模分復(fù)用系統(tǒng)中少模復(fù)用(解復(fù)用)技術(shù)研究

董秋煥 劉 陽(yáng) 鄭宏軍 黎 昕 白成林 胡衛(wèi)生 陳南光

(1.聊城大學(xué) 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院、山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 聊城 252059；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

近年來(lái)，各種通信業(yè)務(wù)流量(如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和流媒體等)指數(shù)增長(zhǎng)，世界各國(guó)相繼制定了國(guó)家寬帶戰(zhàn)略.單模光纖的通信容限趨近香農(nóng)極限限制，光纖通信的發(fā)展迎來(lái)了史無(wú)前例的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1,2].通信業(yè)界圍繞時(shí)分復(fù)用、波分(頻率)復(fù)用、正交幅度調(diào)制、偏振復(fù)用、空分復(fù)用(包括模分復(fù)用、芯式復(fù)用和軌道角動(dòng)量復(fù)用)開發(fā)利用時(shí)間、頻率、正交、偏振、空間這五個(gè)物理維度對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、傳輸容量進(jìn)行了不同程度的突破.其中，最近提出的模分復(fù)用開發(fā)利用空間物理維度，是突破通信挑戰(zhàn)具有較大潛力的技術(shù)[1-6].

模分復(fù)用是將每個(gè)模式(模式間互為正交性)作為獨(dú)立的信道，形成多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO) 信道，提高系統(tǒng)傳輸容量.其研究主要集中在基于少模光纖(Few Mode Fibers，F(xiàn)MFs)、少模多芯光纖、超模光纖、少模模分復(fù)用(解復(fù)用)器、少模光放大器等模分復(fù)用研究，并且與長(zhǎng)距離相干光纖通信相結(jié)合，以顯著提高通信容量[1-6].目前，模分復(fù)用研究由美國(guó)、日本和部分歐洲國(guó)家主導(dǎo)[1-6].在中國(guó)，國(guó)內(nèi)相關(guān)高校、研究院所先后在模分復(fù)用領(lǐng)域開展了部分研究工作，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)、華中科技大學(xué)、西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)、南京郵電大學(xué)、烽火通信科技集團(tuán)有限公司等單位開展了模分復(fù)用相應(yīng)的工作；2014年國(guó)家科技部資助了天津大學(xué)牽頭的“多維復(fù)用光纖通信基礎(chǔ)研究” 973基礎(chǔ)研究項(xiàng)目[2-6]，這標(biāo)志著模分復(fù)用研究上升到了“國(guó)家戰(zhàn)略需求”的高度.現(xiàn)在模分復(fù)用領(lǐng)域正處于基礎(chǔ)研究階段，是新一代通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[1-26].本文主要討論模分復(fù)用(解復(fù)用)器的經(jīng)典、突出的工作及最新研究進(jìn)展工作，涉及一種基于相位板的三模式模分復(fù)用器[2,11]、基于液晶空間光調(diào)制器(LCOS-based SLM)的模分復(fù)用器[2,11]、常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)型光纖光子燈籠[2,4]、模式選擇光纖光子燈籠[12]、模式組選擇光纖光子燈籠[16,20,21]、模式組選擇刻寫波導(dǎo)型光子燈籠[22,23]的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特性及應(yīng)用.最后，給出了本課題組近期提出的新穎定向耦合模分復(fù)用器及模分復(fù)用解復(fù)用研究發(fā)展趨勢(shì).

少模模分復(fù)用器是將多種模式信號(hào)復(fù)用到同一條少模光纖(FMFs)進(jìn)行傳輸?shù)钠骷菍?shí)現(xiàn)模分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分.根據(jù)光路可逆性原理，該種器件也可逆向使用，將FMFs光纖中傳輸后的模式信號(hào)解復(fù)用到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMFs)中，此時(shí)，該器件稱少模模分解復(fù)用器.也就是說(shuō)，該種器件根據(jù)應(yīng)用的不同，可稱為少模模分復(fù)用器，也可稱為少模模分解復(fù)用器，有時(shí)統(tǒng)稱為少模模分復(fù)用(解復(fù)用)器，本文以少模模分復(fù)用器為例討論.

1 基于玻璃相位板的模分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與特性

圖1所示是一種基于玻璃相位板的三模式模分復(fù)用器[2,11].圖1(a)三模式模分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)理論計(jì)算的各模式光強(qiáng)分布模斑，圖1(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的各模式光強(qiáng)模斑.由結(jié)構(gòu)示意圖可得，該基于玻璃相位板的模分復(fù)用器，采用玻璃相位板實(shí)現(xiàn)了基模到高階模式的轉(zhuǎn)換，并將三種模式信號(hào)復(fù)用到同一個(gè)三模式光纖信道.由各模式光強(qiáng)分布模斑圖可得，理論計(jì)算得到的各模式光強(qiáng)分布模斑與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致.該模分復(fù)用器的模式LP01、LP11a和LP11b的耦合損耗分別為8.3 dB、10.6 dB和9.0 dB.這種模分復(fù)用器要求空間耦合校準(zhǔn)具有高的精確度，自由空間耦合的耦合損耗較大，且難于集成，成本較高.

圖2是各個(gè)模式的光強(qiáng)分布模斑與相位板的關(guān)系圖[2,11].由圖2可得，若同時(shí)考慮XY偏振復(fù)用，三模式模分復(fù)用器可以等效地提供六個(gè)并行的傳輸通道.其中基?？梢圆灰辔话?，直接入射即可，模式LP11的四個(gè)簡(jiǎn)并模式可以通過(guò)相位差為π的不同全息相位板來(lái)形成.

2 基于液晶空間光調(diào)制器的模分復(fù)用器結(jié)構(gòu)與特性

圖3所示是基于液晶空間光調(diào)制器(LCOS-based SLM)的模分復(fù)用器[2,11].圖3(a)該模分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(b)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的模式光強(qiáng)分布模斑，圖3(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的模式干涉模斑.圖中LCOS是指基于硅基的液晶，可以受到精確的電壓控制，并能調(diào)制光束的波前，從而實(shí)現(xiàn)入射光的模式轉(zhuǎn)換和復(fù)用，但該器件難于集成到光纖通信系統(tǒng)中.

3 光子燈籠結(jié)構(gòu)與特性

3.1 三模式標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠結(jié)構(gòu)與特性

圖4所示是常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)型三輸入端的光子燈籠[2,4]，圖4(a)該光子燈籠結(jié)構(gòu)圖，圖4(b)光纖拉錐變換區(qū)形成的超模模式圖，圖4(c)光纖拉錐少模區(qū)形成的少模模式圖.由圖4可見，該光子燈籠是一種對(duì)稱型三輸入端的拉錐形狀的模分復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)了三路單模信號(hào)轉(zhuǎn)換模式并復(fù)用到同一個(gè)少模信道，該光子燈籠是三條相同的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖放到一條低折射率的毛細(xì)玻璃管中絕熱拉錐形成.拉錐過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的纖芯逐漸消失，其包層逐漸成為多模纖芯，低折射率的毛細(xì)玻璃管則演變?yōu)槎嗄＠w芯的包層.光子燈籠結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度雖然比基于相位板或液晶空間調(diào)制器的模分復(fù)用器低，但是其制造工藝精密、復(fù)雜，精確地控制光纖熔融時(shí)的位置、拉錐體粗細(xì)和長(zhǎng)度具有很大難度.通過(guò)拉錐形成的輸出端口與傳輸通道不完全匹配，會(huì)導(dǎo)致較高損耗.

3.2 模式選擇光子燈籠結(jié)構(gòu)與特性

圖5是光子燈籠空間多路復(fù)用器(SMUX)三模光纖系統(tǒng)原理圖[12]，三模光纖傳輸系統(tǒng)中使用黑色實(shí)心盒封裝的是模式組光強(qiáng)分布圖.展示了如何通過(guò)使用不同的光纖而不是與標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠中相同的光纖來(lái)制造光子燈籠，從而為光子燈籠增加模式選擇性.沿絕熱錐度方向，這種光纖的不同可以控制標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMFs)纖芯之間的耦合，并迫使最初發(fā)射到特定SMFs纖芯中的光演化為特定的模式組(如LP01、LP11等).在光子晶體光纖器件、光纖零錐耦合器和平面波導(dǎo)中也有類似的概念.圖中，SMUX A可以用作模式轉(zhuǎn)換復(fù)用器，將SMFs中的單模信號(hào)轉(zhuǎn)換并復(fù)用到FMFs光纖中傳輸；SMUX B可以用作模式轉(zhuǎn)換解復(fù)用器，將FMFs光纖中傳輸后的少模信號(hào)轉(zhuǎn)換解復(fù)用到相應(yīng)的SMFs光纖中.

