新型光纖通信器件之光子燈籠

  ICCSZ訊 隨著(zhù)社會(huì )信息化程度的逐漸提高，信息數據流量自2000年以來(lái)，呈現出飛速上漲的勢頭，10年的增長(cháng)速度超過(guò)了100倍，傳輸容量已經(jīng)接近目前單模光纖通信系統的非線(xiàn)性香農極限。為了突破該種限制，國內外研究者提出了多種解決方案，其中利用空間維度的模分復用技術(shù)被認為是最具實(shí)用化的解決手段。模分復用技術(shù)是利用少?；蚨嗄９饫w中不同模式之間的正交性，增加信息傳輸通道數來(lái)提高信息傳輸容量。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)行分離來(lái)實(shí)現信息的收發(fā)，關(guān)鍵的器件之一就是模式復用及解復用器。其中全光纖的光子燈籠由于其損耗低、串擾小以及優(yōu)異的抗電磁干擾性能，成為了最受歡迎的模式復用和解復用器。

  1、 光子燈籠的原理

  光子燈籠的實(shí)現是基于少模光纖的模式復用技術(shù)，以少模光纖中幾個(gè)相互獨立的正交模式作為獨立的信道來(lái)成倍的提升光纖的通信容量，少模光纖不同模式傳遞信息如圖1所示。此外，少模光纖與單模光纖相比，模場(chǎng)面積更大，因此非線(xiàn)性效應的容限也會(huì )相對提高。這樣既提高了傳輸容量，又提高了香農極限，從而極大的提升了整個(gè)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

  以拉錐型三模選模光子燈籠為例闡述模式復用技術(shù)：三模選模光子燈籠將三根單模光纖緊密對稱(chēng)的分布在折射率略低于光纖包層的玻璃套管里，然后對整個(gè)套管進(jìn)行拉錐處理，拉錐過(guò)程中單模光纖纖芯直徑逐漸減小，以至于激光大部分從纖芯泄漏到包層，纖芯與原有包層成為無(wú)效波導結構。同時(shí)，每根光纖的原有包層也和鄰近光纖的原有包層進(jìn)行熔合，逐漸形成新的導光纖芯，外層玻璃套管在拉錐的過(guò)程中變?yōu)樾碌陌鼘?，整體結構形成新的纖芯/包層波導。光子燈籠的拉錐末端同少模光纖相連接，實(shí)現了多個(gè)基模向高階模的轉換，達到模式復用的效果。三模選模光子燈籠的有效折射率及模式演變如圖2所示。

  圖2 三模選模光子燈籠示意圖、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字光子燈籠、多芯光纖光子燈籠和光纖簇光子燈籠三大類(lèi)，前兩類(lèi)在單獨的波導輸入或輸出及與標準單模光纖連接時(shí)需要引入額外的設備或者增加光學(xué)接口，技術(shù)復雜并可能引起附加損耗。

  光纖簇光子燈籠的基本結構是將單模光纖簇嵌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模式的數量，單模光纖最理想的數目和排布都是唯一確定的。無(wú)損光子燈籠設計的目標為單模光纖簇經(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。當纖芯孤立或者弱耦合時(shí)，其超?；虺５慕M合將與最終的少模波導結構相似(耦合模式的場(chǎng)分布可以被看作是孤立模式的疊加，也被稱(chēng)為超模)。

  長(cháng)飛光纖光纜股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(cháng)飛公司)與北京郵電大學(xué)光研院伍劍教授團隊合作，在自有的光纖處理平臺上，優(yōu)化了拉錐工藝，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首款國產(chǎn)化成品光纖簇光子燈籠(圖3)。在該項研究的基礎上，成功申報了國家自然科學(xué)基金項目《面向弱耦合模分復用通信系統的全光纖型模式選擇復用/解復用器的理論與實(shí)驗研究》(項目批準號：61875019)。

  圖3 光纖處理平臺與三模選模光子燈籠制作示意圖

  圖4展示了我們制作的三模選模光子燈籠的輸入輸出模式，以及不同模式之間的串擾情況。圖5展示了該光子燈籠在1530nm~1600nm的插入損耗測試結果，均在5dB以下。

  圖4三模選模光子燈籠顯微端面與輸入輸出示意圖

  圖5 三模選模光子燈籠1530nm~1600nm損耗

  長(cháng)飛公司與北京郵電大學(xué)合作制作的光纖簇光子燈籠作為一種全光纖結構的器件，具有低損耗、低模間串擾的優(yōu)點(diǎn)(表1為該產(chǎn)品的技術(shù)指標)。該技術(shù)及產(chǎn)品達到國際先進(jìn)水平，已成功應用于空分復用系統。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、更寬帶寬的器件系統，為光通信的技術(shù)發(fā)展提供有力支持。