伍淑堅,杜 城,羅文勇,李尚遠(yuǎn),李 偉,柯一禮,何 晴,戚 衛(wèi)

(1.烽火通信科技股份有限公司,武漢 430074;2.銳光信通科技有限公司,武漢 430074; 3.清華大學(xué) 電氣工程系,北京 100084)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,全球網(wǎng)絡(luò)流量保持了每年30%以上的增長速度。如何可持續(xù)地提高通信系統(tǒng)容量以應(yīng)對不斷增長的容量需求,已成為光通信亟待解決的關(guān)鍵問題。近年來基于軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式的空分復(fù)用技術(shù)在國內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注。但由于OAM模式的特殊性,傳統(tǒng)單模光纖會導(dǎo)致模式串?dāng)_,無法支持OAM模式長距離傳輸。因此光子OAM光纖通信迫切需要可支持多個OAM模式傳輸?shù)牡痛當(dāng)_和低損耗光纖。

美國波士頓和南加州大學(xué)合作在2012年利用高折射率環(huán)形光纖實現(xiàn)了4個模式(含兩個OAM模式)1.1 km無多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)復(fù)用傳輸[1],并在2013年結(jié)合波分復(fù)用傳輸使傳輸速率達(dá)到1.6 Tbit/s[2]；為進(jìn)一步增大環(huán)形光纖纖芯和包層的折射率差,2013年美國波士頓大學(xué)設(shè)計并制作了空氣芯環(huán)形光纖,實現(xiàn)了12個光渦旋模式傳輸[3]；加拿大拉瓦爾大學(xué)也設(shè)計了一種空氣芯環(huán)形光纖,其可支持36個光渦旋模式[4]?？諝庑经h(huán)形光纖可以支持更多數(shù)量的光渦旋模式,但目前報道的傳輸距離還都較短,光纖損耗較大。

因此,為解決新型長傳輸距離和大容量OAM傳輸光纖技術(shù)面臨的問題,本文開展了單環(huán)、多環(huán)以及保偏型OAM光纖和OAM光子晶體光纖的技術(shù)研究,并對直插式光纖放大器所需要的環(huán)形芯摻鉺光纖進(jìn)行了研究,以滿足與長距離OAM傳輸光纖的匹配增益。

1 環(huán)形芯OAM傳輸光纖研究

1.1 單環(huán)芯結(jié)構(gòu)光纖研究

由于OAM模式的特殊性,傳統(tǒng)的單模和多模光纖會導(dǎo)致模式串?dāng)_,無法支持光子OAM模式在光纖中長距離傳輸。因此光子OAM光纖通信迫切需要新型光纖?；诠饫w制造難度與工程化需求,本文針對契合OAM模式光強(qiáng)特點的環(huán)形芯光纖開展了研究。

OAM模式組內(nèi)的模式傳播常數(shù)分裂量Δβ=2πΔneff/λ與光纖折射率剖面n(r)的徑向?qū)?shù)有極大的關(guān)系:

式中:Δneff為模式傳輸有效折射率差；λ為信號光波長；r為單環(huán)芯厚度；n為單環(huán)芯相對折射率；→e為模式的電場分布；A為芯區(qū)面積(d A為面積微元)；tot為total簡寫。因此,面向無MIMO OAM模式復(fù)用方案的OAM光纖設(shè)計,采用高折射率差、高折射率導(dǎo)數(shù)的階躍型結(jié)構(gòu)。通過模擬仿真,形成能夠支持±2階OAM模式的實心單圓環(huán)芯OAM光纖結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖2所示為仿真單圓環(huán)芯結(jié)構(gòu)光纖的輸出強(qiáng)度與輸出相位情況。

根據(jù)單圓環(huán)芯結(jié)構(gòu)OAM信號傳輸光纖結(jié)構(gòu)特點,綜合比較多種光纖預(yù)制棒制造工藝技術(shù)特點,團(tuán)隊采用等離子體化學(xué)氣相沉積(Plasma Chemical Vapor Deposition,PCVD)工藝進(jìn)行單圓環(huán)芯結(jié)構(gòu)OAM光纖制備工藝研究。通過對環(huán)形纖芯折射率突變控制和內(nèi)應(yīng)力消除等工藝難點開展攻關(guān),解決了高折射率環(huán)形纖芯結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒應(yīng)力損傷難題,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)均一的大尺寸環(huán)形纖芯結(jié)構(gòu)OAM光纖預(yù)制棒制備。通過反復(fù)的工藝研究與驗證,形成了環(huán)形纖芯光纖高穩(wěn)態(tài)拉絲工藝技術(shù),有效保障了高折射率環(huán)形纖芯結(jié)構(gòu)在高溫形變中的結(jié)構(gòu)一致性。最終實現(xiàn)了單圓環(huán)芯結(jié)構(gòu)OAM傳輸光纖的研制,其光纖預(yù)制棒折射率剖面圖與OAM光纖端面如圖3所示。

