Abstract
Design and research of a broadband mode division multiplexer based on three core photonic crystal fiber
Highlights
信息技术是推动社会进步的重要技术之一,信息现代化已成为推动社会发展的重要 动力。特别是随着 5G、6G、物联网、远程诊疗和智慧城市等的兴起,大容量的信息化 传输能力已成为信息现代化的必要基础,而干线的传输容量已近极限,因此大力发展新 的空分或模分复用技术已成必然。基于光纤结构的模分复用系统是引入模式作为一个新 的自由度来对传输信道进行扩容的一种技术,在系统中每一模式都被认为是一独立的信 道。其本质是,在复用器的输入端将携带不同信息的信号经调制后以光的方式耦合到复 用器的不同“模式”上,这些模式的光将以不同的路径在光纤内进行传输,且模式间互不 干扰,然后在出射端利用解复用将光信号分离开并进行解调得到传输的信息。模分复用 系统的核心在于模分复用器的设计,目前的技术主要有基于自由空间光路的相位屏、“光 子灯笼”、全光纤型定向耦合器等,而工作波段和传输模式的插入损耗便是衡量复用器 的关键参数。 在文献[1]中提出了一种三模空间模分复用器,通过使用相位板对三个空间模式进行复 用。该文献还提出了一种使用液晶空间调制的模分复用器。这种模分复用器尺寸较大且 难以与后续长距离光纤模式复用波导对接,这使得难以适用于小型化和集成化模分复用 系统。文献[2]中提出了一种椭圆芯五模群选择性光子灯笼复用器,它可以支持 C 波段的 10 种空间模式的复用,通过对输入光纤束的综合几何优化以及采用两步拉锥制作方法, 使得该复用器具有较好的工作性能。数值研究显示,该器件在 C 波段五种模式组的插入 损耗为 0.1~0.38dB,模式转换效率控制在-0.79dB~-0.19dB 之间。然而,这种复用器的绝 热拉锥过程和耦合区折射率分布的精确控制仍然是较难把控的问题。文献[3]中提出的基 于非对称平面波导的多路复用/解复用器实现了模式复用/解复用和模式转换,但该多路 复用器存在工作带宽较窄且和光纤拼接较为困难的问题。采用定向耦合方法的模分复用 器具有模转换效率高、模消光比高、模串扰低的特点,可应用于模分复用系统的小型化 和集成化[4],文献[5]中提出了一种基于三维对称少模光纤(FMF)耦合器。在 C 波段内的 LP01,LP11a,LP11b,LP21a,LP21b,LP02 六种模式都获得了几乎平坦的响应,在发射的 两种极化的低通模式下,平均插入损耗约为 1.6dB。考虑到各个模式的耦合距离不同, 该器件采用的是较为常见的分段式耦合方法,即各个模式沿传输方向分次序耦合进入同 一个波导中,保证每个耦合过程相对独立且互不干扰,但同时也使得该器件的设计长度 较长,集成性欠佳。文献[6]中提出了一种少模环芯光纤模分多路复用器,采用了纯石英 环芯作为模式传输通道,实现了 LP01,LP11a,LP11b 三种模式的复用,其耦合效率在 C 波段高于-1.39dB,环芯用作模式传输通道也有效的减小了 LP01 与 LP11 的模间串扰,但 其实际制备方案并未给出。为了同时复用多个模式,也可以通过级联多个模式转换器(采 用拉锥抛磨法或熔融拉锥法制作)制作一种全光纤型模分复用器[7,8]。但这将额外的增 加连接处损耗及制作复杂程度。.
