一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器及制备方法

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202411227404.4 申请日 2024-09-03
公开(公告)号 CN119511450A 公开(公告)日 2025-02-25
申请人 上海大学; 申请人类型 学校
发明人 陈伟; 马晓宇; 第一发明人 陈伟
权利人 上海大学 权利人类型 学校
当前权利人 上海大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:上海市 城市 当前专利权人所在城市:上海市宝山区
具体地址 当前专利权人所在详细地址:上海市宝山区上大路99号 邮编 当前专利权人邮编:201900
主IPC国际分类 G02B6/14 所有IPC国际分类 G02B6/14G02B6/293G02B6/02G02B6/036G02B6/12
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 A
专利代理机构 苏州市中南伟业知识产权代理事务所 专利代理人 李玉婷;
摘要 本 发明 涉及一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,包括:少模光纤和若干单模光纤,少模光纤为支持N个模式的双包层环芯光纤少模光纤,少模光纤设置在若干单模光纤的中间 位置 ,若干单模光纤沿少模光纤的 角 向方向排列在少模光纤的四周,若干单模光纤贴合在少模光纤的外壁上,每个所述单模光纤和少模光纤的初始芯间距为单模光纤的包层半径和少模光纤的外包层半径之和,相邻的所述单模光纤之间的间隔相同。本发明的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,环芯结构使光纤内的模式折射率差均>10‑3,降低模间串扰损耗,同时双包层结构可在基模与高阶模相互转换时,保持优越的绝热特性模式插入损耗均低于0.70dB,转换效率均大于85.0%。
权利要求

1.一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,其特征在于:包括:少模光纤和若干单模光纤,所述少模光纤为支持N个模式的双包层环芯光纤少模光纤,并且少模光纤设置在若干单模光纤的中间位置,所述若干单模光纤沿少模光纤的向方向排列在少模光纤的四周,并且若干单模光纤贴合在少模光纤的外壁上,每个所述单模光纤和少模光纤的初始芯间距为单模光纤的包层半径和少模光纤的外包层半径之和,相邻的所述单模光纤之间的间隔相同。
2.根据权利要求1所述的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,其特征在于:所述少模光纤包括由内至外依次设置的中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯、内包层和外包层;其中,在1550.0nm波段下,所述中心纤芯的折射率n1与所述外包层的折射率n5之间的相对折射率差为0.00280~0.00960,所述内环形纤芯的折射率n2与所述外包层的折射率n5之间的相对折射率差为0.00550~0.01430,所述外环形纤芯的折射率n3与所述外包层的折射率n5之间的相对折射率差为0.00410~0.01090,所述内包层的折射率n4与所述外包层的折射率n5的相对折射率差为0.00070~0.00280;在1550.0nm波段下,所述内环形纤芯的折射率>外环形纤芯的折射率>中心纤芯的折射率,所述内包层的折射率>外包层的折射率,所述少‑3
模光纤的模式间有效折射率差均大于10 。
3.根据权利要求2所述的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,其特征在于:所述中心纤芯直径d1为2.0μm~10.0μm,所述内环形纤芯内环直径与中心纤芯直径保持一致,所述内环形纤芯外环直径d2为4.0μm~18.0μm,所述外环形纤芯内环直径与内环形纤芯外环直径保持一致,所述外环形纤芯外环直径d3为6.0μm~30.0μm,所述内包层直径d4为30.0μm~
80.0μm,所述外包层直径d5为80.0μm~125.0μm。
