CN113866894A - 一种少模多芯光纤信道分路器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种少模多芯光纤信道分路器，其特征是：所述的少模多芯光纤信道分束器由单模光纤、过渡双包层光纤、过渡多芯光纤、第一多孔石英套管、第二多孔石英套管、级联的第一光纤束锥体、第二光纤束锥体以及少模多芯光纤组成；所述的第一光纤束锥体由多根单模光纤分别熔接过渡双包层光纤后插入第一多孔石英套管组成光纤束拉锥得到，将锥体切割后和过渡多芯光纤对芯熔接，形成过渡多芯光纤的扇入扇出器件；第二光纤束锥体由多根过渡多芯光纤插入第二多孔石英套管组成光纤束拉锥得到，不同的过渡多芯光纤在经过第二光纤束锥体后的输出对应到少模多芯光纤的每个少模纤芯，形成少模多芯光纤的信道分路器。本发明可用于高速大容量光通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种少模多芯光纤信道分路器及制备方法，属于光纤通信器件技术领域。
背景技术
在新兴的带宽需求型应用以及遵循摩尔定律持续增长的计算机处理能力的推动下，互联网流量以每十年100倍的速度迅速增长，并且在可预见的未来，这种趋势有望持续。由于传输带宽扩展以及频谱效率的提升，传统单模光纤传输容量在过去十几年里呈指数型增长。近来，单模光纤传输系统容量已经达到了100Tb/s并且传输容量距离乘积已超过100Pb/s·km。然而，标准单模光纤已接近香农定理所限定的物理极限，很难继续支撑持续增长的容量要求。可以预测当下的互联网流量增速必将在不远的将来导致容量危机。因此，如何满足持续飞速增长的互连需求，已经成为光纤通信技术研究的核心问题。
为了进一步增加光纤的通信容量，最直接的方法即为增加纤芯或模式的空间利用率。因此，空分复用为光纤传输系统提供了一个新的发展方向，有可能使系统容量增加一个数量级。目前，空分复用有三种增加空间信道的实现方式。第一种是多芯光纤，即在光纤包层内通过控制纤芯间距合理排布多个纤芯。然而，持续增加多芯光纤中的纤芯数量将会导致光纤由于包层直径过大而失去韧性，因此，如何在有限的包层空间内容纳尽可能多的纤芯并同时保证较低的芯间串扰是设多芯光纤的难点。第二种是少模光纤或多模光纤。其中根据光纤内本征矢量模式叠加方式的不同，光纤内传输的模式又可以分为线偏振模式以及轨道角动量模式。第三种则是空间和模式两个维度相结合的少模多芯光纤。单芯单模光纤传输容量极限为100Tb/s，少模光纤模式复用的传输容量可以突破115Tb/s，多芯光纤空分复用可大幅度提高单光纤传输容量，使其达到 2.15Pb/s。通过多芯光纤+少模光纤相结合的传输容量已经达到10.16Pb/s，为进一步提高光纤传输容量和频谱效率创造了必要的发展空间。
对于单芯少模光纤来说，如何少模纤芯内模式的复用和解复用，并尽量减少不同模式之间的串扰是少模光纤在光通讯系统中能否得到广泛应用的关键问题。解决这个问题的关键技术是基于光子灯笼的模分复用技术。常用的光子灯笼是由多根稍有差异的单模光纤以一定的排布方式插入低折射率石英套管内部，经过绝热拉锥后，熔接少模光纤形成。每根单模光纤对应少模光纤内的某一个模式，因此可以完成模式的复用和解复用。但是在套管内以固定的形状排布单模光纤是十分困难的，这增加了模分复用器的制备难度和性能一致性。另外，对于少模多芯光纤来说，在每个纤芯都要实现模分复用的同时还要解决多芯光纤的扇入扇出问题，上述的制备方法显然难以满足需求。
