CN207148361U - 一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，复用器包含主体、单模光纤Ⅰ、单模光纤Ⅱ和少模光纤，单模光纤Ⅰ和单模光纤Ⅱ在主体的一端，少模光纤在主体的另一端，主体是由纤芯Ⅰ、纤芯Ⅱ、纤芯Ⅲ和包层构成的三芯光纤，纤芯Ⅲ中写有长周期光纤光栅。利用两个单模纤芯与写入长周期光纤光栅的少模纤芯的相对位置关系，可以使纤芯Ⅰ、纤芯Ⅱ的LP₀₁模分别与纤芯Ⅲ中两个简并的LP₁₁模发生耦合，再通过匹配的单模光纤和少模光纤进行输入与输出，从而通过对两根单模光纤输入LP₀₁模就可实现少模光纤中LP_11,a模和LP_11,b模的模式复用，也可以实现对少模光纤输入LP_11,a模和LP_11,b模分解成两根单模光纤的LP₀₁模的模式解复用，应用到模分复用系统中具有较低的损耗和串扰。

Description

一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器

技术领域

本实用新型涉及一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，属于基于少模光纤的模分复用通信领域。

背景技术

到目前为止，光纤通信系统主要是采用波分复用技术来维持人们对网络流量需求的持续性增长。然而，单模光纤受自身固有非线性效应的限制，对其传输容量的利用已趋于极限。基于少模光纤的模分复用技术可以显著提升系统的传输容量，被视为下一代光通信技术。

基于少模光纤的模分复用技术，不再单一使用少模光纤中的某个模式，需要少模光纤中多个模式的同时、稳定传输。因此，在发射端需要模式复用器将多个模式耦合到少模光纤中，并在接收端同样需要模式解复用器将少模光纤中的多个模式分解。

模式复用器/解复用器作为模式复用系统中的关键器件，直接关系到少模光纤中模式传输的质量。现有的模式复用器通常需要分三步来工作。

第一步，是将少模光纤与单模光纤直接熔接，以激发少模光纤中的基模，但两者直接熔接的连接损耗较大，并且还会引起模式间的串扰。

第二步，使用多个模式转换器分别将少模光纤中的基模转换为某一个高阶模，但是转换效率达到20dB的宽带模式转换是较为困难的，通常都存在残余基模对转换后的高阶模造成串扰的现象。

第三步，把多根少模光纤中的模式耦合到一根少模光纤中。模式解复用器则是反过程工作。

因此，现有的模式复用器/解复用器工作时都存在较大的损耗和串扰，从而影响信息的传输质量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种低损耗、低串扰的基于三芯光纤的模式复用器、解复用器。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，复用器包含主体、单模光纤Ⅰ、单模光纤Ⅱ和少模光纤，所述单模光纤Ⅰ和单模光纤Ⅱ在主体的一端，少模光纤在主体的另一端，所述主体是由纤芯Ⅰ、纤芯Ⅱ、纤芯Ⅲ和包层构成的三芯光纤，纤芯Ⅲ中写有长周期光纤光栅。

所述纤芯Ⅰ、纤芯Ⅱ中心分别与纤芯Ⅲ中心之间的距离d相等，纤芯Ⅰ、纤芯Ⅱ中心分别与纤芯Ⅲ中心的连线相互垂直。

所述主体的长度大于长周期光纤光栅的长度。

所述单模光纤Ⅰ和单模光纤Ⅱ相同，单模光纤Ⅰ和单模光纤Ⅱ的纤芯与纤芯Ⅰ和纤芯Ⅱ的直径都相同，分别与纤芯Ⅰ和纤芯Ⅱ连接，所述少模光纤的纤芯与纤芯Ⅲ的直径相同，与纤芯Ⅲ连接。

所述单模光纤Ⅰ和单模光纤Ⅱ及少模光纤与主体连接的一端的包层直径都比另一端的包层直径小，都有一段过渡区。

所述单模光纤Ⅰ和单模光纤Ⅱ的纤芯折射率与纤芯Ⅰ、纤芯Ⅱ的折射率相同，所述少模光纤的纤芯折射率与纤芯Ⅲ的折射率相同，所述单模光纤Ⅰ和单模光纤Ⅱ及少模光纤的包层折射率与包层的折射率相同。

所述纤芯Ⅰ和纤芯Ⅱ为相同的单模纤芯，即纤芯Ⅰ、纤芯Ⅱ的归一化频率分别为V_Ⅰ和V_Ⅱ，满足V_Ⅰ＝V_Ⅱ＜2.405，纤芯Ⅲ为少模纤芯，即纤芯Ⅲ(1.3) 的归一化频率V_Ⅲ满足V_Ⅲ＞2.405。