4.根据权利要求2所述的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,其特征在于:所述中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯和内包层采用不同浓度的掺锗或掺铒‑材料,掺杂浓度不同,折射率不同,所述外包层采用纯二氧化硅材料。
5.根据权利要求1所述的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,其特征在于:在
1550nm波段下,所述单模光纤由内至外依次包括纤芯、沟槽和包层,所述纤芯的折射率nNa与所述包层的折射率nc的相对折射率差为0.00380~0.01100,所述沟槽的折射率nb与所述包层的折射率nc的相对折射率差为‑0.00070~‑0.00630;在1550.0nm波段下,所述纤芯的折射率>包层的折射率>沟槽的折射率。
6.根据权利要求5所述的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,其特征在于:所述纤芯的直径a为4.2μm~12.0μm,所述包层的直径c为80.0μm~125.0μm,所述沟槽的外环直径b为18.0μm~40.0μm。
7.根据权利要求6所述的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,其特征在于:所述若干单模光纤的纤芯的折射率不同,所述纤芯分别采用不同浓度的掺锗或掺铒‑二氧化硅材料以适配对应少模光纤模式有效折射率,所述沟槽采用负掺杂材料,所述包层采用纯二氧化硅材料。
8.一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一:少模光纤放在中间位置,在少模光纤的角向方向,等间隔依次排列若干单模光纤,将一根少模光纤和若干单模光纤平行贴合放置,其中,每个单模光纤和少模光纤的初始芯间距为单模光纤的包层半径和少模光纤的外包层半径之和,每两个相邻的单模光纤间隔相同;
步骤二:将若干单模光纤包围着一根少模光纤形成的光纤束平行放置在拉锥平台上,在少模光纤和若干单模光纤形成的光纤束轴向相同位置进行加热熔融,并且光纤束两端用夹具固定向外拉伸相同长度,拉锥后的光纤束呈现锥形结构,光纤束的两端靠外方向直径不变的部分是初始光纤尺寸,光纤束的两端靠里方向锥区为拉伸区域,光纤束的中间直径最小且保持不变的腰部为加热区域,也叫耦合区域,根据少模光纤芯内模式有效折射率随包层直径变化的关系曲线,确定少模光纤芯内每个模式与对应若干单模光纤芯内基模的相位匹配点;
步骤三:为了使少模光纤与对应若干单模光纤拉伸长度一致,选择所有相位匹配点均在同一拉锥直径处;
步骤四:将少模光纤与若干单模光纤同时拉伸5.0mm~10.0mm以满足所选相位匹配点处的拉锥尺寸,此时少模光纤中的基模和高阶模与对应若干单模光纤中的基模在锥形光纤束的腰区部分发生模式转换。
9.根据权利要求8所述的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器的制备方法,其特征在于:作为解复用器使用时,少模光纤和若干单模光纤形成的光纤束的一端作为输入端,少模光纤接入传输光纤传输过来的复用信号,复用信号在锥形光纤束的耦合区域分别向对应的单模光纤芯内的基模发生模式转换,最后在解复用器的另一端,若干单模光纤将复用的N路信号分别输出,即为解复用过程。
10.根据权利要求8所述的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器的制备方法,其特征在于:作为复用器使用时,若干单模光纤作为输入端,分别接入激励,输入的N路信号在锥形光纤束的耦合区域分别向对应的双包层环芯少模光纤芯内的模式发生模式转换,最后在复用器的另一端,N路信号在双包层环芯少模光纤同时输出,进入传输光纤,即为复用过程。

说明书全文

一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤通信技术领域,尤其是指一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器及制备方法。

背景技术

