一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器的制作方法

本发明涉及一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，属于基于少模光纤的模分复用通信领域。

背景技术：

到目前为止，光纤通信系统主要是采用波分复用技术来维持人们对网络流量需求的持续性增长。然而，单模光纤受自身固有非线性效应的限制，对其传输容量的利用已趋于极限。基于少模光纤的模分复用技术可以显著提升系统的传输容量，被视为下一代光通信技术。

基于少模光纤的模分复用技术，不再单一使用少模光纤中的某个模式，需要少模光纤中多个模式的同时、稳定传输。因此，在发射端需要模式复用器将多个模式耦合到少模光纤中，并在接收端同样需要模式解复用器将少模光纤中的多个模式分解。

模式复用器/解复用器作为模式复用系统中的关键器件，直接关系到少模光纤中模式传输的质量。现有的模式复用器通常需要分三步来工作。

第一步，是将少模光纤与单模光纤直接熔接，以激发少模光纤中的基模，但两者直接熔接的连接损耗较大，并且还会引起模式间的串扰。

第二步，使用多个模式转换器分别将少模光纤中的基模转换为某一个高阶模，但是转换效率达到20db的宽带模式转换是较为困难的，通常都存在残余基模对转换后的高阶模造成串扰的现象。

第三步，把多根少模光纤中的模式耦合到一根少模光纤中。模式解复用器则是反过程工作。

因此，现有的模式复用器/解复用器工作时都存在较大的损耗和串扰，从而影响信息的传输质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种低损耗、低串扰的基于三芯光纤的模式复用器、解复用器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，复用器包含主体、单模光纤ⅰ、单模光纤ⅱ和少模光纤，所述单模光纤ⅰ和单模光纤ⅱ在主体的一端，少模光纤在主体的另一端，所述主体是由纤芯ⅰ、纤芯ⅱ、纤芯ⅲ和包层构成的三芯光纤，纤芯ⅲ中写有长周期光纤光栅。

所述纤芯ⅰ、纤芯ⅱ中心分别与纤芯ⅲ中心之间的距离相等，纤芯ⅰ、纤芯ⅱ中心分别与纤芯ⅲ中心的连线相互垂直。

所述主体的长度大于长周期光纤光栅的长度。

所述单模光纤ⅰ和单模光纤ⅱ相同，单模光纤ⅰ和单模光纤ⅱ的纤芯与纤芯ⅰ和纤芯ⅱ的直径都相同，分别与纤芯ⅰ和纤芯ⅱ连接，所述少模光纤的纤芯与纤芯ⅲ的直径相同，与纤芯ⅲ连接。

所述单模光纤ⅰ和单模光纤ⅱ及少模光纤与主体连接的一端的包层直径都比另一端的包层直径小，都有一段过渡区。

所述单模光纤ⅰ和单模光纤ⅱ的纤芯折射率与纤芯ⅰ、纤芯ⅱ的折射率相同，所述少模光纤的纤芯折射率与纤芯ⅲ的折射率相同，所述单模光纤ⅰ和单模光纤ⅱ及少模光纤的包层折射率与包层的折射率相同。

所述纤芯ⅰ和纤芯ⅱ为相同的单模纤芯，即纤芯ⅰ、纤芯ⅱ的归一化频率分别为和，满足，纤芯ⅲ为少模纤芯，即纤芯ⅲ（1.3）的归一化频率满足。

所述长周期光纤光栅的周期满足，其中为光栅的中心波长，和分别为纤芯ⅰ中lp01模和纤芯ⅲ中lp11模的有效折射率；所述长周期光纤光栅的长度取为纤芯ⅰ中lp01模和纤芯ⅲ中lp11模的耦合长度。