Z.Sanjabi Eznaveh等人提出一种少模多芯的光纤的信道分路器的制备方法，实现了7芯3模光纤的信道分离(EZNAVEH,Z.Sanjabi,et al.All-fiber few-mode multicorephotonic lantern mode multiplexer.Optics Express,2017,25.14: 16701-16707.)。该文献报道了采用组棒法，将21根两种参数的梯度折射率光纤以三根一组，按照7芯3模光纤的纤芯分布插入石英套管中，并在空隙中填满石英棒，再绝热拉锥，得到7芯3模光纤的21个信道的复用和解复用。这种方法在制备每个器件过程中都需要经过复杂的堆棒工作，并且插入石英套管内的光纤直径不同，制备单个器件需要耗费大量的时间，不适合器件的批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种少模多芯光纤信道分路器及制备方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种少模多芯光纤信道分路器，所述的少模多芯光纤信道分束器由单模光纤、过渡双包层光纤、过渡多芯光纤、第一多孔石英套管、第二多孔石英套管、级联的第一光纤束锥体和第二光纤束锥体以及少模多芯光纤组成；
所述的第一光纤束锥体由多根单模光纤分别熔接一段过渡双包层光纤后插入第一多孔石英套管组成光纤束拉锥得到，在拉锥过程中，过渡双包层光纤的纤芯消逝，内包层形成新的纤芯，并且多根过渡双包层光纤拉锥后形成新的纤芯模场和分布与过渡多芯光纤匹配，切割锥体，将锥体细端和过渡多芯光纤对芯熔接，形成过渡多芯光纤的扇入扇出器件；
所述的第二光纤束锥体由多根过渡多芯光纤插入第二多孔石英套管组成光纤束拉锥得到，不同的过渡多芯光纤在经过第二光纤束锥体后的输出对应到少模多芯光纤的每个少模纤芯。
所述的少模多芯光纤具有多个相同的少模纤芯。
所述的过渡双包层光纤具有一个单模纤芯、一个内包层和一个外包层，过渡双包层光纤的内包层直径取决于第一光纤束锥体的拉锥比例，即其内包层直径满足：在拉锥后，过渡双包层光纤的纤芯内的基模过渡到内包层，形成和过渡多芯光纤的纤芯匹配的基模模场。
所述的过渡多芯光纤包含掺氟的低折射率外包层、一个纯石英内包层和包含在内包层内的多个异质单模纤芯，其异质单模纤芯数量和少模多芯光纤内的少模纤芯支持的模式数量一致；过渡多芯光纤在拉锥前后，异质单模纤芯消逝，内包层变成少模纤芯，并且每个异质单模纤芯的基模对应变化成少模纤芯的一种模式。
所述的第一多孔石英套管为纯石英多孔套管，孔内可嵌入过渡双包层光纤；孔数量与过渡多芯光纤的纤芯数量一致；孔分布和孔间距满足：在拉锥后孔内过渡双包层光纤的输出纤芯和过渡多芯光纤的纤芯分布一致。
所述的第二多孔石英套管为掺氟石英多孔套管，孔内可嵌入过渡多芯光纤，孔数量与少模多芯光纤的纤芯数量一致；孔分布和孔间距满足：在拉锥后孔内多根过渡多芯光纤的输出和少模多芯光纤的少模纤芯分布一致。
一种少模多芯光纤信道分路器的制备方法，具体制备步骤如下，
步骤1：选取多根单模光纤分别和过渡双包层光纤熔接，去除过渡双包层光纤的涂覆层后插入第一多孔石英套管，拉锥至锥腰处的输出和过渡多芯光纤的各个纤芯输入匹配，切割锥体，再和过渡多芯光纤对芯熔接，形成过渡多芯光纤的扇入扇出器件；
步骤2：按照步骤1制备多个过渡多芯光纤的扇入扇出器件，并将过渡多芯光纤的尾纤去除一段涂覆层备用；
步骤3：将步骤2中制备的多个过渡多芯光纤的扇入扇出器件的过渡多芯光纤尾纤分别插入第二多孔石英套管，组成光纤束后，拉锥至锥腰处的输出和少模多芯光纤的各个纤芯输入匹配，切割锥体，再和少模多芯光纤对芯熔接，形成少模多芯光纤的信道分路器件；
步骤4：将器件用钢管封装、测试并标识出各个信道的通道序号。
本发明的显著的有益效果在于：
(1)同时解决了少模多芯光纤的模分复用和扇入扇出的技术问题，能有效实现少模多芯光纤的每个信道的分路连接。