[0002] 随着互联网技术日益发展,先后出现了物联网人工智能大数据等需要海量计算数据的新兴技术。同时人们对通信容量需求的急剧增加也推动了通信技术的更迭与发展。自1980年以来,先后出现了时分复用(TDM)、波分复用(WDM)、偏分复用(PDM)等单模光纤通信技术,推动着传输网络容量以每年约45%的速度增长。但是单模光纤通信发展到今天,基于单模光纤的光纤通信系统已接近香农容量上限,即100Tb/s的容量极限。为了应对这一挑战,学者做出了大量努与研究,其中基于少模光纤(FMF)或多模光纤(MMF)的模分复用(MDM)技术是下一代光纤通信系统的主要实现形式。模分复用技术,是指具有不同路径和模场分布、携带不同信息的多个正交模式,在同一多模光波导中共同传播的技术。若一根光纤有N个模式,那么对应有N个相互独立、互不干扰的传输信息通道,系统容量相对应增加N倍。
在模分复用通信传输系统中可实现模式激励、模式转换、模式复用/解复用等。
[0003] 在模分复用系统中,充分利用了多模光纤所存在的高阶模式。但是如何激发并利用高阶模式是一个关键问题,它是通过一个模式转换器由基模转换而来。因此在各种模式复用技术中,模式转换器是实现模式转换、特定模式激励和特定模式屏蔽的关键性器件。根据工作原理和方式主要分为空间匹配型、基波导型和全光纤型。其中全光纤型模式转换器是由少模光纤作为波导,辅以其他器件或技术制成的模式转换器件。光仅在光纤中传播,没有自由空间光学元件,器件体积尺寸小,结构简单且易于与光纤线路和其他光器件连接,具有更高的稳定性和可行性。全光纤型模式转换器主要利用相位匹配原理实现基模与高阶模之间的相互转换,代表性结构有长周期光纤光栅(LPFG)、光子灯笼(PL)、模式选择耦合器(MSC)等。长周期光纤光栅的工作带宽窄,并且随着模式阶数的增加,插入损耗也会随之增加。模式选择耦合器和光子灯笼工作带宽较宽,损耗低,但是光子灯笼制备较为复杂,模式选择耦合器面临着由于高阶模非绝热传输和模式有效折射率差较小而导致的高模式串扰问题。各国学者对全光纤模式转换器开展了大量的研究。
[0004] 美国专利US20240159966A1提出了一种双包层光纤的模式选择耦合器,耦合器由两根参数相近的双包层少模光纤构成,为了输出高纯度的模式需要提前经过更精确的数值计算,但是实际应用所述光纤时,模式阶数越高,芯内模式有效折射率差越小,在实际应用时会出现较大的模式串扰。
[0005] 中国专利CN108051890A提出了一种高效率低损耗全光纤熔融模式选择耦合器,该复用器使用特制的单模光纤,使其在无需预拉的情况下,在同一波长下基模与少模光纤内的目标模式满足相位匹配从而实现模式转换。但是在转换高阶模时由于其非绝热传输,会出现非目标模式的转换,导致较大的模式串扰。
[0006] 中国专利CN116699761A提出了一种基于D型光纤的模式复用/解复用器,光纤被去除侧边部分包层,保留纤芯结构不变,其横截面类似D型的光纤。将两根D型光纤贴合其侧平面组成实现模式转换的模式选择耦合器,而复用/解复用器则是若干个D型光纤耦合器的串联。这种侧面抛磨法制备的光纤理想情况下可减少两根光纤的芯间距,降低插入损耗,但是在实际应用中不易实现,机械磨损带来的损耗较大,而且级联式复用/解复用器器件体积较大,不便于实际使用。
[0007] 中国专利CN112965170A提出了一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法,其中玻璃套管需要特别制备以匹配模式选择性耦合器的尺寸,而且制备过程中实验环境要求严格,操作复杂,制作成本较高,不适用于商业化量产。
[0008] 综上,基于模式选择耦合器的复用器/解复用器多为级联型,即两根光纤贴合构成一个模式选择耦合器,然后N个模式选择耦合器首尾串联形成N个模式复用器/解复用。但是考虑到现实应用中的影响因素,基于这种方法制成的复用器/解复用器不仅体积尺寸较大,移动不方便,而且模式转换效率低。

发明内容

[0009] 为此,本发明提供一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器及制备方法,该发明可以实现同时复用/解复用N个模式,并且具有高模式转换效率,低损耗,较短的耦合长度,小体积尺寸等优点。
