长飞公司：新型光纤通信器件之光子灯笼

9/01/2020，随着社会信息化程度的逐渐提高，自2000年以来，信息数据流量呈现出飞速上涨的趋势，10年内其增长速度超过了100倍，逐步逼近传统单模光纤通信系统的非线性香农极限。为了突破容量限制，国内外研究者提出了多种解决方案，其中利用光信号空间维度的模分复用技术被认为是最优解决方案。模分复用是利用少模或多模光纤中不同模式之间的正交性，增加信息传输并行通道数，最终导致信息传输容量提高的一种技术。具体表现为在发射端将多路不同信号加载在不同的模式上，在接收端进行模式分离实现多路信息的接收，其中所用关键的器件之一就是模式复用及解复用器。全光纤型光子灯笼因为具有损耗低、串扰小、抗电磁干扰能力强等优点，成为最受欢迎的模式复用和解复用器。

1、光子灯笼的工作原理
   基于少模光纤的模分复用技术，是以少模光纤中几个相互独立的正交模式作为独立信道来成倍提升光纤通信容量，如图1所示。与单模光纤相比，少模光纤模场面积较大，因此非线性效应的容限也会相应提高。因此既可以依靠模式并行传输来提高传输容量，又提高了单信道的非线性香农极限，从而极大地提升光纤通信系统的通信容量。
 


   下面以模式选择性三模光子灯笼为例阐述模分复用技术。在输入端，把三根单模光纤束作为输入光纤，插入折射率比输入光纤包层还低的玻璃套管内，然后进行绝热拉锥，在拉锥过程中，输入光纤的尺寸逐渐减小，慢慢的不足以束缚光场，光场逐渐泄漏到包层内传输。直到拉锥到光子灯笼的输出端，输入光纤的纤芯几乎消失，或只是成为一个可以忽略的微扰结构，完全失去对光场的束缚作用，原输入光纤的包层和低折射率的玻璃套管层，重新形成新的少模波导结构，称为光子灯笼的尾纤。在整个拉锥过程中，输入光纤中的基模，也逐渐过渡为少模尾纤中的各阶模式。在模分复用系统中，光子灯笼的每一根输入光纤，分别与一根单模光纤熔接，输出端的少模尾纤则与传输系统的少模光纤进行熔接，从而把每根单模光纤中传输的基模，转换为少模光纤中对应的各阶模式，实现模式的转换和复用。模式选择性三模光子灯笼的结构示意图、有效折射率及模场演化如图2所示。
 


2、光子灯笼的制备
   目前为止，已报道的光子灯笼主要有超快激光刻写光子灯笼和熔融拉锥型光子灯笼两类，前者在波导输入或输出及与标准单模光纤连接时需要引入额外的光学器件支撑，技术复杂并可能带来附加插入损耗。熔融拉锥型光子灯笼的基本结构是将单模光纤束插入低折射率毛细管中进行熔融拉锥，在锥区尖端形成类似少模光纤的波导结构。理论和实验研究表明，对每个光子灯笼而言，光纤数量取决于所需复用的模式数量，单模光纤的数目和理想排布都是理论确定的。低插入损耗光子灯笼设计的目标为单模光纤束经过拉锥后，其最终尺寸需要与相熔接的少模光纤纤芯尺寸相近。
长飞光纤光缆股份有限公司（以下简称长飞公司）与华中科技大学光电信息学院付松年教授团队紧密合作，在现有光纤拉锥处理平台上，以自产的特种光纤与低折射率毛细管，用绝热拉锥工艺制作出了国产化熔融拉锥型光子灯笼产品(图3)。付松年教授研究团队近年来一直从事模分复用器件相关研究，提出基于功率转移矩阵的光子灯笼性能测试方案，仅依靠背向反射光功率可完成光子灯笼器件的插入损耗和模式选择性等性能参数测试(Optics Letters,vol.41,no.10,2016)。2019年，双方参加由广东工业大学秦玉文教授牵头的科技部国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项项目《基于新波段、新光纤、新放大的高速光传输技术及系统验证》，承担多芯少模光纤及全光纤核心器件的研究课题。近期，基于两步拉锥制备方案，双方合作完成高模式选择性、低插入损耗的十模光子灯笼设计(Optics Express,vol.27,no.20,2019)，论文入选当期主编推荐奖（Editors’Pick）。 
 


   长飞公司与华中科技大学合作设计制作的熔融拉锥型光子灯笼作为一种全光纤器件，具有低损耗、低模间串扰的优点。图4为模式选择性三模光子灯笼的输出模式以及产品图，表1为该产品的技术指标。该技术及产品可应用于模分复用光传输系统。未来，长飞公司将依托多年的光纤制备技术以及成熟的光纤处理平台，研制更高容量、更宽带宽的特种光纤器件，为光通信发展提供有力支持。