CN117420680B - 一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法，属于光纤通信系统领域，包括：在制备光子灯笼过程中，在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段折射率下陷的双包层波导结构，得到所述具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼；通过改变所述双包层波导结构的波导长度及折射率下陷区的直径，使所述双包层波导结构引入模式相关损耗，以均衡所述少模光纤中传输的少模模式相关损耗。同时，还提供了一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼及一种少模光纤传输系统。本发明仅用一个器件同时实现了模式复用和解复用，以及模式相关损耗均衡功能，无需级联其它模式相关损耗均衡器，能够降低少模光纤传输系统中的模式相关损耗和系统复杂程度。

Description

一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法
技术领域
本发明属于光纤通信系统领域，更具体地，涉及一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法。
背景技术
随着网络流量呈爆炸式增长，以单模光纤为基础的传统光纤通信系统已经逐渐逼近非线性香农极限，基于少模光纤的模分复用技术通过使用彼此正交的少模光纤空间模式作为独立的传输信道，可以成倍提升光纤传输系统的容量。
相比于单模光纤传输系统，少模光纤传输系统中增加了三个关键器件：模式复用器解复用器、模式相关损耗均衡器和少模放大器。其中，光子灯笼作为模式复用器解复用器的一种，具有工作波长范围较宽，通过一个器件可以同时实现多个模式的转换和复用等优势。
在少模光纤传输系统中，少模光纤传输链路与少模器件会造成不同模式的传输功率存在差异，也即引入模式相关损耗；虽然模式相关损耗均衡器能够均衡少模光纤传输系统中的模式相关损耗，但模式相关损耗均衡器的引入，不仅增加了少模光纤传输系统的复杂性，也会引入器件自身带来的模式相关损耗。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法，其目的在于实现复用和解复用功能的同时降低少模光纤传输系统中的模式相关损耗。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法，所述光子灯笼包括N根单模光纤和一根少模光纤，N＞1；所述光子灯笼设计方法包括：
在制备光子灯笼过程中，在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，得到所述具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼；其中，所述双包层波导结构的纤芯为所述光子灯笼的包层，内包层为所述少模光纤的纤芯，外包层为所述少模光纤的包层；且所述光子灯笼包层的折射率小于少模光纤包层的折射率，使所述双包层波导结构形成折射率下陷区；
通过改变所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D，使所述双包层波导结构引入模式相关损耗，以均衡所述少模光纤中传输的少模模式相关损耗。
进一步地，针对所述少模光纤中传输的每个少模模式，确定所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D，包括：
拟合所述双包层波导结构的波导长度L、折射率下陷区直径D与差分模式衰减DMA之间的函数关系fDMA（L，D）；其中，所述差分模式衰减DMA为所述少模光纤中传输的对应少模模式相关损耗的相反数；
根据所述少模光纤中传输的对应少模模式相关损耗，得到满足所述函数关系fDMA（L，D）的波导长度L和折射率下陷区直径D的集合。
进一步地，对于所述少模光纤中传输的多个少模模式，确定所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D，还包括：
获取对应少模模式下波导长度L和折射率下陷区直径D集合的交集作为所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D。
进一步地，若所述交集为空集，则选择模式相关损耗较大的少模模式对应的波导长度L和折射率下陷区直径D集合的交集作为所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D。
进一步地，在制备光子灯笼过程中，在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，包括：
将N根单模光纤插入到玻璃管中，进行绝热拉锥，使N根单模光纤形成所述光子灯笼尾纤的纤芯，使所述玻璃管形成所述光子灯笼的包层；
在所述光子灯笼尾纤与所述少模光纤的熔接区域形成所述双包层波导结构。
进一步地，通过电弧放电在所述光子灯笼尾纤与所述少模光纤的熔接区域形成所述双包层波导结构。