提升不同階數(shù)OAM模式間的有效折射率差,在光纖制造工藝方面面臨多方面瓶頸。因此,從系統(tǒng)應(yīng)用角度降低MIMO信號處理難度,也能夠?qū)崿F(xiàn)更大容量的光纖傳輸目標(biāo),對光纖的傳輸要求也發(fā)生改變。

圖1 滿足±2階OAM模式的實心單圓環(huán)芯光纖結(jié)構(gòu)

圖2 仿真單圓環(huán)芯光纖+1、+2階OAM模式輸出

團(tuán)隊采用耦合模理論對光纖結(jié)構(gòu)微擾(例如微彎曲)OAM光纖模式組間耦合系數(shù)進(jìn)行了理論分析。將微擾進(jìn)行二階泰勒級數(shù)展寬:

圖3 光纖預(yù)制棒折射率剖面與OAM光纖端面圖

式中:x、y和z為光纖中的坐標(biāo)系,以光纖纖芯為原點,截面為xy平面,光傳播方向為z；Δn為光纖內(nèi)各處折射率的變化；f(z)為折射率沿z方向的變化(主要是彎曲引起的)；n0為z=0即光纖端面處的折射率,將這一點選作起始點；由于光纖采用xyz坐標(biāo)系并不方便,因此在計算中將光纖的橫截面由xy平面轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)系(柱坐標(biāo)系)的r和φ,其分別為離z軸的距離和偏離參考點的角度。

式(2)的一階項主要引起相鄰模式組間耦合,二階項主要引起隔一階的模式組間耦合?；谏鲜隼碚摲治?通過優(yōu)化光纖剖面,以降低上述組間耦合系數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行了超低耦合環(huán)芯光纖設(shè)計優(yōu)化。利用OAM模式組內(nèi)的4個OAM模式傳輸4路信號,在進(jìn)行4×4 MIMO信號處理時,需要盡量降低模式組內(nèi)部的群延遲差以降低MIMO濾波器的規(guī)模(抽頭數(shù)),需要光纖組內(nèi)OAM模式間盡量簡并(傳播常數(shù)盡量相同)。因此,通過模擬仿真分析,將環(huán)形芯結(jié)構(gòu)波導(dǎo)由階躍型分布優(yōu)化為特定的漸變型折射率分布。通過工藝優(yōu)化,提高芯—包層折射率差,降低光纖內(nèi)部的各種微擾,成功拉制了高質(zhì)量的新型漸變拋物線折射率環(huán)芯OAM光纖。

如圖4所示,通過采用芯層高摻鍺和包層摻氟工藝,獲得了高達(dá)0.025的芯—包層折射率差。共支持0～5階6個模式組,其中1階以上模式組間的neff均大于1e-3,模式組間串?dāng)_＜-23 d B/km,足以支持較長距離傳輸。組內(nèi)4個OAM模式間的neff均小于1e-5,實現(xiàn)了高度的組內(nèi)模式簡并,全面達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。其中R為光纖幾何中心至環(huán)形芯折射率最高處的距離；w為漸變環(huán)型芯區(qū)的寬度；Δ為芯區(qū)相對折射率差；l為OAM階數(shù)。

圖4 環(huán)形纖芯光纖結(jié)構(gòu)圖及支持模式組

本文對所研制的實心單環(huán)OAM光纖的傳輸特性進(jìn)行了進(jìn)一步研究。測量結(jié)果如圖5所示,經(jīng)2 m的環(huán)形光纖傳輸后,可以得到OAM模場圖和干涉圖,證明光纖中激發(fā)出了相應(yīng)的OAM模式。經(jīng)過5.5 km傳輸后,得到穩(wěn)定的模場圖和解調(diào)后的高斯亮斑,說明環(huán)形光纖支持±1和±2階OAM模式的傳輸。

該光纖共拉制3個批次,通過工藝改善與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)整型優(yōu)化,其損耗不斷改善,分別為1.0、0.75及0.34 d B/km,最長樣品達(dá)50 km。已在該漸變折射率環(huán)芯光纖上演示了具有8個OAM模式和12個波長的模分復(fù)用-波分復(fù)用(Mode Division Multiplexing-Wavelength Division Multiplexing,MDM-WDM)方案,其總?cè)萘繛?.376 Tbit/s,并打破了光子軌道角動量-模分復(fù)用(Orbital Angular Momentum-Mode Division Multiplexing,OAMMDM)的10 km障礙。