圖6是三模式光子燈籠的輸出端面和模式折射率的變化曲線[12]，圖中6(A)是常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠輸出端面，由三條相同的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖放到一條低折射率的毛細(xì)玻璃管中絕熱拉錐形成.常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠少模纖芯中，右圖的模式LP01和LP11的折射率從相等(簡(jiǎn)并模式)逐漸分離開來(lái)(非簡(jiǎn)并模式).圖中6(B)是模式選擇的光子燈籠輸出端面，模式選擇是指從不同的單模光纖入射光，輸出相應(yīng)的獨(dú)立模式，需要打破標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠的簡(jiǎn)并模式、確保模式間相互不耦合.由三條不同的單模光纖放到一條低折射率的毛細(xì)玻璃管中絕熱拉錐可形成模式選擇的光子燈籠，其中轉(zhuǎn)換模式LP11的兩條單模光纖相同.模式選擇光子燈籠少模纖芯中，右圖的模式LP01和LP11的折射率自始至終就不相等，保持非簡(jiǎn)并模式.

注：(a) 左側(cè)是常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠背光可見光時(shí)顯微鏡圖像，右側(cè)是分別從三條單模光纖輸入光信號(hào)測(cè)量得到的標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠輸出模式； (b) 左側(cè)是模式選擇光子燈籠背光可見光時(shí)顯微鏡圖像，右側(cè)是分別從三條單模光纖輸入光信號(hào)測(cè)量得到的模式選擇光子燈籠輸出模式； (c) 左側(cè)是模式選擇光子燈籠仿真圖像，右側(cè)是分別從三條單模光纖輸入光信號(hào)仿真得到的模式選擇光子燈籠輸出模式.
圖7三模式光子燈籠輸出少模模式[12]

圖7是三模式光子燈籠輸出少模模式光強(qiáng)分布圖[12]，(a) 左側(cè)是常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠背光可見光時(shí)顯微鏡圖像，右側(cè)是分別從三條單模光纖輸入光信號(hào)測(cè)量得到的標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠輸出模式；(b) 左側(cè)是模式選擇光子燈籠背光可見光時(shí)顯微鏡圖像，右側(cè)是分別從三條單模光纖輸入光信號(hào)測(cè)量得到的模式選擇光子燈籠輸出模式；(c) 左側(cè)是模式選擇光子燈籠仿真圖像，右側(cè)是分別從三條單模光纖輸入光信號(hào)仿真得到的模式選擇光子燈籠輸出模式.常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠的結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，導(dǎo)致其輸出模式是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱.模式選擇光子燈籠的輸出模式是非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的.模式選擇光子燈籠的幾何和模式的不對(duì)稱性表明光子燈籠不能純正激發(fā)少模模式的程度，但其輸出模式依然與少模光纖的模式非常相似.

λ=1550 nm時(shí)的光依次耦合到光子燈籠SMUX的各個(gè)SMFs中，用紅外攝像機(jī)記錄了光子燈籠SMUX的FMFs輸出的近場(chǎng)圖像.比較了兩種三模光子燈籠SMUX：一種是相同SMFs的常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠，另一種是采用不同光纖(1 x Nufern 1550B-HP和2 x ThorLab SM980-5.8-125)制作的模式選擇光子燈籠，它們都是用相同的低折射率毛細(xì)管和相同的芯尺寸制作的，在光子燈籠的FMFs末端給出數(shù)值孔徑NA為0.06.在圖7(a和b，左側(cè)圖)的顯微鏡圖像中，人們可以觀察到常規(guī)光子燈籠和模式選擇光子燈籠之間的核心尺寸差異.在這些圖像中，還可以觀察到光子燈籠核心限制較低的可見波長(zhǎng)效應(yīng)，雖然該波長(zhǎng)遠(yuǎn)離工作波長(zhǎng)1550 nm.圖7(a)顯示了傳統(tǒng)燈籠的輸出，由于設(shè)備是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，輸出的場(chǎng)圖像也可旋轉(zhuǎn)120度.在核心對(duì)稱三角形幾何結(jié)構(gòu)中，在改變輸入耦合核芯的同時(shí)，如果保持相同的耦合條件，則應(yīng)該預(yù)期到三個(gè)核芯的光轉(zhuǎn)換效果.這一對(duì)稱輸出的結(jié)果也表明，拉錐轉(zhuǎn)換的質(zhì)量是很好的，假設(shè)由于制造缺陷而產(chǎn)生的任何局部擾動(dòng)(這并不會(huì)平等地影響三個(gè)核芯)將導(dǎo)致非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的輸出.圖7(b)顯示了模式選擇光子燈籠的輸出，這些輸出模式不再是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，而是類似于LP01和LP11模式.LP11模式圖波瓣間的非零強(qiáng)度、模式圖不等波瓣強(qiáng)度和模式圖不同幾何形狀可以表明該模式在多大程度上不是光子燈籠純粹的激發(fā)模式.但是，輸出模式看起來(lái)仍然類似于FMFs模式，LP11模式的谷深至少要5.5 dB的模式選擇性.光子燈籠本身的FMFs輸出核芯幾何形狀可以進(jìn)一步解釋模式圖不同幾何形狀和不等波瓣強(qiáng)度，當(dāng)將三根光纖融合在一起時(shí)，最終的纖芯很有可能保持一定的三角對(duì)稱性，如圖7所示的FMFs輸出圖像中可以明顯看出這一點(diǎn).圖7(c)顯示了三角形核芯支撐模式的模擬，類似于在光子燈籠制造過(guò)程中獲得的模式.用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，模式圖形的不等長(zhǎng)形狀可能是核芯三角形幾何形狀的簡(jiǎn)單結(jié)果.

圖8 三模式光子燈籠連接30 m漸變折射率分布少模光纖輸出的少模模式強(qiáng)度分布圖和光子燈籠傳遞矩陣[12].圖(a)是三模式光子燈籠連接30 m漸變折射率分布少模光纖輸出的少模模式，圖(b)是三模式光子燈籠傳遞矩陣.其中有灰色背景的插圖是串?dāng)_矩陣，沒(méi)有灰色背景的插圖是傳遞矩陣，LP01到LP01傳遞矩陣在左上角；LP11到LP11傳遞矩陣在右下角的四個(gè)插圖.在LP01到LP01插圖，LP01的峰值最大；當(dāng)入射LP01時(shí)，LP01的模式選擇性超過(guò)LP11模式3 dB.在LP11到LP11插圖，當(dāng)入射LP11時(shí)，LP11的模式選擇性超過(guò)LP01模式6.5 dB；模式相關(guān)損耗MDL測(cè)量得到小于0.5 dB.

3.3 模式組選擇光子燈籠結(jié)構(gòu)與特性

光子燈籠研制成功以來(lái)，應(yīng)用對(duì)稱型標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠完成了WDM傳輸900km的實(shí)驗(yàn)[13].采用模式選擇光子燈籠和少模光纖，首次實(shí)現(xiàn)了低模式串?dāng)_時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)演示[14].基于低模式串?dāng)_少模光纖的長(zhǎng)距離傳輸可以采用模式選擇光子燈籠補(bǔ)償差分模式群時(shí)延(DMGD)[15].考慮到少模光纖中的簡(jiǎn)并模式有著較強(qiáng)的相互模式耦合，就沒(méi)有必要從同一個(gè)模式組中的簡(jiǎn)并模式選擇區(qū)分開來(lái)；把不同的模式組選擇區(qū)分開來(lái)可以完成補(bǔ)償差分模式群時(shí)延(DMGD)的應(yīng)用.文獻(xiàn)[16]報(bào)道了一種制備模式組選擇光子燈籠(MGS-PL)的新方法，采用漸變折射率多模光纖(GI-MMF)進(jìn)行錐化，有效提高了模式組的選擇性和降低了拉錐絕熱需求；下面討論模式組選擇的光子燈籠.

