邮电设计技术/2018/06
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收稿日期：2018-04-20
1概述
近年来各类大型数据中心和云计算业务不断涌
现对光网络的带宽和容量提出更高要求。2010年光纤的模式作为一个新的复用维度被提出并成为进一步提高光通信容量和频谱效率的重要手段［1］。基于少模光纤的模分复用通信相关技术随之受到学术界和产业界的广泛关注并飞速发展。根据传输光纤模式间的耦合强度，可将模分复用通信系统分为强耦合系统和弱耦合系统。强耦合模分复用系统主要采用传统圆形芯光纤作为传输光纤，由于模式间具有强耦合特性，在接收端需要结合多入多出（MIMO ）数字信号处理算法消除模式耦合导致的信号串扰。此外强耦合系统对模分复用解复用器的模式选择特性无特殊 要求。由于MIMO 算法的复杂度较高，且模式间的耦合导致模式无法作为独立维度在网络中进行路由交换，强耦合模分复用系统一般多应用于长距离大容量骨干传输。自模分复用概念提出以来，强耦合模分复用通信系统的各项关键技术已得到长足发展，已有大量基于强耦合模分复用的长距离大容量传输实验
报道［2-5］。与强耦合模分复用系统不同，弱耦合模分复用系统采用模间弱耦合传输光纤和具有模式选择特性的模式复用解复用器，接收端也不需要复杂的MIMO 算法，因而可利用模式作为路由交换维度实现网络容量的灵活调配。此外在短距离接入网络和数据中心中，采用弱耦合模分复用技术不仅能增大系统传输容量，还可以提高发送接收模块的集成度，减少数据中心的光纤数量，增加网络路由交换资源，降低系统的
模分复用系统中的
新型弱耦合少模光纤及器件技术
Novel Weakly-coupled Few Mode
Fiber Technology in Mode-division
Multiplexing Systems
关键词：
模分复用；弱耦合；少模光纤；光纤器件doi ：10.12045/j.issn.1007-3043.2018.06.019中图分类号：TN929.11文献标识码：A
文章编号：1007-3043（2018）06-0083-05
摘要：
结合当前模分复用系统的发展趋势，对相关的研究成果进行总结，包括应用于弱耦合传输的非对称少模光纤和应用于弱耦合模式复用的椭圆芯选模光子灯笼，最后还展示了广泛应用于弱耦合光纤模间时延测试的空间频域干涉法。
Abstract ：
Combined with the current trend of mode-division multiplexing systems，the related research results are summarized，includ-ing the asymmetric few mode fiber used in the weakly-coupled transmission and elliptic core mode selective photonics lan-tern used in the weakly-coupled multiplexing.Finally，it shows the spatial and spectral interfering method that is widely used in mode differential group delay measurement in weakly-coupled fiber.
Keywords ：
Mode-division multiplexing；Weakly-coupled；Few mode fiber；Optical fiber devices
曾星琳，李岩，伍剑（北京邮电大学，北京100876）
Zeng Xinglin ，Li Yan ，Wu Jian （Beijing University of Posts and Telecommunications ，Beijing 100876，China ）
引用格式：曾星琳，李岩，伍剑.模分复用系统中的新型弱耦合少模光纤及器件技术［J］.邮电设计技术，2018（6）：83-87.
