CN113466988A - 一种基于三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器，其包括基底材料、多层包层空气孔以及高折射率掺杂棒；多层包层空气孔从内到外依次包括第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔，第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔均为正六边形结构。其通过调整掺杂棒的材料折射率、空气孔的排布和直径大小，在光子晶体光纤中设计了三个局域光传输的纤芯，本发明通过对光纤长度的选择，使得在输出端同时完成旁芯LP₀₁模向中心纤芯LP₂₁和LP₃₁模的最佳转换，从而实现LP₀₁、LP₂₁和LP₃₁三种模式的光在中心纤芯中的复用。

Description

一种基于三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器

技术领域

本发明涉及光纤器件领域，尤其是一种基于三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器。

背景技术

信息技术是推动社会进步的重要技术之一，信息现代化已成为推动社会发展的重要动力。特别是随着5G、6G、物联网、远程诊疗和智慧城市等的兴起，大容量的信息化传输能力已成为信息现代化的必要基础，而干线的传输容量已近极限，因此大力发展新的空分或模分复用技术已成必然。基于光纤结构的模分复用系统是引入模式作为一个新的自由度来对传输信道进行扩容的一种技术，在系统中每一模式都被认为是一独立的信道。其本质是，在复用器的输入端将携带不同信息的信号经调制后以光的方式耦合到复用器的不同“模式”上，这些模式的光将以不同的路径在光纤内进行传输，且模式间互不干扰，然后在出射端利用解复用将光信号分离开并进行解调得到传输的信息。

模分复用的概念是最早是在1982年，Berdague S和Facq P在利用空间滤波技术将传统折射率渐变型多模光纤中的两种模式进行检测时提出的，他们尝试在多模光纤中用不同的模式传输不同的信息，发现多模光纤中传输的每种模式的带宽都与其单独在单模光纤中传输相同，这也使得在多模光纤中传输信息所产生的非线性效应大大减小。2000年，Tyler E J等人在300m长的多模光纤中传输了2.5Gb/s的信号，但出现的问题是传输多个模式时信号之间会产生较大的干扰，模式耦合严重限制了系统的容量。模分复用系统的核心在于模分复用器的设计，目前的技术主要有基于自由空间光路的相位屏、“光子灯笼”、全光纤型耦合器等，而工作波段和传输模式的插入损耗便是衡量复用器的关键参数。2013年，R.Ryf等人设计了一种三模空间模分复用器，通过使用相位板对三个空间模式进行复用。这种模分复用器尺寸较大且难以与后续长距离光纤模式复用波导对接，这使得难以适用于小型化和集成化模分复用系统。2014年，Tsekrekos等人提出了一种基于三维对称少模光纤(FMF)耦合器。在C波段内的LP₀₁，LP_11a，LP_11b，LP_21a，LP_21b，LP₀₂六种模式都获得了几乎平坦的响应，在发射的两种极化的低通模式下，平均插入损耗约为1.6dB。考虑到各个模式的耦合距离不同，该器件采用的是较为常见的分段式耦合方法，即各个模式沿传输方向分次序耦合进入同一个波导中，保证每个耦合过程相对独立且互不干扰，但同时也使得该器件的设计长度较长，集成性欠佳。2015年，Velázquez-Benítez A M等人制作了一种选择性光子灯笼多路复用器，它实现了10和15个空间模式的多路复用，并降低了多路复用的损耗和模式相关损耗。然而，这种复用器的绝热拉锥过程和耦合区折射率分布的精确控制都是较难把控的问题。2020年，Yang Liu等人提出了一种少模环芯光纤模分多路复用器，采用了纯石英环芯作为模式传输通道，实现了LP₀₁，LP_11a，LP_11b三种模式的复用，其耦合效率在C波段高于-1.39dB，环芯用作模式传输通道也有效的减小了LP₀₁与LP₁₁的模间串扰。随着国内外学者对模分复用器的研究，该器件正向着集成性更高，受外界影响更小的方向发展，并且其与多芯少模的空分复用光纤搭配使用，可以更好地提高模式转换效率和模式纯度，降低耦合复杂度，拓展通信容量。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCF)又被称为多孔光纤或微结构光纤(Micro-Str uctured Fibers,MSF)，其具有极高的设计灵活性，通过包层结构的设计以及基质材料的选择，可以灵活定制光纤的属性，非常适合作为模式转换器的设计载体。2018年，Y Yu，B Sun等人提出了一种可调谐的磁性流体填充的混合光子晶体光纤模式转换器，该转换器可以将折射率引导芯中的LP₁₁模式转换为光子带隙引导芯中的LP₀₁模式。仿真结果显示，该器件在1.33μm-1.85μm和1.38μm-1.75μm的波长范围内，耦合效率可分别达到-0.457dB和-0.222dB。2019年，Cardona J等人提出了一种基于非对称双芯光子晶体光纤的可调谐模式转换器，该器件在双芯间的气孔中添加了液晶材料，利用双芯间的液晶材料的热光可调特性控制模式转换器的工作波长。在执行LP₀₁与LP₁₁之间的模式转换时，所提出的器件在1278nm-1317nm的宽波长范围内显示出高转换效率。模分复用系统中也常采用模式转换器来对模式进行调制，但是模式转换器仅可起到对模式的转换功能，不能实现模式的复用功能，这对于模分复用系统的高集成性是一个很大的挑战。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明目的在于提供一种小型化高集成性的，抗外界干扰性强的，具有更宽工作波段的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器。

