一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器及传输方法技术

本发明专利技术公开了一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器及传输方法。本发明专利技术复用/解复用器结构包括多个纤芯，其中传输不同LP模式的纤芯粗细不同，同一模式组内的简并模采用相同纤芯；纤芯排布截面呈轴对称，激发圆对称模式的纤芯在对称轴上，激发非圆对称模式的纤芯对称排布在轴两侧；纤芯按同心圆环排布，激发LP

A kind of multiplexer / demultiplexer and its transmission method for degenerate module of photon lantern type

【技术实现步骤摘要】
一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器及传输方法
本专利技术涉及光纤型无源器件设计技术及应用领域，特别涉及一种弱耦合光子灯笼简并模式组复用及解复用器的设计和应用。
技术介绍
为解决单模光纤通信系统带宽紧缺的问题，模分复用光传输方案得到广泛的研究。其利用少模/多模光纤中正交的模式作为独立信道进行传输，因而可以极大的增加光通信系统的频谱效率。在长距离模分复用系统中，由于模式间的强相互串扰，总是需要对所有模式同时使用多入多出数字信号处理技术来进行信道均衡。对于例如数据中心等短距离传输的场景下，可以使用弱耦合模分复用方案。由于不同模式组之间的可通过光纤纤芯折射率剖面进行抑制，强串扰仅仅发生在同一模式组的不同简并模式中，因此可以将同一模式组内的简并模式作为同一个传输信道进行传输，从而大大降低软硬件成本。满足弱导近似的光纤(纤芯和包层的折射率差很小)的模式可以用线性偏振模式(LinearPolarization,LP)表征。对于普通圆对称纤芯的少模光纤来说，根据模式的空间分布可分为圆对称LP0q(q＝1,2,3,…)模式与非圆对称LPpq(p＝1,2,…；q＝1,2,3,…)模式。圆对称模式本身即为一个模式组。所有非圆对称的模式包含LPpqa和LPpqb两个简并模式，这两个简并模式的有效折射率差极小，往往被归为一个模式组，称为LPpq简并模式组。在少模光纤中激励出一个模式需要使用模式复用器，其将单模光纤中的基模LP01模式转化为少模光纤中的某一个特定模式。在弱耦合少模光纤模式组复用系统中，需要有效抑制不同LP模式间的串扰以保证足够的信噪比。因而在系统的发射端，需要高选择性模式复用器激发出纯净的LP模式。由于光纤几何结构缺陷、光纤的弯曲以及温度变化等微扰，简并模式组中的模式会发生随机强串扰。对于接收端来说等效于会同时收到LPpqa和LPpqb两个简并模式，即LPpq简并模式组。由于串扰的随机性，两个简并模式的功率会有随机的浮动。普通的模式解复用器一般是将复用器反过来使用，只能解复用LPpqa和LPpqb两个简并模式中的一个。因此在接收端需要能够同时选择性接收LPpqa和LPpqb两个简并模式的简并模式组解复用器。模式选择性光子灯笼是一种新型的模式复用/解复用器，较比于其他类型的模式复用/解复用器具有低插入损耗，宽工作带宽及易于实现模式数扩展等优势。其加工可由将多根单模光纤或多芯光纤插入低折射率套管(如掺氟二氧化硅)中熔融拉锥及在硅酸盐玻璃上使用飞秒激光直写波导两种方案实现，与光纤合束器及直写多芯扇入扇出工艺相兼容。光子灯笼通过使用具有不同纤芯的单模光纤作为输入光纤获得模式选择性。但目前已报道的光子灯笼的模式选择性及支持的模式数目尚不够高，难以应用到弱耦合场景。现有几种方案可提高光子灯笼模式复用/解复用器的模式选择性。现有方案一：通过增加耦合锥区的长度来提高模式选择性。增加耦合区长度能更好地满足平滑转换的绝热近似条件，对于不同类型的光子灯笼均适用，普适性强。缺点是增加耦合锥区的长度极大地增加了加工难度，且体积大，无法大规模生产。现有方案二：通过优化单模纤芯的几何位置来提高模式选择性。该方案需要通过参数扫描的方法进行位置参数优化，所需算力要求大，耗时长，且计算复杂度会随着模式的数目急剧增长，难以适用于更多模式的场景。且在实际生产中单模纤芯的几何位置也难以控制，不易于实用化生产。现有方案三：通过循环遍历优化单模纤芯的排布。该方法需要对各种纤芯排布方案进行循环计算，虽然可以找到优化的排布方案，但同样面临计算复杂度随纤芯数目急剧增加的问题，难以适用于更多模式的场景。模式光子灯笼作为模式解复用器时，只能够将不同空间模式解复用到不同的输出单模光纤中，同一简并模式组中的两个空间模式将解复用到两根输出单模光纤中，因而单独使用一个光子灯笼作为解复用器无法在不使用数字信号处理的前提下解决简并模式组的同时接收问题。需要对简并模式组输出端口级联合束器进行功率收集。现有方案：使用另一个少模模式选择性光子灯笼进行功率收集。该方案需要对每一组简并模式组均生产一个少模模式选择性光子灯笼作为合束器，极大提高了加工成本。其次由于高速光电探测器接收光的面积较小，少模光子灯笼的输出尾纤为少模光纤，数值孔径大致使与光电探测器的耦合效率低。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种高选择性弱耦合光子灯笼简并模式组复用/解复用器及其传输方法。本专利技术采用的方案是使用差分注入及设计的纤芯排布实现高选择性弱耦合光子灯笼模式复用器，采用设计的纤芯排布及级联两模非选择性光子灯笼实现弱耦合光子灯笼简并模式组解复用器。设计的支持4、6及9个LP模式的弱耦合光子灯笼纤芯排布方式如图1所示。对于不同的LP模式采用不同粗细的纤芯，而对于同一模式组内的简并模采用相同纤芯。纤芯排布呈中轴对称，圆对称模式的纤芯在对称轴上(如图1中LP01与LP02模式)，而非圆对称模式的纤芯对称排布在轴两侧(如图1中LP11与LP21模式)。光纤纤芯按同心圆环排布，LPpq模式的纤芯位于从外到内的第q个环上，环的数目由最大的q决定。每一环上从中轴上的纤芯(对应于圆对称模式)开始两侧纤芯依次变细，同一环上第n粗的纤芯与该环上具有第n大有效折射率的LP模式相对应。每个环上的纤芯均需满足这种相对粗细和排列分布，具体纤芯尺寸可由仿真软件通过参数优化计算得到。本专利技术设计的光子灯笼复用器及简并模式组解复用器均采用该种纤芯排布。高选择性弱耦合光子灯笼模式复用器如图2所示，复用采用双端口差分注入的方案以从注入方法实现高的模式选择性，即激发圆对称模式时，直接从对应的单根光纤注入，而激发非圆对称模式时，从左右对称的两个相同的输入光纤(如端口1与端口2，在该设计的纤芯排布下，每个非圆对称模式总是与左右两根相同的纤芯对应)同时输入等功率反相位的光场，经过耦合锥区，将转换成纯净的LP11模式从光子灯笼的输出端(端口3)输出，其它非圆对称模式也均通过在相应位置的两个对称输入端口采用差分注入的方式激发产生。该注入方法可以有效地提高模式选择性。高选择性弱耦合光子灯笼简并模式组解复用器如图3所示。不存在空间简并性的圆对称模式将直接解复用到与该模式相应的单根单模光纤中输出。简并模式组解复用通过两步来实现。首先待解复用的LPpq简并模式组从高选择性弱耦合光子灯笼输入端口(端口4，即少模尾纤一端)输入以进行解复用，经过耦合锥区转换到与该模式相应的两根相同单模光纤的基模中(不同模式将解复用到不同的光纤中)，然后两根相同输出光纤与一两模非选择性光子灯笼相连完成光束合路，合路后光场从输出端(如端口5，其余输出口也是输出端口，不同输出端口对应不同的模式)输出。实际应用中，将该复用器置于发射端可激发出不同的纯净的LP简并模式组，将解复用器置于接收端可实现高选择性的简并模式组的解复用。光子灯笼的单模光纤数目应与LP空间模式的数目相等，为实现LP模式选择性，对于不同的LP模式采用不同粗细的纤芯，而对于同一模式组内的简并模采用相同纤芯。光纤纤芯按同心圆环排布是为了激发出纯净的圆纤芯少模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，包括多个纤芯，其中传输不同LP模式的纤芯粗细不同，同一模式组内的简并模采用相同纤芯；纤芯排布截面呈轴对称，激发圆对称模式的纤芯在对称轴上，激发非圆对称模式的纤芯对称排布在轴两侧；纤芯按同心圆环排布，激发LP

