CN121966706A - 一种3d波导型多芯光纤链路监测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3D波导型多芯光纤链路监测器，监测器包括具有n层堆叠波导结构的光芯片平台和光电探测器，n≥2，光芯片平台的波导层数n与连接的多芯光纤的层数相等，光芯片平台中波导的截面分布与所述多芯光纤的纤芯截面分布相同且一一对应；光芯片平台中与多芯光纤的每个纤芯对应的波导通道均包括依次连接的光纤信号耦合扇出模块、光信号分束模块、光信号监测模块和多芯光纤信号耦合扇入模块；多芯光纤发射端的光信号经扇出模块耦合后，由分束模块通过波导耦合效应分离出小部分信号用于监测，大部分信号经扇入模块回传至传输链路；监测模块通过光电探测器实现实时检测。本发明无需额外光纤扇入/扇出模块，插入损耗低，且对偏振不敏感。

Description

一种3D波导型多芯光纤链路监测器

技术领域

本发明属于光纤通信领域，尤其涉及一种3D波导型多芯光纤链路监测器。

背景技术

人工智能训练集群、超大规模数据中心互联、5G-A基站回传等前沿应用对光通信系统的带宽需求呈现指数级增长。以AI算力中心为例，单集群内部的光互连带宽需求已突破100 Tbps，且每3-5年需翻倍。在此需求下，传统基于单模光纤的通信系统面临严峻瓶颈：受光纤非线性效应与香农容量定理的双重约束，单模光纤的单信道传输速率已逼近物理极限，其总容量也难以满足未来万兆级互联场景的需求。

为突破上述容量瓶颈，空分复用（space division multiplexing，SDM）技术作为新一代光复用技术应运而生。其核心思路是通过在单根光纤内构建多组独立的空间传输信道，实现数据的并行传输。其中，多芯光纤（multi-core fiber，MCF）因具备结构紧凑、与现有光通信产业链兼容性高的优势，成为SDM技术落地的主流载体。MCF通过在单一石英包层内设计2-36芯不等的独立纤芯，各纤芯间通过合理的折射率分布设计和间距抑制芯间串扰，可在不增加光纤敷设成本与物理空间占用的前提下，将单根光纤的传输容量提升至传统单模光纤的数倍至数十倍。目前，多芯光纤已在骨干网扩容、海底光缆传输等场景开展试点应用，其规模化推广已成为推动光通信网络向Tb级接入、Pb级骨干演进的关键支撑。

然而，随着多芯在复杂网络环境中的应用，其链路监测技术的短板逐渐凸显：现代光网络已从传统的“静态传输”向“智能调度、动态运维”转型，需对多芯光纤链路的光功率、延时、波长、误码率、偏振态等关键参数进行实时监测，以实现故障快速定位、资源动态调整与传输质量保障。对于多芯光纤而言，由于其包含多组并行传输的纤芯，现有的监测方案需先通过光纤扇出模块（Fan-out module），将各纤芯信号在物理上作进一步分离，再逐一接入监测模块。完成检测后，通过光纤扇入模块（Fan-in module）将信号传递回多芯光纤传输链路中。该方案存在三大核心问题：一是解复用器的引入会增加链路插入损耗（典型损耗2-5 dB），降低传输距离与信号质量；二是解复用器的通道数量与监测模块的数量需与MCF纤芯数匹配，导致设备成本随纤芯数增加呈线性上升；三是多模块协同工作会增加系统复杂度，需要额外的同步系统设计，降低监测响应速度，难以满足智能光网络对“实时性、低成本、低损耗”监测的需求。因此，亟需开发一种体积更小，结构紧凑，集成式，芯片级的多芯光纤新型链路监测技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种3D波导型多芯光纤链路监测器，通过在同一光芯片上实现光纤扇入/扇出模块（Fan-in/Fan-out module，FIFO module）的解复用功能，又能同步完成链路监测功能。相比复杂的光纤式FIFO和监测模块的组合方案，本发明能极大地降低多芯光纤链路监测器的尺寸与体积，从而降低成本，并可实现低损耗、偏振不敏感，覆盖O/C/L波段的芯片级监测。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种3D波导型多芯光纤链路监测器，所述监测器包括具有n层堆叠波导结构的光芯片平台和光电探测器，n≥2，所述光芯片平台的波导层数n与连接的多芯光纤的层数相等，所述光芯片平台中波导的截面分布与所述多芯光纤的纤芯截面分布相同且一一对应；