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成本和功耗，因而具有广泛的应用前景［6-7］。
近年来越来越多的研究集中到用于弱耦合模分复用系统的新型少模光纤和光纤器件的设计制备，基于弱耦合少模光纤的模分复用传输实验和关键技术的报道也越来越多［8-13］。目前研究人员普遍采用模式复用的方法实现弱耦合模分复用，将光纤中传播常数相近的简并模式归为一个模式，每个模式只加载一路信号，不同模式的传播常数相差较远，不易发生耦合，从而实现低耦合模分复用传输［6］。这种方式虽可在普通少模光纤中使用，但不能充分利用光纤的模式资源，降低了系统模式利用率。通过设计新结构的少模光纤，可以降低每个模式内简并模式之间的模式耦合，进而充分利用光纤中所有简并和非简并的本征模式，有助于进一步提高弱耦合模分复用系统的容量。本文对比当
前已有的弱耦合光纤及光纤型器件存在的缺陷，对课题组的几项相关研究成果进行展示，其中包括非对称弱耦合少模光纤，椭圆芯选模光子灯笼和空间频域干涉测量法。
2非对称弱耦合少模传输光纤
针对弱耦合少模光纤传输，课题组提出了芯径非
对称少模光纤结构［14］，在结构对称光纤的纤芯中引入非对称折射率变化，可提高简并模式有效折射率差，同时实现所有高阶模式的传输，光纤结构如图1所示。
旗杆基础
在普通四模光纤的纤芯中插入2个折射率略高于光纤纤芯折射率的内芯，而光纤包层折射率/纤芯折射率和普通少模光纤相同（包层1.444，纤芯1.45）。2个内芯的插入导致纤芯中非对称的折射率分布，从而使同一模式中的简并模式分离，共支持6个空间模式。该光纤和普通椭圆少模光纤简并模式有效折射率差相同的时候，该光纤的模场分布更能匹配普通圆形光纤的本征模式。有3个主要参数影响该光纤的特性：内芯直径（ID ）、内芯和光纤中心的距离（DIF ）和内
芯的折射率（n ）。为了衡量模式形状变形程度，将该非对称光纤和圆形芯光纤的模场做相关度计算，相关度越高表示模场变化程度越小。6个模式相关度大于0.95且模式间折射率差达到最大所对应的3个参数ID 、DIF 和n 分别为3、5.5和1.455。同时分别仿真了模式间折射率差相同的该非对称光纤和发光管
椭圆芯少模光纤模式图，并且和圆形芯少模光纤模式图进行了比较，结果如图2所示，椭圆少模光纤的模场严重变形，导致椭圆芯少模光纤与圆芯少模光纤对接时会产生较大的损耗，而该非对称光纤很好地解决了模斑变形问题，证明其具有低模间串扰和低损耗特性。
3模式复用/解复用光子灯笼
3.1三模/六模圆芯选模光子灯笼
光子灯笼的基本结构如图3所示。将多根单模光纤以固定排布插入折射率略低于单模光纤包层折射率的玻璃套管里，然后对整个套管进行拉锥处理。在拉锥过程中，单模光纤纤芯直径都将逐渐减小到亚微米级，导致大部分光信号从单模光纤纤芯泄漏到包层，纤芯成为无效波导。每根光纤的包层和邻近光纤的包层在拉锥过程中不断熔合，逐渐形成新的少模光纤的纤芯，同时包裹光纤的玻璃套管也逐渐形成新的少模光纤的包层。拉锥时光子灯笼从锥区到腰区渐变的过程中，光子灯笼中的模式逐渐由输入端单模光纤中独立的导模变为输出端少模光纤中的导模。因此光子灯笼可以实现多个基模向高阶模的转换并且实现模式复用。
图1新型非对称弱耦合少模光纤结构
图2不同光纤的模场图
图3光子灯笼的基本结构
I D大容量锂离子电池
DIF
圆芯少模光纤非对称少模光纤椭圆芯少模光纤
LP 01
LP 11a
LP 11b
LP 21a
LP 21b
LP 02
单模光纤
光子灯笼
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光子灯笼分为非选模和选模2种。非选模光子灯笼所有输入端的单模光纤尺寸相同，每个基模的传播常数也相同，从光子灯笼输入端任何一个单模光纤输入光信号都会在其输出端均匀地激发起少模光纤可承载的导模，但是模式间会存在强烈的耦合。选模光子灯笼输入端的单模光纤尺寸不同，每个基模的传播
常数也会有差别，所以从光子灯笼输入端任何一个单
