[发明专利]一种保偏模群选择型光子灯笼及制作和应用

说明书

本发明公开了一种保偏模群选择型光子灯笼，将N根不同的所述少模光纤围绕一根所述椭圆无芯光纤拉锥至所述输出端，该输出端包括呈熔合状态的少模光纤包层及泄漏至所述包层外侧的少模光纤纤芯和呈熔合状态的椭圆无芯光纤，形成具有双折射性质的椭圆环状的折射率分布，所述椭圆环的内椭圆长短轴为a_y、a_x，外椭圆长短轴为b_y、b_x；所述输出端熔接有与所述输出端的折射率分布相匹配的椭圆环芯光纤。本发明通过特殊的毛细管结构和光纤排布，在输出的相邻模群间引入大于10^‑3的有效折射率差，拉锥后形成的应力结构，在同模式不同偏振态之间产生大于10^‑4的极化双折射差，实现偏振和空间模式同时退简并，最大化光纤的通信容量，同时降低传输系统对MIMO‑DSP的要求。

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，特别涉及一种保偏模群选择型模式组复用/解复用器件的结构及其应用。

背景技术

近年来，为满足不断增长的数据流量需求，模式复用技术(MDM)引起了人们的广泛关注。与传统的单模光纤(SMF)不同，少模光纤(FMF)通过使用独立数据流在多个模式上使用相同的载波波长，从而使光纤容量倍增。MDM传输中的关键问题之一是光纤模式之间的串扰，模式复用/解复用器件的设计对于减少这种串扰有着决定性作用。在大多数MDM实验中，使用多输入多输出(MIMO)数字信号处理(DSP)模块来补偿所有空间信道(即全MIMO)之间的多模态串扰。虽然这种方法即使在强耦合FMF传输的系统中也能有效地工作，但随着空间信道的数量的增加，获取传输信息所需的MIMO复杂度迅速增加。由于差分模组延迟(DMGD)直接影响MIMO块的大小，而，因此模式复用/解复用器件设计的目标是使DMGD最小化。

一般的少模光纤(FMF)通信系统中，可以使用非模式选择型光子灯笼(MNS-PL)、模式选择型光子灯笼(MSPL)或模群选择型光子灯笼(MGS-PL)作为模式复用/解复用器件。当使用非模式选择型光子灯笼时，所有模式将发生强耦合。这种强耦合会导致所有模式之间产生很大的串扰从而恶化信号质量，需要更高维数的MIMO块来补偿。MIMO模块的使用，极大地增加了MDM系统数据传输的成本。

然而，MIMO块对于短距离通信是不适用的。一方面，短距离通信系统对功耗和成本相当敏感。另一方面，在短距离传输中使用的是多模光纤(MMF)，较长距离MDM系统的少模光纤(FMF)激发的模式数更多。当模式数量较多时，这会使得MIMO算法复杂程度成比例的增长，最终导致无法实际应用。同时，由于光纤的弯曲和扭转，在多模光纤传输过程中，光纤内同一模式组的空间模式会发生强耦合。

在不去复用单个特定模群之间简并模的情况下，使用模群选择型光子灯笼进行模式群复用/解复用，只利用光纤中非简并的模式群来进行信号传输，在这种情况下，MIMO块仅用于模组内的模耦合补偿，可以大大减小MIMO块的维数。

同时，可以在光子灯笼中引入应力结构使模群选择型光子灯笼产生保偏效果。普通的光纤型器件是对称圆柱体结构设计，但在实际应用中也会受到机械应力变得不对称，产生双折射现象，因此光的偏振态在普通光纤型器件中传输的时候就会毫无规律地变化。变化的主要的影响因素有波长、弯曲度、温度等。保偏是指通过光纤型器件在几何尺寸上的设计，产生更强烈的双折射效应，可以解决偏振态变化的问题，来消除应力对入射光偏振态的影响。具有保偏特性的模群选择型光子灯笼能充分利用少模光纤中的所有模式，以及所有模式的不同偏振态。

现有技术一，公布号为CN108761651A，公布日为2018年11月6日的中国专利文献记载的《OAM模式复用器件、制造方法及复用方法》，其中涉及的选模光子灯笼(MSPL)级联多模偏振控制器(MPC)，能够在单个器件上通过引入多个模式的偏振控制实现单个端口OAM模式的激发及多个OAM模式复用，但MPC的使用引入了额外的复杂度和可能带来的损耗，而且MPC中的弯曲光纤中同时存在多个高阶模式，可能会导致强烈的模间串扰，从而降低OAM模式纯度。同时该MSPL只能产生OAM模式，不具有保偏功能。