圖9模式組選擇的光子燈籠結(jié)構(gòu)示意圖[16].其中6條不同的漸變折射率分布少模光纖GI-MMF放到一條低折射率的毛細(xì)玻璃管中絕熱拉錐可形成模式組選擇的光子燈籠，其中纖芯直徑22 μm的1條GI-MMF能夠激發(fā)LP01模式(第1模式組)，纖芯直徑20 μm的2條GI-MMF能夠激發(fā)LP11模式組(第2模式組)，纖芯直徑15 μm的3條GI-MMF能夠激發(fā)LP21+LP02模式組(第3模式組)，包層直徑125 μm.

模式組選擇的光子燈籠需要滿足錐形過(guò)渡時(shí)的絕熱標(biāo)準(zhǔn)[16,17]

(1)

Ψ1和Ψ2是可能相互耦合的局域模式的歸一化電場(chǎng)分布，β1和β2是它們各自的傳播常數(shù)，ρ是局域纖芯半徑，z是沿著光子燈籠PL的縱向距離，A是光子燈籠PL的橫截面積，方程(1)第一項(xiàng)表明拉錐比dp/dz與兩模式的傳播常數(shù)差成反比(傳播常數(shù)標(biāo)準(zhǔn))；方程(1)第二項(xiàng)表明光纖拉錐時(shí)兩模式電場(chǎng)分布的緩慢變化會(huì)導(dǎo)致較低串?dāng)_(模式電場(chǎng)分布標(biāo)準(zhǔn))；任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求的拉錐長(zhǎng)度與光子燈籠輸入光纖的數(shù)目N呈線性增加關(guān)系，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求拉錐長(zhǎng)度與N2近似線性增長(zhǎng).

文獻(xiàn)[16]提出采用漸變多模光纖GI-MMFs拉錐以滿足傳播常數(shù)和模式電場(chǎng)分布兩個(gè)拉錐絕熱標(biāo)準(zhǔn)，從而形成模式組選擇光子燈籠，采用GI-MMFs可改善輸入標(biāo)準(zhǔn)單模光纖SMFs和光子燈籠之間的熔接損耗.為了提高傳播常數(shù)準(zhǔn)則，β1-β2的大差異將有效降低對(duì)絕熱的要求.不同的MMFs作為輸入光纖提供了比不同的SMFs允許更大范圍的基模之間的傳播常數(shù)差異；而不同類型的單模光纖之間的傳輸常數(shù)差異受芯徑和折射率的限制.為了改進(jìn)模式電場(chǎng)分布標(biāo)準(zhǔn)，使用了GI-MMFs拉錐，因?yàn)镚I-MMFs模式變化慢于階躍折射率MMF，多模光纖用于光子燈籠PL的輸入/輸出光纖的實(shí)用性有兩個(gè)原因.首先，當(dāng)MMF的長(zhǎng)度較短時(shí)，可以忽略耦合到MMF高階模的模式耦合；第二，即使不同GI-MMFs的直徑變化，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMFs)能夠耦合到具有低熔接損耗的GI-MMFs的基模.當(dāng)滿足絕熱標(biāo)準(zhǔn)拉錐導(dǎo)致芯徑變化時(shí)，GI-MMFs的有效面積變化較慢.

圖10是模式組選擇的光子燈籠輸出端面和輸出模式強(qiáng)度分布圖[16].圖10(a)是模式組選擇的光子燈籠輸出端面；圖10(b)是光子燈籠輸出三組近場(chǎng)模式圖；圖10(c)是光子燈籠連接50 m GI-MMF輸出的三組模式圖.圖10(b)可見，光子燈籠輸出的三組近場(chǎng)模式圖與標(biāo)準(zhǔn)少模模式比較吻合.圖10(c)可見，光子燈籠輸出的三組模式經(jīng)50 m GI-MMF傳輸后，各高階模式圖形有變化.如LP11的強(qiáng)度模式圖變成了圓環(huán)形狀，這是由于模式耦合導(dǎo)致的兩個(gè)簡(jiǎn)并模式LP11a和LP11b線性組合的緣故.

圖11顯示了使用滿足三模組MGS-PL選擇規(guī)則的輸入光纖進(jìn)行的模擬仿真[16].圖11(a)顯示了光纖截面.中心的輸入光纖是一個(gè)芯直徑為22μm的GI-MMF，用于激勵(lì)LP01輸出模式(第1模式組)，兩個(gè)芯直徑為20μm的GI-MMF用于激發(fā)2個(gè)LP11模式(第2模式組)，3個(gè)芯直徑為15μm的GI-MMF用于激發(fā)3個(gè)近似簡(jiǎn)并的LP21+LP02模式(第3模式組).仿真中GI-MMF的折射率對(duì)比度為1%，包層直徑為125μm.在圖11(b)中，3個(gè)感興趣的模式組(1-黑色、2-藍(lán)色、3-綠色)和將演化成包層模式的單個(gè)光纖高階模組(紅色)的有效折射率被繪制為錐度比的函數(shù).結(jié)果表明，高階模的有效折射率比6個(gè)不同光纖的任何基模的有效折射率都小，保證了從一條輸入光纖的高階模到另一條光纖的基模之間不會(huì)發(fā)生共振耦合.

在錐度比為0.9左右時(shí)，每條光纖的最高階模式開始耦合到包層模(由毛細(xì)管引導(dǎo)).在錐度比約為0.4的情況下，所有高階模都耦合到光子燈籠PL的包層模上，而基模仍由單個(gè)纖芯引導(dǎo).如果任何一種高階模式的有效折射率大于其中一個(gè)基模的有效折射率，則這兩種模式的有效折射率將在高階模耦合到包層模式前的錐形區(qū)相互交叉.在交叉點(diǎn)附近，這兩個(gè)模式的有效折射率基本相同，將發(fā)生模式耦合.結(jié)果導(dǎo)致基模中的信號(hào)將耦合到高階模式，并最終消失到包層模式中，從而導(dǎo)致模式選擇燈籠模式相關(guān)損耗.

圖11(c)描述了在錐形區(qū)域的不同點(diǎn)的PL模式強(qiáng)度分布，當(dāng)錐度比從1到0.2(A點(diǎn)之前的區(qū)域)時(shí)，纖芯之間的距離更近，但燈籠模式仍然很好地限制在GI-MMF纖芯中.在B點(diǎn)(錐度比=0.15)時(shí)，纖芯開始強(qiáng)耦合.當(dāng)在C點(diǎn)(錐度比在0.11時(shí))時(shí)，纖芯變得足夠小，使得由熔融包層纖芯和毛細(xì)管包層組成的多模光纖中出現(xiàn)了PL模式.在C點(diǎn)之后，纖芯變得很小，對(duì)PL模式的影響可以忽略不計(jì)，并且可以將結(jié)構(gòu)錐化到所需的尺寸.A點(diǎn)和C點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換(特別是在B點(diǎn)附近)是最敏感的，因?yàn)殡S著光子燈籠模式從纖芯導(dǎo)模到包層導(dǎo)模的轉(zhuǎn)換，模式分布發(fā)生顯著的變化.

圖12為模式組選擇光子燈籠脈沖響應(yīng)的時(shí)域傳輸矩陣，為了量化模式選擇性，把模式組1的信號(hào)功率加到一起.把模式組1的所有串?dāng)_功率加到一起，則模式組1的模式選擇性定義為模式組1的信號(hào)功率與所有串?dāng)_功率的比值.經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，模式組1、2、3的模式選擇性分別為20、10、7 dB.進(jìn)一步優(yōu)化光子燈籠的模式匹配可以得到更好的模式選擇性，光子燈籠的插入損耗小于0.6 dB.

3.4 基于打孔預(yù)制件法的10-模式光子燈籠結(jié)構(gòu)與特性

制備光纖光子燈籠時(shí)，任何一個(gè)拉錐絕熱標(biāo)準(zhǔn)要求的拉錐長(zhǎng)度與光子燈籠輸入光纖的數(shù)目N呈線性增加關(guān)系，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求拉錐長(zhǎng)度與N2近似線性增長(zhǎng)；若增加輸入光纖的數(shù)目N，會(huì)導(dǎo)致光子燈籠有不切實(shí)際的長(zhǎng)度.文獻(xiàn)[18,19]采用低折射率打孔預(yù)制件法制作了10-模式光子燈籠，不僅使可擴(kuò)展到更多模式，也減輕了拉錐絕熱要求.

