趙健

摘 ? 要：“新工科”這一概念提出以來，教育部組織高校進(jìn)行深入研討，形成了“復(fù)旦共識”，“天大行動”和“北京指南”。之后便逐步開啟了新工科建設(shè)的大幕，新工科建設(shè)步入了實質(zhì)性的具體實施階段。通過新工科研究與實踐項目的組織和實施，來全方位、多角度地深入扎實推進(jìn)新工科建設(shè)。在新工科建設(shè)的要求下，本文通過引入多物理場分析軟件結(jié)合國際研究熱點(diǎn)開展了光子燈籠的教學(xué)和實驗研究，取得了較好的教學(xué)效果，為新工科建設(shè)進(jìn)行了一次有益的嘗試。

關(guān)鍵詞：光子燈籠 ?少模光纖 ?模式

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0216-04

Abstract： Since the concept of "New Engineering disciplines"（NEDs） was proposed， the Ministry of Education has organized in-depth discussions in universities， forming the "Fudan Consensus"， "TJU Action" and "Beijing Guide". After that， the curtain of NEDs construction was gradually opened， and the NEDs construction entered a substantial and concrete stage of implementation. Through the organization and implementation of NEDs research and practice projects， all-round and multi-angle in-depth and solid promotion of NEDs construction was carried out. In order to meet the requirements of NEDs construction， this paper introduces multi-physical field analysis software and combines with international research hotspots to carry out the teaching and experimental research of photonic lanterns， and achieves good teaching results， which is a beneficial attempt for the construction of NEDs.

Key Words： Photonic lantern; Few mode fiber; Mode

1 ?新工科實施的背景與意義

教育部曾多次召開高等工程教育相關(guān)研討會，提出了新工科建設(shè)要求，并已達(dá)成“復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，旨在通過新工科建設(shè)，推動人才培養(yǎng)模式等方面的改革。新工科建設(shè)是一項涉及面廣、影響面寬、具有中國特色的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對中國高等教育的改革和發(fā)展具有示范和引領(lǐng)作用。未來的競爭是科技的競爭、人才的競爭，以人工智能、量子信息、區(qū)塊鏈為代表的新科技的迭代升級越來越快。為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，加快建設(shè)發(fā)展新工科，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，促進(jìn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國，教育部牽頭推出了“六卓越一拔尖”計劃2.0。天津大學(xué)作為新工科的“領(lǐng)頭雁”，在全國率先發(fā)布“天津大學(xué)新工科建設(shè)方案”，旨在為新工科建設(shè)提供新范式，為世界新工科建設(shè)提供“天大經(jīng)驗”、貢獻(xiàn)“天大模式”。為了積極響應(yīng)學(xué)校的號召，本文通過光通信技術(shù)基礎(chǔ)這門課程的改革，開展了基于Comsol多物理場仿真軟件對國際研究熱點(diǎn)-光子燈籠的仿真實驗，為新工科建設(shè)進(jìn)行了一次積極的嘗試，取得了較好的效果。

2 ?基于多物理場仿真軟件Comsol的光子燈籠設(shè)計與仿真

為了調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，達(dá)到學(xué)生主動性學(xué)習(xí)的目的，以國際研究前沿吸引學(xué)生，帶領(lǐng)學(xué)生開展相關(guān)實驗。通過這種方式探索新工科教育的教學(xué)方法，為新的課程教學(xué)模式改革和新工科建設(shè)提供有益借鑒，我們以光電信息科學(xué)與工程專業(yè)中的專業(yè)課程改革為參考，以光通信技術(shù)基礎(chǔ)課程為試點(diǎn)開展改革。以下對實驗內(nèi)容的設(shè)計與實施進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 光子燈籠的基本原理