具体地，本发明提供一种基于三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器，其包括基底材料、多层包层空气孔以及高折射率掺杂棒；多层包层空气孔从内到外依次包括第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔，第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔均为正六边形结构；

所述第一层空气孔包括多个第一空气孔，所述第二层空气孔包括两个第二空气孔、两个第三空气孔以及多个第四空气孔，所述第三层空气孔包括一个第二空气孔、一个第三空气孔、四个第一空气孔以及多个第四空气孔，所述第四层空气孔以及第五层空气孔均包括多个第四空气孔，所述第三空气孔、第二空气孔、第四空气孔以及第一空气孔的尺寸依次减小；

第二层空气孔的两个第二空气孔与第三层空气孔的一个第二空气孔的圆心的连线形成第一正三角形，第二层空气孔的两个第三空气孔与第三层空气孔的一个第三空气孔的圆心的连线形成第二正三角形；第一正三角形和第二正三角形相对于光纤的圆心对称；

第三层空气孔的相邻的两个第一空气孔与第一层空气孔的一个第一空气孔的圆心的连线形成第三正三角形，第三层空气孔的剩余的相邻两个第一空气孔与第一层空气孔的一个第一空气孔的圆心的连线形成第四正三角形；第三正三角形和第四正三角形相对于光纤的圆心对称；其中第一正三角形和第三正三角形相交后形成第一六角星，第二正三角形和第四正三角形相交后形成第二六角星；所述高折射率掺杂棒位于第一六角星和第二六角星的中心处的第四空气孔中；

所述第一层空气孔围起来的区域构成模分复用器的中心纤芯。

优选地，第一六角星和第二六角星的中心处的高折射率掺杂棒大小均相同。

优选地，所述光子晶体光纤的基底材料为二氧化硅。

优选地，最一层空气孔的正六边形的顶点与光纤圆心之间的间距2Λ＝10μm，且所有几何中心中任意两个相邻的中心之间的间距均为Λ＝5μm。

优选地，所述第一空气孔的直径d₁＝1.3μm。

优选地，所述第二空气孔直径d₂＝3.2μm；所述第三空气孔直径d₃＝4.2μm。

优选地，所述高折射率掺杂棒直径d＝2.5μm；第一六角星中的高折射率掺杂棒的掺杂折射率差Δ₁＝+0.0009；第二六角星中的高折射率掺杂棒的掺杂折射率差Δ₂＝+0.0007。

优选地，第四空气孔的直径d＝2.5μm。

优选地，模分复用器的由耦合长度、插入损耗与模式转换效率三个指标来进行表征，

其中，耦合长度定义为光能量全部从双芯中的一个纤芯转移到另外一个纤芯所需要的传输距离，耦合长度表示为

式中n_e和n_o分别代表偶模与奇模的模式有效折射率；

其中，插入损耗以输入和输出的能量比值为基准来进行表示，具体的表达式为

式中，将在入射端旁芯中的输入总能量作为P_in，在确定的传输长度处的中心纤芯中的总能量作为P_out来进行计算；

其中，模式转换效率表达式如下

式中P_input定义为旁芯的输入能量，

定义为在传输长度处旁芯基模所对应转换的LP_mn高阶模的输出能量。

优选地，器件长度的选取可以根据实际需要采用以下方法进行确定：

a、当模分复用器仅仅用于单一波长条件下的模式转换和复用时，首先利用公式(1)分别计算LP₂₁和LP₃₁两个模式的耦合长度L_C1和L_C2，然后再利用公式L_best＝mL_c1＝nL_C2计算该模分复用器件的最佳长度L_best；