文獻(xiàn)[18,19]以包含6模低折射率包層的漸變折射率光纖的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)錐化為例，討論了拉錐絕熱要求及解釋了相應(yīng)解決方案.圖13(a)具有低折射率標(biāo)準(zhǔn)包層的6模漸變折射率光纖的端面；圖13(b)具有雙包層的光纖端面；圖13(c)兩種包層光纖的模場(chǎng)直徑隨錐度比變化情況.圖13(a)演示了具有低折射率外包層的6模光纖，當(dāng)這種光纖被錐化時(shí)，基模的模場(chǎng)直徑(MFD)隨錐度比 (從1到0.03) 變化情況，如圖13(c)所示.模場(chǎng)直徑(MFD)首先下降，然后急劇增加隨后急劇下降.其原因是在錐度比為0.3左右時(shí)，基模開始離開纖芯，轉(zhuǎn)而受到包層的引導(dǎo).如果用雙層包層取代標(biāo)準(zhǔn)包層，如圖13(b)所示，模式將首先由內(nèi)部包層引導(dǎo)，然后逐漸由外部包層支持.在這種情況下，MFD的變化可以有效減少，如圖13(c)中的藍(lán)色曲線所示，這對(duì)應(yīng)于模式場(chǎng)?E/?z較小的變化率，從而減輕了絕熱要求.

圖14(a)所提出的兩層鉆孔預(yù)制件橫截面，(b)實(shí)驗(yàn)中使用的內(nèi)層鉆孔預(yù)制件的端面圖像(輕摻氟)，(c)在第一步拉錐之后添加外層(重?fù)椒?，(d)在第二步被錐化后的最終結(jié)構(gòu)，(e)在熔接到10模漸變折射率光纖之前的模式強(qiáng)度分布[18,19]

圖14提出的兩層鉆孔預(yù)制件橫截面、錐化情況及輸出模式強(qiáng)度分布情況[18,19].圖14(a)兩層鉆孔預(yù)制件橫截面，圖14(b)實(shí)驗(yàn)中使用的內(nèi)層鉆孔預(yù)制件的端面圖像(輕摻氟)，圖14(c)在第一步拉錐之后添加外層(重?fù)椒?，圖14(d)在第二步被錐化后的最終結(jié)構(gòu)，圖14(e)在熔接到10模漸變折射率光纖之前的模式強(qiáng)度分布.如圖14 (a)所示提出的鉆孔預(yù)制件，與上述例子緩解絕熱要求方面有一些相似之處.打孔可以保證10條光纖的精確空間排列，與單孔管相比，降低了制造的復(fù)雜性.內(nèi)部結(jié)構(gòu)為輕度摻氟，導(dǎo)致折射率比光纖包層略低.所述的外部結(jié)構(gòu)是重?fù)椒?，具有比所述?nèi)部結(jié)構(gòu)低的折射率.在錐化過(guò)程中，光纖模式依次被纖芯、光纖包層、最后是輕摻氟層所引導(dǎo).

上述光子燈籠制作需要兩步操作，首先，如圖14(b)所示，將10條相同的6模漸變折射率光纖插入微結(jié)構(gòu)鉆孔預(yù)制件中，然后以1/2.4的比率絕熱錐化.鉆孔預(yù)制件輕摻氟，折射率為1.442，低于約1.444的光纖包層折射率.預(yù)制件的直徑為780 μm，經(jīng)過(guò)第一步錐化后縮小為325 μm.預(yù)制件的10個(gè)孔排列在內(nèi)外兩個(gè)圓環(huán)中，每孔直徑為130 μm.內(nèi)環(huán)直徑為203 μm，包含3個(gè)孔洞，外環(huán)直徑為528 μm，包含7個(gè)孔洞.經(jīng)過(guò)第一步錐化后，所有的纖芯仍然可以引導(dǎo)基本模式.在第二步錐化中，將預(yù)制體插入到折射率為1.43的重?fù)诫s氟管中，如圖14(c)所示，重?fù)椒艿膬?nèi)徑約為350 μm，厚度約為280 μm，然后整個(gè)結(jié)構(gòu)按1/16的比例變細(xì)，見圖14(d)，此時(shí)，輕摻雜內(nèi)層預(yù)制件的直徑錐化為20.2 μm，它成為新的纖芯.

圖15是10模式光子燈籠特性測(cè)量圖[18,19].(a)連接到短的10模漸變折射率光纖后的光子燈籠的模式強(qiáng)度分布，(b)用于測(cè)量MDL的實(shí)驗(yàn)裝置，(c)覆蓋C和L波段的一對(duì)10模光子燈籠的MDL，兩個(gè)光子燈籠是按照上述工藝制作的.在光子燈籠熔接到短的10模漸變折射率光纖[圖14(e)] 之前和[圖15(a)]之后的模式強(qiáng)度分布.位于內(nèi)環(huán)的光纖激發(fā)模是LP01和LP11(兩個(gè)圖中的前三個(gè)強(qiáng)度分布圖)的混合體.在錐化過(guò)程中，來(lái)自內(nèi)環(huán)的模式與其它模式相比，在較高的折射率范圍內(nèi)傳播，從而使其演化為低階模式，來(lái)自外環(huán)的模式主要是高階模式(LP21LP02LP31和LP12)的疊加.

接下來(lái)，對(duì)光子燈籠的插入損耗IL和模式相關(guān)損耗MDL進(jìn)行了表征.一個(gè)燈籠的IL在0.6-2 dB范圍內(nèi)，第二個(gè)燈籠的IL在1.2-4 dB的范圍內(nèi).第二個(gè)燈籠IL較高的主要原因是在二次錐化開始時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)小扭結(jié)，采用更穩(wěn)定的錐化平臺(tái)可以避免這一現(xiàn)象的發(fā)生.為了測(cè)量MDL，通過(guò)一根短的10模光纖將兩個(gè)光子燈籠連接在一起，使用波長(zhǎng)掃描干涉儀測(cè)量整個(gè)C和L波段的傳輸矩陣.實(shí)驗(yàn)裝置如圖15(b)所示，從掃描激光光源發(fā)出的光被分成兩個(gè)分支，信號(hào)光和參考光.在信號(hào)支路中，多路偏振復(fù)用器(POL.Mux)確保以相同的功率發(fā)射兩個(gè)正交極化信號(hào).為了在時(shí)域內(nèi)區(qū)分輸入輸出響應(yīng)，在一對(duì)光子燈籠的輸入和輸出處增加了光纖延遲.對(duì)完整的20×20(20個(gè)矢量模式)幅度和相位矩陣的測(cè)量使得使用奇異值分解方法(SVD)進(jìn)行MDL計(jì)算成為可能.在圖15(c)給出了C波段和L波段范圍10模光子燈籠鏈路的MDL值為6-7 dB.考慮到這兩個(gè)光子燈籠的插入損耗IL，估算出較好的光子燈籠的MDL約為2 dB.

3.5 基于堆疊拉錐法的可擴(kuò)展15光纖-模式(組)選擇光子燈籠結(jié)構(gòu)與特性

文獻(xiàn)[20,21]采用堆疊拉錐法制作了15-模式光子燈籠，可擴(kuò)展到更多模式選擇PL.圖16描繪了一個(gè)全光纖PL和9個(gè)LP模式(考慮簡(jiǎn)并模式，共15個(gè)LP模式)，圖16(a)用15條光纖制作的光子燈籠的圖例，圖16(b)用該光子燈籠PL所能達(dá)到的理論P(yáng)L光纖模式，這些模式可以使用15條具有合適尺寸和毛細(xì)管內(nèi)正確位置的光纖來(lái)生成[20,21].

3.5.1 制造光子燈籠PL的微結(jié)構(gòu)預(yù)制件.圖17是高階全光纖光子燈籠的單模光纖分布[20,21].圖17(a)10條光纖和15條光纖的光子燈籠PL結(jié)構(gòu)所需的光纖點(diǎn)陣配置，圖17(b)是用于制造PL的微結(jié)構(gòu)預(yù)制件，圖17(c)是PL制造組裝的微結(jié)構(gòu)預(yù)制件端面的顯微鏡圖像.