[0010] 为解决上述技术问题,本发明提供了一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,包括:少模光纤和若干单模光纤,所述少模光纤为支持N个模式的双包层环芯光纤少模光纤,并且少模光纤设置在若干单模光纤的中间位置,所述若干单模光纤沿少模光纤的向方向排列在少模光纤的四周,并且若干单模光纤贴合在少模光纤的外壁上,每个所述单模光纤和少模光纤的初始芯间距为单模光纤的包层半径和少模光纤的外包层半径之和,相邻的所述单模光纤之间的间隔相同。本发明的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,该‑3发明中的环芯结构使光纤内的模式折射率差均>10 ,降低模间串扰损耗,同时双包层结构可在基模与高阶模相互转换时,抑制高阶模模场扩散,保持优越的绝热特性,提高模式转换效率;作为模式解复用器,插入损耗均低于0.70dB,模式转换效率均大于85.0%,可广泛应用于各种空分复用通信传输系统中。
[0011] 在本发明的一个实施例中,所述少模光纤包括由内至外依次设置的中心纤芯、内环形纤芯、外环形纤芯、内包层和外包层;其中,在1550.0nm波段下,所述中心纤芯的折射率n1与所述外包层的折射率n5之间的相对折射率差为0.00280~0.00960,所述内环形纤芯的折射率n2与所述外包层的折射率n5之间的相对折射率差为0.00550~0.01430,所述外环形纤芯的折射率n3与所述外包层的折射率n5之间的相对折射率差为0.00410~0.01090,所述内包层的折射率n4与所述外包层的折射率n5的相对折射率差为0.00070~0.00280。
[0012] 在本发明的一个实施例中,在1550.0nm波段下,所述内环形纤芯的折射率>外环形纤芯的折射率>中心纤芯的折射率,所述内包层的折射率>外包层的折射率。
[0013] 在本发明的一个实施例中,所述中心纤芯直径d1为2.0μm~10.0μm,所述内环形纤芯内环直径与中心纤芯直径保持一致,所述内环形纤芯外环直径d2为4.0μm~18.0μm,所述外环形纤芯内环直径与内环形纤芯外环直径保持一致,所述外环形纤芯外环直径d3为6.0μm~30.0μm,所述内包层直径d4为30.0μm~80.0μm,所述外包层直径d5为80.0μm~125.0μm。
[0014] 在本发明的一个实施例中,在1550nm波段下,所述单模光纤由内至外依次包括纤芯、沟槽和包层,所述纤芯的折射率nNa与所述包层的折射率nc的相对折射率差为0.00380~0.01100,所述沟槽的折射率nb与所述包层的折射率nc的相对折射率差为‑0.00070~‑
0.00630。
[0015] 在本发明的一个实施例中,在1550.0nm波段下,所述纤芯的折射率>包层的折射率>沟槽的折射率。
[0016] 在本发明的一个实施例中,所述纤芯的直径a为4.2μm~12.0μm,所述包层的直径c为80.0μm~125.0μm,所述沟槽的外环直径b为18.0μm~40.0μm。
[0017] 本发明提供了一种双包层环芯光纤的并联式模式解复用器的制备方法,包括如下步骤:
[0018] 步骤一:少模光纤放在中间位置,在少模光纤的角向方向,等间隔依次排列若干单模光纤,将一根少模光纤和若干单模光纤平行贴合放置,其中,每个单模光纤和少模光纤的初始芯间距为单模光纤的包层半径和少模光纤的外包层半径之和,每两个相邻的单模光纤间隔相同;
[0019] 步骤二:将若干单模光纤包围着一根少模光纤形成的光纤束平行放置在拉锥平台上,在少模光纤和若干单模光纤形成的光纤束轴向相同位置进行加热熔融,并且光纤束两端用夹具固定向外拉伸相同长度,拉锥后的光纤束呈现锥形结构,光纤束的两端靠外方向直径不变的部分是初始光纤尺寸,光纤束的两端靠里方向锥区为拉伸区域,光纤束的中间直径最小且保持不变的腰部为加热区域,也叫耦合区域,根据少模光纤芯内模式有效折射率随包层直径变化的关系曲线,确定少模光纤芯内每个模式与对应若干单模光纤芯内基模的相位匹配点;
[0020] 步骤三:为了使少模光纤与对应若干单模光纤拉伸长度一致,选择所有相位匹配点均在同一拉锥直径处;
[0021] 步骤四:将少模光纤与若干单模光纤同时拉伸5.0mm~10.0mm以满足所选相位匹配点处的拉锥尺寸,此时少模光纤中的基模和高阶模与对应若干单模光纤中的基模在锥形光纤束的腰区部分发生模式转换。
[0022] 在本发明的一个实施例中,作为解复用器使用时,少模光纤和若干单模光纤形成的光纤束的一端作为输入端,少模光纤接入传输光纤传输过来的复用信号,复用信号在锥形光纤束的耦合区域分别向对应的单模光纤芯内的基模发生模式转换,最后在解复用器的另一端,若干单模光纤将复用的N路信号分别输出,即为解复用过程。
