一种新型的模式复用器

尤贝+贾宏志+涂建坤

摘要： 为了进一步提高光纤通信传输容量以及突破单模光纤的容量极限，提出了一种新型的模式复用器结构，该结构可以将单模光纤中的纤芯基模转换为双模光纤中的高阶模。基于耦合模理论，通过MATLAB仿真与计算，证明此复用器的模式转换率可以达到100%，转换带宽为10 nm。由于其良好的转换效率和带宽，此复用器装置可以用于模分复用传输系统中来增加光纤通信的传输容量。

关键词： 光纤通信； 复用器； 高阶模； 单模光纤

中图分类号： TN 253 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.017

文章编号： 1005-5630（2016）05-0466-005

引 言

双模光纤（two-mode fiber，TMF）能够支持两个模式，所以可以同时传播两个模式，每个模式作为一个独立的数据通道，这样就可以增加光纤通信的容量[1-2]。在模分复用（mode division multiplexing，MDM）传输中，多输入多输出和模式选择性耦合器是复用/解复用模式的两个重要技术。本文提出了一种新颖的模式复用器结构，它的结构是基于两根平行放置的长周期光纤光栅（long-period fiber grating，LPFG），原理是基于光纤光栅的模式耦合和模式在两根光纤之间的耦合[3]。新模式在此复用器传输过程中，不会出现耦合干扰，所以可以将它应用于模分复用传输系统中。

1 模式复用器结构

本文提出的模式复用器是基于平行放置的LPFG结构，如图1所示。模式的耦合过程：首先，单模光纤（SMF）中的基模LP01经过光栅耦合到包层模HE13；然后，此包层模耦合到双模光纤（TMF）中同样的包层模HE13；最后，TMF中的包层模HE13经过倾斜光栅耦合到所需要的高阶模LP11[4]。在此过程中，包层模HE13作为两根光纤之间耦合的媒介模。

在我们设计的复用器结构中，SMF和TMF的参数见表1。对于TMF，它的归一化频率为V=3.458，对于SMF，它的V=2.075[5]。这个平行LPFG结构浸泡在一种折射率匹配液中，液体折射率为1.445，工作波长为λ=1 550 nm。在这里，我们选择包层模HE13作为媒介模。

2 复用器的耦合机理

本节分析光栅倾斜对包层模HE13和高阶纤芯模LP11之间耦合的影响以及包层模HE13在两根光纤之间的跨光纤耦合。单模光纤中基模LP01与一阶包层模HE1m之间的耦合机理已经很成熟，我们在这里就不做分析[6]。TMF中倾斜角度为θ的光栅条纹的横截面和侧面如图2所示，它有两个作用：一方面，可以控制倾斜使纵向调制与相位匹配条件相一致；另一方面，可以控制倾斜使横向调制直接影响耦合系数，耦合系数的定义如下[7]：

对于包层模HE13与高阶纤芯模LP11的耦合，它们在纤芯的场分布图形以及光栅条纹的横截面如图3所示。

光栅条纹有两个相互垂直的方向，这是由于LP11模有两个正交的电场分布，即LP11odd和LP11even，这与双模光纤中纤芯基模LP01到高阶模LP11的耦合情况类似[7]。此时，光栅的调制周期为Λx=Λy=2a1。因此，为了获得两个模式之间最大的耦合系数，由式（2）以及相位匹配条件，可以计算出光栅的倾斜角度θ和光栅周期Λg：

在TMF中，纤芯模LP01和LP11依次沿着传输方向复用。当TMF中的倾斜光栅将包层模HE13耦合到LP11时，可能会同时将已经存在的LP01耦合到其他的包层模，如果这个包层模存在，根据相位匹配条件，可计算出它的有效折射率为1.453 574。表2列出了部分包层模的有效折射率[8]，可以看出，最大有效折射率的包层模HE11的值仅为1.449 955。所以在耦合过程中不会出现耦合干扰。

包层模在两根光纤之间的跨光纤耦合在我们之前的工作中已有分析[3]。利用文献[3]中的跨光纤模式耦合系数公式，我们计算出包层模HE13从SMF到TMF的耦合系数为CTS=2.78×10-8 nm-1，耦合长度为Lc=5.65 cm，此长度值合理。

3 分析与模拟

本节以数值模拟SMF中LP01到TMF中LP11的耦合效率。因为LP11奇偶模只与光栅的倾斜方向有关，所以我们可以忽略耦合时它们之间的不同。在平行结合的LPFG中，耦合模方程可以表示为[9-10]：

模式耦合的数值计算与模拟可以通过传递矩阵法求解耦合模方程来解决[7]。通过计算，得到模式的能量转换谱如图4所示，可以看出，SMF的LP01到TMF的LP11能量转换率接近100%，转换带宽约为10 nm。

4 复用器在模分复用传输上的应用

支持两个纤芯模的TMF中，理论上是三个正交的模式分别作为三个独立的通道传输数据，即LP010，LP11odd，LP11even，如图5所示。

两个复用器分别将两个基模LP011，LP012耦合到TMF对应的高阶模上进行复用，并在接收端通过相应的解复用器解复用。解复用器的结构和复用器的结构是一样的，只是模式耦合的过程刚好相反。由于是全光纤结构，这种结构的模式复用器/解复用器有很好的兼容性，而且此结构的复用器可以扩展到FMF（few-mode fiber）中复用三个或更多的模式，此时为了避免耦合干扰，所选取的包层模就要进行相应的改变。

5 结 论

本文分析了基于平行结合的长周期光纤光栅的复用器的耦合机理。单模光纤（SMF）中的基模LP01经过光栅耦合到包层模HE13，然后此包层模耦合到双模光纤中（TMF）同样的包层模HE13，最后TMF中的包层模HE13耦合到所需要的高阶模LP11。对于高阶模LP11的复用，TMF中的光栅条纹需要倾斜，倾斜角度可以根据光栅的纵向和横向调制周期来确定。此复用器装置作为一个重要器件可以应用于模分复用传输系统中，为增加光纤通信的传输容量提供了更多有效的方法。

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