制造PL的微結(jié)構(gòu)預(yù)制件可擴(kuò)展支持更高階模式PL將涉及到更多的單模光纖，可以通過(guò)耦合矩陣計(jì)算來(lái)估計(jì)激發(fā)給定FMFs所支持模式所需的獨(dú)立光斑的精確空間分布.考慮到在FMFs中所需要激發(fā)的LPlm光纖模式，就必須為PL安排必要的光纖纖芯分布.例如，圖17(a)描述了具有10和15條單模光纖的PL所需的光斑點(diǎn)分布.如圖所示，對(duì)于徑向因子m的每個(gè)值，纖芯陣列中都需要一個(gè)纖芯環(huán).每個(gè)環(huán)由2LMax,m+1給出光纖數(shù)目，其中LMax,m是方位角因子(L)的最大值，因此對(duì)于每個(gè)m的值，光纖的位置包括每個(gè)非簡(jiǎn)并模式的一個(gè)點(diǎn)和每個(gè)簡(jiǎn)并模式的兩個(gè)點(diǎn).雖然可以很容易地確定光纖的分布，但通過(guò)傳統(tǒng)的光纖堆積不能得到特定的光纖排列.因此，用于支持高階模式的PL的光纖定位成為一項(xiàng)特別具有挑戰(zhàn)性的任務(wù).

為了避免在毛細(xì)管內(nèi)分配光纖的問(wèn)題，使用了微結(jié)構(gòu)預(yù)制件，允許將10和15條光纖保持在所需的位置.如圖17(b)所示，預(yù)制件是在摻氟管內(nèi)堆疊人工合成的二氧化硅毛細(xì)管而制成的.這種結(jié)構(gòu)隨后被拉伸以獲得所需的大小，以使單模光纖進(jìn)入每個(gè)毛細(xì)管.使用薄壁合成的石英玻璃毛細(xì)管(內(nèi)外徑比ID/OD>0.95)，以盡量減少在光纖周圍添加額外二氧化硅層的影響，這有助于保持相鄰SMF核心之間的距離.

10條光纖預(yù)制體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)由三條毛細(xì)管(ID=110 μm)組成的中心陣列，呈三角形排列，周圍有一個(gè)由七條毛細(xì)管組成的環(huán)(ID=170 μm)，該結(jié)構(gòu)包含在Δn≈-15×10-3的低折射率摻氟毛細(xì)管(指的是包圍10個(gè)毛細(xì)管的摻氟管)中.15條光纖預(yù)制體的結(jié)構(gòu)是由9條和5條毛細(xì)管(ID=145 μm)組成的兩個(gè)同心圓陣列，位于低折射率摻氟毛細(xì)管內(nèi)，Δn≈-3×10-3.額外的二氧化硅棒被包括在這個(gè)預(yù)制件中，以填補(bǔ)額外的空氣間隙，中央?yún)^(qū)域保持不受阻礙，以便容納第15條單模光纖，得到的10和15條光纖預(yù)制件外徑分別約為900 μm和2 mm.摻氟毛細(xì)管的折射率差導(dǎo)致10條光纖預(yù)制件的數(shù)值孔徑NA為0.207，15條光纖預(yù)制件的NA為0.093.以這種方式制造的微結(jié)構(gòu)預(yù)制件的光學(xué)顯微鏡照片如圖17(c)所示，一旦這些預(yù)制件被拉伸到所需的尺寸，所需的光纖就可以被插入每個(gè)毛細(xì)管.

3.5.2 光子燈籠PL的結(jié)構(gòu).通過(guò)選擇合適的SMF芯徑、光纖在毛細(xì)管中的位置以及合適的錐形參數(shù)，可以成功地用10和15條光纖制備模式選擇的MSPL，模式選擇性限制了對(duì)每個(gè)支持的LP模式使用不同的纖芯直徑.由于LP模的簡(jiǎn)并性(LP0m除外)，MSPL的結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)相同的光纖來(lái)激發(fā)相應(yīng)的兩個(gè)簡(jiǎn)并模式.這些具有相同芯徑的光纖被放置在預(yù)制件垂直對(duì)稱軸兩邊的對(duì)稱位置，而具有不同直徑(旨在激發(fā)LP0m模式)的光纖沿著預(yù)制件的垂直對(duì)稱軸放置(圖2(a)中的紅色輪廓).為了最大限度地減少模式混合，預(yù)制件中使用的光纖被選擇為不同LP模式的芯徑至少相差2 μm.另外，使用漸變折射率光纖(GIF,Δn=16×10-3)，因?yàn)檫@些光纖在短傳播距離內(nèi)表現(xiàn)出基模到高階模的低耦合.此外，GIF的使用為錐形結(jié)構(gòu)提供了更短的拉錐過(guò)渡段，從而產(chǎn)生了短小和低損耗的器件，用于這些器件的所有光纖都是在自己制造的.

圖18是用于構(gòu)建PL的光纖芯徑和位置[20,21].模式選擇PL由圖18(a)10和圖18(c)15條光纖組成，模式組選擇MGS-PL(e)由15條光纖組成，切割后的MSPL端面的顯微鏡圖像：圖18(b)10-和圖18(d)15-光纖.采用圖18(a)芯徑和位置用十條光纖制成的10-光纖MSPL器件能夠產(chǎn)生LP01、LP11、LP21、LP02、LP31和LP12模式.為了產(chǎn)生這些模式并獲得模式選擇性，設(shè)備中使用的光纖芯直徑分別為23、20、17、9、13和6 μm(對(duì)應(yīng)前面列出的每種LP模式).獲得10光纖PL的工藝參數(shù)為：錐化變細(xì)比為16，過(guò)渡區(qū)為5.75 cm.在錐形過(guò)程中，得到了一個(gè)支持6種LP模式的器件，它的芯核尺寸為27 μm，外徑為50 μm.同樣，采用圖c芯徑和位置用15條光纖可構(gòu)成15光纖-模式選擇PL，以20倍的錐度和6 cm的過(guò)渡長(zhǎng)度進(jìn)行PL加工，得到的結(jié)構(gòu)具有35 μm的芯徑和105 μm的外徑.得到的15-光纖MSPL允許產(chǎn)生LP01、LP11、LP21、LP02、LP31、LP12、LP41、LP22和LP03，分別用30、28、23、20、17、15、13、10和6 μm芯徑的光纖激發(fā).對(duì)所產(chǎn)生的多模結(jié)構(gòu)的端面的訪問(wèn)是通過(guò)在錐形器件的腰部部分進(jìn)行劈斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，被劈斷的端面的顯微鏡圖像在圖18(b)和(d)中.

模式組選擇性光子燈籠(MGS-PL)也是使用堆疊法微結(jié)構(gòu)預(yù)制件方法制造的，這些器件也用作空分復(fù)用(SDM)應(yīng)用的模式多路復(fù)用器.在這些PL中，LP模式被分成組并與其他傳播模式保持隔離，盡管可以在同一組內(nèi)的模式之間發(fā)生混合.使用設(shè)計(jì)用于容納15條光纖的預(yù)制件，可以獲得模組選擇性支持LP模式的光子燈籠，該結(jié)構(gòu)的處理是在保留用于15條光纖MSPL的錐度參數(shù)的情況下完成的.MGS-PL使用五種不同的芯直徑的光纖構(gòu)建，每個(gè)模組一個(gè)芯徑：30、28、23、17和8 μm，對(duì)應(yīng)于模組1、2、3、4和5，這類器件的光纖芯分布及芯徑如圖18(e)所示.

