一种低损耗环芯少模复用器
阅读说明：本技术 一种低损耗环芯少模复用器 (Low-loss ring core few-mode multiplexer ) 是由 郑宏军 刘阳 董秋焕 黎昕 白成林 胡卫生 李严蕾 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种低损耗环芯少模(解)复用器；采用纯二氧化硅材料环芯信道,有效降低损耗；采用大折射率差,有效降低模式串扰；实现了环芯少模(解)复用器的三模式复用和解复用运作。(The invention provides a low-loss ring core few-mode (de) multiplexer; a pure silicon dioxide material ring core channel is adopted, so that the loss is effectively reduced; the mode crosstalk is effectively reduced by adopting large refractive index difference; the three-mode multiplexing and demultiplexing operation of the ring-core few-mode (demultiplexing) multiplexer is realized.)
技术领域
本发明涉及一种低损耗环芯少模（解）复用器，可应用于光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域。
背景技术
近年来，各种通信业务流量指数增长，单模光纤通信受到了前所未有的挑战。光纤通信业界围绕空分复用（包括芯式复用和模分复用及其结合）这一物理维度对通信网络传输容量实现了突破；空分复用中的多芯光纤和少模光纤及其相关器件和应用研究成为前沿研究热点[Guifang Li, Neng Bai, and Ningbo Zhao and Cen Xia, Space-divisionmultiplexing: the next frontier in optical communication. Advances in Optics& Photonics, 2014, 6(4): 5041-5046；Guifang Li, Magnus Karlsson, Xiang Liu,and Yves Quiquempois, Focus issue introduction: space-division multiplexing,Opt. Express 2014, 22, 32526-32527; He Wen, Hongjun Zheng et al. Few-modefibre-optic microwave photonic links [J]. Light: Science and Applications2017, 6, 8; 郑宏军，黎昕，白成林，啁啾脉冲在光纤中的传输，北京：科学出版社，2018，1-184；董秋焕，刘阳，郑宏军黎昕，白成林，胡卫生等，模分复用系统中少模复用（解复用）技术研究[J].聊城大学学报(自然科学版)，2020，33(2): 50-67；王潇，郑宏军*（通讯作者），黎昕，刘阳，于如愿，白成林，胡卫生，模分复用系统中的少模光纤研究新进展，聊城大学学报（自然科学版）, 2019.4，32(2): 69-79]；一种环芯少模光纤也得到了大家的关注；环芯少模光纤仅支持单径向模式，具有较大的模式间折射率差 [Yongmin Jung, Qiongyue Kang,Hongyan Zhou, Rui Zhang, Su Chen, Honghai Wang, Yucheng Yang, Xianqing Jin,Frank P. Payne, Shaif-ul Alam, and David J. Richardson, "Low-Loss 25.3 kmFew-Mode Ring-Core Fiber for Mode-Division Multiplexed Transmission," J.Lightwave Technol. 35, 1363-1368 (2017)]；少模光纤不同模式下的有效折射率差（ERID）大于0.5x10-3可以避免模式耦合(Pierre Sillard et al. Few-Mode Fibers forSpace-Division Multiplexed Transmissions[J], European Conference & Exhibitionon Optical Communication, 2013. 03 (A1): 1-3; Roland Ryf. Switching andMultiplexing Technologies for Mode-Division Multiplexed Networks, OpticalFiber Communication Conference＆Exposition, 2017, Tu2c)；纯二氧化硅纤芯可以有效地减少光纤衰减和熔接损耗，目前大都应用于单模光纤(T. Hasegawa et al. 2016.Advances in ultra-low loss silica fibers[J]. Frontiers in Optics, paperFTu2B.2; S. Ten. 2016. Ultra Low-loss Optical Fiber Technology[J]. OpticalFiber Communication Conference, paper Th4E.5; Yoshiaki Tamura. 2018. Ultra-low loss silica core fiber for long haul transmission [J]. Optical FiberCommunication Conference, paper M4B.1)。基于少模光纤的模分复用研究成为近年来的研究热点之一；少模模分复用器成为模分复用传输的关键器件之一，其研究得到了大家的广泛关注。