其中，式中m、n分别取能够满足该等式成立的最小奇数值。

b、当模分复用器用于某一中心波长附近的宽带模式转换和复用时，首先利用仿真及公式(2)计算得到不同传输长度下的插入损耗随波长的变化关系1，再利用仿真及公式(3)计算得到不同传输长度下模式LP₂₁和LP₃₁分别随波长的变化关系2；然后优先选择中心波长处插入损耗最低所对应的传输长度作为器件长度的优选初始值，根据要保障的带宽条件，再利用变化关系2确认在优选初始值条件下在带宽边界处LP₂₁和LP₃₁两个模式的各自模式转换效率是否符合预期，如果符合预期则选择该优选初始值为器件长度，如果不符合预期则以该优先初始值为基础值，并在该值附近利用变化关系2寻找使得带宽边界处的高阶模转换效率符合预期的光纤长度作为器件长度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的基于光耦合原理所提出的光子晶体光纤模分复用器。通过调整掺杂棒的材料折射率、空气孔的排布和直径大小，在光子晶体光纤中设计了三个局域光传输的纤芯，采用的是多个模式分别调制同时耦合的设计思路，相较于分段式(级联型)耦合来说，该设计有效地缩短了器件长度，提高了器件设计的集成性。

(2)本发明由于对称分布的两个旁芯相距较远，且芯与芯之间在直线路径上还存在位于器件中心的中心纤芯及其近邻的两个调节气孔，因此其芯间串扰可以忽略。这样就使得某一旁芯的基模向中心少模纤芯中特定高阶模的转换，仅仅通过单独调节该旁芯的基于结构参数的波导形状和基于材质组合的材料属性就可以完成器件设计。且由于光子晶体光纤设计的灵活性，旁芯的引入将更加方便。

(3)本发明在三芯光子晶体光纤输入端对三个纤芯分别输入LP₀₁模式的光，使得在输出端同时完成旁芯LP₀₁模向中心纤芯LP₂₁和LP₃₁模的最佳转换，从而实现LP₀₁、LP₂₁和LP₃₁三种模式的光在中心纤芯中的复用。数值仿真表明，在1.49μm-1.63μm的波段下，该器件的模式插入损耗最高为0.72dB，远低于模分复用器1dB插入损耗的评价标准。在中心波长处，LP₂₁和LP₃₁模式的转换效率分别为-0.31dB和-0.99dB。

(4)本发明的该器件充分发挥了光子晶体光纤设计灵活的特性，更小的芯间距使得光耦合发生时能量转移所产生的基底损耗更低，耦合效率更高；宽的工作波段且覆盖常见通信波长1.55μm；器件的最小长度仅为4.9mm且输出端口与光纤模式复用波导尺寸相近易于熔接，更适用于小型化和集成化模分复用系统。

附图说明

图1是本发明实施例一的光子晶体光纤截面示意图；

图2是本发明实施例一的中心纤芯复用模式LP₂₁与LP₃₁模的有效折射率以及两模式间的有效折射率差Δ_neff随传输波长的变化关系图；

图3a是本发明实施例一的不同d₂，d₃条件下旁芯基模的有效折射率随传输波长的变化关系图；

图3b是本发明实施例一的在中心波长处的旁芯基模的有效折射率随旁芯高折射率掺杂棒折射率差的变化关系图；

图3c是本发明实施例一的旁芯基模与中心纤芯待转换模相位匹配条件下的各模式有效折射率随传输波长的变化关系图(左下角插图为因曲线重合被覆盖的中心纤芯的LP₂₁与LP₃₁模式的有效折射率随波长的变化关系图)；