圖5 單環(huán)階躍型OAM光纖模式傳輸結(jié)果

1.2 多環(huán)芯結(jié)構(gòu)光纖研究

為了進(jìn)一步提高單根光纖中支持OAM模式的數(shù)量,本文結(jié)合空分復(fù)用理念,設(shè)計了3環(huán)OAM光纖結(jié)構(gòu),3個環(huán)芯分別支持0～±2、0～±2和0～±5階OAM傳輸,總共支持36個有效OAM通道。具體的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計結(jié)果如圖6所示,圖中,r1為光纖幾何中心至第1芯層內(nèi)邊緣的距離；r2為光纖幾何中心至第1芯層外邊緣的距離；r3為光纖幾何中心至第2芯層內(nèi)邊緣的距離；r4為光纖幾何中心至第2芯層外邊緣的距離；r5為光纖幾何中心至第3芯層內(nèi)邊緣的距離；r6為光纖幾何中心至第3芯層外邊緣的距離。每個環(huán)模式間的有效折射率差如圖7所示。

圖6 3環(huán)OAM光纖設(shè)計參數(shù)

結(jié)合優(yōu)化的沉積參數(shù)和材料配方,團(tuán)隊實現(xiàn)了纖維輪廓的精確控制,可準(zhǔn)確地實現(xiàn)在光纖包層中具有環(huán)形芯結(jié)構(gòu)的制造,該技術(shù)有利于具有較高有效折射率差的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。同時,系統(tǒng)性地研究多環(huán)芯光纖的制備工藝技術(shù),通過控制纖芯折射率的波動并減小光纖內(nèi)應(yīng)力,解決了光纖性能的脆弱性問題,成功制備了結(jié)構(gòu)均勻度高的大尺寸環(huán)形芯光纖。光纖實物端面如圖8所示。

圖7 每個環(huán)內(nèi)模式間有效折射率差

圖8 3環(huán)型光纖端面檢測圖

測量系統(tǒng)對2 m的同軸3環(huán)光纖傳輸特性進(jìn)行了測量分析,結(jié)合左旋和右旋兩個偏振態(tài),在1.55μm波長處共實現(xiàn)了96個OAM模態(tài)的傳輸。其中內(nèi)環(huán)可以傳輸0～±4階共16個不同的OAM模態(tài)；中環(huán)可以傳輸±6～±14階共36個不同的OAM模態(tài)；外環(huán)可以傳輸±10～±20階共44個不同的OAM模態(tài)。測量所得的96個OAM模態(tài)的模場分布圖和干涉圖如圖9所示。

圖9 同軸3環(huán)光纖傳輸后,輸出的96個OAM模態(tài)的模場分布圖及干涉圖

2 特殊波導(dǎo)OAM-保偏型環(huán)形芯光纖研究

階躍型高折射率差光纖可以將每個模式組內(nèi)的4個OAM模式分裂為兩個小組,但每個小組仍然包含兩個簡并模式。其中一組為OAM與偏振同向旋轉(zhuǎn)(均為左旋或右旋),另一組為OAM與偏振反向旋轉(zhuǎn)(OAM左旋、偏振右旋或OAM右旋、偏振左旋)。通過打破光纖的圓對稱性,可以進(jìn)一步分裂兩個偏振態(tài),從而實現(xiàn)4個模式完全非簡并。

團(tuán)隊提出一種熊貓型結(jié)構(gòu)的保偏環(huán)形光纖,支持LP01x、LP01y、共10個模式的傳輸,并使每個模式間的Δneff都大于1×10-4,模式間保持分離用作獨立通信信道。光纖結(jié)構(gòu)解決了高階保偏模式的截止問題,是現(xiàn)有光纖結(jié)構(gòu)中支持保偏模式數(shù)量(10個)最多的光纖。光纖結(jié)構(gòu)如圖10所示,圖中,L為光纖應(yīng)力區(qū)直徑；Λ為應(yīng)力區(qū)中心到光纖芯區(qū)中心的距離。

分析每個模場分布,如圖11所示。圖11(a)中給出應(yīng)力區(qū)域不存在時,高折射率環(huán)狀區(qū)域中的模場圖。當(dāng)引入應(yīng)力棒時,由于應(yīng)力雙折射作用,每個本征模式會演變成為相應(yīng)的LP模式,模場分布變?yōu)閳D11(b)。