按照本发明的第二方面，提供了一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼，所述光子灯笼通过第一方面任意一项所述的光子灯笼设计方法得到。
进一步地，所述光子灯笼作为模式复用器时，所述单模光纤作为输入端，所述少模光纤作为输出端，以实现将基模转换为对应的少模模式。
进一步地，所述光子灯笼作为模式解复用器时，所述少模光纤作为输入端，所述单模光纤作为输出端，以实现将多个相互正交的模式转换为基模。
按照本发明的第三方面，提供了一种少模光纤传输系统，包括具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼和少模放大器；
所述具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼通过第一方面任意一项所述的光子灯笼设计方法得到；或，所述具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼为第二方面任意一项所述的光子灯笼。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
（1）本发明的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法，通过在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段折射率下陷的双包层波导结构，改变该折射率下陷的双包层波导结构的波导长度及折射率下陷区的直径，使该折射率下陷的双包层波导结构针对不同的传输模式具有不同的损耗，进而均衡少模光纤中传输的少模模式相关损耗。在实现模式相关损耗均衡功能的同时，由于没有额外的引入模式串扰，因而不影响光子灯笼作为模式复用和解复用器的功能。本发明的设计方法，使光子灯笼作为模式复用和解复用器的同时，还能够实现对不同传输模式的模式相关损耗均衡，将该具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼应用在少模光纤传输系统中，可以避免额外引入模式相关损耗均衡器自身带来的模式相关损耗，进而降低了少模光纤传输系统中的模式相关损耗。
（2）进一步地，将本发明设计的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼应用在少模光纤传输系统中，在降低少模光纤传输系统中的模式相关损耗的同时，也降低了少模光纤传输系统的复杂性。
总而言之，通过本发明的光子灯笼设计方法得到的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼，仅用一个器件同时实现了模式复用和解复用，以及模式相关损耗均衡功能，无需级联其它模式相关损耗均衡器，能够降低少模光纤传输系统中的模式相关损耗和系统复杂程度。
附图说明
图1为本发明实施例1中的光子灯笼尾纤与少模光纤在熔接区域形成双包层波导结构的示意图。
图2为本发明实施例1中的光子灯笼作为模式复用器的示意图。
图3为本发明实施例1中的光子灯笼作为模式解复用器的示意图。
图4（a）为本发明实施例1中拉锥后形成的尾纤折射率剖面示意图。
图4（b）为本发明实施例1中两模光纤的折射率剖面示意图。
图4（c）为本发明实施例1中熔接区域形成的双包层波导结构的折射率剖面示意图。
图5为本发明实施例1中在引入双包层波导结构之前，仿真得到的光子灯笼的尾纤与两模光纤熔接区域的模场变化示意图。
图6为本发明实施例1中引入双包层波导结构之后，仿真得到的光子灯笼的尾纤与两模光纤熔接区域的模场变化示意图。
图7为本发明实施例1中折射率下陷区直径D=6μm时，模式衰减、差分模式衰减DMA与波导长度L的关系曲线。
图8为本发明实施例1中波导长度L=60μm时，模式衰减和差分模式衰减DMA与折射率下陷区直径D的关系曲线。
图9为本发明实施例1中波导长度L=60μm，折射率下陷区直径D=6μm时，模式衰减、差分模式衰减DMA与波长的关系。
图10为CCD在1530 nm、1550 nm和1565 nm处测量的本发明实施例1中的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼三个输出口的模场图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本发明的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法，包括：
在制备光子灯笼的过程中，在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，得到具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼；其中，光子灯笼包括N根单模光纤和一根少模光纤，N＞1；该双包层波导结构的纤芯为光子灯笼的包层，内包层为少模光纤的纤芯，外包层为少模光纤的包层；且光子灯笼包层的折射率小于少模光纤包层的折射率，使该双包层波导结构形成折射率下陷的双包层波导结构。
