新型光纖通信器件之光子燈籠

  ICCSZ訊 隨著社會信息化程度的逐漸提高，信息數(shù)據(jù)流量自2000年以來，呈現(xiàn)出飛速上漲的勢頭，10年的增長速度超過了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?；蚨嗄９饫w中不同模式之間的正交性，增加信息傳輸通道數(shù)來提高信息傳輸容量。具體表現(xiàn)為在發(fā)射端將多路不同信號加載在不同的模式上，在接收端進(jìn)行分離來實(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)，以少模光纖中幾個相互獨(dú)立的正交模式作為獨(dú)立的信道來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，模場面積更大，因此非線性效應(yīng)的容限也會相對提高。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稱的分布在折射率略低于光纖包層的玻璃套管里，然后對整個套管進(jìn)行拉錐處理，拉錐過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效波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。同時，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程中變?yōu)樾碌陌鼘樱w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，對每個光子燈籠而言，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。無損光子燈籠設(shè)計(jì)的目標(biāo)為單模光纖簇經(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。當(dāng)纖芯孤立或者弱耦合時，其超?；虺５慕M合將與最終的少模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相似(耦合模式的場分布可以被看作是孤立模式的疊加，也被稱為超模)。

  長飛光纖光纜股份有限公司(以下簡稱長飛公司)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，成功申報了國家自然科學(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：61875019)。

  圖3 光纖處理平臺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)到國際先進(jìn)水平，已成功應(yīng)用于空分復(fù)用系統(tǒng)。未來，長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，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。