所述光芯片平台中与所述多芯光纤的每个纤芯对应的波导通道均包括依次连接的光纤信号耦合扇出模块、光信号分束模块、光信号监测模块和多芯光纤信号耦合扇入模块；

所述光纤信号耦合扇出模块包括依次连接的拉锥型耦合波导一和连接波导一，用于耦合接收多芯光纤发射端的单芯的光信号，并分离不同纤芯上的信号间距后，将其传递至所述光信号分束模块；

所述光信号分束模块包括依次连接的分束耦合波导一和连接波导二，以及依次连接的分束耦合波导二和连接波导三，所述分束耦合波导一和分束耦合波导二组成光分束器，所述连接波导二用于将用于监测的光信号传输至所述光信号监测模块；所述连接波导三用于将除监测外的剩余光信号传输至所述多芯光纤信号耦合扇入模块；

所述光信号监测模块包括依次连接的连接波导四、拉锥型耦合波导二，还包括一个光电探测器，用于实现多芯光纤链路参数监测；

所述多芯光纤信号耦合扇入模块包括连接波导五和拉锥型耦合波导三，用于将除监测外的剩余光信号回传至多芯光纤接收端链路。

进一步地，所述连接波导一、连接波导二、连接波导三、连接波导四和连接波导五均为直波导或弯曲波导，或直波导和弯曲波导的组合。

进一步地，所述光电探测器集成在所述光芯片平台上。

为了减少层内的波导交叉，在所述光芯片平台中，用于监测的波导通道位于所述光芯片平台的两侧。

为了使得TE模和TM模具有近似相同的有效折射率，从而实现偏振不敏感功能，所述光芯片平台的每个波导通道的波导芯层的折射率n _芯层与包层的折射率n _包层之间满足：

；

且光芯片平台的连接波导一~五和分束耦合波导一、二的截面均为边长为2 μm～6μm的正方形。

为了保证对原信号的低侵入性，所述光信号分束模块将输入光信号中的0.1%～10%分配至所述光信号监测模块，其余光信号经所述多芯光纤信号耦合扇入模块回传至多芯光纤链路。

进一步地，所述3D波导型多芯光纤链路监测器适用于O波段、C波段和/或L波段的光信号监测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、显著降低链路插入损耗，提升信号传输质量

现有技术需借助独立的光纤扇入/扇出模块连接多芯光纤与监测模块的连接，此类模块会引入2-5 dB的典型插入损耗，直接降低信号传输距离与质量。本发明通过将多芯光纤信号耦合扇入/扇出模块、光信号分束模块及光信号监测模块集成于同一光芯片，无需额外的光纤式FIFO解复用器，从结构上规避了传统模块带来的高插入损耗，实现了低损耗的信号传输与监测，有效保障了多芯光纤链路的传输性能。

2、大幅降低设备成本，适配多纤芯场景扩展

现有监测方案中，解复用器的通道数量与监测模块的数量需严格匹配多芯光纤的纤芯数，导致设备成本随纤芯数增加呈线性上升，在高纤芯数场景下成本压力显著。本发明采用芯片级集成设计，所有功能模块在单一光芯片上完成制作，无需为每个纤芯配置独立的扇入/扇出组件及监测单元，打破了成本与纤芯数的线性关联，显著降低了多芯光纤监测系统的整体硬件成本，更适配未来高纤芯数多芯光纤的规模化应用。

3、简化系统结构，提升监测响应速度

现有技术依赖多模块（FIFO、监测模块、同步系统等）协同工作，需额外设计同步控制机制，导致系统复杂度高、故障点增多，且监测响应存在延迟，难以满足智能光网络的实时运维需求。本发明通过一体化集成架构，将信号的扇入扇出、分束、监测功能整合为单一芯片器件，减少了模块间的物理连接与协同环节，不仅简化了系统结构、降低了运维难度，还消除了多模块同步带来的延迟，实现了对多芯光纤链路关键参数的快速、实时监测。

4、实现偏振不敏感与宽波段覆盖，适配实际应用场景

本发明基于可避免因光信号偏振态变化导致的监测误差，提升监测稳定性。同时，该3D波导结构支持对C波段光信号的有效传输与监测，与当前光通信系统的主流工作波段完全匹配，确保了其在骨干网、数据中心互联等实际场景中的兼容性与适用性。