通过改变该双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D，使该段双包层波导结构引入模式相关损耗；用该段双包层波导结构引入的模式相关损耗均衡少模光纤中传输的少模模式相关损耗。
在本发明实施例中，单模光纤的数量与少模光纤中支持传输的少模模式数量一致。
具体地，如图2所示，本发明设计的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼在作为模式复用器时，N根单模光纤作为输入端，少模光纤作为输出端；N路光信号通过N根单模光纤输入，通过模式复用将基模转换为对应的少模模式，并复用至少模光纤中进行传输，其中，N路光信号为基模。
如图3所示，作为模式解复用器时，少模光纤作为输入端，N根单模光纤作为输出端；少模信号通过少模光纤输入，通过模式解复用，将少模信号中的不同模式转换为基模，通过N根单模光纤分成N路传输；其中，少模信号为包含N个相互正交模式的一路光信号。
本发明的设计方法，可以设计强耦合模式复用器解复用器，也可以设计弱耦合模式复用器解复用器。
具体地，在制备光子灯笼的过程中，在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，得到具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼，包括：
将N根单模光纤插入到玻璃管中，进行绝热拉锥，使N根单模光纤形成光子灯笼尾纤的纤芯，使玻璃管形成光子灯笼的包层；
在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，得到具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼。
其中，本发明实施例中，在制备光子灯笼的过程中，通过电弧放电使光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，得到具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼。
具体地，通过改变该双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D，使该段双包层波导结构引入模式相关损耗，用该段双包层波导结构引入的模式相关损耗均衡少模光纤中传输的少模模式相关损耗，包括：
针对少模光纤中传输的每个模式，拟合该双包层波导结构的波导长度L、折射率下陷区直径D与差分模式衰减DMA之间的函数关系fDMA（L，D）；其中，差分模式衰减DMA为少模光纤中传输模式的模式相关损耗相反数；
根据少模光纤中传输模式的模式相关损耗，得到满足函数关系fDMA（L，D）的波导长度L和折射率下陷区直径D的集合。
对于少模光纤中传输的多个模式，取对应模式下的波导长度L和折射率下陷区直径D的集合中的交集作为所需的波导长度L和折射率下陷区直径D。其中，用该交集中的波导长度L和折射率下陷区直径D设计的双包层波导结构引入的模式相关损耗，能够同时满足对多个模式相关损耗的均衡。
当少模光纤中传输的模式较多，使得对应模式下的波导长度L和折射率下陷区直径D的集合不存在交集时，选择模式相关损耗较大的传输模式对应的波导长度L和折射率下陷区直径D的集合中的交集作为所需的波导长度L和折射率下陷区直径D。
本发明的设计方法得到的光子灯笼，通过改变双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区直径D，使得光子灯笼的模式相关损耗具有一个调谐范围，可以调谐为正、为负或者为零。比如，针对少模光纤中传输的每个模式，若光纤传输链路和少模光纤传输系统中器件带来的对应模式的模式相关损耗为正（该模式的损耗大于基模的损耗）时，差分模式衰减DMA为其相反数，根据差分模式衰减DMA与拟合的函数关系fDMA（L，D）得到的波导长度L及折射率下陷区直径D设计的双包层波导结构引入负的模式相关损耗来均衡光纤传输链路和少模光纤传输系统中器件带来的对应模式相关损耗。当光纤传输链路和少模光纤传输系统中器件带来的对应模式相关损耗为负或者零时，按照类似的方法进行对应模式相关损耗来均衡。如此，若光链路及少模光纤传输系统中器件的模式损耗排列为模式1<模式2<模式3<...<模式N，则通过本发明设计方法得到的光子灯笼能够引入模式N<...<模式3<模式2<模式1的损耗，以均衡少模光纤传输系统中的模式相关损耗。
当少模光纤中支持的模式数目较多，无法通过改变有限的器件结构参数使得每个模式的损耗都满足对应的模式相关损耗均衡条件时，也即对应模式下的波导长度L和折射率下陷区直径D的集合不存在交集时，模式相关损耗均衡的顺序与模式相关损耗大小的顺序一致，优先保证模式相关损耗大的模式先被均衡。
下面以具有模式相关损耗均衡功能的两模群光子灯笼为例对本发明的设计方法进一步说明。该两模群光子灯笼包括三根单模光纤和一根两模光纤；在光子灯笼尾纤与两模光纤的熔接区域有一段双包层波导结构。将该具有模式相关损耗均衡功能的两模群光子灯笼作为模式复用器时，输入端三路光信号均为LP01模式，三路光信号通过三根单模光纤输入，将基模转化为LP01，LP11a，LP11b模式，并将它们复用到两模光纤中进行传输；双包层波导结构的设计额外引入的基模损耗大于高阶模损耗。作为模式解复用器时，两模光纤中的光信号通过模式解复用器后，将LP01，LP11a，LP11b模式转换为LP01模式，并将它们分开后通过三根单模光纤传输，双包层波导结构的设计额外引入的基模损耗大于高阶模损耗。
