CN113687473B - 一种基于多芯光纤的六模模分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多芯光纤的六模模分复用器，包括基底材料、中心少模纤芯及***单模纤芯，中心少模纤芯和***单模纤芯位于基底材料内；中心少模纤芯包括纤芯基底及高折射率环；***单模纤芯包括用于向中心少模纤芯进行LP_11a模式转换的第一单模纤芯、用于向中心少模纤芯进行LP_11b模式转换的第二单模纤芯、用于向中心少模纤芯进行LP_21b模式转换的第三单模纤芯、用于向中心少模纤芯进行LP₀₂模式转换的第四单模纤芯和用于向中心少模纤芯进行LP_21a模式转换的第五单模纤芯；所述第一单模纤芯、第二单模纤芯、第三单模纤芯、第四单模纤芯、第五单模纤芯依次分布在中心少模纤芯的***。本发明具有高空间利用率、低***损耗以及低串扰等特点。

Description

一种基于多芯光纤的六模模分复用器

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种基于多芯光纤的六模模分复用器。

背景技术

光纤中的耦合模理论是一套非常成熟的理论，可以用来解释波导中不同模式之间的能量交换行为。通过计算两个独立光波导中模场的表达式，在耦合模方程下得到两波导中对应模式的传播常数相等时，就可以通过模式耦合实现模式转换。由于波导型的模式转换方法具有体积小、高集成度、***损耗低等优点，因此通过耦合模理论实现两波导之间的模式转换的方法成为一种制作模分复用器的热门方法。

目前最为常见的模式转换方法是通过两根光纤进行熔融拉锥的方法，使之达到折射率匹配点，从而实现模式转换。这种方法虽然便于制作，但过程中对光纤结构的破坏使其很难实现多个高阶模式的复用，这大大限制了模分复用技术对光纤通信能力的提升。随着微加工技术的进步，直接将两个光纤的纤芯引入同一光纤中制作成双芯光纤模式转换器，并通过级联的方法分别输入不同模式成为可能。这种双芯光纤模式转换器作为一种模式转换器件使用十分方便，且不破坏少模纤芯结构，通过更改两个纤芯参数就可以实现各个高阶模式的转换。又因为这种条件下两波导之间可以尽可能的达到传播常数匹配，所以转换得到的模式一般具有很高的纯度。

基于耦合模理论制作的光波导之间的模式转换方法目前已经取得了很多进展，但也存在一些问题，比如：双芯模式转换器对空间的利用率还有较大的进步空间；通过级联的方法复用多个模式比较繁琐，且***损耗多级累计起来可能造成较明显的影响；复用多个模式时，使用过多高阶模传递信息造成单模光纤参数难以匹配等。这些都极大地限制了模分复用技术对信息容量的提升，寻求突破迫在眉睫。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种具有高空间利用率、低***损耗以及低串扰特点的耦合模波导型模分复用器。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于多芯光纤的六模模分复用器，其特殊之处在于：

包括基底材料、中心少模纤芯及***单模纤芯，

所述中心少模纤芯和***单模纤芯位于基底材料内；

所述中心少模纤芯包括纤芯基底及高折射率环；

所述***单模纤芯包括用于向中心少模纤芯进行LP_11a模式转换的第一单模纤芯、用于向中心少模纤芯进行LP_11b模式转换的第二单模纤芯、用于向中心少模纤芯进行LP_21b模式转换的第三单模纤芯、用于向中心少模纤芯进行LP₀₂模式转换的第四单模纤芯和用于向中心少模纤芯进行LP_21a模式转换的第五单模纤芯；