附图说明

图1为本发明实施例中基于3D波导型多芯光纤链路监测器的整体芯片构造图。

图2为本发明实施例中的多芯光纤和波导截面结构示意图。

图3为本发明实施例中的单层光纤链路监测器结构示意图。

图4为本发明实施例中的单个纤芯对应的光纤链路监测器的结构示意图。

图5为本发明实施例中的一个7芯光纤3D波导型光纤链路监测器芯片设计图。

图6为本发明实施例中关于图5的芯片测量装置。

图7为本发明实施例中关于图5的芯片的每个波导通道的测量结果图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在实际应用中，本发明应用于光纤通信网络中，用于实时监测多芯光纤中每个纤芯中的信号。其核心工作原理是先扇出多个纤芯中的信号，然后提取每个信号的小部分分量，分入到光电探测器中，实现信号监测。其余大部分信号分量，扇入到原有多芯光纤链路中，实现扇出扇入功能。核心功能为在尽可能减小对原有主干道信号的影响下，实现对当前多芯光纤中的信号检测。

如图2所示，在本发明的3D波导结构中，不同波导层之间的波导通道在垂直方向上保持对准，或按照多芯光纤纤芯的空间分布方式进行布置，以实现与多芯光纤纤芯空间分布的匹配。例如，在七芯光纤分布中，可以分为2-3-2分布的3层结构，因此波导芯片的波导通道结构应设计成与上述相同的分布，且一一对应。

为了叙述方便，下面以单层2芯为例具体说明。如图3所示，多芯光纤当前层中的2芯，耦合进入当前层的光纤信号耦合扇出模块，通过波导结构几何设计，在空间上进一步分离，从而进入光信号分束模块。光信号分束模块将大部分分量传入到多芯光纤信号耦合扇入模块实现回传链路功能，小部分分量进入到光信号检测模块中实现监测功能。其他层实现的功能与当前层相同，从而实现多芯光纤的扇出扇入和监测功能。

下面将以单层、单芯为例，来具体说明每个波导通道的实现功能，如图4所示。光芯片平台中与多芯光纤的每个纤芯对应的波导通道均包括依次连接的光纤信号耦合扇出模块、光信号分束模块、光信号监测模块和多芯光纤信号耦合扇入模块。

其中，光纤信号耦合扇出模块包括依次连接的拉锥型耦合波导一1和连接波导一2，用于耦合接收多芯光纤发射端的单芯的光信号，实现扇出功能，分离不同纤芯上的信号间距后，将其传递至光信号分束模块。楔形波导的设计是为了减小光纤每个纤芯与波导的之间的耦合损耗。连接波导一2可以是直波导，也可以是弯曲波导，也可以是直波导和弯曲波导的组合。

光信号分束模块包括依次连接的分束耦合波导一7和连接波导二8，以及依次连接的分束耦合波导二3和连接波导三4，分束耦合波导一7和分束耦合波导二3组成光分束器，连接波导二8用于将用于监测的光信号传输至光信号监测模块；连接波导三4用于将除监测外的剩余光信号传输至多芯光纤信号耦合扇入模块。图4中的分束耦合波导一7和分束耦合波导二3组成了定向耦合器型（directional coupler，DC）的光分束器。当然，光分束器的设计方法并不局限于上述一种，Y分支型（Y-branch），多模波导干涉型（multimode waveguideinterference，MMI）等多种方法均适用。在具体设计中，可以根据实际需求，选择不同的设计方案。经过光分束器后，大部分能量通过连接波导三4进入多芯光纤信号耦合扇入模块，回到主体链路中，小部分能量通过连接波导二8进入光信号监测模块，实现光束监测功能。

光信号监测模块包括依次连接的连接波导四9、拉锥型耦合波导二10，还包括一个光电探测器11，用于实现多芯光纤链路参数监测。多芯光纤信号耦合扇入模块包括连接波导五5和拉锥型耦合波导三6，用于将除监测外的剩余光信号回传至多芯光纤接收端链路。光信号监测模块和多芯光纤信号耦合扇入模块仍然是通过拉锥型波导实现与光纤的低损耗耦合。而光电探测器11即可以采用光纤和光电探测器组合的检测方式，也可以采用片上探测器直接集成的方式。

