新型光纖通信器件之光子燈籠

  ICCSZ訊 隨著社會(huì)信息化程度的逐漸提高，信息數(shù)據(jù)流量自2000年以來(lái)，呈現(xiàn)出飛速上漲的勢(shì)頭，10年的增長(zhǎng)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(tǒng)的非線性香農(nóng)極限。為了突破該種限制，國(guó)內(nèi)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(fù)用技術(shù)被認(rèn)為是最具實(shí)用化的解決手段。模分復(fù)用技術(shù)是利用少模或多模光纖中不同模式之間的正交性，增加信息傳輸通道數(shù)來(lái)提高信息傳輸容量。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)行分離來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的收發(fā)，關(guān)鍵的器件之一就是模式復(fù)用及解復(fù)用器。其中全光纖的光子燈籠由于其損耗低、串?dāng)_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(fù)用和解復(fù)用器。

  1、 光子燈籠的原理

  光子燈籠的實(shí)現(xiàn)是基于少模光纖的模式復(fù)用技術(shù)，以少模光纖中幾個(gè)相互獨(dú)立的正交模式作為獨(dú)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，因此非線性效應(yīng)的容限也會(huì)相對(duì)提高。這樣既提高了傳輸容量，又提高了香農(nóng)極限，從而極大的提升了整個(gè)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

  以拉錐型三模選模光子燈籠為例闡述模式復(fù)用技術(shù)：三模選模光子燈籠將三根單模光纖緊密對(duì)稱的分布在折射率略低于光纖包層的玻璃套管里，然后對(duì)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(dǎo)結(jié)構(gòu)。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(dǎo)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(jié)構(gòu)形成新的纖芯/包層波導(dǎo)。光子燈籠的拉錐末端同少模光纖相連接，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)基模向高階模的轉(zhuǎn)換，達(dá)到模式復(fù)用的效果。三模選模光子燈籠的有效折射率及模式演變?nèi)鐖D2所示。

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

  光纖簇光子燈籠的基本結(jié)構(gòu)是將單模光纖簇嵌入低折射率毛細(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)量取決于所需模式的數(shù)量，單模光纖最理想的數(shù)目和排布都是唯一確定的。無(wú)損光子燈籠設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(dāng)纖芯孤立或者弱耦合時(shí)，其超模或超模的組合將與最終的少模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相似(耦合模式的場(chǎng)分布可以被看作是孤立模式的疊加，也被稱為超模)。

  長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)飛公司)與北京郵電大學(xué)光研院伍劍教授團(tuán)隊(duì)合作，在自有的光纖處理平臺(tái)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(xì)管，用絕熱拉錐工藝制作出了首款國(guó)產(chǎn)化成品光纖簇光子燈籠(圖3)。在該項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，成功申報(bào)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《面向弱耦合模分復(fù)用通信系統(tǒng)的全光纖型模式選擇復(fù)用/解復(fù)用器的理論與實(shí)驗(yàn)研究》(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：61875019)。

  圖3 光纖處理平臺(tái)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?dāng)_情況。圖5展示了該光子燈籠在1530nm~1600nm的插入損耗測(cè)試結(jié)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)的器件，具有低損耗、低模間串?dāng)_的優(yōu)點(diǎn)(表1為該產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo))。該技術(shù)及產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，已成功應(yīng)用于空分復(fù)用系統(tǒng)。未來(lái)，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、更寬帶寬的器件系統(tǒng)，為光通信的技術(shù)發(fā)展提供有力支持。