所述单模光纤ⅰ和单模光纤ⅱ与主体连接一端包层直径同为，满足，少模光纤与主体连接一端包层直径满足，其中为纤芯ⅰ和纤芯ⅱ的直径，为纤芯ⅲ的直径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用两个单模纤芯与写入长周期光纤光栅的少模纤芯的相对位置关系，可以使纤芯ⅰ、纤芯ⅱ的lp01模分别与纤芯ⅲ中两个简并的lp11模（lp11,a模和lp11,b模）发生耦合，再通过匹配的单模光纤和少模光纤进行输入与输出，从而通过对两根单模光纤输入lp01模就可实现少模光纤中lp11,a模和lp11,b模的模式复用，也可以实现对少模光纤输入lp11,a模和lp11,b模分解成两根单模光纤的lp01模的模式解复用。本发明可以应用到基于少模光纤的模分复用系统中，具有较低的损耗和串扰。

附图说明

图1为本发明一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器的结构示意图。

图2为μm时，无长周期光纤光栅下主体中三个纤芯内模式的能量随传播距离的关系图。

图3为本发明从纤芯ⅰ输入lp01模，在长周期光纤光栅区模式的能量耦合随传播距离的关系图。

图4为本发明从纤芯ⅱ输入lp01模，在长周期光纤光栅区模式的能量耦合随传播距离的关系图。

图5为本发明从纤芯ⅰ输入lp01模，在长周期光纤光栅区不同传播距离时的模式分布图，（a）z=0，（b）z=l/3，（c）z=2l/3，和（d）z=l。

图6为本发明从纤芯ⅱ输入lp01模，在长周期光纤光栅区不同传播距离时的模式分布图，（a）z=0，（b）z=l/3，（c）z=2l/3，和（d）z=l。

图7为本发明从纤芯ⅰ输入lp01模，在长周期光纤光栅区归一化输出能量随波长的关系图。

图8为本发明从纤芯ⅱ输入lp01模，在长周期光纤光栅区归一化输出能量随波长的关系图。

图9为本发明在长周期光纤光栅区纤芯ⅲ中lp01模、lp21模和lp02模的归一化输出能量随波长的关系图。

其中：主体1、纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2、纤芯ⅲ1.3、包层1.4、长周期光纤光栅1.5、单模光纤ⅰ2、单模光纤ⅱ3、少模光纤4。

具体实施方式

参见图1，本发明一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器，该复用器的主体1是由纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2、纤芯ⅲ1.3和包层1.4构成的三芯光纤，纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2为两个相同单模纤芯，纤芯ⅲ1.3为少模纤芯，纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2中心分别与纤芯ⅲ1.3中心的连线相互垂直，纤芯间距（纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2中心分别与纤芯ⅲ1.3中心的距离）相等。在纤芯ⅲ1.3中写入一段长周期光纤光栅1.5，使纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2的lp01模与纤芯ⅲ1.3中的lp11模满足长周期光纤光栅相位匹配条件，长周期光纤光栅1.5的周期满足，其中为光栅的中心波长，和分别为纤芯ⅰ1.1中lp01模和纤芯ⅲ1.3中lp11模的有效折射率。由于纤芯ⅰ1.1和纤芯ⅱ1.2与纤芯ⅲ1.3的相对位置关系，纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2的lp01模可以与纤芯ⅲ1.3中两个简并的lp11模（lp11,a模和lp11,b模）发生耦合，主体1一端连接与纤芯ⅰ1.1和纤芯ⅱ1.2匹配的单模光纤ⅰ2和单模光纤ⅱ3，另一端连接与纤芯ⅲ1.3匹配的少模光纤4。从单模光纤ⅰ2和单模光纤ⅱ3分别输入lp01模就可实现从少模光纤4输出lp11,a模和lp11,b，此为模式复用器，从少模光纤4输入lp11,a模和lp11,b模可实现从单模光纤ⅰ2和单模光纤ⅱ3分别输出lp01模，此为模式解复用器。模式解复用器是模式复用器的反向工作，耦合性能相同，本发明仅对模式复用器进行说明。

主体1的纤芯间距须适中，确保在纤芯ⅲ1.3没有写入长周期光纤光栅的情况下，纤芯之间不会发生能量耦合。参见图2，纤芯间距μm时，纤芯ⅲ1.3中四个模式的耦合能量都随传输距离呈周期性变化，其中lp21、lp02模的耦合能量较大，但最大耦合能量皆小于-20db；纤芯ⅱ1.2的lp01模的耦合能量随传输距离有一定的上升，但在有限的距离内（50mm）耦合能量仍然很弱（<-40db）。说明纤芯间距μm，能够满足要求。但也不是纤芯间距越大越好，因为纤芯间距过大会导致纤芯间模式的耦合效率变小，影响器件的性能，从而确定纤芯间距μm。