所述第一单模纤芯、第二单模纤芯、第三单模纤芯、第四单模纤芯、第五单模纤芯依次分布在中心少模纤芯的***。

进一步地，上述第一单模纤芯与第二单模纤芯的直径和纤芯折射率相等，所述第三单模纤芯与第五单模纤芯的直径和纤芯折射率相等。

进一步地，上述第一单模纤芯和中心少模纤芯的中心连线与第二单模纤芯和中心少模纤芯的中心连线夹角为90°；第二单模纤芯和中心少模纤芯的中心连线与第三单模纤芯和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°；第三单模纤芯和中心少模纤芯的中心连线与第四单模纤芯和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°；第四单模纤芯和中心少模纤芯的中心连线与第五单模纤芯和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°。

进一步地，上述第一单模纤芯、第二单模纤芯、第三单模纤芯、第四单模纤芯、第五单模纤芯的中心到所述中心少模纤芯的正中心之间的距离分别为：L₁、L₂、L₃、L₄和L₅；其中，L₁＝L₂，L₃＝L₅。

进一步地，上述L₁、L₂均为14.6μm，L₃、L₅均为16.0μm，L₄为17.0μm。

进一步地，上述第一单模纤芯、第二单模纤芯的直径为4.8μm，1550nm波长下纤芯折射率为1.4606。

进一步地，上述第五单模纤芯与第三单模纤芯的直径为6.0μm，1550nm波长下纤芯折射率为1.4545。

进一步地，上述第四单模纤芯的直径为6.0μm，1550nm波长下纤芯折射率为1.4520。

进一步地，上述中心少模纤芯的直径为15μm，在1550nm波长下基底折射率为1.4540，所述高折射率环的圆心为光纤圆心，所述高折射率环的内环直径为8μm，环宽度为2μm，在1550nm波长下高折射率环的折射率为1.4570。

进一步地，上述基底材料的材质为二氧化硅，其折射率在1550nm波长下为1.444；模分复用器长度为10000μm。

本发明的优点：

①本发明在同一段光纤结构中通过***单模纤芯可以实现包括LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b和LP₀₂五个高阶模式的同时转换，以及直接输入中心少模纤芯的LP₀₁模式，共六个模式的同时复用。相比于传统的双芯模式转换器，空间利用率得到了大幅度的提升。

②本发明通过复用简并模，有效避免了使用过高阶模式传递信息。由耦合模理论可知，两个模式间有效折射率越接近，对应模式转换时产生的串扰越严重，所以我们在设计少模光纤时期望尽可能增大最小模间有效折射率差，以期望减少模间串扰。如果在少模光纤中过多使用高阶模，会导致整体各模式之间有效折射率差区间过大，从而难以找到对应的单模光纤与之达到折射率匹配。

③本发明所设计的六模模分复用器在1550nm波长下，LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b和LP₀₂的模式转换效率分别达到99.97％、99.33％、99.33％、99.16％、99.16％和96.69％，适用于高纯度模式转换。

附图说明

图1为本发明的模分复用器截面结构和模式转换示意图；

图2为本发明的模分复用器添加标注后的截面结构示意图之一；

图3为本发明的模分复用器添加标注后的截面结构示意图之二；

图4为本发明在实际操作中的使用方法示意图；

图5为本发明的实施例2中，整个C波段内LP₁₁、LP₂₁和LP₀₂模式的耦合效率变化示意图。

其中：1、基底材料，2、纤芯基底，3、高折射率环，4、第一单模纤芯，5、第二单模纤芯，6、第三单模纤芯，7、第四单模纤芯，8、第五单模纤芯。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

具体地，本发明提供一种基于多芯光纤的六模模分复用器，如图1所示，其包括基底材料1、中心少模纤芯及***单模纤芯。中心少模纤芯包括纤芯基底2及高折射率环3，纤芯基底2为少模纤芯主体材料，高折射率环3位于中心少模纤芯基底2内部，高折射率环3用于区分少模纤芯中LP₂₁和LP₀₂模式的模间有效折射率差。