3.5.3 PL表征和光譜響應(yīng).圖19和圖20分別顯示了來(lái)自10光纖和15光纖MSPL的輸出模式強(qiáng)度分布圖，輸入λ=1550 nm的光波(a)近場(chǎng)和(b)遠(yuǎn)場(chǎng)模式強(qiáng)度分布圖；(c)輸入λ=980 nm激光時(shí)的近場(chǎng)模式強(qiáng)度分布圖；圖21所示是MGS-PL輸入λ=1550 nm觀察到近場(chǎng)模式強(qiáng)度分布圖[20,21].通過(guò)觀察近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)模式強(qiáng)度分布，可分析制作器件輸出處的模式強(qiáng)度分布圖.來(lái)自以1550 nm波長(zhǎng)為中心的超發(fā)光二極管的寬帶光源(50 nm光譜寬度)耦合到每個(gè)輸入光纖中，使用50×顯微鏡物鏡和紅外相機(jī)對(duì)近場(chǎng)強(qiáng)度模式圖進(jìn)行觀察.為了進(jìn)行徹底的表征，在移除顯微鏡物鏡時(shí)觀察到了兩個(gè)MSPL的遠(yuǎn)場(chǎng)模式強(qiáng)度分布，還從980 nm激光二極管發(fā)射光通過(guò)MSPL的輸入光纖來(lái)評(píng)估波長(zhǎng)依賴性.

一般而言，由于在錐化過(guò)程后產(chǎn)生的PL芯的幾何形狀，PL的模式圖顯示出圓形形狀特征.當(dāng)毛細(xì)管塌陷填充光纖之間的氣隙時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況，并且在制造具有較少數(shù)量的光纖的PL過(guò)程中也觀察到了這一點(diǎn).關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)模式強(qiáng)度分布，這些演變成在PL中激發(fā)的相應(yīng)模式的預(yù)期光圖案，這對(duì)于兩個(gè)MSPL的低階模式來(lái)說(shuō)更加明顯，正如將LP01和LP11模式與圖16中所示的模式進(jìn)行比較時(shí)所看到的那樣.

如圖20所示，當(dāng)將光入射到相應(yīng)的輸入光纖中時(shí)，可獲得每個(gè)MSPL的所有估計(jì)的LP光纖模式，對(duì)應(yīng)于相同的LP模式的兩個(gè)簡(jiǎn)并模式的激發(fā)也使用具有相同芯徑的光纖成功地實(shí)現(xiàn)，但是位于預(yù)制件內(nèi)的對(duì)稱位置.這僅對(duì)于使用10光纖器件獲得的場(chǎng)強(qiáng)模式剖面顯示(見圖19)，而對(duì)于15-光纖PL器件，演示了所有不同9個(gè)LP模式的產(chǎn)生.在這種情況下，兩種模式強(qiáng)度圖具有完全相同的強(qiáng)度分布，但顯示出旋轉(zhuǎn)，因此在強(qiáng)度圖案中的最小值和最大值的空間位置之間切換.

10-光纖MSPL需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，與用于LP31的芯徑相比，用于激勵(lì)LP02的芯徑需要更大的芯徑.通常，與用于激勵(lì)LP02模式的相比，LP31模式的激勵(lì)將需要更小的芯徑，并且固有的傳播常數(shù)更低.然而，10-光纖MSPL器件這兩模式對(duì)應(yīng)芯經(jīng)的情況是相反的，LP02模式需要具有較小纖芯的光纖，這是因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)預(yù)制件包含中心光纖的不同光纖包層.這導(dǎo)致了光纖芯之間的不同距離進(jìn)而影響光耦合條件，從而影響MSPL傳播模式的演化.

MGS-PL產(chǎn)生的模式強(qiáng)度分布圖表現(xiàn)出模組內(nèi)LP光纖模式及其簡(jiǎn)并模的疊加引起的明顯模式混合.這種效果在模式組2、3獲得的光圖案中可以容易地觀察到，并且在模式組4和組5中更明顯(見圖21).盡管存在這種模式混合，但這些PL可能適用于模式混合在某種程度可接受的應(yīng)用，并且進(jìn)一步減少制造所需光纖的多樣性.

將980 nm光源發(fā)射到MSPL中時(shí)，輸出強(qiáng)度分布與在λ=1550 nm的獲得的模式強(qiáng)度分布相似(見圖19c和20c).然而，對(duì)于高階模式，所需的模式強(qiáng)度分布圖已被很好地定義，而低階模式顯示出存在于弱耦合光纖芯中的典型特征，其中包含由纖芯內(nèi)殘余光產(chǎn)生的獨(dú)立光點(diǎn)，這種強(qiáng)度模式分布圖類似于激發(fā)所需LP模式所需的超模.這表明這些器件將表現(xiàn)出波長(zhǎng)依賴性，特別是針對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化的錐度比.注意，當(dāng)產(chǎn)生高階模時(shí)，這種效應(yīng)會(huì)減小，因?yàn)樵贛SPL中激發(fā)這些LP模所需的纖芯直徑較小.一旦錐形加工完成，較小的纖維芯直徑就不能再引導(dǎo)光波.因此，必須合適地選擇器件的幾何結(jié)構(gòu)，以便在所需波長(zhǎng)下正常工作，盡管如此，這些結(jié)果證明了MSPL的寬帶操作，這對(duì)于MSPL的幾個(gè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)理想的特征.

制造的器件內(nèi)的光纖分布成功地產(chǎn)生了所需的LP模式，然而，一個(gè)有趣的特征在于探索制造過(guò)程中的不同配置和變化.由于分配光纖分布的大量可能性和芯徑的變化(與不同的傳播常數(shù)相關(guān)聯(lián))，這可能導(dǎo)致大量可能的響應(yīng).然而，它們中的大多數(shù)將產(chǎn)生由純LP模式的混合組成的輸出強(qiáng)度分布圖案，為了舉例說(shuō)明這種現(xiàn)象，制造了一對(duì)10-光纖MSPL，但在用于上述設(shè)備的光纖配置上略有變化.

3.5.4 MSPL的模式強(qiáng)度分布剖面與模式選擇性.

通過(guò)測(cè)量MSPL的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)模式分布截面圖空間分布上的最小強(qiáng)度與最大強(qiáng)度之間的比值來(lái)獲得模式純度，圖22顯示了從近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)圖案獲得的典型強(qiáng)度分布及其相應(yīng)的模式純度[20,21]，模式強(qiáng)度分布截面圖緊密地跟隨每個(gè)激發(fā)模式所期望的空間強(qiáng)度分布.此外，在傳播過(guò)程中，場(chǎng)的演化保持了空間強(qiáng)度分布，盡管LP02和LP12模式的強(qiáng)度峰值有明顯變化，這仍表明模式保持效應(yīng).

與其他技術(shù)相比，全光纖光子燈籠的一個(gè)顯著特點(diǎn)是損耗最小，若錐形過(guò)程是完全絕熱的，那么這些PL裝置是無(wú)損耗的，10-光纖MSPL的插入損耗測(cè)量值在0.1-0.25 dB范圍.同樣，對(duì)于15-光纖PL，測(cè)量了前四個(gè)模式組的損耗約0.5 dB，而對(duì)于最后一個(gè)模式組，損耗記錄在1-2 dB范圍內(nèi).在這種情況下，第五模式組記錄的更高損耗主要是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的數(shù)值孔徑降低，導(dǎo)致光限制性差，在微結(jié)構(gòu)預(yù)制件上使用足夠低折射率毛細(xì)管可以改善這一點(diǎn).值得一提的是，隨著模數(shù)的增加，PL的制造復(fù)雜度也隨之增加，此外，高階模式更容易受到微擾影響，因此在制造過(guò)程中的微小缺陷可能導(dǎo)致擾動(dòng).

所有光子燈籠的一個(gè)主要特點(diǎn)是易于集成到光纖系統(tǒng)中進(jìn)行光或信號(hào)傳輸，特別是，對(duì)于SDM應(yīng)用，目標(biāo)是將所需的LP模式入射到FMF中.PL的纖芯與傳輸光纖之間的充分配對(duì)是成功對(duì)準(zhǔn)的關(guān)鍵因素，并最終激勵(lì)FMF支持的所有模式.將光子燈籠耦合和熔接到傳輸光纖上是評(píng)估PL的集成能力以及它們?cè)诠饫w系統(tǒng)中性能的一個(gè)典型的測(cè)試，在PL熔接到傳輸FMF上時(shí)，可評(píng)估傳輸光纖每個(gè)支持模式的激勵(lì)和傳輸能力.

