新型光纖通信器件之光子燈籠

  ICC訊 隨著社會(huì)信息化程度的逐漸提高，自2000年以來，信息數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)出飛速上漲的趨勢(shì)，10年內(nèi)其增長(zhǎng)速度超過了100倍，逐步逼近傳統(tǒng)單模光纖通信系統(tǒng)的非線性香農(nóng)極限。為了突破容量限制，國(guó)內(nèi)外研究者提出了多種解決方案，其中利用光信號(hào)空間維度的模分復(fù)用技術(shù)被認(rèn)為是最優(yōu)解決方案。模分復(fù)用是利用少模或多模光纖中不同模式之間的正交性，增加信息傳輸并行通道數(shù)，最終導(dǎo)致信息傳輸容量提高的一種技術(shù)。具體表現(xiàn)為在發(fā)射端將多路不同信號(hào)加載在不同的模式上，在接收端進(jìn)行模式分離實(shí)現(xiàn)多路信息的接收，其中所用關(guān)鍵的器件之一就是模式復(fù)用及解復(fù)用器。全光纖型光子燈籠因?yàn)榫哂袚p耗低、串?dāng)_小、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為最受歡迎的模式復(fù)用和解復(fù)用器。

  1、 光子燈籠的工作原理

  基于少模光纖的模分復(fù)用技術(shù)，是以少模光纖中幾個(gè)相互獨(dú)立的正交模式作為獨(dú)立信道來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，因此非線性效應(yīng)的容限也會(huì)相應(yīng)提高。因此既可以依靠模式并行傳輸來提高傳輸容量，又提高了單信道的非線性香農(nóng)極限，從而極大地提升光纖通信系統(tǒng)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(fù)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(nèi)，然后進(jìn)行絕熱拉錐，在拉錐過程中，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(nèi)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(jié)構(gòu)，完全失去對(duì)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，稱為光子燈籠的尾纖。在整個(gè)拉錐過程中，輸入光纖中的基模，也逐漸過渡為少模尾纖中的各階模式。在模分復(fù)用系統(tǒng)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(tǒng)的少模光纖進(jìn)行熔接，從而把每根單模光纖中傳輸?shù)幕?，轉(zhuǎn)換為少模光纖中對(duì)應(yīng)的各階模式，實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換和復(fù)用。模式選擇性三模光子燈籠的結(jié)構(gòu)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、有效折射率曲線及模式演變圖

  2、光子燈籠的制備

  目前為止，已報(bào)道的光子燈籠主要有超快激光刻寫光子燈籠和熔融拉錐型光子燈籠兩類，前者在波導(dǎo)輸入或輸出及與標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜并可能帶來附加插入損耗。熔融拉錐型光子燈籠的基本結(jié)構(gòu)是將單模光纖束插入低折射率毛細(xì)管中進(jìn)行熔融拉錐，在錐區(qū)尖端形成類似少模光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)每個(gè)光子燈籠而言，光纖數(shù)量取決于所需復(fù)用的模式數(shù)量，單模光纖的數(shù)目和理想排布都是理論確定的。低插入損耗光子燈籠設(shè)計(jì)的目標(biāo)為單模光纖束經(jīng)過拉錐后，其最終尺寸需要與相熔接的少模光纖纖芯尺寸相近。  

  長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱：長(zhǎng)飛公司)與華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院付松年教授團(tuán)隊(duì)緊密合作，在現(xiàn)有光纖拉錐處理平臺(tái)上，以自產(chǎn)的特種光纖與低折射率毛細(xì)管，用絕熱拉錐工藝制作出了國(guó)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(tuán)隊(duì)近年來一直從事模分復(fù)用器件相關(guān)研究，提出基于功率轉(zhuǎn)移矩陣的光子燈籠性能測(cè)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(shù)測(cè)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“寬帶通信和新型網(wǎng)絡(luò)”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目《基于新波段、新光纖、新放大的高速光傳輸技術(shù)及系統(tǒng)驗(yàn)證》，承擔(dān)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(shè)計(jì)(Optics Express,vol.27,no.20,2019)，論文入選當(dāng)期主編推薦獎(jiǎng)(Editors’Pick)。

  圖3 光纖處理平臺(tái)與三模選模光子燈籠制作示意圖

  長(zhǎng)飛公司與華中科技大學(xué)合作設(shè)計(jì)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?dāng)_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(biāo)。該技術(shù)及產(chǎn)品可應(yīng)用于模分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)。未來，長(zhǎng)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(tái)，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(biāo)