所述长周期光纤光栅的周期满足Λ＝λ₀/(n_b(λ₀)-n_a(λ₀))，其中(λ₀为光栅的中心波长，n_a(λ₀)和n_b(λ₀)分别为纤芯Ⅰ中LP₀₁模和纤芯Ⅲ中LP₁₁模的有效折射率；所述长周期光纤光栅的长度L取为纤芯Ⅰ中LP₀₁模和纤芯Ⅲ中 LP₁₁模的耦合长度。

所述单模光纤Ⅰ和单模光纤Ⅱ与主体连接一端包层直径同为D_a，满足 D_a＜2d-d_b，少模光纤与主体连接一端包层直径D_b满足D_b＜2d-d_a，其中d_a为纤芯Ⅰ和纤芯Ⅱ的直径，d_b为纤芯Ⅲ的直径。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用两个单模纤芯与写入长周期光纤光栅的少模纤芯的相对位置关系，可以使纤芯Ⅰ、纤芯Ⅱ的LP₀₁模分别与纤芯Ⅲ中两个简并的LP₁₁模(LP_11,a模和LP_11,b模)发生耦合，再通过匹配的单模光纤和少模光纤进行输入与输出，从而通过对两根单模光纤输入LP₀₁模就可实现少模光纤中 LP_11,a模和LP_11,b模的模式复用，也可以实现对少模光纤输入LP_11,a模和LP_11,b模分解成两根单模光纤的LP₀₁模的模式解复用。本实用新型可以应用到基于少模光纤的模分复用系统中，具有较低的损耗和串扰。

附图说明

图1为本实用新型一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器的结构示意图。

图2为d＝24μm时，无长周期光纤光栅下主体中三个纤芯内模式的能量随传播距离的关系图。

图3为本实用新型从纤芯Ⅰ输入LP₀₁模，在长周期光纤光栅区模式的能量耦合随传播距离的关系图。

图4为本实用新型从纤芯Ⅱ输入LP₀₁模，在长周期光纤光栅区模式的能量耦合随传播距离的关系图。

图5为本实用新型从纤芯Ⅰ输入LP₀₁模，在长周期光纤光栅区不同传播距离时的模式分布图，(a)Z＝0，(b)Z＝L/3，(c)Z＝2L/3，和(d)Z＝L。

图6为本实用新型从纤芯Ⅱ输入LP₀₁模，在长周期光纤光栅区不同传播距离时的模式分布图，(a)Z＝0，(b)Z＝L/3，(c)Z＝2L/3，和(d)Z＝L。

图7为本实用新型从纤芯Ⅰ输入LP₀₁模，在长周期光纤光栅区归一化输出能量随波长的关系图。

图8为本实用新型从纤芯Ⅱ输入LP₀₁模，在长周期光纤光栅区归一化输出能量随波长的关系图。

图9为本实用新型在长周期光纤光栅区纤芯Ⅲ中LP₀₁模、LP₂₁模和LP₀₂模的归一化输出能量随波长的关系图。

其中：主体1、纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2、纤芯Ⅲ1.3、包层1.4、长周期光纤光栅1.5、单模光纤Ⅰ2、单模光纤Ⅱ3、少模光纤4。

具体实施方式

参见图1，本实用新型一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，该复用器的主体1是由纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2、纤芯Ⅲ1.3和包层1.4构成的三芯光纤，纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2为两个相同单模纤芯，纤芯Ⅲ1.3为少模纤芯，纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2中心分别与纤芯Ⅲ1.3中心的连线相互垂直，纤芯间距d(纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2中心分别与纤芯Ⅲ1.3中心的距离)相等。在纤芯Ⅲ1.3中写入一段长周期光纤光栅1.5，使纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2的LP₀₁模与纤芯Ⅲ1.3中的LP₁₁模满足长周期光纤光栅相位匹配条件，长周期光纤光栅1.5的周期满足Λ＝λ₀/(n_b(λ₀)-n_a(λ₀))，其中λ₀为光栅的中心波长， n_a(λ₀)和n_b(λ₀)分别为纤芯Ⅰ1.1中LP₀₁模和纤芯Ⅲ1.3中LP₁₁模的有效折射率。由于纤芯Ⅰ1.1和纤芯Ⅱ1.2与纤芯Ⅲ1.3的相对位置关系，纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2的LP₀₁模可以与纤芯Ⅲ1.3中两个简并的LP₁₁模(LP_11,a模和LP_11,b模)发生耦合，主体1一端连接与纤芯Ⅰ1.1和纤芯Ⅱ1.2匹配的单模光纤Ⅰ2 和单模光纤Ⅱ3，另一端连接与纤芯Ⅲ1.3匹配的少模光纤4。从单模光纤Ⅰ2 和单模光纤Ⅱ3分别输入LP₀₁模就可实现从少模光纤4输出LP_11,a模和 LP_11,b，此为模式复用器，从少模光纤4输入LP_11,a模和LP_11,b模可实现从单模光纤Ⅰ2和单模光纤Ⅱ3分别输出LP₀₁模，此为模式解复用器。模式解复用器是模式复用器的反向工作，耦合性能相同，本实用新型仅对模式复用器进行说明。

