CN114721091A - 一种实现多模光纤单模传输的功能器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现多模光纤单模传输的功能器件及其制备方法，该方法为通过分析多模光纤中基模模式的模场直径及模场轮廓，使用标准单模光纤，对标准单模光纤进行反向拉锥和热致扩芯混合处理，使得处理后光纤模场与多模光纤基模达到模场匹配，将处理后单模光纤居中切割后，与多模光纤中心对准熔接而成。本发明的功能器件包括输入端标准单模光纤，反向拉锥单模光纤结构，光纤熔接点，输出端多模光纤。本发明可以实现单模光纤基模与多模光纤基模高纯度和低损耗耦合，使得多模光纤只激发单模进行传输，从而有效降低多模光纤传输系统的差分模式延迟，提高多模光纤系统链路的带宽积，本发明兼容现有商用的标准单模光纤与商用多模光纤，不需要额外组件，可以显著提升高速多模光纤通信系统传输性能。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种实现多模光纤单模传输的功能器件及其制备方法。
背景技术
近年来，随着物联网、云计算和数据中心的飞速发展，相比单模光纤通信系统，具有更大理论信息容量的高速多模光纤传输系统受到人们的广泛关注。然而，由于多模光纤可支持大量模式传输导致固有的差分模式延迟，使得多模光纤链路系统的传输速度很难进一步提高。随着对多模光纤通信系统带宽需求的不断增加，进一步提升多模光纤传输速度具有重要的意义。
为了解决这一问题，人们曾多次尝试通过优化发射条件，使高速多模光纤传输系统的激励模态数量最小化，从而使差分模式延迟最小化。其中一种技术为采用空间光调制器或模式群分复用技术的自适应均衡技术，然而这些技术操作复杂，成本较高。另一种更为简单的技术为中心发射和偏移发射技术，被广泛应用于将多模光纤的模态激励分别限制为几个低阶模态或高阶模态。使用中心发射技术可以只激发多模光纤中圆对称模式，降低模式色散，进一步地，在中心入射基础上已有研究者提出通过热致扩芯技术增大单模光纤模场，从而提高了多模光纤基模激发效率，增加了多模光纤传输系统的带宽积。然而直接使用热致扩芯技术优化单模光纤模场，对多模光纤的基模激发效果有限，难以实现更高纯度的基模耦合效率。也有研究者提出利用锥形光纤作为过渡光纤减小单模光纤与多模光纤的模场匹配，然而该方法将引入两个及以上耦合界面，结构较为复杂。目前高速多模光纤通信系统已经被大量应用于数据中心等地方，因此，为了促进高速多模光纤通信系统的发展，找到并开发一种实现多模光纤单模传输的方法及相关器件具有很大的应用价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现多模光纤单模传输的功能器件及其制备方法，以此解决高速多模光纤通信系统中光纤传输速率受限的关键技术问题。
本发明提供的实现多模光纤单模传输的功能器件，其结构参见图1所示；是一种简单高效的单模光纤与多模光纤的模式耦合结构，包括：标准单模光纤，反向拉锥标准单模光纤结构，光纤熔接点，多模光纤；所述标准单模光纤作为器件输入端口；所述反向拉锥标准单模光纤结构与所述标准单模光纤衔接为一体，由所述标准单模光纤在反向拉锥处理后从拉锥腰区切割得到；所述多模光纤的一端与所述反向拉锥标准单模光纤结构端口连接，该连接处为光纤熔接点；所述多模光纤作为器件的输出端口；其中：
所述反向拉锥标准单模光纤结构具有绝热过渡的锥形耦合区域，能够实现输入端标准单模光纤模场逐渐增大到与输出端多模光纤的基模模场匹配，使得所述输出端多模光纤只激发基模进行传输。
其中，所述输出端的多模光纤为渐变折射率多模光纤。
其中，所述输入端的标准单模光纤的模场与输出端多模光纤基模之间的高纯度耦合是双向的：实现单模光纤高斯光输入、多模光纤基模输出或者多模光纤基模输入、单模光纤高斯光输出。