所述***单模纤芯包括用于向中心少模纤芯进行LP_11a模式转换的第一单模纤芯4、用于向中心少模纤芯进行LP_11b模式转换的第二单模纤芯5、用于向中心少模纤芯进行LP_21b模式转换的第三单模纤芯6、用于向中心少模纤芯进行LP₀₂模式转换的第四单模纤芯7和用于向中心少模纤芯进行LP_21a模式转换的第五单模纤芯8，共五个纤芯。所述第一单模纤芯4、第二单模纤芯5、第三单模纤芯6、第四单模纤芯7、第五单模纤芯8依次分布在中心少模纤芯的***。

作为本发明的一个优选实施例，所述第一单模纤芯4与第二单模纤芯5的直径和纤芯折射率相等，所述第三单模纤芯6与第五单模纤芯8的直径和纤芯折射率相等。

作为本发明的一个优选实施例，在图1中，第一单模纤芯4和中心少模纤芯的中心连线与第二单模纤芯5和中心少模纤芯的中心连线夹角为90°；第二单模纤芯5和中心少模纤芯的中心连线与第三单模纤芯6和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°；第三单模纤芯6和中心少模纤芯的中心连线与第四单模纤芯7和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°；第四单模纤芯7和中心少模纤芯的中心连线与第五单模纤芯8和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°。所述***五个单模纤芯的位置分布呈五边形结构排布，其中每个单模纤芯均分别位于该五边形结构的其中一个顶点上。

参见图3，所述第一单模纤芯4、第二单模纤芯5、第三单模纤芯6、第四单模纤芯7、第五单模纤芯8的中心到所述中心少模纤芯的正中心之间的距离分别为：L₁、L₂、L₃、L₄和L₅，其中，所述L₁＝L₂，L₃＝L₅。优选地，L₁、L₂均为14.6μm，L₃、L₅均为16.0μm，L₄为17.0μm。

作为本发明的一个优选实施例，光纤的基底材料1为二氧化硅，其折射率在1550nm波长下为1.444。

作为本发明的一个优选实施例，如图2所示，所述中心少模纤芯包括纤芯基底2以及位于纤芯基底上的一个高折射率环3，所述中心少模纤芯的直径d₀为15μm，在1550nm波长下基底折射率n₀为1.4540，所述高折射率环3的圆心为光纤圆心，所述高折射率环的内环直径为8μm，环宽度为2μm，在1550nm波长下高折射率环的折射率n₄为1.4570。

作为本发明的一个优选实施例，如图2所示，所述第一单模纤芯4、第二单模纤芯5的直径均为d₁，d₁均为4.8μm，1550nm波长下纤芯折射率均为n₁，n₁为1.4606；第三单模纤芯6、第五单模纤芯8的直径均为d₂，为6.0μm，1550nm波长下纤芯折射率均为n₂，为1.4545；所述第四单模纤芯7的直径d₃为6.0μm，1550nm波长下纤芯折射率n₃为1.4520。

优选地，如图4所示，模分复用器长度x为10000μm。

下面结合附图与具体实施方式对本发明的工作性能作进一步详细描述：

实施例1

一种基于多芯光纤的六模模分复用器，如图1所示，其包括基底材料1、中心少模纤芯及***单模纤芯。中心少模纤芯包括纤芯基底2及高折射率环3，纤芯基底2为少模纤芯主体材料，高折射率环3用于区分少模纤芯中LP₂₁和LP₀₂模式的模间有效折射率差。模分复用器长度x为10000μm。

所述***五个单模纤芯的位置分布呈五边形结构排布，其中每个单模纤芯均分别位于该五边形结构的其中一个顶点上。第一单模纤芯4和中心少模纤芯的中心连线与第二单模纤芯5和中心少模纤芯的中心连线夹角为90°；第二单模纤芯5和中心少模纤芯的中心连线与第三单模纤芯6和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°；第三单模纤芯6和中心少模纤芯的中心连线与第四单模纤芯7和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°；第四单模纤芯7和中心少模纤芯的中心连线与第五单模纤芯8和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°。