图4a是本发明实施例一的模式转换过程中的三维(小插图为二维)绘图下的LP₀₁-LP₂₁奇模的超模示意图；

图4b是本发明实施例一的模式转换过程中的三维(小插图为二维)绘图下的LP₀₁-LP₂₁偶模的超模示意图；

图4c是本发明实施例一的模式转换过程中的三维(小插图为二维)绘图下的LP₀₁-LP₃₁奇模的超模示意图；

图4d是本发明实施例一的模式转换过程中的三维(小插图为二维)绘图下的LP₀₁-LP₃₁偶模的超模示意图；

图5a是本发明实施例一在功率监视器下的模式转换复用过程的等高能量曲线绘图示意图；

图5b是本发明实施例一在功率监视器下的模式转换复用过程的功率曲线绘图示意图；

图6是本发明实施例一在不同器件长度下的插入损耗随波长的变化关系图；

图7是本发明实施例一在不同器件长度下的高阶模转换效率随波长的变化关系图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其包括基底材料、高折射率掺杂棒以及多层包层空气孔；多层包层空气孔从内到外依次包括第一层空气孔10、第二层空气孔20、第三层空气孔30、第四层空气孔40以及第五层空气孔50，第一层空气孔10、第二层空气孔20、第三层空气孔30、第四层空气孔40以及第五层空气孔50均为正六边形结构。

第一层空气孔10包括多个第一空气孔3，第二层空气孔包括两个第二空气孔1、两个第三空气孔4以及多个第四空气孔6，第三层空气孔包括一个第二空气孔1、一个第三空气孔4、四个第一空气孔3以及多个第四空气孔6，第四层空气孔40以及第五层空气孔50均包括多个第四空气孔。且第三空气孔、第二空气孔、第四空气孔以及第一空气孔的尺寸依次减小。

第二层空气孔20的两个第二空气孔与第三层空气孔的一个第二空气孔的圆心的连线形成第一正三角形，第二层空气孔的两个第三空气孔与第三层空气孔的一个第三空气孔的圆心的连线形成第二正三角形；第一正三角形和第二正三角形相对于光纤的圆形中心8对称。

第三层空气孔30的相邻的两个第一空气孔与第一层空气孔的一个第一空气孔的圆心的连线形成第三正三角形，第三层空气孔的剩余的相邻两个第一空气孔与第一层空气孔的一个第一空气孔的圆心的连线形成第四正三角形；第三正三角形和第四正三角形相对于光纤的圆形中心8对称；其中第一正三角形和第三正三角形相交后形成第一六角星，第二正三角形和第四正三角形相交后形成第二六角星；高折射率掺杂棒2和5分别位于第一六角星和第二六角星的中心处的第四空气孔处，且它们的尺寸与第四空气孔尺寸均相等。

光子晶体光纤第一层空气孔10围起来的区域构成模分复用器的中心纤芯，为了增强相邻波导中的模式发生耦合，在满足相位匹配条件时，应使得光耦合发生时能量转移通畅，确保耦合效率，所以第一层空气孔尺寸最小。

光子晶体光纤的两旁芯位于中心纤芯几何中心8两侧的水平连线上，旁芯由高折射率掺杂棒以及围绕在每根掺杂棒周围的六个空气孔组成。这样大小孔间隔排布的包层结构有效地减小了旁芯的双折射现象，避免在模式转换过程中出现强的偏振相关性。并且这种包层结构在有效地限制旁芯局域光传输的同时也科学地设置了旁芯向中心纤芯进行能量耦合和模式转换的传输通道。

左右两旁芯的最内层大空气孔1和4的设置能够有效地限制旁芯的局域光传输，但其最主要作用是用来调节控制旁芯基模与中心纤芯待转换模的“宽带”相位匹配。

除光子晶体光纤第一层空气孔10与旁芯最内层空气孔之外的空气孔均设置为外包层空气孔，外包层空气孔的第四空气孔6的尺寸直径保持一致，起到整体降低包层折射率，实现在全内反射作用下的纤芯限光作用。

高折射率掺杂棒2和5位于整个旁芯区域的中心部分，其主要用以调节旁芯基模的有效折射率，实现其与中心纤芯的待转换模的相位匹配，两根掺杂棒直径保持一致且与第四空气孔6直径相同，一定程度上降低了制备难度。