本发明还提供所述实现多模光纤单模传输功能器件的制备方法，具体步骤如下：
（1）分析多模光纤基模模场直径及模场轮廓；
（2）选用标准单模光纤，对其进行反向拉锥处理，形成反向拉锥单模光纤结构，并进行热致扩芯处理，使得其模场与多模光纤基模模场达到模场匹配；
（3）将处理后标准单模光纤从反向拉锥结构腰区居中切割，然后将切割端口与多模光纤的端口中心对准熔接。
其中，所述对标准单模光纤进行反向拉锥处理是指：首先，剥除标准单模光纤的涂覆层，将光纤置于氢氧焰中进行加热，在光纤熔融状态中使光纤从两边向里推进，形成腰区直径大于过渡区光纤直径的反向拉锥单模光纤结构；所述对反向拉锥结构进行热致扩芯处理是指：对反向拉锥标准单模光纤腰区使用氢氧焰进行加热扩芯处理，进一步优化光纤模场直径和模场轮廓。
本发明提出的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
（1）本发明提供的实现多模光纤单模传输的功能器件，利用标准单模光纤进行处理后直接与多模光纤进行熔接，不需要额外组件，输入端口为标准单模光纤，输出口为多模光纤，可以有效兼容现有光纤通信系统；
（2）本发明提供的实现多模光纤单模传输功能器件的制备方法，对标准单模光纤进行反向拉锥和热致扩芯处理，可以更加灵活调控光纤输出模场，从而与多模光纤基模进行耦合，可以实现很高的基模耦合效率，这种光纤处理方式简单实用，可有效减小成本；
（3）本发明把单模光纤与多模光纤基模的双向高效耦合，可以极大减小通信系统光纤链路的模式色散干扰，显著提高光纤传输速率，有效增大多模光纤通信的带宽积，在高速多模光纤通信系统中具有巨大的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的实现多模光纤单模传输功能器件的结构示意图。
图2是本发明提供的实现多模光纤单模传输功能器件的制备方法流程图。
图3是标准单模光纤直接与多模光纤熔接后光纤模式干涉图。
图4是反向拉锥和热致扩芯处理标准单模光纤前(a)和后(b)光纤侧面图。
图5是反向拉锥和热致扩芯处理后单模光纤与多模光纤熔接后光纤模场变化图。
图中标号，11为标准单模光纤，12为反向拉锥标准单模光纤结构，1为标准单模光纤11和反向拉锥标准单模光纤结构12的组合体，2为光纤熔接点，3为多模光纤。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供了一种实现多模光纤单模传输的功能器件及其制备方法，具体为通过对标准单模光纤进行反向拉锥处理，增大光纤纤芯和模场直径，并结合热致扩芯处理，对单模光纤模场进一步优化，使得与多模光纤基模达到模场匹配，从而高效高纯度激发多模光纤基模，实现多模光纤进行单模传输。本发明提供了单模光纤与多模光纤有效的连接端口，可与现有光纤通信系统兼容，可以有效促进高速多模光纤通信的发展。
图1为本发明提供的一种实现多模光纤单模传输功能器件的结构示意图，主要包括以下几个部分：标准单模光纤11，反向拉锥标准单模光纤结构12，光纤熔接点2，多模光纤3。标准单模光纤11作为器件输入端口。反向拉锥标准单模光纤结构12与输入端标准单模光纤11是一体的，为标准单模光纤在反向拉锥处理后从拉锥腰区切割得到。光纤熔接点2作为反向拉锥标准单模光纤结构与多模光纤的熔接点。多模光纤3作为器件的输出端口。
图2为本发明提供的一种实现多模光纤单模传输的功能器件制备方法的流程图。
本发明提供的一种实现多模光纤单模传输功能器件的制备方法，具体实施方式如下：
1、分析多模光纤基模模场直径及模场轮廓；
2、选用标准单模光纤，对其进行反向拉锥处理和热致扩芯处理，使得其模场与多模光纤基模模场达到模场匹配；
3、将处理后标准单模光纤从拉锥区居中切割后与多模光纤中心对准熔接，从而实现多模光纤基模的高效高纯度激发，使得多模光纤进行单模传输，输入端是标准单模光纤，输出端是多模光纤。