[0023] 在本发明的一个实施例中,作为复用器使用时,若干单模光纤作为输入端,分别接入激励,输入的N路信号在锥形光纤束的耦合区域分别向对应的双包层环芯少模光纤芯内的模式发生模式转换,最后在复用器的另一端,N路信号在双包层环芯少模光纤同时输出,进入传输光纤,即为复用过程。
[0024] 本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果:
[0025] 1、本发明中的并联式模式复用器/解复用器的结构包括一根少模光纤和若干根单模光纤,在使用相同数量的光纤的前提下,相比于级联N个模式选择耦合器构成的(解)复用器,本发明体积尺寸缩小了N倍,而且在拉伸相同长度后,可同时复用/解复用N个模式,提高传输效率;
[0026] 2、本发明中的双包层环芯少模光纤,其中环芯结构可以增加光纤模式之间的有效折射率差,使光纤模式串扰降低,另外在进行高阶模—基模的模式转换时,内包层作为一个缓冲层起着绝热的作用,抑制高阶模的模场扩散,降低模式串扰;
[0027] 3、本发明中的单模光纤,相比于标准单模光纤,在包层和纤芯之间增加一个负折射率沟槽,可与双包层环芯光纤实现更好的匹配;
[0028] 4、传统少模光纤或环芯光纤制备模式(解)复用器时,拉伸长度为5.0mm~40.0mm,使用双包层环芯少模光纤和适配的具有负沟槽的单模光纤构成的模式(解)复用器,其拉伸长度为5.0mm~10.0mm,拉伸长度缩小四倍,减少了制备工艺时间;
[0029] 5、本发明中设计的模式复用器/解复用器在1550.0nm波长下,模式转换效率均>85.0%。
[0030] 6、本发明可广泛应用于各类模分复用或者空分复用传输系统,可以同时复用或者解复用多个信号,降低了系统构成复杂度,提高了信号处理效率。附图说明
[0031] 为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中
[0032] 图1为本发明的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器的侧面图;
[0033] 图2为本发明的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器的横截面示意图;
[0034] 图3为本发明的少模光纤的横截面图;
[0035] 图4为本发明的少模光纤的折射率分布图;
[0036] 图5为本发明的单模光纤的横截面;
[0037] 图6为本发明的单模光纤的折射率分布图;
[0038] 图7为本发明的少模光纤的模式有效折射率随包层直径变化的关系曲线;
[0039] 图8为本发明的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器的示意图;
[0040] 图9为本发明的双包层环芯光纤的并联式模式复用器的示意图。
[0041] 说明书附图标记说明:少模光纤1,11‑中心纤芯,12‑内环形纤芯,13‑外环形纤芯,14‑内包层,15‑外包层,单模光纤一2,单模光纤二3,单模光纤三4,单模光纤四5,单模光纤五6,单模光纤六7,d1‑中心纤芯直径,n1‑中心纤芯折射率,d2‑内环形纤芯直径,n2‑内环形纤芯折射率,d3‑外环形纤芯直径,n3‑外环形纤芯折射率,d4‑内包层直径,n4‑内包层折射率,d5‑外包层直径,n5‑外包层折射率,N1‑纤芯,N2‑沟槽,N3‑包层,a‑纤芯直径,nNa‑单模光纤N的纤芯折射率,b‑沟槽外直径,nb‑沟槽折射率,c‑包层直径,nc‑包层折射率。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0043] 如图1所示,本发明的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器,其包括一根具有六个线偏振模的少模光纤1、单模光纤一2、单模光纤二3、单模光纤三4、单模光纤四5、单模光纤五6和单模光纤六7;其中,单模光纤一2、单模光纤二3、单模光纤三4、单模光纤四5、单模光纤五6和单模光纤六7的结构相同,单模光纤一2、单模光纤二3、单模光纤三4、单模光纤四5、单模光纤五6和单模光纤六7外壁的角向方向等间距依次排列在少模光纤1的四周;支持6个模式的少模光纤1具体为一种双包层环芯结构,如图2所示,由内到外依次包括中心纤芯