光纤长度的选取兼顾了两旁芯基模向中心纤芯高阶模转换的耦合长度，在选取的光纤长度下，两旁芯向中心纤芯能量的转移都近乎是完全的。

实施例一

图1为本发明所述基于三芯光子晶体光纤的模分复用器的剖面结构图，复用器整体由石英基底、三种大小不同的空气孔和高折射率掺杂棒构成，且空气孔和掺杂棒的几何中心由内及外依次分布于五个正六边形上。其中，最内层正六边形的每条边上依次设置三个几何中心，由内及外依次增加一个，并所有几何中心中任意两个相邻的中心之间的间距均设置为Λ＝5μm。第一空气孔3围起来的区域构成模分复用器的中心纤芯，第一层空气孔10正六边形的顶点与光子晶体光纤圆心8间距为2Λ＝10μm。中心纤芯外层空气孔起到的作用除了将光纤分割成三个独立的波导外，旁芯和中心纤芯水平连线上的第一空气孔3又是旁芯向中心纤芯进行能量耦合和模式转换的主要传输通道。为了增强相邻波导中的模式发生耦合，在满足相位匹配条件时，应使得光耦合发生时能量转移通畅，确保耦合效率，因此中心纤芯外的最内层空气孔直径不能太大，设置第一空气孔3直径d₁＝1.3μm。外包层空气孔6直径d＝2.5μm作为一个基础参数保持不变起到整体降低包层折射率，实现在全内反射作用下的纤芯限光作用。两根高折射率掺杂棒2和5及围绕在其周围的六个空气孔分别构成了左右两个旁芯，围绕在每根掺杂棒周围的三个第二空气孔1(或三个第三空气孔4)和三个第一空气孔3的几何中心分别呈正三角形排列，这样大小孔间隔排布的包层结构既有效减小了旁芯的双折射现象，避免在模式转换过程出现强的偏振相关性，又科学设置了旁芯向中心纤芯进行能量耦合和模式转换的传输通道，是一种简单高效而有意义的设计。并且左右两旁芯的最内层的大的第二空气孔1(或第三空气孔4)的设置，进一步将光子晶体光纤分割成三个独立的波导的同时也有效的限制了旁芯的局域光传输，但其最主要作用是用来调节控制旁芯基模与中心纤芯待转换模的“宽带”相位匹配。两根掺杂棒2和5直径保持一致且与第四空气孔6直径相同，一定程度上降低了制备难度。基底材料7为二氧化硅，其折射率由Sellmeier公式表达。

图2为本发明所述的中心纤芯复用模式LP₂₁与LP₃₁模的有效折射率以及两模式间的有效折射率差Δneff随传输波长的变化关系图。图中可见，这两个模式的有效折射率差值在中心波长1.55μm附近的研究波段内均满足Δneff>0.001，说明这两个模式可以很好地抑制模间串扰，有利于提高模式消光比，从而实现稳定传输。经分析研判，本结构参数下的LP₂₁、LP₃₁模式符合设计预期，因此确定这两个模式分别为左、右旁芯向中心纤芯进行转换复用的模式。考虑到光纤结构的对称性以及左右旁芯向中心纤芯复用时的能量传输方向，本发明的所有计算均考虑x偏振方向下的情况。

图3a是本发明实施例一的不同d₂，d₃条件下旁芯基模的有效折射率随传输波长的变化关系图；图3b是本发明实施例一的在中心波长处的旁芯基模的有效折射率随旁芯高折射率掺杂棒折射率差的变化关系图；图3c是本发明实施例一的旁芯基模与中心纤芯待转换模相位匹配条件下的各模式有效折射率随传输波长的变化关系图(左下角插图为因曲线重合被覆盖的中心纤芯的LP₂₁与LP₃₁模式的有效折射率随波长的变化关系图)；图3a中表明，当左旁芯外层大空气孔1的直径d₂＝3.2μm时，左旁芯基模模式有效折射率曲线的斜率为-0.01934，与中心纤芯LP₂₁模的模式有效折射率曲线斜率-0.01929最接近。当右旁芯外层大空气孔4的直径d₃＝4.2μm时，右旁芯基模模式有效折射率曲线的斜率为-0.02165，与中心纤芯LP₃₁模的模式有效折射率曲线斜率-0.02164最接近。在上述的结构基础之上，通过扫描旁芯中掺杂棒折射率差，得到了在中心波长1.55μm处，满足旁芯基模与中心纤芯待转换模相位匹配条件的旁芯掺杂棒折射率差的取值，如图3b所示。图3b表明，当左旁芯掺杂棒折射率差取值为+0.0009时，左旁芯基模与中心纤芯LP₂₁模的有效折射率相等，当右旁芯掺杂棒折射率差取值为+0.0007时，右旁芯基模与中心纤芯LP₃₁模的有效折射率相等。当旁芯基模与中心纤芯待转换模式在中心波长1.55μm处相位匹配时，斜率相近的两条模式有效折射率曲线也就在中心波长1.55μm附近的计算波段内十分接近于重合，从而达成了在中心波长附近的宽带相位匹配或准相位匹配，如图3c所示。

