基于長(zhǎng)周期光柵的少模光纖模式轉(zhuǎn)換器研究

靳云 陳茁

摘 要：目前，信息化建設(shè)高速發(fā)展，單模光纖傳輸系統(tǒng)容量已經(jīng)接近極限，基于少模光纖的模分復(fù)用技術(shù)逐漸得到了人們的關(guān)注。模式轉(zhuǎn)換器是模分復(fù)用技術(shù)中的重要器件之一，本文簡(jiǎn)述了基于長(zhǎng)周期光柵實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、理論模型和數(shù)值仿真，可以作為工程實(shí)現(xiàn)的前期工作。

關(guān)鍵詞：少模光纖;長(zhǎng)周期光柵;模式轉(zhuǎn)換;模分復(fù)用

中圖分類號(hào)：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）10-0022-02

Abstract： At present， with the rapid development of information technology， the capacity of single mode fiber transmission system is close to the limit， people began to pay more attention to the mode division multiplexing based on few mode fiber. Mode converter is one of the important components in the technology of mode division multiplexing. This paper briefly described the structure， theoretical model and numerical simulation of mode conversion based on long period grating， it can be used as the preliminary work of engineering realization.

Keywords： few mode fiber; long period fiber gratings; mode converter; mode division multiplexing

面對(duì)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等應(yīng)用所帶來的指數(shù)增長(zhǎng)的帶寬需求，尋求新型高速大容量的光傳輸機(jī)理已成為未來光通信與傳感網(wǎng)絡(luò)面臨的重大挑戰(zhàn)?；谏倌９饫w的模分復(fù)用技術(shù)是利用少模光纖中的不同光纖模式作為傳輸信道來傳輸多路信號(hào)。模式轉(zhuǎn)換器將單模光纖中傳輸?shù)幕＃↙P01）轉(zhuǎn)換成少模光纖傳輸?shù)母唠A模，是模分復(fù)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。利用CO2激光器在光纖上刻寫長(zhǎng)周期光柵實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的方式，具有低損耗、易于制造、可控性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于長(zhǎng)周期光柵的少模光纖模式轉(zhuǎn)換器原理

目前，基于少模光纖的通信技術(shù)主要可分為兩類。一類是采用模分復(fù)用技術(shù)增加系統(tǒng)容量，另一類是通過選擇性模式激勵(lì)，使少模光纖以單模狀態(tài)工作。本文提出了一種新型基于長(zhǎng)周期光纖光柵的濾模器。模分復(fù)用技術(shù)是以少模光纖中不同模式作為獨(dú)立信道傳輸不同信息的方法，需要使用模式轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)單模光纖中基模與少模光纖中高階模之間轉(zhuǎn)換。雖然現(xiàn)有的模式轉(zhuǎn)換器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率模式轉(zhuǎn)換，但很少研究殘余基模對(duì)高階模的串?dāng)_。該濾模器采用切趾型長(zhǎng)周期光纖光柵使少模光纖中纖芯基模與包層模發(fā)生耦合，并借助涂覆層折射率略高于包層模的特點(diǎn)，泄露包層模，同時(shí)，保證纖芯其他高階模不發(fā)生耦合或耦合后仍能轉(zhuǎn)移能量，達(dá)到濾除基模和保留高階模的目的。

1.1 模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

利用CO2激光器在少模光纖纖芯刻寫周期為幾十至幾百微米的長(zhǎng)周期光柵，如圖1所示。利用光柵周期性微擾引起的模式耦合實(shí)現(xiàn)纖芯基模向高階模式轉(zhuǎn)換。CO2激光脈沖逐點(diǎn)寫入熱激成柵的方法靈活性高，使用普通的通信光纖即可，無需摻鍺、載氫，且光柵制備成本低，制作效率高。通過精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還可靈活調(diào)整光柵寫入周期，得到了廣泛應(yīng)用。

2 數(shù)值仿真

本文所選用烽火通信公司提供的四模階躍光纖，纖芯和包層直徑分別為18μm、125μm，在1 550nm處纖芯和包層的有效折射率分別為1.463 219 82、1.457 1。利用有限元法comsol multiphysics可獲得波導(dǎo)穩(wěn)態(tài)的不同模場(chǎng)分布情況及有效折射率。由模式分析功能可知該少模光纖支持LP01、LP11、LP21和LP02模式，每個(gè)模式的模場(chǎng)分布圖如圖2所示。不同模式可以作為相互獨(dú)立的信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)，極大地?cái)U(kuò)展光纖的信息傳輸容量。

當(dāng)傳輸波長(zhǎng)在1 450～1650nm時(shí)，利用comsol multiphysics可獲得上述4個(gè)模式在不同波長(zhǎng)時(shí)的有效折射率。每個(gè)模式的有效折射率隨傳輸波長(zhǎng)的關(guān)系如圖3所示。

3 結(jié)語

本文利用耦合模理論給出了長(zhǎng)周期光柵實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的理論模型。依據(jù)有限元法進(jìn)行數(shù)值仿真，得到不同模式的穩(wěn)態(tài)模場(chǎng)分布圖和有效折射率，進(jìn)而結(jié)合耦合模理論獲得了為實(shí)現(xiàn)特定模式轉(zhuǎn)換所需的光柵周期與不同諧振波長(zhǎng)的關(guān)系。基于長(zhǎng)周期光柵的模式轉(zhuǎn)換器具有體積小、損耗低、模式轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以在模分復(fù)用系統(tǒng)和光通信中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]少模長(zhǎng)周期光纖光柵矢量模耦合特性研究[D].劉湄鈺.北京交通大學(xué) 2018