光子燈籠的出現(xiàn)有望解決多模光纖與單模光纖模式轉(zhuǎn)換和耦合效率的問題，所以從其誕生開始就得到了迅速的發(fā)展。作為連接少模光纖和多根單模光纖的低損耗接口器件，基于光子燈籠的模分復(fù)用器能夠?qū)文９饫w中的模式過渡到少模光纖中的特定模式。之所以人們認(rèn)為光子燈籠是現(xiàn)階段空分復(fù)用技術(shù)中最佳的模式復(fù)用技術(shù)，是因為光子燈籠可以在模分復(fù)用中得到更小的模式串?dāng)_損耗并且擁有更高的隔離度。再考慮到光子燈籠的結(jié)構(gòu)也有利于與現(xiàn)有電信技術(shù)集成的特性，其發(fā)展的空間和潛力都十分巨大。

一般的少模光纖通信系統(tǒng)中，可以使用非模式選擇型光子燈籠或者模式選擇型光子燈籠作為復(fù)用/解復(fù)用器件。當(dāng)使用非模式選擇型光子燈籠時，所有模式將發(fā)生強(qiáng)耦合。這種強(qiáng)耦合系統(tǒng)會導(dǎo)致所有模式之間產(chǎn)生很大的串?dāng)_從而惡化信號質(zhì)量，從而必須在接收端采用多入多出的數(shù)字信號處理（MIMO-DSP）來消除這種串?dāng)_所帶來的影響。當(dāng)模式數(shù)量較多時，這會使得MIMO算法復(fù)雜程度成比例的增長，最終導(dǎo)致無法實際應(yīng)用。因此需要選擇模式選擇型光子燈籠，只利用圓形光纖中非簡并的模式群來進(jìn)行信號傳輸，當(dāng)非簡并模間的有效折射率差值很大時，模式間不會發(fā)生耦合，這樣接收端不再需要MIMO-DSP，也能充分利用系統(tǒng)中的所有模式提高模式利用率。據(jù)報道，橢圓芯光纖和環(huán)形光纖可以使光纖中每個模式間的有效折射率差大于10-4，從而消除簡并模間的耦合，這樣模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)中將不需要MIMO-DSP。但橢圓芯光纖與普通的圓形光子燈籠不匹配，會產(chǎn)生嚴(yán)重的損耗和模式串?dāng)_。

2.2 光纖中的模式

從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)出光波電磁場的波導(dǎo)方程，才能夠十分精確地分析光纖中電磁場的傳輸模式性質(zhì)，更進(jìn)一步地獲得光纖的傳輸特性。經(jīng)過一系列推導(dǎo)運(yùn)算，可以得到在纖芯和包層的電場和磁場表達(dá)式：

當(dāng)一個光纖的纖芯折射率n1、包層折射率n2、波數(shù)k、纖芯半徑a等參數(shù)確定后，當(dāng)有多個導(dǎo)模共有同一傳輸常數(shù)β值時，稱為簡并。在固定結(jié)構(gòu)參數(shù)的光纖中，模式的有效折射率n=β/k。當(dāng)n2

一般來說，為了能使光纖中更易產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，光纖纖芯折射率n1和包層折射率n2差值都會很大。但有一種光纖，其中包層和纖芯折射率差值很小近似相等，稱之為弱導(dǎo)光纖?，F(xiàn)如今大多數(shù)的通信光纖也都是這種弱導(dǎo)光纖。在弱導(dǎo)光纖中可以近似認(rèn)為n1≈n2≈n、β=nk，因此對于弱導(dǎo)光纖中β滿足的本征方程可以簡化為

由此得到的混合模和傳輸常數(shù)β相近。電磁場可以線性疊加，用直角坐標(biāo)代替圓坐標(biāo)，使電磁場由六個分量簡化為四個分量，得到Ey、Hx、Ez、Hz和與之正交的Ex、Hy、Ez、Hz。這些模式稱為線性偏振模（Linearly Polarized），并記為LPmn。

2.3 橢圓芯光纖

由于LP模式是簡并的，一種使簡并模式退簡并的思路是利用橢圓芯光纖（e-FMF）。以一只三模式橢圓芯光纖為例，先確定橢圓芯的長軸和短軸分別為a、b。將橢圓芯的短軸設(shè)定為與普通圓形光纖尺寸相同，并采用階躍折射率，具體參數(shù)為n1=1.499，n2=1.444，a=8.15μm，之所以選擇這樣的參數(shù)是因為在該種折射率分布的情況下圓形光纖可以支持三種空間模式。

