新型光纖通信器件之光子燈籠

  ICC訊 隨著(zhù)社會(huì )信息化程度的逐漸提高，自2000年以來(lái)，信息數據流量呈現出飛速上漲的趨勢，10年內其增長(cháng)速度超過(guò)了100倍，逐步逼近傳統單模光纖通信系統的非線(xiàn)性香農極限。為了突破容量限制，國內外研究者提出了多種解決方案，其中利用光信號空間維度的模分復用技術(shù)被認為是最優(yōu)解決方案。模分復用是利用少?；蚨嗄９饫w中不同模式之間的正交性，增加信息傳輸并行通道數，最終導致信息傳輸容量提高的一種技術(shù)。具體表現為在發(fā)射端將多路不同信號加載在不同的模式上，在接收端進(jìn)行模式分離實(shí)現多路信息的接收，其中所用關(guān)鍵的器件之一就是模式復用及解復用器。全光纖型光子燈籠因為具有損耗低、串擾小、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，成為最受歡迎的模式復用和解復用器。

  1、 光子燈籠的工作原理

  基于少模光纖的模分復用技術(shù)，是以少模光纖中幾個(gè)相互獨立的正交模式作為獨立信道來(lái)成倍提升光纖通信容量，如圖1所示。與單模光纖相比，少模光纖模場(chǎng)面積較大，因此非線(xiàn)性效應的容限也會(huì )相應提高。因此既可以依靠模式并行傳輸來(lái)提高傳輸容量，又提高了單信道的非線(xiàn)性香農極限，從而極大地提升光纖通信系統的通信容量。

  圖1 少模光纖不同模式傳遞信息的示意圖

  下面以模式選擇性三模光子燈籠為例闡述模分復用技術(shù)。在輸入端，把三根單模光纖束作為輸入光纖，插入折射率比輸入光纖包層還低的玻璃套管內，然后進(jìn)行絕熱拉錐，在拉錐過(guò)程中，輸入光纖的尺寸逐漸減小，慢慢的不足以束縛光場(chǎng)，光場(chǎng)逐漸泄漏到包層內傳輸。直到拉錐到光子燈籠的輸出端，輸入光纖的纖芯幾乎消失，或只是成為一個(gè)可以忽略的微擾結構，完全失去對光場(chǎng)的束縛作用，原輸入光纖的包層和低折射率的玻璃套管層，重新形成新的少模波導結構，稱(chēng)為光子燈籠的尾纖。在整個(gè)拉錐過(guò)程中，輸入光纖中的基模，也逐漸過(guò)渡為少模尾纖中的各階模式。在模分復用系統中，光子燈籠的每一根輸入光纖，分別與一根單模光纖熔接，輸出端的少模尾纖則與傳輸系統的少模光纖進(jìn)行熔接，從而把每根單模光纖中傳輸的基模，轉換為少模光纖中對應的各階模式，實(shí)現模式的轉換和復用。模式選擇性三模光子燈籠的結構示意圖、有效折射率及模場(chǎng)演化如圖2所示。

  圖2 三模模式選擇性光子燈籠示意圖、有效折射率曲線(xiàn)及模式演變圖

  2、光子燈籠的制備

  目前為止，已報道的光子燈籠主要有超快激光刻寫(xiě)光子燈籠和熔融拉錐型光子燈籠兩類(lèi)，前者在波導輸入或輸出及與標準單模光纖連接時(shí)需要引入額外的光學(xué)器件支撐，技術(shù)復雜并可能帶來(lái)附加插入損耗。熔融拉錐型光子燈籠的基本結構是將單模光纖束插入低折射率毛細管中進(jìn)行熔融拉錐，在錐區尖端形成類(lèi)似少模光纖的波導結構。理論和實(shí)驗研究表明，對每個(gè)光子燈籠而言，光纖數量取決于所需復用的模式數量，單模光纖的數目和理想排布都是理論確定的。低插入損耗光子燈籠設計的目標為單模光纖束經(jīng)過(guò)拉錐后，其最終尺寸需要與相熔接的少模光纖纖芯尺寸相近。  

  長(cháng)飛光纖光纜股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：長(cháng)飛公司)與華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院付松年教授團隊緊密合作，在現有光纖拉錐處理平臺上，以自產(chǎn)的特種光纖與低折射率毛細管，用絕熱拉錐工藝制作出了國產(chǎn)化熔融拉錐型光子燈籠產(chǎn)品(圖3)。

       付松年教授研究團隊近年來(lái)一直從事模分復用器件相關(guān)研究，提出基于功率轉移矩陣的光子燈籠性能測試方案，僅依靠背向反射光功率可完成光子燈籠器件的插入損耗和模式選擇性等性能參數測試 (Optics Letters,vol.41,no.10,2016)。2019年，雙方參加由廣東工業(yè)大學(xué)秦玉文教授牽頭的科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“寬帶通信和新型網(wǎng)絡(luò )”重點(diǎn)專(zhuān)項項目《基于新波段、新光纖、新放大的高速光傳輸技術(shù)及系統驗證》，承擔多芯少模光纖及全光纖核心器件的研究課題。近期，基于兩步拉錐制備方案，雙方合作完成高模式選擇性、低插入損耗的十模光子燈籠設計(Optics Express,vol.27,no.20,2019)，論文入選當期主編推薦獎(Editors’Pick)。

  圖3 光纖處理平臺與三模選模光子燈籠制作示意圖

  長(cháng)飛公司與華中科技大學(xué)合作設計制作的熔融拉錐型光子燈籠作為一種全光纖器件，具有低損耗、低模間串擾的優(yōu)點(diǎn)。圖4為模式選擇性三模光子燈籠的輸出模式以及產(chǎn)品圖，表1為該產(chǎn)品的技術(shù)指標。該技術(shù)及產(chǎn)品可應用于模分復用光傳輸系統。未來(lái)，長(cháng)飛公司將依托多年的光纖制備技術(shù)以及成熟的光纖處理平臺，研制更高容量、更寬帶寬的特種光纖器件，為光通信發(fā)展提供有力支持。

  圖4三模選模光子燈籠輸出模式及產(chǎn)品圖

  表 1三模模式選擇性光子燈籠技術(shù)指標