如图3所示为标准单模光纤直接与多模光纤熔接后光纤模式干涉示意图。
具体地，当直接熔接标准单模光纤与多模光纤时，由于单模光纤的模场直径小于多模光纤基模模场，模场与多模光纤基模模场不匹配，使得单模光纤高斯光入射到多模光纤后将激发出多个模式，这些模式包括基模和高阶模，将在多模光纤内发生模式干涉，从而形成如图3所示模式干涉图。
图4是反向拉锥和热致扩芯处理标准单模光纤前(a)和后(b)光纤侧面图。
具体地，对标准单模光纤进行反向拉锥处理是指：首先剥除标准单模光纤的涂覆层，将光纤置于氢氧焰中进行加热，在光纤熔融状态中使光纤从两边向里推进，从而形成腰区直径大于过渡区光纤直径的反向拉锥单模光纤结构；对反向拉锥结构进行热致扩芯处理是指：对反向拉锥标准单模光纤腰区使用氢氧焰进行加热扩芯处理，进一步优化光纤模场直径和模场轮廓。
图5为反向拉锥和热致扩芯处理后单模光纤与多模光纤熔接后光纤模场变化图，从图5中能看出没有发生明显的模式干涉，因此保证了多模光纤内基模的高效率激发。
具体地，经过反向拉锥和热致扩芯混合处理的标准单模光纤模场可以与多模光纤基模达到模场匹配，将反向拉锥光纤在腰区居中切割后与多模光纤进行中心对准熔接，使得只激发多模光纤基模，实现多模光纤单模传输。
具体地，该多模光纤为渐变折射率多模光纤。
具体地，单模光纤模场与多模光纤基模高纯度耦合是双向的：可以实现单模光纤高斯光输入、多模光纤基模输出或者实现多模光纤基模输入、单模光纤高斯光输出。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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 (4)
1.一种实现多模光纤单模传输的功能器件，其特征在于，是一种单模光纤与多模光纤的模式耦合结构，包括：标准单模光纤、反向拉锥标准单模光纤结构、多模光纤；所述反向拉锥标准单模光纤结构与所述标准单模光纤衔接为一体，由所述标准单模光纤在反向拉锥处理后从拉锥腰区切割得到；所述标准单模光纤作为器件输入端口；所述多模光纤的一端与所述反向拉锥标准单模光纤结构端口连接，该连接处为光纤熔接点；所述多模光纤作为器件的输出端口；其中，所述反向拉锥标准单模光纤结构具有绝热过渡的锥形耦合区域，用于实现输入端标准单模光纤模场逐渐增大到与输出端多模光纤的基模模场匹配，使得所述输出端多模光纤只激发基模进行传输。
2.根据权利要求1所述的实现多模光纤单模传输的功能器件，其特征在于，所述输出端的多模光纤为渐变折射率多模光纤。
3.根据权利要求2所述的实现多模光纤单模传输的功能器件，其特征在于，所述输入端的标准单模光纤的模场与输出端多模光纤基模之间的高纯度耦合是双向的：能够实现单模光纤高斯光输入、多模光纤基模输出，或者多模光纤基模输入、单模光纤高斯光输出。
4.如权利要求1-3之一所述实现多模光纤单模传输的功能器件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）分析多模光纤基模模场直径及模场轮廓；
（2）选用标准单模光纤，对其进行反向拉锥处理，形成反向拉锥单模光纤结构，并进行热致扩芯处理，使得其模场与多模光纤基模模场达到模场匹配；
（3）将处理后标准单模光纤从反向拉锥结构腰区居中切割，然后将切割端口与多模光纤的端口中心对准熔接；
其中，所述对标准单模光纤进行反向拉锥处理是指：首先，剥除标准单模光纤的涂覆层，将光纤置于氢氧焰中进行加热，在光纤熔融状态中使光纤从两边向里推进，形成腰区直径大于过渡区光纤直径的反向拉锥单模光纤结构；
所述对反向拉锥结构进行热致扩芯处理是指：对反向拉锥标准单模光纤腰区使用氢氧焰进行加热扩芯处理，优化光纤模场直径和模场轮廓。
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