，由于圆环状腔体的内侧为第二包层内的第二填充材料，圆环状腔体的外侧为第三包层内的第二填充材料，而圆环状腔体内是第一填充材料，而第一填充材料的折射率小于第二填充材料的折射率，因此圆环状腔体的折射率最低，因此两个分束器单元之间的芯间串扰很小，可以忽略，因此可以保证光信息高质量的传输。进一步的，由于本发明的集成光功率分束器中集成了多个分束器单元，而每一个分束器单元中的纤芯可以支持多种光学模式且模间串扰很小，因此可以大大扩展空间信道数量， 进而大大增加了空间信道容量。

尤其是两个纤芯形成超模时，消除了一个分束器单元内两个纤芯之间的芯间串扰，跟进一步保证了光信息高质量的传输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种少模双芯光功率分束器单元，其特征在于，包括：第一包层、设置在所述第一包层内的第二包层以及设置在所述第二包层之内的两个纤芯；

所述第一包层和所述第二包层之间形成圆环状腔体，所述圆环状腔体内填充有第一填充材料；所述第二包层与所述两个纤芯之间填充有第二填充材料，所述第二填充材料的折射率高于所述第一填充材料的折射率；每一个所述纤芯内填充有第三填充材料，所述第三填充材料的折射率高于所述第二填充材料的折射率；每一个所述纤芯的直径在第一范围内，以使减小两个所述纤芯的模间串扰且支持多种光学模式；两个所述纤芯之间的芯间距小于预设值，以减小两个所述纤芯的模间串扰；

两个所述纤芯之间的芯间距在小于所述预设值的第二范围内，以使两个所述纤芯内的光学模式耦合为超模；

所述第一范围为14μm～16μm，所述第二范围为19μm～21μm；

所述分束器单元的长度为第一长度，在所述第一长度时两个所述纤芯的输出光功率相同；所述第一长度在29cm～31cm范围内；

所述第一填充材料为二氧化硅掺氟化物，所述第二填充材料为二氧化硅，所述第三填充材料为二氧化硅掺杂二氧化锗；

两个所述纤芯的圆心在所述第二包层的直径上。

2.一种集成光功率分束器，其特征在于，包括：第三包层以及设置在所述第三包层内的多个少模双芯光功率分束器单元；所述第三包层与各个所述少模双芯光功率分束器单元之间填充有所述第二填充材料；所述少模双芯光功率分束器单元为权利要求1所述的分束器单元；

多个所述少模双芯光功率分束器单元在所述第三包层内排列为多层，相邻两层之间的芯间距相等；

所述多层中的最内层为一个所述少模双芯光功率分束器单元，其余各层中均包括多个所述少模双芯光功率分束器单元，且其余各层中的多个所述少模双芯光功率分束器单元呈圆形均匀分布；

相邻两层之间的芯间距在54μm～56μm范围内。

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