(2)采用特殊设计制备的异质芯多芯光纤，减少了器件在模分复用不同模式信道之间的串扰的同时，由于两级光纤束锥体采用的均是多孔石英套管，这将过渡光纤的位置固定，在器件制备过程中，不但减小了光纤组合的难度，还提高器件性能的稳定性和一致性。
附图说明
图1是三模七芯光纤的端面结构。
图2是三模七芯光纤信道分路器的结构。
图3是过渡双包层光纤的端面和折射率分布。
图4是三孔石英套管的端面结构。
图5是过渡三芯光纤的信道分路器件的结构图。
图6是双包层光纤在拉锥前后的波导结构和模场分布变化。
图7是过渡三芯光纤的端面结构。
图8是过渡三芯光纤在拉锥前后的模场转换关系图。
图9是低折射率七孔石英套管的端面结构图。
图10是第二光纤束锥体的结构图。
图11是六模十九芯光纤的端面结构图。
图12是过渡六芯光纤的端面结构图。
图13是六孔石英套管的端面结构图。
图14是19孔低折射率石英套管的端面结构图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：三模七芯光纤信道分路器。
如图1所示，三模七芯光纤包括七个三模纤芯，每个纤芯的外围有低折射率的氟掺杂隔离层。
如图2所示的是上述三模七芯光纤信道分路器的结构。器件包括：单模光纤1、过渡双包层光纤2、过渡三芯光纤3、七芯光纤4、三孔石英套管5、七孔低折射率套管6、第一光纤束锥体7、第二光纤束锥体8。
其中过渡双包层光纤2的端面和折射率分布如图3所示。该光纤包括纤芯、内包层和外包层。纤芯和内包层组成单模波导，和单模光纤1模场匹配。
如图5将三根过渡双包层光纤2的一端和单模光纤1熔接，另一端剥去涂覆层后分别插入如图4所示的三孔石英套管5的孔内，高温下缓慢拉锥得到第一光纤束锥体7。在第一光纤束锥体7的锥腰处切割，得到的输出端面具有和过渡三芯光纤3相同几何分布的纤芯。将第一光纤锥体输出端和过渡三芯光纤3对芯熔接，形成过渡三芯光纤3的扇入扇出信道分路器件。
如图6所示，在第一光纤束锥体7拉制的过程中，孔内的双包层光纤随着逐渐变细，其单模模场9逐渐由纤芯2-1过渡到内包层2-2内传输。最终三根双包层光纤2的内包层2-2变成三个新的纤芯，分别和过渡三芯光纤的三个纤芯匹配。
采用的过渡三芯光纤3的端面结构如图6所示，包括三个锗掺杂单模纤芯3-1至3-3，纯石英内包层3-4以及氟掺杂外包层3-5。其中纤芯3-1和另外两个纤芯的直径不同，目的是防止在第二光纤束锥体8的传输过程中发生严重的模间串扰。
如果将过渡三芯光纤3缓慢拉锥，其各个纤芯内传输的基模光场会逐渐过渡到内包层中传输，并对应转换为不同的模式。其锥体输入端和输出端的模场转换关系如图8所示。如此便可以实现单个三模纤芯的模分信道复用。
采用如图9所示的低折射率七孔石英套管6，其孔分布和三模七芯光纤的芯分布成比例。将七根过渡三芯光纤3插入低折射率七孔石英套管6的孔中。如图10所示，组合的光纤束在高温下拉锥，得到第二光纤束锥体8，并在合适的锥腰处切割后和三模七芯光纤4对芯熔接。
通过七个图5中所示的过渡三芯光纤的扇入扇出器和图10中的第二光纤束锥体的级联，便可以实现三模七芯光纤的信道分路。
实施例2：六模十九芯光纤信道分路器。
针对如图11所示的六模十九芯光纤设计制备信道分路器。该光纤具有十九个纤芯，每个纤芯的外围有氟掺杂的低折射率隔离层，每个纤芯支持六个模式，故其共有114个光信号通道。
与实施例1的三模七芯光纤信道分路器类似，本光纤信道分路器的制备也是通过两级器件级联的方式实现。主要区别在于：
(1)过渡多芯光纤采用如图12所示的六芯过渡光纤11，该光纤具有六个异质单模纤芯，每个纤芯在第二光纤束锥体处都可以将芯内的基模转换成不同的六个模式，实现六模十九芯光纤六模纤芯的模分复用。过渡六芯光纤具有一个标记，用于辨别不同纤芯的相对位置和方向。