【技术特征摘要】
1.一种光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，包括多个纤芯，其中传输不同LP模式的纤芯粗细不同，同一模式组内的简并模采用相同纤芯；纤芯排布截面呈轴对称，激发圆对称模式的纤芯在对称轴上，激发非圆对称模式的纤芯对称排布在轴两侧；纤芯按同心圆环排布，激发LPpq模式的纤芯位于从外到内的第q个环上，每一环上从位于对称轴上的纤芯开始两侧纤芯依次变细方式排列；排布后的所述纤芯一端通过熔融拉锥形成复用/解复用器的锥形耦合区。


2.如权利要求1所述的光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，所述锥形耦合区的末端为少模光纤结构。


3.如权利要求1所述的光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，所述锥形耦合区与一少模光纤连接。


4.如权利要求1或2或3所述的光子灯笼型简并模组复用/解复用器，其特征在于，同一环上第n粗的纤芯与该环上具有第n大有效折射率的LP模式相对应。


5.一种基于权利要求1所述光子灯笼型简并模组复用器的传输方法，其特征在于，激发圆对称模式时，从对应的单根光纤注入圆对称模式光，然后经锥形耦合区输出；激发非圆对称模式时，从对称...

【专利技术属性】
技术研发人员：李巨浩，崔健，高宇洋，何永琪，
申请(专利权)人：北京大学，北京大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11