CN114002777A - 一种多芯多模光纤复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多芯多模光纤复用器，包括多芯多模光纤、多芯多模光纤成像模块、至少两个处理机构和光学处理元件；所述处理机构具有多芯单模光纤、多芯单模光纤扇入/扇出模块、相位调制元件和多芯单模光纤成像模块；光学处理元件被配置为将所述至少两个处理机构处理后的信号光合束后通过所述多芯多模光纤成像模块进入所述多芯多模光纤，或被配置为将所述多芯多模光纤成像模块处理后的信号光分束至所述至少两个处理机构；其中，所述多芯单模光纤与所述多芯多模光纤各芯的光场配置为在相位调制元件表面中心一一对应重合。此光纤复用器大大减少了复用所需的元件数目，提高了器件的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及光传输器件技术领域，具体涉及一种多芯多模光纤复用器。
背景技术
光纤通信技术经过了几十年的发展，其通信容量已逐渐接近非线性香农极限，而互联网社会对于通信的需求仍在持续增加。回顾光纤通信的发展历程，掺铒光纤放大器、波分复用技术、高频谱效率的编码技术引领了光纤通信容量的变革性增长，从中可以看出对光场维度资源的充分利用是增长通信容量的重要手段。目前，光场的振幅、纵向相位、波长、偏振维度已经得到了充分的开发，基于单模光纤的通信系统在进一步提高传输容量和每比特成本方面遭遇瓶颈，只有横向空间维度具备着变革性提升通信容量的潜力。因此空分复用技术有较大可能是通信容量的下一个增长点，是光纤通信技术的重要研究方向之一。
空分复用技术包括基于多芯光纤的复用技术与基于多模光纤的模分复用技术。对于这两种技术路线，已经有了一定数目的研究。而充分地利用空间维度资源，则需要同时结合多芯与多模两种复用技术—称为密集空分复用。关于密集空分复用的研究尚有较大的空白。
密集空分复用技术的实现依赖于多芯多模光纤、多芯多模复用/解复用器、多芯多模光纤放大器、高效实时数字信号处理算法与硬件等关键技术。其中，多芯多模复用/解复用器用于实现多芯多模光纤到单模光纤阵列之间不同空间机构的合并与分离，需要满足高效率、低串扰且兼容其他复用技术。进一步地，复用/解复用器需要制成高稳定、易插拔的模块，才能够走向工程与实际应用。因此，针对面向密集空分复用系统的多芯多模复用/解复用器的研究，具有科学与工程意义。
2016年，日本NICT基于自由空间光学元件实现多芯多模复用。每一路都先由带准直镜的单模光纤经过相位板产生目标模式，再经过第一透镜组与合束器进入到对应的芯中。2019年该研究单位将模式复用的部分改用3D直写的光子灯笼实现。首先通过3D直写的光子灯笼实现少模光纤中的模式复用，再基于自由空间光学元件将多个少模光纤的光场耦合进入多芯少模光纤。这两种方案均需要大量的元件，集成度较低，因此，有必要进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大大减少了复用器所需的元件数目，提高了器件的集成度的多芯多模光纤复用器。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种多芯多模光纤复用器，包括多芯多模光纤成像模块、多芯多模光纤、至少两个处理机构以及光学处理元件，光学处理元件被配置为将所述至少两个处理机构处理后的信号光合束后通过所述多芯多模光纤成像模块进入所述多芯多模光纤，或被配置为将所述多芯多模光纤成像模块处理后的信号光分束至所述至少两个处理机构。
本公开的至少一实施例提供的多芯多模光纤复用器中，所述处理机构均包含有多芯单模光纤、多芯单模光纤扇入/扇出模块、相位调制元件以及多芯单模光纤成像模块；其中，所述多芯单模光纤与所述多芯多模光纤各芯的光场配置为在相位调制元件表面中心一一对应重合。
作为优选，所述相位调制元件为衍射光学元件或超构表面或空间光调制器中的一种。
本公开的至少一实施例提供的多芯多模光纤复用器中，所述多芯单模光纤成像模块为第一透镜，所述多芯单模光纤端面位于第一透镜的物方成像面，所述相位调制元件表面位于第一透镜的像方成像面。