模光纤输入光信号都会在其输出端对应地激发起少模光纤可承载的某一固定导模，从而实现模组选择功能。在模分复用系统中，课题组主要利用选模光子灯笼来实现模式复用和解复用，目前实验室已制备出三模和六模的圆芯选模光子灯笼，结果如图4所示。
图5三模椭圆芯选模光子灯笼结构示意图
图4光子灯笼输出端截面和模场图
LP 01
输入三模选模光子灯笼
输出
LP 01LP 11a LP 11b
LP 01
输入
六模选模光子灯笼
输出
LP 01LP 11a LP 11b LP 21a
LP 21b
LP 02（a ）三模圆芯选模光子灯笼输出端截面和模场图
（b ）六模圆芯选模光子灯笼输出端截面和模场图植物水
3.2椭圆芯三模/六模选模光子灯笼
对于传统的圆形少模光纤高模式利用率和系统接收端低复杂度不可兼得，而打破模式简并可以削弱模式间的串扰，进而大幅度降低MIMO-DSP 算法的复杂度，在高模式利用率和低系统接收端复杂度间取得均衡。普通圆形少模光纤LP 01和LP 11模式有效折射率差值较大，因此二者间的模式串扰比较小。然而LP 11a 和LP 11b 简并模的有效折射率相近，打破模式简并非常困难。因此打破模式简并的条件是使2个模式的相位常数差异或有效折射率差异足够大，使这2个简并的模式分裂为2个独立的模式。研究表明当模式间有效折射率差值大于10-4时，简并模式会分裂成独立的模式［14］。少模光纤要实现模式间的弱耦合同样要满足模式间有效折射率差值大于10-4。此外研究还表明通过将少模光纤的圆形纤芯设计成椭圆形，可以打破模式简并［13］。
圆芯选模光子灯笼只能实现不同模的选模功能。为了打破模内部模式的简并，并且和椭圆芯少模光纤模式的模场匹配，进而实现链路低串扰且低损耗，课题组设计了一种新型的椭圆芯选模光子灯笼，打破LP 11a 和LP 11b 模、LP 21a 和LP 21b 模式间的简并，使其能作为使用椭圆光纤的无MIMO 模分复用系统中的模式复用器/解复用器［15-16］。三模椭圆芯选模光子灯笼结构如图5所示，其输出端和普通三模椭圆光纤匹配，其中三模椭圆光纤的参数为包层直径125μm ，纤
芯长半轴8.15μm ，短半轴6.5μm ，数值孔径0.12。设
计的光子灯笼使用的套管内径长轴为192μm ，短轴为154μm ，外径为1475μm ，套管的折射率比纯硅小0.005，最终的数值孔径为0.12。使用的3根不同尺寸的光纤是通过腐蚀单模光纤获得。用来激发LP 01、LP 11a 和LP 11b 3个模式的单模光纤包层/纤芯直径分别为70μm /9μm 、100μm/6.8μm 、70μm/5.4μm 。3根光纤的排布是为了使模式在拉锥过程中的变化尽可能小，尽量演化成最后少模光纤相对应的模式。
图6展示了拉锥参数对光子灯笼中模式有效折射率和模场演化的影响，图中蓝曲线分别为LP 01，LP 11a 和LP 11b 模式的有效折射率随拉锥比的变化情况，红曲线为包层模的有效折射率随拉锥比的变化情况。由图可见LP 11a 和LP 11b 模式的有效折射率变化曲线明显分离，表明这样的设计已经打破了同模组内的模式简并，能有效应用于椭圆芯光纤的传输中。
六模椭圆芯光子灯笼的结构如图7所示，其输出
光纤1
光纤2
光纤3
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端和普通六模椭圆光纤匹配，六模椭圆光纤的参数为纤芯折射率1.45，包层折射率1.444，纤芯长半轴9.7μm ，短半轴8.1μm ，包层直径125μm 。光子灯笼使用的套管内径长轴为252μm ，短轴为210.4μm ，外径为1625μm ，套管的折射率比纯硅小0.006，最终的数值孔径为0.13。使用的3根不同尺寸的光纤是通过腐蚀单模光纤获得。用来激发LP 01、LP 11a 、LP 11b 、LP 21a 、LP 21b 和LP 026个模式的单模光纤包层/纤芯直径分别为17μm/96μm 、15μm/96μm 、14μm/74μm 、13μm/81μm 、12.4μm/74μm 、10μm/60μm 。
