CN211791537U - 一种模式转换型少模复用器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种模式转换型少模（解）复用器；采用纯二氧化硅材料环形芯信道，有效降低损耗；采用大折射率差，有效降低模式串扰；实现了少模（解）复用器的三模式复用和解复用运作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种模式转换型少模(解)复用器，可应用于光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域。
背景技术
近年来，各种通信业务流量指数增长，单模光纤通信受到了前所未有的挑战。光纤通信业界围绕空分复用(包括芯式复用和模分复用及其结合)这一物理维度对通信网络传输容量实现了突破；空分复用中的多芯光纤和少模光纤及其相关器件和应用研究成为前沿研究热点[Guifang Li,Neng Bai,and Ningbo Zhao and Cen Xia,Space-divisionmultiplexing:the next frontier in optical communication.Advances in Optics&Photonics,2014,6(4):5041-5046；Guifang Li,Magnus Karlsson,Xiang Liu,and YvesQuiquempois,Focus issue introduction:space-division multiplexing,Opt.Express2014,22,32526-32527；He Wen,Hongjun Zheng et al.Few-mode fibre-optic microwavephotonic links[J].Light:Science and Applications 2017,6,8；郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018，1-184；董秋焕，刘阳，郑宏军等，模分复用系统中少模复用(解复用)技术研究[J].聊城大学学报(自然科学版)，2020，33(2):50-67；王潇，郑宏军*(通讯作者)，黎昕等，模分复用系统中的少模光纤研究新进展，聊城大学学报(自然科学版),2019.4，32(2):69-79]；一种环芯少模光纤也得到了大家的关注；环芯少模光纤仅支持单径向模式，具有较大的模式间折射率差[Yongmin Jung,Qiongyue Kang,Hongyan Zhou,Rui Zhang,Su Chen,Honghai Wang,Yucheng Yang,Xianqing Jin,FrankP.Payne,Shaif-ul Alam,and David J.Richardson,"Low-Loss 25.3km Few-Mode Ring-Core Fiber for Mode-Division Multiplexed Transmission,"J.LightwaveTechnol.35,1363-1368(2017)]；少模光纤不同模式下的有效折射率差(ERID)大于0.5x10-3可以避免模式耦合(Pierre Sillard et al.Few-Mode Fibers for Space-DivisionMultiplexed Transmissions[J],European Conference&Exhibition on OpticalCommunication,2013.03(A1):1-3；Roland Ryf.Switching and MultiplexingTechnologies for Mode-Division Multiplexed Networks,Optical FiberCommunication Conference&Exposition,2017,Tu2c)；纯二氧化硅纤芯可以有效地减少光纤衰减和熔接损耗，目前大都应用于单模光纤(T.Hasegawa et al.2016.Advances inultra-low loss silica fibers[J].Frontiers in Optics,paper FTu2B.2；S.Ten.2016.Ultra Low-loss Optical Fiber Technology[J].Optical FiberCommunication Conference,paper Th4E.5；Yoshiaki Tamura.2018.Ultra-low losssilica core fiber for long haul transmission[J].Optical Fiber CommunicationConference,paper M4B.1)。基于少模光纤的模分复用研究成为近年来的研究热点之一；少模模分复用器成为模分复用传输的关键器件之一，其研究得到了大家的广泛关注。耦合模理论[John D.Love and Nicolas Riesen,"Mode-selective couplers for few-modeoptical fiber networks,"Opt.Lett.37,3990-3992(2012)]和光束传播方法(BPM)的数值模拟[John D.Love and Nicolas Riesen,"Mode-selective couplers for few-modeoptical fiber networks,"Opt.Lett.37,3990-3992(2012)；T.Joseph and J.John,“Two-core fiber based mode converter and mode demultiplexer,”Journal of OpticSociety of America B,vol.36,no.8,pp.1987–1994,Aug.2019；T.Joseph and J.John,“Thermally expanded multicore-fiber-based mode multiplexer/demultiplexer,”Journal of Optic Society of America B,vol.36,no.12,pp.3499–3504,Dec.2019]都与使用定向耦合方法的纤芯间模式复用器和解复用器实验演示一致[H.Uemura,Y.Sasaki,S.Nishimoto,T.Uematsu,K.Takenaga,K.Omichi,R.Goto,S.Matsuo,K.Saitoh,“Modemultiplexer/demultiplexer based on a partially elongated multi-core fiber,"inproceedings of optical fiber communication conference2014,paper.Tu3D；S.Gross,N.Riesen,J.D.Love,and M.J.Withford,“Three-dimensional ultra-broadbandintegrated tapered mode multiplexers",Laser&Photonics Reviews,vol.8,no.5,pp.L81–L85,Sep.2014]。这些两芯、三芯模式选择耦合器(MSCs)的模式复用和解复用都采用了定向耦合方法。研究表明，采用定向耦合方法进行模式复用和解复用是可行的。