参见图3，所述第一单模纤芯4、第二单模纤芯5、第三单模纤芯6、第四单模纤芯7、第五单模纤芯8的中心到所述中心少模纤芯的正中心之间的距离分别为：L₁、L₂、L₃、L₄和L₅，其中，所述L₁＝L₂，L₃＝L₅。优选地，L₁、L₂均为14.6μm，L₃、L₅均为16.0μm，L₄为17.0μm。光纤的基底材料1为二氧化硅，其折射率在1550nm波长下为1.444。所述中心少模纤芯包括纤芯基底2以及位于纤芯基底上的一个高折射率环3，所述中心少模纤芯的直径d₀为15μm，在1550nm波长下基底折射率n₀为1.4540，所述高折射率环3的圆心为光纤圆心，所述高折射率环的内环直径为8μm，环宽度为2μm，在1550nm波长下高折射率环的折射率n₄为1.4570。如图2所示，所述第一单模纤芯4、第二单模纤芯5的直径均为d₁，d₁均为4.8μm，1550nm波长下纤芯折射率均为n₁，n₁为1.4606；第三单模纤芯6、第五单模纤芯8的直径均为d₂，为6.0μm，1550nm波长下纤芯折射率均为n₂，为1.4545；所述第四单模纤芯7的直径d₃为6.0μm，1550nm波长下纤芯折射率n₃为1.4520。

本实施例计算本发明中模式转换所带来的串扰和损耗问题。

本发明设计主体为多芯光纤，多芯光纤中的芯间串扰是评价器件质量的重要标准之一。芯间串扰的具体表现为模式在各个纤芯之间的模式耦合效率。除了***单模纤芯分别向中心少模纤芯耦合外，还存在向除自身以外的其他***单模纤芯的能量转移。

利用光束传播法对本发明进行计算分析，分别向每个***单模纤芯和中心少模纤芯中注入1550nm波长下的LP₀₁模式，同时观察模分复用器中其他所有纤芯的功率变化情况，如表1所示。表1为实施例1的1550nm波长下各***单模光纤进行模式转换时其他纤芯中的输出功率。

我们对表1给出的芯间串扰数据进行分析，本发明中，芯间串扰主要有两部分：一是***单模纤芯直接向其他单模纤芯耦合，称为直接串扰；二是***单模纤芯先耦合到中心少模纤芯再耦合到其他单模纤芯中，称为间接串扰。通过对模式耦合的模拟发现，芯间距越大，其模式转换效率对相位匹配条件越敏感，即在较大的芯间距下，非折射率匹配的模式间耦合效率下降的很快。因此在我们所设计的结构中，***纤芯直接串扰造成的影响很小。由模式耦合理论，模式耦合器中的一个模式只能耦合到模斑最亮点(最暗点)与该模式模斑最亮点(最暗点)处于同一水平线的另一个模式。在我们的结构中，当LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b四个模式以对应的角度进入少模纤芯时，在它们所有的模斑最亮点处于同一水平线的其他方向上，找不到完全对应的、相位匹配的纤芯耦合，所以间接串扰的影响也能够被有效降低。而LP₀₂和LP₀₁模则不受此限制。所以在表1中我们可以看到，LP₀₂模式耦合效率受间接串扰影响下降较多，LP₀₁模式耦合效率几乎不受影响，其原因为少模纤芯中的LP₀₁模式和其他高阶模式的折射率差比较大，受到直接串扰芯间距的抑制效果更明显。

通过对表1各模式转换效率的分析，显然可知，本发明在1550nm工作波长下各模式转换过程中，芯间串扰的影响很小，器件能表现出良好的高纯度，高效率的模式转换特性。

表1

本实施例计算本发明在整个C波段下的各模式转换效率。

本发明所设计的结构参数在1550nm波长下具有很高的模式转换效率，但在实际应用中考虑到器件的适应性和容差能力，图5给出了在整个C波段中本模分复用器的各模式转换效率变化曲线。

分析结果得，在1541nm到1557nm的范围内，各模式的转换效率都能达到80％以上，具有一定的容差能力，即在1550nm附近有16nm的工作带宽。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