耦合模理论[John D. Love and Nicolas Riesen, "Mode-selective couplersfor few-mode optical fiber networks," Opt. Lett. 37, 3990-3992 (2012)]和光束传播方法（BPM）的数值模拟[John D. Love and Nicolas Riesen, "Mode-selectivecouplers for few-mode optical fiber networks," Opt. Lett. 37, 3990-3992(2012)；T. Joseph and J. John, “Two-core fiber based mode converter and modedemultiplexer,” Journal of Optic Society of America B, vol. 36, no.8, pp.1987–1994, Aug. 2019；T. Joseph and J. John, “ Thermally expanded multicore-fiber-based mode multiplexer/demultiplexer ,” Journal of Optic Society ofAmerica B, vol. 36, no.12, pp. 3499–3504, Dec. 2019]都与使用定向耦合方法的纤芯间模式复用器和解复用器实验演示一致[H. Uemura, Y. Sasaki, S. Nishimoto, T.Uematsu, K. Takenaga,K. Omichi, R. Goto, S. Matsuo, K. Saitoh, “Modemultiplexer/demultiplexer based on a partially elongated multi-core fiber,"in proceedings of optical fiber communication conference 2014, paper. Tu3D；S.Gross, N. Riesen, J. D. Love, and M. J. Withford, “Three-dimensional ultra-
broadband integrated tapered mode multiplexers", Laser & PhotonicsReviews, vol. 8, no. 5, pp. L81–L85, Sep. 2014]。这些两芯、三芯模式选择耦合器（MSCs）的模式复用和解复用都采用了定向耦合方法。研究表明，采用定向耦合方法进行模式复用和解复用是可行的。
综上，我们将纯二氧化硅纤芯、环芯折射率分布少模光纤的概念有机融合，采用定向耦合方法，提出了一种新型的少模（解）复用器，有望解决目前少模光纤传输的研究挑战，有重要的学术价值和应用价值，研究意义重大、应用前景广阔。
发明内容
在国家自然科学基金 (编号61671227和61431009）、山东省自然科学基金（ZR2011FM015）、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本发明提出了一种低损耗环芯少模复用器，采用所提出的一种环形芯主传输信道，旁边两个耦合信道采用单模信道；根据光的可逆原理，该复用器逆向使用，则起到解复用作用。该（解）复用器融合了纯二氧化硅纤芯、环芯折射率分布少模纤芯的优点，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出了一种低损耗环芯少模复用器；其特征在于：少模环芯信道FMF是少模（解）复用器的主传输信道；单模纤芯SMF1和SMF2作为耦合信道，分别放置在X和Y轴上；模式LP01分别从FMF、SMF2和SMF1左端入射，沿着Z方向传输耦合复用；LP11a和LP11b将分别从SMF2和SMF1耦合到FMF中，实现3个模式的模分复用；若3个模式均从FMF入射，LP11a和LP11b分别从FMF耦合到SMF2和SMF1中，则实现3个模式的模式解复用；根据各模的耦合长度与信道间距的关系，FMF和SMF1的初始中心到中心的信道间距为14μm，信道外周间距为4μm；FMF和SMF2之间的距离与前者相同；每个信道的长度为2640μm；少模（解）复用器主传输信道情况如下，r<1.5μm时纤芯采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；1.5μm≤r≤5μm时纤芯采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；r>5μm时光纤包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；单模耦合信道半径为r=5μm；在整个C波段，环芯少模（解）复用器主传输信道的两模式本征损耗较小，均小于0.156 dB/km；采用纯二氧化硅材料环芯传输信道，有效降低损耗；采用大折射率差，有效降低模式串扰，进一步提高少模（解）复用器性能。
本发明的有益效果如下：
1.采用纯二氧化硅材料环芯传输信道，有效降低损耗；
2.采用模式间大折射率差，有效降低模式串扰；
3.该光纤融合了纯二氧化硅信道、环芯信道的优点，从而进一步提高少模（解）复用器性能，为光纤光学、光纤通信、光纤无线接入和光学信息处理、新一代信息技术等领域的深入研究提供了重要支持。
附图说明
图1是一种低损耗环芯少模（解）复用器结构示意图
图2是少模（解）复用器主传输信道的环芯折射率分布图。
图3是一种低损耗环芯少模（解）复用器主传输信道的两模式本征损耗图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不限于此。
实施例1
图1是一种低损耗环芯少模（解）复用器结构示意图。将(解)复用器相同模式组的两个模式信道分别在XZ和YZ平面，相同模式组的两个模式信道与主信道组成三维定向耦合式复用器和解复用器。少模环芯信道FMF是模分复用器和解复用器的主传输信道，单模耦合信道SMF1和SMF2分别放置在X和Y轴上；模式LP01分别从FMF、SMF2和SMF1左端入射，沿着Z方向传输耦合复用；LP11a和LP11b将分别从SMF2和SMF1耦合到FMF中，实现3个模式的模分复用。若3个模式均从FMF入射，LP11a和LP11b分别从FMF耦合到SMF2和SMF1中，则实现3个模式的模式解复用。根据各模的耦合长度与信道间距的关系，FMF和SMF1的初始中心到中心的信道间距为14μm，信道外周间距为4μm，FMF和SMF2之间的距离与前者相同。每个信道的长度为2640μm。
图2是少模（解）复用器主传输信道的环芯折射率分布图；图2可以看出，r<1.5μm时信道采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；1.5μm≤r≤5μm时采用纯二氧化硅材料，折射率为1.4440；r>5μm时包层采用掺氟二氧化硅材料，折射率为1.4350；采用纯二氧化硅材料环芯信道，有效降低信道损耗。两个单模耦合信道半径都为r=5μm。
图3是一种低损耗环芯少模（解）复用器主传输信道的两模式本征损耗图，可以看出，其本征损耗在波长为1.54 μm时达到最低值，此时LP01模式与LP11模式的本征损耗分别为0.149dB/km和0.151dB/km；当波长小于1.54 μm时，两模式的本征损耗随波长变小而增大；当波长大于1.54 μm时，两模式的本征损耗随波长变大而增大；在整个C波段，两模式的本征损耗较小，均小于0.156 dB/km。
总之，所提出的光纤实现了低损耗、低串扰环芯两模式运作。应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议地得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。
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