综上，我们将纯二氧化硅纤芯、环芯折射率分布少模光纤的概念有机融合，采用定向耦合方法，提出了一种新型的纯二氧化硅环芯少模(解)复用器，有望解决目前少模光纤传输的研究挑战，有重要的学术价值和应用价值，研究意义重大、应用前景广阔。
实用新型内容
在国家自然科学基金(编号61671227和61431009)、山东省自然科学基金(ZR2011FM015)、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本实用新型提出了一种模式转换型少模(解)复用器，采用所提出的一种低损耗环形芯信道作为(解)复用器主传输信道，旁边两个耦合信道采用单模信道；根据光的可逆原理，该复用器逆向使用，则起到解复用作用。该(解)复用器融合了纯二氧化硅纤芯、环芯折射率分布少模纤芯的优点，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
本实用新型提出了一种模式转换型少模复用器；少模环形芯信道FMF是少模(解)复用器的主传输信道；单模纤芯SMF1和SMF2作为耦合信道，分别放置在X和Y轴上；模式LP01分别从FMF、SMF2和SMF1左端入射，沿着Z方向传输耦合复用；LP11a和LP11b将分别从SMF2和SMF1耦合到FMF中，实现3个模式的模分复用；若3个模式均从FMF入射，LP11a和LP11b分别从FMF耦合到SMF2和SMF1中，则实现3个模式的模式解复用；根据各模的耦合长度与信道间距的关系，FMF和SMF1的初始中心到中心的信道间距为14μm，信道外周间距为4μm；FMF和SMF2之间的距离与前者相同；每个信道的长度为2640μm；少模(解)复用器主传输信道情况如下，r<1.5μm时纤芯采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；1.5μm≤r≤5μm时纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；r>5μm时光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；单模耦合信道半径为r＝5μm。
本实用新型的有益效果如下：
1.采用纯二氧化硅材料环芯传输信道，有效降低损耗；
2.采用模式间大折射率差，有效降低模式串扰；
3.该光纤融合了纯二氧化硅信道、环芯信道的优点，从而进一步提高少模(解)复用器性能，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入和光学信息处理、新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。
附图说明
图1是一种模式转换型少模(解)复用器结构示意图
图2是一种模式转换型少模(解)复用器主传输信道的两模式本征损耗图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本实用新型的技术方案，但保护范围不限于此。
实施例1
图1是一种模式转换型少模(解)复用器结构示意图。将(解)复用器相同模式组的两个模式信道分别在XZ和YZ平面，相同模式组的两个模式信道与主信道组成三维定向耦合式复用器和解复用器。少模环芯信道FMF是模分复用器和解复用器的主传输信道，单模耦合信道SMF1和SMF2分别放置在X和Y轴上；模式LP01分别从FMF、SMF2和SMF1左端入射，沿着Z方向传输耦合复用；LP11a和LP11b将分别从SMF2和SMF1耦合到FMF中，实现3个模式的模分复用。若3个模式均从FMF入射，LP11a和LP11b分别从FMF耦合到SMF2和SMF1中，则实现3个模式的模式解复用。根据各模的耦合长度与信道间距的关系，FMF和SMF1的初始中心到中心的信道间距为14μm，信道外周间距为4μm，FMF和SMF2之间的距离与前者相同。每个信道的长度为2640μm。环芯传输信道r<1.5μm时信道采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；1.5μm≤r≤5μm时采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；r>5μm时包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；采用纯二氧化硅材料环芯信道，有效降低信道损耗。两个单模耦合信道半径都为r＝5μm。
图2是一种模式转换型少模(解)复用器主传输信道的两模式本征损耗图，可以看出，其本征损耗在波长为1.54μm时达到最低值，此时LP01模式与LP11模式的本征损耗分别为0.149dB/km和0.151dB/km；当波长小于1.54μm时，两模式的本征损耗随波长变小而增大；当波长大于1.54μm时，两模式的本征损耗随波长变大而增大；在整个C波段，两模式的本征损耗较小，均小于0.156dB/km。
总之，所提出的光纤实现了低损耗、低串扰环芯两模式运作。应当指出的是，具体实施方式只是本实用新型比较有代表性的例子，显然本实用新型的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本实用新型所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议地得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。
Claims (1)
1.一种模式转换型少模复用器，其特征在于：少模环形芯信道FMF是少模（解）复用器的主传输信道；单模纤芯SMF1和SMF2作为耦合信道，分别放置在X和Y轴上；模式LP01分别从FMF、SMF2和SMF1左端入射，沿着Z方向传输耦合复用；LP11a和LP11b将分别从SMF2和SMF1耦合到FMF中，实现3个模式的模分复用；若3个模式均从FMF入射，LP11a和LP11b分别从FMF耦合到SMF2和SMF1中，则实现3个模式的模式解复用；根据各模的耦合长度与信道间距的关系，FMF和SMF1的初始中心到中心的信道间距为14μm，信道外周间距为4μm；FMF和SMF2之间的距离与前者相同；每个信道的长度为2640μm；少模（解）复用器主传输信道情况如下，r<1.5μm时纤芯采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；1.5μm≤r≤5μm时纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；r>5μm时光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；单模耦合信道半径为r=5μm。
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