尤貝+賈宏志+涂建坤

摘要： 為了進(jìn)一步提高光纖通信傳輸容量以及突破單模光纖的容量極限，提出了一種新型的模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以將單模光纖中的纖芯基模轉(zhuǎn)換為雙模光纖中的高階模?；隈詈夏＠碚?，通過MATLAB仿真與計(jì)算，證明此復(fù)用器的模式轉(zhuǎn)換率可以達(dá)到100%，轉(zhuǎn)換帶寬為10 nm。由于其良好的轉(zhuǎn)換效率和帶寬，此復(fù)用器裝置可以用于模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)中來增加光纖通信的傳輸容量。

關(guān)鍵詞： 光纖通信； 復(fù)用器； 高階模； 單模光纖

中圖分類號： TN 253 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.017

文章編號： 1005-5630（2016）05-0466-005

引 言

雙模光纖（two-mode fiber，TMF）能夠支持兩個(gè)模式，所以可以同時(shí)傳播兩個(gè)模式，每個(gè)模式作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，這樣就可以增加光纖通信的容量[1-2]。在模分復(fù)用（mode division multiplexing，MDM）傳輸中，多輸入多輸出和模式選擇性耦合器是復(fù)用/解復(fù)用模式的兩個(gè)重要技術(shù)。本文提出了一種新穎的模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)是基于兩根平行放置的長周期光纖光柵（long-period fiber grating，LPFG），原理是基于光纖光柵的模式耦合和模式在兩根光纖之間的耦合[3]。新模式在此復(fù)用器傳輸過程中，不會出現(xiàn)耦合干擾，所以可以將它應(yīng)用于模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)中。

1 模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)

本文提出的模式復(fù)用器是基于平行放置的LPFG結(jié)構(gòu)，如圖1所示。模式的耦合過程：首先，單模光纖（SMF）中的基模LP01經(jīng)過光柵耦合到包層模HE13；然后，此包層模耦合到雙模光纖（TMF）中同樣的包層模HE13；最后，TMF中的包層模HE13經(jīng)過傾斜光柵耦合到所需要的高階模LP11[4]。在此過程中，包層模HE13作為兩根光纖之間耦合的媒介模。

在我們設(shè)計(jì)的復(fù)用器結(jié)構(gòu)中，SMF和TMF的參數(shù)見表1。對于TMF，它的歸一化頻率為V=3.458，對于SMF，它的V=2.075[5]。這個(gè)平行LPFG結(jié)構(gòu)浸泡在一種折射率匹配液中，液體折射率為1.445，工作波長為λ=1 550 nm。在這里，我們選擇包層模HE13作為媒介模。

2 復(fù)用器的耦合機(jī)理

本節(jié)分析光柵傾斜對包層模HE13和高階纖芯模LP11之間耦合的影響以及包層模HE13在兩根光纖之間的跨光纖耦合。單模光纖中基模LP01與一階包層模HE1m之間的耦合機(jī)理已經(jīng)很成熟，我們在這里就不做分析[6]。TMF中傾斜角度為θ的光柵條紋的橫截面和側(cè)面如圖2所示，它有兩個(gè)作用：一方面，可以控制傾斜使縱向調(diào)制與相位匹配條件相一致；另一方面，可以控制傾斜使橫向調(diào)制直接影響耦合系數(shù)，耦合系數(shù)的定義如下[7]：

對于包層模HE13與高階纖芯模LP11的耦合，它們在纖芯的場分布圖形以及光柵條紋的橫截面如圖3所示。

光柵條紋有兩個(gè)相互垂直的方向，這是由于LP11模有兩個(gè)正交的電場分布，即LP11odd和LP11even，這與雙模光纖中纖芯基模LP01到高階模LP11的耦合情況類似[7]。此時(shí)，光柵的調(diào)制周期為Λx=Λy=2a1。因此，為了獲得兩個(gè)模式之間最大的耦合系數(shù)，由式（2）以及相位匹配條件，可以計(jì)算出光柵的傾斜角度θ和光柵周期Λg：

在TMF中，纖芯模LP01和LP11依次沿著傳輸方向復(fù)用。當(dāng)TMF中的傾斜光柵將包層模HE13耦合到LP11時(shí)，可能會同時(shí)將已經(jīng)存在的LP01耦合到其他的包層模，如果這個(gè)包層模存在，根據(jù)相位匹配條件，可計(jì)算出它的有效折射率為1.453 574。表2列出了部分包層模的有效折射率[8]，可以看出，最大有效折射率的包層模HE11的值僅為1.449 955。所以在耦合過程中不會出現(xiàn)耦合干擾。

包層模在兩根光纖之間的跨光纖耦合在我們之前的工作中已有分析[3]。利用文獻(xiàn)[3]中的跨光纖模式耦合系數(shù)公式，我們計(jì)算出包層模HE13從SMF到TMF的耦合系數(shù)為CTS=2.78×10-8 nm-1，耦合長度為Lc=5.65 cm，此長度值合理。

3 分析與模擬

本節(jié)以數(shù)值模擬SMF中LP01到TMF中LP11的耦合效率。因?yàn)長P11奇偶模只與光柵的傾斜方向有關(guān)，所以我們可以忽略耦合時(shí)它們之間的不同。在平行結(jié)合的LPFG中，耦合模方程可以表示為[9-10]：

模式耦合的數(shù)值計(jì)算與模擬可以通過傳遞矩陣法求解耦合模方程來解決[7]。通過計(jì)算，得到模式的能量轉(zhuǎn)換譜如圖4所示，可以看出，SMF的LP01到TMF的LP11能量轉(zhuǎn)換率接近100%，轉(zhuǎn)換帶寬約為10 nm。

4 復(fù)用器在模分復(fù)用傳輸上的應(yīng)用

支持兩個(gè)纖芯模的TMF中，理論上是三個(gè)正交的模式分別作為三個(gè)獨(dú)立的通道傳輸數(shù)據(jù)，即LP010，LP11odd，LP11even，如圖5所示。

兩個(gè)復(fù)用器分別將兩個(gè)基模LP011，LP012耦合到TMF對應(yīng)的高階模上進(jìn)行復(fù)用，并在接收端通過相應(yīng)的解復(fù)用器解復(fù)用。解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)和復(fù)用器的結(jié)構(gòu)是一樣的，只是模式耦合的過程剛好相反。由于是全光纖結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用器/解復(fù)用器有很好的兼容性，而且此結(jié)構(gòu)的復(fù)用器可以擴(kuò)展到FMF（few-mode fiber）中復(fù)用三個(gè)或更多的模式，此時(shí)為了避免耦合干擾，所選取的包層模就要進(jìn)行相應(yīng)的改變。

5 結(jié) 論

本文分析了基于平行結(jié)合的長周期光纖光柵的復(fù)用器的耦合機(jī)理。單模光纖（SMF）中的基模LP01經(jīng)過光柵耦合到包層模HE13，然后此包層模耦合到雙模光纖中（TMF）同樣的包層模HE13，最后TMF中的包層模HE13耦合到所需要的高階模LP11。對于高階模LP11的復(fù)用，TMF中的光柵條紋需要傾斜，傾斜角度可以根據(jù)光柵的縱向和橫向調(diào)制周期來確定。此復(fù)用器裝置作為一個(gè)重要器件可以應(yīng)用于模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)中，為增加光纖通信的傳輸容量提供了更多有效的方法。

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