圖23是PL的光纖熔接響應(yīng)和模式選擇性分析[20,21]，將10-光纖MSPL熔接到2 m長(zhǎng)、低DGD的6-LP FMF上，F(xiàn)MF外徑為125 μm，芯徑為28 μm.圖23a顯示了FMF輸出處記錄的近場(chǎng)模式強(qiáng)度分布圖，每個(gè)模式的典型耦合損耗(MDL)也包括在內(nèi).一般而言，低階模式在通過(guò)FMF熔接和傳播后表現(xiàn)出對(duì)模式強(qiáng)度分布圖的良好保持，相反，對(duì)于高階模式，觀察到一些模式混合.還請(qǐng)注意，隨著模式組的增加，損耗也會(huì)增加，在這種情況下，PL和FMF之間的折射率分布和NA的不匹配產(chǎn)生模式重疊的差異，從而導(dǎo)致模式耦合.這增加了除了光纖的固有MDL之外的高階模式的MDL，使用具有適當(dāng)?shù)睦w芯幾何形狀和漸變折射率截面的PL將改善MDL.

由于15-光纖PL的數(shù)值孔徑NA較低，該P(yáng)L的最終直徑僅限于35 μm的芯尺寸，這樣，由于9-LP FMF(30 μm芯直徑)大部分纖芯失配和NA差異較大，無(wú)法直接熔接15-光纖PL和9-LP FMF，為了規(guī)避這一限制，采用中間標(biāo)準(zhǔn)MMFs(50 μm芯直徑和漸變折射率分布)進(jìn)行纖芯匹配，為了減小芯徑和匹配9-LP FMF芯的尺寸，對(duì)MMF進(jìn)行了錐形化處理，同時(shí)也限制了不必要模式的傳播，盡管如此，F(xiàn)MF輸出處的模式強(qiáng)度分布展示出模式混合，測(cè)量MDL值約5 dB.

在將成對(duì)的光子燈籠熔接到FMFs的兩端后，可將PL作為復(fù)用解復(fù)用MUX/DEMUX設(shè)備進(jìn)行表征.將來(lái)自具有空間多樣性的掃瞄波長(zhǎng)干涉儀(SWI)的光發(fā)射到多路復(fù)用器MUX的每個(gè)輸入光纖中，測(cè)量DEMUX每個(gè)輸出光纖的輸出功率.這種安排允許沿著整個(gè)C波段和L波段獲得傳輸矩陣，通常用于光纖通信.傳輸矩陣?yán)L制了用于MUX/DEMUX目的的PL輸入和輸出處的歸一化強(qiáng)度，表明從光子燈籠MUX發(fā)送到每個(gè)輸入光纖的光是如何傳輸和耦合到LP模式或模式組的其余部分的.這種圖形表示的一個(gè)重要特征是能夠提供空間信道間串?dāng)_的信息以及模式混合的信息，這反過(guò)來(lái)又允許確定系統(tǒng)的模式選擇性，定義為某模式組的功率在所有模式組中包含的總功率之間的比率.

理想情況下，具有絕對(duì)模式選擇性的系統(tǒng)應(yīng)呈現(xiàn)零模式混合和可忽略的串?dāng)_，因此，對(duì)于僅顯示模式組內(nèi)模式混合的理想MSPL和FMF，在任何單個(gè)光纖上發(fā)射的總功率將僅均勻分布在對(duì)應(yīng)的同一模式組光纖之間(見圖23(b)).相反，對(duì)于一個(gè)完全沒(méi)有模式選擇性的系統(tǒng)，在任何輸入光纖上發(fā)射的光將均勻地分布在所有輸出光纖中.

為了比較不同的場(chǎng)景，研究了兩種情況：一種是使用模式選擇光子燈籠的系統(tǒng)(10光纖MSPL)，另一種系統(tǒng)沒(méi)有任何模式選擇性的PL (15-光纖非MSPL).按照前面描述的步驟，使用相同的光纖(13 μm芯徑)制備了沒(méi)有模式選擇性的PL.使用相同的光纖制備的PL，其輸出光圖案是所有支持的模式的正交組合.兩種情況下得到的轉(zhuǎn)移矩陣如圖23(c)和(d)所示.如圖所示，對(duì)于模式選擇情況，光大部分包含在中心對(duì)角線中，而沒(méi)有模式選擇性的轉(zhuǎn)移矩陣顯示光在所有支持的模式組中傳播.在評(píng)估所需模式中的測(cè)量功率與模式組中所有剩余模式的測(cè)量功率之比后，可以估計(jì)MUX/DEMUX-FMF系統(tǒng)的模式選擇性.這兩種制造器件的這個(gè)參數(shù)的比較如圖23(e)所示.對(duì)于第一個(gè)模式組(LP01)，兩個(gè)PL在模式隔離方面表現(xiàn)出相似的性能.然而，對(duì)于其余的模式組，與非模式選擇系統(tǒng)相比，模式選擇系統(tǒng)在模式組中保留了兩倍的功率.當(dāng)采用具有與FMF更好匹配核心的PL時(shí)，可以進(jìn)一步改善該性能.對(duì)于高階模式組，MSPL系統(tǒng)明顯表現(xiàn)出更好的模式選擇性性能，因此，對(duì)于具有非模式選擇性MUX/DEMUX的系統(tǒng)，模式串?dāng)_將在傳輸期間發(fā)生，特別是對(duì)于高階模式.

3.6 基于激光刻寫的光子燈籠結(jié)構(gòu)與特性

光子燈籠模式選擇性是通過(guò)使用不同的單模光纖引入不對(duì)稱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣每個(gè)單模輸入光纖在多模輸出處映射到特定模式.然而，光纖光子燈籠是通過(guò)堆疊和拉伸光纖手工制作的，不同芯尺寸和折射率所需的光纖數(shù)量與模式數(shù)量成比例.相比之下，用超快激光刻寫制作的集成光子燈籠可以一步一步地簡(jiǎn)單制作出來(lái).此外，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變激光刻寫參數(shù)，從而改變單模波導(dǎo)的尺寸和折射率對(duì)比度，進(jìn)而引入不對(duì)稱性來(lái)實(shí)現(xiàn)模式選擇性，文獻(xiàn)[22,23]展示了一個(gè)基于刻寫激光波導(dǎo)的集成光子燈籠.

文獻(xiàn)[23]展示了一個(gè)6模集成模式組選擇光子燈籠，圖24(a)是模式組選擇性6模光子燈籠示意圖，插圖顯示了端面的顯微鏡圖像；(b)是將1550 nm光注入單個(gè)單模波導(dǎo)輸入而在少模復(fù)合波導(dǎo)處輸出的近場(chǎng)模式強(qiáng)度分布圖.這個(gè)70毫米長(zhǎng)的裝置由6條波導(dǎo)組成，6個(gè)單模波導(dǎo)以線性陣列的形式排列在輸入端，以匹配127 μm間距的光纖陣列.重新映射到具有中心波導(dǎo)的五邊形后，波導(dǎo)在50 mm長(zhǎng)度上逐漸過(guò)渡轉(zhuǎn)變到有一個(gè)中心波導(dǎo)的8 μm半徑五邊形，形成復(fù)合少模波導(dǎo)，如圖24 (a)所示.與之前3模式光子燈籠的報(bào)告[24]不同，對(duì)刻寫參數(shù)和玻璃基板的仔細(xì)選擇導(dǎo)致在輸出端形成均勻的多模波導(dǎo)，沒(méi)有負(fù)折射率對(duì)比區(qū)域(見圖24 (a)的插圖)，負(fù)折射率會(huì)限制輸出處單個(gè)波導(dǎo)的填充密度.采用狹縫方法(1 kHz重復(fù)頻率，800 nm，120 fs)將單程波導(dǎo)刻寫到SchottAF-45玻璃中，脈沖能量分別為1300 nJ(LP02)，1350 nJ(LP21)，1400 nJ(LP11)和1450 nJ(LP01).圖24 (b)顯示了將1550 nm光注入單個(gè)單模波導(dǎo)而成像的輸出近場(chǎng)模式強(qiáng)度分布圖，這些器件是未來(lái)超高帶寬通信網(wǎng)絡(luò)的有希望的解決方案.