在制备正常的两模群(LP01和LP11)光子灯笼过程中，将三根包层折射率为1.444的单模光纤插入到折射率为1.44的掺氟玻璃管中，经过缓慢的绝热拉锥过程，三根单模桥纤的芯包结构被破坏，成为光子灯笼尾纤的纤芯，掺氟玻璃管则转变为光子灯笼尾纤的包层，其直径为80μm。拉锥后形成的尾纤折射率分布如图4（a）所示，其纤芯折射率为1.444，包层折射率为1.44，其中，n11为光子灯笼纤芯的折射率，n12为光子灯笼包层的折射率。
然后将光子灯笼尾纤与纤芯折射率为1.45，包层折射率为1.444，直径为125μm的两模光纤熔接，其中，两模光纤的折射率剖面如图4（b）所示，其中，n21为少模光纤纤芯的折射率，n22为少模光纤包层的折射率，D0表示少模光纤纤芯的直径。
通过电弧放电使光子灯笼尾纤与两模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，仿真模型如图1所示，其折射率剖面如图4（c）所示，L表示该双包层波导结构的波导长度，D表示折射率下陷区的直径。其中，折射率下降部分由熔接时电弧放电致使掺氟玻璃管融化而引入。
引入差分模式衰减DMA，在本发明实施例中，，其中ALP01为LP01模式的衰减，AHOM为高阶模式的衰减。
如图5所示，在引入双包层波导结构之前，仿真得到的光子灯笼的尾纤与两模光纤熔接区域的模场变化，可以看出，熔接对每个模式的损耗很小。
如图6所示，通过电弧放电引入双包层波导结构后，LP01模式的衰减高于高阶模式，导致DMA为正，此时再仿真熔接区域周围的模场变化，其中白色矩形为熔接形成的双包层波导结构所在位置。基模在通过熔接区域时会产生较大的衰减，而LP11模式的衰减与正常的熔接结果相似。因此，通过熔接形成的双包层波导结构导致正的DMA，可用于均衡链路中其它组件引入的负DMA。
利用波束传播方法拟合了双包层波导结构中波导长度L和折射率下陷区直径D对DMA的影响，图7为当折射率下陷区直径D= 6μm时，模式衰减和DMA与波导长度L的关系。可以看出，随着波导长度L的增加，LP11模式的衰减基本保持不变，而LP01模式的衰减先增大后减小，因此DMA也以相同的趋势变化，但始终保持正值。
同样，图8为波导长度固定为L = 60μm时，模式衰减和DMA与折射率下陷区直径D的关系。可以看出，随着波导直径D的增大，LP01模式的衰减和LP11模式的衰减均先增大后减小，其中LP01模式在波导直径D = 11μm时衰减最大，LP11模式在波导直径D = 15μm时衰减最大。波导直径D在11 ~ 18μm范围内，LP01模式的衰减减小，LP11模式的衰减先增大后减小。
也即，通过调整波导长度L和波导直径D，可以调节LP01和LP11模式的衰减，从而调节DMA，通过本发明的设计方法得到的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼能够均衡少模光纤中传输的少模模式相关损耗。
如图9所示，本发明仿真还研究了模式衰减和DMA对波长的依赖性，可以看出，LP01和LP11模式的衰减在C波段保持相对稳定，导致DMA波动较小，说明了双包层波导结构的引入没有影响器件的工作带宽。
如图10所示为CCD在1530 nm、1550 nm和1565 nm处测量的本发明的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼三个输出口的模场图。可以看出，三个输出端口在不同波长下都呈现出清晰的模场图案，表明通过熔接工艺产生的双包层波导结构不会降低光子灯笼的模式选择性与模式纯度，也即，双包层波导结构的引入，在实现模式相关损耗均衡的同时，不影响光子灯笼作为模式复用和解复用器的功能。
实施例2
一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼，该具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼通过实施例1中的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法设计得到。
实施例3
一种少模光纤传输系统，包括具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼和少模放大器；该具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼通过实施例1中的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法设计得到；或，为实施例2中的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼。
