一种高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器制造技术

本发明专利技术提出了一种高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，包括抛磨法制作的宽带模式选择耦合器，宽带模式选择耦合器将少模光纤和单模光纤耦合，少模光纤的芯包折射率差Δ满足公式Δ＝b*sqrt(exp(

【技术实现步骤摘要】
一种高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器


[0001]本专利技术涉及光纤通信领域的一种模式选择耦合器(MSC)，尤其涉及使用该模式选择耦合器的光纤耦合方法，以及具有多个模式选择耦合器级联结构的模式复用器。

技术介绍

[0002]为了便于理解，本专利技术涉及的专业术语如下：
[0003]SMF：单模光纤(Single Mode Fiber)。
[0004]FMF：少模光纤(Few Mode Fiber)。
[0005]MSC：模式选择耦合器(Mode Selective Coupler)。
[0006]MDM：模分复用(Mode Division Multiplexing)。
[0007]SDM:空分复用(Space Division Multiplexing)。
[0008]QAM:正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation)。
[0009]QPSK:正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying)。
[0010]MIMO:多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Out
‑
put)。
[0011]香农极限(Shannon limit)：通信信道的香农极限或香农容量(Shannon capacity)是针对特定噪声水平的信道的理论最大信息传输速率。著名的香农定理用公式给出:C＝B
×
log2(1+S/N)，其中C是可得到的链路速度(信道容量)，B是链路的带宽，S是平均信号功率，N是平均噪声功率，信噪比(S/N)通常用分贝(dB)表示，分贝数＝10
×
lg(S/N)。
[0012]从光纤通信容量发展趋势来看，基于目前广泛采用的波分复用(WDM)及各种高级调制技术(QAM、QPSK等)，现有光纤通信系统已经逼近并很快将达到标准单模光纤(SMF)传输容量的香农极限。5G(第5代移动通信)使用的低频频段，主要是通过多输入与多输出技术(MIMO)，非正交复用技术(NOMA)来提升信道的容量。到了6G阶段，由于5G技术已经逼近“香农极限”，所以会采取提升信道带宽的方式，而信道的带宽核心在于“信息承载的媒质—光纤材料”。5G传输的数据爆炸式增长，6G面临许多新的传输难题，如何突破传输容量瓶颈已迫在眉睫。
[0013]少模光纤是一种能够具有几个不同的空间模式并行传输的光纤。一般情况下，少模光纤的容量与模式的数量成正比。少模光纤可用于同时在几个模式上发送信息，从而进一步拓展光纤传输容量的空分复用技术，采用少模光纤进行模式复用通信，模式复用器是模分通信链路中的关键器件。然而实际上模式复用器的模式选择耦合器在对少模光纤进行模式激发时会产生耦合比过低、模式纯度不理想、损耗过高、目标模式对非目标模式串扰过高和复用的模式不具有支持较高通信容量的能力等难题，且模式选择耦合器的制作难度大，性能不稳定，迫切需要解决这些技术难题。
[0014]为此，中国科学家们开展了大量的研究。中国专利CN107942443A提出了一种低损耗低串扰渐变折射率分布三模式复用器，该模复用器仅局限于三模光纤，具有较少的工作模式和较低的信息传输能力，模式串扰大，不适合大容量传输的应用。
[0015]中国专利CN112505829A提出了一种模式选择耦合器设计方法，该方法仅可以完成
单个模式的激发，未能实现多个模式的复用，不能满足应用要求。
[0016]韩国专利KR102080301提出了一种包含多个模式选择耦合器级联的模式复用器，但未提供实现模式复用性能的模式选择耦合器和光纤的参数，且石英基板槽型模式选择耦合器制作较为复杂，不便于实际制备与应用。
[0017]综上所述，现有报道的专利技术专利不能够很好地解决大容量模式复用光纤通信系统领域模式复用传输技术对少模光纤模式复用器的技术需求，本专利技术为解决下一代光纤通信系统模式复用技术的实用化重大需求，提出了一种高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器。