綜上所述，光子燈籠能夠?qū)崿F(xiàn)少模信號(hào)的復(fù)用或解復(fù)用，可分為常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)光子燈籠、模式(組)選擇光子燈籠.光子燈籠可采用單模光纖或者多模光纖絕熱拉錐形成，也可采用飛秒激光刻寫波導(dǎo)形成，可與常規(guī)光纖通信系統(tǒng)集成.但是，光子燈籠涉及的模式(組)數(shù)目越多，模式(組)選擇性越差，模式(組)間的串?dāng)_越大，光子燈籠器件的尺寸相對(duì)越大.

4 定向耦合的模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)與特性

文獻(xiàn)[25]提出了一種基于定向耦合的模分復(fù)用器，其中的模式通道采用同種階躍折射率纖芯，纖芯-包層折射率差為0.01.在C波段，模式LP01、LP11a、LP11b、LP21a、 LP21b和LP02的平均耦合效率約-1.82 dB，各模式的消光比約20 dB.文獻(xiàn)[26]提出了基于全光纖模式復(fù)用器的模分復(fù)用-波分復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)，其中波分復(fù)用采用32個(gè)波長(zhǎng)通道，每個(gè)通道間隔100 GHz，每個(gè)通道攜帶3個(gè)模式(LP01模式和兩個(gè)兼并LP11模式)的120 Gb/s偏振復(fù)用正交相移鍵控(PDM-QPSK)信號(hào)，傳輸距離超過(guò)560 Km的少模光纖(FMF)，在C波段范圍內(nèi)全光纖模式復(fù)用器的LP01和LP11模式耦合效率為60%-80%(-2.218--0.969 dB)，LP01與LP11模式的消光比約10-17 dB.

本課題組提出了一種采用定向耦合結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用器[27]，其模式傳輸信道均采用相同的漸變折射率纖芯、纖芯中心采用純二氧化硅材料降低損耗；模式間大有效折射率差(大于0.5×10-3)有效降低模式串?dāng)_，提高模式消光比.在1400-1700 nm波段，耦合效率優(yōu)于-0.479 dB，消光比高于31.2 dB，比文獻(xiàn)[25]中的模式消光比20 dB高出11.2 dB，且波長(zhǎng)范圍更廣；比文獻(xiàn)[26]中C波段模分復(fù)用器的最大消光比17 dB高出14.2 dB.圖25所示的是我們提出的復(fù)用器整體結(jié)構(gòu)(a)、主傳輸信道橫截面x方向(b)和y方向(c)的結(jié)構(gòu)示意圖[27].該復(fù)用器包含三個(gè)相同的傳輸信道，其中一個(gè)作為主傳輸信道.綜合考慮模式信道耦合長(zhǎng)度、信道間距以及耦合效率變化情況，模式LP01直接輸入主傳輸信道，以避免模式LP01信道耦合長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的耦合損耗大、器件尺寸大的問(wèn)題.模式LP11a和LP11b信道分別放置在主傳輸信道橫截面x和y方向上，信道長(zhǎng)度均為33 mm，與主信道的間距均6 μm，通過(guò)以上設(shè)置保證復(fù)用器的高耦合效率和合理耦合長(zhǎng)度.

圖26(a)和(b)分別表示寬帶和C波段三個(gè)獨(dú)立模式信道的耦合效率隨入射波長(zhǎng)的變化情況[27]，圖中帶星號(hào)、圓圈和正方形的實(shí)線分別為L(zhǎng)P01、LP11a和LP11b模式信道耦合效率隨入射光波長(zhǎng)的變化情況；圖26(a)對(duì)應(yīng)1400 nm到1700 nm波長(zhǎng)范圍，圖26(b)對(duì)應(yīng)C波段情況.圖26(a)表明：LP01模式信道的耦合效率隨入射光波長(zhǎng)的增加而減??；LP11a和LP11b模式信道的耦合效率在C波段較高，其耦合效率在C波段外隨入射光波長(zhǎng)的增加或減小而減?。籐P11a和LP11b模式信道的耦合效率變化幾乎一致；LP11a和LP11b模式信道的耦合效率在獨(dú)立信道和復(fù)用器中相同，這是因?yàn)長(zhǎng)P11a和LP11b的相位正交的簡(jiǎn)并模式，復(fù)用器中LP11b模式信道不會(huì)影響模式LP11a的傳輸； LP01模式信道的耦合長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于LP11a和LP11b模式信道的耦合長(zhǎng)度，直接打入復(fù)用器中心信道的LP01模式，在傳輸過(guò)程中會(huì)有部分功率耦合到LP11a和LP11b模式信道，導(dǎo)致復(fù)用器中LP01模式信道的耦合效率小于其在獨(dú)立信道中的耦合效率，隨波長(zhǎng)增加而減?。挥蓤D26(a)可知：在1400 nm到1700 nm波長(zhǎng)范圍，復(fù)用器LP01、LP11a和LP11b模式信道耦合效率優(yōu)于-0.479 dB；由圖26(b)可知：在C波段，復(fù)用器所有模式信道耦合效率的最大值和最小值差均不超過(guò)0.056 dB，模式信道耦合效率隨波長(zhǎng)的變化呈現(xiàn)出平坦特性，復(fù)用器所有模式信道平均耦合效率優(yōu)于-0.140 dB，比文獻(xiàn)[25]復(fù)用器平均耦合效率-1.82 dB好，比文獻(xiàn)[26] 復(fù)用器最好耦合效率-0.969 dB優(yōu).

消光比是除耦合效率外衡量復(fù)用器性能的重要因素，消光比定義為模式耦合的功率最大值除以該模式在該點(diǎn)處耦合到其他模式的最大值.圖27所示為復(fù)用器的3種模式信道的消光比隨入射光波長(zhǎng)的變化，其中帶圓圈和四方框的實(shí)線分別為L(zhǎng)P11a和LP11b模式信道的消光比隨入射光波長(zhǎng)的變化，星號(hào)表示LP01模式信道在各個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的消光比，實(shí)線為L(zhǎng)P01模式信道的消光比擬合曲線[27].由圖27可知，LP01、LP11a和LP11b模式信道的消光比均大致隨入射光波長(zhǎng)的增加而減小，其中LP01模式信道的功率耦合到LP11a或LP11b模式信道的大小隨入射光波長(zhǎng)變化是不平緩的，即LP01模式信道對(duì)LP11a或LP11b模式信道的較低干擾是不均勻的，導(dǎo)致LP01模式信道的消光比隨波長(zhǎng)變化有所波動(dòng).LP11a和LP11b模式通道的消光比是一致的，而LP01模式通道的消光比明顯高于LP11a和LP11b模式通道的消光比.三種模式信道的消光比在1400-1700 nm均優(yōu)于31.2 dB，比文獻(xiàn)[25]中的模式消光比20 dB高出11.2 dB，比文獻(xiàn)[26]中復(fù)用器最好消光比17 dB好14.2 dB，這表明了復(fù)用器在1400-1700 nm范圍內(nèi)的低串?dāng)_特性.

5 結(jié)論

結(jié)合本課題組開展的模分復(fù)用方面的部分工作，比較系統(tǒng)、深入地分析討論了模分復(fù)用研究過(guò)程中相對(duì)經(jīng)典的部分研究工作和最新進(jìn)展，涉及少模模分復(fù)用器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特性及應(yīng)用.分析討論了一種基于相位板的三模式模分復(fù)用器、基于液晶空間光調(diào)制器(LCOS-based SLM)的模分復(fù)用器、常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)型光纖光子燈籠、模式選擇光纖光子燈籠、模式組選擇光纖光子燈籠、模式組選擇刻寫波導(dǎo)型光子燈籠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特性及應(yīng)用.最后，給出了本課題組近期提出的新穎的定向耦合模分復(fù)用器.模分復(fù)用(解復(fù)用)器件逐步從較大尺寸空間分立器件向小型化、集成化光纖型或者波導(dǎo)型器件發(fā)展，從較少模式的復(fù)用器件向較多模式的復(fù)用器件過(guò)渡，較多模式復(fù)用時(shí)從模式選擇復(fù)用器件向模式組選擇復(fù)用器件發(fā)展.今后的較長(zhǎng)一段時(shí)間，采用特殊材料和傳輸信道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有低衰減、低串?dāng)_、高消光比、高模式選擇性等指標(biāo)的模分復(fù)用(解復(fù)用)器件或者技術(shù)仍然是通信領(lǐng)域需要繼續(xù)探索的研究熱點(diǎn).