六模椭圆芯光子灯笼的有效折射率及模式变化情况如图8所示，可以看到LP 01、LP 11a 、LP 11b 、LP 21a 、LP 21b 和LP 02的有效折射率变化曲线明显分离，表明六模椭圆芯光子灯笼输出的6个模式的简并度均被打破，能够有效地应用于椭圆芯光纤的传输中。
4空间频域干涉法（S 2法）
完成光纤的制作后，需要对光纤的各项参数进行测试，包括模式散、简并与非简并模间的时延、模
式串扰及模场面积等。实验中采用了S 2法完成了对这
些参数的测试。该方法在空间和频域对少模光纤输出的混叠模式成像，并且通过傅里叶逆变换将数据映射到模式时延上，从而得到模式间的时延差。将映射后的每个像素点重新组合，可得到少模光纤中每个模式的功率，从而测出模式间串扰。该测试方案的具体装置结构如图9所示。
可谐调激光器作为光源，其波长间隔与可测量到
的最大时延成反比。将光源与待测少模光纤错开连接，使其在连接处激励出高阶模式。待测光纤输出光依次经过准直器、偏振片，最后输入到CCD 探测。课题组采用S 2法对熊猫型少模保偏弱耦合光纤进行了测试［17］，测试结果如图10所示，其中模式图是通过傅里叶变换从曲线图中LP 11ax 、LP 11bx 、LP 21ax 、LP 21bx 、LP 11ay 、LP 11by 、LP 21ay 和LP 21by 每个干涉峰提取出来的。通过分析
图6三模椭圆芯选模光子灯笼有效折射率曲线图及模场图
图8六模椭圆芯选模光子灯笼有效折射率曲线图及模场图
图9
S 2法测试装置图
图7六模椭圆芯选模光子灯笼结构示意图
拉锥比
0.9
0.81.00.70.6
0.50.40.30.20.1
1.440
1.4411.4421.4431.4441.4451.4461.4471.448有效折射率
LP 01LP 11a LP 11b
LP 01
LP 11a
LP 11b
分界线有效折射率
1.438
1.4411.4441.4471.450LP 01LP 11a LP 11b LP 21a
LP 21b
LP 02
1.0
0.9
0.8
0.7
0.60.50.40.3
0.2
0.1
拉锥比
LP 01LP 11a LP 11b LP 21a LP 21b LP 02
0.357
0.277
0.237
0.1970.157
0.077EC-FMF
可调谐激光器
PC
SMF
被测光纤
准直仪
CCD
计算机
LP 21a LP 11a
LP 01
LP 02
LP 11b
LP 21b
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测量结果，可以看到在少模保偏光纤中同一模的模式间和偏振态间的简并均被打破。
捕鼠器制作5总结
弱耦合少模光纤的模分复用传输技术具有低成
本、低能耗和大容量传输的优势，其在数据中心及接入网领域具有较大的应用前景。本文基于国内外研究现状，针对当前弱耦合模分复用系统的传输光纤模式间串扰较大，模间损耗严重，光纤连接插损大以及无法全光纤化模式复用和解复用等难题，设计了非对称结构的弱耦合少模光纤和椭圆芯选模光子灯笼，该光纤和器件可以实现弱耦合光纤中模式的低损耗、低串扰传输以及全光纤化复用解复用。参考文献：
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图10模式相干幅度随时延差的变化图和模式图
a b
c d
e f
g h
a ：LP 11ax
b ：LP 11bx
c ：LP 21ax
d ：LP 21bx
e ：LP 11ay
f ：LP 11by
g ：LP 21ay h ：LP 21by
模式相干幅度/d B
a
-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50时延差/ps
02468
101214
161820
b
c
d
e f g
h
87
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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