本公开的至少一实施例提供的多芯多模光纤复用器中，所述多芯多模光纤成像模块为第二透镜，所述多芯多模光纤端面位于第二透镜的物方成像面，所述相位调制元件表面位于第二透镜的像方成像面。
本公开的至少一实施例提供的多芯多模光纤复用器中，所述多芯单模光纤和多芯多模光纤的芯数相同，且所述多芯单模光纤和多芯多模光纤的芯排布方式相同。
本公开的至少一实施例提供的多芯多模光纤复用器中，所述处理机构具有两个。
本公开的至少一实施例提供的多芯多模光纤复用器中，光学处理元件为分束立方或薄膜分束器中的一种。
本公开的至少一实施例提供的多芯多模光纤复用器中，多芯单模光纤端面的模场以V1的比例成像于所述相位调制元件表面，所述多芯多模光纤端面的模场以V2的比例成像于所述相位调制元件表面，多芯单模光纤的芯间距为d1，多芯多模光纤芯间距为d2，芯间距与成像比例满足关系式V1d1＝V2d2，使得多芯单模光纤与多芯多模光纤各芯的光场配置为在相位调制元件表面中心一一对应重合。
本公开的至少一实施例提供的多芯多模光纤复用器中，所述相位调制元件包含有菲涅尔透镜和阵列化的单芯模式转换器。
进一步的，阵列化的单芯模式转换器为阵列化的涡旋相位板或能够生成光纤LP模式的相位板。
菲涅尔透镜补偿由多芯单模光纤成像模块及多芯多模光纤成像模块引入的二次相位，其焦距f满足表达式
每一模式转换结构的中心与成像在相位调制元件表面的光场中心一一对应重合。
本发明的有益效果为：利用带有扇入模块的多芯单模光纤，大大减少了多芯多模光纤模式复用/解复用器所需的元件数目，仅需使用与模式数量相同的多芯单模光纤与相位板，提高了器件的集成度；且模式通过纯相位调制产生，功率损耗少。
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为本发明一种多芯多模光纤复用器的结构示意图。
图2为单独激发+2阶模式与+3阶模式所得的模式的光斑采集图像。
图3为实施例中采集所得的+2、+3阶涡旋模式激发光斑。
图4为实施例中测试所得的各芯各模式耦合损耗。
图5为实施例中测试所得的各芯各模式芯间串扰。
图中：
10、七芯单模光纤扇入/扇出模块；
20、七芯单模光纤成像模块；
30、相位调制元件；
40、分束立方；
50、七芯环芯光纤成像模块；
60、七芯环芯光纤；
70、七芯单模光纤。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
另外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
如图1所示，七芯环芯光纤复用器，用于实现七芯环芯光纤内涡旋模式的复用。具有七芯单模光纤70、两组七芯单模光纤扇入/扇出模块10、两组七芯单模光纤成像模块20、两组相位调制元件30、一个分束立方40、一个七芯环芯光纤成像模块50及七芯环芯光纤60。
七芯单模光纤成像模块20与七芯环芯光纤成像模块50均为薄透镜。
14路基模信号光从两个七芯单模光纤扇入/扇出模块10输入，经过七芯单模光纤成像模块后成像于各自的相位调制元件30。两个相位调制元件30之一由+2阶涡旋相位板与菲涅尔透镜的叠加。另一相位调制元件由+3阶涡旋相位板与菲涅尔透镜的叠加。
如附图2所示，经过相位调制后，14路基模信号光变为7路+2阶涡旋模式与7路+3阶涡旋模式。两个模式通过分束立方40实现合束，并通过七芯环芯光纤成像模块50耦合进入七芯环芯光纤60传输。
在本实施例中，七芯单模光纤的芯间距为42μm，通过8mm焦距的薄透镜以62倍成像于相位调制元件30。七芯环芯光纤60的芯间距为50μm，通过8mm焦距的薄透镜以52倍成像于相位调制元件30。叠加于七芯涡旋相位的菲尼尔透镜的焦距为226mm。故在相位调制元件30表面，来自七芯单模光纤与七芯环芯光纤60的光斑中心一一重合，并通过集成与相位调制元件30上的菲涅尔透镜实现了光轴的补偿。焦距f满足表达式