本发明的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法，通过在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段折射率下陷的双包层波导结构，改变该折射率下陷的双包层波导结构的波导长度及折射率下陷区的直径，使该折射率下陷的双包层波导结构针对不同的传输模式具有不同的损耗，进而均衡少模光纤中传输的少模模式相关损耗。在实现模式相关损耗均衡功能的同时，由于没有额外的引入模式串扰，因而不影响光子灯笼作为模式复用和解复用器的功能。本发明的设计方法，使光子灯笼作为模式复用和解复用器的同时，还能够实现对不同传输模式的模式相关损耗均衡，将该具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼应用在少模光纤传输系统中，可以避免额外引入模式相关损耗均衡器自身带来的模式相关损耗，进而降低了少模光纤传输系统中的模式相关损耗。
将本发明设计的具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼应用在少模光纤传输系统中，在降低少模光纤传输系统中的模式相关损耗的同时，也降低了降低少模光纤传输系统的复杂性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼设计方法，其特征在于，所述光子灯笼包括N根单模光纤和一根少模光纤，N＞1；所述光子灯笼设计方法包括：
在制备光子灯笼过程中，在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，得到所述具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼；其中，所述双包层波导结构的纤芯为所述光子灯笼的包层，内包层为所述少模光纤的纤芯，外包层为所述少模光纤的包层；且所述光子灯笼包层的折射率小于少模光纤包层的折射率，使所述双包层波导结构形成折射率下陷区；
通过改变所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D，使所述双包层波导结构引入模式相关损耗，以均衡所述少模光纤中传输的少模模式相关损耗；
针对所述少模光纤中传输的每个少模模式，确定所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D，包括：
拟合所述双包层波导结构的波导长度L、折射率下陷区直径D与差分模式衰减DMA之间的函数关系fDMA（L，D）；其中，所述差分模式衰减DMA为所述少模光纤中传输的对应少模模式相关损耗的相反数；
根据所述少模光纤中传输的对应少模模式相关损耗，得到满足所述函数关系fDMA（L，D）的波导长度L和折射率下陷区直径D的集合。
2.根据权利要求1所述的光子灯笼设计方法，其特征在于，对于所述少模光纤中传输的多个少模模式，确定所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D，还包括：
获取对应少模模式下波导长度L和折射率下陷区直径D集合的交集作为所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D。
3.根据权利要求2所述的光子灯笼设计方法，其特征在于，若所述交集为空集，则选择模式相关损耗较大的少模模式对应的波导长度L和折射率下陷区直径D集合的交集作为所述双包层波导结构的波导长度L及折射率下陷区的直径D。
4.根据权利要求1所述的光子灯笼设计方法，其特征在于，在制备光子灯笼过程中，在光子灯笼尾纤与少模光纤的熔接区域形成一段双包层波导结构，包括：
将N根单模光纤插入到玻璃管中，进行绝热拉锥，使N根单模光纤形成所述光子灯笼尾纤的纤芯，使所述玻璃管形成所述光子灯笼的包层；
在所述光子灯笼尾纤与所述少模光纤的熔接区域形成所述双包层波导结构。
5.根据权利要求4所述的光子灯笼设计方法，其特征在于，通过电弧放电在所述光子灯笼尾纤与所述少模光纤的熔接区域形成所述双包层波导结构。
6.一种具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼，其特征在于，所述光子灯笼通过权利要求1-5任意一项所述的光子灯笼设计方法得到。
7.根据权利要求6所述的光子灯笼，其特征在于，所述光子灯笼作为模式复用器时，所述单模光纤作为输入端，所述少模光纤作为输出端，以实现将基模转换为对应的少模模式。
8.根据权利要求6所述的光子灯笼，其特征在于，所述光子灯笼作为模式解复用器时，所述少模光纤作为输入端，所述单模光纤作为输出端，以实现将多个相互正交的模式转换为基模。
9.一种少模光纤传输系统，其特征在于，包括具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼和少模放大器；
所述具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼通过权利要求1-5任意一项所述的光子灯笼设计方法得到；或，所述具有模式相关损耗均衡功能的光子灯笼为权利要求6-8任意一项所述的光子灯笼。
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