图4a-图4d为本发明实施例一的模式转换过程中的三维(插图为二维)绘图下的超模。超模理论研究发现，当在光子晶体光纤中的两个纤芯间发生光耦合并伴随能量转移时，这两个纤芯会在光传播过程中激发出超模，即一种两个纤芯中同时存在光场的模式光。超模又分为偶模和奇模，它们的电场振幅完全相同，但偶模是指在这两个纤芯中所存在的模场相位相同，而奇模则是指在这两个纤芯中所存在的模场的相位相差为π。图4所示的超模模斑的电场线分布表明，图4b和图4d模式中旁芯与中心纤芯的光场相位是相同的，所以称它们为偶模；图4a和图4c中旁芯与中心纤芯的光场之间存在相位差π，将它们称为奇模。在超模的三维视图中，相位差为π的光场能量分布于以XY截面为能量0点的正负两个方向上，相位相同的光场能量则分布于XY截面的同侧。当光纤中偶模与奇模同时传播时会存在一个光场叠加关系，即奇模与偶模光场相位相同的a纤芯能量增加(这里将发生光耦合效应的双芯称为a纤芯和b纤芯)，光场存在相位差π的b纤芯能量叠加后减小。偶模与奇模的传播常数分别为β_e和β_o，由于偶模与奇模的传播常数不同，波速不同，在传播过程中它们之间相位差会逐渐增大。当相位差增大到π时，a纤芯的奇模与偶模的光场由一开始的同相变为相位差为π，而b纤芯的奇模与偶模间的光场相位差则由π变为0，因此光能量理论上会全部由a纤芯转移到b纤芯，从而完成了一次模式间的耦合转移。随着传输距离的增长，光能量又会从b纤芯转移回a纤芯，从而在a、b两个纤芯之中形成往复振荡。由超模理论，耦合长度也可定义为光能量全部从双芯中的一个纤芯转移到另外一个纤芯所需要的传输距离，可表示为

式中n_e和n_o分别代表偶模与奇模的模式有效折射率。将本复用器的奇、偶模模式有效折射率代入到上式中进行计算，可得到中心波长1.55μm处，左旁芯基模转换为中心纤芯LP₂₁模的耦合长度为4.3mm，右旁芯基模转换为中心纤芯LP₃₁模的耦合长度为5.8mm。

当仅仅考虑将模分复用器件用于1.550μm波长处的模式复用时，利用上述方法1可得当m＝7、n＝5时，L_best取值29mm，该器件的最佳长度选取29mm。

图5为本发明实施例一的在功率监视器下的模式转换复用过程仿真图示。图5a等高能量曲线图从XZ截面方向展示了该器件的LP₂₁与LP₃₁模式的转换复用过程，图5b则将监测到的左右旁芯基模与中心纤芯LP₂₁与LP₃₁模的功率以曲线图的形式展示出来。如图5b所示，在Z＝0即光源入射处，旁芯中存在稳定的基模，且两个纤芯中的各自能量大小均以归一化的0.5来表示。此时中心纤芯中的LP₂₁和LP₃₁两个模式能量为零，随着传输距离增加，左旁芯的基模先开始向中心纤芯中的LP₂₁模转换，随即右旁芯的基模也开始向中心纤芯中的LP₃₁模转换，当传输距离达到左旁芯基模向中心纤芯LP₂₁模转换的耦合长度4.4mm时，左芯中的能量完全消失，而右旁芯尚未完成向中心纤芯的能量转移，直到传输距离等于6.2mm时才完成了全部的能量转移。但其实在5.8mm时，右旁芯的大部分能量就已经完成了向中心纤芯的耦合转移，这与超模理论的计算结果是一致的。传输距离等于6.2mm时，左旁芯中又出现了一部分转换回基模的能量。由于左、右旁芯向中心纤芯的两个模式转换的耦合长度不同，可能会导致在选取的传输长度下两个模式转换的能量转移效率不同，左右旁芯会分别以自己的耦合长度为传输周期来各自完成能量在旁芯与中心纤芯间的完全互换转移。因此，选取合适的传输长度作为器件长度十分重要。