主体1的纤芯间距d须适中，确保在纤芯Ⅲ1.3没有写入长周期光纤光栅的情况下，纤芯之间不会发生能量耦合。参见图2，纤芯间距d＝24μm 时，纤芯Ⅲ1.3中四个模式的耦合能量都随传输距离呈周期性变化，其中 LP₂₁、LP₀₂模的耦合能量较大，但最大耦合能量皆小于-20dB；纤芯Ⅱ1.2的 LP₀₁模的耦合能量随传输距离有一定的上升，但在有限的距离内(50mm) 耦合能量仍然很弱(<-40dB)。说明纤芯间距d＝24μm，能够满足要求。但也不是纤芯间距d越大越好，因为纤芯间距d过大会导致纤芯间模式的耦合效率变小，影响器件的性能，从而确定纤芯间距d＝24μm。

参见图3～4，分别从纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2输入LP₀₁模，在长周期光纤光栅区(纤芯Ⅲ1.3写入长周期光纤光栅1.5的那段主体1)纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2中LP₀₁模的能量减少，纤芯Ⅲ1.3中的LP₁₁模的能量增加，传输50mm 后纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2中LP₀₁模的绝大部分能量转移到纤芯Ⅲ1.3中的LP₁₁模，即将长周期光纤光栅1.5的长度取为L＝50mm。并且对于纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2，从其中一个纤芯输入LP₀₁模，另一个纤芯中没有LP₀₁模生成。这就说明从纤芯Ⅰ1.1输入的LP₀₁模转换成纤芯Ⅲ1.3中的LP₁₁模后，不会转换成纤芯Ⅱ1.2中的LP₀₁模，从纤芯Ⅱ1.2输入LP₀₁模同样也不会转换成纤芯Ⅰ1.1中的LP₀₁模。从而保证了纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2与纤芯Ⅲ1.3间的模式耦合是相互独立的，可以同时进行。

参见图5～6，分别从纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2输入LP₀₁模，在长周期光纤光栅区，纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2的LP₀₁模慢慢向纤芯Ⅲ1.3中转移，最终转换为纤芯Ⅲ1.3中的LP₁₁模。可以看见，图7和图8中最后转换成的LP₁₁模相差90°，即为两个简并的LP₁₁模，LP_11,a和LP_11,b。当分别从纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2输入x偏振的LP₀₁模，纤芯Ⅰ1.1处于纤芯Ⅲ1.3的水平方向，纤芯Ⅱ1.2处于纤芯Ⅲ1.3的竖直方向，正好分别激发纤芯Ⅲ1.3中的LP_11,a模和 LP_11,b模。

定义纤芯Ⅲ1.3中LP₁₁模的归一化输出能量大于-1dB的波长范围为本实用新型的工作带宽。参见图7～8，分别从纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2输入LP₀₁模，转化成纤芯Ⅲ1.3中LP_11,a模和LP_11,b模的工作波长范围分别为 1538～1563nm和1540～1565nm，则本实用新型的工作波长范围为1540～1563nm，工作带宽为23nm。

参见图9，在工作波长范围内，纤芯Ⅲ1.3中LP₀₁、LP₂₁和LP₀₂模的输出能量分别小于-34.8、-22.3和-23.4dB，相比于纤芯Ⅲ1.3中LP_11,a模，皆至少小-21dB。从而确保纤芯Ⅲ1.3中LP_11,a模不受其他模式的串扰。如此可说，纤芯Ⅲ1.3中LP_11,a模和LP_11,b模能够实现低串扰传输，输出到少模光纤4中可实现对LP_11,a模和LP_11,b模高品质复用。