在七芯环芯光纤60的输出端观察单独激发+2阶模式与+3阶模式所得的模式光斑，采集所得的图像如图3所示。由于环芯模组内的强串扰，输出的模场为模组内正数阶模式与负数阶模式的叠加态。对于+2阶模式而言，输出的光场经传播后变为+2阶模式与-2阶模式的叠加，因此能够观察到4个分瓣；对于+3阶模式而言，输出的光场经传播后变为+3阶模式与-3阶模式的叠加，因此能够观察到6个分瓣。清晰的分瓣意味着较纯净模式的激发，进而意味着同时激发+2阶模式与+3阶模式时能够实现低串扰复用。
测量耦合进入七芯环芯光纤60前后的功率，能够得到器件的模式耦合损耗。测量从某芯耦合进入七芯环芯光纤60后，其他芯的输出功率，能够得到器件的芯间串扰。
串扰测量与计算方式如下：
器件第i个芯的模式耦合损耗损耗ILi定义为，ILi(dB)＝-10×log10(Pout,i/Pin,i)。其中，Pin,i和Pout,i分别为单独激发第i个纤芯时，入纤之前的功率与入纤之后的功率。依次单独激发各个芯，测量耦合进入七芯环芯光纤60前后的功率，测得的各芯模式耦合损耗如附图4所示，+2阶模式的耦合损耗约为3.5dB，+3阶模式的耦合损耗约为5.3dB。
器件第j个芯对第i个芯的的芯间串扰XTi,j定义为，XTi(dB)＝10×log10(Pout,i,j/Pout,i,i)。其中，Pout,i,j为单独激发第j个纤芯，从第i个纤芯的输出功率；Pout,i,i分别为单独激发第i个纤芯时，从第i个纤芯的输出功率。依次单独激发七芯环芯光纤60的各个芯，在光纤输出端通过光阑过滤出依次过滤出各个纤芯的输出并测量功率，测得的各芯芯间串扰如附图5所示，对于相邻芯，芯间串扰约为-25dB；对于相邻芯约为-30dB。可见该器件具有高效率与低串扰的特点。
以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。
Claims (9)
1.一种多芯多模光纤复用器，包括多芯多模光纤，其特征在于：还包括
多芯多模光纤成像模块；
至少两个处理机构，具有多芯单模光纤、多芯单模光纤扇入/扇出模块、相位调制元件和多芯单模光纤成像模块；以及
光学处理元件，被配置为将所述至少两个处理机构处理后的信号光合束后通过所述多芯多模光纤成像模块进入所述多芯多模光纤，或被配置为将所述多芯多模光纤成像模块处理后的信号光分束至所述至少两个处理机构；
其中，所述多芯单模光纤与所述多芯多模光纤各芯的光场配置为在相位调制元件表面中心一一对应重合。
2.根据权利要求1所述的一种多芯多模光纤复用器，其特征在于：所述多芯单模光纤成像模块为第一透镜，所述多芯单模光纤端面位于第一透镜的物方成像面，所述相位调制元件表面位于第一透镜的像方成像面。
3.根据权利要求1所述的一种多芯多模光纤复用器，其特征在于：所述多芯多模光纤成像模块为第二透镜，所述多芯多模光纤端面位于第二透镜的物方成像面，所述相位调制元件表面位于第二透镜的像方成像面。
4.根据权利要求1所述的一种多芯多模光纤复用器，其特征在于：所述相位调制元件为衍射光学元件或超构表面或空间光调制器中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种多芯多模光纤复用器，其特征在于：所述多芯单模光纤和多芯多模光纤的芯数相同，且所述多芯单模光纤和多芯多模光纤的芯排布方式相同。
6.根据权利要求1所述的一种多芯多模光纤复用器，其特征在于：所述处理机构具有两个。
7.根据权利要求1所述的一种多芯多模光纤复用器，其特征在于：光学处理元件为分束立方或薄膜分束器中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种多芯多模光纤复用器，其特征在于：所述相位调制元件包含有菲涅尔透镜和阵列化的单芯模式转换器。
9.根据权利要求8所述的一种多芯多模光纤复用器，其特征在于：所述阵列化的单芯模式转换器为阵列化的涡旋相位板或能够生成光纤LP模式的相位板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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