技术实现思路

[0018]本专利技术的目的是解决少模光纤的模式复用问题，通过将单模光纤的LP
01
模式的能量转移到少模光纤中高阶模的模式中实现对少模光纤模式的激发，实现多个模式在少模光纤中的传输，以实现模式复用来增大信息的传输能力。
[0019]本专利技术的技术方案：
[0020]一种高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，包括抛磨法制作的宽带模式选择耦合器，宽带模式选择耦合器将少模光纤和单模光纤耦合，少模光纤的芯包折射率差Δ满足公式Δ＝b*sqrt(exp(
‑
c*(r/d)^e))，其中b∈[0.004,0.008]，c∈[0.02,0.10]，d∈[8,16]，e∈[6,14]。在宽带模式选择耦合器中的少模光纤的横截面磨为D形，进行模式复用的渐变折射率分布的少模光纤相较阶跃折射率光纤，有着更加集中的模场分布，以在相同纤芯大小下获得现更大的磨抛深度，实现更高的耦合效率。
[0021]少模光纤模式复用器中单模光纤纤芯在1550nm处的有效折射率处于1.44445
‑
1.45375之间；进行模式复用的少模光纤的纤芯半径为8.0
‑
15.0μm；光纤研磨之后的包层到纤芯边缘的剩余厚度x定义为光纤包层半径R与纤芯半径r和研磨部分厚度a之差(x＝R
‑
r
‑
a)，范围为0.5
‑
7.0μm将多个宽带模式选择耦合器串联，模式选择耦合器的输出端接入下一个模式选择耦合器的输入端少模光纤
[0022]每个模式选择耦合器的耦合长度为2000
‑
7000μm；该模式复用器在C波段可以实现6个不同模式的稳定传输，LP
01
、LP
11
、LP
21
、LP
02
、LP
31
和LP
12
，6个模式的单模光纤的锥区直径在70
‑
125μm范围之间；6个模式的耦合比均高于80％，损耗最大不超过1.2dB，模式纯度大于88％，且在1550nm处，模式选择耦合器少模端输出目标模式对非目标模式串扰均小于
‑
22.6dB。
[0023]模式选择耦合器中用到的单模光纤1550nm波长处的有效折射率为1.44445
‑
1.45375之间，模式选择耦合器中通过使用渐变折射率少模光纤降低光纤磨抛后剩余的厚度，光纤研磨之后的包层到纤芯边缘的剩余厚度x定义为光纤包层半径R与纤芯半径r和研磨部分厚度a之差(x＝R
‑
r
‑
a)，范围为0.5
‑
7.0μm。
[0024]模式选择耦合器中进行复用的少模光纤纤芯半径为8.0
‑
15.0μm；在1530
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，包括抛磨法制作的宽带模式选择耦合器，其特征在于：宽带模式选择耦合器将少模光纤和单模光纤耦合，少模光纤的芯包折射率差Δ满足公式Δ＝b*sqrt(exp(
‑
c*(r/d)^e))，其中b∈[0.004,0.008]，c∈[0.02,0.10]，d∈[8,16]，e∈[6,14]，在宽带模式选择耦合器中的少模光纤的横截面磨为D形。2.根据权利要求1所述高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，其特征在于：少模光纤模式复用器中单模光纤纤芯在1550nm处的有效折射率处于1.44445
‑
1.45375之间；进行模式复用的少模光纤的纤芯半径为8.0
‑
15.0μm；光纤研磨之后的包层到纤芯边缘的剩余厚度x定义为光纤包层半径R与纤芯半径r和研磨部分厚度a之差(x＝R
‑
r
‑
a)，范围为0.5
‑
7.0μm。3.根据权利要求2所述高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，其特征在于：将多个宽带模式选择耦合器串联，模式选择耦合器的输出端接入下一个模式选择耦合器的输入端少模光纤。4.根据权利要求3所述高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，其特征在于：每个模式选择耦合器的耦合长度为2000
‑
7000μm；该模式复用器在C波段可以实现6个不同模式的稳定传输，LP
01
、LP
11
、LP
21
、LP
02
、LP
31
和LP
12
，6个模式的单模光纤的锥区直径在70
‑
125μm范围之间；6个模式的耦合比均高于80％，损耗最大不超过1.2dB，模式纯度大于88％，且在1550nm处，模式选择耦合器少模端输出目标模式对非目标模式串扰均小于
‑
22.6dB。5.根据权利要求3所述高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，其特征在于：模式选择耦合器中用到的单模光纤1550nm波长处的有效折射率为1.44445
‑
1.45375之间，模式选择耦合器中通过使用渐变折射率少模光纤降低光纤磨抛后剩余的厚度，光纤研磨之后的包层到纤芯边缘的剩余厚度x定义为光纤包层半径R与纤芯半径r和研磨部分厚度a之差(x＝R
‑
r
‑
a)，范围为0.5
‑
7.0μm。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，其特征在于:模式选择耦合器中进行复用的少模光纤纤芯半径为8.0
‑
15.0μm；在1530
‑
1565nm处，LP
01
、LP
11
、LP
21
、LP
02
、LP
31
和LP
12
这6个模式的单模光纤对应的锥区直径分别为125μm、107μm、86μm、125μm、101μm和76μm。7.根据权利要求1
‑
5任一项所述高耦合比高模式纯度的少模光纤复用器，其特征在于：该模式复用器在C波段1530nm
‑
1565nm，可以实现6个不同模式的模式输出实...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟，张骏皓，熊仁丽，刘丹丹，朱硕，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：