由圖2可以看出隨著長軸的變化，橢圓光纖中的模式數(shù)量也在不斷變動。當(dāng)b<0.8μm時，光纖中無模式存在，連基模都無法傳輸。當(dāng)0.8μm

2.4 三模橢圓光子燈籠的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3所示即為設(shè)計的三模橢圓光子燈籠的結(jié)構(gòu)示意圖。

設(shè)計的光子燈籠是基于三模橢圓光纖，該光纖參數(shù)為包層125μm，纖芯長半軸8.15μm，短半軸6.5μm，數(shù)值孔徑為0.12。制作光子燈籠使用的套管內(nèi)徑長軸為192μm，短軸為154μm，外徑為1475μm，套管折射率比純硅小0.005，最終的數(shù)值孔徑為0.12。使用的三根不同尺寸的單模光纖用來激發(fā)LP01、LP11a、LP11b三個模式，其光纖包層/纖芯直徑分別為70/9，

100/6.8，70/5.4。以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用COMSOL和MATLAB對此橢圓光子燈籠進(jìn)行了模擬仿真，得到了三種模式的有效折射率變化曲線和拉錐各個階段模式演化圖。

2.5 三模橢圓光子燈籠的仿真結(jié)果分析

先對光子燈籠有效折射率曲線進(jìn)行分析。根據(jù)前文的介紹，想要打破各個簡并模之間的空間簡并，需要使簡并模在光纖中的有效折射率之差大于10-4，將簡并模分為多個獨(dú)立的模式。而通過對有效折射率曲線的觀測，我們可以初步判斷各個階段模式之間是否發(fā)生串?dāng)_。圖4為三模光子燈籠支持模式的有效折射率變化曲線。由圖中可以看出LP01、LP11a、LP11b的有效折射率曲線沒有交叉，且有效折射率之間差值在拉錐結(jié)束后均大于10-4，打破了模式之間的簡并，確保了各個模式之間的獨(dú)立。

再對模式演化圖進(jìn)行分析。當(dāng)拉錐比為1時，如圖5（a）所示，從左到右依次為LP01、LP11a、LP11b模。單模光纖的模式嚴(yán)格限制在單模光纖內(nèi)，此時各個模式之間是非耦合的。隨后在拉錐比為0.4～0.15之間時，如圖5（b）所示，拉錐的進(jìn)行使得光子燈籠的直徑逐步減小，熔融拉錐慢慢損壞了原本光纖結(jié)構(gòu)，原本各光纖中的光場無法再被束縛在纖芯之中，原本的模式逐漸進(jìn)入包層之中，此時原本的包層變成新的“纖芯”，a值變大，“纖芯”的歸一化頻率回到的狀態(tài)，包層中支持多種模式的存在。此時LP01、LP11a、LP11b模式的形狀已經(jīng)初步形成。當(dāng)拉錐比小于0.1，拉錐進(jìn)行到最后的階段，熔融拉錐破壞了原本光纖結(jié)構(gòu)，三種模式完全進(jìn)入包層之中，LP01、LP11a、LP11b模式的折射率完全分離。最終直到拉錐比為0.085，如圖5（c）所示，在傳輸末端形成多模光纖的模式。

3 ?總結(jié)與展望

本實驗設(shè)計緊跟國際學(xué)術(shù)研究前沿?zé)狳c(diǎn)，是目前最新的技術(shù)。教師通過設(shè)計這樣的實驗一方面可以充分調(diào)動學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性和主動性，同時也對解決了枯燥乏味的內(nèi)容不能吸引學(xué)生們興趣的部分問題。通過嘗試表明，學(xué)生們對待專業(yè)實驗的態(tài)度得到明顯改善，積極查閱資料，不斷提出問題并與教師討論，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生們對新知識的追求得到了滿足，對本專業(yè)的發(fā)展趨勢有了更深刻的認(rèn)識。結(jié)合國際前沿?zé)狳c(diǎn)，激發(fā)學(xué)生主動性、積極性的實驗設(shè)計是對新工科教學(xué)的一次有益嘗試。

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