图6为本发明实施例一在不同器件长度下的插入损耗随波长的变化关系图。模分复用器的插入损耗是衡量该器件性能的主要指标,插入损耗以输入和输出的能量比值为基准来进行表示，具体的表达式为

在研究时，将在Z等于零处两个旁芯中的输入总能量作为P_in，在确定的传输长度(即器件长度)处的中心纤芯中的总能量作为P_out来进行计算。如图6所示我们分别计算了在1.45μm-1.65μm波段下的选取不同器件长度时的器件插入损耗，随着器件长度的增加插入损耗曲线的波谷位置发生了蓝移，这主要是由于两部分模式转换的最佳耦合长度存在差距导致的,而器件的插入损耗的高低又是和两部分模式转换的效率有直接关系的。通过分析，我们选取了在中心波长1.55μm处插入损耗最低时所对应的传输长度L＝4.9mm作为器件长度，以模分复用器1dB插入损耗为标准，数值模拟结果表明在1.49μm-1.63μm的波段下，该器件插入损耗最高为0.72dB，远低于模分复用器1dB插入损耗的评价标准，插入损耗最低为中心波长1.55μm处的0.543dB，该长度的确立兼顾了模式耦合的转换效率以及器件的插入损耗，同时还确保了该器件在中心波长附近的较宽的波段内都具有好的使用性能。

图7为本发明实施例一的在不同器件长度下的高阶模转换效率随波长的变化关系图。模式转换效率也是衡量模分复用器性能的一个重要参数，其表达式如下

仿真时P_input定义为旁芯的输入能量，

定义为在传输长度处旁芯基模所对应转换的LP_mn高阶模的输出能量。图7展示了在不同传输长度下两旁芯基模分别向中心纤芯高阶模LP₂₁和LP₃₁两个模式进行转换的模式转换效率的仿真结果。仿真表明，在同一器件长度下随着波长的增加，LP₂₁模式的转换效率会逐渐降低，而LP₃₁模式的转换效率则会逐步升高，这种变化主要是由不同波长的光进行模式转换时所需要的耦合长度不同造成的；并且在同一工作波长处不同的器件长度下LP₂₁和LP₃₁两个模式的转化效率也不同，这主要是由于模式转换存在周期性造成的。图7显示在短波长1.45μm处，LP₂₁模式的转化效率高达-0.189dB(96％)，而LP₃₁模式的转化效率仅有-1.517dB(约为71％)。在中心波长处，LP₂₁和LP₃₁模式的转换效率分别为-0.31dB和-0.99dB。当传输波长增加到1.63μm时，LP₂₁模式和LP₃₁模式的转换效率趋于相等,分别为-0.69dB和-0.68dB。

结合以上对模式转换效果的不同表征方法的说明，在实际确定器件长度时需要综合考虑模式耦合的转换效率以及器件的插入损耗的表现，本文选取器件长度为4.9mm。由上面的仿真可知，在波长为1.55μm时，4.9mm的器件长度大于左旁芯基模向中心纤芯LP₂₁模转换的耦合长度，小于右旁芯基模向中心纤芯LP₃₁模转换的耦合长度，并且仿真过程中发现随着波长的增加，基模向高阶模转换的耦合长度会随之减小。所以随着波长的增加，LP₂₁模的转换效率会逐渐降低，此时在4.9mm的传输长度下，中心纤芯LP₂₁模已经完成了一次转换并有部分能量又转移到左旁芯中以基模光进行传输。反之随着波长的增加，LP₃₁模的转换效率会逐渐升高，如图7所示。因此，本文4.9mm器件长度的确定主要考虑是在1.55μm通讯波长处获得一个更好的插入损耗，同时在该长度下也获得两个相对高的模式转换效率。

综上，当该器件考虑用于宽带若考虑器件在中心波长1.550μm附近的1.49μm-1.63μm波段内进行宽带模式转换和复用时，根据上述方法2可得该器件的最佳长度为4.9mm，在工作波段内器件插入损耗最高为0.72dB，插入损耗最低为中心波长1.55μm处的0.543dB。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：其包括基底材料、多层包层空气孔以及高折射率掺杂棒；多层包层空气孔从内到外依次包括第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔，第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔以及第五层空气孔均为正六边形结构；