(2)采用的第一多孔石英套管采用如图13所示的六孔石英套管，管内同样有一个标记，用于拉锥后辨别不同纤芯的相对位置和方向。
(3)采用如图14所示的十九孔多孔石英套管为第二多孔石英套管，材质为氟掺杂的低折射率石英材料。
按照实施例1中的器件类似制备方法，即可制得六模十九芯光纤的信道分路器。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。
Claims (7)
1.一种少模多芯光纤信道分路器，其特征是：所述的少模多芯光纤信道分束器由单模光纤、过渡双包层光纤、过渡多芯光纤、第一多孔石英套管、第二多孔石英套管、级联的第一光纤束锥体和第二光纤束锥体以及少模多芯光纤组成；
所述的第一光纤束锥体由多根单模光纤分别熔接一段过渡双包层光纤后插入第一多孔石英套管组成光纤束拉锥得到，在拉锥过程中，过渡双包层光纤的纤芯变细消逝，内包层形成新的纤芯，并且多根过渡双包层光纤拉锥后形成新的纤芯模场和分布与过渡多芯光纤匹配，切割锥体，将锥体细端和过渡多芯光纤对芯熔接，形成过渡多芯光纤的扇入扇出器件；
所述的第二光纤束锥体由多根过渡多芯光纤插入第二多孔石英套管组成光纤束拉锥得到，不同的过渡多芯光纤在经过第二光纤束锥体后形成的输出纤芯对应到少模多芯光纤的每个少模纤芯。
2.根据权利要求1所述的一种少模多芯光纤信道分路器，其特征是：所述的少模多芯光纤具有至少两个相同的少模纤芯。
3.根据权利要求1所述的一种少模多芯光纤信道分路器，其特征是：所述的过渡双包层光纤具有一个单模纤芯、一个内包层和一个外包层，过渡双包层光纤的内包层直径取决于第一光纤束锥体的拉锥比例，即其内包层直径满足：在拉锥后，过渡双包层光纤的纤芯内的基模过渡到内包层，形成和过渡多芯光纤的纤芯匹配的基模模场。
4.根据权利要求1所述的一种少模多芯光纤信道分路器，其特征是：所述的过渡多芯光纤包含掺氟的低折射率外包层、一个纯石英内包层和包含在内包层内的多个异质单模纤芯，其异质单模纤芯数量和少模多芯光纤内的少模纤芯支持的模式数量一致；过渡多芯光纤在拉锥前后，异质单模纤芯变细，内包层变成少模纤芯，并且每个异质单模纤芯的基模对应变化成少模纤芯的一种模式。
5.根据权利要求1所述的一种少模多芯光纤信道分路器，其特征是：所述的第一多孔石英套管为纯石英多孔套管，孔内可嵌入过渡双包层光纤；孔数量与过渡多芯光纤的纤芯数量一致；孔分布和孔间距满足：在拉锥后孔内过渡双包层光纤的输出纤芯和过渡多芯光纤的纤芯分布一致。
6.根据权利要求1所述的一种少模多芯光纤信道分路器，其特征是：所述的第二多孔石英套管为掺氟石英多孔套管，孔内可嵌入过渡多芯光纤，孔数量与少模多芯光纤的纤芯数量一致；孔分布和孔间距满足：在拉锥后孔内多根过渡多芯光纤的输出和少模多芯光纤的少模纤芯分布一致。
7.一种少模多芯光纤信道分路器的制备方法，其特征是：
步骤1：选取多根单模光纤分别和过渡双包层光纤熔接，去除过渡双包层光纤的涂覆层后插入第一多孔石英套管，拉锥至锥腰处的输出和过渡多芯光纤的各个纤芯输入匹配，切割锥体，再和过渡多芯光纤对芯熔接，形成过渡多芯光纤的扇入扇出器件；
步骤2：按照步骤1制备多个过渡多芯光纤的扇入扇出器件，并将过渡多芯光纤的尾纤去除一段涂覆层备用；
步骤3：将步骤2中制备的多个过渡多芯光纤的扇入扇出器件的过渡多芯光纤尾纤分别插入第二多孔石英套管，组成光纤束后，拉锥至锥腰处的输出和少模多芯光纤的各个纤芯输入匹配，切割锥体，再和少模多芯光纤对芯熔接，形成少模多芯光纤的信道分路器件；
步骤4：将器件用钢管封装、测试并标识出各个信道的通道序号。
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