参见图3~4，分别从纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2输入lp01模，在长周期光纤光栅区（纤芯ⅲ1.3写入长周期光纤光栅1.5的那段主体1）纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2中lp01模的能量减少，纤芯ⅲ1.3中的lp11模的能量增加，传输50mm后纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2中lp01模的绝大部分能量转移到纤芯ⅲ1.3中的lp11模，即将长周期光纤光栅1.5的长度取为mm。并且对于纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2，从其中一个纤芯输入lp01模，另一个纤芯中没有lp01模生成。这就说明从纤芯ⅰ1.1输入的lp01模转换成纤芯ⅲ1.3中的lp11模后，不会转换成纤芯ⅱ1.2中的lp01模，从纤芯ⅱ1.2输入lp01模同样也不会转换成纤芯ⅰ1.1中的lp01模。从而保证了纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2与纤芯ⅲ1.3间的模式耦合是相互独立的，可以同时进行。

参见图5~6，分别从纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2输入lp01模，在长周期光纤光栅区，纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2的lp01模慢慢向纤芯ⅲ1.3中转移，最终转换为纤芯ⅲ1.3中的lp11模。可以看见，图7和图8中最后转换成的lp11模相差90°，即为两个简并的lp11模，lp11,a和lp11,b。当分别从纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2输入偏振的lp01模，纤芯ⅰ1.1处于纤芯ⅲ1.3的水平方向，纤芯ⅱ1.2处于纤芯ⅲ1.3的竖直方向，正好分别激发纤芯ⅲ1.3中的lp11,a模和lp11,b模。

定义纤芯ⅲ1.3中lp11模的归一化输出能量大于-1db的波长范围为本发明的工作带宽。参见图7~8，分别从纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2输入lp01模，转化成纤芯ⅲ1.3中lp11,a模和lp11,b模的工作波长范围分别为1538~1563nm和1540~1565nm，则本发明的工作波长范围为1540~1563nm，工作带宽为23nm。

参见图9，在工作波长范围内，纤芯ⅲ1.3中lp01、lp21和lp02模的输出能量分别小于-34.8、-22.3和-23.4db，相比于纤芯ⅲ1.3中lp11,a模，皆至少小-21db。从而确保纤芯ⅲ1.3中lp11,a模不受其他模式的串扰。如此可说，纤芯ⅲ1.3中lp11,a模和lp11,b模能够实现低串扰传输，输出到少模光纤4中可实现对lp11,a模和lp11,b模高品质复用。

以下结合附图说明本发明的优选实施例。

实施例一：

参见图1，纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2、纤芯ⅲ1.3的折射率与单模光纤ⅰ2和单模光纤ⅱ3、少模光纤4的纤芯折射率都为1.455，包层4的折射率与单模光纤ⅰ2和单模光纤ⅱ3、少模光纤4的包层折射率都为1.45；纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2的直径与单模光纤ⅰ2和单模光纤ⅱ3的纤芯直径都为8.2μm，纤芯ⅲ1.3的直径与少模光纤4的纤芯直径都为20μm，单模光纤ⅰ2和单模光纤ⅱ3与纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2连接一端的包层直径为20μm，少模光纤4与纤芯ⅲ1.3连接一端的包层直径为35μm；纤芯ⅰ1.1、纤芯ⅱ1.2的中心与纤芯ⅲ1.3的中心的距离都为24μm；长周期光纤光栅1.5的周期为1760μm，调制深度为0.002，长度为50mm。从模式复用器的单模光纤ⅰ2和单模光纤ⅱ3同时输入lp01模，从模式复用器的少模光纤4输出lp11,a模和lp11,b模，归一化输出能量大于-1db的波长范围为1540~1563nm，模式复用器的工作带宽为23nm，纤芯ⅲ1.3中其他模式皆比lp11模至少小-21db。

另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。