圖10 保偏型環(huán)形芯OAM光纖設(shè)計圖

圖11 保偏環(huán)芯模場分布圖

3 摻鉺型環(huán)形芯結(jié)構(gòu)OAM光纖

目前國內(nèi)普遍采用的稀土離子摻雜方式為液相摻雜法工藝,即將稀土離子浸入疏松的二氧化硅粉末中,然后進(jìn)行燒結(jié)。該工藝較為簡單、靈活性好,因而已被廣泛應(yīng)用。但這種方法摻雜濃度偏低,重復(fù)性差,且由于工藝限制,普遍存在著摻雜不均勻、摻雜濃度高發(fā)生析出和預(yù)制棒纖芯直徑很難做大等技術(shù)難點,不適用于面向長距離傳輸系統(tǒng)的摻鉺OAM增益光纖的研制。

因此研究團(tuán)隊基于稀土離子螯合物高溫蒸發(fā)系統(tǒng),配合高精度的改進(jìn)化學(xué)氣相沉積(Modified Chemical Vapour Deposition,MCVD)裝備,開展全氣相高濃度摻雜工藝研究,實現(xiàn)稀土離子與共摻劑的全氣相摻雜,以突破制約通信系統(tǒng)信號放大效率的增益穩(wěn)定性和信號噪聲控制瓶頸,實現(xiàn)高濃度均勻摻鉺光纖預(yù)制棒制備。

同時,研究團(tuán)隊還開展了摻鉺光纖拉絲工藝研究,針對環(huán)形芯結(jié)構(gòu)長度方向上一致性需求,明確不同摻雜組分與拉絲工藝參數(shù)的交互作用,實現(xiàn)環(huán)形芯結(jié)構(gòu)摻鉺OAM傳輸光纖的高穩(wěn)態(tài)拉制。由于摻鉺光纖中存在包括鋁和磷等多種共摻劑,在拉絲工序中由于不同元素在高溫熔融環(huán)境下擴(kuò)散特性的差異,會造成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化并影響摻鉺光纖的增益特性。因此,為了提升光纖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,需要對加熱爐體的適應(yīng)性進(jìn)行改造,對高溫爐保護(hù)氣流與溫度場的穩(wěn)定性進(jìn)行研究并對高溫爐進(jìn)行改造,對涂覆模具的全新設(shè)計與制造和對系統(tǒng)PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定設(shè)計等。同時還需要對制造摻鉺OAM光纖的拉絲工藝涉及的各項參數(shù)進(jìn)行充分的研究,如研究拉絲溫度、送棒速度、涂覆材料、拉絲速度、固化條件、收絲條件、環(huán)境溫度和濕度等對光纖幾何尺寸、光學(xué)特性和機(jī)械特性等的影響,滿足與長距離OAM傳輸光纖匹配增益光纖的研制。最終實現(xiàn)具備良好增益放大特性的支持OAM信號放大的系列摻鉺光纖,OAM信號增益效果如圖12所示。其增益達(dá)到了15～20 d B。

圖12 摻鉺OAM增益光纖測試結(jié)果

4 光子晶體型環(huán)形芯OAM傳輸光纖

為了多途徑實現(xiàn)光纖波導(dǎo)介質(zhì)中OAM信號的高保真和大容量長距離傳輸,與相關(guān)合作單位開展了具有支架式中空環(huán)形芯微結(jié)構(gòu)OAM傳輸光纖的設(shè)計與工藝研究。經(jīng)過模擬仿真,獲得了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,并基于系統(tǒng)性工藝研究解決了空氣孔塌陷和中心環(huán)形變等工藝難點,實現(xiàn)了如圖13所示的環(huán)形芯微結(jié)構(gòu)OAM光纖研制。由測試分析可知,目前OAM傳輸光纖的信號傳輸性能與仿真結(jié)果存在差異,因此在設(shè)計方面優(yōu)化調(diào)整石英桿結(jié)構(gòu)厚度及中心環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸,以期實現(xiàn)多個OAM模式的穩(wěn)定傳輸,形成如圖14所示的光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖13 環(huán)形芯微結(jié)構(gòu)OAM光纖SEM檢測端面圖

圖14 改進(jìn)型環(huán)形芯微結(jié)構(gòu)OAM光纖設(shè)計圖

5 結(jié)束語

本文探索研究了光波導(dǎo)中電磁波OAM模式群傳播與演化機(jī)理,模擬并評估了OAM模式在不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖中的模式特性和傳播效果,并在原創(chuàng)性模塊化MIMO的可擴(kuò)展系統(tǒng)架構(gòu)中,實現(xiàn)了10 km距離8個螺旋光模式復(fù)用光纖的制造,數(shù)據(jù)總?cè)萘窟_(dá)5.12 Tbit/s,頻譜效率10.24 bit/s/Hz。后續(xù)需要繼續(xù)開展OAM信道特性的機(jī)理研究,面向大容量傳輸需求,有效提升支持大數(shù)量和高階數(shù)OAM模式的多環(huán)型光纖性能。