①本发明基于多芯光纤结构，实际出的六模式模分复用器，在传统的级联型模分复用器一个模式转换单元内能同时实现五个高阶模式的复用，能极大的提高模分复用器的空间利用率。且在一个转换单元内同时实现多个模式的转换，能减少模分复用器件的数量，从而有效的降低***损耗。

②本发明选取的复用模式包括两个简并模，在尽可能提高信息容量的同时，避免了转换高阶模式可能存在的单模光纤参数难以达到所需折射率匹配点的问题。

③本发明通过在中心少模纤芯中添加高折射率环的结构，有效地将所需各模式的有效折射率进行了区分，使少模纤芯中得到了较大的最小模间有效折射率差，这对本模分复用器能同时实现多个模式的高纯度转换具有重要作用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的***领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于多芯光纤的六模模分复用器，其特征在于：

包括基底材料(1)、中心少模纤芯及***单模纤芯，

所述中心少模纤芯和***单模纤芯位于基底材料(1)内；

所述中心少模纤芯包括纤芯基底(2)及高折射率环(3)；

所述***单模纤芯包括用于向中心少模纤芯进行LP_11a模式转换的第一单模纤芯(4)、用于向中心少模纤芯进行LP_11b模式转换的第二单模纤芯(5)、用于向中心少模纤芯进行LP_21b模式转换的第三单模纤芯(6)、用于向中心少模纤芯进行LP₀₂模式转换的第四单模纤芯(7)和用于向中心少模纤芯进行LP_21a模式转换的第五单模纤芯(8)；

所述第一单模纤芯(4)、第二单模纤芯(5)、第三单模纤芯(6)、第四单模纤芯(7)、第五单模纤芯(8)依次分布在中心少模纤芯的***；

所述第一单模纤芯(4)与第二单模纤芯(5)的直径和纤芯折射率相等，所述第三单模纤芯(6)与第五单模纤芯(8)的直径和纤芯折射率相等；

所述第一单模纤芯(4)、第二单模纤芯(5)、第三单模纤芯(6)、第四单模纤芯(7)、第五单模纤芯(8)的中心到所述中心少模纤芯的正中心之间的距离分别为：L₁、L₂、L₃、L₄和L₅，其中，L₁＝L₂，L₃＝L₅；

所述第一单模纤芯(4)、第二单模纤芯(5)的直径为4.8μm，1550nm波长下纤芯折射率为1.4606；

所述第五单模纤芯(8)与第三单模纤芯(6)的直径为6.0μm，1550nm波长下纤芯折射率为1.4545；

所述第四单模纤芯(7)的直径为6.0μm，1550nm波长下纤芯折射率为1.4520；

所述中心少模纤芯的直径为15μm，在1550nm波长下基底折射率为1.4540，所述高折射率环的圆心为光纤圆心，所述高折射率环的内环直径为8μm，环宽度为2μm，在1550nm波长下高折射率环的折射率为1.4570。

2.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤的六模模分复用器，其特征在于：

所述第一单模纤芯(4)和中心少模纤芯的中心连线与第二单模纤芯(5)和中心少模纤芯的中心连线夹角为90°；第二单模纤芯(5)和中心少模纤芯的中心连线与第三单模纤芯(6)和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°；第三单模纤芯(6)和中心少模纤芯的中心连线与第四单模纤芯(7)和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°；第四单模纤芯(7)和中心少模纤芯的中心连线与第五单模纤芯(8)和中心少模纤芯的中心连线夹角为67.5°。

3.根据权利要求2所述的一种基于多芯光纤的六模模分复用器，其特征在于：

所述L₁、L₂均为14.6μm，L₃、L₅均为16.0μm，L₄为17.0μm。

4.根据权利要求3所述的一种基于多芯光纤的六模模分复用器，其特征在于：

所述基底材料(1)的材质为二氧化硅，其折射率在1550nm波长下为1.444；模分复用器长度为10000μm。

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