所述第一层空气孔包括多个第一空气孔，所述第二层空气孔包括两个第二空气孔、两个第三空气孔以及多个第四空气孔，所述第三层空气孔包括一个第二空气孔、一个第三空气孔、四个第一空气孔以及多个第四空气孔，所述第四层空气孔以及第五层空气孔均包括多个第四空气孔，所述第三空气孔、第二空气孔、第四空气孔以及第一空气孔的尺寸依次减小；

第二层空气孔的两个第二空气孔与第三层空气孔的一个第二空气孔的圆心的连线形成第一正三角形，第二层空气孔的两个第三空气孔与第三层空气孔的一个第三空气孔的圆心的连线形成第二正三角形；第一正三角形和第二正三角形相对于光纤的圆心对称；

第三层空气孔的相邻的两个第一空气孔与第一层空气孔的一个第一空气孔的圆心的连线形成第三正三角形，第三层空气孔的剩余的相邻两个第一空气孔与第一层空气孔的一个第一空气孔的圆心的连线形成第四正三角形；第三正三角形和第四正三角形相对于光纤的圆心对称；第一正三角形和第三正三角形相交后形成第一六角星，第二正三角形和第四正三角形相交后形成第二六角星；所述高折射率掺杂棒位于第一六角星和第二六角星的中心处的第四空气孔中；

所述第一层空气孔围起来的区域构成模分复用器的中心纤芯。

2.根据权利要求1所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：第一六角星和第二六角星的中心处的高折射率掺杂棒直径大小均相同。

3.根据权利要求1所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：所述光子晶体光纤的基底材料为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：最内一层空气孔的正六边形的顶点与光纤圆心之间的间距2Λ＝10μm，且所有几何中心中任意两个相邻的中心之间的间距均为Λ＝5μm。

5.根据权利要求1所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：所述第一空气孔的直径d₁＝1.3μm。

6.根据权利要求1所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：所述第二空气孔直径d₂＝3.2μm；所述第三空气孔直径d₃＝4.2μm。

7.根据权利要求1所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：所述高折射率掺杂棒直径d＝2.5μm；第一六角星的高折射率掺杂棒的掺杂折射率差(折射率差定义为旁芯掺杂棒与光纤基底材料石英的折射率差)Δ₁＝+0.0009；第二六角星的高折射率掺杂棒的掺杂折射率差Δ₂＝+0.0007。

8.根据权利要求1所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：第四空气孔的直径d＝2.5μm。

9.根据权利要求1所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：模分复用器的由耦合长度、插入损耗与模式转换效率三个指标来进行表征，

其中，耦合长度定义为光能量全部从双芯中的一个纤芯转移到另外一个纤芯所需要的传输距离，耦合长度表示为

式中n_e和n_o分别代表偶模与奇模的模式有效折射率；

其中，插入损耗以输入和输出的能量比值为基准来进行表示，具体的表达式为

式中，将在入射端旁芯中的输入总能量作为P_in，在确定的传输长度处的中心纤芯中的总能量作为P_out来进行计算；

其中，模式转换效率表达式如下

式中P_input定义为旁芯的输入能量，

定义为在传输长度处旁芯基模所对应转换的LP_mn高阶模的输出能量。

10.根据权利要求9所述的基于三芯光子晶体光纤的模分复用器，其特征在于：器件长度的选取可以根据实际需要采用以下方法进行确定：

a、当模分复用器仅仅用于单一波长条件下的模式转换和复用时，首先利用公式(1)分别计算LP₂₁和LP₃₁两个模式的耦合长度L_C1和L_C2，然后再利用公式L_best＝mL_c1＝nL_C2计算该模分复用器件的最佳长度L_best；

其中，式中m、n分别取能够满足该等式成立的最小奇数值。

b、当模分复用器用于某一中心波长附近的宽带模式转换和复用时，首先利用仿真及公式(2)计算得到不同传输长度下的插入损耗随波长的第一变化关系，再利用仿真及公式(3)计算得到不同传输长度下模式LP₂₁和LP₃₁分别随波长的第二变化关系；然后优先选择中心波长处插入损耗最低所对应的传输长度作为器件长度的优选初始值，根据要保障的带宽条件，再利用的第二变化关系确认在优选初始值条件下在带宽边界处LP₂₁和LP₃₁两个模式的各自模式转换效率是否符合预期，如果符合预期则选择该优选初始值为器件长度，如果不符合预期则以该优先初始值为基础值，并在该值附近利用的第二变化关系寻找使得带宽边界处的高阶模转换效率符合预期的光纤长度作为器件长度。

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