图5给出了一种关于3层的7芯光纤链路监测器芯片的设计方案，可以看到，为了减少层内的波导交叉，7个监测链路分别位于7芯光纤输出的两侧。通过使用弱折射率对比的波导（1.45/1.47）以及对称尺寸的几何设计（连接波导一~五和分束耦合波导一、二截面均为正方形，尺寸为3.5×3.5 μm²），可以实现偏振不敏感。图6给出了上述芯片的测量示意图，图7给出了在C波段的测量结果。通过测量，可以看到主干道的最大差损在5.3 dB，监测与主干道之间的信号差在~15 dB （约3%）。在不同应用场景下，分束比例可以在 0.1%～10%范围内调整，以兼顾监测灵敏度与链路侵入性。

在本发明的实施例中，通过合理设计波导结构及分束比例，实现了对多芯光纤链路信号的低侵入式监测。主干道信号在通过监测器后仍保持较低的插入损耗，监测支路能够获取足够的光信号用于链路参数检测。在不偏离本发明技术构思的前提下，可通过对波导几何尺寸、耦合结构，材料参数进行进一步优化设计，优化制备工艺，减小加工误差以及波导端面打磨，以实现更低的插入损耗和更优的系统性能。本发明并不限于上述实施方式，凡基于本发明技术方案所作的等同变换或改进，均应落入本发明的保护范围之内。可以根据不同多模光纤的纤芯数量，使用波段范围，定制实现不同的芯片设计。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D波导型多芯光纤链路监测器，其特征在于，所述监测器包括具有n层堆叠波导结构的光芯片平台和光电探测器，n≥2，所述光芯片平台的波导层数n与连接的多芯光纤的层数相等，所述光芯片平台中波导的截面分布与所述多芯光纤的纤芯截面分布相同且一一对应；

所述光芯片平台中与所述多芯光纤的每个纤芯对应的波导通道均包括依次连接的光纤信号耦合扇出模块、光信号分束模块、光信号监测模块和多芯光纤信号耦合扇入模块；

所述光纤信号耦合扇出模块包括依次连接的拉锥型耦合波导一和连接波导一，用于耦合接收多芯光纤发射端的单芯的光信号，并分离不同纤芯上的信号间距后，将其传递至所述光信号分束模块；

所述光信号分束模块包括依次连接的分束耦合波导一和连接波导二，以及依次连接的分束耦合波导二和连接波导三，所述分束耦合波导一和分束耦合波导二组成光分束器，所述连接波导二用于将用于监测的光信号传输至所述光信号监测模块；所述连接波导三用于将除监测外的剩余光信号传输至所述多芯光纤信号耦合扇入模块；

所述光信号监测模块包括依次连接的连接波导四、拉锥型耦合波导二，还包括一个光电探测器，用于实现多芯光纤链路参数监测；

所述多芯光纤信号耦合扇入模块包括连接波导五和拉锥型耦合波导三，用于将除监测外的剩余光信号回传至多芯光纤接收端链路。

2.根据权利要求1所述的3D波导型多芯光纤链路监测器，其特征在于，所述连接波导一、连接波导二、连接波导三、连接波导四和连接波导五均为直波导或弯曲波导，或直波导和弯曲波导的组合。

3.根据权利要求1所述的3D波导型多芯光纤链路监测器，其特征在于，所述光电探测器集成在所述光芯片平台上。

4.根据权利要求1所述的3D波导型多芯光纤链路监测器，其特征在于，在所述光芯片平台中，用于监测的波导通道位于所述光芯片平台的两侧。

5.根据权利要求1所述的3D波导型多芯光纤链路监测器，其特征在于，所述光芯片平台的每个波导通道的波导芯层的折射率n _芯层与包层的折射率n _包层之间满足：

所述光芯片平台的连接波导一~五和分束耦合波导一、二的截面均为边长为2 μm～6 μm的正方形。

6.根据权利要求1所述的3D波导型多芯光纤链路监测器，其特征在于，所述光信号分束模块将输入光信号中的0.1%～10%分配至所述光信号监测模块，其余光信号经所述多芯光纤信号耦合扇入模块回传至多芯光纤链路。

7.根据权利要求1所述的3D波导型多芯光纤链路监测器，其特征在于，所述3D波导型多芯光纤链路监测器适用于O波段、C波段和/或L波段的光信号监测。