11、内环形纤芯12、外环形纤芯13、内包层14和外包层15。在1550.0nm波长下,少模光纤1为了满足少模光纤存在6个模式,其归一化频率V值范围为5.5~6.0。
[0044] 如图3所示,为了使模式有效折射率差>10‑3,所述中心纤芯11的折射率n1与所述外包层15的折射率n5之间的相对折射率差为0.00280~0.00960,所述内环形纤芯12的折射率n2与所述外包层15的折射率n5之间的相对折射率差为0.00550~0.01430,所述外环形纤芯13的折射率n3与所述外包层15的折射率n5之间的相对折射率差为0.00410~0.01090,所述内包层14的折射率n4与所述外包层15的折射率n5的相对折射率差为0.00070~0.00280。
[0045] 中心纤芯11、内环形纤芯12和外环形纤芯13构成纤芯区域,内包层14和外包层15构成包层,纤芯区域折射率整体大于包层折射率,其中内环形纤芯折射率>外环形纤芯折射率>中心纤芯折射率,内包层折射率>外包层折射率。
[0046] 中心纤芯11、内环形纤芯12、外环形纤芯13、内包层14分别采用不同浓度的掺锗或者掺铒‑化硅材料,掺杂浓度不同,折射率也会不同,外包层15采用纯二氧化硅材料。
[0047] 中心纤芯11的直径d1为2.0μm~10.0μm,内环形纤芯12的内环直径与中心纤芯直径保持一致,内环形纤芯12的外环直径d2为4.0μm~18.0μm,外环形纤芯13的内环直径与内环形纤芯外环直径保持一致,外环形纤芯13的外环直径d3为6.0μm~30.0μm,所述内包层14的直径d4为30.0μm~80.0μm,外包层15的直径d5为80.0μm~125.0μm。
[0048] 过去常见制备模式选择耦合器制备,需要先预拉锥少模光纤或者单模光纤,然后二次拉锥以实现相位匹配。多次拉锥会增加光纤的附加损耗,为了降低这种损耗,并且简化模式选择耦合器的制备工艺,本发明中提到的单模光纤的尺寸依据本发明提出的双包层环芯少模光纤模式有效折射率随包层直径变化的关系曲线(如图5)确定尺寸以及纤芯折射率。
[0049] 选择少模光纤1的外包层直径为35.0μm时的模式有效折射率作为相位匹配点,单模光纤一2对应少模光纤1的LP01模式下的参数,单模光纤二3对应少模光纤1的LP11模式下的参数,单模光纤三4对应少模光纤1的LP21模式下的参数,单模光纤四5对应少模光纤1的LP02模式下的参数,单模光纤五6对应少模光纤1的LP31模式下的参数,单模光纤六7对应少模光纤1的LP31模式下的参数。在拉锥时少模光纤和单模光纤成比例变细,因此可以根据拉锥后的直径按比例推算出每个单模光纤的原始物理尺寸。
[0050] 如图5所示,单模光纤的特征在于,由内到外依次包括纤芯、沟槽和包层。6根单模光纤的物理尺寸相同,如图6所示,所述纤芯N1直径a为4.2μm~12.0μm,,沟槽N2外环直径b为18.0μm~40.0μm,包层N3直径c为80.0μm~125.0μm,其中N表示单模光纤N,N为2,3,4,5,6,7。
[0051] 在1550.0nm波长下,所述纤芯的折射率nNa与所述包层的折射率nc的相对折射率差均为0.00380~0.01100,所述沟槽的折射率nb与所述包层的折射率nc的相对折射率差为‑0.00070~‑0.00630。所述纤芯折射率>包层折射率大于沟槽折射率。
[0052] 6根单模光纤的纤芯折射率不同,6个纤芯分别采用不同浓度的掺锗或者掺铒‑二氧化硅材料以匹配对应少模光纤芯内的模式有效折射率,沟槽采用掺氟或者掺‑二氧化硅材料,包层采用纯二氧化硅材料。
[0053] 无论是模式复用器还是解复用器,关键工作原理是相位匹配。传播常数β和模式有效折射率neff可通过公式(1)计算:
[0054]
[0055] 为了能实现模式选择性激发,需要将光纤拉伸一定长度使光纤达到一定直径,而拉伸长度一般是耦合长度的整数倍,耦合长度Lc的计算如公式(2)所示:
[0056]
[0057]
[0058] L=n×Lc,n=1,2,3,…(4);
[0059] 其中κ是耦合系数,δ是两个波导内模式的传播常数之差,L是拉伸长度。
[0060] 一种双包层环芯光纤的并联式六模复用器/解复用器的制备步骤,具体如下:
[0061] 步骤一、支持6个模式的双包层环芯光纤少模光纤放在中间位置,在少模光纤的角向方向,等间隔依次排列6根单模光纤,6+1根光纤平行贴合放置。其中,每个单模光纤和少模光纤的初始芯间距为单模光纤的包层半径和少模光纤的外包层半径之和,每两个相邻的单模光纤间隔相同;
[0062] 步骤二、由6根单模光纤包围着一根少模光纤形成的光纤束平行放置在拉锥平台上。在光纤束轴向相同位置进行加热熔融,两端用夹具固定向外拉伸相同长度。根据双包层环芯少模光纤模式有效折射率随拉锥直径的关系曲线,确定双包层环芯少模光纤芯内每个模式与对应6根单模光纤芯内基模的相位匹配点;
[0063] 步骤三、相位匹配点的选择比较灵活,为了使所有光纤拉伸长度一致,选择地所有相位匹配点均在同一拉锥直径处;
[0064] 步骤四、将6根单模光纤和一根少模光纤同时拉伸5.0mm~10.0mm以满足所选相位匹配点处的拉锥尺寸,此时少模光纤中的基模和高阶模与对应6根单模光纤中的基模在锥形光纤束的腰区部分发生模式转换。
[0065] 在少模光纤和若干单模光纤组成的光纤束的轴向区域熔融拉伸,直至满足匹配点所在的拉锥直径,模式复用器/解复用器制备完毕。
[0066] 一种利用双包层环芯光纤的并联式模式解复用器/解复用器,作为解复用器使用时,如图8所示,一端作为输入端,双包层环芯少模光纤接入适配的传输光纤传输过来的复用信号,复用信号在锥形光纤束的耦合区域分别向对应的单模光纤芯内的基模发生模式转换,最后在解复用器的另一端,6根单模光纤将复用的6路信号分别输出,即为解复用过程。
[0067] 进一步的,作为复用器使用时,如图9所示,一端作为输入端,6根单模光纤分别接入激励作为输入端,输入的6路信号在锥形光纤束的耦合区域分别向对应的双包层环芯少模光纤芯内的模式发生模式转换,最后在复用器的另一端,6路信号在双包层环芯少模光纤同时输出,进入传输光纤,即为复用过程。
[0068] 本发明的双包层环芯光纤的并联式模式解复用器的本质是模式选择耦合器的组合。其中,模式选择耦合器的原理是,两个相距一定距离的光纤,其芯内模式有效折射率相同或相近时,两者会发生谐振,即模式能量的交换。满足模式有效折射率相等或相近的点叫做相位匹配点。本发明中提到的并联式模式复用器/解复用器的特点是支持N个模式的双包层环芯光纤少模光纤放在中间位置,在少模光纤的角向方向,等间隔依次排列N根单模光纤,N+1根光纤平行贴合放置。其中,每个单模光纤和少模光纤的初始芯间距为单模光纤的包层半径和少模光纤的外包层半径之和,每两个相邻的单模光纤间隔相同。由N根单模光纤包围着一根少模光纤形成的光纤束平行放置在拉锥平台上。在光纤束轴向相同位置进行加热熔融,两端用夹具固定向外拉伸相同长度。拉锥后的光纤束呈现锥形结构,两端直径不变的部分保持初始光纤尺寸,两端靠里方向锥区为拉伸区域,中间直径最小且保持不变的腰部为加热区域,也叫做耦合区域。将光纤束熔融拉锥至满足所选相位匹配点处的拉锥直径,此时少模光纤中的基模和高阶模与对应N根单模光纤中的基模在锥形光纤束的腰区部分发生模式转换。不同于级联模式选择耦合器构造的模式复用器/解复用器,本发明可以实现在相同拉伸长度下同时复用/解复用N个目标模式。
[0069] 基于双包层环芯光纤的并联式模式解复用器制备成功后,需要封装保存。具体操作如下:
[0070] 1、将制备后的复用器/解复用器耦合区域部分放在石英凹槽内,两端滴入少量固化胶,然后用紫外线照射固化;
[0071] 2、第一步结束后,紧接着将上述器件放入制凹槽中,盖上铝板,最后用螺丝拧紧固定。
[0072] 复用器/解复用器在1550nm波长处的耦合效率以及损耗,结果如表1所示。
[0073] LP01 LP11 LP21 LP02 LP31 LP12耦合效率(%) 99.80 98.62 95.22 85.88 90.25 87.60
插入损耗(dB) 0.0087 0.0604 0.2127 0.6611 0.4455 0.5750
[0074] 表1
[0075] 作为模式复用器/解复用器,本发明可同时复用/解复用N个模式,无需预制件,并且极大减小了器件尺寸体积,插入损耗均低于0.70dB,模式转换效率均大于85.0%,可广泛应用于各种空分复用通信传输系统中。
[0076] 显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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