以下结合附图说明本实用新型的优选实施例。

实施例一：

参见图1，纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2、纤芯Ⅲ1.3的折射率与单模光纤Ⅰ2和单模光纤Ⅱ3、少模光纤4的纤芯折射率都为1.455，包层4的折射率与单模光纤Ⅰ2和单模光纤Ⅱ3、少模光纤4的包层折射率都为1.45；纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2的直径与单模光纤Ⅰ2和单模光纤Ⅱ3的纤芯直径都为8.2μm，纤芯Ⅲ1.3的直径与少模光纤4的纤芯直径都为20μm，单模光纤Ⅰ2和单模光纤Ⅱ3与纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2连接一端的包层直径为20μm，少模光纤4与纤芯Ⅲ1.3连接一端的包层直径为35μm；纤芯Ⅰ1.1、纤芯Ⅱ1.2的中心与纤芯Ⅲ1.3的中心的距离都为24μm；长周期光纤光栅1.5的周期为1760μm，调制深度为0.002，长度为50mm。从模式复用器的单模光纤Ⅰ2和单模光纤Ⅱ3 同时输入LP₀₁模，从模式复用器的少模光纤4输出LP_11,a模和LP_11,b模，归一化输出能量大于-1dB的波长范围为1540～1563nm，模式复用器的工作带宽为23nm，纤芯Ⅲ1.3中其他模式皆比LP₁₁模至少小-21dB。

另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：复用器包含主体（1）、单模光纤Ⅰ（2）、单模光纤Ⅱ（3）和少模光纤（4），所述单模光纤Ⅰ（2）和单模光纤Ⅱ（3）在主体（1）的一端，少模光纤（4）在主体（1）的另一端，所述主体（1）是由纤芯Ⅰ（1.1）、纤芯Ⅱ（1.2）、纤芯Ⅲ（1.3）和包层（1.4）构成的三芯光纤，纤芯Ⅲ（1.3）中写有长周期光纤光栅（1.5）。

2.如权利要求1所述一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：所述纤芯Ⅰ（1.1）、纤芯Ⅱ（1.2）中心分别与纤芯Ⅲ（1.3）中心之间的距离相等，纤芯Ⅰ（1.1）、纤芯Ⅱ（1.2）中心分别与纤芯Ⅲ（1.3）中心的连线相互垂直。

3.如权利要求1所述一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：所述主体（1）的长度大于长周期光纤光栅（1.5）的长度。

4.如权利要求1所述一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：所述单模光纤Ⅰ（2）和单模光纤Ⅱ（3）相同，单模光纤Ⅰ（2）和单模光纤Ⅱ（3）的纤芯与纤芯Ⅰ（1.1）和纤芯Ⅱ（1.2）的直径都相同，分别与纤芯Ⅰ（1.1）和纤芯Ⅱ（1.2）连接，所述少模光纤（4）的纤芯与纤芯Ⅲ（1.3）的直径相同，与纤芯Ⅲ（1.3）连接。

5.如权利要求1所述一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：所述单模光纤Ⅰ（2）和单模光纤Ⅱ（3）及少模光纤（4）与主体（1）连接的一端的包层（1.4）直径都比另一端的包层（1.4）直径小，都有一段过渡区。

6.如权利要求1所述一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：所述单模光纤Ⅰ（2）和单模光纤Ⅱ（3）的纤芯折射率与纤芯Ⅰ（1.1）、纤芯Ⅱ（1.2）的折射率相同，所述少模光纤（4）的纤芯折射率与纤芯Ⅲ（1.3）的折射率相同，所述单模光纤Ⅰ（2）和单模光纤Ⅱ（3）及少模光纤（4）的包层折射率与包层（1.4）的折射率相同。

7.如权利要求1所述一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：所述纤芯Ⅰ（1.1）和纤芯Ⅱ（1.2）为相同的单模纤芯，即纤芯Ⅰ（1.1）、纤芯Ⅱ（1.2）的归一化频率分别为和，满足，纤芯Ⅲ（1.3）为少模纤芯，即纤芯Ⅲ（1.3）的归一化频率满足。

8.如权利要求1所述一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：所述长周期光纤光栅（1.5）的周期满足，其中为光栅的中心波长，和分别为纤芯Ⅰ（1.1）中LP₀₁模和纤芯Ⅲ（1.3）中LP₁₁模的有效折射率；所述长周期光纤光栅（1.5）的长度取为纤芯Ⅰ（1.1）中LP₀₁模和纤芯Ⅲ（1.3）中LP₁₁模的耦合长度。

9.如权利要求1所述一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，其特征在于：所述单模光纤Ⅰ（2）和单模光纤Ⅱ（3）与主体（1）连接一端包层直径同为，满足，少模光纤（4）与主体（1）连接一端包层直径满足，其中为纤芯Ⅰ（1.1）和纤芯Ⅱ（1.2）的直径，为纤芯Ⅲ（1.3）的直径。