换的传输通道,是一种简单高效而有意义的设计。同时空气孔 1、2 和 3 还起到调节旁 芯和中心纤芯的模式有效折射率(neff)的作用,实现旁芯基模在特定波长向中心纤芯的特 定高阶模式进行相位匹配条件下的模式转换。两根掺杂棒直径保持一致且等于空气孔 4 的直径 d,这在一定程度上降低了制备难度。基底材料 SiO2 的折射率由 Sellmeier 公式 表达[17]
基于以上规律,先调整旁芯内层空气孔 1(或 2)的直径 d1(或 d2)使旁芯基模的 有效折射率曲线与中心纤芯待转换高阶模的有效折射率曲线斜率相近,这样更加有利于 实现宽带相位匹配;再通过调整旁芯掺杂棒的折射率差使旁芯基模与中心纤芯待转换高 阶模的有效折射率在中心波长 1.55μm 处相等,这样两条斜率高度接近的模式有效折射 率曲线在 1.55μm 处重合,就可以实现旁芯基模与中心纤芯高阶模在以波长 1.55μm 为中 心的较宽带宽内都能实现相位匹配或准相位匹配。
Summary
信息技术是推动社会进步的重要技术之一,信息现代化已成为推动社会发展的重要 动力。特别是随着 5G、6G、物联网、远程诊疗和智慧城市等的兴起,大容量的信息化 传输能力已成为信息现代化的必要基础,而干线的传输容量已近极限,因此大力发展新 的空分或模分复用技术已成必然。基于光纤结构的模分复用系统是引入模式作为一个新 的自由度来对传输信道进行扩容的一种技术,在系统中每一模式都被认为是一独立的信 道。其本质是,在复用器的输入端将携带不同信息的信号经调制后以光的方式耦合到复 用器的不同“模式”上,这些模式的光将以不同的路径在光纤内进行传输,且模式间互不 干扰,然后在出射端利用解复用将光信号分离开并进行解调得到传输的信息。模分复用 系统的核心在于模分复用器的设计,目前的技术主要有基于自由空间光路的相位屏、“光 子灯笼”、全光纤型定向耦合器等,而工作波段和传输模式的插入损耗便是衡量复用器 的关键参数。 在文献[1]中提出了一种三模空间模分复用器,通过使用相位板对三个空间模式进行复 用。该文献还提出了一种使用液晶空间调制的模分复用器。这种模分复用器尺寸较大且 难以与后续长距离光纤模式复用波导对接,这使得难以适用于小型化和集成化模分复用 系统。文献[2]中提出了一种椭圆芯五模群选择性光子灯笼复用器,它可以支持 C 波段的 10 种空间模式的复用,通过对输入光纤束的综合几何优化以及采用两步拉锥制作方法, 使得该复用器具有较好的工作性能。数值研究显示,该器件在 C 波段五种模式组的插入 损耗为 0.1~0.38dB,模式转换效率控制在-0.79dB~-0.19dB 之间。然而,这种复用器的绝 热拉锥过程和耦合区折射率分布的精确控制仍然是较难把控的问题。文献[3]中提出的基 于非对称平面波导的多路复用/解复用器实现了模式复用/解复用和模式转换,但该多路 复用器存在工作带宽较窄且和光纤拼接较为困难的问题。采用定向耦合方法的模分复用 器具有模转换效率高、模消光比高、模串扰低的特点,可应用于模分复用系统的小型化 和集成化[4],文献[5]中提出了一种基于三维对称少模光纤(FMF)耦合器。在 C 波段内的 LP01,LP11a,LP11b,LP21a,LP21b,LP02 六种模式都获得了几乎平坦的响应,在发射的 两种极化的低通模式下,平均插入损耗约为 1.6dB。考虑到各个模式的耦合距离不同, 该器件采用的是较为常见的分段式耦合方法,即各个模式沿传输方向分次序耦合进入同 一个波导中,保证每个耦合过程相对独立且互不干扰,但同时也使得该器件的设计长度 较长,集成性欠佳。文献[6]中提出了一种少模环芯光纤模分多路复用器,采用了纯石英 环芯作为模式传输通道,实现了 LP01,LP11a,LP11b 三种模式的复用,其耦合效率在 C 波段高于-1.39dB,环芯用作模式传输通道也有效的减小了 LP01 与 LP11 的模间串扰,但 其实际制备方案并未给出。为了同时复用多个模式,也可以通过级联多个模式转换器(采 用拉锥抛磨法或熔融拉锥法制作)制作一种全光纤型模分复用器[7,8]。但这将额外的增 加连接处损耗及制作复杂程度。. 换的传输通道,是一种简单高效而有意义的设计。同时空气孔 1、2 和 3 还起到调节旁 芯和中心纤芯的模式有效折射率(neff)的作用,实现旁芯基模在特定波长向中心纤芯的特 定高阶模式进行相位匹配条件下的模式转换。两根掺杂棒直径保持一致且等于空气孔 4 的直径 d,这在一定程度上降低了制备难度。基底材料 SiO2 的折射率由 Sellmeier 公式 表达[17]
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